методичка (Методические указания к лабораторным работам по курсу - Компьютерное материаловедение), страница 3

3.1. «Стальной» участок диаграммы состояния«железо – цементит»16Перекристаллизационный отжиг – термическая обработка, врезультате которой конструкционные стали приобретают структуру, близкую к равновесной. Стали нагревают до температурывыше критической точки Ас3 на 30…50 °С и после выдержки медленно охлаждают со скоростью 100…200 °С/ч. Отжигпроводят для снижения твердости, повышения пластичностии получения однородной мелкозернистой феррито-перлитнойструктуры.

Иногда охлаждение проводят на воздухе, тогда такаятермическая обработка называется нормализацией. После нормализации в доэвтектоидных сталях получается структура перлитас ферритной сеткой. Твердость углеродистой стали в этом случае несколько выше, чем после отжига.Рис. 3.2. Эскиз термокинетической диаграммыПредставление о неравновесных превращениях при охлаждении сталей с различными скоростями дает термокинетическаядиаграмма (рис.

3.2). При небольших скоростях охлаждения аустенит претерпевает диффузионное превращение с образованием структур перлитного типа (смесь пластинок феррита и цементита) – перлита П, сорбита С, троостита Т. Чем большескорость охлаждения, тем выше дисперсность структуры –17меньше толщина и длина пластинок цементита и расстояниемежду ними. Соответственно, при увеличении скорости охлаждения возрастают твердость и прочность и уменьшается пластичность стали.При увеличении скорости охлаждения до критической Vкраустенит переохлаждается до температуры Мн, при которой начинается его бездиффузионное превращение в мартенсит М.Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода вα-железе, имеет тетрагональную, сильно искаженную кристаллическую решетку и обладает высокой твердостью и хрупкостью.

При образовании мартенсита происходит увеличениеудельного объема стали.Закалка – термическая обработка, в результате которой всталях образуется неравновесная структура мартенсита. Температура нагрева под закалку доэвтектоидных сталей составляетАс3 + (30…50)°С, для заэвтектоидных сталей эта температурасоставляет Ас1 + (30…50)°С.Рис. 3.3. Схема изменения температуры деталиво времени при закалке:1 – на поверхности; 2 – в сердцевине; 3 – разность температурВнутренние напряжения при закалке. При закалке поверхность стальной детали охлаждается быстрее, чем сердцевина(рис. 3.3). Перепад температур между сердцевиной и поверхностью детали сначала увеличивается, а затем уменьшается.

Поэтому происходит, во-первых, неодновременное тепловое сжатиеотдельных участков детали, из-за чего возникают тепловые на18пряжения. Во-вторых, происходит неодновременное расширениеотдельных участков детали при превращении аустенита в мартенсит и возникают структурные напряжения. Таким образом,деформация (коробление) деталей при термической обработкесвязана с разновременностью протекания тепловых и структурных изменений в различных сечениях деталей.На рис.

3.4 показана схема изменения внутренних напряжений на поверхности и в сердцевине детали с течением времени.После полного охлаждения во внешних слоях детали формируются сжимающие тепловые напряжения, а во внутренних – растягивающие (рис. 3.4, а).Рис. 3.4. Схема возникновения внутренних напряжений в деталипри закалке:а – тепловых; б – структурных; 1 – на поверхности; 2 – в сердцевинеКогда температура поверхностного слоя достигает мартенситной точки Мн, в нем начинается мартенситное превращение,сопровождающееся увеличением объема. В поверхностном слоевозникают структурные напряжения сжатия. При дальнейшемснижении температуры продолжается мартенситное превращение и одновременно упругая деформация переходит в остаточную. Таким образом, структурные напряжения в ходе охлаждения изменяются в обратном порядке по сравнению с тепловыми(рис.

3.4, б). По окончании охлаждения на поверхности получаются растягивающие структурные напряжения, а в центре –сжимающие. Под влиянием тепловых и структурных напряжений происходит деформация деталей при закалке. Скорость закалочного охлаждения значительно влияет на деформацию. При19увеличении скорости охлаждения возрастает перепад температурпо сечению детали во время мартенситного превращения в поверхностном слое. Сердцевина, будучи пластичной, легко деформируется под действием поверхностного слоя. Поэтому увеличение скорости охлаждения приводит к росту структурнойдеформации. При снижении скорости охлаждения во времямартенситного превращения температурный перепад уменьшается.

Сердцевина имеет в этот момент более низкую температуру и сопротивляется пластической деформации. В этом случаепреобладает тепловая деформация.По окончании закалочного охлаждения из-за растягивающих напряжений на поверхности детали могут появляться трещины. Для предупреждения их возникновения стремятся уменьшить растягивающие напряжения на поверхности деталей или,что более эффективно, получить на поверхности сжимающиенапряжения. Для этого нужно или уменьшить структурные напряжения, или увеличить тепловые. В области высоких температур (когда преобладают тепловые напряжения) детали необходимо охлаждать с высокой скоростью.

Наоборот, при охлажденииниже мартенситной точки скорость охлаждения должна быть какможно меньшей.Различные способы закалки позволяют снизить уровень коробления, уменьшить вероятность появления закалочных трещин. К таким способам можно отнести закалку в двух средах,ступенчатую закалку, изотермическую закалку или закалку нанижний бейнит (рис. 3.5).Закалка в одном охладителе – самый простой способ. Закалочные напряжения будут зависеть от свойств закалочной среды, т.

е. от того, насколько быстро или медленно среда отводиттепло от детали при разных температурах. Для закалки углеродистых сталей из-за их малой прокаливаемости используетсявода, поэтому возникают большие закалочные напряжения.Этот способ применяется только для деталей малого сечения ипростой формы.Закалка в двух средах проводится следующим образом: нагретую до требуемой температуры деталь погружают сначала вводу, где происходит быстрое охлаждение до температуры на100…150 °С выше температуры начала мартенситного превращения Мн данной стали.

Затем деталь извлекают из воды и быстро переносят в масло, чтобы во время мартенситного превращения охлаждение происходило медленно и не возникали20большие структурные напряжения. При закалке в двух средахдеформации меньше, чем при закалке в одной среде, однакоэтот способ не находит широкого применения, так как оченьсложно вовремя переместить деталь из одной жидкости в другую и вероятность брака при этом очень велика.Рис. 3.5. Способы закалки:1 – в одной среде; 2 – в двух средах; 3 – ступенчатая;4 – изотермическаяСтупенчатая закалка осуществляется погружением детали врасплав селитры, имеющий температуру на 100…150 °С вышетемпературы Мн. До этой температуры деталь охлаждается довольно быстро, в расплаве селитры делают короткую выдержкудля выравнивания температуры по сечению детали, а затем деталь извлекают на спокойный воздух.

Дальнейшее охлаждениедетали происходит медленно, перепад температур по сечениюочень мал, мартенситное превращение идет по всему объемудетали одновременно, и структурные напряжения не возникают.Недостаток ступенчатой закалки в том, что сложно добитьсянужной продолжительности изотермической выдержки (от одной до нескольких секунд).Изотермическая закалка, или закалка на нижний бейнит,проводится также в расплаве селитры с температурой на100…150 °С выше температуры Мн.

Деталь выдерживают в расплаве несколько десятков минут, при этом аустенит превращается в нижний бейнит – мелкоигольчатую структуру, очень по21хожую по строению и свойствам на мартенсит. При образовании нижнего бейнита напряжений и деформаций практическине возникает и последующий отпуск не требуется. Твердостьпосле закалки на нижний бейнит ниже, чем после закалки намартенсит. Закалка на нижний бейнит применяется для деталейсложной формы, которые при обычной закалке могут сильнодеформироваться.Применяемые для ступенчатой и изотермической закалкиселитровые ванны сложны в эксплуатации, пожароопасны, выделяют вредные для человека испарения, поэтому применениеэтих видов закалки ограничено.Отпуск – нагрев закаленной детали с целью понижения закалочных напряжений и получения структуры и свойств, требуемых по условиям эксплуатации детали.Превращения в закаленной стали при отпуске.

При нагреве до80…100 °С диффузия углерода практически невозможна и никаких превращений в стали не происходит.При нагреве до 100…200 °С (низкий отпуск) начинается распад мартенсита (обеднение мартенсита углеродом), появляютсяметастабильные мелкие частицы карбидных фаз (ε-карбидыFe2C).

Формируется структура мартенсита отпуска. Твердостьзакаленной стали при этом практически не снижается, поэтомунизкий отпуск рекомендуется для деталей из высокоуглеродистых сталей, содержащих 0,7…1,2 % углерода: инструмента, деталей подшипников качения и деталей после цементации.При нагреве до 350…500 °С (средний отпуск) завершаетсяраспад мартенсита.

Формируется дисперсная феррито-карбидная смесь – троостит отпуска. Средний отпуск рекомендуетсядля рессор, пружин и некоторых видов штампов. Для обеспечения наилучших упругих свойств эти детали изготавливают изсталей с содержанием углерода 0,45…0,75 %.При нагреве до 550…650 °С (высокий отпуск) карбидныечастицы укрупняются, образуется структура сорбита отпуска,который обеспечивает хорошее сочетание прочности, вязкостии пластичности. Закалка стали с последующим высоким отпуском называется термическим улучшением и проводится для нагруженных деталей типа валов, шестерен.

Такие детали изготавливают из сталей с содержанием углерода 0,3…0,5 %, которыеназываются улучшаемыми сталями.22Методика выполнения работы1. Получить вариант задания. Запустить программу To_steel.Программа моделирует процессы термической обработки углеродистых сталей. Выбрать режим «Теория». В этом режиме вверхней части экрана имеется строка-подсказка, в которой указано требуемое действие. При ошибке в определении какихлибо параметров процесса термообработки выдается сообщениес указанием правильного варианта действий.2. В правом верхнем углу экрана находится эскиз стальногоучастка диаграммы состояния «железо – цементит».