ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Ангарская государственная техническая академия

Кафедра управления автомобильным транспортом

«ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ»

методическое указание

для выполнения лабораторной работы по курсу

«Материаловедение и технология конструкционных материалов»

Ангарск, 2007

«Термическая обработка углеродистых сталей». Методическое указание для студентов механических и машиностроительных специальностей по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

В методическом указании приведены теоретические сведения, рекомендации по выполнению лабораторной работы, требования по оформлению работы, контрольные вопросы.

Составили: Носырева Е. С., Омарова М. Г. – Ангарск, АГТА, 2007. – 11 с.,

3 Рис., 1 таблица.

Рецензент: к. т. н., доцент кафедры МАХП Асламов А. А.

Рекомендовано учебно-методическим советом

Ангарской государственной технической академии

 Ангарская государственная техническая академия, кафедра УАТ

Лабораторная работа.

Термическая обработка углеродистых сталей.

Цель работы: На практике приобрести навыки проведения операций термической обработки; научиться определять твердость на твердомере; установить зависимость механических свойств (твердости) стали от режима термической обработки; изучить микроструктуру термообработанных образцов.

Оборудование, инструменты и материалы для выполнения лабораторной работы:

1. Муфельные электропечи.

2. Твердомер ТК-2М с шариковым и алмазным наконечниками.

3. Образцы стали для термообработки.

4. Щипцы для закладки и извлечения образцов.

5. Бачки с охлаждающей жидкостью (вода, масло).

6. Шлифовальный круг.

7. Коллекция микрошлифов.

Краткие сведения из теории:

Термической обработкой называется процесс теплового воздействия на металл с целью изменения структуры, следовательно, и свойств металлов и сплавов.

Процесс термической обработки включает: нагрев сплава до определенной температуры, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение с различной скоростью. Режимы термической обработки можно изобразить графически в координатах температура - время (рис. 1).

Рис. 1. Этапы процесса нагрева и охлаждения при термической обработке стали (а – отжиг; б – нормализация; в – закалка;

г - отпуск).

Температура нагрева образцов для термической обработки подбирается относительно критических точек Ас₁ и Ас₃.

Ас₁ - температура начала перехода -Fe  γ-Fe, т. е. начало перестройки ОЦК в ГЦК решетку, а температура Ас₃ указывает на то, что при ней происходит окончательная перестройка ОЦК решетки в ГЦК с полным растворением в ней углерода.

В большей степени на процессы формирования структуры влияет скорость охлаждения.

К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка с последующим отпуском. Режим термообработки подбирают с целью получения необходимых свойств металла в изделии.

Отжигом называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве металла (сплава) выше Ас₃ на 50-80⁰С, выдержке при этой температуре и медленном последующем охлаждении со скоростью 100-200⁰ в час. Обычно, это охлаждение с печью. Такой отжиг называют полным (с полной перекристаллизацией структуры). При неполном отжиге сталь нагревается выше Ас₁ но ниже Ас₃ или Аст. Для заэвтектоидных сталей этот вид отжига применяется вместо полного отжига. Целью отжига является исправление структуры после различной обработки (ковки, литья, штамповки), снижение твердости для облегчения обработки резанием, подготовка структуры к последующей термической обработке, уменьшение химической неоднородности стали и снятие внутренних напряжений. В результате получается мягкая равновесная феррито-перлитная структура. Отжиг является промежуточным видом термической обработки.

Нормализацией называется вид термической обработки, состоящий из нагрева стали до температуры выше точки Ас₃ или Аст на 30-50⁰, выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Эта обработка применяется для устранения крупнозернистой структуры и выравнивания механических свойств стали. Иногда для низкоуглеродистых сталей (до 0,3% углерода) нормализацию используют вместо отжига, т. к. скорость охлаждения на воздухе, особенно массивных деталей, приводит к тем же изменениям, что и при медленном охлаждении (формировании перлитной структуры). Процесс термообработки при этом упрощается.

Но если изделие тонкостенное и процесс распада аустенита ускоряется, то феррито-цементитная смесь, в отличие от перлита, становится мельче (более дисперсная) и называется сорбитом. В этом случае нормализация для низкоуглеродистых сталей является окончательной обработкой.

При небольших скоростях охлаждения аустенит претерпевает превращение по механизму распада с образованием механической смеси феррита и цементита. Структуры распада аустенита отличаются дисперсностью феррито-цементитных составляющих и называются перлитом, сорбитом и троститом. Перлит- продукт эвтектоидного распада аустенита, образующийся при температурах 650-700⁰С. Если аустенит переохлажден до 600-650⁰С, то образуется более мелкая феррито-цементитная смесь называемая сорбитом. При переохлаждении аустенита до 500-550⁰С образуется еще более мелкодисперсная феррито-цементитная смесь, называемая троститом (Рис. 2).

С понижением температуры распада аустенита пластинки феррита и цементита становятся более тонкими и искривленными. При этом прочность и твердость сплава возрастают, а пластичность несколько снижается.

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве конструкционных сталей до температур на 30 – 50⁰ выше точек Ас₃, а инструментальных сталей на 30 – 50⁰ выше точек Ас₁, выдержке при этой температуре и последующим охлаждением в какой-либо быстроотводящей тепло среде. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы не допустить распад аустенита на феррито-цементитную смесь, а обеспечить превращение аустенита в условиях подавленной диффузии, т. е это превращение должно происходить по бездиффузионному механизму. Наименьшая скорость, обеспечивающая такое превращение, называется критической скоростью охлаждения V кр. (Рис. 2).

Конструкционные стали с исходной феррито-перлитной структурой при нагреве приобретают структуру – аустенит. Для подобной перестройки требуется время. Поэтому после нагрева до нужной температуры перед охлаждением образцы выдерживаются определенное время. При охлаждении со скоростью выше критической, аустенит, имеющий ГЦК решетку, претерпевает бездиффузионное, сдвиговое превращение с образованием мартенситной структуры. Мартенсит сохраняет то же содержание углерода, которое было в аустените, и представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -Fe с тетрагональной кристаллической решеткой.

Охлаждающая среда при закалке - вода, масло, растворы солей или другие среды. Вода способна испаряться на поверхности охлаждаемого изделия. Образующийся пар покрывает охлаждаемую поверхность так называемой паровой рубашкой, которая снижает возможность отвода тепла от поверхности изделия, скорость охлаждения резко снижается. Поэтому, при охлаждении в воде необходимо интенсивное перемещение изделия для того, чтобы разрушить паровую рубашку.

При нагреве стали в интервале температур выше Ас₁ , но ниже Ас₃ не происходит полной перекристаллизации и структура в области этих температур состоит из феррита и превращенного в аустенит перлита. При последующем быстром охлаждении феррит остается без изменения, а аустенит превращается в мартенсит. Имеет место неполная закалка. Структура состоит из мартенсита и феррита.

Нагрев конструкционной стали значительно выше критической точки Ас₃, например на 100-150⁰С, сопровождается ростом аустенитного зерна. В результате быстрого охлаждения перегретой стали получается структура крупноигольчатого мартенсита. Такая структура нежелательна, т. к. даже после отпуска обладает склонностью к хрупким разрушениям.

Нагрев под закалку инструментальных сталей, имеющих исходную структуру перлит + цементит вторичный, проводят на 30-50⁰ выше Ас₁. При этом образуется структура аустенит и остается цементит вторичный. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и цементита вторичного, что обеспечивает необходимую твердость инструментальных сталей.

Если конструкционная сталь была нагрета до нормальной температуры закалки, но охлаждена не в воде, а в масле, то при этом скорость охлаждения V₄ (рис. 2) будет ниже Vкр. Часть аустенита не успевает достичь точки мартенситного превращения и в районе 500-550⁰ начинает распадаться на мелкодисперсную феррито-цементитную смесь - тростит. При дальнейшем охлаждении оставшийся аустенит превращается в мартенсит. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и тростита.

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур: М_Н (начало) и М_К (конец) мартенситного превращения (рис. 2).

lg 

Рис. 2. Влияние скорости охлаждения на формирование структур при превращении аустенита.

Процесс превращения структур при охлаждении (перестройка ГЦК решетки в ОЦК) сопровождается увеличением объёма. В условиях высокой скорости охлаждения и неодновременности превращения по объёму закаливаемого изделия в нем возникают значительные внутренние напряжения, называемые закалочными. Они могут привести к короблению изделий и образованию трещин в процессе закалки. Оставшиеся внутренние напряжения могут вызывать деформацию изделий с течением времени в условиях эксплуатации. Поэтому закаленные детали или инструменты всегда подвергаются отпуску, с целью уменьшения закалочных напряжений. Хотя отпуск может иметь и другие цели.

Отпуском называют термическую обработку закаленной стали, заключающуюся в нагреве до температур, ниже точки Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.

Основным превращением при отпуске является распад мартенсита. При нагреве мартенсита, находящийся в нем углерод получает возможность диффузионного перемещения, вплоть до полного выхода его из решетки мартенсита. Избыточный углерод выделяется в виде цементита. Когда весь углерод выйдет из решетки, формируется структура феррит и цементит.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск проходит при нагреве стали до температур 150-200⁰С с последующим охлаждением на воздухе. При этом углерод не выделяется из решетки мартенсита, но имеет возможность перераспределяться внутри неё. Снижение твердости такой отпуск практически не вызывает, снижаются внутренние напряжения и хрупкость. Получаемая структура называется – отпущенный мартенсит. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей, цементованных деталей, т.е. там, где необходимо сохранить высокую твердость и износостойкость.

2. Средний отпуск выполняется при температуре 350-500⁰С. Более высокая температура нагрева ускоряет диффузию углерода, обеспечивает возможность завершения некоторых превращений, начинавшихся при низком отпуске и частичному выделению углерода. В результате превращений образуется высокодисперсная феррито-цементитная смесь – тростит отпуска. При среднетемпературном отпуске сталь имеет высокую прочность и упругость, появляется пластичность. Этот вид отпуска рекомендуется для изделий от которых требуются максимальные упругие свойства при относительно высокой твердости (рессоры, пружины, штампы).

3. Высокий отпуск проводят при температуре 500-650⁰С. Углерод полностью выделяется из решетки мартенсита. В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. С повышением температуры происходит коагуляция (укрупнение) и сфероидизация включений цементита. С укрупнением цементита понижаются твердость и внутренние напряжения. Пластичность и ударная вязкость возрастают. Термическая обработка, включающая операции закалки с последующим высоким отпуском, называется улучшением. Сталь после улучшения имеет самую высокую ударную вязкость и пластичность.

Улучшение рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей, изделия из которых не должны подвергаться хрупкому разрушению. Интервалы нагрева углеродистых сталей для различных видов термической обработки приведены на рис. 3.

Рис. 3. Интервалы нагрева углеродистых сталей для закалки, отпуска, нормализации и отжига.