Lab

Рисунок А.5 – Фрагмент диаграммы железо-углерод: линии GP и PQ

75

Рисунок А.6 – Фрагмент диаграммы железо-углерод: участок линии ВС

76

Рисунок А.7 – Фрагмент диаграммы железо-углерод: линия CD

77

78

6 Лабораторная работа № 6

Закалка углеродистых сталей

6.1 Цель работы

6.1.1 Изучение превращений переохлажденного аустенита при закалке углеродистых сталей.

6.1.2 Ознакомление с технологическим процессом и получение практических навыков назначения режимов закалки.

6.2 Общие сведения

6.2.1 Сущность и назначение закалки

В процессе изготовления детали машин подвергаются упрочняющей термической обработке. Наиболее распространенным видом термической обработки углеродистых сталей является закалка с последующим отпуском.

Закалкой стали называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше температур фазовых превращений, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической. Возможность изменения структуры и свойств сталей при термической обработке обусловлена наличием фазовых превращений в твердом состоянии. При охлаждении аустенита с различными скоростями достигается разная степень его переохлаждения. Вследствие этого возможно получение продуктов распада аустенита, отличающихся по строению и свойствам.

6.2.2 Превращения аустенита при различных степенях переохлаждения

6.2.2.1 Перлитное превращение аустенита

При эвтектоидном превращении образуются фазы, резко отличающиеся по составу аустенита: феррит, почти не содержащий углерода (0,02 % С при 727 0С) и цементит, содержащий 6,67 % С. Поэтому распад аустенита на ферритно-цементитную смесь сопровождается диффузией, перераспределением углерода и железа. Этот процесс протекает при относительно небольших скоростях охлаждения, позволяющих аустениту распадаться при температурах 700-550 0С и не ниже, т.к. скорость диффузии резко уменьшается с понижением температуры. При этом образуется механическая смесь кристаллов феррита и цементита, дисперсность которой возрастает по мере снижения температуры превращения. Чем больше переохлаждение, тем меньше сумма толщин двух пластинок феррита и цементита (таблица 6.1). Такие структуры по мере повышения дисперсности кристаллов феррита и цементита называются перлитом, сорбитом и трооститом (рисунок 6.1). С

79

увеличением степени дисперсности ферритно-цементитных структур твердость, предел прочности и текучести повышаются.

а – перлит; б – сорбит; в – троостит

Рисунок 6.1 – Микроструктура углеродистой стали

Таблица 6.1 - Характеристики ферритно-цементитных структур

	Структура	Перлит	Сорбит	Троостит
	Сумма толщин пласти-	0,6-1,0	0,25-0,3	0,1-0,15
	нок, мкм
	Твердость НВ	180-250	250-350	350-450

6.2.2.2 Мартенситное превращение аустенита

Если аустенит быстрым охлаждением переохладить до более низких температур, при которых диффузионные процессы становятся невозможными и перераспределение углерода и железа не происходит, то его решетка перестраивается без выделения углерода. В результате такого бездиффузионного превращения образуется мартенситная структура, представляющая собой пересыщенный α-твердый раствор.

Мартенсит стали – перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе.

Если в равновесном состоянии растворимость углерода в α-железе при 20 0С не превышает 0,002 %, то его содержание в перенасыщенном α- твердом растворе (мартенсите) может быть таким же, как в исходном аустените, то есть достигать 2,14 % С. Мартенсит имеет тетрагональную решет-

ку с отношением параметров CA =1. Чем больше в мартенсите углерода, тем

80

больше отношение CA , называемое тетрагональностью мартенсита, выше его

прочность, твёрдость, внутренние напряжения, ниже пластичность и вязкость.

Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн – Мк (Мн – температура начала мартенситного превращения, Мк – температура конца мартенситного превращения), который зависит от содержания углерода в стали (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Зависимость температуры начала и конца мартенситного превращения от содержания углерода и стали

Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение останавливается. Это наиболее ярко отличает его от перлитного превращения. Мартенситное превращение не протекает до конца. Поэтому в закаленной стали, особенно в стали, имеющей точку Мк, ниже 20 °С, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем большее, чем выше содержание углерода в аустените.

Мартенсит образуется в результате лавинного смещения атомных плоскостей в решётке аустенита и имеет форму пластин, растущих с громадной скоростью. Пластинки мартенсита ориентированы относительно друг друга под определенными углами (рисунок 6.3). Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной зерна исходного аустенита.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет значительно больший удельный объём. Это является одной из основных причин роста внутренних напряжений, вызывающих деформацию и даже разрушение изделий при закалке.

Мартенсит обладает высокой твёрдостью и прочностью. В стали с 0,6 - 0,7 % С твердость мартенсита составляет 65 HRC, а временное сопротивление достигает 2000 - 2300 МПа. Вместе с тем мартенсит характеризуется высокой хрупкостью и низкой вязкостью.

81

а) б)

а– пакетный мартенсит (в сталях, содержащих не более 0,5 % C);

б– пластинчатый мартенсит (в высокоуглеродистых сталях)

Рисунок 6.3 – Микроструктура углеродистой стали после закалки

6.2.2.3 Бейнитное превращение аустенита

В температурной области между перлитным и мартенситным превращениями протекает промежуточное (бейнитное) превращение. При этом образуется бейнит, состоящий из несколько пересыщенного α-твердого раствора и частиц карбидов. Бейнитное превращение протекает при температурах, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практически невозможна, скорость диффузии углерода ещё достаточно высока.

Различают структуру верхнего и нижнего бейнита (рисунок 6.4). Верхний бейнит образуется в интервале температур 500-350 ºC. На фо-

не α - твердого раствора выделяются изолированные узкие частицы карбидов (рисунок 6.4 а).

а) б)

а – верхний бейнит; б – нижний бейнит

Рисунок 6.4 – Микроструктура углеродистой стали

Нижний бейнит образуется при температурах от 350 ºC до точки Мн и имеет игольчатое мартенситоподобное строение (рисунок 6.4 б). По сравне-

82

нию со структурами перлитного типа нижний бейнит имеет более высокую твёрдость и прочность при высокой пластичности и вязкости, поэтому закалку на нижний бейнит широко используют для упрочнения деталей машин.

6.2.4 Диаграмма изотермического распада аустенита

Для описания процесса превращения переохлаждения сталей пользуются экспериментально построенными диаграммами изотермического распада аустенита. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения. Фиксируя при этом изменение какого-либо свойства, определяют время начала и конца превращения. Полученные точки отмечают в координатах время - температура и, соединив между собой, получают две линии в виде буквы «С» - С - образные кривые (рисунок 6.5). Линия 1 указывает время начала распада, линия 2 - время окончания распада аустенита. Левее линии 1 расположена область существования повреждённого аустенита, между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение, правее линии 2 лежит область существования продуктов превращения. Аустенит начинает распадаться по истечении определенного периода времени с момента переохлаждения. Этот период называют инкубационным.

На диаграмме можно выделить три температурные зоны: зона перлитного превращения (I), в которой образуются структуры перлита, сорбита и троостита, зона бейнитного превращения (II) и зона мартенситного превра-

щения (III).

Минимальная скорость охлаждения vкр, при которой аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Рисунок 6.5 – Диаграмма изотермического распада аустенита

83

Технология закалки стали включает операции: нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение со скоростью обычно выше критической.

6.2.5 Выбор температуры нагрева под закалку

Температуру нагрева назначают по диаграмме состояния железоуглерод. Доэвтектические стали нагревают на 30-50 ºС выше критической точки А3, заэвтектоидные - на 30-50 °С выше А1 (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

Закалка с нагревом до межкритических температур, при которых сохраняется избыточная фаза - феррит или вторичный цементит, называется неполной. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, а заэвтектоидные - неполной. После закалки доэвтектоидные и эвтектоидные стали имеют структуру мартенсита, а заэвтектоидные – мартенсита и цементита, который повышает износостойкость изделий. Нагрев до более высоких температур вреден, так как это ведёт к повышению количества остаточного аустенита в заэвтектоидных сталях, росту аустенитного зерна и закалочных напряжений, обезуглероживанио поверхности изделий.

При достижении заданной температуры нагрева проводят выдержку для полного прогрева деталей по сечению, для завершения фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по объему.

84