Lab

6.2.6 Определение продолжительности нагрева

Для ориентировочного определения общей продолжительности нагрева

τобщ можно пользоваться справочными данными (таблица 6.2) или рассчитать по формуле

τобщ=τс.п. +τи.в. ,

где τс.п. - продолжительность сквозного нагрева до заданной температуры;

τи.в. - продолжительность изотермической выдержки при данной температуре;

τс.п. - зависит от формы и размеров изделий, их расположения в печи, типа печи, состава стали;

τи.в. - зависит только от состава и исходного состояния стали.

Таблица 6.2 – Ориентировочные нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

6.2.7 Закалочные среды

Охлаждение изделия в закалочных средах протекает в три стадии:

-плёночное охлаждение с образованием «паровой рубашки» на поверхности;

-пузырьковое кипение;

-конвективный теплообмен.

Охлаждение протекает тем интенсивнее, чем шире температурный интервал пузырькового кипения. Быстрое охлаждение для закалки на мартенсит необходимо проводить в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита. Для большинства сталей это интервал 650 – 400 ºC.

85

В качестве закалочных сред чаще всего используют воду, водные растворы NaOH или NaCl и масла (таблица 6.3).

Таблица 6.3 – Скорость охлаждения стали в различных средах

6.3 Порядок выполнения работы

6.3.1Ознакомьтесь с разделами настоящего руководства.

6.3.2Получите у лаборанта 3 образца доэвтектоидной и 3 образца заэввтектоидной стали.

Пользуясь диаграммой состояния железо-углерод, определите температуры нагрева этих сталей под закалку. По таблице определите общее время нагрева.

6.3.3Определите твёрдость полученных образцов. Просмотрите и опишите их микроструктуру.

6.3.4Поместите образцы в нагретую до выбранной вами температуры печь. После необходимой выдержки охладите по одному образцу в воде, масле и на воздухе.

6.3.5После удаления с поверхности окисленного и обезуглероженного слоя измерьте твёрдость закалённых образцов на приборе по методу Роквелла.

86

6.3.6 Подготовьте микрошлифы, просмотрите и опишите микроструктуру образцов после закалки.

6.3.7 По результатам выполнения работы заполните таблицу 6.4.

Таблица 6.4

6.3.8 Сделайте вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и твёрдость различных марок сталей.

6.4 Содержание отчета

6.4.1Цель работы

6.4.2Краткое описание диаграммы изотермического превращения ау-

стенита.

6.4.3Характеристика структур, образующихся при закалке.

6.4.4Порядок назначения температур нагрева углеродистых сталей

при закалке.

6.4.5Таблица результатов экспериментальной работы и рисунки микроструктур сталей после закалки.

6.4.6Выводы

6.5 Контрольные вопросы

6.5.1В чём сущность процесса закалки?

6.5.2Опишите механизм мартенситного превращения. Каковы условия образования мартенсита?

6.5.3Дайте характеристику мартенсита.

6.5.4Как протекает промежуточное превращение и какие структуры при этом образуются?

6.5.5Как выбрать температуру нагрева углеродистой стали при закал-

ке?

6.5.6Почему заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке?

6.5.7Какую структуру имеет заэвтектоидная сталь после закалки?

6.5.8Какова температура нагрева под закалку стали 45 (60, У8, У12)?

6.5.9Какие структуры образуются при распаде аустенита в перлитной области и чем они отличаются между собой?

87

6.5.10 Назовите стадии охлаждения металла при закалке. Какая стадия способствует наиболее быстрому охлаждению?

88

7 Лабораторная работа № 7

Отпуск углеродистых сталей

7.1 Цель работы

7.1.1 Изучение превращений при отпуске углеродистых сталей.

7.1.2 Ознакомление с технологическим процессом отпуска и получение практических навыков назначения режимов отпуска.

7.2 Общие сведения

Так как после закалки стали получают неравновесную мартенситную структуру, которая имеет высокий уровень внутренних напряжений, высокую прочность и твердость в сочетании с низкой пластичностью и вязкостью, закаленная сталь обязательно подвергается отпуску. Целью отпуска является снижение внутренних напряжений и достижение требуемого комплекса механических свойств.

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали, подвергнутой закалке, до температуры ниже А1, выдержке и последующем охлаждении с целью превращения неравновесной структуры в более равновесную.

В основе процессов, происходящих при отпуске, лежит переход закаленной стали в более устойчивое состояние, сопровождающийся распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием в конечном итоге фер- ритно-цементитных структур. Характер и скорость протекания этих процессов определяется температурой нагрева при отпуске.

Рисунок 7.I - Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали

89

Превращения при отпуске можно зафиксировать с помощью дилатометра - прибора, который используют для контроля изменения длины образца при нагреве и охлаждении. На дилатометрической кривой (рисунок 7.1) превращение мартенсита, имеющего наибольший удельный объём, сопровожда-

ется уменьшением размеров, а аустенита, удельный объем которого минимален - увеличением.

В процессе отпуска можно выделить четыре превращения.

7.2.1 Распад мартенсита (первое превращение)

При нагреве закаленной стали в интервале температуре от 80 до 200 °С из мартенсита начинает выделяться пересыщающий его углерод в виде метастабильного ε - карбида, имеющего химический состав близкий к Fe2C.

Снижение количества растворенного углерода уменьшает тетрагональность мартенсита, в результате его объем уменьшается. Сокращается длина образца, фиксируемая на дилатометрической кривой.

В результате распада мартенсита образуется структура, которую называют отпущенным мартенситом, отличающимся от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и дисперсными пластинчатыми включениями ε - карбида, когерентно связанными с решеткой мартенсита.

7.2.2 Превращение остаточного аустенита (второе превращение)

При нагреве в интервале температур 200-300 °С основным процессом является превращение остаточного аустенита. В результате образуется структура, состоящая из пересыщенного α – твердого раствора (мартенсита)

и карбидной фазы. Одновременно продолжается распад мартенсита и начинается превращение ε - карбида в цементит.

Второе превращение сопровождается увеличением длины образца (рисунок 7.1), так как остаточный аустенит имеет меньший объём, чем продукты его распада.

7.2.3 Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение)

При нагреве закаленной стали до температур 350-400 °С завершается превращение ε - карбида в цементит. Когерентность решёток твердого раствора и карбида нарушается, форма карбидных частиц приближается к сфероидальной, полностью завершается процесс выделения углерода из твёрдого раствора (мартенсита). Мартенсит переходит в феррит. Структурные изменения обеспечивают релаксию макро- и микронапряжений, обра-

зующихся при закалке.

90

Образовавшуюся в результате третьего превращения дисперсную фер- рито-карбидную смесь называют трооститом отпуска (рисунок 7.3 б).

7.2.4 Коагуляция карбидов (четвертое превращение)

При повышении температуры нагрева более 400 °С происходит коагуляция карбидов: укрупнение кристаллов цементита за счет растворения более мелких кристаллов и роста крупных (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Изменение строения и состава фаз при отпуске углеродистой стали

Форма кристаллов приближается к сфероидальной. Образующаяся при высокотемпературном нагреве ферритно-карбидная смесь называется сорбитом отпуска (рисунок 7.З в).

а- отпущенный мартенсит; б - троостит отпуска;

в- сорбит отпуска

Рисунок 7.3 - Микроструктура отпущенной стали

В отличие от троостита и сорбита, полученных в результате распада переохлажденного аустенита, троостит и сорбит отпуска имеют зернистое, а

91

не пластинчатое строение. Сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения пластичности и вязкости при одинаковой твердости и прочности.

Свойства стали определяются в основном температурой отпуска. Различают три вида отпуска:

1) Низкотемпературный (низкий) отпуск осуществляется в интервале температур 150-250 °С. Мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, незначительно повышается прочность и вязкость без заметного снижения твердости (рисунок 7.4). Уменьшается внутреннее напряжение.

Рисунок 7.4 - Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска

Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, детали повышенной износостойкости, детали прошедшие химико-термическую обработку.

2)Среднетемпературный (средний) отпуск осуществляется при 350500°С. После среднего отпуска сталь имеет структуру троостита отпуска или троосто-мартенсита. Средний отпуск обеспечивает повышение предела упругости и предела выносливости. С повышением температуры отпуска твердость и прочность стали понижается, а пластичность и вязкость возрастают (рисунок 7.4).

Средний отпуск применяют в основном для пружин, рессор и штампов.

3)Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500680 °С. Сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее для конструкционных сталей сочетание прочности и вязко-

92

сти. Твердость и прочность еще более снижается, но значительно возрастает пластичность и вязкость (рисунок 7.4).

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Улучшение повышает предел выносливости, ударную вязкость, увеличивает работу развития трещины, уменьшает чувствительность к концентратам напряжений. Улучшение чрезвычайно широко применяется для обработки таких деталей, как валы, оси, шатуны, зубчатые колеса, шпиндели, крепежные детали и другие.

Продолжительность отпуска должна обеспечить прогрев изделия до заданной температуры и завершение превращения при отпуске. С уменьшением температуры и повышением массы изделий продолжительность отпуска увеличивается. Так, продолжительность отпуска изделия диаметром 50 мм в электропечи составляет при температурах 500-600 °С - 40 мин, 300-400 °С - 70 мин, менее 300 °С - 170 мин. Продолжительность отпуска обычно назначается по справочной литературе или опытным путем.

7.3 Порядок выполнения работы

7.3.1Ознакомьтесь со всеми разделами настоящего руководства.

7.3.2Получите у лаборанта 3 образца закаленной углеродистой стали.

7.3.3Определите твердость полученных образцов. Просмотрите и опишите микроструктуру закаленной стали.

7.3.4Выполните низкий, средний и высокий отпуск закаленных образцов при температурах 200, 400, 600 °С. Продолжительность отпуска 20 – 30 минут. Охладите образцы на воздухе.

7.3.5Зачистите поверхность образцов на наждачной бумаге и измерьте твердость на приборе по методу Роквелла.

7.3.6Подготовьте микрошлифы, просмотрите и опишите микроструктуру образцов после отпуска.

7.3.7По результатам выполнения работы заполните таблицy.

7.3.8 Сделайте вывод о влиянии температуры отпуска на структуру и твердость стали.

93

7.4 Содержание отчета

7.4.1Цель работы.

7.4.2Краткое описание превращений, протекающих при отпуске углеродистой стали.

7.4.3Виды отпуска и закономерности изменения свойств стали при от-

пуске.

7.4.4Таблица результатов экспериментальной работы и рисунки микроструктур сталей после отпуска.

7.4.5Выводы.

7.5Контрольные вопросы

7.5.1Каковы цели проведения отпуска углеродистой стали?

7.5.2Назовите основные превращения при отпуске сталей.

7.5.3Какие виды отпуска вы знаете? Как изменяются механические свойства сталей при отпуске?

7.5.4Чем отличается мартенсит закалки от мартенсита отпуска?

7.5.5Какие структуры приобретает сталь после различных видов от-

пуска?

7.5.6Назовите примеры назначения различных видов отпуска.

7.5.7В чем заключается сущность термической обработки, именуемой улучшением?

7.5.8В каком температурном интервале необходимо проводить отпуск режущего инструмента из сталей У8, У9; пружин, упругих элементов из сталей 60, 65; валов, осей, рычагов из стали 45?

94