Главная | Обратная связь

Закалка углеродистых сталей

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ. ЗАКАЛКА, ОТПУСК

 

1 Цель работы:

1. Изучить теоретические основы выбора температуры закалки углеродистых сталей.

2. Изучить влияние среды охлаждения (скорости охлаждения) на твердость стали при закалке.

3. Установить влияние содержания углерода в стали на результаты закалки.

Теоретическая часть

 

Цель любого процесса термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с определенной скоростью вызвать желаемое изменение структуры металла или сплава и, соответственно, изменение свойств. Следовательно, основными факторами воздействия при термической обработке являются температура, время выдержки и скорость последующего охлаждения.

В практике машиностроения различают первичную и вторичную термическую обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к последующим операциям механической и окончательной термической обработки. К этому виду обработки относятся различные виды отжига и нормализации. Назначение вторичной (окончательной) обработки – получение необходимых эксплуатационных свойств деталей и изделий. К окончательной термической обработке относятся закалка и отпуск.

 

Закалка углеродистых сталей

 

Сущность закалки заключается в получении пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора вызывает искажения кристаллической решетки, которые приводят к большим напряжениям и появлению дислокаций, компенсирующих эти искажения. Большие напряжения и высокая плотность дислокаций затрудняют пластическую деформацию и повышают прочность и твердость стали.

Закалка применима к сплавам, в которых могут образовываться ограниченные твердые растворы. При нагреве таких сплавов увеличивается растворимость компонентов. Если охлаждать сплав с большой скоростью, не оставляя времени на диффузию, то в процессе охлаждения выделение избыточных атомов растворенного компонента не произойдет. Тогда при комнатных температурах зафиксируется пересыщенный твердый раствор. Еще большее пересыщение может быть получено в сплавах, которые испытывают полиморфные превращения при нагреве и охлаждении. Наибольший эффект при закалке наблюдается в железо-углеродистых сплавах – сталях. Аустенит (твердый раствор углерода в g-железе) может растворить углерода в сотни раз больше, чем феррит (твердый раствор углерода в a-железе). Поэтому, если нагревать сталь до температур перестройки решетки и охлаждать, не давая углероду возможности выделяться из аустенита, то при обратной перестройке решетки возникает очень большое пересыщение железа углеродом. Такое пересыщение вызывает значительное изменение свойств.

Скорость охлаждения, при которой углерод не успевает выделяться из твердого раствора, называется критической скоростью охлаждения. Она может быть определена по диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита для каждой стали. Геометрически это касательная к кривой начала превращения аустенита в феррито-карбидную смесь.

Рисунок 1 - Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали

 

При медленном охлаждении стали (с печью) происходит близкое к равновесному состоянию превращение, сопровождаемое образованием перлита. Такой вид обработки стали называется отжигом. Сталь приобретает пластичность и относительно низкую твердость (НВ = 150…180 кг/мм²). При охлаждении стали с высоких температур на воздухе аустенит также превращается в феррито – цементитную смесь, однако, она приобретает дисперсный характер. Такая дисперсная смесь называется сорбитом, а термическая обработка нормализацией. Сталь после нормализации приобретает более высокую твердость (НВ = 250…300 кг/мм²) и прочность. При охлаждении стали в струе сжатого воздуха охлаждение протекает ещё быстрее и феррито–цементитная смесь приобретает большую степень дисперсности. Образующаяся структура, в отличие от сорбита, называется трооститом. Троститная структура имеет более высокую твердость (НВ = 350…450 кг/мм²), чем сорбитная. В практике термической обработки скорость охлаждения искусственно повышают, охлаждая сталь, например, в воде, в водных растворах солей или минеральном масле.

Вода является весьма энергичным охладителем, в результате чего сталь приобретает высокую твердость. Такая термическая обработка называется закалкой.

В основе закалки стали находится бездиффузионное превращение аустенита:

Фиксируемая при этом фаза, являющаяся пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α – Fe, называется мартенситом, а приведенная реакция называется реакцией мартенситного превращения.

Можно сказать, что закалка стали – это термическая операция получения структуры мартенсита, пересыщенного твердого раствора углерода в a-железе.

Основным фактором, определяющим твердость и прочность мартенсита, являются искажения кристаллической решетки a-железа, вызванные внедренными атомами углерода. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше тетрагональность решетки и выше твердость мартенсита (рисунок 2).

Рисунок 2 – Оптимальный интервал температур для закалки углеродистой стали

 

При нагреве выше линии PSK (или критической температуры Ас₁), но ниже GS (критическая температура Ас₃) структура стали будет состоять из зерен аустенита и феррита.

Большое влияние на свойства стали после закалки оказывает температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Чем выше температура нагрева и длительнее выдержка при этой температуре, тем интенсивнее происходит рост аустенитных зерен.

Из крупнозернистого аустенита после охлаждения получатся крупные кристаллы мартенсита (крупноигольчатый мартенсит). Это приведет к высокой хрупкости стали.

Следовательно, для доэвтектоидных (конструкционных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₃ (линии GS), однако это превышение не должно быть большим.

Для получения оптимальных свойств после закалки необходимо производить нагрев до температуры, определяемой эмпирической формулой:

t _{зак. доэвт.} = Ас₃ + (30 ¸ 50) °С.

Все заэвтектоидные стали – инструментальные. Материалы, идущие на изготовление инструментов (особенно режущих), должны обеспечивать высокие твердость и износостойкость, высокую прочность. Эти свойства получают часто в ущерб пластичности стали, в противном случае инструмент не будет обладать высокими режущими свойствами.

При нагреве выше линии SK (Ас₁) превращение претерпевает лишь перлит (рис. 3), а цементит не успевает раствориться в аустените. После нагрева до этих температур структура стали – аустенит и цементит. При охлаждении со скоростью больше критической получается структура, состоящая из твердых и износостойких кристаллов мартенсита и кристаллов цементита, имеющих еще большую твердость и износостойкость. Нагрев до более высоких температур не приведет к повышению твердости; но резко увеличится размер зерен аустенита (т.к. растворение кристаллов цементита уже не будет сдерживать их рост), что отрицательно скажется на механических свойствах.

Следовательно, для заэвтектоидных (инструментальных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₁ (линии SK).

Нагрев под закалку инструментальных сталей осуществляется до температур:

t _{зак. заэвт.} = Ас₁ + (30 ¸ 50) °С.