- •Материаловедение
- •Введение
- •1. Кристаллическое строение металлов
- •1.1. Общая характеристика и структурные методы исследования металлов
- •1.2. Атомно-кристаллическая структура металлов
- •1.3. Дефекты кристаллического строения
- •1.4. Строение сплавов
- •2. Кристаллизация металлов
- •3. Деформация и разрушение металлов
- •3.1. Упругая и пластическая деформация
- •3.2. Механизм пластической деформации
- •3.3. Влияние пластической деформации на структуру и свойства металла
- •3.4. Разрушение металлов
- •4. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла
- •4.1. Возврат и полигонизация
- •4.2. Рекристаллизация
- •4.3. Факторы, влияющие на размер зерна рекристаллизованного металла
- •4.4. Холодная и горячая деформации
- •5. Железо-углеродистые сплавы
- •5.1. Компоненты и фазы в системе железо-углерод
- •5.2. Диаграмма состояния железо-цементит (Fe–Fe3c) (метастабильное равновесие)
- •5.3. Формирование структуры углеродистых сталей при медленном охлаждении
- •5.4. Формирование структуры белых чугунов
- •6. Чугуны
- •6.1. Белые чугуны
- •6.2. Серые чугуны
- •6.3. Высокопрочные чугуны
- •6.4. Ковкие чугуны
- •7. Стали
- •7.1. Примеси в сталях
- •7.2. Влияние углерода на свойства стали
- •7.3. Влияние постоянных примесей на свойства стали
- •7.4. Влияние легирующих элементов на критические точки железа
- •7.5. Классификация сталей
- •7.6. Маркировка сталей
- •7.7. Коррозионно-стойкие и жаростойкие стали и сплавы
- •7.8. Жаропрочные стали и сплавы
- •8. Термическая обработка сталей
- •8.1. Отжиг стали
- •8.2. Нормализация стали
- •8.3. Закалка стали
- •8.4. Отпуск стали
- •9. Химико-термическая обработка стали
- •9.1. Цементация стали
- •9.2. Азотирование стали
- •9.3. Нитроцементация и цианирование сталей
- •9.4. Диффузионная металлизация
- •10. Огнеупорные материалы
- •10.1. Свойства огнеупоров
- •10.2. Классификация огнеупоров
- •10.3. Огнеупорные изделия
- •10.4. Огнеупорные бетоны, торкрет-массы, мертели
- •11. Теплоизоляционные материалы
- •11.1. Свойства теплоизоляционных материалов
- •11.2. Классификация теплоизоляционных материалов
- •11.3. Естественные теплоизоляционные материалы
- •11.4. Искусственные теплоизоляционные материалы
- •Библиографический список
- •Оглавление
8.3. Закалка стали
Цель закалки – повышение твердости и прочности стали. Она заключается в нагреве до температуры выше критических точек, выдержке при этой температуре и быстрого охлаждения. Таким охлаждением предотвращают превращение аустенита в перлит. Закаленная сталь чаще всего имеет неравновесную структуру мартенсита. Мартенсит – пересыщенный раствор углерода в -железе. Он обладает большой твердостью. Так как при быстром охлаждении увеличивается хрупкость стали и возникают внутренние напряжения, то после закалки сталь подвергают отпуску [4].
Доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры на 30…50 С выше точки АС3. Исходная структура стали перлит+феррит. При нагреве образуется аустенит. В результате быстрого охлаждения он превращается в мартенсит.
В заэвтектоидной стали содержится цементит, который по твердости превышает мартенсит. Поэтому эту сталь достаточно нагреть на 30…50 С выше точки АС1. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбидов.
Нагревать изделия из стали, особенно хрупкие, необходимо постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин. Время выдержки нагретой детали должно быть достаточным для полного перехода перлита в аустенит. Продолжительность выдержки обычно составляет четверть продолжительности нагрева. Длительные выдержки нежелательны, так как приводят к росту зерна и обезуглероживанию поверхностных слоев металла.
Для предохранения изделий от окисления и обезуглероживания в рабочее пространство нагревательной печи вводят защитную газовую среду. Это может быть эндотермическая атмосфера, получающаяся при частичном сжигании природного газа, а так же атмосферы азота, аргона, гелия и водорода.
Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита. Кроме того, не должно быть таких закалочных дефектов как деформации, коробления, трещины.
Скорость охлаждения, обеспечивающая мартенситную структуру, называется критической скоростью закалки.
Для закалки используют различные кипящие жидкости: воду, масла, водные растворы щелочей и солей.
Важными технологическими свойствами сталей являются закаливаемость и прокаливаемость.
Закаливаемость – способность стали повышать твердость стали в результате закалки. В первую очередь закаливаемость определяется содержанием углерода в стали. Чем больше в мартенсите углерода, тем выше его твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.
Прокаливаемость характеризуется толщиной слоя с мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью. Прокаливаемость зависит от критической скорости охлаждения стали. При закалке любых деталей невозможно добиться одинаковой скорости охлаждения поверхности и сердцевины детали. Если скорость охлаждения сердцевины при закалке будет меньше критической скорости охлаждения, то деталь не закалится насквозь, то есть там не образуется мартенсит. Легированные стали прокаливаются на бóльшую глубину, чем углеродистые [2].
8.4. Отпуск стали
Отпуск стали является заключительной технологической операцией, определяющей ее конечные свойства. Отпуск смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость и пластичность, уменьшает твердость и прочность стали. Отпуск производят путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит, до температуры ниже критической АС1, а затем медленно охлаждают. В зависимости от температуры нагрева могут быть получены структуры отпущенного мартенсита, троостита отпуска или сорбита отпуска. Троостит и сорбит могут получаться как в результате распада мартенсита, так и при более медленном охлаждении аустенита. Троостит и сорбит, полученные при распаде аустенита, представляют собой ферритно-цементитные неравновесные пластинчатые структуры. В сорбите усредненная толщина двух смежных пластинок феррита и цементита составляет 0,25…0,30 мкм, а в троостите 0,1…0,15 мкм. В сорбите и троостите отпуска цементит имеет зернистую форму.
В зависимости от температуры различают низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний) и высокотемпературный (высокий) отпуск. При низкотемпературном отпуске сталь нагревают до 150…200 С. В результате снижаются внутренние напряжения, а твердость практически не меняется. Структура стали при этом – отпущенный мартенсит. Низкий отпуск используют для инструментов и изделий, подвергающихся поверхностной закалке, цементации и нитроцементации. Продолжительность отпуска составляет от 1 до 2,5 часов.
Среднетемпературный отпуск проводят при 350…500 С. Его применяют для пружин, рессор и ряда других изделий. Структура стали после отпуска – троостит отпуска.
Высокотемпературный отпуск проводят при 550…650 С. Его применяют для нагруженных деталей. Структура стали после этого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск дает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалку стали с последующим высоким отпуском называют улучшением [2].