metod416

больше отношение CA , называемое тетрагональностью мартенсита, выше его

прочность, твёрдость, внутренние напряжения, ниже пластичность и вязкость.

Мартенситное превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн – Мк (Мн – температура начала мартенситного превращения, Мк – температура конца мартенситного превращения), который зависит от содержания углерода в стали (рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Зависимость температуры начала и конца мартенситного превращения от содержания углерода и стали

Если охлаждение прекратить, то мартенситное превращение останавливается. Это наиболее ярко отличает его от перлитного превращения. Мартенситное превращение не протекает до конца. Поэтому в закаленной стали, особенно в стали, имеющей точку Мк, ниже 20 °С, присутствует остаточный аустенит. Его количество тем большее, чем выше содержание углерода в аустените.

Мартенсит образуется в результате лавинного смещения атомных плоскостей в решётке аустенита и имеет форму пластин, растущих с громадной скоростью. Пластинки мартенсита ориентированы относительно друг друга под определенными углами (рисунок 6.3). Размеры кристаллов мартенсита определяются величиной зерна исходного аустенита.

Мартенсит по сравнению с аустенитом имеет значительно больший удельный объём. Это является одной из основных причин роста внутренних напряжений, вызывающих деформацию и даже разрушение изделий при закалке.

Мартенсит обладает высокой твёрдостью и прочностью. В стали с 0,6 - 0,7 % С твердость мартенсита составляет 65 HRC, а временное сопротивление достигает 2000 - 2300 МПа. Вместе с тем мартенсит характеризуется высокой хрупкостью и низкой вязкостью.

81

а) б)

а– пакетный мартенсит (в сталях, содержащих не более 0,5 % C);

б– пластинчатый мартенсит (в высокоуглеродистых сталях)

Рисунок 6.3 – Микроструктура углеродистой стали после закалки

6.2.2.3 Бейнитное превращение аустенита

В температурной области между перлитным и мартенситным превращениями протекает промежуточное (бейнитное) превращение. При этом образуется бейнит, состоящий из несколько пересыщенного α-твердого раствора и частиц карбидов. Бейнитное превращение протекает при температурах, когда самодиффузия железа и диффузия легирующих элементов практически невозможна, скорость диффузии углерода ещё достаточно высока.

Различают структуру верхнего и нижнего бейнита (рисунок 6.4). Верхний бейнит образуется в интервале температур 500-350 ºC. На фо-

не α - твердого раствора выделяются изолированные узкие частицы карбидов (рисунок 6.4 а).

а) б)

а – верхний бейнит; б – нижний бейнит

Рисунок 6.4 – Микроструктура углеродистой стали

Нижний бейнит образуется при температурах от 350 ºC до точки Мн и имеет игольчатое мартенситоподобное строение (рисунок 6.4 б). По сравне-

82

нию со структурами перлитного типа нижний бейнит имеет более высокую твёрдость и прочность при высокой пластичности и вязкости, поэтому закалку на нижний бейнит широко используют для упрочнения деталей машин.

6.2.4 Диаграмма изотермического распада аустенита

Для описания процесса превращения переохлаждения сталей пользуются экспериментально построенными диаграммами изотермического распада аустенита. Образцы сталей, нагретые до аустенитного состояния, быстро переносят в ванну с жидкой средой, имеющей температуру ниже равновесной температуры превращения. Фиксируя при этом изменение какого-либо свойства, определяют время начала и конца превращения. Полученные точки отмечают в координатах время - температура и, соединив между собой, получают две линии в виде буквы «С» - С - образные кривые (рисунок 6.5). Линия 1 указывает время начала распада, линия 2 - время окончания распада аустенита. Левее линии 1 расположена область существования повреждённого аустенита, между линиями 1 и 2 находится область, в которой происходит превращение, правее линии 2 лежит область существования продуктов превращения. Аустенит начинает распадаться по истечении определенного периода времени с момента переохлаждения. Этот период называют инкубационным.

На диаграмме можно выделить три температурные зоны: зона перлитного превращения (I), в которой образуются структуры перлита, сорбита и троостита, зона бейнитного превращения (II) и зона мартенситного превра-

щения (III).

Минимальная скорость охлаждения vкр, при которой аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.

Рисунок 6.5 – Диаграмма изотермического распада аустенита

83

Технология закалки стали включает операции: нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение со скоростью обычно выше критической.

6.2.5 Выбор температуры нагрева под закалку

Температуру нагрева назначают по диаграмме состояния железоуглерод. Доэвтектические стали нагревают на 30-50 ºС выше критической точки А3, заэвтектоидные - на 30-50 °С выше А1 (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 – Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

Закалка с нагревом до межкритических температур, при которых сохраняется избыточная фаза - феррит или вторичный цементит, называется неполной. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, а заэвтектоидные - неполной. После закалки доэвтектоидные и эвтектоидные стали имеют структуру мартенсита, а заэвтектоидные – мартенсита и цементита, который повышает износостойкость изделий. Нагрев до более высоких температур вреден, так как это ведёт к повышению количества остаточного аустенита в заэвтектоидных сталях, росту аустенитного зерна и закалочных напряжений, обезуглероживанио поверхности изделий.

При достижении заданной температуры нагрева проводят выдержку для полного прогрева деталей по сечению, для завершения фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по объему.

84

6.2.6 Определение продолжительности нагрева

Для ориентировочного определения общей продолжительности нагрева

τобщ можно пользоваться справочными данными (таблица 6.2) или рассчитать по формуле

τобщ=τс.п. +τи.в. ,

где τс.п. - продолжительность сквозного нагрева до заданной температуры;

τи.в. - продолжительность изотермической выдержки при данной температуре;

τс.п. - зависит от формы и размеров изделий, их расположения в печи, типа печи, состава стали;

τи.в. - зависит только от состава и исходного состояния стали.

Таблица 6.2 – Ориентировочные нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

6.2.7 Закалочные среды

Охлаждение изделия в закалочных средах протекает в три стадии:

-плёночное охлаждение с образованием «паровой рубашки» на поверхности;

-пузырьковое кипение;

-конвективный теплообмен.

Охлаждение протекает тем интенсивнее, чем шире температурный интервал пузырькового кипения. Быстрое охлаждение для закалки на мартенсит необходимо проводить в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита. Для большинства сталей это интервал 650 – 400 ºC.

85

В качестве закалочных сред чаще всего используют воду, водные растворы NaOH или NaCl и масла (таблица 6.3).

Таблица 6.3 – Скорость охлаждения стали в различных средах

6.3 Порядок выполнения работы

6.3.1Ознакомьтесь с разделами настоящего руководства.

6.3.2Получите у лаборанта 3 образца доэвтектоидной и 3 образца заэввтектоидной стали.

Пользуясь диаграммой состояния железо-углерод, определите температуры нагрева этих сталей под закалку. По таблице определите общее время нагрева.

6.3.3Определите твёрдость полученных образцов. Просмотрите и опишите их микроструктуру.

6.3.4Поместите образцы в нагретую до выбранной вами температуры печь. После необходимой выдержки охладите по одному образцу в воде, масле и на воздухе.

6.3.5После удаления с поверхности окисленного и обезуглероженного слоя измерьте твёрдость закалённых образцов на приборе по методу Роквелла.

86

6.3.6 Подготовьте микрошлифы, просмотрите и опишите микроструктуру образцов после закалки.

6.3.7 По результатам выполнения работы заполните таблицу 6.4.

Таблица 6.4

6.3.8 Сделайте вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и твёрдость различных марок сталей.

6.4 Содержание отчета

6.4.1Цель работы

6.4.2Краткое описание диаграммы изотермического превращения ау-

стенита.

6.4.3Характеристика структур, образующихся при закалке.

6.4.4Порядок назначения температур нагрева углеродистых сталей

при закалке.

6.4.5Таблица результатов экспериментальной работы и рисунки микроструктур сталей после закалки.

6.4.6Выводы

6.5 Контрольные вопросы

6.5.1В чём сущность процесса закалки?

6.5.2Опишите механизм мартенситного превращения. Каковы условия образования мартенсита?

6.5.3Дайте характеристику мартенсита.

6.5.4Как протекает промежуточное превращение и какие структуры при этом образуются?

6.5.5Как выбрать температуру нагрева углеродистой стали при закал-

ке?

6.5.6Почему заэвтектоидную сталь подвергают неполной закалке?

6.5.7Какую структуру имеет заэвтектоидная сталь после закалки?

6.5.8Какова температура нагрева под закалку стали 45 (60, У8, У12)?

6.5.9Какие структуры образуются при распаде аустенита в перлитной области и чем они отличаются между собой?

87

6.5.10 Назовите стадии охлаждения металла при закалке. Какая стадия способствует наиболее быстрому охлаждению?

88

7 Лабораторная работа № 7

Отпуск углеродистых сталей

7.1 Цель работы

7.1.1 Изучение превращений при отпуске углеродистых сталей.

7.1.2 Ознакомление с технологическим процессом отпуска и получение практических навыков назначения режимов отпуска.

7.2 Общие сведения

Так как после закалки стали получают неравновесную мартенситную структуру, которая имеет высокий уровень внутренних напряжений, высокую прочность и твердость в сочетании с низкой пластичностью и вязкостью, закаленная сталь обязательно подвергается отпуску. Целью отпуска является снижение внутренних напряжений и достижение требуемого комплекса механических свойств.

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали, подвергнутой закалке, до температуры ниже А1, выдержке и последующем охлаждении с целью превращения неравновесной структуры в более равновесную.

В основе процессов, происходящих при отпуске, лежит переход закаленной стали в более устойчивое состояние, сопровождающийся распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием в конечном итоге фер- ритно-цементитных структур. Характер и скорость протекания этих процессов определяется температурой нагрева при отпуске.

Рисунок 7.I - Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой стали

89

Превращения при отпуске можно зафиксировать с помощью дилатометра - прибора, который используют для контроля изменения длины образца при нагреве и охлаждении. На дилатометрической кривой (рисунок 7.1) превращение мартенсита, имеющего наибольший удельный объём, сопровожда-

ется уменьшением размеров, а аустенита, удельный объем которого минимален - увеличением.

В процессе отпуска можно выделить четыре превращения.

7.2.1 Распад мартенсита (первое превращение)

При нагреве закаленной стали в интервале температуре от 80 до 200 °С из мартенсита начинает выделяться пересыщающий его углерод в виде метастабильного ε - карбида, имеющего химический состав близкий к Fe2C.

Снижение количества растворенного углерода уменьшает тетрагональность мартенсита, в результате его объем уменьшается. Сокращается длина образца, фиксируемая на дилатометрической кривой.

В результате распада мартенсита образуется структура, которую называют отпущенным мартенситом, отличающимся от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и дисперсными пластинчатыми включениями ε - карбида, когерентно связанными с решеткой мартенсита.

7.2.2 Превращение остаточного аустенита (второе превращение)

При нагреве в интервале температур 200-300 °С основным процессом является превращение остаточного аустенита. В результате образуется структура, состоящая из пересыщенного α – твердого раствора (мартенсита)

и карбидной фазы. Одновременно продолжается распад мартенсита и начинается превращение ε - карбида в цементит.

Второе превращение сопровождается увеличением длины образца (рисунок 7.1), так как остаточный аустенит имеет меньший объём, чем продукты его распада.

7.2.3 Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение)

При нагреве закаленной стали до температур 350-400 °С завершается превращение ε - карбида в цементит. Когерентность решёток твердого раствора и карбида нарушается, форма карбидных частиц приближается к сфероидальной, полностью завершается процесс выделения углерода из твёрдого раствора (мартенсита). Мартенсит переходит в феррит. Структурные изменения обеспечивают релаксию макро- и микронапряжений, обра-

зующихся при закалке.

90