Лабораторная работа: Лабараторная работа номер 8

Лабораторная работа N 8.
ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ
ОБРАБОТКИ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы — практическое освоение основных операций термичес-
кой обработки углеродистых сталей.

Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей
являются: 1) отжиг на мелкое зерно; 2) нормализация; 3) одинарная
термическая обработка; 4) закалка; 5) отпуск (после закалки).

Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является на-
грев сталей в оптимальный интервал температур: доэвтектоидных — на

30...50°С выше линии GS, т.е. Аз+ (30.. .50) "С, а эвтектоидной и заэв-
тектоидных- на 30...50°С выше линии PSK т.е. Ai+ (30...50)°C (рис.8.1). В

результате фазовой перекристаллизации стали приобретают

55

структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются
еще и включения вторичного цементита.

Рис.8.1. Оптимальный интервал температур нагрева

углеродистых сталей для получения мелко-
зернистого аустенита

После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой
перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания углерода в
мелкозернистом аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При
этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры
продуктов его превращения, что является необходимым условием
достижения оптимальных механических свойств. Эти структуры

определяются по соответствующим диаграммам превращения пе-
реохлажденного аустенита (например, см. рис. 8.2).

При относительно небольших скоростях охлаждения V; Vg Уз в верхнем
районе температур (727...550°С) происходит диффузионное перлитное
превращение — распад переохлажденного аустенита на структуры
перлитного типа: перлит, сорбит или тростит. Они представляют собой
феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченное -
ти) пластинчатого строения, т. е. в них частицы цементита имеют форму
пластинок. Самой грубой смесью является перлит, а самой дисперсной (и
потому самой твердой и прочной из них) — тростит, так как он образуется
при большей степени переохлаждения.

- 56 -

В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует вы-
деление из аустенита феррита, а в заэвтектоидных — цементита, коли-
чество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в

районе

Рис.8.2. Диаграмма изотермического превращения
переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с
графиками скоростей охлаждения (П — перлит, С
— сорбит, Т — тростит, М — мартенсит)

выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажден-
ного аустенита.

При высоких скоростях охлаждения, равных или больших /цр, напри-
мер, /5, диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлаждается

до интервала температур М„...Мк (Мц—температура начала, а Мц— конца
мартенситного превращения) (рис.8.2). По мере дальнейшего охлаждения от
Мц до Мц происходит бездиффузионное полиморфное превращение
аустенита в предельно неравновесную структуру — мартенсит. Он
представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в
а-железе с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает

- 57 -

высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного пересыщения углеро-
дом. Происходит закалка стали. Минимальная скорость охлаждения, не-
обходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения,

называется критической скорость» заколки (на рис.8.2 Vnp — кривая
охлаждения, касательная к выступу С-образной кривой).
Охлаждение со скоростью ¥4 приводит к образованию структуры
тростит + мартенсит ( см. рис.8.2).

Назначение и условия проведения основных видов

термической обработки

1. Откиз на мелкое зерно является разупрочняющей (смягчающей) ТО.
Он заключается в нагреве сталей в оптимальный интервал температур (см.
рис. 8.1), выдержке и медленном охлаждении (обычно с печью:
скорость охлаждения Vi на рис.8.2). После отжига получается равновесная
мелкозернистая структура феррита и перлита в доэвтектоидных сталях,
перлита в эвтектоидной стали и перлита с разрозненными включениями
вторичного цементита в заэвтектоидных сталях. Отжиг на мелкое зерно, как
правило, является предварительной ТО. Его цель -^ устранение структурной
неоднородности и крупнозернистости, отрицательно влияющих на
технологические свойства; максимальное снижение твердости и повышение
пластичности для улучшения обрабатываемости (резанием. давлением). При
отжиге полностью снимаются внутренние напряжения.
2. Нормализация доэвтектоидных сталей проводится так же, как отжиг
на мелкое зерно, но сталь охлаждается ускоренно на спокойном воздухе
(скорость Vg на рис.8.2). После этой ТО доэвтектоидные стали состоят из
мелкозернистого феррита и сорбитообразного перлита, придающего стали
повышенную твердость и прочность. Поэтому нормализация может
использоваться либо вместо отжига на мелкое зерно (как более
производительная обработка), если возрастание твердости и прочности
находится в допустимых пределах: либо как слабая упрочняющая ТО для
неответственных изделий.
Заэвтектоидные стали подвергают нормализации с целью устранения
сплошной цементитной сетки по границам зерен перлита. Но в отличие от
отжига процесс ведут от температуры Асл + (30...50)°С При этой ТО зерна
аустенита и соответственно зерна перлита оказываются крупными, поэтому
после нее необходимо выполнить отжиг на мелкое зерно.

- 58 -

3. Минорная термическая обработка применяется сравнительно редко, как более
сильная, чем нормализация, упрочняющая ТО доэвтектоид-ных сталей. Она
осуществляется так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают быстро,
например в горячей воде или струёй сжатого воздуха (скорость Уз на рис.8.2).
Образующиеся пластинчатые структуры сорбита или тростита с небольшим
количеством избыточного феррита или без него придают стали более высокую
прочность, твердость и износостойкость по сравнению с этими свойствами в
нормализованном состоянии.
4. Заколка проводится так же, как отжиг на мелкое зерно, но сталь охлаждают
очень быстро, со скоростью больше критической ( в воде или в минеральном масле:
например скорость Vs на рис.8.2). После закалки структура доэвтектоидных и
эвтектоидной сталей состоит из мартенсита, а заэвтектоидных — из мартенсита и
вкраплений зернышек вторичного цементита*. Мартенсит — основная структура
закаленной стали. которая обусловливает максимальное повышение ее
твердости.Однако закаленная сталь практически неработоспособна из-за высокой
хрупкости, присущей мартенситу, и высокого уровня закалочных напряжений, которые
возникают из-за очень быстрого охлаждения и могут вызвать коробление детали или
даже появление в ней трещин. Поэтому после закалки проводится заключительная
операция ТО — отпуск.
5. Цель отпуска — снизить уровень остаточных закалочных напряжений и
получить работоспособные структуры и соответствующие им свойства — твердость,
износостойкость, прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость.
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры Ai. довольно
продолжительной выдержке (в среднем от 0,5 до 2...3 часов) для завершения
диффузионных процессов формирования той или иной окончательной структуры
отпуска и последующем охлаждении (обычно на воздухе), скорость которого, в
отличие от других операций ТО, не влияет на сформировавшуюся в процессе
выдержки структуру.
Различают низкий (150...250°С), средний (350...400°С) и высокий (500...650°С)
отпуск.
Обычно при закалке охлаждение заканчивают при комнатной температуре.
Поэтому в сталях, у которых Мц лежит ниже 20°С, сохраняется частично
непревращенный аустенит.Он называется остаточным аустенитом и здесь не
учитывается.

- 59 -

При низком отпуске вследствие частичного выделения из кристалли-
ческой решетки мартенсита избыточного углерода в виде высокодисперсных

карбидов* и уменьшения внутренних напряжений хрупкость стали

несколько снижается, а ее твердость изменяется незначительно. Мар-
тенсит. обедненный углеродом при отпуске, называется мартенситом от-
пуска и представляет собой уже достаточно работоспособную структуру.

Низкому отпуску подвергаются изделия, которые должны быть твердыми и
износостойкими: режущие инструменты, цементованные, цианированные,
поверхностно-закаленные детали.
При среднем отпуске мартенсит распадается уже полностью на тростит
отпуска зернистого строения (кристаллы цементита в нем имеют округлую
форму), а внутренние напряжения значительно снижаются. Сталь с такой
структурой характеризуется меньшей твердостью, высокой упругостью при
повышенной пластичности и ударной вязкости. Поэтому средний отпуск
применяют для получения упруговязких изделий — пружин, рессор,
торсионов, мембран и др.

При высоком отпуске получается структура сорбита отпуска зернис-
того строения, а оставшиеся после закалки внутренние напряжения почти

полностью снимаются. Твердость и прочность сорбита отпуска ниже, чем
у тростита отпуска, но выше, чем у структур, получаемых после
нормализации и тем более после отжига. В то же время сорбит отпуска
имеет высокую пластичность и максимально возможную ударную вязкость.
Поэтому высокий отпуск применяют для получения изделий с максимально
высокой вязкостью и повышенной прочностью — ответственных тяжело
нагруженных деталей, работающих в условиях высоких статических,
динамических и знакопеременных нагрузок.
В работе необходимо исследовать влияние скорости охлаждения из
аустенитного состояния и температуры отпуска на структуру и свойства
стали марки 45.

Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляются муфельные печи;
отожженные на мелкое зерно образцы стали марки 45; бачки с холодной
и горячей водой и минеральным маслом; прибор Роквелла.