Часть II Отпуск закаленной стали

Отпуском называется нагрев закаленной стали до температур ниже критической Ас₁. Структура закаленной стали метастабильна. При нагреве после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки – дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.

Назначение отпуска. Отпуск служит для повышения вязкости закаленной стали при сохранении достаточно высокого предела прочности, уменьшения внутренних напряжений и получения более устойчивых структур.

Выбор температур отпуска. Главный процесс при отпуске – распад мартенсита с выделением карбидов. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения промежуточных метастабильных карбидов, образования цементита и его коагуляции. Структурные изменения при отпуске осложняются распадом остаточного аустенита.

Мартенсит по своей природе неустойчив и при нагреве выше 70⁰ С стремится перейти в другие структуры.

По температуре нагрева отпуск подразделяют на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск проводится при температурах 120 – 250 ⁰ С. Широко применяется после закалки инструмента. Структура стали поле низкого отпуска – отпущенный мартенсит. Цель низкого отпуска состоит в повышении вязких свойств закаленной стали, снижении ее хрупкости за счет снижения уровня внутренних напряжений. Температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или слабо снизились. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1 – 3 часа.

Средний отпуск проводится при температурах 300 – 450⁰ С. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. Структура стали после среднего отпуска – троостит отпуска (высокодисперсная зернистая смесь цементита и феррита). Цель среднего отпуска – это сочетание высокой прочности, упругости и вязкости.

Высокий отпуск проводится при температурах 500 – 650⁰ С. Широко применяется в машиностроении к изделиям из конструкционной стали. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска (мелкая зернистая феррито-цементитная смесь, но более грубая чем троостит отпуска). Цель высокого отпуска – получение для конструкционных сталей достаточной прочности при сохранении хорошей сопротивляемости ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.

Двойная термическая операция получения сорбита отпуска – закалка с высоким отпуском – называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6 % С. Такие стали называют улучшаемыми.

Скорость охлаждения с температуры отпуска не влияет на механические свойства углеродистых сталей, и если не опасны термические напряжения, то можно проводить ускоренное охлаждение.

Н а рисунке 7 показано изменение твердости в зависимости от температуры отпуска для сталей с разным содержанием углерода.

Рисунок. 7. Зависимость твердости углеродистых сталей с различным содержанием углерода от температуры отпуска

Сравнение свойств продуктов непосредственного

распада аустенита и продуктов закалки и отпуска

Твердость, предел прочности пластинчатых продуктов, полученных при изотермическом распаде аустенита (сорбита и троостита), оказывается несколько выше, чем зернистых, полученных после отпуска (троостит отпуска, сорбит отпуска). Вязкость зернистых структур, относительное удлинение, относительное сужение, предел циклической прочности всегда выше пластинчатых (при одинаковой твердости). Таким образом, с точки зрения получения наилучшего комплекса механических свойств, закалка + отпуск (высокий или средний) дают лучшие механические свойства, чем изотермическая обработка.

Порядок проведения работы и составления отчета

1. Описать основные положения теории и практики термической обработки.

2. Студенты должны провести отжиг, нормализацию, закалку в воде и масле, отпуск (низкий, средний, высокий) эвтектоидной стали У8 (0,8 % С) и определить влияние этих видов термической обработки на твердость стали.

3. Зарисовать диаграмму Fe – C, указать критические температуры.

4. Зарисовать диаграмму изотермического распада аустенита эвтектоидной стали У8, указать на ней скорости охлаждения соответствующие отжигу, нормализации, закалке.

5. Для проведения указанных термических операций использовать четыре муфельные печи с температурами 800, 600, 450, 300⁰ С и сушильный шкаф с температурой 150⁰ С.

6. После проведения операций термической обработки произвести замер твердости каждого образца на приборе Роквелла. Результаты замеров занести в таблицы № 1 и № 2.

7. Построить кривые зависимости твердости стали от скорости охлаждения (вида термической обработки: отжига, нормализации, закалки в масле, закалки в воде) и твердости от температуры отпуска закаленной на мартенсит стали (рис. 8).

8. Инструмент и оборудование для проведения термической обработки студенты получают и осваивают в присутствии преподавателя и лаборанта.

Таблица № 1

Термическая обработка стали У8 (0,8 % С)

Вид термической обработки	Температура нагрева, ^0С	Охлаждающая среда	Скорость охлаждения образца	Твердость, HRC	Микроструктура стали
1. Отжиг	800	с печью	1-3 ^0С/мин
2. Нормализация	800	спокойный воздух	30 ^0С/мин
3. Закалка	800	масло	30 ^0С/сек
4. Закалка	800	вода	200 ^0С/сек

Таблица № 2

Отпуск закаленной на мартенсит стали У8 (0,8 % С)

Вид термической обработки	Температура нагрева, ^0С	Продолжительность отпуска, мин	Твердость, HRC	Микроструктура стали
1. Низкий отпуск	150
2. Средний отпуск	300
3. Средний отпуск	450
4. Высокий отпуск	600

Рисунок 8. Зависимость твердости стали У8 от параметров режима

термической обработки

Вопросы для самоподготовки

1. Что называется перлитом, сорбитом, трооститом, мартенситом?

2. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек А_С1 и А_С3 и быстром охлаждении (в воде)?

3. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек А_С3 и А_Сm и охлаждении на спокойном воздухе?

4. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше критических точек А_С1 и А_С3 и обязательно медленным охлаждением (с печью)?

5. Какая структура получается в стали после нормализации?

6. Какая структура образуется после охлаждения со скоростью выше критической?

7. Какая структура получается в стали У8 после отжига?

8. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали ниже критической точки А_С1?

9. При какой температуре производят низкий, средний, высокий отпуск?

10. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 150 ⁰С?

11. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 350 ⁰С?

12. Как называется термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температуры 600 ⁰С?

13. Какими свойствами будет обладать сталь У8 подвергнутая закалке и последующему низкому отпуску?

14. Какое имеют строение сорбит и троостит, получаемые при отпуске закаленной стали?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1986. – 544 с.

2. Гуляев А.П. Термическая обработка стали. – М.: МАШГИЗ, 1953. – 384.

3. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1978. – 392 с.

4. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. – Материаловедение: Учебник для машиностроительных вузов. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

5. Геллер Ю.А., Рахштадт А. Г. Материаловедение. – М.: Металлургия, 1989. – 455 с.

6. Лившиц Б.Г. Металлография. – М.: Металлургия, 1990. – 236 с.

7. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. – М.: Металлургия, 1983. – 360 с.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11.