Термообработка стали-2012 (1)

Метастабильное состояние стали после закалки характеризуется повышенной свободной энергией. Это связано с сильным пересыщением твердого раствора углерода в -Fe (мартенсита) и наличием некоторого количества неравновесной фазы - остаточного аустенита. Кроме того, в результате быстрого охлаждения и объемных изменений при превращении кристаллическая решетка мартенсита напряжена и насыщена дефектами. Закаленный сплав стремится понизить свою свободную энергию, в результате чего происходит распад метастабильных твердых растворов. Уже при комнатной температуре могут происходить некоторые структурные изменения и образовываться выделения из пересыщенного раствора, однако диффузионная подвижность атомов при такой низкой температуре недостаточна, чтобы распад раствора прошел в необходимой степени за приемлемое время. Для ускорения процессов перехода в равновесное состояние с соответствующим изменением структуры и свойств сталь подвергают отпуску. Отпуск – это термическая обработка

закаленной на мартенсит стали, при которой главным процессом является распад метастабильных твердых растворов: мартенсита и остаточного аустенита. Основные параметры отпуска

– температура нагрева и время выдержки. Скорости нагрева и охлаждения не влияют на свойства сплава. Обычно с температуры отпуска изделия охлаждают на воздухе. Чтобы происходил распад метастабильных фаз, зафиксированных закалкой, температура отпуска должна быть ниже температуры перлитного превращения. По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

21

Низкий отпуск при 120-250°С применяют для мерительного инструмента, подшипников и других изделий высокого класса точности, у которых необходимо устранить закалочные напряжения, не допустить изменения размеров даже на несколько микрометров и сохранить высокую твердость. Первое структурное изменение при отпуске углеродистой стали

– сегрегация (образование микроскопических скоплений) атомов углерода в различных точках пересыщенного твердого раствора. Оно начинается уже при комнатной температуре. С повышением температуры до 100°С участки скоплений атомов углерода (кластеры) укрупняются. Диффузия атомов углерода в процессе их сегрегации только подготавливает твердый раствор к выделению равновесной фазы цементита. Кластеры углерода еще не отделены от решетки мартенсита поверхностью раздела. Следующая стадия структурных изменений –

выделение промежуточных карбидов. Начиная примерно с температуры 1000С экспериментально обнаруживается метастабильный -карбид, отличающийся от цементита типом решетки (гексагональная у -карбида, ромбическая у цементита) Вероятная формула -карбида Fe2,4C. Выделение промежуточного -карбида вместо стабильного цементита можно объяснить тем, что на образовавшейся границе мартенсита с -карбидом сопряжение решеток лучше и, следовательно, поверхностная энергия ниже, чем на границе матрицы с цементитом. Структуру стали, получающуюся после низкого отпуска, называют отпущенным мартенситом. Под микроскопом он отличается от мартенсита закалки

22

большей травимостью из-за выделений карбидов (рис.

6).

Средний отпуск (300-450°С) используют, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры. При температурах выше 2500 распад метастабильных твердых растворов идет с образованием Fe3C, причем наиболее активно в интервале 300-4000С. Цементит – стабильная фаза, обладающая меньшей свободной энергией, чем промежуточный карбид. Выигрыш в объемной и поверхностной энергии делает предпочтительными зарождение и рост цементита, а не промежуточного карбида. Цементит может образоваться как непосредственно из пересыщенного -Fe, так и путем перестройки структуры -карбида. При температурах среднего отпуска цементит растет в виде очень мелких пластин (игл), связанных с решеткой матрицы. Выделение цементита из мартенсита сопровождается уменьшением количества дефектов и снижением концентрации избыточного углерода в -растворе. При 4000С -раствор полностью освобождается от избытка углерода и переход мартенсита в феррит заканчивается. После отпуска при 300-4500С образуется сильно травящаяся игольчатая структура, состоящая из феррита и мельчайших пластин Fe3C, которую называют трооститом отпуска (рис. 7а). Структуру троостита обычно выявляют только под электронным микроскопом.

23

крупные растут. Одновременно происходит диффузия углерода по направлению к крупным частицам, выравнивающая состав твердого раствора. Этот процесс называется коагуляцией. Цементит выделяется из феррита на крупных пластинах Fe3C вдали от их вершин и ребер, форма растущих частиц приближается к сферической. Частицы растут так, чтобы поверхностная энергия имела минимальное значение, то есть выделения цементита одновременно с ростом сфероидизируются. Структура, образовавшаяся после высокого отпуска закаленной стали, называется сорбитом отпуска. Двухфазное строение сорбита отчетливо выявляется при больших увеличениях светового микроскопа (рис. 7б). В сорбите цементит находится в виде сферических частиц.

Рис. 7. Структура закаленной и отпущенной стали с

0,4% С (х450):

а – троостит отпуска после закалки с 800о в воде и отпуска при 350о; б – сорбит отпуска после закалки с 860о в

воде и отпуска при 550о

25

Двухфазная ( + Fe3C) структура троостита или сорбита может быть получена не только в результате отпуска закаленной стали, но и после непрерывного охлаждения из аустенитной области, если скорость охлаждения высока, но меньше критической скорости закалки, при которой образуется мартенсит. В этом случае диффузионное превращение 0,8 + Fe3C протекает при существенном переохлаждении ниже 7270С. В завсимости от скорости охлаждения меняется дисперсность ферритно-цементитной смеси и различают перлит, сорбит закалки и троостит закалки. Перлит образуется при непрерывном охлаждении вместе с печью со скоростью не более нескольких градусов в минуту, сорбит закалки – при охлаждении на воздухе со скоростью несколько десятков градусов в минуту, троостит закалки – при охлаждении в масле со скоростью несколько десятков градусов в секунду.

При отпуске закаленной стали, кроме распада мартенсита, происходит распад остаточного аустенита, играющий существенную роль в высокоуглеродистых заэвтектоидных сталях, где он находится в значительном количестве. При распаде аустенита протекают такие же процессы, как при распаде мартенсита. Наиболее активно они идут в интервале температур 200-3000С. В результате остаточный аустенит превращается в смесь феррита и цементита.

Все рассмотренные процессы при отпуске протекают в широком интервале температур и могут накладываться один на другой.

С ростом температуры отпуска прочностные характеристики и твердость непрерывно уменьшаются,

26

а показатели пластичности и вязкости возрастают и особенно интенсивно - при отпуске выше 3000С.

4. ВЛИЯНИЕ ЛЕГИРУЮЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ

В легированных сталях легирующие элементы, замещая атомы железа в феррите, аустените, мартенсите и цементите, образуют легированные феррит, аустенит, мартенсит и цементит. Кроме того,

многие элементы образуют с углеродом специальные карбиды.

По влиянию на критические точки железа легирующие элементы подразделяются на две группы: одни элементы, например марганец и никель,

расширяют область стабильного существования -

фазы, другие, например кремний, расширяют область

-фазы.

Большинство легирующих элементов затрудняют диффузионный распад аустенита, способствуя большему его переохлаждению. При одной и той же скорости охлаждения с увеличением содержания легирующих элементов в стали растет склонность аустенита к переохлаждению и, соответственно, более дисперсной становится ферритно-карбидная смесь, образующаяся при распаде аустенита. При достаточно большом содержании некоторых легирующих элементов, особенно хрома и вольфрама, аустенит даже при охлаждении на воздухе не претерпевает перлитного превращения вплоть до температуры бездиффузионного мартенситного превращения. В такой стали, охлажденной на воздухе, образуется мартенсит. Легированный мартенсит труднее

27

распадается при отпуске, чем мартенсит углеродистой стали, а образующиеся при его распаде дисперсные карбиды медленнее коагулируют. Поэтому для получения сорбита отпуска легированную сталь необходимо отпускать при более высоких температурах, по сравнению с углеродистой сталью.

5. ЦЕЛЬ И ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Цель работы состоит в изучении диаграммы состояния системы Fe-C, структуры и свойств стали после различных видов термической обработки, а также в получении навыков выполнения и контроля конкретных операций термообработки.

Оборудование и материалы. Студенты получают образцы из отожженной стали У8 или ХВГ (состав стали приведен в табл. 1), наждачную бумагу, штангенциркуль. В качестве термического оборудования используются муфельные электропечи для нагрева металлов в воздушной среде с ручным или автоматическим (печь МПЛ-6) регулированием температуры. Чувствительным элементом при измерении и регулировании температуры служит хромель-алюмелевая термопара (ТХА). Для загрузки и выгрузки образцов используются щипцы. Для охлаждения образцов при закалке около печи должен быть сосуд с водой. Для контроля твердости в исходном состоянии и после термообработки используется твердомер Роквелла.

28

Порядок выполнения экспериментов

1.К выполнению работы допускаются студенты, ознакомленные с устройством данного лабораторного оборудования, инструкциями по эксплуатации и техникой безопасности при проведении работы. Как было сказано ранее, в данной работе термической обработке подвергаются образцы инструментальной стали двух марок: У8 и ХВГ. По содержанию углерода обе марки близки к эвтектоидной стали, поэтому для них применяются одинаковые режимы отжига второго рода, закалки и отпуска. Отжиг осуществляется в муфеле № 2, эту операцию студенты не выполняют, а изучают уже отожженные образцы. Инструкция по проведению отжига см.в приложении п.1.

2.Подготовить образцы для измерения твердости (зачистить поверхность наждачной бумагой).

3.Измерить твердость по Роквеллу исходных (отожженных) образцов. На каждом образце сделать по 5 измерений по шкале С. Минимальное количество исследуемых образцов – 2.

4.Используя диаграмму состояния Fe-C и учитывая состав стали, выбрать температуру нагрева образцов под закалку и рассчитать продолжительность выдержки образцов в печи (1,0 мин на каждый мм диаметра образца). Выбранный режим нагрева под закалку согласовать с преподавателем.

5.Произвести закалку по выбранному режиму. Для этого образцы с помощью щипцов поместить в заранее разогретую печь вблизи термопары и выдержать при заданной температуре необходимое время. Во время нагрева и выдержки необходимо

29

следить за температурой в печи по показаниям потенциометра, соединенного с термопарой, которая вставляется в отверстие, находящееся в задней стенке печи. Регулировку температуры печи производить с помощью реостата. В случае использования печи МПЛ-6, производящей нагрев в автоматическом режиме, контролировать температуру следует по показаниям индикатора на автоматическом терморегуляторе. После выдержки закалить образцы. Для этого одной рукой нужно открыть дверку печи, а другой щипцами взять образец и быстро перенести его в воду. Как только образец будет вынут из печи, дверку нужно быстро закрыть во избежание остывания оставшихся в печи образцов.

6.В охладителе образец следует энергично передвигать с целью повышения интенсивности охлаждения. Так закаливают все образцы. Инструкция по проведению закалки см.в приложении п.2.

7.Зачистить закаленные и охлажденные до комнатной температуры образцы наждачной бумагой от окалины и поверхностного слоя.

8.Измерить твердость закаленных образцов по Роквеллу (шкала С). На каждом образце сделать по 5 измерений. Минимальное количество исследуемых образцов – 2.

9.Разделить закаленные образцы на три группы и произвести их отпуск при трех различных (заданных преподавателем) температурах с выдержкой в течение 30 мин. После отпуска образцы охладить на воздухе. Инструкция по проведению отпуска см.в приложении п.3.

30