2.2. Порядок выполнения работы

1. Изучить особенности изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, превращение аустенита при непрерывном охлаждении, влияние скорости охлаждения на структуру и свойства углеродистой стали.

2. Провести исследования на образцах, изготовленных из сталей 40 или 45 и У8 или У10. Загрузить по четыре образца каждой стали в печь и нагреть до температуры закалки. Охлаждение образцов произвести с печью, на воздухе, в масле и в воде (от 16 до 18°С).

3. После охлаждения образцы зачистить и замерить их твердость по Роквеллу. По результатам измерения твердости определить (ориентировочно) структуру стали. Провести обсуждение результатов эксперимента.

2.3. Содержание отчета

1. Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, на которой должны быть указаны (вектором) условия охлаждения для получения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мертенсита.

2. Описание условий образования структуры (перлита, сорбита и т. д.) с указанием температуры переохлаждения аустенита для их получения.

3. Заполненная таблица с результатами измерения твердости стали.

4. График зависимости твердости стали от скорости (указать условия) охлаждения из аустенитного состояния в координатах «твердость – скорость охлаж­дения (охладитель)».

5. Выводы.

Твердость продуктов превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали

Твердость	Структура тру к т У Р
	перлит	сорбит	троостит	бейнит	мартенсит
НВ
HRC

2.4. Вопросы для самоконтроля

1. Какие области и линии имеются на диаграмме изотермического превращения аустенита?

2. Какие структуры могут образоваться при охлаждении аустенита?

3. Какие факторы влияют на образование различных структур (перлита, сорбита, троостита, мартенсита) при непрерывном охлаждении?

4. В чем заключается природа перлитного превращения? Его особенности.

5. В чем заключается природа мартенситного превращения? Его особенности.

6. В чем заключается природа промежуточного (бейнитного) превращения? Его особенности.

7) В чем заключается природа превращения аустенита при непрерывном охлаждения? Его особенности.

Лабораторная работа 3

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ

Цель работы: ознакомиться с двумя операциями термообработки –отжигом и нормализацией; изучить назначение, температурные режимы и особенности их проведения, устройство муфельной печи, твердомеров типа ТШ и Роквелла.

3.1. Краткие теоретические сведения

3.1.1. Отжиг

Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали, выдержкой и медленным охлаждением (с печью).

Охлаждение образцов до 500 – 450°С производится в печи, чтобы предупредить коробление, а затем на воздухе. Скорость охлаждения при отжиге углеродистых сталей должна быть не более 100 – 200°С/ч, легированных – 30 – 40°С/ч. Ее регулируют охлаждением печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

Отжиг – операция предварительная или промежуточная. Основное назначение ее – снятие внутренних напряжений и улучшение или исправление структуры металла (измельчение зерна, устранение ликвации, снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием).

Рекристаллизационный отжиг (рис. 3.1, а) применяют для снятия наклепа (после холодной пластической деформации), восстановления пластичности и ударной вязкости.

Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. В металле искажается кристаллическая решетка и образуется определенная ориентировка зерен – текстура. Зерна деформируются, сплющиваются и из равноосных превращаются в неравноосные (в виде лепешки, блина).

Исправление кристаллической решетки в процессе нагрева называется возвратом, или отдыхом. Твердость и прочность металла при возврате несколько понижаются (на 20 – 30 %), а пластичность возрастает. При более высокой температуре происходит рекристаллизация – рост новых равноосных зерен за счет исходных деформированных. После завершения рекристаллизации строение металла и его свойства становятся прежними (которые он имел до деформации).

Рекристаллизационный отжиг углеродистых и низколегированных сталей проводится при температуре 550 – 700°С с выдержкой после прогрева от 30 до 60 мин в зависимости от состава стали. В ряде случаев, например при отжиге проволоки в бунтах, применяют защитные (контролируемые) атмосферы, исключающие окисление и обезуглерожирование стали при нагреве и выдержке.

Низкотемпературный отжиг (рис. 3.1, б) проводят для снятия внутренних остаточных напряжений при температуре 650 – 700°С в течение несколько часов. Степень снятия напряжений определяется главным образом температурой нагрева, а не временем выдержки. В результате отжига уменьшаются особенно опасные остаточные растягивающие напряжения. Отжиг позволяет повысить внешние нагрузки, снижает склонность к хрупкому разрушению, повышает сопротивление усталости и к ударным нагрузкам, снижает склонность к межкристаллитной коррозии, стабилизирует размеры и предотвращает коробление изделий.

Низкотемпературному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникли внутренние напряжения. Эти напряжения, если их не устранить, могут вызвать коробление и появление трещин.

Гомогенизация (высокотемпературный, или диффузионный отжиг) (рис. 3.1, в) применяется для устранения дендритной (внутрикристаллической) ликвации в слитках или фасонных отливках главным образом из легированных сталей. Ликвация усиливает анизотропию свойств, карбидную неоднородность, снижает относительное удлинение и ударную вязкость.

Для ускорения диффузии и получения однородного (гомогенного) металла нагрев производят до температуры 1100 – 1200°С с выдержкой после нагрева от 8 до 20 ч. В результате такого высокотемпературного нагрева происходит интенсивный рост зерна. Перегрев устраняется дополнительным отжигом на мелкое зерно.

Диффузионный отжиг увеличивает нагрузку печного оборудования и расход топлива, сопровождается большими потерями металла на окалину и является малопроизводительной операцией.

Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно (рис. 3.1, г), проводится только для эвтектоидных сталей при температуре на 30 – 50°С выше точки А₃. При этом время нагрева и продолжительность выдержки зависят от состава стали, типа нагревательной печи, способа укладки в печь и т. п.

Назначение полного отжига – измельчение зерна, исправление структуры, максимальное снижение твердости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация. Медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малых степенях переохлаждения, получение высокой пластичности и минимальной твердости. Мелкое начальное зерно аустенита способствует получению при охлаждении мелкозернистой структуры с равномерным распределением феррита и перлита. Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки. Это операция длительная и малопроизводительная.

Изотермический отжиг (рис. 3.1, д) имеет преимущество перед полным – сокращается время отжига и получается более однородная структура, так как распад аустенита происходит при постоянной температуре во время выдержки, поэтому полный отжиг часто заменяют изотермическим.

Неполный отжиг (рис. 3.1, е) используют для снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидные стали отжигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки и сталь становится хрупкой. Заэвтектоидные стали подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750 – 770°С (несколько выше А₁), выдерживают до прогрева по сечению и охлаждают.

При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации при охлаждении во время аустенитно-перлитного превращения. В результате образуется структура зернистого перлита. Этот отжиг часто называют отжигом на зернистый перлит, или сфероидизацией.

Для сокращения времени отжиг на зернистый перлит можно произвести с изотермической выдержкой. После нагрева сталь медленно охлаждают (30 – 50°С/ч) до 680 – 650°С и выдерживают 1 – 3 ч для распада переохлажденного аустенита и сфероидизации карбидов. Последующее охлаждение производят на воздухе. Сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке, поэтому инструментальные стали, как более твердые, должны поставляться со структурой зернистого перлита.

Доэвтектоидные стали отжигают на зернистый перлит для получения максимальной пластичности перед холодной обработкой давлением (штамповкой, волочением и т. п.).Нагрев при неполном отжиге до более высокой температуры (800°С) приводит к получению структуры пластинчатого перлита.

Циклический, или маятниковый отжиг (рис. 3.1, ж), применяют для полной сфероидизации цементита и сфероидизации карбидной фазы легированных сталей. Этот вид отжига рекомендуется применять для трудноотжигаемых высоколегированных сталей. Сталь несколько раз попеременно нагревают выше A₁ на 10 – 15°С и охлаждают ниже A₁ на 10 – 15°С. Количество циклов нагрева и охлаждения зависит от химического состава стали.Пластинка карбида при каждом нагреве частично растворяется в аустените, а при охлаждении начинает расти. Растворяясь и подрастая, кристалл карбида из пластинчатой принимает зернистую форму – происходит его сфероидизация.