3.1. Прилади та матеріали

1. Нагрівальна (муфельна) електрична піч опору, електронний потенціометр і термопара для виміру температури.

2. Комплект зразків вуглецевої Сталі 45 для термічної обробки.

3. Охолоджуючі (гартівні) середовища: вода, мастило мінеральне.

4. Інструменти і пристосування для виконання роботи (щипці для захоплення зразків, штангенциркуль, масштабна лінійка, секундомір).

5. Прилади для виміру твердості металів способами Бринелля (ТШ-2) і Роквелла (ТК-2), відліковий мікроскоп, шліфувальна шкірка, таблиця визначення твердості металів (плакат).

3.2. Порядок виконання роботи

1. Вивчити режими термічної обробки (відпал, нормалізація і гартування) і гартівні структури сталі.

2. Визначити температуру, тривалість нагрівання і швидкість охолодження для відпалу, нормалізації і гартування Сталі 45.

3. Виконати процеси нормалізації і гартування Сталі 45.

4. Виміряти твердість сталі після термічної обробки.

5. Оформити результати дослідів і скласти протокол.

3.3. Загальні відомості

Структуру і властивості металевих сплавів можна змінювати у великих межах за допомогою термічної обробки.

Термічною обробкою називається сукупність операцій нагрівання, витримки й охолодження металевих сплавів, які знаходяться у твердому стані, з метою вивчення їхньої структури і створення в них необхідних властивостей. Для термічної обробки сплав повинен мати фазові перетворення, тобто при нагріванні повинні відбуватися алотропічні перетворення або істотні зміни розчинності елементів. Особливо ефективна термічна обробка для сталі.

Основні види термічної обробки – відпал, нормалізація, гартування і відпускання.

Відпал – термічна операція, що складається з нагрівання металу, який має нестабільну структуру в результаті попередньої обробки і подальшому приведенні металу в більш стабільний стан. Він призначений для поліпшення структури і властивостей сталі, підготовки її структури до остаточної термічної обробки, пом'якшення сталі для полегшення механічної або пластичної обробки й інших цілей. За класифікацією А.А. Бочвара відпал буває першого і другого роду.

Відпал першого роду призначений для усунення хімічної і фізичної неоднорідності, що виникла в результаті попередніх обробок. Його проводять при температурах вище або нижче температури фазових перетворень (критичних точок). Розрізняють дифузійний (гомогенізаційний) і рекристалізаційний відпали й відпал для зняття залишкових напруг (рис. 6.1, а).

Відпал другого роду призначений для одержання практично рівного структурного (фазового) стану і полягає в нагріванні сталі до температур вище критичної точки Ac₃ або Ac₁, витримці і наступному повільному охолодженні (разом з піччю).

Розрізняють повний, ізотермічний і неповний відпали. Повний відпал полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до температур вище критичної точки Ac₃ на 30...50°C, витримці при цій температурі для повного прогрівання, завершенні перетворення феритно-перлітної структури в аустенітну і наступному повільному охолодженні. В процесі охолодження аустеніт перетворюється на перліт (феритно-цементитну суміш), виділяючи надлишкові фази. Швидкість охолодження вуглецевих сталей складає 50...100 °С/год, низьколегованих – 30...50 С/год. Після відпалу доевтектоїдної сталі одержують структуру перліту і фериту, евтектоїдної – перліту, заевтектоїдної – перліту і цементиту (вторинного).

Ізотермічний відпал полягає в нагріванні сталі (як правило легованої) до температур вище критичної точки Ac₃, порівняно швидкому охолодженні (переносом в іншу піч) до температури, що лежить нижче точки Ac₃ (звичайно ~650 °C), ізотермічній витримці для забезпечення повного розпаду аустеніту і наступного охолодження на повітрі.

Цей відпал застосовують після обробки тиском (кування) (шестерні, вали, муфти і т. п.) деталей невеликих розмірів. Для великих деталей його практично не використовують, оскільки неможливо забезпечити швидке і рівномірне охолодження до температури ізотермічної витримки.

Неповний відпал полягає в нагріванні сталі трохи вище температур критичної точки Ас₁. Його застосовують, як правило, для заевтектоїдних сталей, у яких при нагріванні на 10...30 °C вище критичної точки Ac₁ відбувається практично повна перекристалізація перліту в аустеніт, а після повільного охолодження отримують зернистий перліт замість пластинчастого. Такий відпал називають сфероїдизацією.

Нормалізація полягає в нагріванні доевтектоїдної сталі до температури, що перевищує критичну точку Ac₃ на 30...50 °C, а заевтектоїдної – вище критичної точки Acm також на 30...50 °C, нетривалій витримці для нагрівання виробів по всьому перетину, завершенні фазових перетворень і охолодженні на повітрі. Нормалізація призводить до повної фазової перекристалізації сталі і призначена для усунення грубозернистої структури, отриманої при литті, прокатці, куванні або штампуванні. Для сталей з малим вмістом вуглецю замість відпалу також застосовують нормалізацію, тому що вона менш трудомістка, забезпечує велику продуктивність при обробці різанням і одержанні кращої мікрогеометрії поверхні при підвищеній твердості сталі. Для відливок зі сталей з середнім вмістом вуглецю нормалізацію (або нормалізацію з високим відпусканням) застосовують замість гартування і високого відпускання, хоча механічні властивості в цьому випадку трохи нижчі, але при цьому вироби піддаються меншій деформації, і поява тріщин практично виключається.

Рисунок 3.1 – Діаграма температурного режиму для різних видів відпалу і відпускання сталі (а) та інтервал температур гартування сталі (б)

Гартування – термічна операція (рис. 3.1, б), що полягає в нагріванні сталі вище температур фазових перетворень (критичних точок), витримці при цих температурах і наступному швидкому охолодженні. Температура нагрівання залежить від вмісту в сталі вуглецю. Внаслідок високої швидкості охолодження сталь отримує структуру, відмінну від рівноважної, відповідно діаграмі стану системи залізо-вуглець.

Отримані при швидкому охолодженні сталі структури називають метастабільними, гартівними. Вони являють собою різні стадії перетворення аустеніту (мартенсит, троостит, сорбіт). При безперервному охолодженні вуглецевої сталі швидкість охолодження впливає на температуру розпаду аустеніту і на кількість структурних складових після охолодження (рис. 3.2).

Рисунок 3.2 – Діаграма ізотермічного перетворення