Что представляет собой термообработка железоуглеродистых сплавов?

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

2. Термическая обработка железоуглеродистых сплавов

Термической обработкой называют процессы нагрева и охлаждения, проведенные по определенному режиму, для направленного изменения структуры металла с целью получения необходимых эксплуатационных свойств.

2.1 Превращения в стали при нагревании

Нагрев стали при термической обработки используют для получения мелкозернистого аустенита.

Эвтектоидная сталь при нормальной температуре имеет структуру перлита. В процессе ее нагревания при температуре 727° С перлит превращается в аустенит.

В доэвтектоидных сталях (Ф+П) при дальнейшем нагревании происходит превращение феррита в аустенит, которое заканчивается при температуре 830°С.

У заэвтектоидных сталей (Ц+П) идет процесс растворения цементита в аустените, заканчивающийся при 940°С.

Образование аустенита обеспечивает перестройку -железа в -железо с растворением в нем углерода.

Для завершения диффузионных процессов и получения однородного аустенита сталь нагревают до температур на 30-50° выше критических (830°С, 940°С или 727°С) и выдерживают при этих температурах определенное время.

2.2 Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре 727°С. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, аустенит становится неустойчивым – начинается его превращение.

При медленном понижении температуры получается грубая смесь феррита и цементита, которая называется перлитом. Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом.

Если сталь нагретую до состояния аустенита охлаждать с большой скоростью, то будет переохлаждение аустенита с его распадом и образованием мелкозернистой ферритно-цементитной смеси. Чем больше скорость охлаждения, тем мельче ферритно-цементитная смесь. Образующиеся более мелкие, по сравнению с перлитом, структуры, имеют повышенную твердость и свое особое название.

При охлаждении стали на воздухе аустенит распадается с образованием сорбита. Его образование начинается при 600°С и заканчивается при 500°С. Сталь, в которой преобладает структура сорбита, обладает высокой прочностью и пластичностью.

При еще более низких температурах – 500-200°С – образуется троостит, обладающий еще большей дисперсностью. Сталь со структурой троостита имеет повышенную твердость, достаточную прочность, вязкость и пластичность.

По своему строению перлит, сорбит и троостит очень сходны. Все они являются механическими смесями феррита и цементита и отличаются лишь размерами пластинок феррита и цементита.

В случае очень высокой скорости охлаждения (в воде) удается полностью подавить диффузионные процессы, происходит только бездиффузионное превращение, которое называется мартенситом. Мартенсит отличается от сорбита и троостита и по структуре и по свойствам. Он представляет собой твердый раствор углерода в -железе, имеет игольчатое строение, обладает высокой твердостью, низкой пластичностью. Особенность его структуры объясняется тем, что при резком охлаждении углерод не успевает выделиться из твердого раствора аустенита в виде частичек цементита, как это происходит при образовании перлита, сорбита и троостита. Происходит только перестройка решетки -железа в решетку -железа. Атомы углерода остаются в решетке -железа (мартенсита) и поэтому сильно ее искажают.

При температурах, когда диффузия атомов железа сильно замедляется, а атомов углерода протекает сравнительно легко (скорость охлаждения выше, чем при образовании троостита, но недостаточна для получения мартенсита), происходит промежуточное – бейнитное – превращение, для которого характерны особенности как перлитного, так и мартенситного превращений. В результате промежуточного превращения образуется структура, состоящая из смеси -фазы, часто пресыщенной углеродом и карбида (цементита), которая называется бейнит, или игольчатый троостит.

2.3 Основные виды термической обработки стали

2.3.1 Отжиг стали

Отжиг стали — термическая обработка, включающая при полном отжиге нагрев до температуры выше верхних критических точек на 30. 50°С, выдержку при такой температуре до полного прогрева металла и последующее очень медленное охлаждение (вместе с охлаждаемой печью). При неполном отжиге нагрев стали производится до температур выше нижних критических точек на 30. 50°С, а при низкотемпературном отжиге — до температур, лежащих ниже нижних критических точек. При неполном и низкотемпературном отжигах происходит только частичная перекристаллизация. Структура стали после отжига образуется в полном соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов.

Отжиг стали производится в тех случаях, когда необходимо уменьшить твердость, повысить пластичность и вязкость, ликвидировать последствия перегрева, получить равновесное состояние, улучшить обрабатываемость при резании.

Разновидностями отжига сталей являются нормализационный и изотермический отжиги.

Нормализационный отжиг (нормализация) — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры на 30. 50°С выше верхних, критических точек, выдержке и охлаждении на спокойном воздухе. В результате нормализации стали с содержанием углерода менее 0,3% приобретают ферритно-перлитную структуру, а стали с содержанием углерода 0,3. 0,7% — сорбитную.

Нормализация применяется в тех случаях, когда необходимо получить мелкозернистую однородную структуру с более высокой твердостью и прочностью, но с несколько меньшей пластичностью, чем после отжига. При нормализации в заэвтектоидных сталях устраняется цементитная сетка, поэтому ею часто заменяют полный или неполный отжиг при подготовке углеродистых сталей к механической обработке. Нормализация более производительный и экономичный процесс, чем отжиг.

Изотермический отжиг — вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве стали до температуры, на 30. 50°С превышающей верхнюю критическую точку, выдержке при этой температуре, а затем переносят детали в другую печь с заданной температурой (ниже верхней критической точки) и изотермическую выдержку ее до полного распада аустенита. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием и применяется для деталей и заготовок небольших размеров.

ТЕРМООБРАБОТКА И ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТЫХ СПЛАВОВ

1. Что представляет собой термообработка железоуглеродистых сплавов?

2. Что называется химико-термической обработкой (ХТО) железоуглеродистых сплавов?

3. С какой целью проводят термообработку сталей и сплавов?

4. Каково назначение химико-термической обработки сталей и сплавов?

5. Запишите составляющие процесса термообработки:

6. Подчеркните наименование оборудования (рис. 11), которое эффективно для проведения термообработки.

Рис.11. Виды термических печей (с) и закалочных устройств (б)

7. При помощи каких приборов контролируют рабочую температуру в печи? Перечислите их:

8. Что называется отжигом?

9. Дорисуйте «башмачки» к «лапкам паучка» (рис. 12). Укажите в них виды отжига.

Рис.12. Виды отжига («паучок» и «башмачки»)

10. Какова цель отжига железоуглеродистых сталей?

11.Перечислите дефекты отжига железоуглеродистых сплавов:

12.Перечислите дефекты нормализации железоуглеродистых сплавов:

13. Что называется закалкой?

14. С какой целью закаливают железоуглеродистые сплавы?

15. В «лучах солнца» (рис. 13) запишите виды отпуска.

Рис. 13. Виды отпуска («солнечные лучи»)

16. Перечислите дефекты отпуска железоуглеродистых сплавов:

17. Отметьте стали, для которых предпочтительна нормализация, а не отжиг:

д) специальные стали и сплавы.

18. Подчеркните характерные отличия отжига от нормализации:

а) возможность получения у стали мелкозернистой структуры;

б) скорость охлаждения;

в) температура нагрева;

д) оборудование для проведения операции;

е) охлаждающая среда.

19. Подчеркните виды дефектов термообработки, которые являются необратимыми:

а) окисление и обезуглероживание;

г) недостаточная твердость;

д) коробление и трещины.

20. Перечислите особенности термообработки:

а) легированных сталей —

б) серого чугуна —

в) ковкого чугуна —

21. С какой целью изделия подвергают поверхностному упрочнению?

22. Укажите три метода поверхностного упрочнения изделий:

23. В чем заключается химико-термическая обработка сталей и сплавов?

24. Какой физический процесс лежит в основе химико-термической обработки сталей и сплавов?

25. Запишите в «лучах звездочки» (рис. 14.) виды химико-термической обработки.

Рис. 14. Виды химико-термической обработки («звездочка»)

26. Заполните табл. 10.

Таблица 10. Достоинства и недостатки различных видов химико-термической обработки

Вид химико-термической обработки Достоинства Недостатки

27. Что называется цементацией?

28. В какой среде проводят цементацию?

29. Заполните кроссворд. Прочтите по выделенной горизонтали название одного из видов химико-термической обработки.

1) Середина круга.

2) Переход металла из жидкого состояния в твердое.

3) Одно из технологических свойств металлов.

4) Явление, возникающее на заготовке при резании.

5) Физический процесс, лежащий в основе химико-термической обработки.

6) Химическое свойство металлов.

7) Дефект термообработки.

8) Одно из механических свойств металлов.

9) Переход металла из твердого состояния в жидкое.

10) Одно из физических свойств металлов.

11) Слой металла, удаляемый режущим инструментом за один рабочий ход.

12) Многолезвийный режущий инструмент.

Читайте также  Механическая обработка деталей из металла

30. Какие науглероживающие материалы используют при цементации?

31. Изделия из каких сталей подвергают цементации? Подчеркните правильный ответ:

а) из низкоуглеродистых;

32. Почему стальные детали цементируют после механической обработки?

33. В какой среде осуществляют азотирование?

34. Что называется азотированием?

35. Какие свойства придает цементация стальным изделиям?

36. При каких температурах происходит азотирование?

37. Какие виды азотирования вам известны?

38. Укажите, для каких сталей азотирование является наиболее эффективным:

а) для углеродистых;

39. Почему азотированные изделия не требуют закалки?

40. Какие недостатки азотирования вам известны? Перечислите их.

41. Что называется цианированием?

42. Какие свойства приобретают изделия в результате азотирования?

43. Чем отличается нитроцементация от цианирования?

44. В какой среде происходит нитроцементация?

45. В какой среде протекает цианирование?

46. Перечислите достоинства и недостатки нитроцементации и цианирования:

47. Что называется диффузионной металлизацией изделий?

48. Запишите в «лучах звездочки» (рис. 14) виды диффузионной металлизации.

Рис. 14. Виды диффузионной металлизации («звездочка»)

49. Заполните табл. 11. Укажите виды диффузионной металлизации изделий, придаваемые им свойства и области применения.

Таблица 11. Виды диффузионной металлизации изделий, их свойства и области применения

Вид диффузионной металлизации Придаваемые свойства Области применения

50. Перечислите достоинства и недостатки диффузионной металлизации:

51. Какие прогрессивные способы диффузионной металлизации применимы в машиностроении?

52. Какой процесс называется поверхностным упрочнением стальных изделий пластическим деформированием?

53. Какие свойства придает пластическое деформирование стальным изделиям?

54. Какими достоинствами и недостатками обладает пластическое деформирование? Перечислите их:

55. Какие новые способы упрочнения изделий пластическим деформированием применяют в машиностроении?

57. Установите технологию обработки заготовок из стали. Впишите в прямоугольники (рис. 15) в соответствующем порядке необходимые сведения из информационного банка.

Рис.15. Схема процесса обработки заготовки из стали

Информационный банк: фрезерование, закалка, поверхностное упрочнение, диффузионная металлизация, точение, шлифование.

58. С какой целью применяют поверхностную закалку деталей?

59. Какие способы поверхностной закалки вам известны? Перечислите их:

60. С какой целью осуществляют хромирование деталей?

61. В чем состоит назначение борирования?

62. С какой целью производят алитирование деталей?

63. Каково назначение силицирования?

64. Известны ли вам другие способы поверхностного насыщения изделий? Перечислите их.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Применение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов

Диаграмму состояния сплавов системы железо—цементит применяют для определения режима термической обработки сплава, температуры нагрева металла под ковку и температурного предела ковки, а также температуры плавления, что необходимо для назначения режима заливки жидкого сплава в формы.

Термическая обработка производится путем нагрева металлических сплавов до определенных температур, выдержки при этих температурах и последующего быстрого или медленного охлаждения с целью изменения свойств сплава в желаемом направлении.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов имеет ряд разновидностей, основанных на том, что неустойчивая при низких температурах структура аустенита в зависимости от скорости охлаждения сплава превращается в структуры, обладающие различными свойствами.
Продуктами распада аустенита являются мартенсит, троостит, сорбит и перлит.

Мартенсит — продукт закалки аустенита и его превращения в феррит без выделения углерода из раствора. Поэтому мартенсит — это сильно пересыщенное углеродом α-железо с кпженной кристаллической решеткой. Эго обусловливает высокую его твердость (НВ 600—700) и прочность, повышенную и ость и наличие внутренних напряжений. Эта структура образуется при больших скоростях охлаждения — закалки (180 ÷ сек для углеродистой стали). Мартенсит по своей природе неустойчив и при нагреве до температуры свыше 70° стремится перейти в другие структуры.

Трооститом называется механическая смесь феррита цементита очень высокой степени дисперсности. Твердость троостита НВ 350÷500. Эта структура образуется при скорости закалки углеродистой стали около 80°/сек. Игольчатый троостит иногда называют бейнитом.

Сорбит — это более грубая механическая смесь зерен феррита и цементита, однако достаточно дисперсная. Она с трудом различается под обычным микроскопом. Твердость сорбита 250÷350. Эта структура образуется при скоростях закалки углеродистой стали менее 50°/сек. По сравнению с трооститом copбит имеет более высокую вязкость, а по сравнению с перлитом — большую твердость.

Перлит представляет собой более или менее грубую механическуюкую смесь феррита и цементита. Перлит образуется при малых Коростях охлаждения стали, нагретой до аустенитногосостояния.

Троостит , сорбит и перлит можно получить путем отпуска мартенсита при возрастающих температурах отпуска. В этом случае они имеют отличные, часто более высокие механические свойства, чем при охлаждении аустенита с разными скоростями.

Таким образом, путем изменения режима термической обработки можно получать различные физико-механические свойства и структуры стали. К операциям термической обработки относятся отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг — фазовая перекристаллизация — заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше линии А3, а заэвтектоидной — выше линии Аст ( рис. 8 ) с последующим медленным охлаждением вместе с печью. Если нагреть сталь выше А1 , но ниже, А3 (или Аст ), то полной перекристаллизации не произойдет. Tal кая термическая обработка называется неполным отжигом. При отжиге состояние стали приближается к равновесному. Поэтому структура отожженной стали состоит либо из феррита и перлита (доэвтектоидные стали), либо из перлита и вторичного цементита (заэвтектоидные стали).

Рис. 8 . Температурные пределы полного отжига, неполного отжига, высокого отпуска и нормализации, нанесенные на участке диаграммы состояния железо — цементит

Отжиг снижает твердость и повышает вязкость стали, улучшает ее обрабатываемость, снимает внутренние напряжения, а также устраняет структурную неоднородность и стабилизирует физические свойства.

Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения (на спокойном или движущемся воздухе). Нормализацию применяют для размельчения зерна металла и повышения его прочности.

Закалкой называется нагрев стали выше критической точки А3 ( рис. 9 ) с последующим быстрым охлаждением в воде, масле или других охлаждающих средах. Обычно цель закалки — получение мартенситной структуры, подвергаемой затем отпуску. Неполная закалка происходит в случае, если доэвтектоидная сталь была нагрета до температуры, лежащей выше точки Аи но ниже точки А3. Феррит, содержащийся в такой стали наряду с аустенитом, закалки естественно не принимает. Заэвтектоидные стали закаливают с температур выше А1, но ниже Асm, так как нецелеобразно растворять при нагреве твердые включения вторичного цементита.

Рис.9 . Температурные пределы ковки и горячей штамповки, нанесенные на участке диаграммы состояния железо — цементит

При отпуске сталь нагревают до температуры ниже А1 , выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают вместе с печью. Низкий отпуск (175—250°) служит для повышения язкости стали при сохранении высокого предела прочности и твердости, уменьшения внутренних напряжений и получения более устойчивых структур. Высокий отпуск (до 700°) применяют для повышения пластичности и обрабатываемости стали и снижена прочности и твердости.

Ковку, горячую штамповку и прокатку стали производят при сравнительно высоких температурах. Нагрев стали производят до температуры на 100—150° ниже линии солидуса (рис. 9).

Окончание обработки стали давлением должно происходить и температурах, близких к А3, для доэвтектоидной стали, мшчание процесса при слишком низких температурах ведет к рочечности структуры стали, к снижению ее пластичности, копчание процесса при слишком высоких температурах ведет росту зерна стали (перегрев) и повышению ее хрупкости. Перерой можно исправить термической обработкой (отжигом, нормализацией).

При нагреве стали до температуры, близкой к линии солидуса АЕ, происходит окисление металла вдоль границ зерен, рпультате чего связь между последними нарушается и механическая прочность катастрофически падает. Такое явление называют пережогом, причем его нельзя исправить какой-либо следующей термической обработкой.

Основные виды термической обработки железоуглеродистых сталей

Лабораторная работа №4.

Цель работы: практическое освоение основных операций термической обработки углеродистых сталей.

Основные виды термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются:

1) отжиг на мелкое зерно;

3) одинарная термическая обработка;

5) отпуск (после закалки).

Читайте также  Основное оборудование для термической обработки

Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является нагрев сталей до оптимальных температур: доэвтектоидных – на 30-50 °С выше линии GS, т.е.

A3 + (30-50) °C, а эвтектоидной и заэвтектоидных – на 30-50 °С выше линии PSK т.е A1 + (30-50) °С(рис. 1). В результате фазовой перекристаллизации стали приобретают структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются еще и включения вторичного цементита.

Рис.1. Оптимальный интервал температур нагрева углеродистых сталей для получения мелкозернистого аустенита

После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания yi ie-рода в мелкозернистой аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры продуктов ею превращения, что является необходимым условием достижения оптимальных механических свойств. Эти структуры определяются по соответствующим диаграммам превращения переохлажденного аустенита (рис. 2).

Рис.2.Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с графиками скоростей охлаждения (П – перлит, С – сорбит, Т – тростит, М — мартенсит)

При относительно небольших скоростях охлаждения V1,V2,V3 в верхнем районе температур (727-550 °С) происходит диффузионное перлитное превращение – распад переохлажденного аустенита на структуры перлитного типа: перлит, сорбит или тростит. Они представляют собой феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченности) пластинчатого строения, т.е. в них частицы цементита имеют форму пластинок. Самой грубой смесью является перлит, а самой дисперсной (и потому самой твердой и прочной из них) – тростит, так как он образуется при большей степени переохлаждения.

В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, а в заэвтектоидных – цементита, количество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в районе выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажденного аустенита.

При высоких скоростях охлаждения, равных или больших Vкр, например, V5 диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлаждается до интервала температур Мн – Мк (Ми – температура начала, а Мк – конца мар-тенситного превращения)(рис.2 ). По мере охлаждения Мн до Мк происходит бездиффузионное превращение аустенита в предельно неравновесную структуру – мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного состояния Fe-C (рис. 3).

Рис. 3. Критические точки и области температур нагрева для основных видов термообработки стали

Доэвтектоидную сталь при отжиге, нормализации и закалке нагревают до температур, на 30-50 °С превышающих точку Ас3, а заэвтектоидную при закалке – на 30-50 °С выше точки Ас1. Превышение оптимальной температуры уже на 60-70 °С неизбежно укрупняет зерно аустенита (перегрев), понижая пластичность стали, более значительное превышение приводит к выгоранию углерода из поверхностного слоя заготовки (пережог).

Перегрев еще удается устранить повторной термической обработкой, если таковая допускается техническими условиями. Пережог же – брак неустранимый. В практике термической обработки и перегрев, и пережог недопустимы.

После нагрева до оптимальной температуры и соответствующего прогрева доэвтектоидная сталь, согласно диаграмме состояния (рис.3) имеет мелкозернистую аустенитную структуру, а заэвтектоидную дополняет вторичный цементит. Длительность выдержки для прогрева заготовки при той или иной температуре в общем случае определяется теплопроводностью материала, ее формой, габаритными размерами, а также количеством заготовок в данной садке.

В практике термической обработки длительность прогрева подбирается эмпирически. Расчет времени выдержки для технологических процессов производят исходя из максимальной толщины материала детали, подвергаемой термической обработке: на прогрев поверхности детали отводится 5 минут, к которым прибавляется по 1 минуте на каждый миллиметр толщины материала:

Tвыд = 5 мин + (1 мин В), где Твыд – время выдержки детали при температуре нагрева, мин, В – максимальная толщина металла детали, подвергаемой термообработке, мм, в случае цилиндрической детали В = dмм (диаметру). Для случаев штучной садки заготовок при термической обработке в лабораторных печах требуемую длительность прогрева можно рассчитать, пользуясь табл. 1.

Рабочая температура, °С Форма заготовки
круг квадрат пластина
Продолжительность прогрева, мин
на 1 мм радиуса на 1 мм толщины на 1 мм толщины
2,0 3,0 4,0
1,0 1,0 2,0
0,8 0,8 1,6

Скорость последующего охлаждения в каждом конкретном случае должна обеспечить стабильность получения требуемой структуры в условиях массовой термической обработки заготовок. Поэтому для охлаждения заготовок обычно используются вполне определенные и легко доступные охлаждающие среды: спокойной воздух, минеральное масло (холодное и горячее) и вода. При последующем охлаждении в зависимости от того, с какой скоростью его провести, можно получить равновесную или предельно неравновесную структуру. Причем структура будет изменяться в пределах границ каждого аустенитного зерна практически без изменения его размеров.

При отжиге, который производится с целью приведения стали в равновесное состояние, заготовки охлаждаются вместе с печью. В этом случае фазовые превращения пройдут в полном соответствии с диаграммой состояния, и сталь приобретёт равновесную диаграммную структуру. У доэвтектоидной стали она будет ферритно-перлитной, у заэвтектоидной будет состоять из зерен перлита и вторичного цементита. Теперь обратимся к данным рис. 4, где на кривые изотермического распада аустенита наложены векторы, каждый из которых характеризует собой непрерывное охлаждение с некоторой, в первом приближении постоянной, скоростью. Случаю равновесною охлаждения на рис. 4 соответствует вектор скорости охлаждения V1.

Рис. 4 Кривые распада аустенита и свойства продуктов этого распада, проявляющиеся при охлаждении стали

При нормализации охлаждение заготовок проводится на воздухе. На рис. 4 такому же неравновесному охлаждению соответствует вектор скорости охлаждения V2. При охлаждении на воздухе диффузионный или перлитный распад аустенита протекает в интервале температур ниже точки равновесного образования перлита 727 °С и, следовательно, с меньшей диффузионной подвижностью атомов. Образующиеся при этом в каждом аустенитном зерне пластинки феррита и цементита (рис. 4) окажутся более тонкими, чем в перлите. Полученную при охлаждении на воздухе структуру называют сорбитом.

При закалке стали охлаждение осуществляется в масле и в воде. Случаю охлаждения в масле на рис. 4 соответствует вектор V3. Здесь перлитный распад аустенита произойдет при температурах более низких, чем при охлаждении на воздухе и, соответственно, при меньшей диффузионной подвижности атомов. В итоге будут тоньше пластинки феррита и цементита. Полученную таким образом структуру называют трооститом.

Назначение и условия проведения основных видов термической обработки.

1. Отжиг на мелкое зерно является разупрочняющей (смягчающей) ТО. Он заключается в нагреве сталей до оптимального интервала температур (рис. 1), выдержке и медленном охлаждении (обычно с печью; скорость охлаждения V (рис. 2). После отжига получается равновесная мелкозернистая структура феррита и перлита в доэвтектоидных сталях, перлита в эвтектоидной стали и перлита с разрозненными включениями вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Отжиг на мелкое зерно, как правило, является предварительной ТО. Цель – устранение структурной неоднородности и крупнозернистости, отрицательно влияющих на технологические свойства; максимальное снижение твердости и повышение пластичности для улучшения обрабатываемости (резанием, давлением). При отжиге полностью снимаются внутренние напряжения.

2. Нормализация доэвтектоидных сталей проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждается ускоренно на спокойном воздухе (скорость V2 на рис. 2). После этой ТО доэвтектоидные стали состоят из мелкозернистого феррита и сорбитообразного перлита, придающего стали повышенную твердость и прочность. Поэтому нормализация может использоваться либо вместо отжига на мелкое зерно (как более производительная обработка), если возрастание твердости и прочности находится в допустимых пределах, либо как слабая упрочняющая ТО для неответственных изделий. Заэвтектоидные стали подвергают нормализации с целью устранения сплошной цементитной сетки по границам зерен перлита. Но в отличие от отжига процесс ведут от температуры Асm + (30-50) °C.

3. Одинарная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоидных сталей. Она осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро, например, в горячей воде или струей сжатого воздуха (скорость V3 на рис. 2). Образующие пластинчатые структуры сорбита или троостита с небольшим количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в нормализованном состоянии.

Читайте также  Станок для обработки торцов труб

4. Закалка проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают очень быстро, со скоростью больше критической (в воде или в минеральном масле; например скорость V5 на рис. 2.). После закалки структура лоэетектоидных и эвтектоидной сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных – из мартенсита и включении вторичного цементита. Мартенсит – основная структура закаленной стали, которая обусловливает максимальное повышение ее твердости. Однако закаленная сталь практически неработоспособна из-за высокой хрупкости, присущей мартенситу, и высокого уровня закалочных напряжений, которые возникают из-за очень быстрого охлаждения и могут вызвать коробление деталей или даже появление в ней трещин. По этому после закалки проводится заключительная операция термической обработки – отпуск.

5. Цель отпуска – снизить уровень остаточных закаточных напряжений и получить работоспособные структуры и соответствующие им свойства – твердость, износостойкость, прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Лабораторная работа №8 Проведение закалки и отпуска углеродистой стали

1. Развить интерес к исследовательской работе

2. Закрепить знания, приобретенные на уроках физики, материаловедения.

3. Продолжить формирование навыков проводить эксперимент.

4. Научить использовать результаты исследований в повседневной деятельности.

5. Продолжить формирование коммуникативных навыков работы в группах.

6. Сформировать навыки соблюдения основных положений техники безопасности при выполнении лабораторной работы.

Приборы и материалы.

1. Электронный микроскоп ЭУМП-1.

2. Коллекция шлифов сталей.

3. Альбом фотографий микроструктур углеродистых сталей

4. Диаграмма Fe – Fe3C.

5. Раствор азотной кислоты.

Порядок выполнения работы

1. Изучить содержание основных положений работы.

2. Разобраться со стальной частью диаграммы Fe – Fe3C.

3. Получить навыки определения под микроскопом элементов структуры стали: феррита, цементита, перлита, для чего:

а) рассмотреть фотографии микроструктур в альбоме;

б) рассмотреть под микроскопом подобранные шлифы для изучения структурных составляющих и зарисовать схемы рассмотренных структур.

4. Изучить микроструктуру трех-четырех образцов, относящихся к различным классам стали (доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные), определить к какому из названных классов относится каждый образец. Зарисовать схему микроструктуры рассмотренных образцов и обозначить на рисунках структурные составляющие.

5. Определить содержание массовой доли углерода по структуре расчетным путем и определить марку углеродистой стали по таблице 1.

6. Составить отчет.

Краткая теоретическая часть.

Термическая обработка углеродистой стали.

Для получения заданных свойств сталей путем изменения их структуры без изменения формы изделия и химического состава широко используется термическая обработка (ТО). Термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждении. В большинстве случаев решающая роль в получении желаемой структуры принадлежит охлаждению. Основой для изучения термической обработки сталей является диаграмма железо- углерод (рис.1). Так как речь пойдет только о сталях, то рассматриваются сплавы с концентрацией углерода до 2.14%.

Для правильного проведения ТО сталей, необходимо хорошо представлять, какие превращения происходят в них, как влияют на эти превращения скорость нагрева, максимальная температура и время выдержки при нагреве и скорость охлаждения.

Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов.

Основные виды термической обработки сталей: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Закалка
Назначение закалки — получение высокой прочности и твердости.

закалкой называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической и последующем достаточно быстром охлаждении с целью получения неравновесной структуры. В результате закалки повышается прочность и твердость стали.

На результат закалки оказывают влияние следующие факторы: нагрев (температура нагрева при закалке и скорость нагревания до температуры закалки), выдержка при температуре закалки и охлаждение от температуры закалки.

Выбор температуры нагрева при закалке углеродистых сталей производится по левой нижней части диаграммы железо — цементит.

Основные факторы воздействия при термической обработке температура и время, поэтому режим любой ТО можно представить графиком в координатах t-τ (рис.2.)

Верхней границей является линия солидус, поскольку процессы первичной кристаллизации не имеют значения.

Приведем общепринятые обозначения критических точек. Они обозначаются буквой «А». Нижняя критическая точка, обозначаемая А1, лежит на линии PSK и соответствует превращению А-П. Верхняя критическая точка А3 лежит на линии GSE и соответствует началу выпадения или концу растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита (вторичного) в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении рядом с буквой А ставят индекс:
при нагреве – «с» (Ас);
при охлаждении = «r» (Аr).

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше верхней критической точки Ас3 [Ас3 + + (30—50°)], т. е. выше линии GS диаграммы железо — цементит. При таком нагреве исходная феррито-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. При нагреве доэвтектоидной стали до более низкой температуры, например, выше критической точки Аг, т. е. выше линии PS диаграммы железо — цементит, но ниже точки А3, структура и свойства стали будут изменяться следующим образом. Исходная феррито-перлитная структура при таком нагреве не будет полностью превращаться в аустенит, а часть феррита останется не превращенным и структура будет аустенит + феррит. Структура после охлаждения будет мартенсит + феррит. Феррит, имеющий низкую твердость, понижает общую твердость закаленной стали. Такая закалка называется неполной.

При закалке заэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30—50° выше нижней критической точки Ас [Ас + (30—50°)], т. е. выше линии SK диаграммы железо — цементит. Так как эта линия горизонтальная и соответствует температуре 727° С, для заэвтектоидной стали можно указать интервал температуры нагрева для закалки 760—790° С. При таком нагреве исходная структура перлит будет полностью превращаться в аустенит, а часть вторичного цементита останется нерастворенной, структура будет состоять из аустенита и цементита. После охлаждения со скоростью больше критической аустенит превратится в мартенсит. Структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и цементита. Как было указано выше, такая закалка называется неполной. Но если неполная закалка доэвтектоидных сталей оказывает неблагоприятное влияние на их свойства, то неполная закалка заэвтектоидных сталей не ухудшает, а, наоборот, улучшает их свойства и является нормальной. Это объясняется тем, что в заэвтектоидных сталях в результате неполной закалки сохраняется избыточный цементит, обладающий большей твердостью по сравнению с твердостью мартенсита. Поэтому наличие в структуре закаленной заэвтектоидной стали, кроме мартенсита, еще и цементита повышает твердость и износостойкость стали.

Цементит тверже мартенсита НВЦ=800, НВм=650 в углеродистой стали с 0.5%С.

В качестве закалочных сред применяются:
• вода;
• минеральное масло;
• растворы солей и щелочей в воде.

Отпуск

Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже Ас1 выдержка при этой температуре и охлаждение.

Отпуск применяется для устранения внутренних напряжений и повышения пластичности.

Отпуск в интервале температур 150÷200°С – низкий отпуск. Низкому отпуску подвергаются режущий инструмент и детали, работающие на износ, от которых требуется высокая твердость. В результате низкого отпуска получается отпущенный кубический мартенсит.

Отпуск в интервале температур 350÷500°С называется средним отпуском. Средний отпуск обеспечивает высокие значения пределов упругости, прочности, усталости и высокую ударную вязкость.

Среднему отпуску подвергают, например, пружины подвесок трубопроводов, рессоры. В результате среднего отпуска получается структура — тростит отпуска.

Отпуск в интервале температур 500÷650°С называется высокий отпуск.

а). доэвтектоидная сталь имеет структуру, состоящую из феррита и перлита.

б) эвтектоидная сталь имеет структуру, состоящую только из перлита.

в) заэвтектоидная сталь имеет структуру, состоящую из перлита и цементита вторичного.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,8% С и имеют ферритно-перлитную структуру (рис. 3а). Здесь светлые зерна – это феррит, а темные (штрихованные) участки представляют собой перлит, являющийся двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита и цементита.

Рис.4. микроструктура доэвтектоидной стали (феррит + перлит):

а) литое состояние

в) после закалки

г) после отпуска

Рис.5. микроструктура заэвтектоидной стали: (перлит и цементит вторичный)