Московский государственный технический университет

Московский государственный технический университет

им. Баумана

Калужский филиал

Е. В. Акулиничев, Л.А. Московских

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Материаловедение».

Термическая обработка углеродистых сталей.

Под редакцией проф. В. В. Лебедева.

Калуга 2003

УДК 669.01

ББК 30.3 А44

Данные методические указания издаются в соответствии с учебным планом специальностей 200100, 320700, 120100, 120500, 120200, 170900, 311300.

Указания рассмотрены и одобрены:

кафедрой «Материаловедение» (ЭИУ-4 КФ)

, протокол №

(подпись)

зав. кафедрой Е. Г. Косушкин

методической комиссией Калужского филиала

, протокол №

(подпись)

председатель методической комиссии В. Т. Дегтярёв

Рецензент (подпись)

к. т. н., доцент кафедры М5-КФ Винокурова Н. А.

Авторы (подпись)

Акулиничев Евгений Владимирович

к. х. н. доцент Московских Лидия Антиповна

Аннотация

Методическое указание содержит:

1. Экспериментальную часть, состоящую из трёх лабораторных работ, в которой содержится цель работы, методика эксперимента, содержание отчёта.

2. Краткие сведения из теории термической обработки стали – механизм формирования структуры в области мартенситного, перлитного и промежуточного превращений; особенности структуры и свойств продуктов превращения; основные превращения при отпуске закалённых сталей.

3. Вопросы для самоконтроля.

© Калужский филиал МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003г.

© Акулиничев Е.В., Московских Л. А., 2003г.

Оглавление

Лабораторная работа №1. ………………………………………….4

Закалка углеродистых сталей.

· Выбор оптимальных температур для закалки углеродистых сталей.

· Цель работы.

· Порядок выполнения работы и содержание отчёта.

· Необходимые материалы и оборудование.

· Краткие сведения из теории.

· Контрольные вопросы к работе.

Лабораторная работа №2 …………………………………………..9

Превращения в углеродистой стали при непрерывном охлаждении аустенита в различных средах.

· Цель работы.

· Экспериментальная часть.

· Содержание отчёта.

· Необходимые материалы и оборудование.

· Краткие сведения из теории.

· Контрольные вопросы.

Лабораторная работа №3 ………………………………………….17

Отпуск закалённых углеродистых сталей.

· Цель работы.

· Порядок выполнения работы и содержание отчёта.

· Необходимые материалы и оборудование.

· Краткие сведения из теории.

· Контрольные вопросы.

· Литература.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы:

1. Освоить практику проведения закалки стали.

2. Установить влияние температуры нагрева под закалку на структуру и твердость углеродистых сталей.

Задание и порядок выполнения работы.

1. Кратко описать назначение закалки стали, выбор температуры нагрева (полной и неполной закалки) и скорости охлаждения.

2. Произвести закалку образцов сталей 45 и У10 по режиму, указанному преподавателем.

3. Зачистить торцевые поверхности закаленных образцов и замерить их твердость по Роквеллу (шкала С). Полученные результаты перевести в шкалу твердости по Бринеллю и записать в сводную таблицу (форма таблицы прилагается).

4. Определить структуру образцов после закалки.

5. По результатам, полученным всей подгруппой, построить на миллиметровой бумаге графики зависимости твердости сталей 45 и У10 от температуры закалки (при охлаждении в воде).

6. Определить оптимальные температуры закалки для сталей 45 и У10 и отметить их на графике.

7. Произвести анализ полученных результатов, ответив на следующие вопросы:

а) Каковы результаты, полученные при охлаждении сталей 45 и У10 с температуры 600° С, в чем причина таких результатов?

б) Обосновать выбор температуры нагрева под закалку для стали 45, анализируя структуру и свойства стали после закалки с температур 750°,850°,950°.

в) Обосновать выбор температуры нагрева под закалку для стали У10 анализируя структуру и свойства стали после закалки с температуры 750°,850°,950°.

Необходимые материалы и оборудование.

1. Муфельные электропечи с заданными температурами.

2. Закалочный бак.

3. Клещи.

4. Твердомер Роквелла.

5. Образцы отожженных сталей 45 и У10.

6. Шлифовальный круг.

Таблица 1

Сводная таблица результатов закалки сталей 45 и У10

Сталь 45		Сталь У 10
№	Темпе­ратура закалки °С	Охлаждаю­щая среда	Твердость после закал­ки НВ	Струк­тура после закалки		№	Темпе­ратура закалки °С	Охлаждаю­щая среда	Твердость после закал­ки НВ	Струк­тура после закалки
		Вода						Вода
		Вода						Вода
		Вода						Вода
		Вода						Вода
Исходное состояние (отжиг)				Исходное состояние (отжиг)

Краткие сведения из теории.

Закалкой стали называется операция термической обработки, заключающаяся в нагреве её по крайней мере выше критической точки А_С1 т.е. до аустенито-ферритного, аустенитного или аустенито-цементитного состояния, выдержке и последующем охлаждении в различных средах с целью получения при комнатной температуре неустойчивых продуктов распада аустенита, а следовательно, повышения твердости и прочности.

Для углеродистых сталей точка А_С1 соответствует линии PSK на диаграмме "железо-цементит" и составляет 727°С. В связи с тем, что нагрев ниже этой температуры не приводит к изменению исходной отожженной структуры стали, последующее охлаждение с любой скоростью также не изменит ни структуры, ни свойств стали. Следовательно, такая операция не является закалкой.

В большинстве случаев основная цель закалки - повышение твердости и прочности - достигается превращением аустенита в одну из самых прочных структур - мартенсит. Его образование требует быстрого охлаждения с температуры закалки со скоростью, превышающей некоторую критическую V_кр. Такую скорость охлаждения для углеродистых сталей обеспечивает вода.

Выбор температуры закалки.

В зависимости от температуры нагрева закалка может быть полной и неполной.

В случае, если нагрев происходит выше линии GSE диаграммы (точки А_C3и А_сm), то получаемая при этом однофазная структура аустенита при охлаждении со скоростью больше некоторой критической превращается в чистый мартенсит. Такую закалку называют полной. При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии PSK (точка А_C1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений. В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных мартенсит + цементит.

Твердость мартенсита, представляющего собой пересыщенный раствор углерода в а -железе, зависит от содержания в нем углерода (рис.1). В среднеуглеродистых и высокоуглеродистых сталях она составляет 55..65 HRC или 550..680 НВ.

Феррит - одна из самых мягких и малопрочных фаз в сталях. Его твердость не превышает 80.. 100 НВ. Цементит же - весьма твердая фаза (около 1000 HV или более 700 НВ). Следовательно, присутствие избыточного феррита в структуре закаленной стали, резко снижает её твердость, в то время как цементит способствует получению более высокой твердости.

Рис.1. Зависимость твердости мартенсита от содержания углерода в стали.

Таким образом, для доэвтектоидных сталей целесообразно производить полную закалку на чистый мартенсит, а для заэвтектоидных - неполную, которая кроме мартенсита сохраняет в структуре некоторое количество цементита. Для эвтектоидной стали возможна только полная закалка.

Следует иметь в виду, что нагрев стали при закалке до температур, значительно превышающих критические точки А_C3 и А_сm, вообще нежелателен, так как может привести к сильному обезуглероживанию и окислению поверхности деталей, укрупнению зерна и увеличению внутренних напряжений. В итоге после закалки с таких температур твердость поверхности оказывается заниженной, наблюдается повышенная деформация деталей, получающийся мартенсит имеет грубое строение и обладает повышенной хрупкостью, сохраняется некоторое количество нераспавшегося аустенита.

Все это позволяет придти к выводу, что в зависимости от состава стали её нагрев под закалку целесообразно осуществлять до температур, лежащих на 30..50° С выше линии GSK (рис.2).

Рис.2. Оптимальный интервал температур нагрева под закалку углеродистых сталей.

Контрольные вопросы к работе.

1. Каково назначение закалки?

2. Как выбирается температура закалки стали?

3. Как сделать полную и неполную закалку стали?

4. Для каких сталей целесообразно применять полную закалку?

5. Для каких сталей рекомендуется неполная закалка и почему?

6. Какие структуры обеспечивает полная закалка доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей?

7. Какие структуры получаются при неполной закалке доэвтектоидных и заэвтектоидных сталей в воде?

8. Что называется мартенситом в стали?

9. Как влияет содержание углерода на твердость мартенсита?

10. Можно ли сделать неполную закалку для эвтектоидной стали?

11. Какую структуру получит сталь 45 после закалки с температуры 850° С в воде?

12. Почему не рекомендуется перегревать доэвтектоидные стали выше оптимальной температуры закалки?

13. К каким отрицательным явлениям может привести закалка на мартенсит и каковы их причины?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

ПРЕВРАЩЕНИЯ В УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ НЕПРЕРЫВНОМ ОХЛАЖДЕНИИ АУСТЕНИТА В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

Цель работы:

1. Изучить превращения в стали при непрерывном охлаждении аустенита с различными скоростями.

2. Установить:

а) Структуру и свойства стали после охлаждения с различными скоростями;

б) Вид термической обработки в зависимости от охлаждающей среды.

3. Объяснить причину влияния различных охлаждающих сред на формирование структуры стали и механизм превращения.

Экспериментальная часть:

1. Три образца заданной стали (сталь45 или У10) поместить в муфельную печь, нагретую до требуемой температуры, дать выдержку для установления температуры по сечению.

Оптимальная температура нагрева для доэвтектоидной стали

t = A_C3 +(30..50°С); для заэвтектоидной стали t = A_C1 +(30..50°С). Время выдержки в печи для установления температуры по сечению определяется составом стали, температурой и формой образца. Для углеродистой стали при t нагрева 800..900°С t = 1-0,8мин на 1 мм диаметра цилиндрического образца.

2. Охладить образцы в разных средах: на воздухе; в масле; в воде.

3. Измерить твердость образцов по методу Роквелла. Твердость стали после охлаждения с печью взять из справочника.

Содержание отчета:

1. Цель работы.

2. Результаты эксперимента:

а) Таблица 1 с результатами эксперимента.

б) Диаграмма зависимости твердости стали от скорости охлаждения.

Таблица 1

Результаты исследования превращений в стали при охлаждении аустенита в разных средах

№	Исходная Структура	Режим нагрева	Режим охл.	После охлаждения	Название т.о.
T	t	Твердость	Микро-структура
HRC	HRB

3. Анализ полученных результатов:

а) Причины влияния скорости охлаждения аустенита на формирование структуры.

б) Особенности механизма превращения и структуры продуктов превращения аустенита при охлаждении в разных средах.

Для выполнения работы необходимы:

1. Образцы для исследования.

2. Муфельная печь, клещи, баки с водой и маслом.

3. Шлифовальный станок.

4. Твердомер Роквелла.

5. Фильтровальная бумага.

Краткие сведения из теории.

Многие виды термической обработки стали осуществляются нагревом ее до аустенитного состояния и последующего охлаждения с различными скоростями. При достижении температур ниже А_r1 (линия PSK), аустенит становится термодинамически неустойчив и подвергается превращению. Структура и свойства продуктов превращения определяется достигнутой степенью переохлаждения (Dt).

В зависимости от (Dt) различают три температурные области превращения: перлитную; промежуточного превращения и мартенситную. Эти области показаны на диаграмме изотермического превращения аустенита для стали с %С=0,8 (рис.1).

Рис. 1. Диаграмма изотермического превращения аустенита (С-кривые для эвтектоидной стали) кривая 1 - начало; кривая 2 - конец изотермического превращения аустенита; t -время наименьшей устойчивости переохлажденного аустенита.

Рассмотрим влияние степени переохлаждения на формирование структуры и свойств эвтектоидной стали в области перлитного превращения. Перлитное превращение переохлажденного аустенита идет при температурах от А_r1 до выступа С кривых (~ 550°) и заключается в образовании из аустенита смеси феррит + цементит по схеме (Перлит). Процесс контролируется диффузией атомов С и Fe.

Ведущей фазой при этом явлении является цементит. Его зародыши образуются на границах зерен аустенита. В процессе роста частиц цементита прилегающий к нему объем аустенита обедняется углеродом, его устойчивость снижается и идет полиморфное превращение. Кристаллы феррита зарождаются на границе с цементитом. Рост ферритных кристаллов ведет к обогащению прилегающих областей аустенита углеродом, затруднению превращения и к зарождению новых пластин цементита. Таким образом, происходит колониальный рост кристаллов (пластинок) феррита и цементита за счет взаимно противоположной диффузии атомов С и Fe.

Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Толщина ферритных и цементитных пластин определяется только степенью переохлаждения, чем больше Dt, тем тоньше получается феррито-цементитная смесь. С увеличением Dt в соответствии с общими законами кристаллизации возрастает разность свободной энергии аустенита и перлита, что уменьшает размер критического зародыша, увеличивается число центров кристаллизации, т.е. возрастает дисперсность феррито-цементитной смеси. Дисперсность смеси оценивают усредненной суммарной толщиной (D) пластинки феррита и цементита.

В эвтектоидной стали при распаде аустенита в области температур от А_r1 до ~ 650° межпластиночное расстояние (D) в колониях равно 0,5-1 мкм, двухфазное строение смеси хорошо видно при средних увеличениях микроскопа. Такая смесь называется перлитной. Твердость перлита НВ 180..250.

При распаде аустенита в интервале температур ~650°-600° межпластиночное расстояние 0,4-0,2 мкм; двухфазное строение смеси выявляется лишь при больших увеличениях микроскопа (разрешающая способность светового микроскопа ~0,2 мкм). Такая смесь называется сорбитом. Твердость сорбита НВ 250..350.

При распаде аустенита в интервале температур 600° -550° образуется очень тонкая эвтектоидная смесь с межпластиночным расстоянием ~0,1 мкм, называемая трооститом. Твердость троостита НВ 350..450. двухфазное строение троостита выявляется только под электронным микроскопом.

Промежуточное превращение.

Промежуточное превращение идет при переохлаждении аустенита от температур выступа С-кривых до М_H (температуры начала мартенситного превращения). В этом интервале температур не наблюдается диффузии атомов Fe. Превращение идет за счет диффузного перераспределения углерода в аустените, в результате чего в объемах аустенита, обогащенных С образуется карбидная фаза, в объемах аустенита, объединенных углеродом идет превращение по бездиффузионному механизму. Таким образом, формируется структура бейнита, состоящая из карбидной фазы и перенасыщенного твердого раствора С в Fe.

Мартенситное превращение.

При переохлаждении аустенита до температур ниже М_H становится не возможна диффузия атомов и полиморфное превращение осуществляется в интервале М_H - М_K бездиффузионным сдвиговым механизмом с образованием перенасыщенного твердого раствора С в Fe (решетка тетрагональная). Эта фаза называется мартенситом.

Превращения аустенита в доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях.

Превращение аустенита в до и заэвтектоидных сталях и эвтектоидной стали в области перлитного превращения несколько отличаются. В до и заэвтектоидных сталях в отличии от эвтектоидной стали в интервале температур А₃ - А₁ сначала выделяются избыточные фазы - феррит (в доэвтектоидной стали) или избыточный цементит (в заэвтектоидной стали).

Начало выделения избыточного феррита (цементита) на диаграмме изотермического распада отмечается пунктирной дополнительной кривой (рис.2, а и б)

а) б)

Рис.2. Диаграмма изотермического превращения для

а) доэвтектоидной стали;

б) заэвтектоидной стали;

При небольших степенях переохлаждения в результате выделения избыточной фазы состав аустенита приближается к 0,8%С (при этом пересекается сплошная кривая 1) и идет его диффузионный распад на феррито-цементитную смесь. Образуется структура Ф+П (доэвтектоидная сталь) или П + Ц_II (заэвтектоидная сталь).

Количество выделяющегося избыточного феррита (или цементита) уменьшается с понижением температуры и при некоторой степени переохлаждения выделение избыточных фаз в виде самостоятельных структурных составляющих не происходит. Аустенит сразу распадается на феррито-цементитную смесь, сорбит или тростит с увеличенной долей ферритных (в доэвтектоидной стали) или цементитных пластин (в заэвтектоидной стали). Такая эвтектоидная смесь называется квазиэвтектоидом.

Превращения аустенита при непрерывном охлаждении стали.

В случае непрерывного охлаждения аустенита с различной скоростью его превращение развивается не при постоянной температуре, а в некотором интервале температур.

Качество превращения, протекающего при непрерывном охлаждении аустенита, можно охарактеризовать с помощью диаграммы изотермического распада аустенита. Для этого необходимо на С-кривые наложить линии скоростей охлаждения, рис.3.

Рис.3. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита.

Как видно из этого рисунка, кривые скоростей охлаждения пересекают кривые начала и конца превращения А при различных температурах.

Чем больше скорость охлаждения в интервале перлитного превращения, тем ниже температурный интервал распада аустенита и тем дисперсией образующаяся ферритно-цементитная структура подобно тому, как это наблюдается при изотермическом распаде аустенита.

При небольшой скорости охлаждения, вместе с печью, степень переохлаждения не велика и аустенит превращается в достаточно крупно дисперсную смесь двух фаз – феррита и цементита. Эта операция называется отжигом.

Если аустенит охлаждать с большой скоростью, на воздухе, превращение аустенита пойдет при большей степени переохлаждения с образование более дисперсной смеси. Термообработка, при которой сталь после нагревания до структуры аустенита и выдержки охлаждается на воздухе, называется нормализацией. После нормализации; из-за дисперности феррито-цементитной смеси, твердость и прочность на 10.. 15% выше, чем после отжига.

При охлаждении аустенита с еще большей скоростью, в масле, получается высокодисперсная смесь феррита и цементита – сорбит (или троостит).

При очень большой скорости охлаждения (800-200град/сек) диффузионный распад аутенита становится невозможным; аустенит переохлаждается до точки М_H и при дальнейшем охлаждении превращается в мартенсит.

Минимальная скорость охлаждения (V_кр), при которой весь аустенит переохладится до точки М_H и превратится в мартенсит, называется критической скоростью закалки. Критическая скорость закалки – важнейшая технологическая характеристика стали. Она определяет выбор охлаждающих сред для получения мартенситной структуры.

Точные данные о температурных интервалах протекания фазовых превращений при непрерывном охлаждении и об образующихся при этом структурных составляющих можно получить из термокинетических диаграмм.

Термокинетические диаграммы строят в координатах t-t на основе анализа серии кривых охлаждения, на которых отмечают температуры начала и конца перлитного, промежуточного и мартенситного превращений т.е. области их превращений.

Рис.4. Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита для эвтектоидной стали.

Эти диаграммы показывают, что при малых скоростях охлаждения в углеродистой стали протекает только диффузионный распад аустенита с образованием феррито-цементитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, троостит). При высоких скоростях охлаждения (вышеV_кр) диффузионный распад аустенита подавляется и аустенит претерпевает только мартенситное превращение.

В легированной стали существует и область промежуточного превращения, где аустенит претерпевает распад с образованием бейнита, рис.5. Повышение скорости охлаждения подавляет перлитное превращение и приводит к образованию бейнита. Промежуточное превращение не идет до конца, и поэтому после охлаждения наряду с бейнитом всегда присутствует мартенсит и остаточный аустенит. Для получения структуры мартенсита следует вести охлаждение со скоростью выше критической, когда перлитное и бейнитное превращения становятся невозможными.

Рис.5. Термокинетическая диаграмма превращения переохлажденного аустенита для доэвтектоидной легированной стали 40ХМ.

Контрольные вопросы.

1. Каков механизм перлитного превращения? Чем он отличается от механизма промежуточного; мартенситного превращения?

2. Как влияет степень переохлаждения на формирование структуры в области перлитного превращения. В чем причины этого?

3. Как влияет скорость охлаждения на формирование структуры в области перлитного превращения?

4. Какова структура и свойства:

а) перлита;

б) сорбита;

в) троостита;

г) бейнита;

д) мартенсита;

5. Как получить:

а) бейнит;

б) мартенсит;

6. Что такое V кр?

7. Какая структура образуется при охлаждении стали У10 с t = 850° С:

а) с печью;

б) на воздухе;

в) в масле;

г) в воде;

Объяснить причины образования таких структур.

8. В какой среде можно охладить сталь 45 с t = 850° С для получения:

а) минимальной НВ и δ_B;

б) максимальной НВ и δ_B;

9. Как нужно охладить сталь с температуры нагрева при:

а) отжиге стали;

б) нормализации;
в) закалке.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ОТПУСК ЗАКАЛЁННЫХ УГЛЕГОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: Установить влияние температуры отпуска на твёрдость закалённых углеродистых сталей.

Порядок выполнения работы и содержание отчёта

1. Кратко описать назначение, виды отпуска, превращения, происходящие при нагреве закалённых сталей.

2. Произвести отпуск образцов сталей 45 и У10, закалённых с оптимальных температур, по заданному преподавателем режиму.

3. Зачистить торцевые поверхности отпущенных образцов и определить их твёрдость по Роквеллу (шкала С). Полученные значения перевести в числа твёрдости по Бринеллю и записать в сводную таблицу результатов (табл.1.).

Таблица 1

Влияние температуры отпуска на твёрдость закалённых сталей 45 и У10 (сводная таблица результатов)

Сталь 45	СтальУ10
№	Темпер. отпуска, °C	Твёрд. после отпуска, НВ	Структура после закалки	№	Темпер. Отпуска, °С	Твёрд. после отпуска НВ	Структура после закалки
Исходное состояние (закалка)		М	Исходное состояние (закалка)		М+Ц

4. Определить структуру образцов после отпуска, учитывая превращения, проходящие при заданной температуре, и полученную твёрдость.

5. Используя результаты, полученные всей группой, построить графики зависимости твёрдости сталей 45 и У10 от температуры отпуска.

6. Провести анализ полученных результатов, ответив на следующие вопросы

- как изменилась твёрдость и структура закалённых сталей при повышении температуры отпуска?

- какому отпуску целесообразно подвергать детали машин из стали 45и инструмента из стали У10?

Необходимые материалы и оборудование.

1. Образцы закалённых сталей 45, У10.

2. Муфельная электропечь с заданной температурой.

3. Твердомер Роквелла.

4. Шлифовальный круг.

5. Клещи.

6. Таблица перевода твёрдости.

Краткие сведения из теории.

Образующийся при закалке стали мартенсит, представляет собой неустойчивую структуру, характеризующуюся высокой твёрдостью, хрупкостью и высоким уровнем внутренних напряжений. По этой причине закалённую стать обязательно подвергать отпуску.

Отпуском называют термическую операцию, заключающуюся в нагреве закалённой стали до температур, не превышающих точку А_C1 (т.е. не выше линии PSK), выдержке и последующем охлаждении чаще всего на воздухе. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возможные при закалке.

Окончательные свойства стали в большей степени зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска стали в зависимости от температуры нагрева.

Низкий (низкотемпературный отпуск) проводят при температурах не выше 250...300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц e - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и e-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решётки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжении. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая стать с содержанием углерода 0,5... 1.3 % после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58...63 HRC. а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, работающий без значительного разогрева рабочей части, а такие детали, прошедшие поверхностную закалку или цементацию. Цель такого отпуска - некоторое снижение внутренних напряжений.

Средний (среднетемпературный) отпуск выполняют при температурах 350...500°С и применяют преимущественно для рессор, пружин, некоторых видов штампов.. При таких температурах происходит дальнейшее обезуглероживание мартенсита, приводящее к его превращению в обычный a-раствор, т. е. в феррит. Одновременно происходит карбидное превращение по схеме: Fe₂C®Fe₃C.

В результате образуется феррито-цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Наблюдается снижение твёрдости до величины 40...50 HRC, а также снижение внутренних напряжений.

Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости и предел выносливости, что позволяет применять его для различных упругих элементов.

Высокий (высокотемпературный) отпуск проводят при 500...600°С. Структурные изменения при таких температурах заключаются в укрупнении (коагуляции) частиц цементита. В результате этого образуется феррито-цементитная смесь, называемая сорбитом отпуска. Так же, как и троостит отпуска, эта структура характеризуется зернистым строением в отличии от пластинчатых структур троостита и сорбита закалки. Твёрдость стали после высокого отпуска снижается до 25...35 HRC. Однако уровень прочности при этом ещё достаточно высок. В то же время обеспечивается повышенная пластичность и особенно ударная вязкость, практически полностью снимаются внутренние напряжения, возникшие при закалке.

Таким образом, высокий отпуск на сорбит обеспечивает наилучший комплекс механических свойств, позволяющий применять его для деталей, работающих в условиях динамических нагрузок. Такой же отпуск рекомендуется для деталей машин из легированных сталей, работающих при повышенных температурах.

Термическую обработку, состоящую из закалки на мартенсит и последующего высокого отпуска на сорбит, называют термическим улучшением. Вообще термическому улучшению подвергают детали из среднеуглеродистых (0,3...0,5%С) конструкционных сталей, к которым предъявляют высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие её пониженной твёрдости невысока.

Скорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Так охлаждение на воздухе даёт напряжения в 7 раз меньше, а охлаждение в масле в 2,5 раза меньше, но сравнению с охлаждением в воде. По этой причине изделия сложной формы во избежание их деформации после отпуска следует охлаждать медленно (на воздухе), а детали из некоторых легированных сталей, склонных к отпускной хрупкости, рекомендуется охлаждать в масле (иногда даже в воде).

Легирующие элементы, входящие в состав легированных сталей, особенно такие, как Mo, W, Cr, Ti, V и Si, сильно тормозят диффузионные процессы, происходящие при отпуске закалённой стали. Поэтому после отпуска при одинаковой температуре легированная сталь сохраняет более высокую твёрдость и прочность. Это делает легированные стали более теплостойкими, способными работать при повышенных температурах.

Контрольные вопросы:

1. Какие основные превращения идут при нагреве закалённых сталей?

2. Как влияет температура отпуска на структуру и свойства закаленных сталей?

3. Какому отпуску следует подвергать детали, работающие в условиях износа, или режущий инструмент? Какова цель его и технология проведения?

4. Какому отпуску следует подвергать силовые упругие элементы? Какие структура и свойства формируются при его проведении.

5. Какому отпуску следует подвергать детали, работающие в сложных условиях нагружения (валы, оси, болты и др.)? Цель такого отпуска?
Список литературы

1. Арзамасов Б. Н. и др. Учебник для ВУЗов // Материаловедение. – М.: Машиностроение, 2001.– 632 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение // 3-е издание – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

3. Лахтин Ю.М. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1993. – 448 с.

Дата добавления: 2015-08-27