Название: Методические указания к лабораторной работе № 3 по курсу «Материаловедение» (А.И. Смирнов)

Жанр: Гуманитарные

Просмотров: 1134


Краткая характеристика видов термической обработки стали

При различных скоростях охлаждения стали после аустенитизации можно получить различные структуры, которые будут обладать разными свойствами. В производственных условиях чаще всего применяются следующие виды термической обработки стали: отжиг без фазового превращения (рекристаллизационный), отжиг с фазовым превращением (перекристаллизационный), нормализация, закалка, отпуск.

Отжиг

Отжиг производится с целью максимального снижения прочности, твердости и повышения пластичности стали. Он необходим для улучшения обрабатываемости резанием, для улучшения способности стали деформироваться без разрушения при различных видах обработки давлением: прокатке, штамповке, волочении, прессовании.

Существует несколько разновидностей отжига: рекристаллизационный, полный, отжиг на зернистый перлит, диффузионный, изотермический. Для доэвтектоидных сталей чаще применяется полный отжиг, тогда как заэвтектоидным сталям чаще делают сфероидизирующий отжиг.

Температура нагрева стали при отжиге зависит от содержания в ней углерода. Доэвтектоидная сталь (содержащая углерода <0,8 \%) нагревается до аустенитного состояния Аc3 + (30…50) °С. Заэвтектоидная сталь (содержащая углерода >0,8 \%)  нагревается до температуры, при которой она имеет структуру аустенит + цементит вторичный Аc1 + (30…50) °С.

Охлаждение стали при отжиге очень медленное. Печь, в которой произведены нагрев и выдержка деталей, отключается либо охлаждается по программе. Детали охлаждаются вместе с печью.

В результате отжига получается равновесная структура, соответствующая структуре на диаграмме состояния Fe – Fe3C.

В доэвтектоидной стали структура состоит из зерен феррита и перлита, а в заэвтектоидной – из перлита и цементита вторичного.

Если заэвтектоидную сталь нагреть до аустенитного состояния (выше Аccm), то при медленном охлаждении в интервале температур Аccm – Аc1 по границам аустенитных зерен произойдет выделение цементита в виде сплошной сетки. При охлаждении ниже А1 аустенит превратится в перлит, и конечная структура в этом случае будет представлять собой перлит с сеткой цементита по границам колоний перлита. Сталь с такой структурой чрезмерно хрупка, плохо поддается обработке и поэтому редко применяется.

Нормализация

Нормализация применяется для улучшения обрабатываемости стали, в некоторых случаях как окончательная термическая обработка деталей или для исправления брака ранее проведенной термической обработки.

Температура нагрева при нормализации доэвтектоидной стали Аc3+ (30…50) °С, заэвтектоидной стали – Аccm + (30…50) °С.

Скорость охлаждения при нормализации выше, чем при отжиге. Детали после нагрева и выдержки выгружаются из печи и охлаждаются на спокойном воздухе. Структура стали зависит от содержания в ней углерода и соответствует равновесной диаграмме состояния сплавов  Fe – Fe3C.

В отличие от отжига нормализация дает более мелкозернистое строение и, следовательно, обеспечивает более высокую по сравнению с отжигом прочность и твердость стали.

Закалка

Закалка – термическая операция, заключающаяся в нагреве стали выше критической температуры и ускоренном охлаждении. Структура после  закалки обладает максимальной твердостью и прочностью, однако, такая структура является очень хрупкой, практически не обладает пластичностью. В результате последующего отпуска можно понизить твердость и повысить пластичность и трещиностойкость стали.

При одинаковых значениях твердости структуры, формирующиеся после закалки и отпуска, практически всегда имеют лучшие механические свойства по сравнению со структурами, полученными непосредственно при распаде аустенита.

В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. При полной закалке стали нагревают выше температур Ас3 или Ассм до достижения однофазного аустенитного состояния. При неполной закалке сталь нагревают в межкритический интервал – между Ас1 и Ас3 (Ассм).

Доэвтектоидные стали, как правило, подвергают полной закалке. Температура нагрева при этом берется равной Ас3 + (30…50 °С). Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкозернистого аустенита и, после охлаждения, мелкокристаллического мартенсита. Закалка доэвтектоидной стали из межкритического интервала температур приводит к сохранению в структуре кристаллов феррита, что при некотором понижении прочности обеспечивает повышенную пластичность закаленной стали. Неполную закалку в сочетании с пластическим деформированием и последующим низкотемпературным отпуском часто применяют для низкоуглеродистых сталей (10ГС, 09Г2С), в результате чего формируются структуры с высоким комплексом механических свойств.

Заэвтектоидные стали,  как правило, подвергают неполной закалке. Температура нагрева при закалке заэвтектоидных сталей берется равной Ас1 + (30…50 °С). После неполной закалки структура закаленной стали состоит из мартенсита и цементита.

Цементит обладает более высокой твердостью по сравнению с мартенситом, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали тверже, чем после полной закалки. Кроме того, закалка из межкритического интервала позволяет избежать дополнительных энергетических затрат на нагрев стали выше линии АСМ.

Форма частиц избыточного цементита в значительной степени определяет ударную вязкость и пластичность стали. Наилучшей является глобулярная форма цементита. Если заэвтектоидную сталь подвергнуть предварительному сфероидизирующему отжигу либо предварительной полной закалке, избыточные карбиды округлой формы не будут вызывать снижения показателей этих важных механических свойств.

При закалке в качестве охлаждающей среды применяют воду или масло. Иногда применяют воду с добавками солей, поверхностно-активных веществ. Кроме того, закалку можно производить в расплавах солей, например, в селитре (изотермическая закалка). Скорость охлаждения при закалке составляет несколько сотен градусов в секунду. При такой скорости охлаждения аустенит сохраняется до температуры начала бездиффузионного (мартенситного) распада (200…300 °С). Как только достигается температура мартенситного превращения, происходит перестройка кристаллической решетки железа γα, без образования цементита. Таким образом, при закалке образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе, называемый  мартенситом.

В равновесном состоянии при комнатной температуре α-Fe может растворить в себе лишь 0,006 \%. В результате того, что весь углерод, который был растворен в аустените, остается в феррите, твердый раствор будет значительно пересыщен углеродом. Например, в стали У8 его содержание будет превышать равновесное в 130 раз.

Избыточный углерод растягивает решетку железа. В результате этого кристаллическая решетка мартенсита становится не кубической, а тетрагональной, у которой два размера сохраняются, а третий увеличивается.

Сталь с мартенситной структурой имеет самую высокую прочность, твердость и износостойкость. Причины высокой твердости мартенсита следующие:

1) пересыщенность углеродом твердого раствора в десятки и сотни раз;

2) высокая плотность дислокаций;

3) мелкозернистость.

К сожалению, закаленная сталь имеет очень низкую пластичность и трещиностойкость. Практически в закаленном состоянии детали не работоспособны, поэтому они обязательно подвергаются отпуску.

Отпуск закаленных сталей

Нагрев закаленных сталей до температур, не превышающих А1, называется отпуском. Отпуск производится с целью частичного снятия внутренних напряжений, повышения пластичности и трещиностойкости стали после закалки. Это необходимо для обеспечения надежности и долговечности работы деталей.

При отпуске происходит несколько процессов. Основной – распад мартенсита при выделении углерода в виде карбидов. Кроме того, идет распад остаточного аустенита, имеют место карбидное превращение и коагуляция и сфероидизация карбидов.

Фазовые превращения при отпуске разделяют на три превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. В сталях, не содержащих легирующих элементов, первое превращение происходит при температурах 80-200 оС, второе –  при 200-260 оС, третье – при 260-380 оС.

Первое превращение. Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного e-карбида (эпсилон-карбида). e-карбид имеет гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Кристаллы e-карбида когерентно связаны с решеткой мартенсита, то есть, каждый атом на границе раздела принадлежит как мартенситу, так и карбиду. Обеднение твердого раствора углеродом происходит неравномерно, наряду с участками мартенсита, где часть углерода ушла на образование карбидов, сохраняются участки мартенсита с исходной концентрацией углерода. Первое превращение идет и при комнатной температуре, однако скорость его в этом случае весьма мала.

Второе превращение. Одновременно идет несколько процессов: дальнейшее обеднение мартенсита углеродом, распад остаточного аустенита и карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объем, при этом исчезает концентрационная неоднородность. В мартенсите остается 0,2 \% углерода. Остаточный аустенит распадается на смесь низкоуглеродистого мартенсита и смесь дисперсных карбидов.

При температуре ~ 250 оС начинается  карбидное превращение: e-карбид превращается в цементит; при этом нарушается когерентная связь решеток карбида и твердого раствора.

Третье превращение. Завершается распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь избыточный углерод в виде карбидов, тетрагональность решетки твердого раствора устраняется. После отпуска при температуре 380-400 оС карбиды, присутствующие в структуре стали, имеют  состав Fe3C.

Феррито-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же твердость, как и троостит. Структуру стали, образовавшуюся при первом и втором превращении, называют отпущенным мартенситом.

При дальнейшем повышении температуры отпуска в структуре стали идут изменения, не связанные с фазовыми превращениями: меняется форма и размер карбидов. В структуре феррита также происходят изменения.

В интервале температур третьего превращения цементит имеет форму тонких пластин. С повышением температуры отпуска происходит коагуляция: мелкие кристаллы распадаются, а крупные растут за счет освободившего углерода. Форма растущих кристаллов цементита постепенно становится сферической. Коагуляция и сфероидизация карбидов идут с  заметной скоростью, начиная с температур 350-400 оС.

Изменения структуры феррита обнаруживаются, начиная с температуры 400 оС: уменьшается плотность дислокаций, которая очень велика в мартенсите до отпуска, постепенно устраняются границы между пластинчатыми кристаллами феррита, в результате чего зерна феррита укрупняются и становятся равноосными.

Феррито-карбидную смесь, которая образуется после отпуска при температуре 450-650 оС, называют сорбитом отпуска. Структура после такого отпуска – феррит и глобулярный цементит (зернистый перлит).

Величину температуры отпуска выбирают в зависимости от требований, предъявляемых к данной детали. Чем более высокие динамические нагрузки испытывает деталь в процессе работы, тем выше должна быть температура отпуска. С повышением температуры отпуска снижается твердость и растет пластичность и трещиностойкость.

Технологически различают три вида отпуска:

низкий отпуск – нагрев до 100…200 ˚С;

средний отпуск – нагрев до 300…450 ˚С;

высокий отпуск – нагрев до 450…600 ˚С.

При низком отпуске в стали сохраняется структура мартенсита, следовательно, не изменяется твердость и износостойкость, снижаются внутренние напряжения при переходе тетрагональной кристаллической решетки α-Fe в кубическую. Низкий отпуск применяется для режущего, мерительного инструмента (ножей, резцов, сверл и т.д.).

Средний отпуск вызывает распад мартенсита на очень мелкую феррито-цементитную смесь, называемую трооститом отпуска. Средний отпуск применяется для пружин, рессор и других деталей, для которых важен высокий предел упругости.

При высоком отпуске получившаяся в результате распада феррито-цементитная смесь укрупняется, образуя структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск применяется для многих деталей машин (шестерен, валов, рычагов и т.д.).

Таким образом, термическая обработка позволяет создать в сталях различного вида структуру, которая обеспечивает разнообразное сочетание механических свойств. Изменение кристаллического строения стали при различных видах термической обработки показано на рис. 2.