Цель работы: изучение основ теории и технологии закалки сталей.

Оборудование и инструмент: печь SNOL 05/1250; заготовки стали 40 для закалки, закалочные емкости с минеральным маслом и водой, твердомер Роквелла ТР 5014.

Закалкой называется вид термической обработки, который заключается в нагреве стали на 30–50 ^оС выше температур критических точек Ас₁ или Ас₃ (рисунки 2.1 и 2.2 ), выдержке при этих температурах для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении в область мартенситного превращения со скоростью выше критической V_к (рисунок 2.3).

0,2 0,6 1,0 1,4 1,8 2,2 2,6 %

С

Рисунок 2.3 – Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита

Под критической скоростью закалки понимается минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит [3, 4]. Целью закалки является повышение твердости, прочности и долговечности механизмов машин и инструмента.

В зависимости от температуры нагрева закалку подразделяют на полную и неполную. В первом случае сталь нагревается выше температур Ас₃ или Ас_m в область аустенита. Во втором – выше температуры Ас₁, но ниже Ас₃ или Ас_m в область, где наряду с аустенитом в доэвтектоидной стали присутствует феррит, а в заэвтектоидной – цементит (рисунок 2.2).

Все доэвтектоидные стали (< 0,8 % С) должны подвергаться полной закалке. Нагрев осуществляется на 30 – 50 ^оС выше точки Ас₃ (рисунок 2.2, линия GS). При этом сталь с исходной структурой феррита и перлита при нагреве переходит в аустенитное состояние. При последующем охлаждении со скоростью выше критической (рисунок 2.3) аустенит превращается в закалочную структуру – мартенсит. Такой нагрев является оптимальным, так как обеспечивает мелкое зерно аустенита при нагреве и мелкоигольчатый мартенсит с вязким изломом после охлаждения. Нагрев доэвтектоидной стали значительно выше точки Ас₃ приводит к перегреву (укрупнению зерна аустенита), а последующее быстрое охлаждение приводит к получению крупноигольчатого мартенсита, что ухудшает вязкость стали. Перегрев стали, кроме того, способствует обезуглероживанию поверхности и образованию трещин при закалке. Этого следует избегать.

Нагрев доэвтектоидной стали в область межкритических температур (выше Ас₁, но ниже Ас₃) не обеспечит растворения исходного феррита в аустените. Аустенит при закалке превратится в мартенсит, а оставшийся феррит снизит прочностные свойства стали. Поэтому такой нагрев для доэвтектоидной стали является недостаточным (неполная закалка), структурные изменения в доэвтектоидных сталях при закалке происходят по схеме:

Заэвтектоидные стали (> 0,8 % С) подвергаются неполной закалке, т. е. нагреваются до температуры на 30...50 ^оС выше точки Ас₁ (727 ^оС). При таком нагреве из перлита образуется аустенит, а избыточный цементит сохраняется. После охлаждения со скоростью выше критической аустенит превращается в структуру закаленной стали – мартенсит, а цементит без изменения сохраняется в мартенситной основе и обеспечивает большую твердость и износостойкость инструментальных сталей.

В реальных условиях наблюдаются нарушения режимов нагрева и имеет место неполная закалка изделий из доэвтектоидных сталей (вследствие недостаточной температуры печи), а также полная закалка изделий из заэвтектоидных сталей (вследствие повышенной температуры печи), приводящие к браку термообработки – снижению твердости.

В заэвтектоидных сталях структурные превращения при закалке происходят по следующей схеме:

Таким образом, для заэвтектоидных сталей оптимальной будет неполная закалка.

Нагрев выше точки Ас_m (линия SE) приводит к образованию высокоуглеродистого аустенита (вследствие растворения в нем цементита), обеспечивающего после охлаждения крупноигольчатый (вследствие перегрева) мартенсит и большее количество остаточного аустенита в связи с тем, что в таком (высокоуглеродистом) аустените конец мартенситного превращения (рисунок 2.4, точки М_к) сдвигаются в область отрицательных температур.

Рисунок 2.4 – Изменение температурного интервала мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода в аустените

В соответствии с этой схемой после закалки сталей с содержанием углерода более 0,5 % в структуре всегда будет присутствовать остаточный аустенит (см. точку пересечения линий конца мартенситного превращения и температуры охлаждающей жидкости). Остаточный аустенит ухудшает свойства закаленной стали.

Нагрев под закалку производится в печах периодического и непрерывного действия. Для предотвращения обезуглероживания и окисления поверхностного слоя заготовок применяются ванны, в которых изделие нагревается в расплавленных солях или металлах.

Скорость охлаждения регулируется видом охлаждающей среды, в качестве которой наиболее часто применяются минеральное масло, вода, водные растворы солей, кислот, щелочей. Для углеродистых сталей необходимая скорость достигается при охлаждении в воде (в водных растворах), для легированных – в масле или на воздухе.

Мартенситное превращение носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением углерода и железа в решетке. При мартенситном превращении происходит лишь переход кубической гранецентрированной решетки аустенита (g-твердого раствора) в тетрагональную объемно-центрированную решетку a-твердого раствора. Особенность мартенситного превращения состоит в том, что весь углерод, находящийся в аустените (g-твердом растворе), переходит в a-твердый раствор. Пересыщение углеродом a-твердого раствора вызывает искажение ОЦК решетки Fe_a, т. е. приводит к образованию тетрагональной (с/а > 1) кристаллической решетки. Поэтому структура закаленной стали – мартенсит – представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе.

Внутренние напряжения, возникающие при закалке. Поверхности раздела кристаллитов мартенсита – представляют собой труднопреодолимые препятствия для скольжения дислокаций при деформации кристалла. Перемещению дислокаций тормозят находящиеся в решетке мартенсита атомы углерода, создающие статические искажения решетки (напряжения III рода). Все это определяет высокую твердость структуры закаленной стали – мартенсита. С увеличением содержания углерода в мартенсите наряду с повышением твердости возрастает и хрупкость.

Мартенситное превращение, происходящее при закалке стали, приводит к увеличению удельного объема, что является одной из основных причин возникновения больших внутренних (структурных) напряжений II рода, вызывающих деформацию изделий или даже появление трещин. Перепад температур по сечению закаливаемого материала приводит к образованию термических внутренних напряжений (I рода). Эти напряжения, возникающие при закалке (структурные и термические), тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в мартенситном интервале температур (М_н–М_к).

Контрольные вопросы

1. Дать определения закалке, полной и неполной, указать области их применения.

2. Описать превращения, протекающие в до - и заэвтектоидных сталях при полной и неполной закалках, и указать образующиеся при этом структуры.

3. Дать определение мартенситу, указать особенности мартенситного превращения и причины повышения прочностных свойств.

4. Описать превращения, протекающие в стали в случае охлаждения аустенита со скоростями меньшими критической.

5. Указать, от чего зависит количество остаточного аустенита в закаленной стали и причину его появления.

6. Дать классификацию внутренних напряжений и причины их возникновения.

Задание по работе

1 Начертить стальной участок диаграммы состояния « Fe–Fe₃C » и нанести на него температурные интервалы нагрева стали под закалку.

2 Начертить диаграмму изотермического распада аустенита и нанести на нее скорости охлаждения, обеспечивающие получение структуры мартенсита и феррито-цементитных смесей.

3 Описать фазовые превращения, имеющие место при полной и неполной закалках до- и заэвтектоидных сталей, записать образующиеся при этом структуры в таблицу 2.1 и обосновать выбор режима их термической обработки.

4 Нагреть образцы стали 40 до температур, необходимых для полной и неполной закалки, произвести закалку, измерить твердость и занести данные в таблицу 2.2, указав структуры закаленной стали.