Термическая обработка углеродистых сталей кратко
Обновлено: 02.07.2024
5. Получить навыки самостоятельной работы в исследованиях по влиянию технологических факторов термообработки на структуру и свойства стали.
Оборудование, приборы, инструменты
Оборудование для проведения различных видов термической обработки стали включает: электрическую камерную печь периодического действия с электромеханической системой регулирования температуры; передвижные закалочные сдвоенные баки с водой и маслом; клещи, защитные очки.
Для очистки от окалины и выравнивания поверхности образцов применяется наждачный круг.
Для оценки свойств стали и качества термообработки производится измерение твердости по методу Бринеля на приборе ТШ2 и по методу Роквелла на приборе ТК2.
Методика проведения работы
1. Провести термообработку углеродистых сталей указанными методами;
2. Стандартными методами определить твердость термообработанных сталей;
3. Результаты измерений и расчетов занести в протокол;
4. По данным измерений построить графики зависимости твердости сталей от содержания углерода в этих материалах и скорости охлаждения для рассматриваемых видов термообработки;
5. На основании полученных результатов провести сравнительный анализ изменения структуры и свойств углеродистых сталей при различных видах термообработки.
Теоретическая часть
Термическая обработка стали представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности с целью изменения внутреннего строения стали для улучшения технологических свойств заготовок и обеспечение необходимых эксплуатационных свойств материала в готовых изделиях.
Последовательность изменений, происходящих в структуре стали при нагреве и охлаждении, обусловлена превращениями аустенита в равновесном состоянии и при непрерывном охлаждении с различными скоростями.
При температуре 727°С происходит распад аустенита с образованием перлита.
Перлитное превращение, связанное с диффузионными перераспределениями углерода, в реальных условиях происходит ниже температуры 727°С медленном охлаждении — вектор скорости V1. Рис. 1.
С возрастанием скорости охлаждения (V3 > V2 > V1) снижается температура распада аустенита, что приводит к измельчению пластинок ферритно-цементитной смеси.
В результате, как в условиях изотермического превращения аустенита, образуются структуры перлита, сорбита, троостита, отличающиеся размерами ферритных и цементитных образований и, следовательно, разными механическими свойствами.
Крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь у перлита предопределяет высшее значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения по сравнению с другими структурами, а твердость (HRC 15), предел прочности, предел текучести — самые низкие.
Дисперсной (мелкой) структуре троостита соответствует более высокие показатели твердости (HRC 36) и прочностных свойств; сорбит по показателям тех же механических свойств (HRC 28) занимает промежуточное положение между перлитом и трооститом.
При дальнейшем росте скорости охлаждения (V4) только часть аустенита способна перейти в ферритно-цементитную смесь; оставшийся аустенит претерпевает превращения, которые имеют бездиффузионный характер и сопровождаются образованием новой структуры — мартенсита.
При непрерывном охлаждении с еще большей скоростью (V5 > V4) диффузия углерода полностью исключается и в интервале температур от Мн (начало) до Мк (конец) происходит только мартенситное превращение.
Положение точек Мн и Мк определяется содержанием углерода в исходной структуре: чем больше углерода в аустените, тем ниже температура точек Мн и Мк. Рис. 2.
От содержания углерода в стали зависит степень чистоты мартенситного превращения — количество остаточного аустенита в материале: у высокоуглеродистых сталей количество остаточного аустенита повышенное.
Вектор скорости Vk, касательный к выступу изотермической кривой и характеризующий минимальную скорость непрерывного охлаждения, при которой образуется мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (критической скоростью закалки).
При мартенситном бездиффузионном превращении происходит перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемно-центрированную решетку α — железа при сохранении концентрации углерода исходной структуры.
Решетка α — железа способна разместить ограниченное количество углерода — не более 0,02%. Поэтому избыточное количество углерода исходного аустенита (max — 2,14%) искажает кубическую объемно-центрированную решетку α — железа до тетрагональной объемно-центрированной решетки, у которой периоды между ближайшими атомами железа по вертикали (с) и горизонтали (а) не равны, как у куба. Величина отношения периодов с/а — тетрагональность решетки мартенсита — возрастает с увеличением содержания углерода. Рис. 3.
Таким образом, мартенсит есть пересыщенный твердый раствор углерода в
α — железе с такой же концентрацией, как у исходного аустенита. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение с ориентированными по отношению друг к другу кристаллами под углами 60° или 120°; скорость их образования и роста составляет — 5000 м/с.
Из всех возможных структур, получаемых при непрерывном охлаждении аустенита, мартенсит обладает максимальными значениями твердости (HRC 60), предела текучести, предела прочности, сопротивления деформации. Однако значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения мартенсита — самые минимальные по сравнению с другими структурами.
Высокая твердость мартенсита определяется количеством растворенного углерода: с увеличением концентрации углерода в решетке α — железа значение твердости возрастает.
Таким образом, непрерывное охлаждение аустенита с различным скоростями, обусловливающие два типа основных превращений в стали (диффузионное и бездиффузионное), позволяет при термической обработке получать необходимые структуры, обладающие конкретными механическими свойствами, которые соответствуют определенным качествам материала деталей.
В практике машиностроения для получения в стали различных структур применяют следующие виды термообработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.
Параметрами процесса любого вида термической обработки являются: температура максимального нагрева стали (t max), время выдержки (τв) стали при заданной температуре, скорости нагрева (Vн) и охлаждения (Vохл) стали. Поэтому процесс любого вида термической обработки можно графически изобразить в координатах ‘температура — время’. Рис. 4.
На этом графике можно выделить три участка — время нагрева (τн), время выдержки (τв) и время охлаждения (τохл).
Медленное охлаждение стали при отжиге способствует протеканию равновесных фазовых превращений и образованию основной структуры указанных групп стали — перлита, избыточного феррита и цементита в дополнении к перлиту в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно.
После отжига стали характеризуются высокой пластичностью, но пониженной прочностью и твердостью, что улучшает обработку металлов резанием.
Стали, подвергнутые отжигу после литья, ковки, прокатки, имеют более высокие свойства благодаря измельчению зерна, снятию напряжений и устранению неоднородности структуры.
Для последующей обработки резанием отжиг можно рассматривать как подготовительную операцию, а при исправлении структуры после литья, ковки и прокатки отжиг является окончательной операцией термообработки.
Нормализацией называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали любой группы на 50 — 60° выше Ас3, в выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.
Фазовая перекристаллизация при нагреве и последующее охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной смеси, увеличивая в материале количество сорбита — основная структура стали любой группы. В доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях наряду с сорбитом будут находится соответственно избыточный феррит и цементит.
При образовании в стали сорбита на 10 — 15% возрастает прочность и твердость стали по сравнению с отожженной. Поэтому нормализация широко применяется для улучшения свойств сталей после литья, прокатки и ковки.
Назначение нормализации зависит от состава стали:
1. Для низкоуглеродистых сталей нормализация, имеющая более высокие технико-экономические показатели, заменяет отжиг;
2. Для среднеуглеродистых сталей нормализация заменяет улучшение, совмещенную операцию закалки с последующим высоким отпуском;
3. Для высокоуглеродистых сталей нормализация предотвращает выпадение сетки цементита по границам зерен перлита, наблюдаемое пр отжиге в интервале температур Ас3 — Ас1.
Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30 — 50° выше температуры Ас3 и Ас1 для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно, в выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки). В качестве среды, обеспечивающей подобные скорости охлаждения, используют воду, масло, растворы солей и щелочей.
При столь резком охлаждении аустенита происходит мартенситное превращение, при котором доэвтектоидная и эвтектоидная стали будут иметь структуру мартенсита, а заэвтектоидная сталь — мартенсит и избыточный цементит.
Закаленные стали помимо указанных структур будут иметь определенное количество остаточного аустенита, что обусловлено относительной способностью большинства охлаждающих сред ограничивать окончание процесса аустенитно-мартенситного превращения комнатными температурами, в то время, как для полного осуществления этого вида превращения необходимы отрицательные температуры. Присутствие остаточного аустенита в закаленной стали понижает ее твердость, износостойкость. Для уменьшения количества остаточного аустенита применяют обработку стали холодом, что приводит к более полному превращению остаточного аустенита в мартенсит.
Сталь мартенситной структуры имеет максимально возможную твердость, высокую прочность и низкие показатели пластичности, вязкости.
Читайте также: