Приборы, материалы, учебные пособия

1. Термические печи, гальванометры, термопары.

2. Твердомер типа Роквелл.

3. Закалочный бак с водой, клещи.

4. Набор образцов.

5. Альбом микроструктур.

Превращение при отжиге

Цель любого процесса термической обработки состоит в том, чтобы нагревом до определенной температуры и последующим охлаждением вызвать требуемое изменение строения металла и получить заданные свойства. Если охлаждение ведется медленно, то превращение аустенита в смесь перлита и феррита пройдет достаточно полно вследствие развития диффузионных процессов, и фазовый состав будет соответствовать равновесному состоянию. Например, структура, состоящая из крупных зерен феррита и перлита, какая часто бывает после литья и ковки, в результате термической обработки будет состоять из мелких зерен феррита и перлита (альбом, рис. 1). Основой для изучения термической обработки стали является диаграмма железо-углерод (рис. 1).

Общепринятые обозначения критических точек:

Ас₁– соответствует линии РSК,

Ас₃ – соответствует линии GS,

Ас_m – соответствует линии ES.

Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении с печью со скоростью 20-30 град/ч.

Вследствие медленного охлаждения сталь приобретает структуру, близкую к равновесию. Следовательно, после отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме железо-углерод (альбом, рис. 1):

доэвтектоидная сталь – феррит + перлит,

эвтектоидная сталь – перлит,

заэвтектоидная сталь – перлит + цементит.

Рис. 1. Левая часть диаграммы железо-углерод. Указана температура нагрева

при разных видах термической обработки

Различают следующие виды отжига:

Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30...50°С выше линии (GS), выдержке при этой температуре для полного прогрева металла и завершения фазовых превращений и последующем медленном охлаждении. Сопровождается полной фазовой перекристаллизацией (Ф«А).

Скорость нагрева при термической обработке зависит от химического состава, формы и размеров изделий. Чем сложнее форма, больше размер изделия, выше содержание углерода и легирующих элементов, уменьшающих теплопроводность, тем медленнее следует нагревать сталь, чтобы избежать возникновения трещин за счет термических напряжений, образующихся вследствие разности температур внутренних и наружных слоев детали или заготовки.

Полный отжиг применяется для смягчения стали перед обработкой резанием, для снятия напряжений и устранения пороков структуры. Например, при литье и сварке образуется крупнозернистая структура с игольчатым ферритом и пониженными механическими свойствами, которая получила название видманштеттовой, при горячей пластической деформации наблюдается неоднородное распределение феррита вокруг зерен перлита, что резко снижает прочность стали; при большой степени холодной пластической деформации образуется строчечная структура, которая ведет к анизотропии, т. е. различию свойств металла вдоль и поперек волокон.

Неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревается до температуры выше Ас₁, но ниже Ас₃. Полной фазовой перекристаллизации не происходит, следовательно, устранить дефекты структуры, связанные с нежелательным размером и формой зерна, невозможно.

Неполный отжиг для доэвтектоидной стали применяется для снятия напряжений и улучшения обрабатываемости и позволяет экономить тепловую энергию.

Заэвтектоидная сталь не отжигается по режиму полного отжига с нагревом выше Ас_m, так как при медленном охлаждении выделяется грубая сетка вторичного цементита, которая ухудшает механические свойства стали. Для заэвтектоидной стали применяется неполный отжиг. При нагреве до Ас₁+(30...50)°С в аустените остается большое число нерастворившихся включений цементита перлита, которые способствуют образованию зернистого перлита при охлаждении. Инструментальная сталь со структурой зернистого перлита обладает наименьшей твердостью, наилучшей обрабатываемостью резанием и менее склонна к перегреву при закалке.

Изотермический отжиг заключается в нагреве стали до Ас₃+(30...50)°С и выдержке при этой температуре. Затем деталь быстро переносится в печь или ванну с жидкой разогретой солью или расплавленным свинцом с температурой 690...700°С (ниже Ас₁) и выдерживается до полного распада аустенита. Последующее охлаждение производится на воздухе.

Так как аустенит распадается в печи или в ванне при постоянной температуре, то получается более однородная структура. Механические свойства при изотермическом отжиге получаются почти такими же, как и при полном отжиге. Преимущество изотермического отжига – в сокращении продолжительности отжига почти вдвое за счет этапа охлаждения и получении более однородной структуры и свойств по сечению изделия.

Изотермическое превращение аустенита доэвтектоидной стали описывается диаграммой (рис. 2в).

Линия 1 – начало превращения переохлажденного аустенита с образованием феррита.

Линии 2, 3 – начало и конец превращения переохдажденного аустенита с образованием ферритоцементитной смеси (перлита).

Линии М_н и М_к – начало и конец мартенситного превращения (А®М).

Рис. 2. Схема термообработки доэвтектоидной стали:

а) левая часть диаграммы железо-углерод;

в) диаграмма изотермического превращения аустенита;

V₁ – отжиг при непрерывном охлаждении;

V₂ – охлаждение при изотермическом отжиге;

V₃ –охлаждение при нормализации.

На диаграмме показаны скорости охлаждения V, соответствующие различным видам термической обработки. Критическая скорость закалки V_кр. является граничной скоростью охлаждения между диффузионным и бездиффузионным превращениями переохлажденного аустенита.

Рекристаллизационный отжиг применяется для снятия наклепа и восстановления пластичности металла после холодной деформации.

Нагрев производится до температуры, равной (0, 4...0, 45)Т_пл, т. е. 450...650°С (ниже Ас₁), затем следует выдержка и медленное охлаждение с печью. В результате рекристаллизационного отжига вместо деформированных образуются новые равноосные зерна, остаточные напряжения снимаются, твердость понижается, а пластичность увеличивается.

Гомогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве стали до 1100...1200°С, длительной выдержке при указанной температуре и последующем медленном охлаждении. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по химическому составу (ликвации) в литых заготовках. Применяется для устранения дендритной и зональной неоднородностей по химическому составу (ликвации) в литых заготовках.

При длительной выдержке в области высоких температур наблюдается интенсивный рост зерна, приводящий к снижению механических свойств. Для исправления структуры и улучшения свойств требуется дополнительная термическая обработка (обычно нормализация или полный отжиг).

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до Ас₃+(40...50)°С, заэвтектоидной – до Ас₁+(50...60)°С (рис. 2). После выдержки охлаждение производится на воздухе.

Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах по сравнению с отжигом, что определяет различные свойства отожженной и нормализованной стали. Чем выше степень переохлаждения аустенита, т. е. ниже его температура распада, тем мельче получается зерно в металле и дисперснее пластинки феррито-цементитной смеси, выше твердость, прочность, но ниже пластичность стали.

Нормализация вызывает фазовую перекристаллизацию, поэтому способствует устранению пороков структуры, измельчению зерна. В заэвтектоидной стали нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита, так как при ускоренном охлаждении он не успевает образоваться по границам зерен.

Порядок выполнения работы

1. Получить опытные образцы, записать марку стали, испытать твердость образцов по Роквеллу (шкала В).

2. Закалить образцы от температуры Ас3 + (30…50)°С с выдержкой их при указанной температуре 15мин и охлаждением в воде.

3. Зачистить закаленные образцы наждачной бумагой и испытать на твердость по Роквеллу (шкала С).

4. Нагреть закаленные образцы до температуры Ас₃+(30…50)°С и выдержать их в печи 15мин.

5. Охладить образец № 1, подлежащий нормализации, на спокойном воздухе.

6. Перенести образец № 2, подлежащий изотермическому отжигу, в печь с температурой 690…700°С, выдержать 30мин и охладить на спокойном воздухе.

7. Зачистить термически обработанные образцы наждачной бумагой и испытать на твердость по Роквеллу (шкала В).

Содержание отчета

1. Заполненная табл. 1.

2. Левая часть диаграммы железо-углерод с указанными на ней температурами различных видов термической обработки.

3. Диаграмма изотермического превращения аустенита с показанными линиями диаграммы и структурными областями.

4. Схематически зарисованные микроструктуры после закалки, изотермического отжига, нормализации с описанием режимов термической обработки и указанием сущности структурных превращений.

Таблица 1

№ образца	Марка стали	Твердость до закалки	Предполагаемая микроструктура	Твердость после закалки	Предполагаемая микроструктура	Окончательная твердость образцов по Бринеллю, HB	Предполагаемая микроструктура
по Роквеллу, HRB	по Бринеллю, HB	по Роквеллу, HRC	по Бринеллю, HB	после изотермического отжига	после нормализации

6. Контрольные вопросы

1. Каково назначение рекристаллизационного отжига, полного, неполного, нормализации?

2. Как проводится изотермический отжиг?

3. Почему не проводится полный отжиг для заэвтектоидной стали?

4. В какой среде охлаждаются стали при нормализации?

5. До каких температур нагревается доэвтектоидная сталь перед
полной закалкой, полным, изотермическим отжигом, нормализацией?

6. Можно ли при изотермическом отжиге устранить пороки структуры
после литья и ковки?

7. Каково назначение гомогенизирущего отжига?

8. Какая структура сформируется у стали 45 после полного, неполного, изотермического отжига и нормализации?

9. Какова структура стали У10 после полного и неполного отжига?

Лабораторная работа № 8

⇐ Предыдущая 3 4 5 6 7 8 91011 12 Следующая ⇒