. Практическое занятие  № 2

Тема: Термическая обработка углеродистых сталей: отжиг, нормализация, закалка

 

Цель  работы

1. Изучить  влияние  температуры нагрева и скорости охлаждения на превращение аустенита углеродистой стали.

2. Ознакомиться с основными видами и технологией термической обработки стали.

Задание

1. Провести отжиг, нормализацию  и закалку образцов из углеродистых сталей.

2. Измерить стандартными  методами твердость термообработанных стальных образцов.

3. Изучить влияние скорости охлаждения на структуру и твердость углеродистых сталей.

4. Изучить влияние содержания углерода на структуру и твердость углеродистых сталей при указанных видах термообработки.

5. Выполнить индивидуальное задание по УНИРС.

 

Основные  сведения

Термическая  обработка стали представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых с целью  изменения структуры стали для улучшения технологических свойств заготовок ( прокат, поковки, отливки ) и  обеспечения необходимых  эксплуатационных свойств материала в готовых изделиях.

Формирование структуры стали в основном связано с распадом аустенита при его охлаждении с различными скоростями.

Устойчивое состояние аустенита  в сталях имеет место при температурах  выше А₃ (линия GSЕ , рис. 1 из лабораторной работы № 6 )

ниже 727⁰ С . С возрастанием скорости охлаждения ( V₃  >  V₂ >   V₁ )   снижается температура распада аустенита, что приводит к измельчению пластинок феррито-цементитной смеси.

В результате образуются структуры перлита, сорбита  и троостита, отличающиеся размерами ферритных  и цементитных  образований  (степенью дисперсности ) и, следовательно, разными механическими свойствами.

Крупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь у перлита обеспечивает наиболее высокие значения ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения по сравнению с сорбитом и трооститом, а твердость, предел прочности и предел текучести - самые низкие.

Дисперсная мелкозернистая структура троостита  обеспечивает более высокие показатели твердости и прочностных свойств; сорбит по показателям тех же  механических свойств занимает промежуточное положение между перлитом и трооститом.

При дальнейшем росте скорости охлаждения ( V₄ ) только часть  аустенита  может перейти в феррито-цементитную смесь ( троостит ); а оставшийся аустенит претерпевает бездиффузионное превращение  в  пересыщенный твердый раствор углерода в  Fe_a , который называется  мартенситом.  (см.  рис в литературе 5а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При мартенситном бездиффузионном превращении происходит перестройка кубической гранецентрированной решетки аустенита в кубическую объемноцентрированную решетку  a - железа при сохранении концентрации углерода исходной структуры.

Решетка a - железа способна разместить ограниченное количество углерода - не более 0,02 % . Поэтому избыточное количество углерода исходного аустенита ( max  -   2, 14% )  искажает  кубическую объемноцентрированную решетку  a- железа до тетрагональной

бъемноцентрированной решетки. Величина отношения периодов с/ а  -   тетрагональность решетки мартенсита - возрастает с увеличением содержания углерода (рис.2 ).

 При непрерывном охлаждении с еще большей скоростью ( V₅  > V₄ )  диффузионное перераспределение углерода полностью исключается и происходит только мартенситное превращение . При этом часть аустенита может остаться непревращенным.

М_н  ( температура начала мартенситного  превращения ) и М_к  ( температура окончания мартенситного превращения ) определяются содержанием углерода в стали; чем больше углерода в аустените, тем ниже температура М_н  и М_к ( рис. 3 ).

Вектор скорости V_к ,   касательный к выступу С - образной изотермической кривой ( рис. 1 ) и характеризующий минимальную скорость непрерывного охлаждения, при которой полностью подавляется диффузионный  распад , называется критической  скоростью охлаждения ( критической скоростью закалки ).  (см.  рис в литературе 5а)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

О

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Количество остаточного аустенита зависит от содержания углерода в стали. В высокоуглеродистых сталях количество остаточного аустенита повышенное.

Из всех возможных структур, получаемых при непрерывном охлаждении аустенита, мартенсит обладает максимальными значениями твердости, предела прочности.

Однако, значение ударной вязкости, относительного удлинения и относительного сужения мартенсита - самые минимальные по сравнению с другими структурами.

Высокая твердость мартенсита определяется количеством растворенного углерода: с увеличением концентрации углерода в  решетке a - железа значение твердости возрастает.

В практике машиностроения для получения в стали различных структур и комплекса механических свойств применяют следующие виды термообработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжигом называется вид термообработки, заключающийся в нагреве стали   выше температуры А_С3  или  А_С1,  в выдержке при этих температурах и последующем медленном охлаждении с печью.

Медленное охлаждение стали при отжиге способствует протеканию равновесных фазовых превращений и образованию перлита в эвтектоидной  стали, перлита с избыточным ферритом или цементитом в доэвтектоидной и заэвтектоидной стали соответственно.

После  отжига стали характеризуются высокой пластичностью, но пониженной прочностью и твердостью.

Нормализацией  называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50⁰ С  выше А_С3,  выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Фазовая перекристаллизация при нагреве и последующее охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси и приводит к образованию сорбита. 

В доэвтектоидной и заэвтектоидной сталях наряду с сорбитом  в структуре будут находиться соответственно избыточный феррит и цементит.

При образовании в стали сорбита возрастает прочность и твердость стали по сравнению с отожженной. Поэтому нормализация широко применяется для улучшения свойств сталей после литья, проката и ковки.

Для низкоуглеродистых сталей нормализация, имеющая более высокие технико-экономические показатели, заменяет отжиг.

Для среднеуглеродистых сталей нормализация может заменять улучшение ( совмещенную операцию закалки с последующим высоким отпуском ) .

Для высокоуглеродистых сталей нормализация предотвращает выпадение сетки   цементита по границам зерен перлита, наблюдаемые при отжиге в  интервале температур А_С3 - А_С1 .

Закалкой  называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50⁰ С выше температуры А_С3   и  А_С1, для доэвтектоидной и заэвтектоидной (эвтектоидной ) сталей соответственно, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью, равной или превышающей критическую скорость охлаждения (критическую скорость закалки ) . В качестве среды , обеспечивающей подобные скорости охлаждения, используют воду, масло, растворы солей и щелочей.

В результате закалки доэвтектоидная и эвтектоидная стали будут иметь структуру мартенсита, а заэвтектоидная сталь - мартенсит и избыточный цементит.

Закаленные стали помимо указанных структур могут иметь определенное количество остаточного аустенита, что обусловлено относительной способностью большинства охлаждающих сред ограничивать окончание процесса аустенитно-мартенситного превращения комнатными температурами.

Сталь после закалки с  оптимальной температуры имеет максимально возможную твердость, высокую прочность и низкие показатели пластичности, вязкости.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

 

Методика  работы

Оборудование, приборы, инструменты

 

Оборудование для проведения различных видов термической обработки стали включает: электрическую камерную печь  с электромеханической системой регулирования температуры; передвижные закалочные сдвоенные баки с водой и маслом; клещи рукавицы, защитные очки.

Для очистки от окалины и выравнивания торцевых поверхностей образцов перед измерением твердости применяется наждачный камень ( круг ), шлифовальная шкурка.

Измерение твердости по методу Бринелля  производится на приборе ТШ-2 и по методу Роквелла - на приборе ТК-2.

 

Подготовка  образцов

 

Для испытания используют образцы цилиндрической формы, высота которых 12-15 мм, диаметр 15-20 мм. Торцевые поверхности образцов должны быть плоско-параллельными, не иметь раковин, трещин и других видимых дефектов.

 

Проведение  испытаний

 

Исследования проводятся на следующих марках углеродистой стали: сталь 20, сталь 40, сталь У7, сталь У10, сталь У12.

От каждой марки стали берется по четыре образца, которые подвергают отжигу, нормализации и закалке.

Температура нагрева образцов выбирается в зависимости от вида термической обработки и содержания углерода  в  стали. Время выдержки при заданной температуре устанавливается в пределах 5-10 мин.

Охлаждение образцов производится: при отжиге вместе с печью, при нормализации - на воздухе, при закалке - в масле и в воде.

Охлажденные образцы зачищают с обоих торцов на наждачном камне ( круге ) для снятия окалины и получения плоскопараллельных поверхностей.

Твердость термообработанных сталей определяют двумя методами.

Метод Бринелля применяют для стали после операций отжига и нормализации.

Метод Роквелла применяют для закаленных сталей.

Твердость стали на образце измеряют не менее. чем в трех точках: расстояние между двумя отпечатками должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании алмазного конуса и 4 мм при вдавливании  шарика.

Показатели твердости стали по Роквеллу пересчитывают на показатели твердости  по Бринеллю с помощью стандартных таблиц.

За результат испытаний принимают среднее арифметическое трех измерений.

Результаты испытаний и расчетов записывают в таблицу 1.

По данным измерений строятся два графика:

- график зависимости твердости от содержания углерода для сталей, охлажденных с различными скоростями, в координатах: твердость по Бринеллю ( ось ординат ) - содержание углерода ( ось абсцисс );

- график зависимости твердости по Бринеллю от скорости охлаждения для каждой исследованной марки стали в координатах: твердость по Бринеллю ( ось ординат ) - скорость охлаждения ( ось абсцисс ).

 

                                                                  Таблица 1

 

Марка	Способ	d	Твердость
стали	охлаждения	отпечатка	HB	HRC
20	Вода Масло Воздух Печь
40	Вода Масло Воздух Печь
У7	Вода Масло Воздух Печь
У10	Вода Масло Воздух Печь
У12	Вода Масло Воздух Печь

 

Тема задания по УНИРС и форма отчетности по выданному заданию определяется преподавателем.

 

Порядок оформления  отчета

 

В отчете приводятся:

 

1. Цель работы и задание по ее выполнению.

2. Режимы технологических операций при отжиге, нормализации и закалке.

3. Полученные результаты оценки твердости (табл. 1 ).

4. Графики зависимости твердости от содержания углерода и твердости от скорости охлаждения сталей.

5. Краткие выводы по анализу влияния видов термообработки на структуру и механические свойства углеродистых сталей.

6. Результаты выполненного задания по УНИРС оформляются как

ПРИЛОЖЕНИЕ   к отчету по  работе.

 

К выполнению лабораторной работы допускаютсястуденты, прошедшие инструктаж по технике безопасности  и действующим производственным правилам по технологии проведения различных видов термообработки сталей.

 

Литература

 

 [5а].  Лахтин Ю.М ., Металловедение и термическая обработка металлов., Металлургия, 1993, 447 с.