Краткие теоретические сведения. «термическая обработка стали»

А. А. РАУБА, А. А. РАЖКОВСКИЙ, С. В. ПЕТРОЧЕНКО,

Т. Г. БУНЬКОВА

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

«ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

ОМСК 2012

Министерство путей сообщения Российской Федерации

Омский государственный университет путей сообщения

__________________

А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко, Т. Г. Бунькова

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

РАЗДЕЛ

«ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве методических указаний к лабораторным работам

для студентов очного и заочного обучения

Омск 2012

УДК 620.22 (076.5)

ББК 34.651 я7

Б 95

Материаловедение. Раздел «Термическая обработка стали»: Методические указания к лабораторным работам для студентов очного и заочного обучения / А. А. Рауба, А. А. Ражковский, С. В. Петроченко, Т. Г. Бунькова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013. 35 с.

В методических указаниях представлены четыре лабораторные работы, в которых рассмотрены основные вопросы термической обработки стали, фазовые и структурные превращения в стали при ее нагреве и охлаждении.

Методические указания к лабораторным работам предназначены для студентов 1-го, 2-го и 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов», очной и заочной форм обучения.

Библиогр.: 3 назв. Табл. 1. Рис. 9.

Рецензенты: доктор техн. наук А. В. Бородин;

доктор техн. наук В. В. Акимов

________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.....................................................................................................................5

Лабораторная работа 1. Фазовые превращения в стали при нагреве...................6

Лабораторная работа 2. Фазовые и структурные превращения в стали

при охлаждении.........................……………..................10

Лабораторная работа 3. Отжиг и нормализация стали..........................................18

Лабораторная работа 4. Закалка и отпуск стали...................................................24

Библиографический список.....................................................................................33

ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с определенной скоростью. Применяется для получения материала с заданными свойствами путем изменения его фазового состава и перераспределения компонентов, размеров и формы кристаллических зерен, вида дефектов, их количества и распределения. К термической обработке относятся отжиг, закалка, отпуск, старение. Цель термической обработки стали – изменение ее структуры, обеспечивающее заданные свойства с сохранением формы и размеров детали.

Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если в сплаве происходят превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией компонентов или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут происходить одновременно и оказывать существенное влияние на структуру и свойства материалов.

Режим любой термической обработки сплава можно представить графически в координатах «температура – время». Причем в большинстве случаев решающая роль в получении заданной структуры и определенных свойств принадлежит скорости охлаждения.

Термическая обработка сплавов может быть предварительной или окончательной. Предварительной обработке подвергают в основном заготовки (поковки, отливки) для улучшения обрабатываемости резанием, снижения твердости, исправления дефектов структуры и т. д., окончательной обработке – в основном готовые детали для получения свойств, необходимых в эксплуатации. Термическая обработка, может быть, простой и состоять из одной операции, например, отжига или нормализации, и сложной, состоящей из нескольких операций, например, из отжига, закалки и отпуска.

Термической обработкой можно изменять свойства одного и того же сплава в широких пределах. Это позволяет за счет увеличения прочности и твердости без существенного снижения пластичности повысить допустимые напряжения в материалах, таким образом, уменьшить размеры и массу деталей машин при сохранении или повышении их эксплуатационной надежности и долговечности.

Лабораторная работа 1

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

Цель работы: изучить фазовые превращения в перлите при его перекристаллизации в аустенит и процесс роста зерна аустенита при нагреве. Получить практические навыки определения действительного размера зерна по эталонам ГОСТ 5639-82, выбора рациональной температуры нагрева углеродистой стали в зависимости от содержания в ней углерода и в проведении нормализации образцов из перегретого металла; оценить влияние размера зерна на свойства стали.

Краткие теоретические сведения

1.1.1. Нагрев стали. Превращение перлита в аустенит

Превращение перлита в аустенит в соответствии с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов происходит при температуре, соответствующей критической точке AС1 (727°C, линия PSK). Это превращение можно записать, согласно диаграмме железо-цементит: П (Ф + Ц) → А, где Ф (феррит) содержит 0,02 % углерода, Ц (цементит) – 6,67 % углерода и А (аустенит) – 0,8 % углерода. Оно состоит из двух одновременно протекающих процессов: полиморфного (аллотропического) превращения феррита в аустенит – α-Fe (ОЦК) → γ-Fе (ГЦК) и растворения перлитного цементита в образовавшемся аустените.

Этот процесс возможен только при перегреве стали выше Ас₁ на (30 - 50)°С, что обеспечивает образование устойчивых центров кристаллизации аустенита. Таким образом, механизм процесса превращения перлита в аустенит состоит в зарождении центров кристаллизации зерен аустенита на межфазной поверхности раздела феррита и цементита и рост его зерен из этих центров с растворением в них цементита, что наглядно прослеживается на примере эвтектоидной стали (рис. 1.1).

Так как рост зерен аустенита идет из большого числа центров кристаллизации внутри перлитной колонии (бывшего крупного, исходного зерна аустенита), при завершении этого процесса в исходном объеме образуется множество более мелких зерен, т.е. превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна стали.

Рис. 1.1. Схема перекристаллизации перлита в аустенит

Эта особенность фазовой перекристаллизации широко используется в практике термической обработки для получения мелкозернистой стали (отжиг, нормализация, закалка). Зерно аустенита в момент окончания превращения перлита в аустенит называется начальным зерном.

1.1.2. Рост зерна аустенита при нагреве стали

Дальнейший нагрев (выше A_С1) после окончания превращения ведет к росту аустенитных зерен. Рост зерна аустенита происходит самопроизвольно и вызывается стремлением системы к снижению термодинамического потенциала (свободной энергии) за счет сокращения суммарной площади поверхности зерен (поверхностной энергии). Происходит «слияние» мелких (начальных) зерен аустенита в крупные зерна. Чем выше температура нагрева и чем длительнее выдержка, тем они будут крупнее.

После нагрева и выдержки стали, размер выросших зерен при последующем охлаждении сохраняется. Зерно стали, полученное в результате той или иной термической обработки, называется действительным зерном. Оно характеризуется номером или баллом и определяется сравнением под микроскопом (при 25 – 800-кратном увеличении) со шкалой ГОСТ 5639-82. Стали с баллом зерна, соответствующим № –3 - +5 являются крупнозернистыми, с зерном № 6 - 14 - мелкозернистыми.

Процесс роста зерен аустенита при нагреве называется перегревом стали, а крупнозернистая сталь (с крупным действительным зерном), образовавшаяся в результате перегрева называется перегретой сталью.

На свойства стали влияет только размер действительного зерна. Мелкозернистые стали имеют более высокую динамическую и усталостную прочность, более низкий порог хладноломкости. Зависимость предела текучести σ_т от размера зерна d имеет вид: σ_т = σ₀ + k/d ^–2 .

Укрупнение зерна (иногда в 2 – 3 раза) снижает ударную вязкость, работу развития трещины, повышает порог хладноломкости и почти не отражается на твердости и статической прочности. Крупнозернистые стали более склонны к короблению и растрескиванию при закалке.

Образование крупного действительного зерна и снижение ударной вязкости в результате высокотемпературного нагрева называется перегревом стали.

Перегрев - дефект обработки стали. Он может быть исправлен повторной перекристаллизацией, т. е. полным отжигом или нормализацией.

Перегрев до значений температуры, близких к линии солидус, вызывающий окисление границ зерен, называется пережогом стали.

пережог - неисправимый дефект структуры. Сталь утрачивает прочность. Излом таких сталей – камневидный.

1.1.3. Видманштеттова структура

Видманштеттова структура имеет два характерных признака: крупнозернистость и определенную направленность иглообразных пластин феррита в доэвтектоидных сталях или цементитных игл в заэвтектоидных сталях (Рис. 1.2).

а) б)

Рис. 1.2. Схема (а) и фотография (б) микроструктуры Видманштетта

Эта структура образуется вследствие ускоренного охлаждения крупнозернистой стали из аустенитного состояния. При перекристаллизации в доэвтектоидной стали феррит, а в заэвтектоидной – цементит вторичный, образуется не только на границах, но и внутри зерен аустенита (в местах дефектов кристаллического строения).

Видманштеттова структура – признак перегрева стали. Она встречается в стальных отливках (корпус автосцепки, надрессорная балка и др.) и сварных швах. Такая структура считается дефектной и в ответственных деталях недопустима. Она должна быть устранена полным отжигом или нормализацией для доэвтектоидных и нормализацией с последующим неполным отжигом – для заэвтектоидных сталей. Стали с видманштеттовой структурой имеют низкую ударную вязкость и высокую склонность к хрупкому разрушению.

Дата добавления: 2015-07-07