Цель работы: изучение основ теории и технологии закалки сталей.

Закалкой называется вид термической обработки, который заключается в нагреве стали на 30–50 ^оС выше температур критических точек Ас₁ или Ас₃ диаграммы состояния «Fe–Fe₃С» в соответствии с рисунками 10.1 и 10.2, выдержке при этих температурах для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении в область мартенситного превращения со скоростью выше критической V_к (рисунок 10.3).

0C       Ф

t

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

С

Рисунок 10.1 – Температурный Рисунок 10.2 – Диаграмма Fe–Fe₃C

режим закалки стали

Рисунок 10.3 – Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита

Под критической скоростью закалки понимается минимальная скорость охлаждения, обеспечивающая бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. 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 (см. рисунок 10.2).

Все доэвтектоидные стали (< 0,8 % С) должны подвергаться полной закалке. Нагрев осуществляется на 30–50 ^оС выше точки Ас₃ (рисунок 10.2, линия GS). При этом сталь с исходной структурой феррита и перлита при нагреве переходит в аустенитное состояние. При последующем охлаждении со скоростью выше критической (см. рисунок 10.3) аустенит превращается в 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. Нагрев осуществляется до температуры на 30...50 ^оС выше точки Ас₁ (727 ^оС). При таком нагреве образуется аустенит из исходной структуры перлита, 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 (цементит обеспечивает большую твердость и износостойкость инструментальных сталей).

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

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 10.4, точка М_к) сдвигается в область отрицательных температур.

Рисунок 10.4 – Изменение температурного интервала мартенситного превращения в зависимости от содержания углерода в аустените

Согласно этой схемы 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. В заэвтектоидных сталях структурные превращения при закалке происходят по следующей схеме:

Таким образом, для заэвтектоидных сталей оптимальной будет неполная закалка. Нагрев под закалку производится в печах периодического и непрерывного действия. Широко 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. В приведенном ряду скорость охлаждения от первой охлаждающей среды к последней увеличивается. Для углеродистых сталей необходимая скорость достигается при охлаждении в воде (в водных растворах), для легированных –в масле или на воздухе.

Мартенситное превращение имеет ряд особенностей по механизму и кинетике. Оно носит бездиффузионный характер, т. е. не сопровождается диффузионным перераспределением углерода и железа в решетке. При мартенситном превращении происходит лишь коллективное смещение, сдвиг атомов на небольшое расстояние при наличии когерентной связи решеток аустенита (г. ц. к.) и мартенсита (тетрагональная).

Наличие этой связи (общей атомной плоскости) приводит практически к мгновенному во времени превращению. При мартенситном превращении происходит лишь переход кубической гранецентрированной решетки аустенита (g-твердого раствора) в тетрагональную объемно-центрированную решетку a-твердого раствора. Особенность мартенситного превращения в сталях состоит в том, что весь углерод, находящийся в аустените (g-твердом растворе), переходит в a-твердый раствор. Пересыщение углеродом a-твердого раствора вызывает искажение решетки (о. ц. к.) a-Fe, 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.

Особенностью мартенсита является его высокая твердость и прочность. В сталях с содержанием 0,6...0,7 % С твердость мартенсита достигает ~60 HRC, это в 6 раз больше равновесного a-твердого раствора – феррита. Высокая твердость мартенсита объясняется созданием микро- и субмикроскопической неоднородности строения с равномерным ее распределением по объему, т. е. большим числом нарушений кристаллического строения.

Поверхности раздела кристаллитов мартенсита – представляют собой труднопреодолимые препятствия для скольжения дислокаций при деформации кристалла. Перемещения атомов 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).

В случае охлаждении аустенита со скоростями меньшими критической вместо мартенсита в интервале температур 720–550^о С образуются феррито-цементитные смеси, получившие название перлит, сорбит, троостит. По мере увеличения скорости охлаждения дисперсность смеси возрастает, что приводит к повышению твердости и прочности. Наиболее грубой смесью является перлит, максимальной дисперсностью обладает троостит.

Контрольные вопросы

1. Дать определения закалке, полной и неполной, указать область 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 его 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 причины 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 10.1 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 10.2, определив структуры закаленной стали.

Таблица 10.1 – Влияние вида закалки на микроструктуру стали

Марка стали	Структура после полной закалки	Структура после неполной закалки
У7
У8
У9
У13

Таблица 10.2 – Влияние условий термической обработки на твердость и

микроструктуру стали 40

Условия закалки	Твердость стали	Микро- структура
Температура, оС	Охлаждающая среда
	Масло
Вода
	Масло
Вода
Без термической обработки

11 Лабораторная работа № 11. Отпуск закаленной стали

Цель работы: изучение теории и технологии отпуска закаленной стали; проведение заключительной термической обработки – отпуска закаленной стали.

Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки А₁ (727 ^оС), выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой в той или иной мере снимаются внутренние закалочные напряжения (термические и структурные), и формируется требуемый комплекс механических свойств.

После правильно выполненной закалки сталь имеет структуру мартенсита с некоторым количеством аустенита остаточного. Эти фазы при комнатной температуре являются метастабильными (неустойчивыми) и сохраняются только по той причине, что в этих условиях практически отсутствует диффузионная подвижность атомов железа и углерода. Повышение температуры, активизирующее диффузию, приводит к распаду этих фаз, конечным продуктом которого в равновесных условиях должна являться феррито-цементитная смесь. Степень распада мартенсита и аустенита остаточного при отпуске определяется температурой обработки. При этом в зависимости от температуры нагрева в процессе отпуска имеют место четыре превращения.

Первое превращение при отпуске – (распад мартенсита) при температурах от 80 до 300 ^оС происходит распад мартенсита (пересыщенного углеродом a-твердого раствора), связанный с выделением части углерода из решетки мартенсита и образованием e-карбидов с гексагональной решеткой (Fe_хC). Пластинки e-карбидов когерентно связаны с решеткой a-твердого раствора (мартенсита). Образующаяся после первого превращения при отпуске структура, представляющая собой пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе (но степень пересыщения меньше, чем непосредственно после закалки) и когерентно связанные с ним дисперсные выделения e-карбидов, называется отпущенным мартенситом (рисунок 11.1).

Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность решетки мартенсита. Некоторое снижение внутренних напряжений приводит к повышению вязкости материала. Твердость, прочность и износостойкость при этом практически не изменяются. Низкотемпературный отпуск предназначен для инструментальных сталей, а также для деталей машин, изготовляемых из низкоуглеродистых сталей и прошедших цементацию, нитроцементацию или цианирование.

Рисунок 11.1 – Схема образования мартенсита отпуска при нагреве

Структура «мартенсит отпуска» характерна для инструментов подвергаемых ударным нагрузкам, например, клеймам, зубилам, топорам, молоткам, вырубным пуансонам. Эти инструменты изготавливают из доэвтектоидных сталей У7, 6ХС, 7ХС, отсутствие цементита в которых обеспечивает достаточную вязкость.

Второе превращение при отпуске – превращение аустенита остаточного в мартенсит отпущенный. При температурах отпуска 250–300 ^оС остаточный аустенит обедняется углеродом и легирующими элементами. В результате этого температуры точек М_н и М_к повышаются (рисунок 11.20). Например, при закалке стали У12 температура конца мартенситного превращения составляет минус 100 ⁰С, что приводит к образованию большого количества остаточного аустенита (около 50%).

Рисунок 11.2 – Изменение температуры окончания мартенситного превращения в стали У12 при снижении содержания углерода в аустените

В процессе нагрева при отпуске аустенит остаточный обедняется углеродом до 0,4%, что приводит к повышению температуры конца мартенситного превращения от - 100 ⁰С до +100 ⁰С (т.е. на 200 ⁰С, согласно рисунка 11.2). При извлечении заготовки из печи температура ее снижается от 250 ⁰С до 100 ⁰С, что приводит к превращению аустенита в мартенсит закалочный. В процессе дальнейшего снижения температуры (до 80 ⁰С) завершается первое превращение при отпуске и образуется мартенсит отпуска. Таким образом, продуктом распада остаточного аустенита является гетерогенная смесь, состоящая из мартенсита отпуска и цементита (Fe₃С). Образование цементита может протекать как путем перестройки решетки e-карбида в решетку цементита, так и непосредственным выделением углерода из решетки аустенита.

Третье превращение (превращение мартенсита отпуска в тонкую феррито-цементитную смесь). К началу третьего превращения (t » 300 ^оС) сталь состоит из малоуглеродистого мартенсита (С » 0,1 %) с кубической решеткой и когерентно связанных с ней выделений e-карбидов. При температурах 350–400 ^оС завершается процесс выделения избыточного углерода из мартенсита и превращения его в феррит (содержание углерода в твердом растворе становится равным 0,01%, что соответствует его равновесной концентрации в феррите). По мере снижения концентрации углерода в твердом растворе происходит увеличение количества цементита и рост его кристаллов. На определенном этапе этого процесса происходит срыв когерентности между решетками цементита и феррита. Это приводит к снижению внутренних напряжений и вызывает значительное уменьшение твердости и прочности (≈ 40HRC). К концу третьего превращения образуется дисперсная (тонкая) ферритокарбидная смесь зернистого вида, называемая трооститом отпуска. Характерной особенностью этой структуры является высокий предел упругости, что обусловливает использование ее при изготовлении упругих элементов: пружин, рессор.

Четвертое превращение (коагуляция и сфероидизация карбидов). Повышение температуры отпуска до 500–600 ^оС не вызывает фазовых превращений, но вследствие развития диффузионных процессов реализуется стремление системы к снижению свободной энергии из-за уменьшения поверхностной энергии в процессе объединения групп мелких зерен в более крупные. Поэтому при этих температурах основными процессами являются начавшиеся на стадии третьего превращения коагуляция и сфероидизация карбидов. Образующаяся структура представляет собой более грубую (крупную), чем после третьего превращения ферритокарбидную смесь зернистого ти­па, называемую сорбитом отпуска. Укрупнение зерен приводит к снижению прочностных свойств (до 25HRC), но округление формы зерен обусловливает снижение напряжений, возникающих в процессе нагрузок (см. рисунок 9.5 на с. 14), повышение ударной вязкости, что, в совокупности, приводит к повышению надежности изделий от внезапного хрупкого разрушения. Сорбит отпуска используют для изготовления ответственных деталей машин, работающих в тяжелых условиях нагружения (знакопеременных нагрузках и сложных напряженных состояниях), например: валов, осей, полуосей, шатунов, коленчатых валов и пр.

Общая закономерность изменения механических свойств при повышении температур отпуска заключается в снижении прочностных характеристик (s_В, НВ) и возрастании характеристик пластичности (d, y) и особенно ударной вязкости (KCU).

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

Низким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур, не превышающих 200 ^оС. Такой отпуск практически не вызывает снижения твердости закаленной стали; образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Такой отпуск рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементированных деталей.

Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350–450 ^оС. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости; образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке рессор и пружин.

Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500–600 ^оС. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали; образующаяся структура – сорбит отпуска.

Сорбит отпуска обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности. Закалка стали с последующим высоким отпуском носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых (улучшаемых) конструкционных сталей, применяемых для изготовления ответственных деталей машин.

Контрольные вопросы

1. Дать определение отпуску, указать виды отпуска и область их применения.

2. Изложить сущность и механизм 4-х превращений, протекающих в процессе отпуска закаленной стали, указать образующиеся при этом структуры.

3. Дать определения образующимся при отпуске структурам, указать их свойства и области применения.

Задание по работе

1. Изучить и описать основные превращения при отпуске.

2. Нарисовать схему и описать процессы, обеспечивающие протекание второго превращения при отпуске.

3. Измерить исходную твердость закаленных образцов из стали 40 и произвести их отпуск при различных температурах.

4. Определить твердость образцов после отпуска и объяснить влияние отпуска на этот параметр. Результаты экспериментов свести в таблицу 11.1 и сделать соответствующие выводы.

Таблица 11.1 – Влияние температуры отпуска на твердость и микроструктуру стали 40

Температура отпуска, оС	Твердость, HRC	Микроструктура
Без отпуска

12 Лабораторная работа № 12. Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки

Цель работы: изучение методики назначения режимов термической обработки и основных фазовых превращений, протекающих в сталях при отжиге, нормализации, закалке и отпуске.

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. При термической обработке стали протекают фазовые превращения. Они вызваны тем, что вследствие изменившихся условий (температуры) новое состояние оказывается более устойчивым, чем старое, так как обладает меньшим запасом свободной энергии. Характер фазовых превращений зависит от скорости охлаждения. Превращения, протекающие при медленном охлаждении, близкие к равновесным; описываются диаграммой «железо-цементит». Диаграмма является также основой для изучения термической обработки. Она указывает каким видам термической обработки может быть подвергнут сплав и до каких температур требуется производить нагрев. Участок диаграммы «железо-цемен­тит», необходимый для термической обработки стали, представлен на рисунке 12.1.

%

0С

%

Рисунок 12.1 – «Стальной» участок диаграммы «железо-цементит»

Приведем общепринятые обозначения критических точек, необходимых для термической обработки стали. Критические точки обозначаются буквой А. Точка А₁ лежит на линии РSК и соответствует превращению аустенит – перлит. Точка А₃ лежит на линии GSЕ и соответствует началу выпадения или окончанию растворения феррита в доэвтектоидных сталях или цементита вторичного в заэвтектоидных сталях. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, после буквы А ставят буквы «с» и «r», соответственно (Аc₁, Аr₁, Аc₃, Аr₃). Точку Аc₃ для заэвтектоидной стали часто обозначают как точку Ас_m.

Основными видами термической обработки стали являются отжиг первого рода, отжиг второго рода, закалка, отпуск.

Отжиг первого рода. Отличительная особенность отжига первого рода от отжига второго рода состоит в том, что его проведение не обусловлено фазовыми превращениями. Основными параметрами отжига первого рода являются температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Скорости нагрева и охлаждения при этом имеют второстепенное значение. Отжиг первого рода частично или полностью устраняет отклонения от равновесного состояния, имеющиеся в стали после литья, обработки давлением, сварки в других технологических операциях. В зависимости от того, какие отклонения от равновесного состояния устраняются, различают гомогенизационный, рекристаллизационный и уменьшающий напряжения.

Гомогенизационный отжиг предназначен для устранения дендритной ликвации в литой стали. При этом сталь подвергается длительной выдержке (до 48 часов) при 1000 ^оС. При высокой температуре подвижность атомов в кристаллической решетке высокая и с течением времени за счет процессов диффузии происходит постепенное выравнивание химического состава. Однако усреднение химического состава происходит в пределах одного зерна, т.е. устраняется в основном дендритная ликвация. После гомогенизации металл обладает повышенной пластичностью и легко поддается пластической деформации.

Рекристаллизационный отжиг. Холодная пластическая деформация вызывает изменение структуры металла и его свойств. Сдвиговая деформация вызывает увеличение плотности дефектов кристаллической решетки, таких как вакансии, дислокации. Образование ячеистой структуры происходит с изменением формы зерен, они сплющиваются, вытягиваются в направлении главной деформации. Все эти процессы ведут к тому, что прочность металла постепенно увеличивается, пластичность падает, т.е. возникает наклеп или нагартовка. Дальнейшая деформация такого металла невозможна, т.к. происходит его разрушение. Для снятия эффекта упрочнения применяют рекристаллизационный отжиг, т.е. нагрев металла до температур выше начала кристаллизации, выдержку с последующим медленным охлаждением. Температура отжига на 100–200 ^оС выше температуры рекристаллизации, определяемой из выражения Т_рек = 0,4×Т_пл.

Продолжительность такого отжига зависит от размеров детали и в среднем составляет от 0,5 до 2 часов. В процессе рекристаллизационного отжига происходит образование зародышей новых зерен и последующий рост этих зародышей. Постепенно старые деформированные зерна исчезают. Количество дефектов в кристаллической решетке уменьшается, наклеп устраняется, и металл возвращается в исходное состояние.

Рекристаллизационный отжиг может применяться как предварительная, промежуточная, так и как окончательная термообработка. Как предварительная термообработка он применяется перед холодной деформацией, если исходное состояние металла неравновесное и имеет какую-то степень упрочнения. Как промежуточная операция рекристаллизационный отжиг применяется между операциями холодной деформации, если суммарная степень деформации слишком велика и запасов пластичности металла не хватает. Как окончательный вид отжига его применяют в том случае, если потребитель требует поставки полуфабрикатов в максимально пластичном состоянии.

Отжиг для снятия внутренних напряжений. Внутренние напряжения в металле могут возникать в результате различных видов обработки. Это могут быть термические напряжения, образовавшиеся в результате неравномерного нагрева, различной скорости охлаждения отдельных частей детали после горячей деформации, литья, сварки, шлифовки и резания. Могут быть структурными, т.е. появившиеся в результате структурных превращений, происходящих внутри детали в различных местах с различной скоростью. Внутренние напряжения в металле могут достигать большой величины и, складываясь с рабочими, т.е. возникающими при работе, могут неожиданно превышать предел прочности и приводить к разрушению. Этот отжиг проводится при температурах ниже температуры рекристаллизации: t_отж=0,2-0,3Тпл. Повышенная температура облегчает скольжение дислокаций и, под действием внутренних напряжений, происходит их перераспределение, т.е. из мест с повышенным уровнем внутренних напряжений дислокации перемещаются в области с пониженным уровнем. Происходит как бы разрядка внутренних напряжений. При нормальной температуре этот процесс будет длиться в течение нескольких лет. Увеличение температуры резко увеличивает скорость разрядки, и продолжительность такого отжига составляет несколько часов.

Отжиг второго рода.При отжиге второго рода сталь нагревается на 30–50 ^оС выше критических точек Аc₁ или Аc₃ с последующим медленным охлаждением, как правило, вместе с печью. На диаграмме изотермического превращения аустенита (рисунок 12.2) скорость охлаждения при отжиге соответствует кривой V₁.

В зависимости от температуры нагрева стали различают полный и неполный отжиг. При полном отжиге нагрев ведется на 30–50⁰ выше точки Ас₃, при неполном – в область межкритических температур (Ас₁ < t_{нагрева} < Ас₃).

t

Рисунок 12.2 – Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали

Основными целями отжига являются, перекристаллизация стали и устранение внутренних напряжений. Полный отжиг приводит к полной перекристаллизации (все составляющие исходной структуры при температуре нагрева переходят в аустенит). При неполном отжиге перекристаллизацию испытывает только перлит; феррит в доэвтектоидной стали и цементит вторичный в заэвтектоидной стали перекристаллизовываются частично. Отжиг приводит к снижению твердости, повышению пластичности и получению однородной мелкозернистой структуры. При медленном охлаждении стали, нагретой в аустенитную область, все фазовые превращения проходят в соответствии с диаграммой «железо-цементит». Доэвтектоидная сталь после отжига имеет структуру перлита и феррита, заэвтектоидная – перлита и цементита вторичного. Для доэвтектоидных сталей, как правило, проводится полный отжиг, для заэвтектоидных – неполный.

На структуру стали оказывает влияние температура отжига. Отжиг при температурах, значительно превышающих Ас₃, приводит к перегреву стали. У перегретой стали по сравнению со сталью, отожженной при нормальной температуре, величина, форма и расположение зерен будут иными. Так, при нагреве доэвтектоидной стали с 0,4 % С до 1000 ^оС (нормальный отжиг проводится при 860 ^оС) зерна аустенита вырастают до значительных размеров. В результате этого при охлаждении образуются крупные зерна перлита, а феррит выделяется в виде крупных игл (пластин) внутри перлита по определенным кристаллографическим плоскостям (рисунок 12.3). Такая структура носит названиевидманштетовой. Сталь с видманштетовой структурой имеет низкую ударную вязкость. Перегретую крупнозернистую сталь можно исправить путем нормального отжига. Видманштетова структура характерна также для литой стали, для сварных швов, для кованой стали, если ковка закончилась при высокой температуре.

а) – при 860 ^оС (правильный режим); б) – при 1000 ^оС (перегрев)

Рисунок 12. 3 – Микроструктура доэвтектоидной стали 45 после отжига

При неполном отжиге заэвтектоидных сталей нагрев проводится на 30–50 ^оС выше Ас₁. Так как в заэвтектоидных сталях количество цементита вторичного по сравнению с перлитом относительно невелико, при неполном отжиге они испытывают практически полную перекристаллизацию. Нерастворившиеся при нагреве частицы цементита вторичного (присутствующие в структуре в небольшом количестве) являются центрами кристаллизации для цементита, образующегося при последующем охлаждении ниже точки Ас₁ в результате эвтектоидного распада аустенита. В этом случае цементит принимает зернистую форму. Такой отжиг часто называют сфероидизирующим. В результате сфероидизирующего отжига образуется зернистый перлит (рисунок 12.4). Изменение формы включений цементита позволяет повышать вязкость стали; облегчает процесс обработки резанием. Такая структура стали является идеальной перед закалкой.

Если нагрев производить значительно выше Ас₁, то образуется пластинчатый перлит.

В заводской практике с целью экономии времени и получения более стабильных результатов все большее распространение получает так называемый изотермический отжиг. В этом случае сталь, нагретая выше критических точек Ас₁ или Ас₃, охлаждается с любой скоростью до температуры, лежащей на 50–100 ^оC ниже равновесной точки А₁, и при этой температуре выдерживается в течение времени, необходимого для полного распада аустенита. Так как превращение А®П идет при постоянной температуре и во всем объеме детали одновременно, такой способ отжига позволяет получить равномерную структуру по всему объему детали. Такой вид отжига применяется для крупногабаритных деталей ответственного назначения. В дальнейшем охлаждение до комнатной температуры ведется с любой скоростью.

Разновидностью отжига является нормализация. Отличие нормализации от отжига заключается в том, что охлаждение проводится на воздухе. После нормализации среднеуглеродистые стали имеют тот же фазовый состав, что и после отжига, однако дисперсность фаз в этом случае выше (рисунок 12.5), вместо перлита образуется структура близкая к сорбиту. Это приводит к повышению твердости и прочности материала.

Рисунок 12.4 – Микроструктура зернистого перлита заэвтектоидной стали	Рисунок 12.5 – Микроструктура доэвтектоидной стали 45 после нормализации

Нормализация является более дешевой термической обработкой, чем отжиг. Для низкоуглеродистых сталей (С < 0,3 %) разница в структуре и свойствах материалов, подвергнутых отжигу и нормализации, невелика. Эти стали рекомендуется подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей, содержащих 0,3–0,5 % углерода, различие в свойствах нормализованной и отожженной сталей более значительно. В этом случае нормализация не может заменить отжиг. Для этих сталей нормализацией часто заменяют более дорогую операцию – улучшение, состоящую в двойной обработке, включающей закалку и высокий отпуск.

Закалка. Закалкойназывается такой вид термической обработки, который заключается в нагреве на 30–50 ^оС выше точки Ас₃ или Ас₁, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью, как правило, выше критической V_к (см. рисунок 12.2). При охлаждении со скоростью, выше критической, аустенит переохлаждается ниже температуры точки М_н, при которой атомы железа и углерода практически теряют диффузионную подвижность, и происходит бездиффузионная перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную объёмно-центрированную решетку мартенсита. При этом весь углерод остается в твердом растворе Fе_g(С) ® Fе_a(С). Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в a-железе.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку. Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке. Оптимальным является нагрев на 30–50 ^оС выше точки Ас₃. В качестве охлаждающей среды для углеродистых сталей применяют воду. В результате такой обработки получается структура мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита. Мартенсит имеет игольчатое строение. Размер игл мартенсита определяется величиной исходного зерна аустенита. Чем больше зерно аустенита, тем крупнее размер игл образовавшегося мартенсита. При нормальной закалке образуется мелкоигольчатый мартенсит (рисунок 12.6, а).

а) – закалка с 860 ^оС (правильный режим) б) – закалка с 1000 ^оС (перегрев)

Рисунок 12.6 – Микроструктура стали 45 после полной закалки

Если сталь нагревать под закалку до температур, значительно превышающих точку Ас₃, а затем охладить в воде, то получится структура крупнозернистого мартенсита (рисунок 12.6, б). В доэвтектоидной стали (0,4 % углерода) структура крупнозернистого мартенсита образуется при нагреве до 1000 ^оС. Нормальная температура закалки этой стали равна 860 ^oС. Сталь со структурой крупноигольчатого мартенсита обладает повышенной хрупкостью.

При скорости охлаждения стали, меньше критической, например, V₂, V₃ (см. рисунок 12.2), аустенит распадается с образованием смеси частиц феррита и цементита, называемой сорбитом или трооститом. Эти структуры отличаются друг от друга величиной зерен (степенью дисперсности) цементита. Наиболее дисперсная структура у троостита. Ферритоцементитные смеси, образующиеся при охлаждении аустенита, имеют пластинчатое строение.

При скорости охлаждения, равной V₄ (см. рисунок 12.2), структура стали будет состоять из троостита и мартенсита. Как следует из диаграммы, в этом случае при охлаждении ниже точки а₁ аустенит частично превращается в троостит. Оставшийся аустенит ниже точки в₁ превратится в мартенсит. При закалке в масле сталь 40 будет иметь структуру, состоящую из троостита и мартенсита. Металлографически троостит выявляется в виде темных участков по границам зерен, светлые участки представляют собой мартенсит.

В случае нагрева под неполную закалку (выше Ас₁, но ниже Ас₃) доэвтектоидная сталь имеет структуру аустенита и феррита, а заэвтектоидная – аустенита и цементита вторичного. При охлаждении со скоростью больше критической аустенит превращается в мартенсит, а феррит в доэвтектоидной стали и цементит вторичный в заэвтектоидной не претерпевает фазовых превращений. Количество избыточных фаз (феррита или цементита) зависит от температуры закалки. Чем ближе температура нагрева к точке Ас₃, тем меньше в структуре закаленной стали избыточных фаз.

Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке. Наличие в структуре закаленных заэвтектоидных сталей вторичного цементита повышает твердость и износостойкость инструмента, изготавливаемого из этих сталей. При полной закалке заэвтектоидных сталей в результате более высокого нагрева сталь получает структуру крупноигольчатого мартенсита с повышенным содержанием аустенита остаточного. Механические свойства при этом снижаются. Неполная закалка для доэвтектоидных сталей не рекомендуется, так имеющийся в этом случае наряду с мартенситом феррит приводит к снижению твердости и прочности материала.

Высокая твердость и прочность мартенсита объясняется искажением решетки вследствие образования пересыщенного твердого раствора. Вследствие образования большого количества дефектов кристаллического строения пластическая деформация закаленной стали затруднительна и она склонна к хрупкому разрушению.

Отпуск.После закалки сталь подвергают отпуску. Под отпуском пони­мается совокупность операций, заключающихся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас₁, выдержке и охлаждении до комнатной температуры. Практическими целями отпуска являются уменьшение закалочных напряжений, получение нужного комплекса механических свойств (прочности, пластичности и вязкости).

Отпуск приводит к снижению твердости, прочности и повышению пластичности. Причем влияние на указанные свойства тем больше, чем выше температура отпуска.

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

Низкий отпуск проводят путем нагрева закаленной стали до 200 ^оС. При этом образуется структура мартенсита отпущенного. Отпущенный мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в a-железе и когерентно связанного с ним e-карбида. Микроструктуры отпущенного мартенсита и мартенсита закалки примерно одинаковы (см. рисунок 12.6, а). Низкий отпуск частично снимает внутренние напряжения и несколько повышает вязкость. Твердость при низком отпуске практически не снижается. Такой отпуск наиболее часто применяется при термической обработке инструментальных сталей и изделий после цементации.

При среднем отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 350–450 ^о С, при этом образуется структура троостита отпуска (рисунок 12.7а). Троостит отпуска состоит из дисперсных частиц феррита и цементита. Сталь со структурой троостита отпуска имеет высокий предел упругости. Поэтому средний отпуск обычно применяют при термической обработке рессор и пружин. Обычно отпуска в интервале температур 300–350 ^оС избегают, что связано с появлением отпускной хрупкости I рода.

а) б)

Рисунок 12.7 – Микроструктура троостита (а) и сорбита (б) отпуска

При высоком отпуске нагрев закаленной стали производится до температур 500–650 ^оС; образуется структура – сорбит отпуска, представляющий собой смесь укрупненных частиц феррита и цементита округлой формы (рисунок 12.7б). Сорбит отпуска имеет хорошее сочетание свойств: прочность, пластичность и вязкость. Твердость сорбита составляет 300–350 НВ. Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Эта обработка рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Контрольные вопросы

1. Дать определения термической обработке, отжигу 1-го рода, отжигу 2-го рода закалке, отпуску.

2. Описать разновидности отжига 1-го рода, указать их режимы и назначение.

3. Описать разновидности отжига 2-го рода, указать их режимы и назначение

4. . Указать преимущества нормализации и изотермического отжига.

5. Дать определения закалке, полной и неполной, указать область их применения.

6. Дать определение отпуску, указать виды отпуска и область их применения.

7. Дать определения образующимся при отпуске структурам, указать их свойства и области применения.

Задание по работе

1 Дать определение основным видам термической обработки, указать их цель.

2 Зарисовать часть диаграммы «железо-цементит», относящуюся к области стали, и диаграмму изотермического превращения аустенита. Изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на фазовые превращения и структуру стали с различным содержанием углерода.

3 Изучить влияние отпуска на фазовые превращения и характер образующихся микроструктур.

4 Изучить структуру предложенных шлифов, зарисовать ее и указать структурные составляющие и фазы.

13 Лабораторная работа № 13. Пластические массы

Цель работы: ознакомление с принципами классификации пластических масс по характеру связующего вещества и по назначению; определение отличительных признаков различных видов пластмасс: по внешнему виду; характерным механическим свойствам; реакции на открытое пламя; по органолептическим показателям.

Замена металлических изделий на пластмассовые весьма эффективна: вес конструкции, трудоемкость изготовления, себестоимость продукции снижаются до 5 раз.

Полимерные органические соединения являются основой пластических масс. Полимерами называют вещества, микромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев – мономеров одинаковой структуры. Микромолекулы могут быть построены из одинаковых по химическому строению мономеров или разнородных звеньев, в первом случае соединения называются гомополимерами, во втором – сополимерами.

По отношению к нагреву полимеры подразделяются на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры при нагревании переходят из твердого агрегатного состояния в вязкотекучее, а при охлаждении вновь затвердевают. Это свойство термопластичные полимеры сохраняют при многократных нагревах. Термореактивные пластмассы при нагреве первоначально размягчаются, а затем переходят в неплавкое, нерастворимое, твердое состояние.

Термопластичные полимеры

К термопластичным полимерам относятся полиолефины, полиамиды, поливинилхлорид, фторопласты, полиуретаны.

Термопласты имеют невысокую температуру перехода в вязкотекучее состояние, хорошо перерабатываются литьем под давлением, экструзией и прессованием. Применяются термопласты в качестве изоляторов, химически стойких конструкционных материалов, прозрачных оптических стекол, пленок, волокон, а также в качестве связующих для получения композиционных материалов, лаков, клеев и др.

Полиэтилен представляет собой продукт полимеризации этилена. Это относительно твердый и упругий материал, без запаха, белый в толстом слое и прозрачный в тонком (см. образец 1.1). Полиэтилен легко перерабатывается различными методами, устойчив к ударным и вибрационным нагрузкам, агрессивным средам и воздействию радиации, обладает высокой морозостойкостью (до –70 °С). Полиэтилен склонен к старению при воздействии на него света. Для подавления необратимых процессов старения полиэтилена в него (как и в другие термопласты) вводят специальные добавки – стабилизаторы. Полиэтилен применяют для изготовления труб, литых и прессованных несиловых деталей, пленок, изоляции проводов и кабелей, а также в качестве защитных покрытий металлов от коррозии.

Полипропилен – производная этилена, жесткий нетоксичный материал с более высокими физико-механическими свойствами. По сравнению с полиэтиленом более теплостоек, сохраняет форму до 150 ^оС, однако морозостойкость ниже, до – 15 ^оС.

Применяется для изготовления труб, деталей автомобилей, мотоциклов, холодильников, корпусов насосов, емкостей, пленок (см. образец 1.2).

Поливинилхлорид (ПВХ) – аморфный полимер белого цвета, обладает высокими диэлектрическими свойствами, химической стойкостью, негорюч. Непластифицированный поливинилхлорид называется винипластом (см. образец 1.3). Винипласт имеет высокую механическую прочность и обладает хорошими электроизоляционными свойствами, легко формуется, хорошо поддается механической обработке, склеивается и сваривается, хрупок при отрицательных температурах (рабочий диапазон температур от –10 до + 70 °С). При нагревании разлагается с образованием ядовитых веществ и при пожаре представляет значительную опасность. Из винипласта изготавливают различные изделия – краны, клапаны, задвижки, детали насосов, вентиляторов, облицовочную плитку, трубы и др.

Политетрафторэтилен – (фторопласт–4) является фторопроизводным продуктом этилена. В вязкотекучее состояние переходит при температуре 423 °С, прессование изделий производят при температуре 380 °С, т. к. при более высоких температурах выделяется токсичный фтор. Материал обладает высокой термостойкостью, стоек к действию кислот, щелочей, окислителей, растворителей. Фторопласт–4 имеет очень низкий коэффициент трения (f=0,04), сохраняет упругие свойства до 269 °С.

Фторопласт–4 применяется для изготовления: уплотнительных элементов, мембран, фурнитуры, работающих в агрессивных средах; антифрикционных покрытий на металлических изделиях; высокочастотной аппаратуры, кабелей, конденсаторов, тонких изоляционных пленок толщиной до 0,005 мм (см. образец 1.4).

Полистирол – твердый, жесткий, прозрачный полимер (пропускает 90 % света), обладает хорошими диэлектрическими свойствами, обладает высокой химической стойкостью, хорошо склеивается и окрашивается. Имеет низкую теплостойкость (до 80 ⁰С) и ударную вязкость. Для повышения вязкости производят сополимеризацию стирола с каучуками. Применяется для изготовления химически стойких сосудов, деталей электротехнического назначения (корпуса телевизоров, радиоприемников, телефонных аппаратов, магнитофонов), для получения электроизоляционных пленок для радиодеталей, нитей, а также упаковочной пленки. Из него изготовляют (см. образцы 1.5) предметы домашнего обихода, детские игрушки, школьно-канцелярские принадлежности (авторучки и пр.), тару для упаковки, трубы, внутреннюю отделку холодильников (морозоустойчивость до –70 °С), облицовочные материалы для внутренней отделки помещений, салонов автомобилей и т. д.

Полистирол, полученный эмульсионным методом, используется для производства пенопластов, применяемых в качестве термоизоляционного материала в строительстве, при изготовлении холодильников, а также для упаковки.

Полиметилметакрилат – (органическое стекло) – прозрачный полимер (пропускает 92 % света), стойкий к действию разбавленных кислот и щелочей, бензо- и маслостоек, морозостоек (до –60 °С), растворяется в органических растворителях, ароматических и хлорированных углеводородах. При температуре +105…+150 °С пластичен. Перерабатывается литьем под давлением, экструзией. Имеет невысокую твердость. Применяется для изготовления светотехнических изделий, оптических линз, радиодеталей (см. образец 1.6).

Полиамиды – (капрон, нейлон и др.) – полимер, обладающий хорошими механическими свойствами, высокой износостойкостью. Полиамиды не набухают в масле и бензине, не растворяются во многих растворителях, стойки к ударным нагрузкам и вибрациям. Используются с наполнителями, в качестве которых применяется стекловолокно до 30 % или графит до 10 %. Применяются для изготовления канатов, зубчатых колес, звездочек цепных передач, колес центробежных насосов, подшипников скольжения, а также нанесения защитных покрытий на металлах (см. образец 1.7).

Полиуретаны – полимеры, обладающие высокой эластичностью, морозостойкостью (до –70 °С), износостойкостью, устойчивы к действию разбавленных органических и минеральных кислот и масел. Применяются для изготовления труб, шлангов, уплотнителей, приготовления клеев для склеивания металлов, стекла, керамики (см. образец 1.8).

Полиэтилентерефталат (лавсан) – полиэфир, обладающий высокими прочностными свойствами, устойчивый к действию ультрафиолетовых и рентгеновских излучений, негорюч, диапазон рабочих температур от – 70 до + 255 °С, в 10 раз прочнее полиэтилена, хорошо сваривается и склеивается. Лавсан применяется для теплостойкой изоляции обмоток трансформаторов, электродвигателей, кабелей, деталей радиоаппаратуры, а также в качестве корда в ременных передачах, в покрышках, различных транспортерных лентах, основы магнитофонных лент, в качестве материала (ПЭТФ) бутылок для напитков (см. образцы 1.9).

Поликарбонат – полиэфир угольной кислоты, после быстрого охлаждения приобретает аморфную структуру и становится стеклообразным. Обладает высокими прочностью, ударной вязкостью, гибкостью, химически стоек. Из него изготавливают небьющуюся посуду, а также шестерни, подшипники и др. детали.

13.2 Термореактивные полимеры

Фенолоформальдегидные смолы – представляют собой продукты поликонденсации фенолов с формальдегидом. Фенолоформальдегидные смолы обладают высокими атмосферо- и термостойкостью, хорошими электроизоляционными свойствами, стойки к действию большинства кислот, за исключением концентрированной серной кислоты и кислот-окислителей (азотной, хромовой) (см. образец 2.1).

Эпоксидные смолы – олигомеры или мономеры, содержащие в молекуле не менее двух эпоксидных групп, способные превращаться в полимеры пространственного строения. Для холодного отверждения эпоксидных смол применяют в качестве отвердителей алифатические полиамины (полиэтиленполиамин, 5...15 % от массы смолы). Длительность отверждения 24 ч. Для горячего отверждения применяют ароматические ди- и полиамины. Отверждение проводят при температуре 100–180 °С в течение 16–4 ч. Прочность, химическая стойкость и теплостойкость эпоксидных компаундов при горячем отверждении выше, чем при холодном. Эпоксидные смолы обладают высокой адгезией к металлам, стеклу, керамике и другим материалам (см. образец 2.2).

Композиционные материалы

Композиционные материалы (композиты) представляют собой гетерофазные системы, состоящие из двух и более разнородных компонентов. Компонент, непрерывный по всему объему материала, обеспечивающий его монолитность, называется матрицей, или связующим. Компоненты, распределенные в матрице, называются наполнителями. В качестве матрицы могут применяться материалы на полимерной, металлической и керамической основе. В зависимости от вида и структуры наполнителя композиты делятся на дисперсно-упроч­ненные, упрочненные волокнами, слоистые и газонаполненные.

13.3.1 Пластмассы с порошковыми наполнителями. В качестве дисперсных наполнителей применяются органические порошки – древесная мука, порошкообразная целлюлоза, а также минеральные – молотый кварц, тальк, графит. Свойства порошковых пластмасс характеризуются изотропностью, невысокими прочностью и ударной вязкостью, удовлетворительными электроизоляционными свойствами. На основе формальдегидных смол с органическими наполнителями изготовляют несиловые конструкционные и электроизоляционные детали: рукоятки, детали и корпуса приборов. В случае применения в качестве связующего – кремнийорганических полимеров и наполнителей – кварцевого порошка или асбеста теплостойкость пластмасс достигает 300 ^оС.

Композиции на основе эпоксидных смол широко применяют в машиностроении для изготовления инструментальной оснастки, вытяжных и формовочных штампов, станочных приспособлений, литейных моделей и пр. (см. образец 3.1). Используются для восстановления изношенных деталей, устранения дефектов отливок из металлов.