Термическая обработка углеродистой стали

 

Цель работы: изучить технологию термической обработки углеродистой стали, определить влияние скорости охлаждения на твердость стали после термической обработки.

 

Теоретические сведения

 

Термической обработкой стали называется технологический процесс, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении с заданной скоростью. При термической обработке необходимые свойства стали получают, изменяя ее структуру без изменения химического состава.

При нагреве и охлаждении при определенных температурах в стали наблюдаются фазовые превращения. Такие температуры называются критическими точками. Их принято обозначать буквой А. Критическая точка А₁ лежит на линии PSK (727 °С) диаграммы «железо – углерод» и соответствует превращению перлита в аустенит (рису-
нок 13.1). А₃ соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.

 

 

Рисунок 13.1 – Обозначение

критических точек стали

 

При термической обработке стали различают четыре основных превращения:

1. При нагреве выше А_С1 перлит (ферритно-цементитная смесь) превращается в аустенит. Выше А_С3 сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этом чем выше температура нагрева, тем крупнее получается зерно аустенита.

2. При охлаждении ниже А_С1 аустенит превращается в перлит. Превращение наблюдается как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Следует отметить, что чем выше скорость охлаждения, чем ниже температурный интервал распада аустенита, тем дисперснее получается смесь феррита и цементита. Продукты распада аустенита (перлит, сорбит, троостит) имеют пластинчатое строение. Твердость их зависит от степени дисперсности (рису-
нок 13.2).

 

 

Рисунок 13.2 – Влияние скорости охлаждения аустенита

на характер образующихся продуктов

 

3. При охлаждении со скоростью выше критической (v_к) аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет игольчатую структуру и тетрагональную объемно-центрированную решетку. Твердость мартенсита лежит в пределах 55…65 HRC (см. рисунок 13.2).

4. При нагреве ниже А_С1 мартенсит превращается в перлитные структуры.

Основными факторами термической обработки являются температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить в виде графика в координатах «температура – время» (рисунок 13.3). Этап АВ характеризует скорость нагрева сплава, этап ВС – выдержку при данной температуре, v₁, v₂, v₃ – скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения сплава, нагретого до определенной температуры, можно получить разные структуры и свойства, т.е. произвести различную термообработку.

Стали подвергаются следующим основным видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке, отпуску.

Отжиг. Это процесс нагрева стали до заданной температуры, выдержки и медленного охлаждения (с печью). Он относится к предварительной термической обработке.

Отжигом достигаются следующие цели:

1) снятие внутренних напряжений;

2) получение минимальной твердости;

3) исправление структуры кованой, литой и перегретой стали;

4) устранение дендритной ликвации (химической неоднородности) в пределах каждого зерна.

 

Рисунок 13.3 – График термической обработки

 

Различают отжиг I и II рода.

Проведение отжига I рода не связано с фазовыми превращениями. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он применяется с целью устранения в легированной стали дендритной ликвации. При таком отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000 – 1100 ^оС и подвергается длительной выдержке (18 – 24 ч).

Рекристаллизационный отжиг, который производится с целью устранения наклепа металла после холодной пластической деформации. Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150 – 250 ^оС выше температуры рекристаллизации (Т_р) обрабатываемого сплава. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали осуществляется при температуре 600 – 700 ^оС.

Низкий отжиг. Температура нагрева – ниже нижней критической точки на 100 – 50 ^оС:

Т_н = А_С1 – (100 … 50) ^оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не исправляется. Применяется для снятия внутренних напряжений.

Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией и может быть неполным и полным.

Неполный отжиг проводится при температуре выше А_С1:

 

Т_н = А_С1 + (30…50) ^оС.

 

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной составляющей, феррит (цементит) не претерпевает изменения. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко, в заэвтектоидных – приводит к образованию зернистого перлита.

Доэвтектоидная сталь:

Заэвтектоидная сталь: .

Полный отжиг. Температура нагрева – выше А_С3:

 

Т_н = А_С3 + (30…50) ^оС.

 

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, следовательно, исправлению структуры:

 

.

 

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей. С помощью полного отжига достигаются 1 – 3-я цели.

Нагрев на 30 – 50 ^оС выше критических точек приводит к образованию мелкого зерна аустенита. Последующее охлаждение обеспечит образование мелкозернистой структуры с хорошими механическими свойствами. Перегрев приводит к образованию крупного зерна и впоследствии – видманштеттовой структуры (рисунок 13.4).

 

 

Рисунок 13.4 – Схема изменения зерна перлита

в зависимости от температуры нагрева аустенитного зерна

Нормализация. Это нагрев стали выше верхней критической точки (А_С3или А_Сm), выдержка до полного образования аустенита и последующее охлаждение на спокойном воздухе (кривая охлаждения v₂ на рисунке 13.3). От полного отжига нормализация отличается ускоренным охлаждением. В этом случае распад аустенита происходит в более низком температурном интервале, поэтому зерно получается мельче, чем после отжига. Твердость нормализованной стали выше твердости отожженной стали.

Закалка. Это термическая обработка, состоящая в нагреве стали выше критической точки А_С3 или А_С1, выдержке до полного образования аустенита и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Цель закалки – получить мартенситную структуру, обладающую высокой твердостью.

Доэвтектоидные стали подвергаются полной закалке:

 

Т_н = А_С3 + (30…50) ^оС.

 

.

 

Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке:

 

Т_н = А_С1 + (30…50) ^оС.

 

.

 

Скорость охлаждения выбирается в соответствии с диаграммой изотермического превращения аустенита так, чтобы весь аустенит переохладился до мартенситной точки М_н. Для этого скорость охлаждения должна быть выше критической (v₄ > v_к на рисунке 13.2). Чем устойчивее аустенит в стали, тем меньше значение v_к, тем с меньшими скоростями можно охлаждать сталь при закалке. В качестве охлаждающих сред обычно применяют воду, масло или растворы солей.

Закаленная сталь со структурой мартенсита обладает высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску.

Отпуск. Нагрев закаленной стали до температуры ниже А_С1 ивыдержка с последующим охлаждением на воздухе называется отпуском. Его цель – снять напряжения, возникшие при закалке; получить структуру с заданным комплексом механических свойств.

Применяются три вида отпуска.

Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 200 °С с получением структуры мартенсит отпуска (58 – 60 HRC). Применяется в основном для инструментальных сталей.

Средний отпуск проводят при температуре 350 - 450 °С на структуру троостит отпуска. Применяется для пружинных сталей.

Высокий отпуск – при температуре 550 - 650 °С на структуру сорбит отпуска. Применяют для конструкционных сталей, так как зернистая структура сорбита отпуска обладает хорошим комплексом механических свойств (прочность, пластичность, вязкость). Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением стали.

Закалка в сочетании с отпуском является окончательным видом термической обработки изделий.

 

 

Материалы и принадлежности

 

· Образцы углеродистой стали в отожженном состоянии – 3 шт. (сталь 40, 45 или У10, У12).

· Лабораторные печи для термической обработки.

· Приспособления для загрузки (выгрузки) образцов в печь.

· Закалочный бак с холодной водой.

· Наждак.

· Твердомер ТК (Роквелл) с шариком и алмазным наконечником.

· Микроскопы, × 200…300.

· Коллекция микрошлифов.

 

 

Порядок проведения работы

 

 

13.3.1 Получить образцы для работы и ознакомиться с маркой стали, химическим составом, критическими точками (таблица А.4). Измерить и записать размеры образцов и их твердость на приборе Роквелла по шкале В (HRB). Посмотреть и зарисовать микроструктуру исходного образца (отожженного).

13.3.2 Подсчитать время нагрева (τ_н) и время выдержки (τ_в) образцов в печи. Время нагрева подсчитывается из расчёта 1 мин. на 1 мм минимального сечения образца, а время выдержки τ_в = 0,5 τ_н. Общее время нахождения образца в печи τ = τ_н + τ_в.

Загрузить образцы (два) в нагретую печь, выдержать τ минут. Один образец охладить на воздухе, второй – в воде. Термическую обработку третьего образца (отжиг) предварительно выполняет лаборант.

Термически обработанные образцы зачистить на наждаке до металлического блеска.

13.3.3 Измерить твёрдость термически обработанных образцов на приборе Роквелла: отожженный и нормализованный образцы – по шкале В (HRB), закаленный – по шкале С (HRC).

Изучить микроструктуру термически обработанных образцов, зарисовать.

13.3.4 Оформить отчёт.

 

Оформление отчета

 

Исходное состояние образцов

 

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 = …

А_С3 = …

Структурная группа …

Форма и размеры образцов …

Исходное состояние – отожженное.

Микроструктура (×240) в исходном состоянии:

 

Зарисовать, указать структурные составляющие.