Переохолодженого аустеніту сталі У8

 

Чим більша швидкість охолодження і нижча температура розпаду аустеніту, тим більш дисперсна феритно-цементитна структура, що утворюється. При невеликій швидкості охолодження V₁ утвориться перліт, при більшій V₂ – сорбіт, а ще при більшій – V₃ троостит. Бейніт при безперервному охолодженні вуглецевої сталі зазвичай не утворюється. При високих швидкостях охолодження (крива V₄) частина аустеніту переохолоджується до точки М_Н і перетворюється в мартенсит. Структура в цьому випадку складається з трооститу і мартенситу. При дуже великій швидкості охолодження (крива V₅) дифузійний розпад аустеніту стає взагалі неможливим, і тоді аустеніт переохолоджується до точки М_Н і перетворюється в мартенсит. Перетворення аустеніту в мартенсит не йде до кінця, тому в загартованій сталі, яка містить вуглецю більше 0,4 %, поряд з мартенситом завжди присутній у деякій кількості залишковий аустеніт. Мінімальну швидкість охолодження (крива Vк), при якій весь аустеніт переохолоджується до точки М_Н і перетворюється в мартенсит, називають критичною швидкістю гартування, що однакова для різних сталей і залежить від стійкості аустеніту, обумовленого складом сталі. Чим більше його стійкість, тим менше критична швидкість гартування. Вуглецеві сталі мають високу критичну швидкість гартування (800...200 °С/с). Найменшу критичну швидкість має евтектоїдна сталь. Чим крупніше зерно аустеніту і більше його однорідність (тобто вище температура нагрівання), тим вище стійкість переохолодженого аустеніту і менше критична швидкість гартування.

Відпуск – це нагрівання загартованої сталі, структура якої складається з тетрагонального мартенситу і залишкового аустеніту, нагрітих до температур нижче температури перетворення (критичної точки A₁), витримки й охолодження для одержання більш стійкого структурного стану. Відпуск - остаточна операція термічної обробки, внаслідок якої сталь набуває необхідні механічні властивості. Внутрішні напруження, що виникають при гартуванні, знімаються тим повніше, чим вище температура відпуску. Швидкість охолодження після відпуску також дуже впливає на значення залишкових напружень. Чим повільніше охолодження, тим менші залишкові напруження. Швидке охолодження, наприклад від 600⁰C, створює нові теплові напруження в деталях. Тому, щоб уникнути короблення після відпуску при високих температурах деталі складної конфігурації варто охолоджувати повільно, а вироби з легованих сталей, схильних до утворення відпускної крихкості, після відпуску при 500...650⁰C у всіх випадках варто охолоджувати швидко. Температура відпуску впливає на властивості загартованої сталі.

Розрізняють три види відпуску: низький, середній і високий (див. рис. 3.1, а).

Низький відпуск полягає в нагріванні загартованої сталі до 160...200 ⁰С (навіть – до 240...250 ⁰C), витримці й охолодженні на повітрі. Він призначений для зниження внутрішніх напружень, що утворилися у виробах внаслідок гартування. Мартенсит гартування при низькому відпуску перетворюється у відпущений мартенсит, що забезпечує підвищення міцності і деяке поліпшення в'язкості без помітного зниження твердості. Так, загартована сталь (0,5...1,3 %C) після низького відпуску зберігає твердість у межах HRC 58...63 і високу зносостійкість. Однак такий виріб, якщо він не має в‘язкої серцевини, не витримує значних динамічних навантажень.

Низькому відпуску піддають різальний і вимірювальний інструмент з вуглецевих і низьколегованих сталей, а також деталі після поверхневого гартування або хіміко-термічної обробки (XTO): цементації, нітроцементації, дифузійної металізації і т. п. Тривалість низького відпуску звичайно складає від 1 до 2,5 годин, а для виробів великих перерізів і вимірювальних інструментів призначаються більш тривалі витримки.

Середній відпуск виконують при 350...450⁰С. Він застосовується, головним чином, для пружин і ресор, а також для штампів. Середній відпуск забезпечує високі межі пружності та витривалості, релаксаційну стійкість. Структура сталі (0,45...0,8 %C) після середнього відпуску – троостит відпуску з твердістю HRC 40...50. Температури відпуску вибирають таким чином, щоб не викликати незворотної відпускної крихкості.

Охолодження після відпуску при 400...450 ⁰C варто проводити у воді, що призводить до утворення на поверхні виробів стискаючих залишкових напружень, що збільшують межу витривалості пружин.

Високий відпуск проводять при 500...680 ⁰C. Структура сталі після високого відпуску – сорбіт відпуску. Високий відпуск створює найкраще співвідношення міцності і в'язкості сталі.

Гартування з високим відпуском в порівнянні з нормалізованим і відпаленим станами одночасно підвищує межі міцності і текучості, відносне звуження й особливо ударну в'язкість. Термічну обробку, що складається з гартування на мартенсит і наступного високого відпуску, називають поліпшенням.

Поліпшенню піддають середньовуглецеві (0,3...0,5 %C) конструкційні сталі, від яких вимагають високих механічних показників (межа текучості і витривалості, ударна в'язкість). Однак зносостійкість поліпшеної сталі невисока через знижену твердість. Поліпшення значно підвищує конструктивну міцність сталі, зменшує чутливість до концентратів напруг, збільшує роботу пластичної деформації при поширенні тріщини (роботу розвитку тріщини) і знижує температуру верхнього і нижнього порогів холодноламкості. Відпуск при 550…600⁰C протягом 1...2 годин майже цілком знімає залишкові напруження, що виникають при гартуванні внаслідок нерівномірного охолодження по перерізу виробу і фазових перетворень. Тривалість високого відпуску, як правило, складає 1...6 годин залежно від габаритних розмірів (перерізу) виробу.

Легуючі елементи підвищують стійкість переохолодженого аустеніту і різко знижують критичну швидкість гартування. Наприклад, при введенні в сталь 0,4 % молібдену критична швидкість гартування знижується від 200 до 50 °С/с. Значно знижують критичну швидкість гартування хром, марганець, нікель, у меншому ступені – вольфрам. Кобальт – єдиний легуючий елемент, що знижує стійкість переохолодженого аустеніту і підвищує критичну швидкість гартування. При охолодженні легованих сталей з різними швидкостями утворяться більш складні структури.

Методичні вказівки

Дану лабораторну роботу виконують фронтально бригади з 2-3 осіб. Кожна бригада одержує робоче місце терміста (муфельну електричну піч опору, гартівні середовища – масло мінеральне і воду, інструмент) комплект зразків (4 шт.) вуглецевої сталі для термічної обробки. По діаграмі стану залізовуглецевих сплавів (див. рис. 3.1) слід визначити критичні точки Ac₃ і Ac₁ і записати до протоколу (табл. 3.1).

Температура нагрівання зразків для відпалу і нормалізації доевтектоїдної сталі визначається за емпіричною формулою:

для гартування – за формулою:

 

 

Таблиця 3.1 – Результати термічної обробки сталі___________

Вид термічної обробки	Режим термообробки	Швидкість охолодження, °С/с	Твердість, МПа	Передбачувана структура
t, ˚С	τ, хв.	НВ	HRC
Відпал
Нормалізація
Гартування в мастилі
Гартування у воді

 

Тривалість нагрівання повинна забезпечити прогрівання виробу по площі перетину і повне завершення фазових перетворень, але не повинна бути занадто великою, щоб не викликати надзвичайного росту зерна й зневуглецьовування поверхневих шарів сталі. Час нагрівання і витримки зразків варто визначити за таблицею 3.2 і записати до протоколу (див. табл. 3.1) Оскільки зразки будуть нагріватися вище 800°C, і нижче 900°C, необхідний час слід визначати методом інтерполяції.

 

Таблиця 3.2 – Час нагрівання і витримки деталей для термічної обробки

Температура нагрівання, °С	Форма виробу (деталі)
Круг	Квадрат	Пластина
Тривалість нагрівання, хв.
На 1мм діаметра	На 1мм товщини
	2,4 1,5 1,0 0,8 0,4	3,0 2,2 1,5 1,2 0,6	4,0 3,0 2,0 1,6 0,6

 

Повний час нагрівання і витримки зразків при завантаженні в розігріту піч знаходять за емпіричною формулою, хв:

де τ – час нагрівання 1мм товщини зразка, хв;

h – товщина зразка, мм;

0,2 τ – час ізотермічної витримки, хв.

Гартування значно підвищує твердість, міцність, зносостійкість завдяки одержанню гартівних структур: мартенситу, трооститу, сорбіту і т. п.

Мартенсит – перенасичений твердий розчин вуглецю в Fe_α. Він утворюється в вуглецевих сталях при великих швидкостях охолодження (180 °С/с і вище) у воді і водних розчинах солей і лугів і має досить високу твердість (HRC 50...60; НВ 500...600) (див. рис. 3.2).

Трооститом називається феритно-цементитна високодисперсна суміш. Він утворюється при трохи менших швидкостях охолодження (130...170 °С/с), що досягається звичайно при охолодженні в мастилі.

Сорбітом називається також феритно-цементитна суміш, однак дисперсність її менша, ніж у трооститу. Він утворюється при меншій швидкості охолодження, ніж троостит. Тому пластинки зерен цементиту в сорбіті утворюються крупніші, ніж у трооститі, а твердість сорбіту (НВ 270...350) менша, ніж трооститу (HB 350...450).

При гартуванні доевтектоїдної сталі (рис. 3.3) нагрівання здійснюють до температур вище критичної точки Ac₃ (лінія GS) на 20...30 °С і після витримки для розчинення надлишкових фаз в аустеніті охолоджують зі швидкістю, що перевищує критичну. Нагрівання доевтектоїдної сталі нижче т. Ac₃ не рекомендується, тому що в структурі залишається деяка кількість фериту, що призводить до зменшення її твердості.

Рисунок 3.3 – Схема гартування доевтектоїдної сталі (а)