Министерство образования и науки

Российской Федерации

Ивановский государственный университет

Кафедра экспериментальной и технической физики

Закалка и отпуск углеродистой стали

Методические указания к лабораторному практикуму

по курсу «Физическое материаловедение»

Иваново 2015

Печатается по решению методической комиссии

физического факультета

Ивановского государственного университета

Составители:

кандидат технических наук, доцент В.В. Новиков

(Ивановский государственный университет)

Рецензент:

доктор химических наук, доцент С.А. Сырбу

(Ивановский государственный университет)

1. Теоретические сведения

1. Закалка стали. Закалка сплавов производится в целях повышения их механических свойств — твердости, предела прочности упругости и сопротивления изнашиванию. Закалку применяют для режущих и измерительных инструментов, деталей машин, подвергающихся износу или имеющих значительные механические нагрузки.

Закалку выполняют в такой последовательности:

— нагревают изделие до температуры закалки;

— выдерживают определенное время при указанной температуре;

— охлаждают изделие с нужной скоростью.

Параметрами, характеризующими режим закалки являются: температура нагрева, время нагрева и выдержки, скорость охлаждения.

Нагрев под закалку должен обеспечить в ней фазу аустенита, поэтому температуру нагрева стали под закалку определяют по диаграмме состояния (рис. 1). Для доэвтектоидной и эвтектоидной стали она принимается равной Ас3 + (30…50C) , для заэвтектоидной стали Ас1 + (30…50С). Указанные температурные интервалы являются наилучшими, обеспечивающими максимальный эффект при закалке (твердость, предел прочности, минимальное коробление и обезуглероживание). Иные температуры нагрева нежелательны.

Правильное время нагрева обеспечивает достижение температуры закалки по всему объему нагреваемого изделия. Оно зависит от размера и геометрической формы изделия, его теплопроводности, температуры печи, среды, в которой осуществляется нагрев (воздух, жидкость), расположения изделия в печи и т.д. Нормы времени нагрева приведены в таблице 1.

Время выдержки составляет 0,25% от времени нагрева. Оно обеспечивает завершение и полноту фазовых превращений в металле (превращение феррита и цементита в аустенит). За указанное время из-за диффузии атомов происходит выравнивание концентрации углерода и других элементов зернах аустенита.

Рис. 1. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали

Таблица 1. Продолжительность нагрева при термической обработке стали в зависимости от формы образца

Температура печи в градусах	Время нагрева в мин на 1 мм размера
	Цилиндр диаметром d, мм	Квадрат со стороной а, мм
200 300 400 500 600 700 800 900	1,5 1,3 1,1 1,0 0,9 0,7 1,5 1,3	2,0 1,6 1,3 1,2 1,1 0,9 2,0 1,8

Если времени выдержки будет недостаточно, в структуре закаленной стали будут присутствовать фазы. Присущие незакаленному состоянию. Например, присутствие феррита в закаленной стали понизит ее твердость.

Нагретое по закалку изделие охлаждают с определенной скоростью, которая должна обеспечить получение нужной структуры и свойств изделия. Скорость охлаждения, удовлетворяющая этим требованиям, может быть оценена по диаграмме изотермического превращения аустенита (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма изотермического превращения аустенита

В зависимости от степени переохлаждения аустенита может наблюдаться три вида превращений: диффузионное, бездиффузионное и смешанное.

Диффузионное превращение наблюдается при небольших степенях переохлаждения менее 300 С (интервал температур 700-400 С). Высокая температура еще облегчает диффузию атомов. В результате диффузионного превращения образуются структуры феррито-цементитной смеси – перлит, сорбит, троостит, отличающиеся дисперсностью.

Бездиффузионное превращение начинается при занчительном переохлаждении 400 С и выше (интервал температур на диаграмме ниже 300 С). Низкая температура подавляет диффузию атомов. Поэтому превращение состоит в перестройки гранецентрированной кубической решетки в тетрагональную призму без изменения концентрации углерода в ней. Возникает структура пересыщенного твердого раствора углерода в феррите — мартенсита. Образование мартенсита сопровождается пластической деформацией кристаллов. Поэтому значительно повышается твердость, электросопротивление, удельный объем. Возникают напряжения первого рода, приводящие к короблению изделия.

Смешанное превращение наблюдается в диапазоне температур 300…400 С. При этих условиях углерод может выйти из решетки аустенита и образовать самостоятельные карбиды за счет диффузии. Но образование феррита уже идет по бездиффузионному механизму. В результате возникает структура игольчатого троостита – бейнита.

Чтобы получить нужную структуру, нужно резко охладить аустенит до указанного интервала температур по диаграмме. Минимальная скорость охлаждения аустенита, при которой образуются структуры закалки, называется критической скоростью закалки Vкр.

Для закалки на структуру мартенсита среднеуглеродистая сталь должна охлаждаться в интервале 500…600 С со скоростью не ниже 555 К/с, а при температурах ниже 500 — со скоростью не менее 28 К/с.

Необходимые скорости закалки обеспечиваются применением соответствующих охлаждающих сред, характеристики которых даны в табл. 2

Охлаждающая среда	Скорость охлаждения К/с
	550…650 С	200…300 С
Вода при температуре 18 С	600	270
10% р-р едкого натра при 18 С	1200	300
10% р-р поверенной соли в воде при 18 С	1100	300
Минеральное мало	150	30
Расплавленные соли	–	150…120
Спокойный воздух	18

На практике часто используют ступенчатую закалку последовательно в двух средах: расплаве солей, а затем на воздухе или в масле.

Структура закаленной стали зависит от того с какой скоростью охлаждался рассматриваемый под микроскопом участок. Если скорость охлаждения была выше критической, струкутра будет представлять собой мартенсит + небольшое количество остаточного аустенита. Остаточный аустенит заметен только высокоуглеродистых и некоторых легированных сталей. Мартенсит виден в виде темных игл. Размер их зависит от температуры закалки. Лучшими свойствами обладает мелкодисперсный игольчатый мартенсит.

Твердость углеродистой стали зависит от содержания углерода и режима нагрева под закалку (рис. 4). Снижение твердости для режима закалки с нагревом выше Ас3 объясняется высоким содержанием в структуре остаточного аустенита.

Рис. 3. Структура мартенсита в сталях 500 (А.П. Гуляев):

а — крупногольчатый, б — мелкоигольчатый

Рис. 4. Зависимость твердости закаленной углеродистой стали от содержания углерода и режима нагрева под закалку:

1 – нагрев стали выше Ас3, 2 нагрев стали выше Ас1,

3. – твердость мартенсита

3. Отпуск стали. Отпуск — окончательная операция термической обработки, при которой закаленная сталь получает требуемые свойства, не обеспечиваемые закалкой.

Закаленная на мартенсит сталь, имея высокую твердость. Характеризуется относительно невысоким значением ударной вязкости, пластичности, предела упругости. Внутренние напряжения в такой стали весьма высоки, ее состояние неустойчиво. В ней при комнатной температуре совершаются превращения, возвращающие ее в более устойчивое состояние. Диффузионные превращения ускоряются при нагревании.

Таким образом, операция отпуска включает:

— нагрев изделия до температуры отпуска (не выше Ас1);

— выдержку определенное время при указанной температуре;

— охлаждение.

В зависимости от температуры нагрева изделия различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск. При низком отпуске изделие нагревают и выдерживают в интервале температур 150…250 С. Структура стали до отпуска: тетрагональный мартенсит + остаточный аустенит (в высокоуглеродистых сталях). В процессе низкого отпуска атомы углерода за счет диффузии покидают решетку мартенсита и образуют мелкодисперсные + -карбиды железа. Мартенсит становится малоуглеродистым, как следствие, тетрагональность решетки уменьшается.

Твердость структуры сохраняется практически такой же как и после закалки, понижаются внутренние напряжения, ударная вязкость, пластичность.

Средний отпуск. При среднем отпуске изделие нагревают и выдерживают в интервале температур 250…450 С. В указанном температурном интервале:

— завершается распад остаточного аустенита (при 300С) на мартенсит отпуска;

— углерод полностью покидает решетку мартенсита (при 400С);

— кристаллическая решетка карбидов полностью обособляется от решетки мартенсита, начинается рост криталлок карбидов, сопровождающийся понижением твердости.

В итоге двух последних превращений образуется высокодисперсная феррито-цементитная смесь — троостит отпуска. Троостит травится реактивом интенсивнее, чем мартенсит (рис. 5а).

При среднем отпуске сталь приобретает максимальную прочность и ударную вязкость (300С). Среднему отпуску подвергаются изделия, требующие максимальных свойств по ударной вязкости и при относительно высокой твердости (зубила, штампы, пружины, рессоры).

Высокий отпуск. Состоит из нагревания и выдержки выше в интервале температур 450…600 С. Процесс высокого отпуска сопровождается дальнейшим укрупнением частиц карбидов. Наблюдаема я под микроскопом феррито-цементитная смесь называе6тся сорбит отпуска (рис. 5б). Термическая обработка. состоящая из закалки с последующим высоки отпуском называется термическим улучшением. Улучшенная сталь имеет самую высокую ударную вязкость и пластичность. Улучшению подвергаются детали машин, имеющие ударную нагрузку (болты, пальцы)

Чаще всего вид отпуска выбирают в зависимости от твердости, которую желательно иметь в готовом изделии. Влияние температуры отпуска на твердость стали приведено на рис. 6.

Время нагрева и выдержки изделий при отпуске как и при закалке зависит от их формы и размеров и рассчитывается на основании данных таблицы 2.

Охлаждение после отпуска углеродистых сталей может происходить с любой скоростью ибо оно не вызывает структурных превращений, однако ускоренное охлаждении может привести к появлению термических напряжений и коробления изделий сложной формы

Рис. 5. Структура стали 0,45 % С 500 (А.П. Гуляев):

а — троостит отпуска при 400С, б — сорбит отпуска при 550С

Рис. 6. Зависимость твердости закаленной углеродистой стали от содержания углерода и режима отпуска (В.Г. Курдюмов).