Общие сведения по термической обработке

Лабораторно-практическая работа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ

МЕТОДОМ ТОРЦЕВОЙ ЗАКАЛКИ.

Цель работы.

· Закрепление знаний по термической обработке стали, процессам распада аустенита при охлаждении.

· Усвоение понятия прокаливаемости как важного технологического показателя стали.

· Овладение практическими навыками работы по определению технологических свойств металлов и сплавов;

Общие сведения по термической обработке

Термическая обработка (ТО) производится с целью изменения (получения) определенного комплекса свойств обрабатываемого сплава: твердого и прочного или мягкого и легкообрабатываемого.

Строго говоря, ТО – это процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменение внутреннего строения, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

Основными видами ТО являются закалка, отжиг, нормализация и отпуск.

Закалка – вид ТО, проводится с целью получения наиболее твердого и прочного материала из данного сплава. Технология закалки – нагрев сплава выше температуры рекристаллизации, затем очень быстрое охлаждение (углеродистая сталь закаливается в воде или растворах солей и т.д.)

Отжиг – вид ТО, проводится с целью получения наиболее мягкого и легко обрабатываемого резанием материала из данного сплава. Технология отжига – нагрев сплава выше температуры рекристаллизации, затем очень медленное охлаждение (в печке или в песке).

Нормализация – вид ТО, как вид отжига - проводится с целью получения достаточно прочного и твердого материала из данного сплава. Технология нормализации – нагрев сплава выше температуры рекристаллизации, затем охлаждение на воздухе.

Отпуск – вид ТО, проводится после закалки с целью снятия остаточных напряжений, и тем самым увеличения прочностных свойств материала.

Технология отпуска – прогрев сплава (после закалки)

до 200º С (низкий отпуск – частичное снятие остаточных напряжений),

до 400º С (средний отпуск – полное снятие остаточных напряжений) или

до 600º С (высокий отпуск – мартенсит распадается в сорбит отпуска, металл имеет высокие прочностные свойства в сочетании с высокой пластичностью и вязкостью разрушения).

2. Теория ТО

Диаграммы состояния определяются в условиях равновесия, фазовый состав сплавов изменяется в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Они позволяют качественно характеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства сплавов, определить, какие именно сплавы и в каком направлении изменяют свою структуру и т.д.

Однако практика термической обработки сталкивается с неравновесными процессами, при которых одними из важнейших становятся временной фактор и направление изменения температуры металла. Нагревая до определенной температуры и затем охлаждая стальные детали и изделия, можно изменить структуру стали (не меняя химического состава) и получить различные механические свойства, требующиеся для работы деталей.

Рис. 1. Равновесная (метастабильная) диаграмма состояния системы Fe+C.

При нагреве выше линии GSE сталь полностью переходит в аустенитное состояние с ГЦК- кристаллической решеткой (рис.1). При достаточно медленном охлаждении ниже GSE происходит перлитное превращение по диффузному механизму (с перемещением атомов различных элементов) – аустенит распадается на феррит (ОЦК – решетка) и цементит (химическое соединение Fe₃C), а также сложную пластинчатую структуру из феррита и цементита – перлит согласно равновесной диаграмме состояния (рис.2).

Необходимо учитывать, что предельное содержание углерода в феррите не превышает 0, 02%, тогда как в аустените может раствориться весь углерод (в стали содержание углерода до 2, 14%). При резком изменении температуры атомы углерода не успевают уйти с места расположения в аустенитном растворе, в котором они были, в то время как железо стремится перекристаллизоваться в ОЦК решетку феррита. Излишнее количество углерода препятствует этому, что вызывает большие напряжения внутри сплава. Возрастание напряжения приводит к корпоративному сдвигу (движению всей плоскости кристалла) в решетке. Это мартенситное превращение. Образуется деформированная ОЦК- решетка мартенсита, которую можно рассматривать как ОЦТ (объемноцентрированную тригональную – с углами, не равными 90º).

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Мартенсит – очень твердая и прочная структура. Получение мартенсита – цель закалки. Однако мартенсит обладает небольшой вязкостью, т.е. достаточно хрупок.

Рис.2. Диаграмма изотермического распада аустенита.

Здесь А_с1 – критическая температура (температура рекристаллизации, т.е. 727º С);

Кривая С I – начало распада аустенита;

Кривая С II – конец распада аустенита

М_н – начало мартенситного превращения.

V_{1 ,} V _2, … V ₅ – кривые охлаждения с различными скоростями, самое медленное V_1..

При различных скоростях охлаждения из одной и той же стали в результате получаются разные структуры с разными свойствами. При медленном охлаждении V_1.. – грубопластинчатый перлит, при более быстром V₂ – тонкопластинчатый перлит. При увеличении скорости охлаждения получаются структуры такой же пластинчатой «a + карбид железа» природы, но с более тонкими пластинами и меньшей зернистостью: сорбит и троостит. Если кривая охлаждения пересекает С-I, но не доходит до С-II ( на рис. V_3.), то получается промежуточная игольчатая структура – бейнит.

При скорости охлаждения V₄ - линия идет касательно С-кривой - II. Здесь V₄ – критическая скорость закалки V_кр,. При скоростях охлаждения выше V_кр получается мартенсит, т.е. критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, когда еще можно достичь закалки. Если охлаждение происходит медленнее, то реализуется диффузионный механизм перлитного превращения аустенита.

Характеристика основных структур, получаемых при термообработке, и их свойства

Мартенсит (сокращенно М) - пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе (a -Fe) той же концентрации, что и у исходного аустенита.

Мартенсит - структура твердая, хрупкая, напряженная, неустойчивая. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода,

например: при С = 0, 1% твердость HRC 30 (HB 286);

при C = 0, 7%, HRC 65 (HB 671).

Мартенсит имеет наибольший удельный объем, зависящий от содержания углерода (максимальный у эвтектоидной стали). Увеличение удельного объема вызывает внутренние напряжения, приводящие к деформациям или даже разрушению.

Троостит, сорбит, перлит (Т, С и П) - образующиеся из аустенита структуры, являются феррито - цементитными (Ф+Ц) смесями, имеющими пластинчатое строение. Эти структуры отличаются друг от друга степенью дисперсности (измельченностью) пластинок цементита. Более тонкое строение (дисперсность) у троостита, более грубое - у перлита. Увеличение дисперсности повышает прочностные характеристики и твердость, но уменьшает пластические свойства стали.

Твердость троостита 350 - 500 НВ;

Твердость сорбита 250 - 350 НВ;

Твердость перлита 150 - 250 НВ;

В сталях на практике не бывает четкой границы между этими структурами.