Термическая обработка стали

Цель работы: ознакомиться с практикой выполнения отжига, нормализации, закалки и отпуска на примере конструкционной стати 40Х (0,4 % углерода, 1 % хрома). Изучить влияние режимов термической обработки на твёрдость стали.

Содержание работы

Свойства стали зависят от химического состава и структуры. Термической обработкой, изменяя структуру, можно получить требуемые свойства конкретной детали. Различают основные вида термической обработки стали: отжиг, нормализацию и закалку.

Любая обработка стали состоит из нагрева, выдержки при температуре нагрева и охлаждения. Нагрев и выдержка необходимы для превращения исходной структуры в однородный аустенит. Охлаждение с различной скоростью от аустенитного состояния приводит к образованию различных структур и определяет получение требуемых свойств стали.

1.1. Основные виды термической обработки стали и их назначение

Отжиг – нагрев стали выше линии А₃ (рис. 5.1) доэвтектоидной или А₁ заэвтектоидной на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охлаждение вместе с печью. Весьма медленное охлаждение приводит сталь в равновесное со­стояние, снижает её твёрдость. Выполняется для исправления структуры или улучшения обрабатываемости резанием конструкционных и инструментальных сталей.

а) б)

Рис. 5.1. Стальной участок диаграммы «Железо – цементит» (а) и температурные области нагрева сталей (б): 1 – доэвтектоидных при отжиге, нормализации, закалке; 2 – заэвтектоидных при закалке; 3 – заэвтектоидных при нормализации;

4 – при низком отпуске; 5 – при среднем отпуске; 6 – при высоком отпуске

Нормализация – нагрев стали выше линии А₃ (доэвтектоидной) или А_ст (зазвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее охла­ждение – на спокойном воздухе. Более ускоренное охлаждение при нормализации несколько повышает прочность и твёрдость стали. Выполняется для исправления структуры или придания большей прочности и повышенной вязкости, конструкционным и инструментальным сталям.

Закалка – нагрев стали выше линии А₃ (доэвтектоидной) или А₁ (заэвтектоидной) на 30–50 °С, выдержка при этой температуре и последующее ускоренное охлаждение – в воде, масле или другом охладителе. Максимально повышается твёрдость и прочность конструкционных и инструментальных сталей.

Процессы нагрева стали

Температура нагрева определяется положением критических точек А₁ и А₃ на диаграмме «Железо – цементит» (рис. 5.1, а). Для правильного выполнения термической обработки сталей температуры нагрева должны соответствовать указанным облас­тям, в которых основное фазовое состояние – аустенит.

Если же по какой-либо причине температура нагрева окажется ниже линии А₁, то исходная структура сохраняется и свойства сталей после охлаждения не изменяются.

В случае нагрева доэвтектоидных сталей выше А₁, но ниже линии А₃ не весь феррит превратится в аустенит. Присутствие в структуре нерастворенного феррита, имеющего низкую твердость, обуславливает пониженную твердость стали. Такая закалка считается неполной.

У заэвтектоидных сталей при закалке растворение цементита вторичного в аустените нежелательно из-за охрупчивания стали, поэтому нагрев выполняется выше линии А₁, но ниже А_ст.

Таблица 5.1

Нормы нагрева изделий

Температура нагрева, ºС	Форма изделия
круг	квадрат	пластина
Продолжительность нагрева, мин
на 1 мм диаметра	на 1 мм толщины	на 1 мм толщины
	2,0	3,0	4,0
	1,5	2,2	3,0
	1,0	1,5	2,0
	0,8	1,2	1,8
	0,4	0,6	1,6

Время выдержки в печи складывается из времени прогрева изделия до заданной температуры и длительности выдержки при температуре, необходимой для превращения исходной структуры в аустенит. Время нагрева зависит от типа нагревающего устройства, способа укладки изделий, температуры нагрева, формы, размеров изделия и от других факторов. Нормы времени нагрева изделий различной формы в лабораторных печах приведены в табл. 5.1.

Процессы охлаждения стали

Охлаждающая среда обеспечивает определённую скорость охлаждения и назначается, исходя из требуемых структуры и свойств стали. Получаемую структуру можно определить при наложении векторов скоростей охлаждения на термокинетическую диаграмму (рис. 5.2) распада аустенита. В зависимости от скорости охлаждения превращение аустенита может быть диффузионным и бездиффузионным.

Рис. 5.2. Термокинетическая диаграмма распада аустенита эвтектоидной стали: заштрихованная область – область перлитного превращения; V1, V2, V3, V4, VКР – векторы скоростей охлаждения; МH – линия начала мартенситного превращения

Критерием превращения является критическая скорость закалки V_КР. Это наименьшая скорость охлаждения, при которой подавляется диффузия атомов углерода. Для углеродистых и низколегированных сталей V_КР = 250 ºС/с.