Влияние температуры закалки на структуру и свойства стали
Цель работы. Установить влияние температуры нагрева под закалку на структуру и свойства стали 45.
1.1 Краткие сведения из теории
Термическая обработка — это процесс нагрева, выдержки и охлаждения сплавов с целью изменения структуры и получения заданных свойств. Термической обработке подвергают заготовки (прокат, литые, кованые и штампованные детали) для того, чтобы понизить твердость и улучшить обрабатываемость, а обработанные детали — для того, чтобы повысить твердость, прочность, упругость, износостойкость и усталостные характеристики. С помощью термической обработки механические свойства стали могут быть изменены в очень широких пределах. Например, термической обработкой рельсовой стали, содержащей 0,7—0,8% углерода, можно повысить твердость со 180 до 600 НВ. Значительное улучшение механических свойств в результате термической обработки деталей позволяет увеличить допускаемые напряжения, уменьшить размеры и массу деталей, повысить надежность и срок службы машин.
Процессы термической обработки определяются двумя основными элементами — температурой и временем.
Изучая диаграмму состояния системы сплавов железо-углерод, мы рассматривали превращения, протекающие в стали при очень медленном нагревании и охлаждении, т. е. в условиях равновесия.
Из этого вытекает, что структурные составляющие стали: феррит, перлит и цементит — являются равновесными, т. е. устойчивыми при нормальных температурах. Термической обработкой можно получить неравновесные структуры по свойствам, отличные от равновесного состояния. Кроме того, применяя определенные режимы термической обработки, можно изменить форму и размеры зерен и тем самым улучшить необходимые механические свойства.
Для установления режима термической обработки нужно знать температуры, при которых происходит превращение в стали, т. е. критические точки, которые обозначают А с цифрой внизу, указывающей характер превращения.
Положение критических точек углеродистых сталей показано на рисунке 1. Критические точки при нагревании и охлаждении не всегда совпадают, поэтому нужно знать, при каком состоянии они получены. Если критическая точка характеризует нагревание, то к А ставится индекс с, а если охлаждение — то r.
Рисунок 1 – Положение критических точек углеродистой стали
Превращения в стали при нагревании
В исходном состоянии, т. е. до термической обработки, углеродистая сталь может иметь феррито-перлитную, перлитную или перлито-цементитную структуру. При нагревании до АС1, (727°С) сталь превращений не имеет, при АС1 происходит превращение перлита в аустенит.
Образование аустенита вызывается перестройкой кристаллической решетки a-железа в решетку g-железа и растворением цемента в образовавшемся аустените.
В доэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется феррит, превращение феррита в аустенит будет происходить и при дальнейшем нагреве до температуры АС3. В заэвтектоидной стали, в которой, кроме перлита, имеется цементит, растворение цементита в аустените будет происходить при нагреве до температуры АСm.
Таким образом, при температурах выше АС1, и (выше GSE на диаграмме Fe—Fe3C) стали будут иметь аустенитную структуру, но образовавшийся аустенит будет неоднородным по составу, так как процесс диффузии углерода завершиться не успевает. Чтобы получить однородный аустенит, необходимо сталь нагревать на 30—50°С выше АС1, и Аст, и выдерживать ее при этой температуре некоторое время. Аустенит будет состоять из мелких зерен независимо от размеров зерен стали до термообработки. При дальнейшем нагреве мелкие зерна объединяются в более крупные, т. е. зерна аустенита растут. Однако есть стали, которые даже при значительном нагреве не дают заметного роста зерен. Поэтому в зависимости от склонности к росту зерен аустенита стали разделяют на наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые.
Для получения необходимой структуры, кроме нагрева, не меньшее значение имеет и режим охлаждения.