Контрольные вопросы

1. Дайте определение критическим точкам.

2. Какие критические точки имеют стали в равновесном состоянии?

3. Какие критические точки имеют стали в реальных условиях нагрева?

4. Какие критические точки имеют стали в реальных условиях охлаждения?

5. Каким методом можно определить значения критических точек?

6. Объясните изменение твердости стали в зависимости от температуры ее нагрева.

Термическая обработка углеродистых сталей: отжиг, нормализация и закалка цель работы

Научиться проводить различные виды термообработки углеродистых сталей, практически изучить влияние углерода и скорости охлаждения на их твердость.

1. Теоретическая часть

Термической обработкой называется вид технологической опера­ции, при которой сталь нагревается до заданной температуры, выдер­живается при этой температуре и охлаждается с заданной скоростью.

Цель термической обработки - изменение, в нужном направлении ме­ханических, физико-химических и технологических свойств без изменения основных размеров и формы деталей или заготовок.

Термической обработкой можно в широком диапазоне изменять прочность, пластичность, вязкость, износостойкость, магнитные, коррози­онные, тепловые свойства, надежность и долговечность металлов в про­цессе их эксплуатации. Температурные интервалы нагрева сталей приве­дены на рисунке.

1. Отжиг И рода

Отжиг II рода заключается в нагреве стали до температур выше критических точек Асз (доэвтектоидные стали) или A_Ci (заэвтектоидные стали),выдержке и последующем медленном охлаждении (вместе с печью). Структура стали приближается к равновесному состоянию: феррит и пер­лит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали, перлит и вто­ричный цементит в заэвтектоидных сталях. После, отжига сталь обладает низкой прочностью и твердостью при высокой пластичности.

Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно и устраняет структуру, которая образуется после пластической де­формации и литья.

Отжиг в промышленности в большинстве случае является подгото­вительной термической обработкой. Понижая прочность и твердость, от-, жиг улучшает обработку резанием и давлением средне- и высокоуглероди­стой стали.

2. Нормализация

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до тем­пературы, превышающей точку А_Сз на 30...50 °С, а заэвтектоидной стали выше Аст также на 30...50 °С, выдержке до завершения фазовых превра­щений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру,

б)

а)

Температурные интервалы нагрева стали при термообработке: а - отжиг II рода и закалка; б - нормализация

полученную при литье, прокатке, ковке или штамповке. Ускоренное охла­ждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких темпе­ратурах, что повышает дисперсность ферритно-цементитной структуры и увеличивает количество перлита или, точнее, квазиэвтектоида типа сорби­та или троостита. Это повышает на 10... 15 % прочность и твердость норма­лизованной средне- и высокоуглеродистой стали по сравнению с ото­жженной.

Нормализация горячекатаной стали повышает ее сопротивление хрупкому разрушению, что характеризуется снижением порога хладно­ломкости и повышением работы развития трещин.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию можно применять вместо отжига.

3. Закалка

Закалкой называют вид термообработки, при которой доэвтектоид- ную сталь нагревают выше А_Сз на 30...50 °С, а заэвтектоидную сталь выше. А_С1 на 15...20 °С, выдерживают при этой температуре и охлаждают со скоростью выше критической.

Скорость охлаждения выбирают таким образом, чтобы полиморфные превращения, связанные с переходом Fey в Fea, проходили в условиях от­сутствия диффузии и самодиффузии. При комнатной температуре скорость диффузии атомов углерода и железа в структуре сплава практически равна нулю. Таким образом при бездиффузионном превращении Fey в Fea весь углерод, находящийся в структуре аустенита, остается в твердом растворе и образуется пересыщенный раствор углерода в Fea, называемый мартен­ситом. Резкое повышение концентрации углерода в кристаллической ре­шетке железа вызывает ее сильное искажение, превращая из кубической в тетрагональную. С увеличением содержания углерода в сплаве степень тетрагональное™ кристаллической решетки (отношение высоты ячейки к ее основанию) возрастает, что ведет к росту внутренних напряжений. Кро­ме того, превращение аустенита в мартенсит сопровождается увеличением удельного объема, которое ведет к повышению внутренних напряжений, фазовому наклепу, измельчению блочной структуры и, в конечном резуль­тате, повышению плотности дислокаций до Ю¹⁰.. 10¹² см'², что ведет к по­вышению прочности, твердости и резкому падению пластичности.

Доэвтектоидные стати нагревают под закалку до температуры на

30. .50 °С выше точки Асз- В этом случае происходит полная перекристал­лизация ферритно- перлитной структуры в аустенитную, а при охлаждении со скоростью выше критической образуется мартенсит. Закалку от темпе­ратур, соответствующих межкристаллическому интервалу (A_Ci-.. А_Сз),не применяют, т.к. при нагреве в структуре сплава остается избыточный фер­рит, который после охлаждения остается в закаленной структуре и снижает прочность сплава.

Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ась При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого коли­чества вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворимых частиц карбида, обладающих высокой твердостью. Для большинства заэвтектоидных сталей перегрев выше кри­тической точки Aci больше 15...20 °С, как правило, не допускается, т.к. он способствует росту зерна, что приводит к снижению прочности и сопро­тивления хрупкому разрушению.