Краткие теоретические сведения

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 12Следующая ⇒

Закалка стали – это термическая обработка стали, которая применяется для получения максимально возможной твердости и прочности стали.

В зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке происходит полное фазовое превращение, т. е. сталь при нагреве переводят в однофазное аустенитное состояние.

Полной закалке подвергают доэвтектоидные стали, нагревая их выше критической температуры GS (А_с3) на 30-50°С (рис. 1).

При неполной закалке происходит неполная фазовая перекристаллизация, т. е. сталь нагревают до межкритических температур – между РSК (А_с1) и GS (А_с3) или между РSК (А_с1) и SЕ (А_с_m). Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, нагревая их выше линии РSК (А_с1) на 30-50°С (рис. 1).

Рис. 1. Левая часть диаграммы железо-углерод. Оптимальный интервал

температур для нагрева стали под закалку.

Время нагрева и выдержки детали в печи при закалке зависит от температуры нагрева, формы и размеров детали (табл. 1).

Таблица 1

Температура нагрева, °С	Форма изделия
Круг	Квадрат	Пластина
Продолжительность нагрева, мин
на 1 мм диаметра на 1 мм толщины
	1, 5 0, 8 0, 4	2, 2 1, 5 1, 2 0, 6	1, 6 0, 8

Охлаждение стали при закалке производят с большой скоростью (несколько сотен градусов в секунду). При такой высокой скорости охлаждения диффузия углерода в кристаллической решетке железа произойти не успеет, а кристаллическая решетка g-железа, путем сдвига атомов железа друг относительно друга на расстоянии меньше межатомных, перестраивается в a-железо. Так как диффузия атомов углерода и железа отсутствует, т. е. процесса является бездиффузионным, то содержание углерода в решетке a-железа будет равно содержанию углерода в решетке g-железа аустенита в результате чего решетка a-железа оказывается пересыщенной углеродом, деформируется и становится тетрагональной (рис. 2).

Эта новая фаза с тетрагональной кристаллической решеткой железа называется мартенситом.

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железо. Мартенсит имеет высокую твердость, в основном, из-за пересыщения решетки a-железа углеродом и его твердость возрастает с увеличением содержания углерода. Так как целью закалки является получение максимально возможной твердости и прочности стали, то охлаждение стали при закалке необходимо проводить с такой скоростью, чтобы получить мартенситную структуру.

Скорость охлаждения зависит, в основном, от содержания в стали легирующих элементов и определяется диаграммой изотермического превращения аустенита (рис. 3).


Рис. 2. Схема тетрагональной решетки мартенсита	Рис. 3. Диаграмма изотермического превращения аустенита стали У8 (τ – время)

Диаграмма изотермического превращения стали У8 состоит из следующих областей.

I – область устойчивого аустенита.

II – область неустойчивого переохлажденного аустенита.

III – область распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

IV – область продуктов распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

V – область бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Две С-образные кривые 1 и 2 на диаграмме указывают, соответственно, время начала и конца распада аустенита на феррито-цементитную смесь.

Две горизонтальные линии М_н и М_к на диаграмме указывают, соответственно, температуру начала и конца бездиффузионного превращения аустенита в мартенсит.

Наименьшей устойчивостью переохлаждаемый аустенит обладает при ~550°С. Превращения в интервале температур А_с1 – 550°C называют перлитным, а в интервале 550°С – М_н промежуточным или бейнитным.

В области перлитного превращения аустенит, в зависимости от степени переохлаждения, превращается в феррито-цементитную смесь пластинчатого строения различной степени дисперсности, под которой понимается суммарная толщина расположенных рядом пластин феррита и цементита.

Перлит – крупнодисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 8-10 микрон.

Сорбит – среднедисперсная смесь пластинок феррита и цементита с суммарной толщиной пластинок 6-8 микрон.

Тростит – мелкодисперсная смесь пластинок феррита и цементита (смесь высокой степени дисперсности) с суммарной толщиной пластинок 2-4 микрона.

С увеличением скорости охлаждения возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси, что приводит к увеличению прочности и твердости стали и уменьшению ее пластичности.

При скоростях охлаждения больше критической скорости охлаждении V_кр, аустенит переохлаждается до температуры начала мартенситного превращения М_н и начинается мартенситное превращение.

Критическая скорость охлаждения или критическая скорость закалки V_кр – это минимальная скорость охлаждения, при которой происходит бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Мартенсит зарождается на границе зерна аустенита и в виде линзообразной пластины прорастает через все зерно аустенита. Затем образуются следующие пластины мартенсита, которые расположены под определенным углом к ранее образовавшимся пластинам мартенсита, т. е. образование мартенсита происходит не за счет роста ранее образовавшихся пластин мартенсита, а за счет образования новых пластин мартенсита. Пластины мартенсита выглядят под микроскопом в виде иголок (рис. 4а) и поэтому говорят, что мартенсит имеет игольчатую структуру, причем размер игл мартенсита тем больше, чем больше исходное зерно аустенита.

Рис. 4. Микроструктура закаленной стали и ее условная зарисовка:

а) мартенсит мелкоигольчатый; б) мартенсит + цементит;

в) мартенсит крупноигольчатый (перегрев стали); г) мартенсит + феррит (недогрев стали); д) мартенсит + тростит (замедленное охлаждение)

При перегреве стали вырастает зерно аустенита и при закалке получится крупноигольчатый мартенсит (рис. 4в).

Образование мартенсита происходит с увеличением объема, и поэтому аустенит остаточный будет находиться в напряженном состоянии.

Если охлаждение стали в области V мартенситного превращения прекратить и дать выдержку, то структура стабилизируется и при дальнейшем охлаждением мартенситное превращение либо вообще не происходит, либо происходит с задержкой и не в полном объеме. Для того чтобы мартенситное превращение прошло наиболее полно, сталь необходимо непрерывно охлаждать до линии конца мартенситного превращения (закалка холодом).

Микроструктура закаленной стали зависит от температуры нагрева и скорости охлаждения. Нагрев до рекомендуемых температур А_с3 + (30…50)°С доэвтектоидных сталей при полной и А_с1 + (30…50)°C заэвтектоидных сталей при неполной закалке позволяет получить структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис. 4а) и мартенсита и вторичного цементита (рис. 4б).

Охлаждение при закалке со скоростью меньше критической вызывает образование наряду с мартенситом, тростита (рис. 4д), что приводит к уменьшению твердости стали.

Углеродистые стали имеют высокую критическую скорость закалки V_кр и поэтому их закаливают в воде или водных растворах солей со скоростью охлаждения 600°С/сек. и выше.

Легирующие элементы в легированных сталях, за исключением кобальта, повышают устойчивость аустенита, что приводит к смещению вправо линии начала превращения аустенита в феррито-цементитную смесь на диаграмме изотермического превращения аустенита легированных сталей, что, в свою очередь, приводит к уменьшению критической скорости закалки легированных сталей. Поэтому легированные стали закаливают в масле со скоростью охлаждения ~ 150°С/сек.

Порядок выполнения работы

1. Получить у лаборанта образцы для проведения закалки.

2. Определить твердость образцов до закалки на приборе Роквелла по шкале В.

3. Определить температуру закалки полученных образцов в соответствии с содержанием углерода.

4. Измерить образцы.

5. Определить по табл.1 продолжительность нагрева образцов в печи.

Таблица 2. Рабочий протокол при закалке стали

№ образцов	Марка стали	Вид закалки	Температура закалки	Размеры образца, мм	Время нагрева и выдержки при закалке, мин	Охлаждающая среда	Твердость до Закалки, HRB	Твердость после Закалки, HRC	Твердость по Бринеллю (по переводной таблице) кгс/мм²
до закалки	после закалки

6. Заложить образцы в печь.

7. Произвести по истечении времени нагрева закалку образцов в соответствующих закалочных средах.

8. Зачистить торцы образцов от следов закалочной среды и окисных пленок на шлифовальной шкурке.

9. Замерить твердость образцов на приборе Роквелла по шкале С.

10. По полученным данным построить зависимости после закалки:

HRC=f(C%), HRC=f( ).

11. Изучить, схематически зарисовать и описать микроструктуру комплекта закаленных образцов при увеличении х500.

Содержание отчета

1. Основные теоретические положения, определение и назначение процесса закалки:

а) нижний левый угол диаграммы состояния железо-углерод, структурный состав и температурные интервалы нагрева всех марок углеродистой стали;

б) диаграмма изотермического превращения аустенита с обозначением всех областей и температур для стали У8;

в) механизм мартенситного превращения в стали и особенности этого процесса;

г) методика определения основных параметров процесса закалки: температуры нагрева, продолжительности нагрева и скорости охлаждения.

2. Рабочий протокол (табл. 2).

3. Графики зависимостей HRC=f(C%), HRC=f( ). Анализ полученных зависимостей.

4. Структуры закаленных образцов, их описание, оценка температуры и скорости охлаждения по микроструктуре образцов.

6. Контрольные вопросы

1. Что называется закалкой стали?

2. Какая скорость называется критической скоростью закалки?

3. Какую структуру имеет доэвтектоидная сталь после закалки при V_охл.> V_кр.?

4. Как определить температуру закалки доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей?

5. Как влияет на твердость закаленной стали, увеличение количества углерода в стали?

6. Какое строение имеет мартенсит под микроскопом?

7. Сталь У12, температура нагрева Ас₁+(30…50)°С. Какая сформируется структура при закалке?

8. Что такое мартенсит?

9. Какие стали требуют полной, неполной закалки?

10. Сталь 50, температура нагрева Ас₁ – Ас₃, V_охл.> V_кр. Какая формируется структура?

11. Какую структуру имеет сталь У12 после неполной закалки при V_охл.³ V_кр.. Какая формируется структура?

12. В какой среде охлаждаются углеродистые и легированные стали на мартенсит?

13. Что называется сорбитом, троститом?

14. Что называется ферритом, аустенитом, цементитом, мартенситом?

15. Каков механизм эвтектоидного, мартенситного превращений?

16. Чем отличаются структуры перлита, сорбита и тростита?

17. Назовите особенности мартенситного превращения?

18. Какова природа высокой твердости мартенсита?

19. Зависит ли твердость мартенсита от скорости охлаждения?

20. Почему в закаленной стали присутствует аустенит остаточный?

21. Для чего проводится обработка холодом закаленной стали?

22. Влияет ли время изотермической выдержки на количество и твердость мартенсита?

Лабораторная работа № 7

Отпуск стали

Цель работы

1. Освоить технологический процесс отпуска стали.

2. Изучить превращения, происходящие в стали при отпуске, влияние температуры отпуска на структуру и механические свойства стали.

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 789 10 11 12 Следующая ⇒