Кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,3% углерода (справа)

Выше точки 1 сплав находится в жидкой фазе (жидкий расплав углерода и Fe, фаза L), число степеней свободы – С = 2 – 1 + 1 = 2 (температура может изменяться).

При достижении точки 1 в жидкости начинается первичная кристаллизация аустенита. Ниже точки 1 и выше точки 2 сплав имеет двухфазное состояние: жидкость и кристаллы аустенита (Ж → Ж + А, С = 2 – 2 + 1 = 1, температура может меняться). Состав кристаллов меняется по линии солидус JE, а жидкой фазы по линии ликвидус BC.

Ниже линии солидус точки 2 сплав находится в твердом однофазном состоянии твердого раствора (аустенит). При дальнейшем охлаждении (2 → 3) аустенит просто остывает, не меняя состава.

В т.3 из аустенита начинает кристаллизоваться вторичный цементит. По мере понижения температуры состав аустенита изменяется по линии ES. В т.4 (727С) имеем цементит (6,67%С) и аустенит, содержаний 0,8% углерода, распадающийся на перлит (С = 2 – 3 + 1 = 0, температура не меняется до полного превращения, горизонт 4–4').

Ниже 727С структура перлит + вторичный цементит (фазы феррит + цементит).

3. Задание 3

С помощью диаграммы состояния железо-цементит определите температуру нормализации, отжига и закалки для стали 30. Охарактеризуйте эти режимы термической обработки и опишите структуру и свойства стали после каждого вида обработки.

Ответ: Сталь 30 – конструкционная углеродистая качественная заэвтектоидная (0,3%С < 0,8%С). Нанесем ее ординату на стальной участок диаграммы железо-цементит, рис. 5:

Рис. 5. Участок диаграммы Fe-C для выбора режима термообработки

Отжигом называется операция термической обработки, при которой путем нагрева, выдержки при установленных температурах и последующего медленного охлаждения в стали получают устойчивую структуру, свободную от остаточных напряжений. Цель отжига стальных изделий – снять внутренние напряжения, устранить структурную неоднородность, улучшить обрабатываемость резанием и подготовить к последующей термической обработке.

Доэвтектоидные стали неполному отжигу (выше Ас₁, ниже Ас₃) подвергают редко. Это объясняется тем, что в связи с неполной перекристаллизацией (только одного перлита) не происходит измельчения всей структуры (феррит не подвергается перекристаллизации), и в результате структура и свойства стали получаются хуже, чем после полного отжига. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием в результате снижения твердости.

Доэвтектоидную сталь подвергают полному отжигу с целью создания мелкозернистости, понижения твердости и повышения пластичности, снятия внутренних напряжений.

При полном отжиге доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 30–50° выше критической точки Ас₃, т.е. на 30–50° выше линии GS диаграммы железо – цементит [Ас₃ + (30–5°) = 820 + (30–50°) = 850-870С]

При нагреве до такой температуры крупная исходная феррито-перлитная структура превращается в мелкую структуру аустенита (твердого раствора углерода в γ-железе). При последующем медленном охлаждении (обычно со скоростью 100–200° в час до 500° С и далее на воздухе) из мелкозернистого аустенита образуется мелкая феррито-перлитная структура. При полном отжиге происходит измельчение феррито-перлитных зерен доэвтектоидной стали.

Нормализация – термическая операция, при которой нагрев стали производят выше линии образования аустенита на 30-50°С (в нашем случае GS, Ас₃ + 50С = 820 + 50 = 870С), делают выдержку и охлаждение производят на спокойном воздухе. Можно сказать, что нормализация есть разновидность отжига, когда охлаждение производят на воздухе, или закалки с последующим отпуском как более быстрый и экономичный вариант.

Цель нормализации – измельчение зерна, повышение механических свойств стали, подготовка структуры для окончательной обработки. Для деталей из малоуглеродистых сталей нормализация зачастую является окончательной операцией, которая в отличие от отжига повышает износостойкость материала, так как измельчает зерно стали, что приводит к увеличению твердости стали. Для деталей из заэвтектоидной стали нормализация проводится для уничтожения карбидной сетки.

Для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку, опять таки в нашем случае от температуры 870С. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

Таким образом, для всех режимов термообработки следует выбрать одну и ту же температуру нагрева, но различную скорость охлаждения.