Лабораторная работа №3 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: температуры нагрева под закалку; скорости охлаждения при закалке; температуры отпуска.

3.Определение характера термической обработки по заданному химическому составу, структуре и твердости стали.

2. Краткие сведения из теории

Термическая обработка заключается в нагреве, выдержке и охлаждении стали и сплавов по определенным режимам с целью изменения структуры и получения заданных свойств.

Термическая обработка стали подразделяется на предваритель­ную (отжиг, нормализация) и окончательную (закалка и от­пуск).

Предварительная термическая обработка применяется для подготовки структуры и свойств стали для последующих технологических операций, например, для горячей обработки давлением, улучшения обрабатываемости резанием и т.д.

Окончательная термическая обработка формирует свойства готовой детали.

Температура нагрева стали при термической обработке, ос­нованной на фазовой перекристаллизации (закалка, отжиг, нор­мализация), определяется критическими точками А₁, А₃, А_ст, которые для углеродистых сталей могут быть взяты по диаграмме Fe-Fe ₃C (рис. I).

Рис.1.

Нижняя критическая точка А₁ соответствует равновесной температуре аустенитно-перлитного превращения. Для всех угле­родистых сталей она лежит на линии РSK (727°С).

Точка А_С1 обозначает превращение перлита в аустенит при нагревании. Точка А₂₁, обозначает превращение аустенита в перлит при охлаждении. Верхняя критическая точка доэвтектоидной стали (С < 0,8%) обозначается как А₃ и находится на линии GS. Она соот­ветствует началу выделения феррита из аустенита при охлажде­нии (обозначается А₂₃) или концу растворения в аустените феррита при нагреве (обозначается А_С3). У заэвтектоидной стали верхняя критическая точка обозначается А_ст (линия ES на рис.1). При нагреве она соответствует концу растворения Fe₃C_II в аустените, при охлаждении началу выделения Fe₃C_II из аустенита.

В реальных условиях печного нагрева для получения устой­чивой структуры, соответствующей диаграмме Fe-Fe₃C, необходи­мо доэвтектоидную сталь перегревать выше критических точек на 30-50˚С, а заэвтектоидную – на 50-70˚С.

Основу теории термообработки стали составляет механизм четырех основных фазовых превращений при нагреве и охлаждении.

Первое превращение - превращение перлита в аустенит при нагреве стали.

Второе превращение - превращение аустенита в структуры перлитного типа при охлаждении (превращение диффузионного ти­па).

Третье превращение -_бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит при быстром охлаждении.

Четвертое превращение - разложение мартенсита при нагре­ве (отпуске) закаленной стали.

Любой технологический процесс термообработки стали состоит из определенной комбинации этих четырех превращений.

Превращения, происходящие при нагреве стали

Первичным процессом при проведении, закалки и отжига ста­ли является процесс образования аустенита. Температурные ус­ловия существования аустенита определяются диаграммой Fe-F₃С (рис.1). Однородный аустенит в доэвтектоидных сталях получа­ется при нагреве критической точки А_С3, в эвтектоидной - выше А_C3 и в заэвтектоидных - выше А_ст.

Нагрев исходной ферритно-цементитной смеси (перлита и фер­рита в доэвтектоидной стали, например, С=0,4%) приводит к превращению перлита в аустенит при температуре точки А_С1. Дальнейший нагрев стали, состоящей из аустенита с концентра­цией 0,8% углерода и .избыточного феррита, приводит к растворению феррита в аустените в интервале температур А_С1- А_C3. Растворение малоуглеродистого феррита приводит к постепенному объединению аустенита с углеродом, таким o6paзом, что при до­стижении критической точки А_C3 содержание углерода в аустените становится равным содержанию углерода в стали (в данном случае 0,4%).

В.заэвтектоидной стали, исходная структура которой со­стоит из перлита и Fe₃C_II, перлит также превращается в аустенит с 0,8% углерода при температуре А_С1. Дальнейший нагрев в интервале А_С1-А_C3 приводит к растворению Fe₃C_II в аустените и к обогащению последнего углеродом.

Образование аустенита начинается на границе раздела ферритных и цементитных частиц перлита. При этом растворение вы­сокоуглеродистого цементита позволяет получить в малоуглеро­дистом феррите концентрацию порядка 0,8% углерода, необходимую для образования устойчивого аустенита при температуре А_С1.

На рис.2 показаны последовательные стадии образования аустенит­ных зерен в зерне перлита. Зерна зарождаются на границе цементитных (темные) и ферритных (светлые) пластин в перлите (рис.2, а), В последующие моменты наблюдается рост ранее образовавшихся зерен (крупные) и зарождение новых (мелкие зерна) (рис.2, б и в). Процесс заканчивается заполнением объема бывшего перлитного зерна множеством мелких зерен аустенита (рис.2, г).

Мелкое начальное зерно аустенита, образовавшегося немедленно после окончания превращения, неустойчиво и продолжает расти с повышением времени выдержки при нагреве.

Действительное зерно, т.е. зерно аустенита, полученное в конкретных условиях нагрева, определяется температурой и временем выдержки при температуре. Величина действительного зерна зависит также от содержания углерода в стали: с повыше­нием содержания углерода существенно увеличивается размер зерна.

Проблема величины зерна аустенита имеет большое практическое значение: от величины зерна аустенита зависит получе­ние после охлаждения мелкозернистой стали с хорошими механическими свойствами (с высоким сопротивлением ударным на­грузкам).

Явление укрупнения зерна аустенита в связи с превышением допустимых температур называется перегревом. Во избежание перегрева температура аустенизации стали не должна превышать температуру критической точки А_С3, на 30 - 50°С.