Требования к отчету

В отчете должны быть представлены: название и цель работы, порядок выполнения работы, полученные экспериментальные данные в форме таблиц и графиков с объяснением полученных закономерностей.

Контрольные вопросы:

1. Что называется закалкой, какова структура закаленной стали?

2. Понятие критической скорости охлаждения?

3. Причины сохранения аустенита остаточного в закаленной стали.

4. Обоснуйте оптимальные температуры нагрева под закалку доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

5. Что такое отпуск, его назначение?

6. Процессы, происходящие при низком, среднем, высоком отпуске.

Лабораторная работа № 7 термическая обработка легированных сталей

Цель работы: установить закономерности влияния химического состава на твердость закаленных сталей и определить влияние скорости охлаждения на способность стали воспринимать закалку (“закаливаемость”).

Порядок выполнения работы

1. Расшифровать маркировку следующих сталей: 12ХНВА, 18Х2Н4ВА, Сталь 20, 30ХГСА, Сталь 40, 40ХНМА, 60Г, У10, 9ХС, Х12М

2. Провести термическую обработку с разными скоростями охлаждения образцов из сталей 40ХНМА и ст40. Скорости охлаждения: на воздухе - 30 с/сек; в масле - 150 с/сек; в воде - 600 с/сек.

3. Измерить твердость на приборе Роквелла по шкале НRC, результаты занести в таблицу 10. По полученным данным построить график зависимости твердости от скорости охлаждения.

4.Определить влияние легирующих элементов на твердости закаленных сталей в результате отпуска. По данным таблицы 11 построить график зависимости твердости HRC от температур отпуска для инструментальных режущих сталей У10, 9ХС (время отпуска 30 мин, охлаждение на воздухе) и штамповой стали стали Х12М, закаленной с разных температур.

Таблица 10

Марка стали	Температура нагрева, С	Твердость (HRC) после охлаждения
		На воздухе 30С/с	В масле 150С/с	В воде 600С/с
Сталь 40
40ХНМА

Таблица 11

Марка стали	Температура закалки	HRC после закалки	Твердость HRC после отпуска, С
			200	400	500	550	630
У10	780
9ХС	850
Х12М	1050
	1150

Методические указания к выполнению работы

Влияние легирующих элементов на условия термической обработки закаленной стали может проявляться благодаря изменению температуры фазовых превращений, состава фаз, кинетики распада аустенита. По микроструктуре стали классифицируют после термической обработки: в отожженном и в нормализованном состоянии (рис 20, 21).

Большинство широко используемых легирующих элементов (Cr, V, W, Si, Mo и др.) повышают температуры А₁ и А₃, но Mn и Ni снижают эти температуры. Поэтому температура нагрева под закалку и значения температур А₁ и А₃ для высоколегированных сталей (сумма легирующих элементов >10%) определяются экспериментально и указываются в справочниках. Для малолегированных сталей температура закалки аналогична температуре для углеродистых сталей.

Как известно, основной целью закалки сталей является получение мартенситной структуры. Мартенсит углеродистых сталей, являясь пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в решетке железа , обладает тем большей твердостью, чем больше содержит углерода. Легирующие элементы образуют твердые растворы замещения и поэтому незначительно искажают решетку мартенсита. Поэтому твердость закаленных на мартенсит углеродистых и легированных сталей практически одинакова и зависит от содержания углерода.

Рис. 20. Структурная диаграмма хромистых сталей	Рис. 21. Структурная диаграмма сталей в нормализованном состоянии

Большинство легирующих элементов увеличивают устойчивость аустенита против распада на феррито-цементитную смесь, замедляют скорость его распада, облегчая тем самым переохлаждение аустенита до температуры М_н – начала мартенситного превращения.

Такое влияние легирующих элементов имеет большое практическое значение, т.к. увеличение устойчивости аустенита обуславливает уменьшение критической скорости охлаждения. При этом достигаются два практически важных результата. Легированные стали закаливаются на мартенсит при охлаждении не только в воде, но и в менее резкокалящих средах - в масле и на воздухе, что способствует уменьшению внутренних термических напряжений, уменьшению коробления и сохранению геометрии деталей сложной конфигурации. Уменьшение критической скорости охлаждения увеличивает прокаливаемость легированной стали и позволяет получить при закалке мартенситную структуру на значительно большей глубине от поверхности детали.

Кроме того, большинство легирующих элементов понижают температурный интервал образования мартенсита М_н-М_к, снижая его до комнатной и отрицательных температур, что приводит к сохранению без превращения в мартенсит большого количества аустенита (остаточного) в структуре закаленных легированных сталей. В этом случае твердость закаленной легированной стали может оказаться ниже твердости углеродистой стали.

Однако закалка стали является только начальным этапом упрочняющей термической обработки и не определяет эксплуатационных свойств стали. Окончательная обработка стали - отпуск, основанная на процессах распада мартенсита и аустенита остаточного, обеспечивает требуемый уровень эксплуатационных свойств детали.

Основное влияние легирующих элементов на превращения при отпуске заключается в затормаживании процессов отпуска. В результате этого при отпуске мартенсит отпущенный сохраняется до более высоких температур, не распадаясь на феррито-цементную смесь.

В легированных сталях за счет карбидообразующих элементов (Сr, Mo, W, V и др.) образуются карбиды, т.е. соединения не только железа, но и других металлов с углеродом. Карбиды имеют более сложные кристаллические решетки, чем цементит. Поэтому, чем больше суммарное содержание легирующих элементов в стали, тем выше температуры распада мартенсита при отпуске и тем при более высоких температурах могут работать детали, сохраняя прочность и твердость, т.е. стали становятся жаропрочными.

Кроме того, в высоколегированных и высокоуглеродистых инструментальных сталях образуются первичные карбиды, которые кристаллизуются из жидкого расплава в виде крупных кристаллов и не претерпевают изменений при термической обработке, но при ковке или другой деформации могут дробиться, измельчаться. В термической обработке принимают участие только вторичные дисперсные карбиды, выделяющиеся из аустенита или мартенсита при отпуске.

Инструментальные стали должны обладать хорошей износостойкостью или сопротивлением к истиранию и высокой красностойкостью, т.е. способностью сохранять высокую твердость и режущие свойства при температурах красного каления (500-600С).

Необходимый комплекс эксплуатационных свойств инструмента из высоколегированных сталей получают путем закалки и отпуска по специальным режимам.

В закаленном состоянии структура этих сталей содержит М+К^I+K^II+A_ост., причем количество карбидов вторичных (K^II) уменьшается, а количество аустенита остаточного (A_ост.) увеличивается до 30-50% при повышении температуры закалки.

Для устранения A_ост. и получения оптимальной структуры обычно применяют отпуск. Распад высоколегированных мартенсита и аустенита может происходить только при нагреве выше 500С. При высоком отпуске (520-570С) происходят два процесса М_зак.М_отп., А_ост.М_отп. При этом выделяются дисперсные сложные карбиды, не склонные к коагуляции при нагреве до 600С. Этот процесс называют вторичной закалкой или вторичным твердением. Сталь, обработанная на вторичную твердость, становится красностойкой.

Следовательно, изменяя температурные режимы закалки и отпуска можно у одной и той же стали получить разные эксплуатационные свойства. Например, штамповая сталь Х12М используется для штампов холодной и горячей деформации. Но при холодной штамповке материал штампа должен сохранять высокую твердость при температурах 100-200С, а для горячей штамповки сталь должна быть красностойкой.