Вплив кількості вуглецю і режимів термічної обробки на механічні властивості сталі.

Мета роботи: вивчення основних видів термічної обробки.

Прилади та обладнання: електрична муфельна піч, зразки сталі 40, 45 , У7, шліфувальний папір, напилок, прилад ТШ-2 або ТК.

Теоретична частина

Термічна обробка - це сукупність операцій нагріву, витримки і охолодження з метою зміни властивостей матеріалу. Час нагріву залежить від розміру деталей або заготовок, типу печі та ін (табл.1). Охолодження, в залежності від виду термічної обробки, виконується у печі, на повітрі, у воді, маслі та ін.

Основні види термічної обробки – відпал, нормалізація, гартування, відпуск. При відпалі сталь нагрівається до певної температури з наступною витримкою та повільним охолодженням в печі для одержання рівноважної, менш твердої структури, вільної від залишкових напружень (рис. 1). Залежно від призначення розрізняють два види відпалу – I роду (без фазової перекристалізації), II роду (з фазовою перекристалізацією).

Таблиця 1

Норми нагріву сталі в електричній печі

Температура нагріву, ºC	Час нагріву, с, на 1 мм перерізу
	Круг	Квадрат
600	120	180
700	90	120
800	60	90
900	50	70

Рис.1. Температура нагріву при відпалі та нормалізації: відпал I роду (1- дифузійний відпал; 2- рекристалізаційний відпал; 3- відпал для зняття внутрішніх напружень). Відпал II роду (4 - повний відпал; 5 - неповний відпал); 6-нормалізація.

Відпал I роду поділяють на:

• дифузійний;,

• рекристалізаційний;

- відпал для зняття внутрішніх напружень.

Дифузійний або гомогенізуючий відпал застосовують для усунення ліквації, що утворилася при кристалізації ( наприклад, у злитках або виливках високолегованої сталі ). Його проводять при температурі 1000-1100°С, тривалість - 15-20 годин. Велике зерно усувається наступними операціями термообробки.

Рекристалізаційний відпал застосовують для усунення наклепу після холодного волочіння, прокатки (труби, дріт, лист) . Температура - 600-700°С.

Відпал для зняття внутрішніх напружень роблять з метою зменшення напружень (що утворилися в сталі при куванні, литті, зварюванні), які здатні викликати короблення та руйнування виробів.

Відпал II роду поділяють на:

- повний;

- неповний;

- ізотермічний.

Повний відпал складається з нагрівання до температури на 30-50°С вище Ас₃, витримці при цій температурі до повної перекристалізації та повільного охолодження з піччю. При охолодженні аустенітна структура перетворюється в дрібнозернисту перлітну. Повний відпал застосовують для доевтектоїдних сталей з метою подрібнення зерна, зменшення твердості, поліпшення обробки різанням.

Неповний відпал виконується при температурі вище Ас₁ на 30-50°С. Застосовують для зняття внутрішніх напружень, подрібнення зерна. Неповному відпалу на зернистий перліт, або сфероїдизації, піддають евтектоїдні та заевтектоїдні сталі. Для цього сталь охолоджують до 680-700°С, після витримки знову нагрівають до температури вище Ас₁ на 30-50°С. Цикл повторюють 2-3 рази. Внаслідок сфероїдизації карбіди набувають округлої форми, зникає сітка вторинного цементиту, яка погіршує подальшу обробку.

Ізотермічний відпал проводять у двох печах. Він складається з нагріву на 30-50 ºС вище Ас₃ (перша піч), охолодження нижче Аr₁ на 30-50 ºС (друга піч) і ізотермічної витримки 1-8 год. (для отримання рівноважної перлітної структури), з наступним охолодженням на повітрі. Застосовують для обробки легованих сталей з метою подрібнення зерна, зменшення твердості, поліпшення обробки різанням.

Нормалізація - операція термічної обробки, після нагрівання (доевтектоїдних сталей до температури на 30-50°С вище А_сз, заевтектоїдних сталей – на 30-50°С вище А_сm, рис. 1. ), охолодження здійснюється на повітрі. Внаслідок нормалізації зменшуються внутрішні напруження, груба структура стає дрібнозернистою. У заевтектоїдних сталях усувається сітка цементиту. Іншою мовою, сталь набуває «нормальну» структуру.

Нормалізація є більш економічною операцією, ніж відпал. Для низьковуглецевих сталей немає різниці у властивостях між відпалом і нормалізацією, розходження у властивостях стає помітним зі зростанням кількості вуглецю. Нормалізована сталь більш тверда і менш в’язка, мікроструктура більш дрібнозерниста.

Нормалізація та особливо відпал, - первинні операції термічної обробки, їх основне призначення - усунення дефектів під час попередніх технологічних операцій (кування, штампування, лиття) і підготовка структури з метою поліпшення обробки різальним інструментом, штампування у холодному стані, а також підготовка структури до наступних процесів остаточної термічної обробки. При одержанні задовільних механічних властивостей відпал та, особливо, нормалізація можуть бути остаточними термічними операціями.

Гартування вуглецевої сталі складається з нагріву вище температур фазових перетворень А_с1, А_сз, А_ст, витримки (для завершення перетворень) та швидкого охолодження ( у воді, маслі та ін.) з метою створення нерівноважних структур, що забезпечують більш високу міцність і твердість сталі. Гартуванню піддають сталі з вмістом вуглецю від 0,3%.

Залежно від температури нагрівання відрізняють:

• повне гартування;

• неповне гартування.

При повному гартуванні температура нагріву на 30-50 °С вище А_сз або А_ст. При охолодженні досягається структура гартування (мартенситу) з деякою кількістю залишкового аустеніту.

При неповному гартуванні сталь нагрівають на 30-50 °С вище А_с1 але нижче А_сз або А_ст. У цьому випадку в нагрітому стані структура доевтектоїдних сталей складається з аустеніту і фериту, а заевтектоїдних - з аустеніту і вторинного цементиту. Наявність фериту в структурі знижує твердість, тому таке гартування для доевтектоїдної сталі не використовують. Наявність надлишкового цементиту в структурі загартованої заевтектоїдної сталі, навпаки, корисна. Включення цементиту збільшують твердість і зносостійкість, тому для заевтектоїдної сталі використовують неповне гартування.

Рис.2. Оптимальні інтервали температур гартування вуглецевих сталей.

Відпуск - заключна операція термічної обробки, яка виконується після гартування і складається з нагріву нижче А_с1, витримки і наступного охолодження. Відпуск сталі збільшує її пластичність, зменшує міцність і твердість. В залежності від температури нагріву розрізняють відпуск:

• низький ( 150 - 200ºC );

• середній ( 350 - 450ºC );

• високий ( 550 - 650ºC ).

Низький відпуск забезпечує зниження залишкових напружень при збереженні твердості та зносостійкості деталей. Застосовується для обробки різального, вимірювального інструменту, поверхонь тертя. Мікроструктура – відпущений мартенсит.

Середній відпуск забезпечує високі значення міцності, пружності. Використовують у виробництві пружин і ресор. Мікроструктура – троостит відпуску, форма якого наближується до зернистої.

Високий відпуск забезпечує максимальну в’язкість при достатній твердості і міцності конструкційних сталей. Термічна обробка, яка складається із гартування та високого відпуску, має назву поліпшення. Мікроструктура – зернистий сорбіт.

Порядок виконання роботи:

1. Отримати у викладача зразок сталі ( сталь 40, 45, У7 ) та режим термічної обробки ( відпал, нормалізація, гартування в воді, гартування в маслі).

2. Зробіть вимір твердості сталі ( на приладі ТШ-2 або ТК ).

3. Визначити час нагріву ( табл.1), час витримки - 15 хв.

4. Виконати задану викладачем термічну обробку.

5. Визначити твердість.

6. Результати надати в табл.2.

7. Зробити висновки.

Таблиця 2

Марка сталі	Режим Т/О	Тип печі	Час нагріву	Середа охолодження	Твердість до Т/О	Твердість після Т/О

Дайте відповіді на запитання:

1. Дайте визначення відпалу. Що таке повний та неповний відпал?

2. Яка відмінність між відпалом І та ІІ роду?

3. Дайте визначення гартуванню. Що таке повне та неповне гартування?

4. Дайте визначення відпуску. Які властивості забезпечує відпуск?

5. Дайте визначення нормалізації. Які властивості забезпечує нормалізація?

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 8.