Лабораторная работа № 3 закалка углеродистой стали
Цель работы: ознакомиться с технологическим процессом закалки стали, изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру и свойства закаленной стали
Приборы, материалы и инструмент
Камерная печь, щипцы, набор отожженных образцов из стали 45, набор микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомер ТШ для определения твердости по методу Бринелля и твердомер ТК для определения твердости по методу Роквелла.
Краткие теоретические сведения
Закалка – операция термической обработки, включающая нагрев стали выше температуры фазового превращения, выдержку при этой температуре и ускоренное охлаждение, в результате чего формируется неравновесная структура, упрочняющая сталь.
В
процессе ускоренного охлаждения при
превращении γ-твердого
раствора в α-твердый раствор углерод
остается в твердом растворе, заметно
искажая кристаллическую решетку α-Fe.
Поэтому
структура закаленной стали – мартенсит
– является пересыщенным твердым
раствором внедрения углерода в α-Fe
и имеет тетрагональную кристаллическую
решетку, где отношение ребер с/а
> 1 (рис. 6.1).
Повышение содержания углерода в аустените увеличивает искажение пространственной решетки мартенсита. Это является важнейшим фактором его высокой твердости. Структура мартенсита и схема его зарисовки показаны на рис. 5.2.
|
|
|
а |
б |
в |
Рис. 6.2 Структура мартенсита: а – мелкоигольчатый; б – крупноигольчатый; в – схема зарисовки мартенсита и остаточного аустенита
|
||
Для углеродистых доэвтектоидных сталей (например, марки 45) выбирается такая температура нагрева, при которой возможен перевод всех структурных составляющих стали в аустенит, т. е. выше соответствующей точки Асз, лежащей на линий GS диаграммы состояния железо–углерод.
Температура закалки углеродистых конструкционных (доэвтектоидных) сталей назначается по диаграмме состояния железо–углерод согласно формуле
Т = Асз + (30 ÷ 50) °С,
где Т – температура закалки.
Перегрев стали должен быть минимальным. Температуру выше точки АС3 больше чем на 30 ÷ 50° поднимать не рекомендуется, чтобы зёрна аустенита (рис. 6.3). А следовательно и иглы мартенсита оставались мелкими (рис. 6.2, а).
Рис. 6.3 Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали на участке диаграммы Fe–Fe3C
|
Нагрев под закалку заэвтектоидных сталей должен обеспечить получение в стали двухфазного состояния: аустенит и карбиды. Следовательно, температура нагрева для заэвтектоидных сталей должна быть выше точки Ас1 (линия РSК), но ниже точки Аcm (линия ЕS). При последующем быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, а оставшиеся нерастворённые частицы карбидной фазы дополнительно повышает твёрдость и износостойкость стали. |
Температура закалки заэвтектоидных сталей назначается по диаграмме железо–углерод (см. рис. 5.3):
Т = Аc1 + (30 ÷ 50) °С.
В случае нагрева заэвтектоидной стали (см. рис. 6.3) до температуры, лежащей выше соответствующей точки Асm, карбиды в стали растворятся. Закалка с повышенных температур является причиной образования крупноигольчатого мартенсита, который получается в результате охлаждения крупных зерен аустенита, а это в свою очередь повышает хрупкость стали.
Время выдержки образца в печи при нагреве под закалку выбирают из расчёта 1 минута на 1 мм диаметра образца.