Главная | Обратная связь

Теоретическая часть

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

НОРМАЛИЗАЦИЯ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

1 Цель работы: научиться определять температуру отжига и нормализации стали по диаграмме железо-углерод, освоить технологию их проведения. Изучить влияние отжига и нормализации на формирование структуры и свойств углеродистой стали.

 

Теоретическая часть

 

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. Основой для изучения термической обра­ботки стали является диаграмма железо-углерод (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Левая часть диаграммы железо-углерод.

 

На рисунке 1 указана температура нагрева при разных видах термической обработки.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: доэвтектоидная сталь - феррит + перлит; эвтектоидная сталь – перлит; заэвтектоидная сталь - перлит + цементит.

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.

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.

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 (рисунок 2 в).

Линия 1 - начало превращения переохлажденного аустенита с образованием феррита.

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

Линии М_н и М_к –начало и конец мартенситного превращения.

 

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.

 

Рисунок 2. Схема термообработки доэвтектоидной стали:

 

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 отжита вместо деформированных образуются новые равноосные зерна, остаточные напряжения снимаются, твердость понижается, а пластичность увеличивается.

Гемогенизирущий (диффузионный) отжиг заключается в нагреве стали до 1100...1200°С (рисунок 2), длительной выдержке при указанной температуре и последующем медленном охлаждении. 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 Асr+(50...60)°С (рис.10.2). 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 ферритоцементитной 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.