2.4. Вопросы для самоконтроля
Какие области и линии имеются на диаграмме изотермического превращения аустенита?
В чем заключается механизм перлитного превращения? Его особенности.
Какие факторы влияют на образование различных структур (перлита, сорбита, троостита, мартенсита) при непрерывном охлаждении?
Чем перлит, сорбит и троостит отличаются друг от друга?
В чем заключается природа мартенситного превращения? Его особенности. Как обеспечить образование мартенситной структуры?
Что такое критическая скорость охлаждения и как она определяется?
В чем заключается природа промежуточного (бейнитного) превращения? Его особенности.
В чем заключаются особенности превращения аустенита при непрерывном охлаждении?
Лабораторная работа 3
ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ
Цель работы: ознакомиться с двумя операциями термообработки –отжигом и нормализацией; изучить назначение, режимы и особенности проведения указанных операций, и устройство лабораторной нагревательной печи.
3.1. Краткие теоретические сведения
3.1.1. Отжиг
Отжигом называется операция термической обработки, связанная с нагревом стали до определенной температуры, выдержкой и медленным охлаж-дением (с печью). Режимы отдельных видов отжига приведены на рис. 3.1.
А3
А1
А3
А1
А3
А1
А3
А1
1100 – 1200 °
Время, ч
Время, ч
Время, ч
Время, ч
а
б
в
г
Рис. 3.1. Виды отжига стали: а – рекристаллизационный (низкий);
б – диффузионный; в – полный; г – изотермический
Скорость охлаждения в печи при отжиге в зависимости от материала и вида изделий – не более 30 – 200 °С/ч. Чтобы изделия не покоробились, их выгружают при температуре 500 – 450°С, а затем охлаждают на воздухе.
Отжиг, в зависимости от назначения, – операция предварительная или окончательная. Основное назначение отжига – получение более равновесной структуры: снятие внутренних напряжений, улучшение или исправление структуры металла (измельчение зерна, устранение ликвации), снижение твердости, повышение пластичности, улучшение обрабатываемости резанием.
Рекристаллизационный отжиг применяют для восстановления исходной твердости, пластичности и ударной вязкости, которые изменились в результате холодной пластической деформации, т. е. для снятия наклепа.
Упрочнение металла под действием холодной пластической деформации называется наклепом, или нагартовкой. В металле резко возрастает плотность дефектов кристаллического строения и образуется определенная ориентировка зерен – текстура. Зерна деформируются, сплющиваются и из равноосных зерен превращаются в неравноосные (растягиваются в виде лепешки, блина).
Рекристаллизацией называют зарождение и рост новых равноосных зерен с меньшим количеством дефектов кристаллического строения при нагреве деформированной стали. Между температурным порогом рекристаллизации и температурой плавления имеется простое соотношение: Тр ≈ (0,3 – 0,4)∙Тпл, что составляет для углеродистых сталей 670 – 700 °С.
Рекристаллизационный отжиг углеродистой и низколегированной стали проводится при температуре до 700 °С с выдержкой после нагрева от 30 до 60 мин в зависимости от состава стали. После завершения рекристаллизации строение металла и его свойства становятся прежними (которые он имел до деформации).
Низкотемпературный отжиг проводят для снятия внутренних остаточных напряжений при температуре до 700 °С в течение нескольких часов. Степень снятия напряжений определяется главным образом температурой нагрева, а не временем выдержки. В результате отжига уменьшаются особенно опасные остаточные растягивающие напряжения, снижается склонность к хрупкому разрушению, повышается сопротивление усталости и ударным нагрузкам, снижается склонность к межкристаллитной коррозии, стабилизируются размеры изделий и предотвращается их коробление. Низкотемпературному отжигу подвергают отливки, поковки, сварные изделия и детали, в которых из-за неравномерного охлаждения и по другим причинам возникли внутренние напряжения.
Гомогенизация (высокотемпературный, или диффузионный, отжиг) применяется для устранения дендритной (внутрикристаллической) ликвации в слитках или фасонных отливках главным образом из легированной стали. Ликвация усиливает анизотропию свойств, карбидную неоднородность, снижает относительное удлинение и ударную вязкость.
Для ускорения диффузии и получения однородного (гомогенного) металла нагрев производят до температуры 1100 – 1200 °С с выдержкой после нагрева от 8 до 20 ч. В результате такого высокотемпературного нагрева происходит интенсивный рост зерна. Перегрев устраняется дополнительным отжигом на мелкое зерно. Диффузионный отжиг сопровождается потерями металла на окалину и является малопроизводительной и дорогой операцией.
Полный отжиг, или отжиг на мелкое зерно, проводится только для эвтектоидной стали при температуре на 30 – 50 °С выше точки Ас3. При этом время нагрева и продолжительность выдержки зависят от состава стали, размеров изделий, способа укладки их в печь, типа нагревательной печи и т. п.
Назначение полного отжига – измельчение зерна, исправление структуры, максимальное снижение твердости и повышение пластичности, снятие внутренних напряжений. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация. Медленное охлаждение обеспечивает распад аустенита при малой степени переохлаждения, получение высокой пластичности и минимальной твердости. Мелкое начальное зерно аустенита способствует получению при охлаждении мелкозернистой структуры с равномерным распределением феррита и перлита (рис. 3.2). Полному отжигу обычно подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки. Это операция длительная и малопроизводительная.
а б
Рис. 3.2. Структура стали 45: а – исходная; б – после полного отжига
Изотермический отжиг имеет преимущество перед полным – сокращается время отжига и получается более однородная структура, так как распад аустенита происходит при постоянной температуре во время выдержки, поэтому полный отжиг часто заменяют изотермическим.
Неполный отжиг используют для снижения твердости стали и улучшения обрабатываемости резанием. Заэвтектоидную сталь отжигу с полной перекристаллизацией подвергать нельзя, так как при медленном охлаждении из аустенитного состояния вторичный цементит выделяется по границам зерен в виде сетки и сталь становится хрупкой. Заэвтектоидную сталь подвергают только неполному отжигу с нагревом до 750 – 770 °С (несколько выше А1), выдерживают до прогрева по сечению и охлаждают.
При таком нагреве в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита, которые служат центрами кристаллизации при охлаж-дении во время аустенитно-перлитного превращения. В результате образуется структура зернистого перлита. Этот отжиг часто называют отжигом на зернис-тый перлит, или сфероидизацией.
Для сокращения времени отжиг на зернистый перлит можно произвести с изотермической выдержкой. После нагрева сталь медленно охлаждают (30 – 50 °С/ч) до 680 – 650 °С и выдерживают 1 – 3 ч для распада переохлажденного аустенита и сфероидизации карбидов. Последующее охлаждение производят на воздухе. Сталь со структурой зернистого перлита характеризуется наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке, поэтому инструментальная и шарикоподшипниковая сталь, как более твердая, должна поставляться со структурой зернистого перлита (рис. 3.3).
Рис. 3.3. Структура стали, отожженной на зернистый перлит
Доэвтектоидную сталь отжигают на зернистый перлит для получения максимальной пластичности перед холодной обработкой давлением (штамповкой, волочением и т. п.). Нагрев при неполном отжиге до более высокой температуры (800 °С) приводит к получению структуры пластинчатого перлита.
Циклический, или маятниковый, отжиг применяют для полной сфероидизации цементита стали. Сталь несколько раз попеременно нагревают на 10 – 15 °С выше A1 и охлаждают на 10 – 15 °С ниже A1 с кратковременной выдержкой после каждого цикла нагрева и охлаждения. Количество циклов нагрева и охлаждения зависит от химического состава стали. Пластинка карбида при каждом нагреве частично растворяется в аустените, а при охлаждении начинает расти. Растворяясь и «подрастая», кристалл карбида из пластинчатой принимает зернистую форму – происходит его сфероидизация.