Лабораторная работа № 1 термическая обработка стали 40

Цель работы:

1. Практическое знакомство с закалкой и отпуском углеродистой стали и методикой последующего контроля термически обработанных сталей.

2. Изучение влияния на структуру и твердость стали:

а) температуры нагрева под закалку;

б) скорости охлаждения при закалке;

в) температуры отпуска.

3. Определение характера и режимов термической обработки по заданному химическому составу, структуре и требуемой прочности, твердости, пластичности и ударной вязкости стали.

Краткие сведения из теории

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева до оптимальной температуры, выдержки при этой температуре и охлаждения металлических изделий с целью изменения структуры и свойств (механических, физических и химических).

Термическая обработка металлов и сплавов представляет собой наиболее распространенный вид обработки, применяемый как к заготовкам в процессе изготовления деталей для улучшения их технологических свойств, так и к готовым деталям в качестве окончательной операции, предающей материалу требуемую структуру и свойства.

Любой технологический процесс термообработки стали (закалка, отжиг, отпуск) состоит из определенных комбинаций, протекающих в сталях при термообработке, четырех превращений:

1. при нагреве (превращение перлита в аустенит);

2. охлаждении, (превращение аустенита в перлит);

3. закалке (превращение аустенита в мартенсит);

4. отпуске (превращение мартенсита в феррито-цементитную смесь в закаленной стали).

Таблица 1

Ориентировочные нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах

Температура нагрева, ºC	Форма изделия
	круг	квадрат	пластина
	Продолжительность нагрева, мин.
	на 1 мм диаметра		на 1 мм толщины
600	2	3	4,0
700	1,5	2,2	3,0
800	1,0	1,5	2,0
900	0,8	1,2	1,6
1000	0,4	0,6	0,8

Превращение в стали при нагреве

Превращение перлита (α + Fe₃C) в аустенит (γ) происходит путем образования зародышей аустенитной фазы и их последующего роста. Указанные зародыши могут образовываться лишь при нагреве до температур, при которых аустенит является более устойчивой фазой, чем смесь феррита и цементита. В соответствии с диаграммой состояния Fe – Fe₃C это возможно лишь при нагреве перлита выше равновесной температуры фазового превращения перлита в аустенит, определяемой критической точкой А_{С 1} = 727 °C.

Центры кристаллизации аустенита возникают в кристаллах феррита в тех участках, где они обогащены атомами углерода, как правило, на границах зерен феррита, примыкающих к кристаллам цементита. Появившиеся зародыши аустенита с увеличением времени изотермической выдержки растут.

Движущей силой процесса является выигрыш свободной энергии системы, связанный с одной стороны с перестройкой решетки феррита в аустенит и растворением цементита в аустените, а с другой стороны повышением поверхностной энергии, обусловленным появлением новых границ раздела.

После полного превращения перлита в аустенит необходимо дополнительное время для выравнивания концентрации углерода в различных областях кристаллов. С повышением температуры скорость выравнивания состава из-за диффузии возрастает, и длительность гомогенизации сплава сокращается. В целом, весь процесс превращения перлита в аустенит можно разбить на три этапа (рисунок 10):

• Рисунок 10 - Диаграмма изотермического превращения перлита в аустенит: 1 – начало превращения перлита в аустенит; 2 – конец превращения перлита в аустенит; 3 – конец растворения цементита в аустените; 4 – конец гомогенизации аустенита.

  образование аустенита во всем объеме;

• растворение в нем пластинок цементита;

• последующая гомогенизация аустенита.

Однофазная аустенитная структура в результате описанного процесса превращения перлита в аустенит наблюдается только в сталях эвтектоидного состава. В доэвтектоидных сталях после превращения перлита в аустенит остается избыточная фаза – феррит, в заэвтектоидных – цементит. Для их превращения в аустенит доэвтектоидные стали необходимо нагреть до температуры выше Ас₃, а заэвтектоидные – Ас_m.

Рисунок 11. - Схема изменения размера зерна перлита в зависимости от нагрева в аустенитной области

Неправильный режим нагрева может привести либо к перегреву, либо к пережогу стали. При перегреве стали образовавшееся зерно аустенита самопроизвольно растет (рисунок 11). Его величина имеет большое влияние на свойства стали. По склонности аустенитного зерна к росту различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали⁴.

На величину зерна аустенита оказывает влияние также скорость нагрева: с повышением скорости нагрева величина зерна аустенита уменьшается. Это связано с тем, что при больших скоростях нагрева скорость зарождения центров аустенита опережает скорость роста кристаллов аустенита.

Обычно наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими технологическими свойствами и при термообработке менее чувствительны к перегревам. Крупнозернистые стали обладают пониженными ударной вязкостью, сопротивлением отрыву, повышенным температурным порогом хладноломкости.

Нагрев доэвтектоидных сталей значительно выше температуры точки Ас₃ приводит к интенсивному росту зерен и выделению феррита при охлаждении стали в виде пластинчатых и игольчатых кристаллов. Эта структура называется видманштеттовой. Структура такой стали может быть исправлена повторным нагревом до оптимальной температуры.

Пережог стали наблюдается при нагреве ее до температур, близких к температуре солидус. При пережоге происходит окисление границ зерен, в результате чего прочность стали резко снижается. Пережог является неисправимым браком.

Таким образом, от качества осуществления первого превращения при термической обработке во многом зависит ее конечный результат.