Термическая обработка сталей

Цель работы: ознакомиться с теорией и практикой термической обработки, установить зависимость механических свойств закаленной стали от режима термической обработки.

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться с химическим, деформационным, магнитным и другими видами воздействия. Термообработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов, деталей машин; применяется как промежуточная стадия для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и т.д.) и как окончательная операция для придания металлу (сплаву) комплекса механических, физических, химических свойств, которая обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.

Среди видов термической обработки сталей выделяют отжиг, нормализацию, закалку, отпуск.

В железоуглеродистых сплавах температуры наиболее важных превращений при нагреве – критические точки – обозначаются буквами А_С с соответствующими индексами: А_С1 – температура эвтектоидного превращения (линия PSK); А_С3 – температура полиморфного a«g превращения (линия GS); А_С4 – температура полиморфного g«d превращения (линия NI); Асm – температура выделения цементита вторичного из аустенита (линия SE).

Отжигом называют вид термической обработки, обеспечивающий получение равновесной структуры. Конструкционные доэвтектоидные стали подвергаются полному (перекристаллизационному) отжигу: их нагревают до температуры выше критической точки Ас₃ на 30÷50 °С, охлаждают медленно (с печью) со скоростью 100÷200 градусов/час. В результате отжига снимаются внутренние напряжения, устраняются пороки (например, строчечность, видманштеттов феррит) – получается равновесная феррито-перлитная структура, снижается твёрдость и повышается пластичность и вязкость. Неполный отжиг (нагрев выше А_С1, но ниже А_С3) для доэвтектоидных сталей применяется ограниченно, он проводится для смягчения сталей перед обработкой резанием.

Для заэвтектоидных сталей используется неполный отжиг с нагревом до 740÷780 °С и последующим медленным охлаждением. Образуется структура зернистого перлита (сферодита), поэтому отжиг называют сфероидизирующим. Такая сталь обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Сфероидизирующий отжиг применяется для углеродистых и легированных инструментальных и шарикоподшипниковых сталей.

Нормализация– разновидность отжига 2-го рода – вид термообработки, состоящей из нагрева сталей до температуры выше критической точки А_С3 или Асm на 30÷50 °С, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе. Эта обработка применяется для устранения крупнозернистой структуры и выравнивания механических свойств. Для малоуглеродистых сталей (содержащих до 0,3% С) нормализация используется вместо отжига как более экономичная термическая обработка. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

Закалкой сталей называют вид термической обработки, состоящей из нагрева сталей до температуры на 30÷50 °С выше критической точки Ас₁ для инструментальной стали или Ас₃ для конструкционной, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаждения со скоростью выше критической (в воде, растворах солей, полимеров или в других средах). В результате закалки повышается твердость и прочность сталей, но снижается пластичность.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием фазовых превращений в твердом состоянии: охлаждая аустенит с различными скоростями и обеспечивая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

При относительно небольших скоростях охлаждения аустенит претерпевает превращение при температурах 700÷550 °С с образованием структур перлитного типа – перлит, сорбит, троостит. Эти структуры представляют собой фазовую смесь феррита и цементита, имеют пластинчатое строение и отличаются друг от друга степенью дисперсности – межпластинчатым расстоянием (суммой толщин двух соседних пластин феррита и цементита). Дисперсность полученной смеси возрастает по мере снижения температуры превращения, одновременно возрастает прочность и твердость, снижаются пластические свойства сталей (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1

Характеристики перлитных структур

Название микроструктуры	Межпластинчатое расстояние, мкм	Твердость по Бринеллю НВ, МПа
перлит	0,6÷1,0	1800÷2500
сорбит	0,25÷0,3	2500÷3500
тростит	0,1÷0,15	3500÷4500

При значительных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается до более низких температур, при которых происходит бездиффузионное превращение с образованием мартенситной структуры. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе, он имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Степень тетрагональности мартенсита (отношение периодов кристаллической решетки с/а) возрастает с увеличением содержания углерода в стали. Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и прочность, которые возрастают с увеличением содержания углерода в сталях. Так, твердость мартенсита стали с 0,6÷0,7% С составляет 65 HRC, а прочность на разрыв 2600÷2700 МПа.

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур. На рис. 3.1 линии Мн и Мк показывают температуры начала и окончания мартенситного превращения. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для превращения аустенита в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (Vкр).

Охлаждающие среды в значительной мере изменяют скорость охлаждения при закалке, следовательно, и структуру стали. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей и солей (для закалки углеродистых и низколегированных сталей), масла (для закалки легированных сталей).

Структура доэвтектоидной стали, получаемая после правильной закалки, будет представлять собой мартенсит.

При нагреве стали ниже критической точки А_С3 и выше А_С1 конструкционная сталь получает неполную закалку, потому что при этой температуре не весь феррит превращается в аустенит; при быстром охлаждении в воде аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается без изменения и структура стали после закалки будет состоять из мартенсита и феррита. Инструментальные стали подвергаются только неполной закалке (А_С1<t< Асm). Их структура после закалки состоит из мартенсита и цементита вторичного.

В закаленных сталях, имеющих точку Мк ниже 20 °С (стали, содержащие свыше 0,5% С) в структуре присутствует остаточный аустенит, количество которого увеличивается с увеличением содержания углерода в сталях. При большом количестве остаточного аустенита (более 30%) его можно наблюдать в виде светлых полей между иглами мартенсита.

При перегреве конструкционной стали значительно выше критической точки Ас₃ (на 100÷150 °С), происходит рост зерна аустенита. После закалки в воде получается структура крупноигольчатого мартенсита, который по механическим свойствам уступает мартенситу мелкоигольчатому. Оптимальные температуры нагрева сталей под закалку приведены на рис. 3.2.

Закалка стали сопровождается существенным увеличением объема (0,3÷0,9%), что в условиях высокой скорости и неодновременности превращения по объему закаливаемого изделия вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут привести к короблению изделий и образованию трещин. Оставшиеся внутренние напряжения могут вызвать деформацию изделий с течением времени в условиях эксплуатации. Поэтому закаленные детали машин или инструмент всегда подвергают отпуску.

Рис. 3.2. Температурный интервал закалки сталей

Отпуск – вид термической обработки закаленной стали, состоящий в нагреве ее до температур, меньших Ас₁, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Отпуск проводится с целью уменьшения закалочных напряжений, снижения твердости, повышения пластичности и вязкости, получения более устойчивых структур.

Основным превращением при отпуске является распад мартенсита – выделение пересыщающего углерода в виде мелких кристалликов карбида железа. Частичный распад мартенсита происходит в закаленной стали даже в процессе вылеживания при комнатной температуре, однако с повышением температуры процесс ускоряется и достигает более полного развития. Мартенсит, обедненный углеродом в процессе отпуска, называется отпущенным.

Распад мартенсита при постоянном нагреве завершается при температурах около 400 °С, образовавшуюся феррито-цементитную высокодисперсную смесь называют трооститом отпуска. Более высокие температуры нагрева вызывают процесс коагуляции карбида железа. В результате снижается дисперсность феррито-цементитной смеси, а структура приближается к равновесной. Сорбитом отпуска называют структуру углеродистой стали, полученную после отпуска при 500÷650 °С. Более высокие температуры нагрева вызывают образование зернистого перлита.

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

· Низким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 150÷200 °С с последующим охлаждением на воздухе. Образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Снижения твердости такой отпуск практически не вызывает. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементованных деталей.

· Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350÷450°С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости. Образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется для термической обработки рессор, пружин и штампов.

· Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500÷650 °С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали, образующаяся структура – сорбит отпуска. Эта структура обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности.

Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Улучшение рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Оборудование, инструменты и материалы для выполнения работы

Для выполнения работы потребуются муфельные электропечи, твердомер ТК-2М с шариковым и алмазным наконечниками, шлифовальные шкурки, термопары с гальванометрами, бачки с охлаждающими жидкостями, щипцы для закладки образцов в печь, образцы стали с содержанием углерода 0,4÷0,6% в количестве 7 штук, коллекция микрошлифов неравновесных структур.