899-materialovedenie-560kb

Лабораторная работа 5

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ

(2 часа)

Цель работы – овладеть навыками проведения отжига, закалки и отпуска углеродистых сталей и анализа твердости при этих обработках.

5.1. Теоретическое введение

Температуры, соответствующие определенным линиям фазовой диаграммы системы Fe–Fe3C (см. лаб. работу 4, рис. 4.1), называют критическими точками стали. Эти точки имеют международные обозначения: A1 – температура эвтектоидного равновесия (линия PSK), А2 – точка Кюри (769 °С) (на рис. 4.1 не показана), A3 – температуры, соответствующие линии GS, Асm – температуры, соответствующие линии ES (индекс cm от англ. cementite – цементит).

Основное превращение, протекающее во время охлаждения при отжиге стали, – это эвтектоидный распад аустенита на смесь феррита и цементита (перлит).

При температуре А1 аустенит находится в термодинамически устойчивом равновесии со смесью феррита и цементита. Чтобы начался распад аустенита, необходимо его переохладить ниже 727 °С.

Важнейшей характеристикой эвтектоида является дисперсность феррита и цементита внутри его колоний. Мерой этой дисперсности служит межпластиночное расстояние между составляющими, которое уменьшается с увеличением скорости охлаждения (степени переохлаждения) аустенита. С увеличением дисперсности эвтектоида возрастают твердость, временное сопротивление и предел текучести.

В зависимости от дисперсности феррито-цементитной смеси различают перлит, сорбит и троостит.

Перлит образуется при небольших степенях переохлаждения при температурах от А1 до ~ 650 °С (охлаждение с печью со скоростью в несколько градусов в минуту), и строение его можно выявить при малых и средних увеличениях микроскопа.

Сорбит образуется при несколько бо́льших степенях переохлаждения в интервале температур ~ 650...600 °С (охлаждение на воздухе со скоростью в несколько десятков градусов в минуту). Поэтому он бо-

50

лее дисперсен, и микростроение колоний сорбита выявляется только при больших увеличениях микроскопа.

Троостит образуется при еще бо́льших степенях переохлаждения в интервале температур ~ 600...550 °С (охлаждение в масле со скоростью в несколько десятков градусов в секунду). Внутреннее строение колоний троостита трудно выявить даже при очень больших увеличениях светового микроскопа.

Так как подразделение эвтектоида на перлит, сорбит и троостит условно и между этими структурами нет четкой границы, то их можно различать по твердости. Например, в эвтектоидной стали твердость перлита, сорбита и троостита соответственно равна 170...230 НВ, 230...330 НВ и 330...400 НВ.

Отжиг сталей

Отжиг сталей (отжиг 2-го рода) – это термическая обработка, при которой главными процессами являются аустенитизация с последующим перлитным превращением. Аустенитизацией называют образование аустенита при нагреве сталей.

Отжиг доэвтектоидных сталей. При проведении отжига доэвтектоидную сталь нагревают до температур на 20...40 °С выше точки А3 (рис. 5.1).

T		E
G	нормализация	Acm
A3	S	неполный отжиг
полный
отжиг		727°
	A1

0,80

Fe содержание, % (по массе) C

Рис. 5.1. Температура нагрева сталей для отжига

51

Охлаждение при отжиге проводят с такой малой скоростью, чтобы аустенит распадался при небольшой степени переохлаждения; для этого изделия охлаждают вместе с печью. Отжигаемые изделия можно выдавать из печи на спокойный воздух при температурах 500...600 °С, если не опасны термические напряжения.

Структура доэвтектоидной стали после полного отжига состоит из доэвтектоидного феррита и перлита.

Отжигом преследуют три основные цели:

1)смягчение стали перед обработкой резанием;

2)устранение пороков структуры, возникших при предыдущей обработке;

3)уменьшение остаточных напряжений.

При литье могут кристаллизоваться относительно крупные зерна аустенита, из которых при охлаждении образуются грубые зерна феррита и перлита. Часто феррит располагается в виде вытянутых кристаллов с определенной ориентировкой – возникает видманштеттова структура, характеризующаяся пониженной ударной вязкостью. При горячей обработке давлением может образоваться полосчатая структура. Для устранения указанных выше недостатков структуры необходимо провести полную фазовую перекристаллизацию стали.

При нагреве до температуры выше А3 на 20...40° образуется мелкое аустенитное зерно, из которого при охлаждении формируется равномерная и мелкая структура, состоящая из феррита и перлита.

Неполный отжиг доэвтектоидных сталей, имеющий ограниченное применение, проводят при нагреве до температуры выше А1, но ниже А3 (см. рис. 5.1). Его используют для смягчения стали перед обработкой резанием, так как в результате эвтектоидного превращения при неполном отжиге образуется мягкий перлит.

Отжиг заэвтектоидных сталей. Отжиг с нагревом выше Аст

(см. рис. 5.1, линия ES) к заэвтектоидным сталям вообще не применяют, так как при медленном охлаждении после такого нагрева выделяется грубая сетка вторичного цементита, ухудшающая механические свойства. К заэвтектоидным углеродистым сталям применяют отжиг с нагревом до 740...770 °С и последующим медленным охлаждением. При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации во время распада аустенита при охлаждении. В результате образуется структура зернистого перлита; поэтому этот отжиг называют

сфероидизирующим.

52

Нормализация сталей

При нормализации сталь нагревают до температур на 30...50° выше линии GSE и охлаждают на спокойном воздухе (см. рис. 5.1). Ускоренное по сравнению с отжигом охлаждение обусловливает большее переохлаждение аустенита. Поэтому при нормализации получаются более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит) и меньшего размера эвтектоидные колонии. Таким образом, после нормализации сталь должна иметь бо́льшую прочность, чем после отжига.

Нормализацию широко применяют:

1)не только как окончательную, но и как промежуточную операцию для смягчения стали перед обработкой резанием;

2)для устранения пороков строения (видманштеттовой структуры, полосчатости) и общего измельчения структуры перед закалкой;

3)для устранения грубой сетки вторичного цементита в заэвтектоидной стали.

Таким образом, назначение нормализации как промежуточной обработки аналогично назначению отжига. Так как нормализация гораздо выгоднее отжига (не задействуется печное оборудование на стадии охлаждения), то ее всегда следует предпочесть отжигу, если оба эти вида обработки дают одинаковые результаты. Но нормализация не всегда может заменить отжиг как операцию смягчения стали.

Нормализацию широко применяют вместо смягчающего отжига

кмалоуглеродистым сталям, в которых аустенит слабо переохлаждается. Но она не может заменить смягчающий отжиг высокоуглеродистых сталей, которые ощутимо упрочняются при охлаждении на воздухе из-за значительного переохлаждения аустенита. Например, твердость стали с 0,8 % С после отжига равна 180 НВ, а после нормализации 240 НВ.

Мартенситное превращение в сталях

Закалка на мартенсит (закалка с полиморфным превращением) – это термическая обработка, при которой главным является мартенситное превращение высокотемпературной фазы.

Закалку на мартенсит часто применяют в производстве стальных деталей.

Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении (сотни градусов в секунду) углеродистой стали с температур выше A3(А1) (температуру закалки для конкретного сплава выбирают по

53

справочнику), например, в воде, когда подавлен диффузионный распад аустенита на смесь двух фаз (феррита и карбида), резко отличающихся по составу от исходного аустенита. Концентрация углерода в мартенсите такая же, как и в исходном аустените. Следовательно, в отличие от перлитного превращения мартенситное превращение – бездиффузионное.

Вα-железе при комнатной температуре равновесная растворимость углерода ничтожна (см. рис. 4.1). Поэтому мартенсит, образующийся

врезультате бездиффузионного полиморфного превращения аустенита в углеродистой стали, всегда является пересыщенным раствором внедрения углерода в α-железе. Чем больше углерода в исходном аустените, тем больше его и в мартенсите. В безуглеродистых сплавах на основе железа мартенсит пластичен.

Пластины мартенсита, возникающие в первую очередь, проходят через все аустенитное зерно, расчленяя его на отсеки. Через границу зерна матричной фазы мартенситная пластина пройти не может, и поэтому максимальный размер мартенситных пластин ограничен размером исходных аустенитных зерен.

Вотсеках аустенита при понижении температуры образуются новые мартенситные пластины, размер которых уже ограничен размерами отсека матрицы. По мере развития превращения аустенитное зерно расчленяется на все более мелкие отсеки, в которых образуются все более мелкие мартенситные пластины. При мелком аустенитном зерне пластины мартенсита столь мелки, что «игольчатое» строение на шлифе не видно и мартенсит называют бесструктурным. Такой мартенсит наиболее желателен.

При закалке на мартенсит углеродистой стали резко возрастает ее твердость и снижается пластичность. Например, твердость эвтектоидной стали после отжига равна 180 НВ, а после закалки – 650 НВ.

Высокая твердость сталей, закаленных на мартенсит, обусловлена сильными искажениями решетки пересыщенного α-раствора из-за внедренных атомов углерода.

Закалка сталей

Наиболее важные параметры закалки – температура нагрева и скорость охлаждения.

Температуры нагрева под закалку углеродистых сталей можно выбрать по диаграмме состояния (рис. 5.2). Доэвтектоидные стали зака-

54

ливают с температур, превышающих точку А3 на 30...50°. При более

высоких температурах закалки может сильно вырасти аустенитное зерно, в пределах которого образуются более крупные кристаллы мартенсита, и механические свойства ухудшатся.

T E

	A	A + Ц2
	G
	S	Tзак
	A + Ф
		727°

Ф + Ц

0,80

Fe

Cодержание, % масс.

C

Рис. 5.2. Температура нагрева по закалку углеродистых сталей

При закалке с температур в интервале A1–А3 (неполная закалка) наряду с мартенситом остается избыточный феррит, который сильно снижает твердость закаленной стали и ухудшает механические свойства после отпуска. Но в ряде случаев закалка с температур данного интервала целесообразна.

Заэвтектоидные стали закаливают с температур, превышающих точку А1 на 35...60°. При закалке с температур в интервале А1–Аст в заэвтектоидных сталях наряду с мартенситом имеется вторичный цементит, который повышает износостойкость инструмента. Нагрев до температур выше Аст вреден, так как твердость при этом не возрастает, но зато укрупняется аустенитное зерно, усиливается обезуглероживание поверхности и растут закалочные напряжения. При нагреве выше Аст твердость закаленной стали получается даже несколько ниже из-за растворения твердых цементитных частиц и повышения количества остаточного аустенита.

55

Продолжительность выдержки при температуре нагрева должна быть такой, чтобы прошла гомогенизация аустенита.

Режим охлаждения при закалке должен прежде всего обеспечить образование мартенсита. Вместе с тем, режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникли сильные закалочные напряжения, приводящие к короблению изделия и образованию закалочных трещин.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных (фазовых) напряжений. При закалке всегда возникает перепад температур по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обусловливает возникновение термических напряжений.

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема происходят в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях увеличивается перепад температур по сечению изделия.

Быстрое охлаждение необходимо в интервале 650...400 °С.

В качестве закалочных сред наиболее широко используют воду, 10%-ный водный раствор NaOH или NaCl и масла.

Холодная вода – самый дешевый и весьма энергичный охладитель. Добавки солей и щелочей увеличивают охлаждающую способность воды в перлитном интервале. Основной недостаток воды – большая скорость охлаждения в мартенситном интервале.

Минеральное масло медленно охлаждает в мартенситном интервале (это его главное преимущество), но оно медленно охлаждает и в перлитном интервале (это его основной недостаток). Поэтому масло применяют для закалки сталей с хорошей прокаливаемостью (под прокаливаемостью понимают глубину проникновения закаленной зоны). Другие недостатки масла – легкая загораемость (температура вспышки машинного масла 180...200 °С), образование пригара на поверхности изделия и потеря с течением времени закаливающей способности (загустевшее масло требует замены).

Нагретая вода не может заменить масло, так как нагрев резко уменьшает скорость охлаждения в перлитном интервале, но почти не изменяет ее в мартенситном интервале.

56

Относительно новый класс закалочных сред – водные растворы полимеров, которые в зависимости от концентрации полимера по охлаждающей способности могут занимать промежуточное положение между водой и маслом.

Так как нет такой закаливающей среды, которая давала бы быстрое охлаждение в интервале температур 650...400 °С и медленное охлаждение ниже этого интервала, то применяют разные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Для уменьшения скорости охлаждения в мартенситном интервале применяют закалку через воду в масло. Вначале деталь погружают в воду и после короткой выдержки переносят в масло. Быстрое охлаждение в воде предотвращает перлитное превращение, а последующее замедленное охлаждение в масле уменьшает закалочные напряжения в мартенситном интервале. Данный вид закалки важен для упрочнения инструмента.

Как передержка, так и недодержка в воде могут привести к браку. При недодержке в воде произойдет частичный или полный распад аустенита и будет получена заниженная твердость, а при передержке возникнут более сильные закалочные напряжения, которые могут привести к короблению и образованию трещин.

Отпуск сталей

Закаленная углеродистая сталь отличается не только высокой твердостью, но и большой склонностью к хрупкому разрушению. Кроме того, при закалке возникают значительные остаточные напряжения. Для увеличения вязкости и уменьшения остаточных напряжений и применяют отпуск.

Отпуск – это термическая обработка закаленной на мартенсит стали, при которой основным процессом является распад мартенсита.

При нагреве после закалки, благодаря увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равномерному состоянию.

Основные процессы при отпуске закаленной стали связаны с распадом мартенсита и остаточного аустенита и со структурными изменениями продуктов этого распада: α-раствора и карбида.

Для упрощения часто выделяют три температурных интервала и соответствующие им три «превращения» при отпуске:

1) первое «превращение» при отпуске происходит в интервале

100...120 °С и состоит в распаде мартенсита;

57

2)второе «превращение» в интервале 200...300 °С состоит в распаде остаточного аустенита и в продолжающемся распаде мартенсита;

3)в интервале третьего «превращения» (300...400 °С) промежу-

точный карбид заменяется цементитом и заканчивается выделение углерода из α-раствора.

Структуру, получающуюся после отпуска стали при температуре ниже ~300 °С, называют отпущенным мартенситом. От мартенсита закалки он отличается повышенной травимостью.

После отпуска при 300...450 °С обнаруживается особенно сильно травящаяся структура, которая называется трооститом отпуска.

При отпуске в интервале 450...650 °С получается сорбит отпуска. Его двухфазное строение из феррита и точечного цементита уже можно различить под световым микроскопом.

С увеличением температуры отпуска прочностные характеристики непрерывно снижаются, а показатели пластичности возрастают. Разупрочнение при отпуске происходит из-за уменьшения концентрации углерода

вмартенсите и, соответственно, уменьшения искажений его решетки, а

также из-за коагуляции карбидов и увеличения расстояний между их частицами. Все это облегчает скольжение дислокаций в α-растворе.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (120...250 °С) широко применяют после закалки инструментов и после поверхностной закалки для уменьшения остаточных закалочных напряжений.

Средний отпуск на троостит (350...450 °С) – сравнительно редкая операция. Его используют для получения сочетания высокой прочности, упругости и умеренной вязкости (пример – пружины, рессоры).

Высокий отпуск на сорбит (450...650 °С) широко применяют в производстве деталей машин, которые должны обладать не только достаточной прочностью, но и высокой сопротивляемостью ударным нагрузкам. Закалку и высокий отпуск называют улучшением.

Продолжительность отпуска обычно не превышает нескольких часов.

5.2. Порядок проведения работы и указания по технике безопасности

1. Изучить влияние скорости охлаждения из аустенитного состояния на твердость стали.

58

Нагреть три образца в аустенитную область, выдержать в течение 20 мин, охладить с разной скоростью:

один – охладить вместе с печью до 500 °С, далее – на воздухе; другой – на воздухе; третий – в масле.

С отожженных образцов удалить окалину и измерить твердость по Бринеллю.

2. Изучить влияние закалки и отпуска на твердость стали. Нагреть 5 образцов в аустенитную область, выдержать в течение

20 мин. Закалить 4 образца в воду, а один – через воду в масло (выдержка в воде – 3 с). Измерить твердость по Роквеллу закаленных образцов.

Три образца, закаленные в воде, поместить в печи (по одному образцу) с температурами 200, 400 и 600 °С и выдержать в течение 60 мин. Измерить твердость по Роквеллу отпущенных образцов.

При работе с электрическими печами сопротивления необходимо помнить, что они могут явиться источниками поражения электрическим током и термических ожогов.

Запрещается начинать работу с печами без разрешения преподавателя или учебного лаборанта.

Во избежание поражения электрическим током загрузку образцов в печь и их выгрузку производить только при выключенном электропитании печи.

Во избежание термических ожогов запрещается прикасаться к корпусу печей и работать без рукавиц и специальных клещей.

5.2.Требования к отчету

1.Начертить участок диаграммы состояния системы Fe–C. Нанести на диаграмму состояния ординаты изучаемых сталей и температуру аустенитизации.

2.Представить в виде таблицы значения твердости по Бринеллю изученных сталей после охлаждения из аустенитной области с разными скоростями, в таблице схематично изобразить структуру, которая образуется в результате разных скоростей охлаждения.

3.Представить в виде таблицы значения твердости по Роквеллу закаленных и отпущенных образцов.

59