Термическая обработка углеродистой стали

Цель работы. Изучить влияние термической обработки на механические свойства (твердость) углеродистой стали. Ознакомиться с общими принципами назначения режима термической обработки при проведении закалки, нормализации, отжига и отпуска углеродистой стали. Приобрести практические навыки проведения операций термической обработки.

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ

Термическая обработка (ТО) является одним из основных способов изменения и управления свойствами углеродистой стали. Являясь самым распространенным конструкционным материалом, углеродистая сталь очень редко применяется без ТО, так как даже в горячекатаном состоянии она часто имеет неудовлетворительную структуру, большие внутренние напряжения, обладает анизотропностью свойств и требует ТО (нормализации) для исправления структуры, снижения внутренних напряжений и повышения механических свойств - характеристик прочности, пластичности и особенно ударной вязкости.

Закалка и последующий отпуск наиболее часто применяются для упрочнения углеродистой стали. При этом важно помнить, что закаленные детали почти всегда подвергаются отпуску, а закалка с последующим высоким отпуском даже носит специальное название - улучшение. Очень часто для углеродистых сталей применяют нормализацию. Эта термическая операция нужна, как правило, тогда, когда требуется исправить структуру и понизить уровень напряжений, которые получают изделия в процессе прокатки, ковки, штамповки и других видов пластической деформации. Стали, которые должны подвергаться глубокой вытяжке (штамповке кузовов автомобилей и т.п.), должны иметь очень высокие пластические свойства, а внутренние напряжения должны быть минимальными. В этом случае применяется термическая операция, которая называется отжигом.

Любая ТО заключается в том, что изделие из углеродистой стали нагревают до заданной температуры, делают выдержку и охлаждают с определенной скоростью. Очень часто изделия, нагретые до одной и той же температуры, но охлажденные с различными скоростями, приобретают совершенно разные механические свойства. На вопрос, до каких температур нужно нагревать изделие и с какой скоростью охлаждать, чтобы получить желаемые механические свойства, в общих чертах дают ответ диаграммы состояния железо – углерод и изотермического превращения аустенита (рис. I и 2).

ВЛИЯНИЕ СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

(Закалка, нормализация и отжиг стали)

Закалкой называется термическая операция, заключающаяся в нагреве металла выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно-неустойчивого состояния сплава.

В результате закалки детали, изготовленные из углеродистой стали, приобретают повышенную твердость и прочность.

Технологическая операция закалки углеродистой стали заключается в том, что деталь нагревают до температуры выше А_с3 на 30-50°С (для доэвтектоидной стали), то есть в аустенитную область на диаграмме железо - углерод (рис.1) или выше A_c1 на 30 - 50°С (для заэвтектоидной стали), делают выдержку до полного выравнивания температуры по сечению изделия и после этого охлаждают с большой скоростью.

При скорости охлаждения стали больше критической (рис.2) происходит превращение аустенита А в мартенсит М:

В этом случае все атомы углерода остаются в твердом растворе. Такое превращение является бездиффузионным. При этом состав фаз не изменяется, а происходит только перестройка гранецентрированной решетки аустенита в тетрагональную решетку мартенсита, которая заметно отличается от кубической решетки α - железа. При превращении аустенита в мартенсит атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются относительно друг друга на расстояния, не превышающие межатомные.

Температура мартенситного превращения Мн не зависит от скорости охлаждения и в сталях одного состава мартенситное превращение начинается при одной и той же температуре независимо от скорости охлаждения. Однако следует отметить, что чем меньше углерода в стали, тем при более высокой температуре начинается и заканчивается мартенситное превращение. Вот почему стали с содержанием углерода менъше 0,3 % не удается, как правило, закалить на мартенсит. Мартенсит образуется при закалке, но при таких высоких температурах (500°С), что сразу же отпускается, распадаясь с образованием бейнитной структуры.

При охлаждении со скоростью, большей критической, получается пересыщенный твердый раствор углерода в α- железе, который мы называем мартенситом. Образование мартенсита сопровождается увеличением объема, что приводит к большим внутренним напряжениям, превышающим предел текучести аустенита. В результате этого в кристаллах аустенита происходит пластическая деформация, сопровождающаяся возникновением наклепа, получившего название фазового.

Искаженная за счет пересыщения и фазового наклепа тетрагональная решетка мартенсита имеет множество дефектов, которые препятствуют развитию сдвигов, движению дислокаций и таким образом упрочняют сталь.

Нагрев под закалку доэвтектоидной стали следует производить до температуры выше A_c3 на 30 - 50°С, а заэвтвктоидной стали - выше A_c1 (727°С) на 30 - 50°С (рис.1). Нагрев до более высоких температур доэвтектоидной стали приводит к росту зерна ауствнита, а это способствует образованию крупноигольчатого мартенсита, который обладает пониженными механическими свойствами.

Нагрев заэвтектоидной стали до температур, превышающих Ac1 + 30 + 50°С, приводит к увеличению содержания углерода в аустените за счет более полного растворения вторичного цементита, а следовательно, к увеличению количества остаточного аустенита за счет снижения температуры мартенситного превращения. Так как аустенит - относительно мягкая фаза, то увеличение перегрева заэвтектоидной стали в конечном итоге приводит к снижению твердости закаленной стали.

Охлаждение малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей при закалке на мартенсит осуществляется в воде, а стали с содержанием углерода свыше 0,65% охлаждают, как правило, в масле. Это обусловлено тем, что закалочные напряжения в высокоуглеродистых сталях могут привести к образованию микро- и макротрещин, поэтому такие стали и охлаждают в менее резких закалочных средах.

При охлаждении стали со скоростью, меньшей критической, например, tj<$,**'w<r (см.рис.2), имеет место превращение аустенита феррито-цементитную смесь, которая, в зависимости от степени дисперсности, называется перлитом, сорбитом или трооститом.

Троостит - более мелкая структура, чем сорбит, а сорбит - более мелкая, чем перлит.

Термическая операция, заключающаяся в нагреве стали до температур немного выше A_c3 или A_c1, выдержке при этих температурах и последующем охлаждении, обеспечивающем распад аустенита в перлитной области с целью получения структуры, близкой к равновесному состоянию, называется отжигом.

Чем больше скорость охлаждения, тем дисперснее становится структура и тем выше твердость стали. Твердость и прочность феррито-цементитной смеси прямо пропорциональна площади поверхности раздела между ферритом и цементитом. Поэтому с увеличением степени дисперсности феррито - цементитной структуры, то есть понижением температуры распада аустенита, твердость, пределы прочности и текучести возрастают (рис.З).

Относительное удлинение и относительное сужение наивысшее у сорбита. При переходе к трооститу (более низкой температуре превращения) пластичность уменьшается.

Образование верхнего бейнита (распад при 550 - 450°С) снижает пластичность стали по сравнению с получаемой для продуктов распада аустенита в перлитной области. Твердость и прочность при этом не изменяются или несколько снижаются. Пониженная пластичность верхнего бейнита связана с выделением сравнительно грубых карбидов по границам ферритных зерен.

В результате распада аустенита в нижней области промежуточного превращения (рис.3) наблюдается некоторое повышение свойств: прочности, твердости и пластичности. Нижний бейнит по сравнению с продуктами распада аустенита в перлитной области (сорбит, троостит) имеет более высокую твердость и прочность при сохранении высокой пластичности.

Высокие прочностные свойства нижнего бейнита объясняются наличием внедренных атомов углерода и большой плотностью дислокаций в мартенситной фазе, а также образованием включений дисперсных карбидов, расположенных в кристаллах этой фазы.

При отжиге сталь, нагретую до температуры выше A_c3 (или выше А_с1 - неполный отжиг), охлаждают медленно (рис. 2) вместе с печью. При этом получается структура перлита (в эвтектоидных сталях) или перлита и феррите (в доэвтектоидных сталях). Твердость стали после отжига должна быть минимальной; она зависит от состава стали. Отжиг проводят:

1) для фазовой перекристаллизации и устранения перегрева, который проявляется в виде видманштеттовой структуры, ферритной или цементитной сетки;

2) для сфероидизации цементита в стали, улучшения ее штампуемости в холодном состоянии и обрабатываемости резанием стали с пониженной твердостью;

3) для гомогенизации, то есть уменьшения химической неоднородности стали.

Нормализацией называют такую термическую обработку, при которой сталь, нагретую до температуры выше Ас₃ на 30 - 50°С (рис. I), охлаждают на спокойном воздухе (скорость охлаждения соответствует V₂, рис. 2).

Ускоренное охлаждение на воздухе по сравнению с охлаждением с печью, как при отжиге, приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что увеличивает количество перлита или, точнее, квази-эвтектоида типа сорбита или троостита. Для некоторых высоколегированных сталей охлаждение на воздухе, по существу, является закалкой.

Нормализация, естественно, более дешевая термическая операция, чем отжиг, так как печи используют только для нагрева и выдержки при температуре нормализации, охлаждение осуществляет на воздухе, вне печи.

Для низкоуглеродистых нелегированных сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состоянием практически отсутствует, рекомендуется эти стали подвергать не отжигу, а нормализации. Для среднеуглеродистых сталей (0,3 - 0,5 % С) различие в свойствах нормализованной и отожженной стали более значительно; в этом случае нормализация не может заменить отжига.

Для этих сталей нормализацией часто заменяют более дорогую операцию улучшение (закалка + высокий отпуск). Например, ударная вязкость стали 45 после нормализации повышается в полтора раза по сравнению с ненормализованной, испытанной после прокатки или ковки. Значительное повышение механических свойств позволило ввести нормализацию как окончательную термическую обработку для таких ответственных деталей, как коленчатые валы автомобилей из углеродистой стали 45; после нормализации шейки коленчатых валов подвергают высокочастотной закалке.

Таким образом, видно, что изменяя скорость охлаждения стали после нагрева ее выше критических точек, можно изменить ее строение, а следовательно, и свойства в очень широких пределах. Получать различную скорость охлаждения стали можно путем использования различных сред.

ОТПУСК ЗАКАЛЕННОЙ СТАЛИ

Отпуском называют нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки A_c1, выдержку при заданной температуре с последующим охлаждением до комнатной температуры.

После закалки стальные изделия находятся в напряженном состоянии. Кроме того, структура и свойства закаленной стали нестабильны, склонны к постепенному изменению. Часто при вылеживании закаленных изделий уже через несколько часов в них появляются трещины, большие поводки и коробления.

Поэтому отпуск закаленных изделий во всех случаях является обязательной операцией. Его следует проводить немедленно после закалки.

Нагрев закаленной стали, со структурой, состоящей из мартенсита и остаточного аустенита, приводит к разнообразным превращениям. В стали с содержанием углерода 1,09 %, взятой в качестве примера, наблюдаются следующие изменения структуры при нагреве.

I. В интервале температур 80 - 180°С тетрагональный мартенсит переходит в отпущенный с образованием высокодисперсных частиц карбида, когерентно (непрерывно) связанных со старой решеткой матрицы.

На этой стадии отпуска мартенсит все еще содержит в растворе около 0,4 % С, а твердость стали за счет выделения карбида может даже слегка повыситься

2. При нагреве закаленной стали до температур 200-300°С остаточный аустенит, который всегда в том или ином количестве содержится в стали, закаленной на мартенсит, превращается в отпущенный мартенсит, содержащий около 0,2 % С. При этом продолжается выделение карбидных частиц.

Отпуск закаленной на мартенсит стали до температур, не превышающих 250 - 300°С, носит название низкого отпуска и применяется, как правило, для инструмента, требующего высокую твердость.

3. На третьей стадии отпуска при нагреве до температур 300 -400°С (средний отпуск) происходит дельнейшее уменьшение углерода в мартенсите до равновесного состояния (0,006 %), таким образом мартенсит превращается в феррит. При этом происходит срыв когерентности решеток цементита и мартенсита (феррита), благодаря чему в стали происходит резкое уменьшение внутренних напряжений.

Средний отпуск применяется для деталей, требующих повышенной прочности и твердости в сочетании с вязкостью (шестерни, валы и др.)

или же требуется высокий предел текучести (рессоры, пружины).

При нагреве выше 450°С (высокий отпуск) происходит укрупнение (коагуляция) мелких частиц цементита. При этом образуется сорбит, который имеет зернистое, а не пластинчатое строение. Такой вид отпуска обычно применяют для деталей, которые работают с ударными нагрузками, то есть там, где нужна повышенная вязкость.

Таким образом, троостит, сорбит и перлит можно получить не только из аустенита путем его распада при определенной скорости охлаждения, но и путем отпуска мартенсита, при распаде переохлажденного аустенита, при этом структура троостита и сорбита отпуска зернистая, а не пластинчатая, которая получается при распаде переохлажденного аустенита (рис. 4). Очевидно, что зернистые структуры будут иметь более высокую вязкость и больший предел циклической прочности.

Все виды отпуска - низкий, средний и высокий - предназначены для изменения механических свойств закаленной стали. Изменение твердости закаленных сталей с различным содержанием углерода в зависимости от температуры отпуска показано на рис. 5.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ

Что называется перлитом, сорбитом, трооститом, мартенситом?

Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в α- железе?

3. Как называется термообработка, заключающаяся в нагреве стали ваше критических точек и быстром охлаждении (в воде)?

4. Как называется термообработка, при которой охлаждение стали после ее нагрева выше критических точек производится на воздухе?

5. Как называется термообработка, при которой охлаждение стали после нагрева обязательно производится медленно (с печью)?

Как называется термообработка стали, заключающаяся в нагреве закаленной стали ниже А_с1 и последующем охлаждении?

При какой температуре производят низкий, средний и высокий отпуск?

Какая структура получается в стали после закалки, нормализации, отжига?

Дата добавления: 2015-07-08