Лабораторная работа № 3.

Термическая обработка углеродистой стали

I. Цель и задачи работы

Изучить методику проведения термической обработки углеродистой стали и определение режимов закалки и отпуска

2. Теоретические положения

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последова­тельности и в определенном режиме с целью изменения внутреннего строения и свойств сплавов.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов основана на ис­пользовании фазовых превращений в результате α↔γ перехода, разной растворимости углерода α – и γ – фазах железа, а также изменения растворимости углерода в фазах железа при повышении или понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые превращения в спла­вах системы железо-углерод, называют критическими точками и обознача­ют буквой А. Каждый сплав имеет свои точки фазовых превращений, которые образуя линии на диаграмме (рисунок).

Первая группа критических точек А_І лежит на линии PSK (727 °С) и соответствует превращению перлит↔аустенит (П↔А).

Точки магнитного превращения феррита А₂ лежат на линии (768 ˚C).

Точки А₃ лежат на линии GS и соответствуют превращению феррит + аустенит в ↔аустенит (Ф+А↔А).

Температура этого превращения у каждого сплава своя и понижается от точки G (чистое железо, 910 °С) к точке S (сплав с 0,8 % углерода, 727 °С).

Рисунок. Левый нижний угол диаграммы сплавов системы железо - углерод

Точки A_cm лежат на линии SE и соответствуют растворению цементита вторичного в аустените при нагреве и выделению цементита вторичного из аустенита при охлаждении (А+Ц_ІІ↔А).

Практически все превращения, кроме магнитного, вследствие гистерезиса совершаются: при нагреве - выше линии крити­ческих точек (необходим перегрев), а при охлаждении - ниже ли­ний критических точек (необходимо переохлаждение). Для различия процессов нагрева и охлаждения ввели дополнительные обозначения. При нагреве критические точки обозначают дополнительным, индексом с – нагрев, А_с1, А_с3, А_сm, а при охлаждении индексом r, А_r1, A_r2, A_r3.

2.1. Превращения в стали при нагреве

Нагрев стали при термической обработке в большинстве слу­чаев осуществляют до аустенитного состояния.

При нагреве стали выше линии А_с1 перлит превращается в аустенит (П→А). Дальнейшее повышение температуры приводит в доэвтектоидных сталях к превращению феррита в аустенит (α – железо превращается в γ – железо), а в зазвтектоидных сталях-к растворению вторичного цементита в аустените (А+Ц_ІІ → А). Превращение α→γ заканчивается выше линии A_c3 а превращение (А+Ц_ІІ → А) заканчивается выше линии А_cm. Следовательно, нагрев выше линии GSE на 30...50 ˚С обеспечивает аустенитную структуру в стали.

Для выравнивания химического состава аустенита сталь выдерживают определенное время (приблизительно 1,0…1,5 мин на I мм толщины детали).

2.2. Превращение стали при охлаждении.

Аустенит устойчив только при температуре выше линии Аr₁. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки Аr₁ аустенит становится неустойчивым (начинается его превращение).

В зависимости от скорости охлаждения аустенит может превра­титься в перлит, сорбит, троостит или мартенсит.

Медленное охлаждение стали со скоростью V_охл > 40 ˚C/c способствует превращению аустенита в перлит при температуре 727...650 ˚C.

Больше скорости охлаждения способствуют превращению аусте­нита в сорбит при V_охл 50 ˚C/c и 650...600 ˚C и в троостит при V_охл 80 ˚C/c 600... 500 ˚C.

Ещё большая скорость охлаждения V_охл > 180…200 ˚C/c, то это способствует превращению аустенита в мартенсит.

Перлит, сорбит и троостит представляют собой механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности.

Перлит является крупнодисперсной структурой - крупные плас­тинки цементита и прослойки феррита между ними.

Сорбит - структура среднедисперсная, троостит - мелкодис­персная.

Мартенсит же представляет собой твердый раствор внедрения углерода в α – железе. За счет избыточного растворения углеро­да (свыше 0,4 %) кристаллическая решетка α – железа искажается, вытягивается и из кубической переходит в тетрагональную. Это приводит к увеличению твердости и уменьшению пластичности стали.

Твердость мартенсита тем выше, чем больше углерода растворено в α – железе.

Механизм мартенситного превращения бездиффузионный и заключается в аллотропическом превращении γ – железа в α – железо. Поэтому весь углерод растворенный в аустените остается в фер­рите.

Перлит, сорбит и троостит можно получить не только при охлаждении стали из аустенитного состояния. Эти структуры можно получить и при нагреве мартенсита до определенной темпе­ратуры: перлит получают при нагреве мартенсита до 650…727 ºС, сорбит – 600…650 ºС, троостит – 500…600 ºС. При нагреве до указанных температур мартенсит распадается на механическую смесь цементита и феррита.

3. Закалка стали

Закалка - это операция термической обработки, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре для выравнивания химического состава фаз, а затем охлаждают с высокой скоростью.

Основное назначение закалки - получить сталь с высокими физико-механическими характеристиками: твердостью, прочностью, износостойкостью. Качество закалки зависит от правильного вы­бора режима: температуры, времени выдержки, скорости охлаж­дения.

Температуру нагрева стали под закалку определяют по диаграмме состояния сплавов системы железо - углерод (рисунок).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше ли­нии GS на 30.. .50 ºC (А_с1 + 30. . .50ºC).

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии PSK на 30…50 ºС (А_с1 +30…50 ºС). Такой нагрев заэвтектоидных сталей осуществляют с целью предотвращения растворения цементита вторичного в аустените, так как это может привести к растрескиванию стали в процессе закалки.

Скорость нагрева стали под закалку должна обеспечивать равномерный и быстрый нагрев, не вызывающий больших напряже­ний, приводящих к образованию трещин в металле из-за разности термического расширения наружных и внутренних слоев детали. Скорость нагрева зависит от химического состава стали, формы, размеров, способа нагрева и расположения деталей в нагрева­тельной устройстве. Обычно назначают время нагрева в зависи­мости от вида нагревательного устройства и толщины детали (табл.1).

Таблица 1.