Методические указания к выполнению работы

Закалка сталей основана на полиморфном превращении, происходящем с изменением кристаллической решетки твердого раствора  при нагреве и  при охлаждении, которое является основным при эвтектоидном превращении аустенита. Для осуществления закалки стали необходимы две операции: во-первых, нагрев до температуры образования аустенита (-фазы) и, во-вторых, охлаждение со скоростью больше критической. Важным фактором закалки является скорость охлаждения, т.к. в момент охлаждения может происходить распад аустенита по разным механизмам в зависимости от степени его переохлаждения. При относительно медленном охлаждении распад аустенита происходит диффузионным путем с образованием смеси феррита и цементита. При этом, чем больше степень переохлаждения аустенита, тем более измельченной, более дисперсной становится смесь феррита и цементита,

которая называется, соответственно, перлит, сорбит и тростит. При измельчении структуры смеси возрастает твердость и прочность стали. Однако, это не является закалкой. Закалка стали произойдет при такой критической скорости охлаждения, когда подавляются диффузионные процессы в аустените, и он переохлаждается до температуры начала бездиффузионного превращения в мартенсит. Поэтому структурой закалки стали является мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe_. Весь растворенный в аустените углерод сохраняется в мартенсите, поэтому степень пересыщения мартенсита может быть разной в зависимости от состава стали и состава аустенита. Мартенсит - самая твердая фаза. Твердость мартенсита зависит от степени пересыщения, т.е. от содержания в нем углерода.

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур М_н-М_к, который зависит от содержания углерода в аустените. С увеличением содержания углерода в аустените этот интервал снижается, и температура конца превращения М_к при содержании углерода более 0,6% становится отрицательной. Поэтому, при закалочном охлаждении аустенита, содержащего углерода более 0,6%, до комнатной температуры превращение не завершается и в структуре, наряду с мартенситом, сохраняется некоторое количество аустенита остаточного, причем тем больше, чем выше содержание углерода в аустените. Фактическая структура закаленной стали будет зависеть от ее состава и температуры нагрева под закалку.

Доэвтектоидные стали, применяемые как конструкционные, должны иметь в закаленном состоянии однородную структуру с максимальной твердостью. При нагреве в интервале температур А₁-А₃ сталь имеет двухфазную структуру А+Ф, поэтому после закалочного охлаждения в структуре стали при комнатной температуре будут присутствовать структура М+Ф, т.е. получится неполная закалка. Такая структура не обеспечивает максимальную твердость, а неоднородность ее вызовет преждевременное разрушение детали в процессе работы, т.к. неоднородность не устранится при последующем отпуске. Поэтому оптимальной температурой нагрева доэвтектоидных сталей будет А₃+(30-50)С, закалка с которой обеспечит однородную структуру мелкоигольчатого мартенсита. Повышение температуры выше оптимальной может вызвать рост аустенитного зерна, что приведет к снижению вязкости стали.

Заэвтектоидные стали используются как инструментальные, поэтому они должны обладать сочетанием максимальной твердости и износостойкости. Закалка должна обеспечить благоприятную структуру. Нагрев стали в интервале температур А₁-А_ст позволяет получать двухфазную структуру А+Ц^II. Повышение температуры в этом интервале вызывает растворение Ц^II в аустените и, в связи с этим, увеличение содержания углерода в аустените. Кроме того, вкрапления кристаллов твердого цементита в мартенситной основе закаленной стали, не увеличивая твердость, повышают износостойкость. Обогащение аустенита углеродом нежелательно, т.к. приведет к снижению М_н и увеличению количества остаточного аустенита в закаленной стали, который снизит твердость. Поэтому оптимальной температурой нагрева под закалку заэвтектоидной стали является А₁+(30-50)С, т.е. температура неполной закалки.

Закалку углеродистых сталей можно осуществить только при охлаждении в холодной воде.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, проводимой после закалки и придающей стальным изделиям требуемые свойства. В закаленном состоянии стали не применяют, т.к. они обладают большими внутренними напряжениями и высокой хрупкостью.

При отпуске происходит распад неравновесных структурных составляющих - мартенсита и аустенита остаточного, полученных при закалке. Степень распада, дисперсность продуктов распада и свойства отпущенной стали определяются температурой отпуска. На практике применяют три температурных интервала при отпуске углеродистых сталей.

Низкотемпературный (низкий) отпуск (150-200) применяют в тех случаях, когда требуется снизить хрупкость, но сохранить высокую твердость закаленной на мартенсит стали. При этих температурах происходит распад мартенсита, в результате которого однородная структура закалки - мартенсит - перейдет в неоднородную структуру - мартенсит отпущенный, состоящую из менее пересыщенного углеродом -раствора и тончайших пластинок промежуточного метастабильного цементита Fe_xC в когерентной форме. Вследствие значительно уменьшается хрупкость стали.

Распад остаточного аустенита происходит при температурах нагрева 200-300С. В результате этого превращения при отпуске, когда вновь образуется мартенсит из остаточного аустенита, происходит повышение твердости и хрупкости стали. Поэтому отпуск углеродистых сталей в интервале температур 200-300⁰С не применяется, он вызывает отпускную хрупкость I рода.

Средний отпуск (350-450С) применяют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности и упругости с достаточной вязкостью. При этих температурах нагрева произойдет полное выделение углерода из мартенсита и образование стабильного цементита Fe₃C. В результате полного распада мартенсита образуется троостит отпуска - высокодисперсная смесь феррита и цементита. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры из углеродистых конструкционных сталей с содержанием углерода 0,65-0,75%.

Высокотемпературный (высокий) отпуск (550-650) применяют к изделиям, которые должны иметь высокую вязкость и, вместе с тем, достаточную прочность. При высоких температурах отпуска произойдет коагуляция и сфероидизация цементитных частиц. Образующаяся при этом дисперсная феррито-цементитная смесь имеет зернистую форму цементита и называется сорбитом отпуска. Высокому отпуску подвергают детали ответственного назначения из конструкционных сталей, испытывающие при эксплуатации ударные и знакопеременные нагрузки. Термическая обработка стали, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением, а стали называют улучшаемыми.