Г. гр.2ТПС-6-20
Дисциплина «Материаловедение»
Преподаватель Бойченко Т.Е.
Занятие № 13
Тема: Термическая обработка углеродистой стали. Закалка и отпуск стали.
Цель: обучить студентов, давая им систему теоретических знаний, а также практических умений и навыков;
развивать мыслительные способности, их устную и письменную речь, память, воображение, навыки самоорганизации;
содействовать воспитанию нравственных или эстетических убеждений, чувств, волевых и социально-значимых качеств
Термическая обработка углеродистой стали.
В процессе изготовления деталей машин они подвергаются упрочняющей термической обработке. Наиболее распространенным видом термической обработки углеродистых сталей является закалка с последующим отпуском.
Закалка - термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали выше температур фазовых превращений, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью выше критической.
При эвтектоидном превращении образуются фазы, резко отличающиеся по составу от аустенита - феррит и цементит.
Содержание углерода в стали зависит от температуры начала и конца мартенситного превращения.
Мартенсит образуется в результате равного смещения атомных плоскостей в решетке аустенита и имеет форму пластин, растущих с громадной скоростью, обладает высокой твердостью и прочностью.
Мартенситные стали - перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода С в α - Fe. Превращение происходит при непрерывном охлаждении в интервале температур Мн -Мк.
При t =700- 650 oC образуется механическая смесь кристаллов феррита и цементита, дисперсность возрастает по мере снижения температуры превращения. Такие структуры по мере превращения дисперсности кристаллов феррита и цементита называются перлитом, сорбитом и троститом.
В температурной области между перлитом и мартенситом происходит бейнитное (промежуточное) превращение. При этом образуется бейнит. Различают структуру верхнего и нижнего бейнита. Верхний - образуется при 500-380 oC на фоне α - твердого раствора. Выделяются изолированные узкие частицы карбидов (раствора). Низкий - образуется от 350 oC до 250 oС и имеет игольчатое мартенситное строение. Он имеет более высокую твердость и прочность при высокой пластичности и вязкости (в отличие от перлита). Закалка на нижний бейнит используется для упрочнения деталей машин.
Для описания процесса превращения переохлажденных сталей экспериментально построенными диаграммами изотерического распада аустенита, фиксируя при этом изменения каких-либо свойств, определяют время начала и конца превращения. Полученные точки отмечают в координатах: время - температура, и соединив между собой, получают две линии в виде буквы "С" - С-образные кривые.
Рисунок 43 - Диаграмма изотермического превращения аустенита стали, содержащей 0,8 % углерода
На диаграмме можно выделить три температурные зоны:
1. Зона перлитного превращения, в которой образуются структуры перлита, сорбита и тростита;
2. Зона бейнитного превращения;
3. Зона мартенситного превращения.
Минимальная скорость охлаждения Vкр, при которой аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки.
Технология закалки стали включает операции: нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение со скоростью обычно выше критической. Температуру нагрева назначают по диаграмме состояния Fe - Fe3С. Доэвтектоидные стали нагревают на 30 - 50 o выше критической температуры А3, заэвтектоидные - на 30 - 50 o выше А1.
Закалка с нагреванием до некритических температур, при которых сохраняется эвтектоидная фаза - феррит или вторичный цементит, называется неполной. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, а заэвтектоидные - неполной. После закалки доэвтектоидные и эвтектоидные стали имеют структуру мартенсита, а заэвтектоидные - мартенсита и цементита.
Отпуск углеродистых сталей
Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве сталей, подвергнутых закалке, до температуры ниже А1, выдержке и последующим охлаждением, с целью превращения неравновесной структуры в более равновесную.
После закалки сталь получает неравновесную мартенситную структуру, которая имеет высокий уровень внутренних напряжений, высокую прочность и твердость в сочетании с низкой пластичностью и вязкостью. Обязательно подвергается отпуску. Целью отпуска является снижение внутренних напряжений и достижение требуемого комплекса механических свойств.
В основе процессов, происходящих при отпуске, лежит переход закаленной стали в более устойчивое состояние, сопровождающееся распадом мартенсита и остаточного аустенита с образованием в конечном итоге феррито - цементитных структур. Характер и скорость определяют температуру нагрева при отпуске. Превращения при отпуске можно зафиксировать с помощью дилатометра - прибора, который используют для контроля изменения длины образца при нагреве и охлаждении.
В процессе отпуска можно выделить четыре превращения:
Распад мартенсита (первое превращение).
При температуре от 80 - 200 oC из мартенсита начинает выделяться перенасыщающий его углерод в виде метастабильного ε - карбида, имеющего химический состав близкий к Fe2C. Снижение количества растворенного С уменьшает количество мартенсита, в результате его объем уменьшается. В результате распада мартенсита образуется структура, которую называют отпущенным мартенситом, отличающегося от мартенсита закалки меньшей концентрацией С и дисперсных пластин, включением ε - карбида, когерентно связанного с решеткой мартенсита.
При температуре 200 - 300 oC происходит превращение остаточного аустенита (второе превращение). В результате образуется структура, состоящая из пересыщенного раствора (мартенсита) и α - фазы железа, одновременно продолжающегося распадом мартенсита и превращением ε-карбида в цементит.
Второе превращение сопровождается увеличением длины образца, так как остаточный аустенит имеет меньший объем, чем продукты его распада.
Снятие внутренних напряжений и карбидное превращение (третье превращение). Температура 350-400 oC. Завершается превращение ε - карбида в цементит. Когерентность решеток α - твердого раствора и карбида нарушается, форма карбидной части приближается к сфероидальной. Завершается процесс выделения С из α - твердого раствора (мартенсита). Мартенсит переходит в феррит. Образовавшаяся в результате третьего превращения дисперсная феррокарбидная смесь называется троститом отпуска.
При температуре больше 400 oC происходит коагуляция (укрупнение) кристаллов цементита за счет растворения более мелких кристаллов и роста крупных (четвертое превращение). Форма приближается к сфероидальной. Образовавшаяся при высокотемпературном нагреве ферритокарбидная смесь называется сорбитом отпуска. Сорбит получается в результате распада переохлажденного аустенита. Тростит и сорбит отпуска имеют зернистое, а не пластинчатое строение. Сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения пластичности и вязкости при одинаковой твердости и прочности.
Свойства стали определяются в основном температурой отпуска. Различают три вида отпуска:
Низкотемпературный (низкий отпуск) осуществляется в интервале температур 250-350 oC. Мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, незначительно повышается прочность и вязкость без снижения твердости. Низкому отпуску подвергаются режущий и мерительный инструмент из углеродистой и низкоуглеродистой сталей.
Среднетемпературный (средний) отпуск осуществляется при температуре 350-500 oC. После среднего отпуска сталь имеет структуру тростита отпуска или тросто-мартенсита. Средний отпуск обеспечивает повышение предела упругости и предела выносливости. Твердость и прочность стали понижается, а пластичность и вязкость возрастают. Применяют в основном для пружин, рессор и штампов.
Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при температуре 500-680 oC. Сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее для конструкционных сталей сочетание прочности и вязкости.
Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Повышается предел выносливости, ударная вязкость, уменьшается чувствительность к концентратам напряжений.
Продолжительность отпуска обеспечивает прогрев изделия до заданной температуры и завершение превращения при отпуске.
С уменьшением температуры и повышением массы изделий продолжительность отпуска увеличивается. Так для определенных деталей при температуре 500-600 oC продолжительность нагрева составляет 40 мин., при 300 - 400 oC -70 мин., при температуре менее 300 oC - 170 минут.
Домашнее задание:
1. Записать в конспект дату и тему занятия.
2. Внимательно изучить конспект, а при возникновении вопросов задать его преподавателю.
3. В конспекте записать дату и тему лекции и ответить на вопрос:
1) Три вида отпуска стали?
4. Выполненные задания, вопросы отправляем в комментариях, личные сообщения преподавателю или на его электронную почту