2.2 Оборудование инструмент и материалы.

Для выполнения лабораторной работы используются: печь нагретая до температуры 780 С; образцы из стали У8; охлаждающие среды – щелочь, вода, масло; пресс Роквелла; микроскоп.

2.3 Порядок выполнения работы

Образцы из стали У8 помещают в печь с температурой 780 С. После соответствующей выдержки (зависящей от толщины образца) образцы вынимают из печи и охлаждают в щелочи, воде, масле и на воздухе. После охлаждения определяется твердость образцов и их микроструктура.

Содержание отчета

Цель работы; график закалки образцов из стали У8 с указанием оптимальной температуры закалки; диаграмма изотермического распада аустенита с наложением кривых охлаждения; полученные результаты; рисунки микроструктуры закаленной стали; выводы по работе.

Контрольные вопросы

1. Какие структуры образуются при различных скоростях охлаждения стали и чем они характеризуются?

2. Почему при увеличении скорости охлаждения аустенита возрастает твердость продуктов его распада.

3. Перечислите фазы и структурные образования, получаемые из аустенита.

4. Чем отличается перлитное превращение от бейнитного, а бейнитное от мартенситного?

5. Что такое прокаливаемость и закаливаемость стали?

6. От чего зависит плотность генерируемых дислокаций при термообработке?

7. Назовите основные элементы режима термической обработки и укажите назначение каждого их них?

Лабораторная работа №11

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы: установить влияние температуры и времени выдержки при отпуске на структуру и свойства закаленной стали марки У8.

Краткие сведения из теории.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок. Этот переход сопротивляется изменением объёма и поэтому такая ситуация недопустима для высокоточных деталей или для измерительного инструмента. Поэтому всегда закаливание детали подвергается дополнительной термообработке – отпуску.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки стали, его цель — получение заданного комплекса ее механических свойств, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений. В практике термообработки используют три вида отпуска: низкий, средний и высокий, а также операцию искусственного старения. Общая схема всех этих видов включает нагрев изделий, выдержку их при заданной температуре и охлаждение. В результате отпуска в зависимости от температуры нагрева неустойчивая структура мартенсита закалки в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более устойчивые структуры - мартенсит отпуска, троостит, сорбит и перлит. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 150…200 ⁰С. При низком отпуске несколько снижаются внутренние напряжения. Твердость остается высокой (58…62 HRC). Структура стали после низкого отпуска состоит из мартенсита отпуска, основу которого составляет пересыщенный твердый раствор углерода в α-Fe. В мартенсите отпуска уменьшается число охрупчивающихся его трехцентровых ковалентных Fe-C-Fe-связей, частично устраняется искажение решетки и остаточные внутренние напряжения. При этом плотность дислокаций снижается незначительно, оставаясь на уровне 10¹¹-10¹² см^-2.

Таким образом при низком отпуске отпущенный мартенсит обладает более благоприятным комплексом механических свойств (высоким уровнем твердости и небольшим запасом вязкости и пластичности).

Этот вид отпуска применяется в основном для режущих и измерительных инструментов, для изделий, подвергаемых поверхностной закалке, цементации, нитроцементации. Низкий отпуск рекомендуется для деталей из малоуглеродистых легированных сталей, так как малоуглеродистый мартенсит отпуска имеет высокий комплекс механических свойств.

Среднетемпературный (средний) отпуск производится при температуре 350 – 470 С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. При таком нагреве завершается распад мартенсита на ферритно-цементитную смесь – троостит отпуска, который вследствие недостаточной интенсивности диффузионных процессов представлен в виде мельчайших зерен, обуславливающий его высокую вязкость в сравнении с пластинчатым трооститом закалки.

В троостите отпуска почти устраняется ковалентные Fe-C-Fe-связи и искажения ОЦК решетки α-Fe, уменьшается плотность дислокаций до 10⁹-10¹⁰ см^-2, и снижается уровень остаточных напряжений. Фазовая и дислокационная решетка троостита отпуска обеспечивает благоприятный комплекс механических свойств для пружин, рессор и им подобных изделий. Структура троостита отпуска обеспечивает высокий предел упругости, твердость 40…50 HRC. Охлаждение после отпуска при 400…450 С рекомендуется проводить в воде, что приводит к образованию в поверхностном слое остаточных напряжений сжатия, которые увеличивают предел выносливости детали.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 350 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в троостит отпуска, структура которого состоит из дисперсных частиц феррита и цементита (рисунок 1), причем эти частицы на столько мелки, что даже при самых больших увеличениях микроскопа почти не различимы. Сохранившиеся в троостите отпуска ориентировка по мартенситу в виде игольчатого строения отличает его от троостита закалки.

Рисунок 1 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 350 С. Троостит отпуска. Травление 4 % раствором HNO₃ в спирте. 450.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500-650 ⁰С. После отпуска структура состоит из сорбита отпуска (с зернистым строением Fe₃C), имеющего высокий комплекс механических свойств (максимальная вязкость) плотности дислокаций (10⁸-10⁹ см^-2) и удовлетворительные показатели прочности. Такой комплекс свойств является благоприятным для деталей, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам.

Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Во избежание возникновения термических напряжений рекомендуется последующее медленное охлаждение, за исключением сталей, подверженных обратимой отпускной хрупкости, которые от температуры высокого отпуска охлаждают в воде или в масле.

Сталь с 0,4 %С была с начала подвергнута закалке при 860 С в воде, а затем отпущена при 550 С. в результате отпуска мартенсит, получившийся при полной закалке, превратился в сорбит отпуска, структура которого показана на рисунке 2. Сорбит отпуска трудно отличить от мартенсита, так как он сохраняет мартенситную ориентировку. Однако у сорбита отпуска при больших увеличениях (500) видны зерна выделившегося цементита, чего нет у мартенсита.

Рисунок 2 Сталь с 0,4 % С после закалки с 860 С в воде, и отпуска при 550 С. Сорбит отпуска. Травление 4 % раствором HNO₃ в спирте. 450.

После отпуска у деталей может быть повышенная или пониженная твердость. Повышенная твердость результат постоянной температуры отпуска и недостаточной выдержки. Этот дефект устраняется вторичным отпуском. Пониженная твердость результат отпуска при высокой температуре устраняется отжигом повторной закалкой и отпуском.

Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответствующей данной температуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжительный отпуск.

Отпускная хрупкость. Отпускной хрупкостью называют уменьшение вязкости стали после отпуска в определенном интервале температур. Отпускная хрупкость разделяется на 2 вида:

1. Наблюдается после отпуска в температурном интервале 250-350º С – это отпускная хрупкость I рода или необратимая хрупкость.

2. Наблюдается в интервале температур 500-600º С. Это  отпускная хрупкость II рода или обратимая.

Хрупкость I рода характерна для простых углеродистых сталей, содержащих от 0,3-0,6 %С. Она проявляется при отпуске в температурном диапазоне 250-350 ºС. Причина её появления – выделение карбидов по границам зёрен. Это вызывает хрупкость границ и соответственно хрупкость всей детали. Увеличение температуры отпуска вызывает распад мартенсита по всему объему детали и соответственно выравнивание структуры, что вызывает повышение вязкости. Таким образом, если сталь, находящуюся в состоянии отпускной хрупкости I  рода, нагреть до более высокой температуры, то её вязкость восстановится и повторный нагрев после охлаждения в температурном интервале 250-350 ºС отпускной хрупкости больше не вызовет. Поэтому такая отпускная  хрупкость называется необратимой.

Хрупкость II рода характерна для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы: Si; Мn; Сr. Причем проявляется эта отпускная хрупкость только при медленном охлаждении с температурой высокого отпуска. Если детали охлаждать быстро на воздухе или в воде, то хрупкость II рода не проявляется. Если сталь имеет уже отпускную хрупкость II рода, то для её устранения необходимо снова нагреть деталь до температуры отпуска и быстро охладить. Вязкость восстанавливается, но если снова нагреть и медленно охлаждать хрупкость снова появится. Поэтому такая хрупкость называется обратимой.

Повышает склонность сталей к отпускной хрупкости II рода наличие примесей, особенно фосфора. Поэтому чтобы сделать сталь нечувствительной к отпускной хрупкости II рода необходимо, во-первых, снижать количество вредных примесей, особенно фосфора, а во-вторых, добавлять в сталь молибден или вольфрам.

Отпускная хрупкость I рода часто совпадает по температуре со средним отпуском, поэтому пружины и рессоры характеризуются минимальным запасом вязкости.