Методика проведения эксперимента.

При выполнении лабораторной работы каждый студент (15 студентов) с определенными режимами термической обработки и проводит их согласно экспериментальной таблице. Полученные экспериментальные данные сводятся в экспериментальную таблицу. После заполнения всех колонок таблицы строятся графики зависимости (твердости от температуры нагрева, твердости от температуры отпуска, твердости от скорости охлаждения).

Теория.

Термообработка заключается в нагреве детали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и охлаждении с той или иной скоростью. При этом происходит изменение структуры, а, следовательно, механических и технологических свойств обрабатываемой детали.

При нагревании и охлаждении в железоуглеродистых сплавах происходят превращения при определенных температурах, называемых критическими точками. При нагревании их принято условно обозначать Ас₁, Ас₃, Ас_m. Превращения в сталях при нагревании носят кристаллизационный характер, т.е. при этом происходит образование центров зародышей и последовательный их рост. Исходная структура всех сталей представляет собой смесь двух фаз – феррита и цементита.

При медленном нагревании до температур ниже линии PSK никаких превращений в стали, не происходит. При дальнейшем нагревании в доэвтектоидных сталях происходит постепенное растворение феррита в аустените. При температуре выше линии GSE стали, будут иметь однородную структуру – аустенит.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали, аустенит превращается в перлит (смесь феррита и цементита). Это превращение носит диффузионный характер, т.е. углерод, выделяясь из аустенита, образует зародыши цементитовых включений, число которых и последовательный рост зависят от степени переохлаждения.

В зависимости от степени охлаждения аустенита можно получить следующие продукты его распада: перлит – крупнозернистая смесь феррита и цементита; троостит – высокодисперсная мелкозернистая смесь феррита и цементита. При больших степенях переохлаждения аустенита диффузионное превращение прекращается, образование цементита становится невозможным и поэтому образуется структура мартенсит (перенасыщенный твердый раствор – внедрение углерода в α-Fe).

Основными видами термической обработки являются: отжиг, нормализация, закалка и отпуск (рис.4.1)

Рис.4.1 Левый угол диаграммы состояния Fe – Fe₃C и температурные области нагрева при термической обработке сталей (а); схема режимов отжига, закалки, отпуска и нормализации сталей (б).

Отжиг первого рода (рекристализационный отжиг) – подготовительная операция термической обработки. Цель отжига 1 рода – устранение химической и физической неоднородности сплава, созданной предшествующими обработками. В результате нагрева детали до температур ниже фазовых превращений, выдержке при этой температуре и медленном охлаждении понижаются прочность, и твердость стали, повышаются ее пластичность и вязкость, улучшается обрабатываемость резанием.

К отжигу 1 рода относятся:

- диффузионный отжиг – применяется для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной ликвации (снижающей пластичность и вязкость стали и увеличивающей склонность и вязкость стали и увеличивающей склонность стали к хрупкому разрушению); температура нагрева составляет 1100-1200⁰С;

- рекристализационный отжиг – применяется перед или после холодной обработки стали давлением для уничтожения нагартовки (наклепа) металла; температура рекристаллизационного отжига любого металла должна быть выше температуры рекристаллизации данного металла. Например, для стали, температура рекристаллизации и отжига на 150-250⁰С выше температуры рекристаллизации и обычно составляет 680-700⁰С;

-отжиг для снятия остаточных напряжений – применяется для отливок, сварных изделий, детали после обработки резанием или давлением, в которых в процессе предшествующих технологических операций из-за неравномерного охлаждения или неоднородной пластической деформации возникли остаточные напряжения, вызывающие изменение размеров, коробление и поводку в процессе его обработки или эксплуатации. Температура данного отжига 660-700⁰С.

Цель отжига II рода – выровнять химический состав детали, получить мелкозернистую равновесную структуру, снять внутренние напряжения, повысить пластичность и понизить твердость, улучшить условия обрабатываемости резанием.

К отжигу II рода относятся:

Полный отжиг (полная фазовая перекристаллизация)- применяется, для доэвтектоидной стали (поковки, штамповки, прокат, слитки и фасонные отливки из углеродистой и легированной стали) с целью измельчения зерна и получения высокой пластичности и вязкости. Сталь нагревают на 30-50⁰С выше критической точки Ас₃, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают. При нагреве из исходной феррито-перлитной структуры образуется аустенит с мелким зерном, который при последующем медленном охлаждении превращается в мелкозернистую ферритно-перлитную структуру. Нагрев стали, до температуры на 100-150⁰С выше точки Ас₃ приводит к росту зерна аустенита. При дальнейшем охлаждении у такой стали, будет образовываться крупнокристаллическая ферритно-перлитная структура – ‘’видманштет’’ с низкой пластичностью и вязкостью, и будет являться браком отжига. Сталь, имеющая структуру «видманштет», называется перегретой. Структура перегретой стали, может быть устранена путем проведения полного отжига по оптимальному режиму. Нагрев стали до температур, лежащих несколько ниже линии солидус, приводит к ‘’пережогу’’ стали, т.е. к неисправимому браку, вследствие чего происходит, выгорание углерода из стали, пограничное оплавление и окисление зерна, нарушение связи между зернами;

(неполная фазовая перекристаллизация) применяется для заэвтектоидных сталей путем нагрева детали до температуры выше критической точки Ас₁ на 10-30⁰С, выдержки при этой температуре и последующего медленного охлаждения. В результате из исходной структуры цементит+перлит при нагреве образуется цементит+аустенит, и после охлаждения цементит+перлит (зернистый). Если же нагреем до температур выше критической точки Ас₁ на +30-50⁰С, то образуется перлит (пластинчатый). Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, прочность, более высокую пластичность, лучше обрабатывается резанием по сравнению со сталью с пластинчатым перлитом.

Нормализация– промежуточный процесс термической обработки между отжигом и закалкой. В зависимости от химического состава стали, нормализацию применяют иногда вместо отжига или закалки. Нормализация отличается от отжига повышенной скоростью охлаждения (на стойком или движущемся воздухе). Процесс нормализации заключается, в нагреве стали выше критических температур Ас_з (доэвтектоидной стали), Ас_m (заэвтектоидные стали) на 30-50⁰ выдержке при этой температуре и охлаждении на воздухе. Структура стали после нормализации: перлит+феррит (доэвтектоидные стали) или перлит+цементит (заэвтектоидные стали) и некоторое количество сорбита или троостита. Присутствие сорбита и троостита в структуре средне- и высокоуглеродистой стали, повышает твердость и прочность на 10-15%; для низкоуглеродистой стали, нормализацию применяют вместо отжига.

Закалка применяется с целью увеличения твердости, прочности, износостойкости стали. Эта термическая обработка заключается, в нагреве стали выше критической точки превращения, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении и скоростью охлаждения выше критической. Для доэвтектоидных сталей проводят полную закалку, сопровождающуюся полной фазовой перекристаллизацией. Температура нагрева Ас_з + (30-50⁰С): феррит + перлит нагрева аустенит охлаждается в воде получается структура мартенсит закалки. Для заэвтектоидных сталей проводят неполную закалку – неполная фазовая перекристаллизация. Температура нагрева Ас₁ + (30-50⁰С): перлит + цементит нагрев аустенит + цементит охлаждение в воде получается мартенсит закалки + цементит II.

Цементит II увеличивает, износостойкость стали.

Охлаждение может проводиться с применением различных закалочных сред: воды, масла, расплавленных солей, растворов солей, кислот, щелочей, водорастворимых полимеров, воздуха. В зависимости от скорости охлаждения при закалке образуются три структуры: мартенсит, троостит и сорбит.

Мартенсит (назван в честь немецкого металловеда Мартенса) получают при скорости охлаждения 180-200 град/с – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe . Это продукт начальной стадии распада аустенита, когда углерод при высокой скорости охлаждения не успевает, выделится в виде цементита при переходе Fe в Fe в виде пересыщенного раствора. Мартенсит закалки имеет неравновесную структуру, тетрагональную решетку, игольчатое строение, высокую твердость и характеризуется наличием внутренних напряжений (НВ 500-600). Мартенсит имеет самую низкую плотность, при нагревании неустойчив и переходит в другие структуры.

Наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Мартенсит имеет игольчатое строение и высокую твердость (НВ 650). Мартенситное превращение происходит в интервале температур Мн-Мк (где Мн – начало, а Мк – конец мартенситных превращений), которые определяются, содержанием углерода в стали (рис. 4.2.).

Рис. 4.2 Микроструктура крупноигольчатого мартенсита (М) и остаточного аустенита (Аост) стали (1,6%С), закаленной от температуры нагрева 1100^оС в воде (х500) (а); микроструктура мелкоигольчатого мартенсита стали с 0,5%С (х500) (б)

Троостит (назван в честь французского химика Труста) - продукт распада аустенита при скорости охлаждения 80-100 град/с. Троостит представляет механическую смесь феррита + цементита высокой дисперсности, так как при такой скорости охлаждения аустенит при переходе Fe в Fe распадается с образованием феррита и цементита, но рост зерен этих структур затруднен (НВ 400). Пластинчатые строения (рис. 4.3.).

Рис. 4.3 Структура троостита х100

Сорбит (назван в честь английского ученого Сорби) – продукт распада аустенита при скорости охлаждения 50 град/с. Так же, как и троостит, является смесью феррита и цементита, но зерна феррита и цементита в сорбите в 10 раз крупнее, чем в троостите, так как при меньшей скорости охлаждения зерно успевает расти. Структура сорбита более вязкая, пластичная, но менее твердая (НВ 300). Пластинчатое строение (рис.4.4).

Рис. 4.4 Структура сорбита х100