Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии. Тема: «Изучение процессов нормализации, закалки и отпуска углеродистой стали».

ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ № 4

Тема: «Изучение процессов нормализации, закалки и отпуска углеродистой стали».

Цель занятий: изучение методики назначе­ния режимов отжига, нормализации и закалки.

Методическое обеспечение занятий:

1. Инструкции к выполнению занятий

2. Материаловедение. Учебное пособие. Адаскин А.М., М. Издательский центр «Академия» 2009.

Порядок выполнения:

1. Повторить аллотропические модификации железа, температурные интервалы существования этих модификаций, типы их кристаллических решеток.

2. Повторить процессы, происходящие при переохлаждении расплавов стали.

3. Уяснить, что такое мартенситное превращение.

4. Повторить вопрос об изменениях размеров зерен при термической обработке стали.

5.Оформить отчет.

Содержание отчета:

1. По диаграмме состояния сплава железо-углерод определить температуру закалки стали с содержанием углерода по вариантам:

1 - 0,5% С, 2 – 0,7% С, 3- 0,8% С , 4 – 1,0% С , 5 – 1,5% С, 6– 2,0% С

Использовать диаграмму, вычерченную на практических занятиях №3

2. Описать процесс закалки данного сплава

3. Записать в отчет определения процессов отжига, отпуска, нормализации.

4. Вывод (отразить степень усвоения материала практических занятий).

Инструкции к выполнению практических заданий №4

Около 40 % стали, потребляемой машиностроением для изготовления деталей машин, приборов, оборудова­ния, подвергают различным видам термической обработ­ки. Под термической обработкой сплавов понимают сово­купность операций теплового воздействия на металлы с целью изменения их структуры, а, следовательно, и свойств.

В соответствии с общепринятой классификацией термическая обработка включает четыре основные группы: отжиг первого рода, отжиг вто­рого рода, закалка, отпуск.

Отжиг — термическая обработка, при которой сталь нагревается до определенной температуры, выдержива-

ется при ней и затем медленно охлаждается в печи для получения равновесной, менее твердой структуры, сво-

бодной от остаточных напряжений.

К отжигу I рода, не связанному с фазовыми превращениями в твердом состоянии, относятся:

— диффузионный отжиг (или гомогенизация) — нагрев до 1000—1100°С для устранения химической не-

однородности, образовавшейся при кристаллизации металла. Гомогенизации подвергают слитки или отливки высоколегированных сталей. Получается крупнозернистая структура, которая измельчается при последующем полном отжиге или нормализации;

— рекристаллизационный отжиг, который применяется для снятия наклепа после холодной пластической деформации. Температура нагрева чаще всего находится в пределах 650—700°С;

— отжиг для снятия внутренних напряжений. Применяют с целью уменьшения напряжений, образовавшихся в металле при литье, сварке, обработке резанием и т. д. Температура отжига находится в пределах 200—700°С, чаще 350—600°С.

Отжиг II рода (или фазовая перекристаллизация) может быть полным и неполным:

— полный отжиг — нагрев стали на 30—50° выше верхней критической точки (линия GS, см. рис.1) с последующим медленным охлаждением. При этом отжиге происходит полная перекристаллизация: при нагреве феррито-перлитная структура переходит в аустенитную, а при охлаждении аустенит превращается обратно в феррит и перлит. Полному отжигу подвергают отливки, поковки, прокат для измельчения зерна, снятия внутренних напря-

жений. При этом повышаются пластичность и вязкость.

— неполный отжиг отличается от полного тем, что сталь нагревают до более низкой температуры (на

30—50° выше температуры перлитного превращения). При этом произойдет перекристаллизация

только перлитной составляющей. Это более экономичная операция, чем полный отжиг, так как

нагрев производится до более низких температур. При неполном отжиге улучшается обрабатываемость

резанием в результате снижения твердости и повышения пластичности стали.

Изотермический отжиг заключается в нагреве и выдержке при температуре на 30—50°С выше верхней кри-

тической точки, охлаждения до 600—700°С, выдержке при этой температуре до полного превращения аустени-

та в перлит и при последующем охлаждении на воздухе. При таком отжиге уменьшается время охлаждения, улучшается обрабатываемость резанием. Применяется для легированных сталей.

Нормализация — разновидность отжига; при нормализации охлаждение проводится на спокойном воздухе.

Скорость охлаждения несколько больше, чем при обычном отжиге, что определяет некоторое отличие свойств

отожженной и нормализованной стали. При нормализации сталь нагревают до аустенитного состояния (выше линии GSE). Благодаря полной фазовой перекристаллизации устраняется крупнозернистая структура, полученная при литье, прокатке или ковке. Охлаждение на воздухе, вне печи, снижает экономические затраты на термообработку. Нормализацию применяют для низкоуглеродистых сталей вместо отжига, а для среднеуглеродистых сталей вместо улучшения (закалка + высокий отпуск).

Рис. 1 . Диаграмма состояния системы Fe — Fe₃C

Закалка— это термическая обработка, которая заключается в нагреве стали до температур, превышающих

температуру фазовых превращений, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении со скоростью,

превышающей критическую минимальную скорость охлаждения. Основной целью закалки является получение высокой твердости, упрочнение. В основе закалки лежит аустенитно-мартенситное превращение.

В зависимости от температуры нагрева различают:

— полную закалку, при которой нагрев осуществляется в однофазную аустенитную область (на 30—50°

выше линии GSE). При быстром охлаждении происходит полное превращение аустенита в мартенсит;

— неполную закалку, при которой нагрев осуществляется в двухфазную область (на 30—50° выше линии

PSK, но ниже линии GSE) и при охлаждении формируется в доэвтектоидных сталях феррито-мартенинситная, а в заэвтектоидных сталях — мартенсито-цементитная структура.

На практике полную закалку применяют для доэвтектоидных сталей, неполную для заэвтектоидных сталей.

Для достижения максимальной твердости при закалке стремятся получать мартенситную структуру. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки. Скорость охлаждения определяется видом охлаждающей среды. Обычно для закалки используют кипящие жидкости:

— воду;

— водные растворы солей и щелочей;

— масла.

Выбор конкретной закалочной среды определяется видом изделия. Например, воду с температурой 18—

25°С используют в основном при закалке деталей простой формы и небольших размеров, выполненных из

углеродистой стали. Детали более сложной формы из углеродистых и легированных сталей закаляют в маслах.

Способы закалки стали:

— закалка в одном охладителе, при которой нагретая деталь погружается в охлаждающую жидкость и

остается там до полного охлаждения. Наиболее простой способ. Недостаток — возникновение значительных внутренних напряжений. Закалочная среда — вода для углеродистых сталей сечением более 5 мм, масло — для деталей меньших размеров и легированных сталей;

— закалка в двух средах, при которой деталь до 300—400°С охлаждают в воде, а затем переносят в масло. Применяют для уменьшения внутренних напряжений при термообработке изделий из инструментальных высокоуглеродистых сталей. Недостаток — трудность регулирования выдержки деталей в первой среде;

— ступенчатая закалка, при которой деталь быстро охлаждается погружением в соляную ванну с температурой, немного превышающей температуру мартенситного превращения, выдерживается до достижения одинаковой температуры по всему сечению, а затем охлаждается на воздухе. Медленное охлаждение на воздухе снижает внутренние напряжения и возможность коробления. Недостаток — ограничение размера деталей;

— изотермическая закалка, при которой деталь выдерживается в соляной ванне до окончания изотермического превращения аустенита. Применяют для конструкционных легированных сталей. При такой закалке обеспечивается достаточно высокая твердость при сохранении повышенной пластичности и вязкости;

— закалка с самоотпуском, при которой в закалочной среде охлаждают только часть изделия, а теплота, сохранившаяся в остальной части детали после извлечения из среды, вызывает отпуск этой части. Применяют для термообработки ударного инструмента типа зубил, молотков, которые должны сочетать высокую твердость и вязкость.

Отпуск — это заключительная операция термической обработки стали, которая заключается в нагреве ниже

температуры перлитного превращения (727°С), выдержке и последующем охлаждении. При отпуске формируется окончательная структура стали. Цель отпуска —получение заданного комплекса механических свойств стали, а также полное или частичное устранение закалочных напряжений.

Различают следующие виды отпуска:

— низкий отпуск проводят при 150—200°С для снижения внутренних напряжений и некоторого уменьшения хрупкости мартенсита. Закаленная сталь после низкого отпуска имеет структуру отпущенного мартенсита, твердость ее почти не снижается, а прочность и вязкость повышаются. Низкий отпуск применяют для углеродистых и низколегированных сталей, из которых изготавливается режущий и измерительный инструмент, а также для машиностроительных деталей, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью.

— средний отпуск проводят при 350—450°С для некоторого снижения твердости при значительном увеличении предела упругости. Структура стали представляет троостит отпуска, обеспечивающий высокие пределы прочности, упругости и выносливости, а также улучшение сопротивляемости действию ударных нагрузок. Этот отпуск применяют для пружин, рессор и для инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при достаточной вязкости.

— высокий отпуск проводят при 440—650°С для достижения оптимального сочетания прочностных, пластических и вязких свойств. Структура стали представляет собой однородный сорбит отпуска с зернистым строением цементита. Высокий отпуск применяется для конструкционных сталей, детали из которых подвергаются действию высоких механических напряжений и ударным нагрузкам.

Термическая обработка, состоящая из закалки с высоким отпуском (улучшение), является основным видом термической обработки конструкционных сталей.

Контрольные вопросы для защиты:

1. Дайте определение процессу отжига

2. Дайте определение процессу отпуска

3. Дайте определение процессу закалки

4. Дайте определение процессу нормализации

5. Что такое улучшение стали?

6. Что такое цементация?

7. Какая среда является наилучшей для закалки?

8. Можно ли закалить чугун? Обоснуйте.

Разработал преподаватель Козыревич А.М.

Рассмотрено и одобрено на заседании цикловой комиссии

Протокол № от __________ 2012 г.

Председатель комиссии Глинская Н.Л.