4.3. Загальні відомості

Структура і механічні властивості вуглецевих сталей визначаються їх хімічним складом і видом обробки. Основний елемент хімічного складу всіх сталей, і, головним чином, вуглецевих і низьколегованих, що впливає на структуру та властивості відпалених, нормалізованих і загартованих сталей - вуглець. Теоретично гартування можуть витримувати сталі з любою масовою часткою вуглецю, однак загартування сталей, у складі яких вуглецю менше 0,25%, не забезпечує бажаного підвищення механічних властивостей, і в першу чергу твердості. Тому, позитивні результати можна отримати тільки при гартуванні сталі з масовою часткою вуглецю понад 0,25%.

Гартування вуглецевої сталі в сильному охолоджувачі, наприклад в воді, забезпечує високу швидкість охолодження (500...600 °С/с) і приводить до утворення структури мартенситу - перенасиченого твердого розчину впровадження вуглецю в решітці α-заліза. Утворення мартенситу являє собою бездифузійний процес. Механізм його утворення полягає в наступному: при нагріванні сталі до температури гартування (вище критичної точки Ас₃ на 20...30°С) весь вуглець розчиняється в аустеніті. Якщо сталь від цих температур охолоджується зі швидкістю більше критичної (див. рис. 3.2), розпад аустеніту на ферито-цементитну суміш подавляється, і при переході до температур нижче критичних точок Ас₃ і Ас₁ структура сталі залишається аустенітною; такий аустеніт називається переохолодженим. При досягненні температур Мп (див. рис. 3.2) аустеніт випробовує мартенситне перетворення, тобто відбувається перебудова гранецентрованої кубічної решітки Fе_γ в решітку об’ємно-центрованого куба Fe_α, а весь вуглець залишається на своїх місцях, розташовуючись в міжвузлах α - решітки. Чим вище в сталі масова частка вуглецю, тим більше його розчиняється в мартенситі і тим вище внутрішня напруга в α - решітці, а значить тим більше його твердість.

Ферит також являє собою твердий розчин вуглецю в α -залізі. Однак ферит - структура стабільна, стійка. В ньому розчиняється дуже мало вуглецю (при кімнатних температурах - 0,008%). Мартенсит - структура метастабільна, нестійка. У ньому розчиняється набагато більше вуглецю, ніж у фериті.

В доевтектоїдних сталях весь вуглець розчиняється в аустеніті при нагріванні до температури вище критичної точки Ас₃ , а в мартенситі - при гартуванні. У заевтектоїдних сталях кількість вуглецю в аустеніті при температурі вище критичної точки Аст завжди більше 0,8% і залежить від кількості розчиненого в ньому вторинного цементиту. Після гартування в мартенситі Сталі 45, У8 і УІ2 вміст вуглецю в 56, 100 і 150 разів більший, ніж у фериті.

4.4. Методичні вказівки

Дану лабораторну роботу виконують фронтально бригади з 2-3 осіб. Кожна бригада отримує робоче місце терміста і комплект зразків з масовою часткою вуглецю: 0,20; 0,45; 0,80; 1,2%.

За діаграмою стану залізовуглецевих сплавів необхідно визначити критичні точки Ас₃ і Ac₁ для кожної марки сталі та записати в протокол. Температура нагрівання зразків для гартування доевтектоїдних сталей визначається за емпіричною формулою (3.2), для заевтектоїдних сталей - (3.4). Тривалість нагрівання і витримки зразків при температурі гартування треба визначити за формулою (3.3) і записати в протокол.

Визначивши температуру гартування і тривалість витримки, всі зразки слід завантажити на середину поду печі, нагрітої до 700 °С. Після досягнення в печі температури гартування для кожної марки окремо необхідно ручку терморегулятора встановити в положення, відповідне цій температурі, а після закінчення часу витримки загартувати зразки у воді. Загартовані зразки з обох сторін слід зачистити на шліфувальному крузі або шліфувальним папером для зняття зневуглецьованого шару і окалини і піддати випробуванню на твердість з допомогою приладу Роквелла. Отримані значення твердості зразків (вихідних і загартованих) необхідно занести в табл. 4.1 та представити у вигляді графіка, зображеного на рис. 4.1.

Таблиця 4.1 - Залежність твердості сталі від масової частки в ній вуглецю після термічної обробки

Марка сталі	Масова частка вуглецю,%	Твердість у відпале-ному стані, НВ	Товщина зразка, мм	Темпертура гартування, оС	Тривалість витримки, хв.	Твердість після гартуван-ня	Структура після гартування

Твердість, Н RС	60
	40
	20
	0		0,2		0,4		0,6		0,8		1,0		1,2
	Масова частка вуглецю, %

Рисунок 4.1 - Залежність твердості загартованої сталі від масової частки в ній вуглецю

Структура сталі після гартування залежить від масової частки в ній вуглецю. Кристалічна решітка мартенситу в сталях не кубічна, так як у Fe_α , а тетрагональна (ОЦТ). При цьому тетрагональність решітки пояснюється викривленням решітки за рахунок впровадження атомів вуглецю в її міжвузля й лінійним збільшенням зі збільшенням в сталі масової частки вуглецю, а в ряді високолегованих сталей залежить і від масової частки легованих елементів.

Мартенситне перетворення протікає в певному інтервалі температур: начинається при температурі Мп і закінчується при більш низькій температурі Мк (ці температури називаються мартенситними точками). Мартенситні точки залежать від складу сталі; сильно знижує мартенситні точки вуглець (рис. 4.2).

Рисунок 4.2 - Залежність мартенситних точок від масової частки