Термическая обработка углеродистых сталей

Цель работы:обоснование выбора параметров и практическое проведение основных видов термической обработки сталей: отжига, нормализации, закалки и отпуска; овладение практикой термической обработки стали и приобретение в процессе этого необходимых навыков; изучение влияния различных видов термической обработки стали на ее структуру и свойства.

Оборудование и материалы: образцы углеродистых сталей; муфельные печи с терморегулятором; закалочные баки с водой и маслом; металлографические микроскопы; твердомеры Роквелла; микрошлифы стали 45 после различных видов термообработки.

Основные понятия

Цель термической обработки – придание стали требуемых свойств за счет изменения ее структуры.

Основные параметры термической обработки следующие: скорость нагрева, оптимальная температура нагрева, время выдержки при этой температуре, скорость охлаждения.

Основными из них являются два параметра: оптимальная температура нагрева и скорость охлаждения. В зависимости от них различают следующие виды термической обработки стали: отжиг, нормализация, закалка и отпуск, схема проведения, которых для доэвтектоидной стали, представлена на рис. 21.

Рис. 21. Схема основных видов термообработки

Из рис. 21 видно, что при осуществлении первых трех видов термообработки (отжига, нормализации и закалки) доэвтектоидную сталь нагревают во всех случаях одинаково, т.е. до аустенитного состояния.

Следовательно, определяющим параметром в этом случае является скорость охлаждения, влияние которой и рассматривается ниже.

Влияние скорости охлаждения на структуру и свойства стали

Этот вопрос удобнее выяснить на примере эвтектоидной стали (С = 0,8%). Из этой стали изготавливается серия образцов, все они нагреты до аустенитного состояния, т.е. выше 727°С и в дальнейшем каждый образец охлаждается с разной скоростью (рис. 22).

а) б)

Рис. 22. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали с наложенными на нее кривыми

охлаждения:

а – общий вид, б – получаемые структуры

Превращение аустенита при температурах 550°С и выше называется перлитным превращением, при 550°С…М_Н – мартенситным (М_Н – начало_, М_К – конец мартенситного превращения).

Перлитное превращение

В интервале температур перлитного превращения образуются пластинчатые структуры из кристаллов феррита и цементита, которые отличаются степенью дисперсности частиц Ф и Ц.

Дисперсность перлитных структур оценивается межпластинчатым расстоянием S соседних пластинок феррита и цементита (рис. 23).

Чтобы не спутать цементит с ферритом используют специальный травитель – пикрат натрия, который окрашивает цементит в черный цвет. Феррит при этом не окрашивается, т.е. остается светлым.

Рис. 23. Феррито-цементитная структура

Если превращение идет при температурах 650–670°С, то образуется перлит, S = 6·10^{-4 мм}.

При температурах превращения 640–590°С образуется сорбит, S = 3·10^{-4 мм.}

При температурах превращения 580–550°С образуется троостит, S = 1´10^{-4 мм.}

Как видно из опыта с увеличением скорости охлаждения зерна феррито-цементитной смеси измельчаются все сильнее, что резко влияет на свойства. Так, например, у перлита НВ 2000, у сорбита НВ 3000. а у троостита НВ 4200, МПа.