Влияние температуры нагрева под закалку

На структуру и свойства углеродистой стали

Цель: исследование формирования структур углеродистых сталей при закалке, изучение влияние температуры нагрева под закалку на структуру и свойства доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей.

Общие сведения

Термической обработкой (термообработка, ТО) называется совокупность процессов нагрева, выдержки, охлаждения, в результате которых существенно меняются структура и свойства металлов и сплавов.

Термообработка занимает в машиностроительном и ремонтном производствах одно из ведущих мест, ей подвергают заготовки (отливки, штамповки, поковки и другие полуфабрикаты), а также готовые детали машин, инструмент.

Любой процесс ТО состоит из трех основных операций: нагрева (температура нагрева определяется видом термообработки и химическим составом материала), выдержки (время выдержки определяется прежде всего размерами детали) и охлаждения (скорость охлаждения определяется видом ТО, химическим составом материала и необходимым уровнем физико-механических свойств).

Таким образом, основными видами термообработки (в зависимости от температуры нагрева, времени выдержки, скорости охлаждения и получаемых свойств) являются: отжиг, нормализация, закалка, отпуск, старение.

Отжигу и нормализации обычно подвергаются заготовки изделий. Эти виды термообработки являются предварительными, позволяющими подготовить сталь к обработке резанием или к дальнейшим видам ТО. В результате этих операций сталь приобретает однородную, равномерную структуру, становится пластичнее, легче обрабатывается резанием.

Цель закалки – получение структуры мартенсита, обладающего наибольшей прочностью и твердостью (58-65 HRC), но минимальной пластичностью.

После закалки обязательным видом термообработки является отпуск, цель которого – снятие внутренних напряжений, возникающих в результате закалки.

Закалка и отпуск – обычно окончательный вид термообработки, применяющейся для готовых изделий.

Теоретические основы ТО были заложены в трудах великого русского ученого Д. К. Чернова, открывшего в 1868 году «критические» точки сталей, при переходе через которые (при нагреве или охлаждении) меняются структура, а следовательно, и свойства стали.

Основными критическими точками на диаграмме состояния Fe – Fe₃C являются:

точка (линия PSK, температура 727 °С) – при нагреве любой стали выше т. перлит превращается в аустенит;

точка (линия GS, температура от 727 до 911°С) – при нагреве доэвтектоидной стали выше т. феррит растворяется в аустените;

точка (линия SE, температура от 727 до 1147 °С) – при нагреве заэвтектоидной стали выше т. цементит вторичный растворяется в аустените.

8.2. Превращения при нагреве сталей.
Рост аустенитного зерна

Структура мартенсита при закалке стали формируется из аустенита, поэтому на начальной стадии закалки необходимо сформировать исходную аустенитную структуру.

Известно, что при нагреве сталей до температур выше линии PSK (т. ) перлит превращается в аустенит. Превращение сопровождается полиморфным -превращением и растворением в образовавшемся аустените цементита (карбидов железа). Зародыш аустенита возникает на границе раздела кристаллов феррита и цементита. Образовавшиеся зародыши растут благодаря интенсивной диффузии атомов углерода в аустените, одновременно зарождаются новые зерна.

При обычных условиях нагрева превращение перлита в аустенит происходит не при температуре 727 °С, а при некотором перегреве, причем температуры начала и окончания превращения зависят от скорости нагрева (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Температуры превращения перлита в аустенит

при различных скоростях нагрева

Величина образовавшегося аустенитного зерна имеет большое влияние на свойства стали после ее термической обработки. В случае, если образовалось зерно крупного размера, то и продукты превращения также будут иметь крупнозернистые строения, что приведет к снижению прочностных свойств.

Рис. 8.2. Рост аустенитного зерна при нагреве: 1 – наследственно мелкозернистые стали; 2 – наследственно крупнозернистые стали

По склонности аустенитного зерна к росту различают наследственно крупнозернистые и наследственно мелкозернистые стали. На рис. 8.2 приведена схема изменения величины зерна аустенита в стали при нагреве выше т. . В наследственно крупнозернистых сталях зародыши аустенитных зерен начинают расти уже при достаточно небольшой степени перегрева выше т. (кривая 2); в наследственно мелкозернистых мелкое зерно сохраняется до температуры 930 – 950 °С, а выше начинается интенсивный рост зерна (кривая 1). Наследственно мелкозернистые стали обладают лучшими технологическими и физико- механическими свойствами.

Сущность закалки.