Микроструктура и свойства закаленных сталей после отпуска

10.1 Цель работы

Изучить структуры, образовавшиеся при нагреве закаленных сталей под отпуск до различных температур. Установить связь между микрост­руктурой и твердостью отпущенных низко, средне и высокоуглеродистых сталей.

10.2 Описание лабораторной работы

В результате закалки стали образуется мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в  -железе. Такая структура является не­устойчивой и поэтому при нагреве происходит ее распад. Основным фак­тором, определяющим интенсивность и степень распада мартенсита, яв­ляется подвижность атомов углерода. Так как подвижность атомов угле­рода характеризуется коэффициентом его диффузии, а последний увели­чивается с ростом температуры по экспоненциальному закону то очевидно, скорость распада должна возрастать с повышением темпе­ратуры.

Процесс распада мартенсита включает несколько стадий. Сущность начальной стадии распада заключается в том, что атомы углерода, нахо­дясь в решетке мартенсита, переходят в более выгодные энергетические состояния. Так как в процессе образования мартенсита в нем возникает большое число несовершенств кристаллической решетки: дислокаций, ва­кансий, двойников, то, очевидно, образование сегрегаций, вызванное взаимодействием атомов углерода с указанными дефектами, будет являть­ся основным процессом начальной стадии отпуска. На дефектах кристал­лической решетки мартенсита может быть сосредоточено до  0,2 %С. Об­разование сегрегаций углерода является подготовительной стадией про­цесса выделения карбидов. Если содержание углерода в мартенсите пре­вышает 0,2 %, то в области температур 100-250 °С образуются промежу­точные карбиды, в частности, -карбид (Fе₂₄C). Образующаяся при этом структура называется мартенситом отпуска. При дальнейшем по­вышении температуры в области 250-400 ^оС происходит образование це­ментита (Fе₃C) - более стабильной карбидной фазы, чем любой карбид промежуточного типа.

Совершенно ясно, что образование высокоуглеродистой карбидной фазы внутри мартенсита может происходить только за счет выделения углерода из пересыщенного - твердого раствора. Благодаря этому па­раметры решетки мартенсита будут непрерывно изменяться по ходу выде­ления углерода; степень тетрагональности (с/а) будет уменьшаться и при достижении 400 °С искаженность решетки почти полностью устра­няется (с/а I), т.е. решетка  -твердого раствора становится кубической, а растворимость углерода - близка к равновесной.

Таким образом, после отпуска закаленной стали при 400 °С сталь будет состоять из высокодисперсных включений цементита и феррита; такая структура называется троостом отпуска. При дальнейшем повыше­нии температуры идут процессы возврата и рекристаллизации в  -фа­зе и наряду с этим происходит коагуляция и сфероидизация включений цементита. Эти процессы приводят к тому, что матричная фаза - феррит, становится менее прочной и более пластичной, а цементитные включения укрупняются, приобретая округленную форму. В результате этого в об­ласти температур 500-650 °С образуется структура меньшей степени дис­персности, которая называется сорбитом отпуска.

Если закаленная сталь содержит углерода  0,5 %, то наряду с мартенситом в структуре присутствует остаточный аустенит, количество которого увеличивается с увеличением содержания углерода. При отпус­ке в интервале температур 200-300 °С остаточный аустенит распадается с образованием включений карбида и -твердого раствора, которые при дальнейшем нагреве претерпевают те же структурные изменения, что и продукты распада мартенсита.

Из сказанного выше следует, что повышение температуры отпуска сопровождается такими структурными изменениями, которые приводят к снижению прочности стали и увеличению ее пластичности. Степень сни­жения прочности зависит от содержания углерода (состава) стали и тем­пературы отпуска. В случае, когда требуется высокая прочность (твер­дость), отпуск производят при температуре 150-250 °С - низкий отпуск. Отпуск при 350-500 °С называется средним. Нагрев закаленной стали до 500-680 °С называется высоким отпуском.

10.3 Методическая разработка занятия

10. З.1 Образцы 3-х марок углеродистых сталей (20, 40 и У8) по 6 образцов от каждой стали, в виде дисков размерами: d=13-20 мм и h=3-8 мм закалить в растворе NaCl.

10.3.2 Измерить твердость всех образцов и просмотреть структуры (только 3-х образцов, по одному для каждой марки стали).

10.3.3 Все образцы загрузить в холодную муфельную печь и нагре­вать их вместе с печью.

10.3.4 По мере повышения температуры извлекать по одному образ­цу каждой марки стали при достижении 200, 300, 400, 500, 600 и 700 °С. Охлаждение образцов производится на воздухе.

10.3.5 На всех отпущенных образцах измеряется твердость и изучается микроструктура.

10.3.6 Результаты исследования представляются в виде таблицы 10.1 и графиков в координатах твердость-температура.

Таблица 10.1 -

№	Марка	Исходная	Твердость и структура после отпуска при
п/п	стали	твердость	200 оС	300 оС	400 оС	500 оС	600 оС	700 оС
1. 2. 3.	20 40 у8

Примечание: в верхней части каждой клетки указать твердость, в нижней - структуру.

10.4 Вопросы для текущего контроля

1. Что собой представляет мартенсит и почему он неустойчив?

2. Какие процессы включает отпуск закаленной стали?

3. Как влияет на структуру и твердость закаленной стали температура отпуска и время выдержки?

4. Какую структуру должен иметь режущий инструмент, пружины, валы?

5. Чем отличаются между собой структуры продуктов отпуска и изотер­мического распада?

6. Как изменяется вязкость стали при отпуске?

Литература

1. Новиков И.И. Теория термической обработки.- М. : Металлургия, 1978.-С. 306-313.

2. Гуляев А.П. Металловедение. -М.: Металлургия, 1978.-С. 271 -275.

3. Блантер М.Е. Теория термической обработки. -М.: Металлургия, 1984.- С. 161.

РАБОТА 5