Отпуск стали. Виды отпуска. Выбор метода по назначению. Влияние температуры и выдержки на структуру и свойства стали. Дефекты термической обработки и методы их предупреждения

Литература: [4, с. 58-62]

Методические рекомендации

Современная техника предъявляет все возрастающие требования к механическим свойствам металлов, которые в значительной степени можно улучшить путем термической и химико-термической обработки. Увеличение прочности деталей во многих случаях разрешает уменьшить их габариты и массу, что дает огромную экономию металла.

Изучение темы начните с процессов, протекающих при охлаждении аустенита с различной скоростью. Разберите диаграмму распада аустенита при непрерывном охлаждении и изотермического распада аустенита (С- образные кривые), а также структуры, получающиеся при разной скорости распада аустенита. Запишите, что перлит, сорбит и тростит–это двухфазные структуры, представляют собой ферритно-цементитную смесь различной степени дисперсности (размельченности); они имеют пластинчатое строение.

При большой скорости охлаждения диффузия углерода не успевает произойти, происходит только аллотропическое превращение железа, поэтому из аустенита получается однофазная структура–мартенсит, который представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в γ-железе, он имеет игольчатое строение. Запомните, что чем больше скорость охлаждения аустенита, тем тверже получающиеся структуры. Нужно знать, какая температура называется мартенситной точкой. В углеродистых сталях начало мартенситного превращения происходит около 200^ОС. Отметьте в конспекте отличие мартенситного превращения от перлитного. Запомните, что в отличие от перлитного мартенситное превращение никогда не идет до конца, поэтому в стали всегда остается определенное количество остаточного аустенита; на мартенситную точку скорость охлаждения не влияет, она практически зависит только от состава стали. Нарисуйте в конспекте диаграмму изотермического распада аустенита, отметьте на ней критическую скорость закалки и мартенситную точку и запишите, какая скорость охлаждения является критической скоростью закалки. Запишите также названия и механические свойства всех структур, получающихся при распаде аустенита. Нужно знать значение работ Д.К. Чернова, С.С.Штейнберга и других советских ученых в области теории термической обработки.

Только после усвоения влияния скорости охлаждения на получающиеся структуры и свойства стали переходите к изучению различных видов термической обработки. При этом повторите из темы 2.4 обозначение линий вторичной кристаллизации на диаграмме железо–углерод; линия РSК –точка А₁, линия GS–точка А₃, линия ЕS–точка А_Ст.

Любая термическая обработка состоит из нагрева до заданной температуры, выдержки и охлаждения с заданной скоростью, поэтому термическую обработку обычно выражают графически в координатах температура–время. В зависимости от температуры нагрева и скорости охлаждения различают следующие основные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск. Нужно знать цель и сущность каждого вида термической обработки, его технологию, а главное–какую структуру и свойства приобретает сталь в результате проведения каждого вида термической обработки. Это обязательно нужно отмечать в конспекте. Нужно иметь в виду, что иногда брак, полученный при термической обработке, может проявиться только при работе деталей.

Изучая процесс отжига, разберите в каких случаях какой метод отжига наиболее целесообразно применять, каким сталям дают полный отжиг, а каким – неполный. Легированные стали и крупные поковки требуют очень медленного охлаждения, поэтому применение для них изотермического отжига значительно увеличивает производительность.

Цель отжига – получение максимальной вязкости и пластичности, а так как у разных сталей время устойчивости аустенита разное (С-образные кривые), то и скорость охлаждения при отжиге для разных сталей разная. Она зависит от устойчивости аустенита в области перлитного превращения.

Изучая процесс нормализации, прежде всего, уясните разницу между отжигом и нормализацией в их назначении и способах проведения процесса. При отжиге скорость охлаждения разная для разных сталей, так как в структуре должен быть перлит. При нормализации же скорость охлаждения для всех сталей одна и та же – на воздухе. Поэтому после нормализации у разных сталей получается разная структура, она зависит от критической скорости закалки. В углеродистой стали после нормализации структура практически получается такая же, как и после отжига, но более мелкая, поэтому прочность нормализованность сталей несколько выше, чем отожженных. В ряде случаев для углеродистой стали вместо отжига можно производить нормализацию. В легированных сталях в зависимости от критической скорости закалка в структуре может быть сорбит, тростит, мартенсит.

Закалка – один из наиболее важных видов термической обработки. При изучении закалки прежде всего уясните, как выбирается температура нагрева в зависимости от содержания углерода в стали. Для доэвтектоидной стали всегда дают полную закалку, так как при неполной остается феррит, который образует мягкие участки. Для заэвтектоидной стали можно дать неполную закалку, так как остающийся цементит твердости не снижает. Нужно знать охлаждающие среды и требования к ним. Следует иметь в виду, что при чрезмерном увеличении скорости охлаждения получаются большие внутренние напряжения, коробления и могут быть трещины.

Запишите, что называется прокаливаемостью стали и как на нее влияет критическая скорость закалки. Разберите основные методы закалки, применяемые на практике, в каких случаях какой метод целесообразно применять. Желательно кривые охлаждения при различных методах закалки нанести на диаграмму изотермического распада аустенита, тогда наглядно видна разница между ними.

Изучая ступенчатую и изотермическую закалку, обратите внимание на то, что температура горячей среды, в которой происходит выдержка, может быть одинаковой (вблизи мартенситной точки), но при ступенчатой закалке время выдержки должно быть меньше времени устойчивости аустенита при данной температуре, поэтому окончательная структура–мартенсит. При изотермической закалке время выдержки должно обеспечить полный распад аустенита на игольчатый тростит. Игольчатый тростит обладает значительно меньшей твердостью, чем мартенсит, поэтому изотермическую закалку нельзя применять для режущего инструмента, но она обеспечивает большую прочность при минимальных внутренних напряжениях, так как отсутствует мартенситное превращение. Ее наиболее целесообразно применять для тех деталей, которые работают с временными перегрузками и при работе которых отсутствует пластическая деформация, например для пружин.

В сталях, у которых мартенситная точка лежит ниже 0^ОС, после закалки может появиться большое количество остаточного аустенита. Такие стали, например, легированные инструментальные или постоянные магниты, для уменьшения количества остаточного аустенита после закалки обрабатывают холодом, т.е. охлаждают ниже 0^ОС.

В результате закалки в деталях всегда возникают внутренние напряжения в связи с резким охлаждением и фазовыми превращениями. Для уменьшения напряжений, увеличения вязкости, иногда снижения твердости после закалки всегда следует отпуск – окончательная термическая обработка, которая определяет конечную структуру, а значит свойства и качество деталей. Необходимо знать структуру после каждого вида отпуска, температуру различных видов отпуска и для каких деталей обычно применяется низкий, средний и высокий отпуск. Наилучшим сочетанием между прочностью и вязкостью обладает сорбит отпуска, поэтому термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением стали.

Вопросы для самоконтроля

1 Перечислите основные виды термической обработки.

2 Что называется отжигом стали?

3 Перечислите виды отжига первого рода и укажите их назначение.

4 На чем основан отжиг второго рода?

5 В чем сущность полного отжига и когда он применяется?

6 От чего зависит температура нагрева при отжиге стали?

7 Как и для каких целей применяют отжиг на зернистый перлит?

8 В чем отличие нормализации от отжига?

9 В чем сущность и назначение закалки?

10 Как устанавливается температура нагрева стали под закалку?

11 Почему для доэвтектоидных сталей применяют полную закалку?