В олгоградский государственный педагогический университет

Кафедра общетехнических дисциплин

Изучение влияния закалки на структуру и свойства углеродистых сталей. Методические указания

к лабораторной работе по курсу

«Материаловедение»

Волгоград

«Перемена»

2005

УДК 669.017

С о с т а в и т е л ь –

Л.Б. Воеводин, канд. техн. наук, доц. каф. ОТД ВГПУ

Р е ц е н з е н т –

Н.В.Котов, канд. техн. наук, доцент кафедры ОТД ВГПУ

Изучение влияния закалки на структуру и свойства углеродистых сталей: Метод. указ. к лаб.работе по курсу «Материаловедение» / сост. Л.Б.Воеводин. – Волгоград: Перемена, 2005.- 8 с.

Даны краткие теоретические сведения о структуре и свойствах углеродистых сталей после закалки и отпуска. Сформулированы цель работы и рабочее задание. Приведен порядок ее выполнения.

Для студентов инженерно-педагогического факультета по специальности 03.06.00 «Технология и предпринимательство».

УДК 669.-17

© Л.Б.Воеводин, 2005

Цель работы: изучение закономерностей изменения структуры и свойств сталей в результате термической обработки.

Краткие теоретические сведения о термической обработке сталей

По химическому составу углеродистые стали подразделяются на низкоуглеродистые (содержание углерода до 0,25%), среднеуглеродистые (содержание углерода до 0,65%), высокоуглеродистые (содержание углерода более 0,65%).

В равновесном состоянии описание структуры, количественного соотношения фазовых и структурных составляющих дает диаграмма Fe-Fe₃C. Термическая обработка позволяет изменять структуру стали и, соответственно, ее свойства.

Существует несколько видов термической обработки сталей: отжиг, закалка, отпуск. В свою очередь, виды термической обработки подразделяются на разновидности.

Например: отжиг полный, отжиг неполный, отжиг диффузионный, отжиг рекристаллизационный, нормализация и др.

Закалка полная, закалка неполная, закалка изотермическая и др.

Отпуск низкий, отпуск средний, отпуск высокий.

Цели, преследуемые той или иной термообработкой, различны, но общим является изменение свойств путем изменения структуры.

Так, целью отжига является получение равновесной структуры в объеме обрабатываемого изделия. При этом твердость и прочность стали снижаются, а пластические характеристики увеличиваются.

При закалке формируется неравновесная структура и прочностные характеристики (твердость и прочность) увеличиваются, а пластические (относительное удлинение и относительное сужение) уменьшаются. После отпуска закаленной стали структура становится более равновесной, при этом повышается вязкость.

Выбор вида термообработки и ее параметров определяется необходимостью получения заданной структуры стали и ее свойств.

Процесс термической обработки можно описать графиком, показывающим изменение температуры во времени (см. рис. 1).

Как видно, процесс термообработки состоит из нагрева со скоростью V_нагр, выдержки τ_выд при определенной температуре Т_нагр и охлаждения с некоторой скоростью V_охл.

Т_нагр, V_нагр, τ_выд, V_охл являются параметрами режима и определяют вид термической обработки.

Нагрев стали сопровождается ростом зерна, увеличением скорости диффузии химических элементов.

В интервалах температур между критическими точками происходят структурные и фазовые превращения. Критические точки расположены на линиях диаграммы состояния (см. рис. 2): А₁ — на линии PSK (727°С), А₃ — на линии GS, A_m — на линии SE. При нагреве эти точки называют А_г, при охлаждении А_с с соответствующими индексами. Структурные и фазовые превращения при медленном нагреве и охлаждении обратимы. Конкретные величины критических точек для каждой определенной марки углеродистой стали зависят от содержания в ней углерода. Для большей уверенности пол­ного прохождения структурного превращения при закалке и отжиге сталей их следует перегревать на 30—50°С выше критической точки и выдерживать определенное время.

V_нагр= tgα

V_охл = tgβ

Т,°С

Охлаждение

Рис. 1. Схема термической обработки

Время нагрева и выдержки зависит от формы обрабатываемой детали и теплопроводности стали. С увеличением содержания углерода, а также сте­пени легирования (если сталь легированная) теплопроводность уменьшается, поэтому время, затрачиваемое на нагрев и выдержку при заданной темпера­туре, должно увеличиваться.

Формирование окончательной структуры происходит при охлаждении стали. При этом решающее значение приобретает скорость охлаждения (V_охл). Она зависит от охлаждающей среды, формы и массы обрабатываемой детали.

Медленное охлаждение стали, нагретой выше температуры А_с1 приво­дит к диффузионному перераспределению углерода и превращению аустенита в перлит.

А_0,8 П(Ф + Ц)

Т

1,2 С,%

акой вид термообработки называют отжигом и проводят охлаждени­ем обрабатываемых деталей вместе с печью. Охлаждение углеродистых ста­лей на воздухе приводит к образованию более мелкозернистой перлитной структуры, чем при охлаждении с печью. Это несколько повышает

прочность сталей, но значительно сокращает сроки обработки и называется нормали­зацией.

Рис. 2. Расположение критических точек A_с1, А_с3, А_сm и области температур нагрева под различные виды ТО на диаграмме «железо—цементит»

Нормализацию заэвтектоидных сталей применяют также для устране­ния цементитной сетки, ухудшающей пластические свойства высокоуглеродистых сталей.

Охлаждая стальные детали с различной скоростью V₁, V₂, V₃ (см. рис. 3), можно диффузионным распадом аустенита получить структуры, представляющие собой ферритно-цементитные смеси (перлит, сорбит, троостит) различной дисперсности, отличающиеся друг от друга твердостью

и прочностью. При более высоких скоростях охлаждения (V₄) часть аустенита (А) переохлаждается до точки М_н (начало мартенситного превращения) и превращается по бездиффузионному механизму в мартенсит (М). Структура в этом случае состоит из мартенсита и троостита.

При охлаждении со скоростью V_к (критическая скорость охлаждения) и более образуется структура, называемая мартенситом, представляющая со­бой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_α. Мартенсит обладает центрированной тетрагональной решеткой, близкой к решетке Fe_α, и содержит в растворе столько же углерода, сколько находится в исходном аустените.

Превращение А → М происходит без изменения концентрации твердо­го раствора, не требует диффузионного перераспределения углерода и состо­ит только в перестройке ГЦК-решетки твердого раствора в решетку ОЦК.

Рис. 3. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали (0,8% С)

По этой причине превращение А → М названо бездиффузионным.

Образование мартенсита происходит при охлаждении не при какой-то определенной постоянной температуре, а в интервале температур. Начинает­ся превращение при М_н, а заканчивается при М_к. Величины этих температур зависят от содержания углерода в стали, а также легирующих элементов (ес­ли сталь легированная).

Твердость мартенсита, а следовательно, и твердость закаленной стали зависит от содержания углерода в стали, т. е. от степени пересыщения Fe_α углеродом (рис. 4).

Значительный прирост твердости наблюдается в сталях с содержанием углерода > 0,3%. Поэтому стали с меньшим содержанием углерода считают условно незакаливаемыми и обычно закалке не подвергают.

При рассмотрении под микроскопом мартенсит имеет игольчатое строение, причем иглы небольшого размера, определяемого размером исход­ного аустенитного зерна. Мартенситные иглы трудно различимы даже при увеличении до 600 раз.

При закалке сталей с содержанием углерода более 0,55—0,6% С, кроме мартенсита, остается небольшое количество непревращенного аустенита (ос­таточный аустенит — А_ост), который практически трудно обнаружить микро­анализом из-за малого количества.

Для получения мартенситной структуры сталь следует подвергать бы­строму охлаждению с большой скоростью (V_охл, V_кр). Для этого используют различные охлаждающие среды, обеспечивающие различные скорости охла­ждения (см. табл. 1).

Рис. 4. Влияние содержания углерода в стали на закаливаемость

    Таблица  1

Охлаждающая способность различных сред

Скорость охлаждения на воздухе составляет V_охл    30⁰С/с.