- •2. Теория то
- •Характеристика основных структур, получаемых при термообработке, и их свойства
- •Основные операции термической обработки
- •Влияние легирования на структуру стали
- •Влияние легирующих элементов на структурные превращения и критические температуры при термообработке
- •Iугл, iIугл, Iлег, iIлег - с-кривые распада аустенита для углеродистой и легированной стали
- •Vкр.Угл , Vкр.Лег - критические скорости закалки для углеродистой и легированной стали
- •Прокаливаемость сталей
- •Преимущества легированных сталей
- •Экспериментальная оценка прокаливаемости сталей
- •Твердость слоя со структурой 50% мартенсита и 50% троостита
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;
1. 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 200ºС (низкий отпуск – частичное снятие остаточных напряжений) ,
до 400ºС (средний отпуск – полное снятие остаточных напряжений) или
до 600ºС (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).
М артенсит – 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 Ас1 – критическая температура (температура рекристаллизации, т.е. 727ºС);
Кривая С I – начало распада аустенита;
Кривая С II – конец распада аустенита
Мн – начало мартенситного превращения.
V1 ,V2, … V5 – кривые охлаждения с различными скоростями, самое медленное V1..
При различных скоростях охлаждения из одной и той же стали в результате получаются разные структуры с разными свойствами. При медленном охлаждении V1.. – грубопластинчатый перлит, при более быстром V2 – тонкопластинчатый перлит. При увеличении скорости охлаждения получаются структуры такой же пластинчатой « + 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. V3.), то получается промежуточная игольчатая структура – бейнит.
При скорости охлаждения V4 - линия идет касательно С-кривой - II. Здесь V4 – критическая скорость закалки Vкр,. При скоростях охлаждения выше Vкр 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.