Отпуск закаленных сталей

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Термическая обработка сплавов имеет несколько разновидностей. Углеродистые стали могут с успехом подвергаться: отжигу, нормализации, закалке, отпуску. Эффект от термообработки сталей обеспечивается благодаря полиморфному превращению железа

Термическая обработка сталей основана на четырех основных превращениях, происходящих в сталях при нагреве и охлаждении. Рассмотрим их на примере эвтектоидной стали.

1. В эвтектоидной стали при нагреве выше температуры А₁ перлит, представляющий собой дисперсную смесь феррита и цементита превращается в аустенит – твердый раствор углерода в гранецентрированной кубической решетке железа (П→ А) (рисунки 1 и 2). До аустенитного состояния сталь нагревают для отжига, нормализации, закалки, а также для обработки давлением: ковки, прокатки, штамповки.

2. При медленном охлаждении аустенита ниже температуры А₁ происходит диффузионное превращение его в дисперсную пластинчатую смесь феррита и цементита, называемую перлитом. Это превращение реализуется при отжиге стальных заготовок перед их механической обработкой (А→П).

3. При быстром охлаждении аустенита диффузия железа и углерода, необходимая для образования равновесных фаз – феррита и цементита, произойти не успевает. В этом случае гранецентрированная кристаллическая решетка железа перестраивается в объемно-центрированную бездиффузионно, путем коллективного сдвига ионов железа на расстояния меньше межатомных. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в ОЦК решетке железа – мартенсит. Мартенситное превращение реализуется при закалке стальных деталей и инструментов (А→М) (рисунок 3).

4. Мартенсит, полученный из аустенита, благодаря очень быстрому охлаждению, является термодинамически неустойчивой фазой. При его нагреве по мере возрастания диффузионной подвижности атомов углерода, а затем и железа, происходит выделение атомов углерода из решетки железа и образование карбидов железа. Образуется двухфазная структура, представляющая смесь феррита и цементита. Это превращение М → (феррит + карбиды) реализуется при отпуске закаленных изделий.

В предлагаемой лабораторной работе предстоит провести закалку, нормализацию и отпуск конструкционной среднеуглеродистой стали 40 и высокоуглеродистой инструментальной стали У8.

Закалка

1. Выбор температуры нагрева под закалку

Доэвтектоидные стали под закалку следует нагревать до однородного аустенитного состояния. Оно достигается за сравнительно короткий отрезок времени, если температура нагрева находится на 30—50^оС выше температуры Ас₃. Температура Ас₃, при которой в реальных условиях нагрева произойдет полная замена феррита на аустенит, зависит от скорости нагрева (рисунок 1). Чем выше скорость нагрева, тем больше разность между Ас₃ и А₃. При медленном печном нагреве она небольшая. Поэтому температуру нагрева под закалку доэвтектоидных сталей назначают на 30 – 50^оС выше равновесной А_3, которую, в свою очередь, находят на диаграмме состояния железо – углерод, на пересечении концентрации углерода в стали с линией GS (рисунок 2).

Рисунок 1 – Влияние температуры и скорости нагрева на превращение перлита в аустенит

В заводской практике критические температуры используемых сталей определяют по справочникам, а в случае необходимости уточняют с помощью термического анализа.

Рисунок 2 - Часть диаграммы ЖЕЛЕЗО–УГЛЕРОД, используемая для выбора температуры нагрева при термообработке углеродистых сталей.

Заштрихованная область на диаграмме показывает рекомендуемые температуры нагрева под закалку. Для сталей доэвтектоидных температура нагрева на 20-30°С выше линии Ас_з т.е. находится в области аустенита. Сталь марки 40 (0,4%С) нагревается до температуры t₁ , сталь марки У8 (0,8%С) нагревается до температуры t_2.

2. Период нагрева

Время нагрева можно рассчитывать или воспользоваться справочными данными (таблица 1).

Таблица 1 – Время нагрева плоских стальных деталей

3. Период выдержки при заданной температуре

Время выдержки необходимо для равномерного распределения температуры по всему сечению образца (прогрев детали) и для завершения структурных превращений. Оно определяется расчетом или берется из соответствующих справочников. Для образцов, используемых в данной работе, можно принять время выдержки из расчета 1 мин на 1мм толщины детали.

4. Период охлаждения

Главнейший фактор этого периода - скорость охлаждения детали. В зависимости от скорости охлаждения аустенит может превращаться в различные структуры. На рисунке 3 изображена диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита (изображен общий случай). А – аустенит, П – перлит. V₁, V₂, V₃, V₄, V_К – скорости охлаждения, град/сек. М_Н – температура начала мартенситного превращения.

У сталей углеродистых с уменьшением скорости охлаждения получается более равновесная структура и меньше твердость. Например, при скорости V₁ образуется структура крупнопластинчатого перлита, при скорости V₂ более дисперсная структура перлита (и более твердая). Чтобы получить структуру мартенсита (обладающую наибольшей твердостью) необходима скорость охлаждения V_К (критическая скорость) или еще более высокая V₄.Для углеродистых сталей она равна примерно 500 ^оС/с.

Рисунок 3 – Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита эвтектоидной стали.

Скорость охлаждения зависит от разности температур, от соотношения площади поверхности детали к её объёму, от теплофизических свойств охлаждающей среды и материала детали и некоторых других факторов.

Таблица 2 – Скорости охлаждения в различных средах

Отпуск закаленных сталей

Отпуск - процесс, обусловливающий превращение неустойчивых структур закаленной стали в более устойчивые.

Отпуск осуществляется путем нагрева закаленных сталей до заданных температур, лежащих ниже Ас₁. При отпуске с повышением температуры происходит превращение по схеме мартенсит-троостит-сорбит. Чем выше температура нагрева, тем более равновесна будет получаемая структура, меньше внутренние напряжения, выше ударная вязкость (рисунок 4).

Рисунок 4 – Влияние температуры отпуска на механические свойства углеродистой стали

В процессе отпуска также различают три периода – нагрев, выдержку при заданной температуре и охлаждение.

Время нагрева с выдержкой можно принять из расчета 2-3 мин на 1мм толщины детали. Для углеродистых сталей охлаждение после отпуска можно проводить на воздухе.