Методическое пособие 610

Если длина «ступеньки», находящейся в температурном интервале бейнитного превращения, больше времени изотермического распада аустенита, то операцию термообработки называют изотермической, или бейнитной, закалкой (рис. 24, кривая г). Бейнитное превращение является промежуточным между перлитным и мартенситным. Сталь со структурой нижнего бейнита по механическим свойствам ближе к закаленной на мартенсит, чем к стали с перлитной структурой.

При бейнитном превращении происходит мартенситная -

-перестройка.

Более длительная выдержка в горячей среде при изотермической закалке позволяет в большей степени, чем при ступенчатой закалке, выравнять температуру по сечению изделия. Кроме того, получающийся при изотермической закалке нижний бейнит при одинаковой твердости с мартенситом имеет большую вязкость. Одной из причин этого считают более однородное распределение карбидных частиц в бейните.

Отпуск стали Отпуском стали называется нагрев закаленной стали до

температур, лежащих ниже критической точки А1, выдержка при данной температуре и последующее охлаждение, обычно на воздухе.

Структура закаленной стали, состоящая из мартенсита и остаточного аустенита, метастабильна. При нагревании после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важными особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твердого раствора – мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки – дислокаций, малоугловых и высокоугловых границ, двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.

19

Распад мартенсита с выделением карбидов – главный процесс при отпуске сталей. Повышенная плотность дислокаций изза дополнительной деформации во время мартенситной перестройки решетки делает субструктуру мартенсита похожей на субструктуру наклепанного металла. В результате при отпуске создается стимул к развитию полигонизации и рекристаллизации.

Сегрегация углерода в кристаллах мартенсита является первым структурным изменением при отпуске углеродистых сталей.

Выделение промежуточных карбидов из мартенсита – следующая после сегрегации углерода стадия структурных изменений при отпуске. Начиная примерно с температуры 100 о С экспериментально обнаруживается метастабильный -карбид. Этот карбид отличается от цементита типом решетки (гексагональная у -карбида, ромбическая у цементита) и пониженным содержанием углерода (вероятная формула -карбида Fe2,4C).

Образование цементита Fe3C со структурой, одинаковой или близкой к структуре цементита отожженной стали, происходит при температурах выше 250 оС, причем наиболее активно в интервале 300-400 оС.

Коагуляция и сфероидизация цементита – завершающая стадия процессов карбидообразования при отпуске.

Распад остаточного аустенита играет существенную роль в процессах отпуска высокоуглеродистых сталей. Он активно протекает при 200-300 оС. Остаточный аустенит превращается в нижний бейнит.

Уменьшение концентрации углерода в -растворе идет во всем температурном интервале выделения из него карбидной фазе.

Распад мартенсита происходит в две стадии. Первая стадия – «двухфазный» распад (ниже 150 оС). Вторая стадия – обеднение углеродом -раствора при одновременном росте карбидных частиц (150-300 оС). Возврат и рекристаллизация в-фазе происходят в широком интервале температур отпуска.

20

Выделяют три «превращения» при отпуске углеродистых сталей. Первое «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 100-200 оС. Его связывают с распадом мартенсита. Второе «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 200-300 оС. Его связывают с распадом остаточного аустенита. В температурном интервале второго «превращения» продолжается распад мартенсита. Третье «превращение» при отпуске относят к интервалу температур 300-400 оС. Его связывают с заменой промежуточного карбида цементитом.

Структуру, получающуюся после отпуска стали при температурах ниже 300 оС, называют отпущенным мартенситом. После отпуска при температурах 300-450 оС обнаруживается особенно сильно травящаяся игольчатая структура, которую называют трооститом отпуска. В интервале температур 450-650 оС получается сорбит отпуска.

По температуре нагрева различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск на отпущенный мартенсит (рис. 14б) (120250 оС) широко применяют после закалки инструментов. Цель низкого отпуска - уменьшение остаточных закалочных напряжений; температуру низкого отпуска выбирают такой, чтобы твердость и износостойкость не снизились или снизились слабо. Выдержка при температуре низкого отпуска обычно не превышает 1-3 часа; с дальнейшим увеличением выдержки остаточные напряжения очень слабо уменьшаются. На рис. 14а показана микроструктура закаленной высокоуглеродистой стали. На темном фоне аустенита видны светлые иглы мартенсита. В отпущенном мартенсите (рис. 14б) иглы мартенсита не светлые, а темные, что указывает на то, что при отпуске из мартенсита выделяются высокодисперсные частицы цементита.

Средний отпуск на троостит (рис. 15) (350-450 оС) – сравнительно редкая операция. Ее используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры.

21

Высокий отпуск на сорбит (рис. 16) (450-650 оС) широко применяют в машиностроении к изделиям из конструкционной стали, которые должны характеризоваться не только достаточной прочностью, но и хорошей сопротивляемостью ударным нагрузкам. Выдержку при высоком отпуске (обычно несколько часов) подбирают опытным путем для получения заданного комплекса свойств.

Двойная операция получения сорбита - закалка с высоким отпуском – называется улучшением. Эту операцию применяют к среднеуглеродистым сталям, содержащим от 0,35 до 0,6 % С. Такие стали называют улучшаемыми в отличие от малоуглеродистых цементуемых.

Рис. 14. Мартенсит: а – не отпущенный, светлые иглы мартенсита на темном фоне аустенита. Сталь с 1,6 %С, х500;

б – отпущенный, темные иглы мартенсита на светлом фоне аустенита. Сталь с 1,6 %С, х500.

22

Рис. 15. Троостит отпуска. Закалка в 860 0С в воде и отпуск при 350 0С. Сталь с 0,4 %С, х450

Рис. 16. Сорбит отпуска. Закалка в 860 0С в воде и отпуск при 550 0С. Сталь с 0,4 %С, х450

23

Задание

Изучить влияние закалки и отпуска на структуру и твердость углеродистых сталей 45, У8 и У12.

Сталь 45. Нагреть один образец до 900 оС, выдержать 30 минут и закалить в воде. Другой образец нагреть до 760 оС, выдержать 30 минут и закалить в воде (неполная закалка). Приготовить шлифы из закаленных образцов, зарисовать микроструктуру и измерить твердость по Роквеллу.

Сталь У8. Нагреть три образца до 800 оС и выдержать их 30 минут. Два образца закалить в воде, а один – через воду в масло (выдержка в воде – 3 секунды). Приготовить шлиф, зарисовать микроструктуру и измерить твердость по Роквеллу (HRC) образца, закаленного через воду в масло и одного из закаленных в воде образцов. Другой образец, закаленный в воде, подвергнуть высокому отпуску при 600 оС в течение 90 минут, приготовить шлиф, зарисовать микроструктуру и измерить твердость по Роквеллу.

Сталь У12. Нагреть один образец до 760 оС, выдержать 30 минут и закалить в воде (неполная закалка). Другой образец нагреть до 900 оС, выдержать 30 минут и закалить в воде. Приготовить шлифы из закаленных образцов, зарисовать микроструктуру и измерить твердость по Роквеллу.

Рекомендуется использовать увеличение х200, травитель – 5 % раствор HNO3 в спирте.

Требования к отчету

Предоставить зарисовки микроструктур сталей после разной термообработки с указанием структурных составляющих, увеличения и травления.

Предоставить в виде таблицы значения твердости по Роквеллу сталей 45, У8, У12 с указанием режима термической обработки и соответствующей структуры.

24

Контрольные вопросы

1.Каковы основные особенности мартенситного превра-

щения?

2.Как зависит температура начала и конца мартенситного превращения от содержания углерода?

3.Какова кристаллическая решетка мартенсита в углеродистых сталях?

4.Чем обусловлена высокая твердость мартенсита?

5.С каких температур закаливают до- и заэвтектоидные?

6.Из каких составляющих складываются закалочные напряжения и от чего зависит их величина?

7.Какие способы закалки существуют?

8.Что такое изотермическая закалка и для чего она приме-

няется?

9.Как происходит бейнитное превращение?

10.Какие превращения происходят во время отпуска закаленной углеродистой стали?

11.Какие виды отпуска существуют?

12.Что понимают под улучшением стали?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: изучить микроструктуру, фазовый состав, свойства и термическую обработку легированных сталей.

Оборудование и материалы: микроскоп МИМ-7 или МИМ-8М, коллекция микрошлифов, атласы.

Невозможность получения в полном объеме заданных механических и эксплуатационных характеристик у углеродистых сталей приводит к необходимости введения при плавке в

25

их состав других (легирующих) элементов, изменяющих силы межатомного взаимодействия, химический и фазовый состав сталей, расширяя возможности управления их свойствами.

Роль легирования в результате упрочняющей термической обработки (ТО) этим не ограничивается. У легированных сталей наблюдается изменение устойчивости переохлажденного аустенита, понижается скорость диффузионных процессов и замедляется выделение и коагуляция карбидов или других избыточных фаз, повышается доля карбидной фазы и устойчивость карбидов, замедляется растворимость карбидов при аустенизации и коагуляции при отпуске. Заметно воздействие на состояние твердого раствора основы той части легирующих элементов, которые не связаны в карбиды. Примеры влияния основных легирующих элементов на строение и свойства конструкционных сталей представлены в табл.1.

В технологии легирование проявляется в уменьшении критической скорости закалки, так как все легирующие элементы (за исключением кобальта) сдвигают S-образные кривые вправо; изменении температурного интервала начала и конца мартенситного превращения при закалке и температур отпуска, что расширяет круг возможных видов термической обработки, направленных на придание сталям заданных свойств.

Обобщенные данные о рекомендуемых видах ТО конструкционных сталей приведены в табл.2.

Введение в железоуглеродистый сплав третьей компоненты значительно усложняет вид диаграммы состояния, превращая ее из плоской в объемную, а ось концентраций преобразуется в концентрационный треугольник, вид которого и пример расчета положения сплава на концентрационном треугольнике представлены на рис. 17.

26

27

Продолжение табл.1

28