Методические указания к выполнению лабораторных работ по материаловедению Архангельск (стр. 1 из 2)
Федеральное агентство по образованию
Архангельский государственный технический университет
Термическая обработка
углеродистых сталей.
Методические указания
к выполнению лабораторных работ
по материаловедению
Архангельск
Рассмотрены и рекомендованы к изданию методической комиссией механического факультета Архангельского государственного технического университета 18 марта 2005г.
Составители:
Думанский И.О., доцент, канд. техн. наук.
Александров В.М., доцент, канд. техн. наук.
Сытин В. Л., ст. преп.
Рецензент Потехин В. Н., доцент, канд. тех. наук.
УДК 669
И.О. Думанский, В.М. Александров. Материаловедение. Термическая обработка углеродистых сталей. Методическое пособие для проведения лабораторных работ по материаловедению. – Архангельск: РИО АГТУ, 2005.-12 с.
В методических указаниях приведены краткие теоретические сведения, методика выполнения лабораторных работ, порядок оформления, контрольные вопросы.
Предназначены для студентов всех специальностей, изучающих курс материаловедения.
Ил. 5. Табл.2. Библиограф. 6 назв.
Печатается в авторской редакции.
Архангельский государственный технический университет. 2005.
Термическая обработка углеродистых сталей.
1. Теоретические основы процессов термической обработки.
Термической обработкой называют технологический процесс, состоящий из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.
Основными структурами, участвующими в формировании свойств стали при термообработке, являются как равновесные – аустенит и перлит, так и неравновесные – мартенсит, сорбит, троостит, остаточный аустенит.
Аустенит (А) – твёрдый раствор углерода в γ-железе.
Мартенсит (М) – пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе той же концентрации, что и у исходного аустенита; мартенсит – структура твёрдая, хрупкая, напряжённая, неустойчивая; твёрдость мартенсита возрастает с увеличением в нём содержания углерода, например: для С=0,1% HRC 30; C=0.7% HRC 65.
По сравнению с другими структурами мартенсит имеет наибольший удельный объём, зависящий от содержания углерода (максимальный объём мартенсита у эвтектоидной стали). Увеличение удельного объёма вызывает большие внутренние напряжения, приводящие иногда к деформации и даже разрушению изделий.
Перлит (П) – эвтектоидная смесь феррита (Ф) и цементита (Ц), содержание углерода в которой постоянно и равно 0,8%.
Сорбит, троостит (С, Т) – квазиэвтектоидные (quassi-подобный) смеси феррита и цементита, содержание углерода в которых больше или меньше 0,8%.
Сорбит, троостит и перлит различаются между собой степенью дисперсности (измельчённости) включений цементита. Наиболее тонкое строение (дисперсность) у троостита, сорбит имеет среднюю дисперсность, а перлит – самая крупнодисперсная структура. Увеличение дисперсности повышает прочностные характеристики и уменьшает пластические свойства стали, например, твёрдость троостита - 350...500НВ (HRC38…52); сорбита -250...350НВ (HRC25…38); перлита - 150...250НВ (HRC25 и ниже).
При нагреве стали, в соответствии с диаграммой железо-углерод, происходят следующие превращения.
Перлит, содержащий 0,8% углерода при 727оС (т. А1), превращается в аустенит: (Ф+ЦII) → А. В доэвтектоидных сталях по окончании этого превращения в аустените постепенно растворяется феррит. В заэвтектоидных сталях после превращения перлита происходит растворение цементита в аустените. Во всех случаях конечной структурой будет аустенит, содержащий такой же процент углерода, какой имела сталь при комнатной температуре.
Указанные превращения носят диффузионный характер и сопровождаются значительным перемещением атомов углерода. Для полного фазового превращения необходим нагрев и выдержка стали выше точек А3 и АCM. При охлаждении с различной скоростью стали, нагретой до аустенитного состояния, происходят следующие изменения. Чем выше скорость охлаждения аустенита, тем больше степень его переохлаждения (распад происходит при более низких температурах). Если степень переохлаждения невелика, то он полностью распадается на механическую смесь феррита и цементита различной степени дисперсности. Этот процесс является диффузионным и называется перлитным превращением, в результате которого получаются феррито-цементитные смеси: А→(Ф+ЦII). Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Чем больше степень переохлаждения, тем тоньше получающаяся феррито-цементитная структура (оценивается величиной суммарной толщины двух пластинок – феррита и цементита) и тем выше твёрдость.
При охлаждении аустенита со скоростью, при которой диффузия атомов углерода становится невозможной, в аустените почти мгновенно возникают иглы мартенсита: А→М. Образование мартенсита является бездиффузионным процессом. При этом превращении происходит только перестройка γ-решётки в α-решетку, причём перераспределение углерода произойти не может: весь углерод, бывший в аустените, остаётся и в мартенсите, хотя максимальная равновесная растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре менее 0,01%. Поэтому мартенсит закалки имеет не кубическую, как α-железо, а искажённую тетрагональную решётку. Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении до комнатной температуры не протекает до конца, то есть в закалённой на мартенсит стали всегда имеется некоторое количество метастабильного остаточного аустенита (тем больше, чем выше содержание в стали углерода).
Структура мартенсита (и остаточного аустенита) является неравновесной, неустойчивой, метастабильной. Нагрев её до температуры ниже т.А1 (727˚С), приводит к снятию внутренних напряжений и распаду на феррито-цементитные смеси различной (в зависимости от температуры нагрева) дисперсности, имеющие не пластинчатую, а округлую (зернистую) форму цементитных включений. Эти структуры называются структурами отпуска.
В зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в следующие структуры:
при охлаждении в воде комнатной температуры образуется мартенсит;
при охлаждении в масле - троостит;
при охлаждении на воздухе – сорбит;
при охлаждении вместе с печью – перлит.
Некоторые закономерности процесса отпуска закаленной на мартенсит стали показаны на рис.1.
Степень распада мартенсита определяется температурой нагрева закаленной стали при отпуске. В зависимости от температуры нагрева образуются следующие структуры:
при t=150...250оС мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска;
при t=250...500оС мартенсит распадается, образуя троостит;
при t=500...680оС мартенсит распадается, образуя сорбит;
при t=680оС и выше мартенсит распадается, образуя перлит.
2. Виды термической обработки.
Основными видами термической обработки являются: отжиг, закалка и отпуск. Для сталей также используется так называемая нормализация.
Отжиг – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше линии GSE (рис.2), выдержке при этой температуре и медленном охлаждении (обычно вместе с печью).
Рис. 1. Зависимость твердости и ударной вязкости стали от температуры отпуска.
Рис. 2. Оптимальный интервал температур нормализации и полного отжига углеродистой стали.
Целью отжига является получение структуры стали, близкой к равновесной. После отжига углеродистой стали получаются структуры:
в доэвтектоидной стали – феррит + перлит,
в эвтектоидной стали – перлит,
в заэвтектоидной стали – перлит + вторичный цементит.
Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше линии GSK (рис.3), выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью, обеспечивающей получение мартенсита (не ниже критической).
Рис. 3. Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали.
Минимальная скорость охлаждения, при которой не успевает пройти диффузионный распад аустенита на феррито-цементитную смесь, называется критической скоростью закалки на мартенсит.
Скорость охлаждения обеспечивается определённой охлаждающей средой (вода, растворы солей, масло, для некоторых сталей - воздух). Назначение закалки – получение мартенситной структуры.
Нормализация – термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше линий GSE (рис.2), выдержке при этой температуре и охлаждении на спокойном воздухе.
Нормализация не относится к основным видам термообработки, поскольку в зависимости от марки стали и размера заготовки нормализация может быть разновидностью либо отжига, либо закалки.
В доэвтектоидных сталях нормализация способствует получению однородной мелкозернистой структуры (в малоуглеродистых сталях применяют иногда вместо отжига); в заэвтектоидных сталях – уничтожению вредной ценментитной сетки.
Отпуск – термическая обработка, заключающаяся в нагреве закалённой стали до температуры ниже линии PSK, выдержке при этой температуре и охлаждении.
Отпуск стали способствует снятию внутренних напряжений и получению необходимых свойств стали.
Отпуск имеет важное практическое значение. Именно в процессе отпуска формируются окончательные структуры и комплекс эксплуатационных свойств сталей. Температура отпуска обуславливается требованиями к этому комплексу.
3. Проведение термической обработки углеродистых сталей.
Термическая обработка подразделяется на предварительную и окончательную. Предварительная термообработка (отжиг и нормализация) применяется при подготовке структуры стали для последующей обработки.
В качестве окончательной термообработки применяют, как правило, закалку с последующим отпуском. Иногда окончательной операцией могут быть отжиг, чаще нормализация, если по условиям работы детали эти операции дают нужные механические свойства.