Лабораторная работа №2 Влияние режимов термообработки на структуру и свойства стали.
методическая разработка

ОП.04  Материаловедение

Занятие № 27

Тема:  Лабораторная работа №2 Влияние режимов термообработки на структуру и

свойства стали.  (Выделенное голубым переписать в тетрадь)

Методические указания к выполнению практических работ

        Влияние режимов термообработки на структуру и свойства стали.

        Цель работы: провести исследование зависимости механических свойств углеродистых сталей от термической обработки.

Оборудование и материалы: муфельная электропечь; образцы из углеродистой стали; прибор для измерения твердости по Бринеллю и Роквеллу; ванны с охлаждающей жидкостью; клещи.

Краткие теоретические сведения

        Термической обработкой называется процесс, состоящий в нагреве стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. При этом происходит изменение структуры металла, а отсюда и его свойств при неизменном химическом составе. Основные параметры режима термообработки - температура нагрева, скорость нагрева, продолжительность выдержки при температуре нагрева и скорость охлаждения.

        Термическая обработка стали основана на том, что неустойчивая при низких температурах структура аустенита распадается в зависимости от скорости охлаждения сплава и превращается в структуры, обладающие различными свойствами. Продуктами распада аустенита могут быть мартенсит, троостит, сорбит и перлит.

        Интервалы температур для термообработки углеродистых сталей определяется с помощью диаграммы состояния «железо-углерод» (рис. 1), руководствуясь процентным содержанием углерода.

        Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

        Цель отжига - снижение твердости, изменение формы и размера зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений. При отжиге производится нагрев стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении (вместе с печью). Существуют различные виды отжига: полный, неполный, диффузионный, рекристаллизационный. Температура нагрева стали для ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы «железо-углерод» (рис. 1).

        Нормализация заключается в нагревании стали до температуры на 30...50°С выше линии GSE, выдержке при этой температуре и охлаждении на спокойном воздухе со скоростью большей, чем при отжиге. При таком нагревании сталь приобретает структуру аустенита, а при охлаждении на спокойном воздухе образуется более тонкая, чем при отжиге, перлитная структура - сорбит. В результате нормализации уменьшаются внутренние напряжения, однако твердость стали остается выше, чем после других видов отжига.

        Цель закалки - повышение твердости и прочности стали -достигается нагреванием стали до температуры на 30...50°С выше линии GSK (рис. 1), выдержкой при этой температуре и последующим резким охлаждением. На практике для охлаждения углеродистых сталей применяют воду, а для легированных сталей – минеральные масла. При этом у стали образуется структура мартенсит. Кристаллическая решетка железа перенасыщается атомами углерода, которые искажают ее. Это ведет к увеличению прочности и твердости стали.

        При расчете продолжительности нагрева детали под термическую обработку можно руководствоваться данными таблицы 1. Продолжительность выдержки принимают чаще всего равной 1/5 от общей продолжительности нагрева.

Таблица 1

        Способность стали закаливаться на мартенсит называется закаливаемостью. Стали с низким содержанием углерода (менее 0,3%) практически не закаливаются.

        Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность. Прокаливаемость характеризует критический диаметр, т.е. максимальный диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается насквозь.

        Однако закалка, обеспечивая получение высокой твердости, сопровождается возникновением внутренних напряжений и резким снижением пластичности и ударной вязкости стали. Это может привести к хрупкому разрушению детали при воздействии эксплуатационных нагрузок.

        Для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности и ударной вязкости стали после закалки применяют другой вид термической обработки - отпуск, который заключается в нагревании закаленной стали до температуры, не превышающей линию PSK (рис. 1) выдержке при этой температуре и последующем охлаждении. При отпуске закаленной стали на мартенсит в ней происходят превращения, приводящие к распаду мартенсита. Чем выше температура отпуска, тем активнее углерод переходит из пересыщенного раствора в пластинки цементита. По мере выхода углерода происходит уменьшение искажения кристаллической решетки мартенсита и снижение внутренних напряжений. При этом пластичность стали повышается, а твердость и хрупкость понижаются.

        В зависимости от температуры различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

        Низкий отпуск производится при температуре 150...250°С. При низком отпуске происходит небольшое выделение углерода из мартенсита. Поэтому твердость стали снижается незначительно. Структуру, образующуюся в результате низкого отпуска, называют мартенситом отпуска или отпущенным мартенситом. Низкому отпуску подвергается режущий и измерительный инструмент, штампы для холодной штамповки, а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью.

        Средний отпуск производится при температуре 350... 450 °С. При такой температуре мартенсит распадается с образованием троостита отпуска. При среднем отпуске цементит образуется не в виде пластинок, а в виде мельчайших зерен, что способствует повышению вязкости стали. Среднему отпуску подвергаются изделия, которые должны обладать высокой упругостью и достаточным запасом вязкости (рессоры, пружины и др.).

        Высокий отпуск производится при температуре 500...650°С. В процессе высокого отпуска продуктом распада мартенсита является сорбит отпуска, представляющий собой более крупные зерна феррита и цементита, чем у троостита отпуска. В результате происходит полное устранение остаточных напряжений, и сталь приобретает хорошие пластичность и вязкость при достаточно высокой прочности. Такой отпуск предназначен для деталей ответственного назначения, которые испытывают в процессе эксплуатации ударные и знакопеременные нагрузки.

        Двойную термическую обработку, включающую в себя закалку и последующий высокий отпуск называют термическим улучшением, поскольку улучшается весь комплекс механических свойств стали.

        В таблице 2 приведена характеристика равновесных и неравновесных структур стали.

Таблица 2

Цвета каления стали и соответствующая им температура (0С) представлены в таблице 3.

Таблица 3

Цвета побежалости и соответствующая им температура (0С) представлены в таблице 4.

Таблица 4