2. Порядок выполнения работы

1. Получить пять образцов стали 40 и измерить твердость на приборе Роквелла. Результаты занести в таблицу по форме 1.

Форма 1

Номер образца	Содержание углерода, %	Твердость до закалки HRС	Температура нагрева под закалку, °С	Закалочная среда	Твердость после закалки HRС	Полученная микроструктура

2. Определить по диаграмме температуру нагрева изучаемых сталей под закалку и произвести закалку с охлаждением:

   • одного образца стали 40 на воздухе;

   • одного образца в масле;

   • трех образцов в воде.

3. Измерить твердость образцов после закалки на приборе Роквелла по шкале С и пересчитать по таблице на твердость по Бринеллю. Перед измерением твердости снять окалину с торцевых поверхностей наждачной бумагой. Вычертить график зависимости твердости закаленной стали в зависимости от скорости охлаждения.

3. Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Основные теоретические положения.

3. Привести схему диаграммы изотермического превращения аус­тенита.

4. Результаты экспериментов в виде таблицы, графика и зарисовок микроструктур.

Контрольные вопросы

1. Какие превращения испытывает аустенит стали при разных скоростях охлаждения?

2. Что такое мартенсит?

3. Каково максимально возможное содержание углерода в феррите и мартенсите?

4. Что такое критическая скорость закалки?

5. Какой закалке подвергают доэвтсктоидные и заэвтектоидные стали?

Литература: [3, 4].

Работа 9

СТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

В ОТПУЩЕННОМ СОСТОЯНИИ

Цель работы – исследовать влияние температуры отпуска на структуру и твердость углеродистой стали.

1. Содержание работы

Отпуском стали называется термическая операция, состоящая из нагрева предварительно закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки , ее выдержки при этих температурах и охлаждения.

Отпуск производится для снижения внутренних напряжений, возникших при закалке, и для повышения пластичности и вязкости.

Отпуск является последней операцией цикла термической обработки стали и определяет окончательные свойства закаленных изделий.

Исходной структурой при отпуске является структура закаленной стали, состоящая из тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита. Закаленная сталь обладает высокой твердостью, прочностью и огромными внутренними напряжениями, обусловленными искажением кристаллической решетки Fе_, пересыщенной углеродом.

Такая структура является неустойчивой и при нагреве претерпевает превращения, связанные с выделением углерода из мартенсита. При нагреве до 200 °С выделение углерода из кристаллической решетки Fе_ происходит в виде мельчайших частиц цементита, еще полностью не обособившихся от мартенсита. Эта начальная стадия превращения мартенсита сопровождается уменьшением тетрагональности кристаллической решетки, что приводит к частичному снятию внутренних напряжений. Твердость при этом понижается, но незначительно, приблизительно на 2 – 3 единицы HRС. Структура стали, отпущенной при нагревах до 200 °С называется мартенситом отпуска и имеет характерное игольчатое строение, отличающееся от мартенсита закалки только более темными иглами вследствие повышенной травимости [1, рис. 35].

Нагрев в пределах 200 – 300 °C наряду с продолжающимся выделением углерода из мартенсита вызывает бездиффузионный процесс перехода остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. При этом происходит дальнейшее снятие внутренних напряжений и небольшое понижение твердости.

Нагрев стали на 300 – 450 °C приводит к тому, что углерод полностью выделяется из мартенсита и обособляется в виде мелких частичек цементита, т.е. заканчивается процесс превращения мартенсита в феррито-цементитную смесь высокой степени дисперсности. Структура, полученная при таком нагреве, называется трооститом отпуска [1, рис. 36] и ее образование сопровождается значительным снятием внутренних напряжений, понижением твердости на 15 – 20 HRС и повышением вязкости. Структура троостита отпуска вследствие высокой дисперсности цементита обладает высокой протравимостью.

Нагрев выше 450 °C – до критической точки – способствует коагуляции карбидов, т.е. объединению мелких частичек цементита в более крупные образования округлой формы. Размеры зерен цементита зависят от температуры. Структура, полученная при нагреве от 400 – 650 °C, называется сорбитом отпуска. Степень дисперсности сорбита зависит от температуры. На рис. 37 [1] приведена структура стали, отпущенной при 550 °С.

При более высоком нагреве (вблизи критической точки ) образуется зернистый перлит [1, рис. 11].

Процесс коагуляции карбидов сопровождается понижением твердости и значительным увеличением вязкости. Следовательно, при нагреве закаленной стали происходит диффузионный процесс распада мартенсита на феррито-цементитную смесь различной степени дисперсности, что и определяет конечные механические свойства отпущенной стали.

Кроме температуры нагрева при отпуске играет роль время выдержки, так как диффузионные процессы идут по времени. Практически установлено, что в углеродистых сталях для завершения процесса превращения при отпуске требуется выдержка около одного часа.

Исходя из сказанного, различают три вида отпуска: низкий отпуск при нагреве до 170 – 200 °C производится для изделий, от которых требуется высокая твердость и прочность; в результате получают структуру мартенсита отпуска; средний отпуск при нагреве от 350 – 450 °C производится для изделий, от которых требуется сочетание повышенной упругости и вязкости, получают структуру троостита отпуска; высокий отпуск осуществляется нагревом изделий и заготовок до 500 – 650 °С и широко применяется для деталей машин и конструкций, от которых требуется повышенная прочность при высокой вязкости.

При сравнении одноименных структур стали, полученных после закалки и отпуска, обнаруживаются различия в форме цементита. Так, сорбит отпуска имеет зернистое строение цементита, а сорбит, полученный при закалке – пластинчатую форму, что и обусловливает более высокую ударную вязкость сорбита отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки стали на мартенсит с последующим высокотемпературным отпуском на сорбит, называется улучшением стали.

Улучшение стали обеспечивает сочетание повышенных свойств прочности с высокой вязкостью и является основной термической обработкой, применяемой для конструкционных сталей.