I. Цель работы

1. Изучение влияния содержания углерода и режима закалки (температуры нагрева и скорости охлаждения) на структуру и свойства закаленной стали.

2. Изучение влияния температуры отпуска на структуру и свойства стали.

II. Теоретическое обоснование

Механические свойства углеродистых сталей определяются процентным содержанием в них углерода. Этот важный вывод был сделан в работе 4 на основании изучения структуры и свойств сталей в равновесном состоянии. Свойства стали с данным содержанием углерода могут изменяться в широких пределах в результате термической обработки.

Практически равновесное состояние достигается путем отжига - нагрева стали до аустенитного состояния и последующего очень медленного охлаждения (с печью). При отжиге формируются равновесные структуры сталей в соответствии с диаграммой железо-цементит (см. работу 4).

Основной структурной составляющей сталей в этом случае является перлит, образующийся при распаде аустенита при t£А₁(727^oС):

. (6.1)

Отжиг - смягчающая термическая обработка. Он обеспечивает минимальную твердость и наилучшую обрабатываемость резанием и давлением и в процессе изготовления изделий обычно предшествует механической обработке.

Оптимальные механические свойства готовых изделий, обеспечивающие их работоспособность, формируются в результате комплексной термической обработки, состоящей из закалки и отпуска.

Закалка - это нагрев стали до аустенитного состояния, выдержка и последующее ускоренное охлаждение (со скоростью V³V_кр, см. ниже) с целью максимального повышения твердости и прочности.

Выше уже отмечалось, что аустенит, охлажденный ниже А₁, становится неустойчивым и распадается на смесь феррита и цементита (6.1). Время начала и конца этого распада дается диаграммой изотермического превращения переохлажденного аустенита (“С‑диаграммой”) - рис. 6.1.

Дисперсность (величина, обратная размеру частиц) образующейся при распаде аустенита феррито-цементитной смеси зависит от температуры (t), при которой происходит этот распад, или, что то же, - от степени переохлаждения аустенита Dt=А₁‑t. С понижением температуры распада (увеличением Dt) быстро уменьшается скорость диффузионного роста образующихся кристаллов, т.е. происходит измельчение феррито-цементитной смеси, соответственно возрастает ее твердость (см. рис. 6.1, б). В связи с этим различают три структуры перлитного типа: перлит, сорбит и троостит; они имеют одинаковое строение (это смеси пластинок феррита и цементита), но отличаются степенью дисперсности, а значит и твердостью.

Все эти структуры получаются в результате перлитного превращения - (6.1). Его протекание вызвано полиморфизмом железа и сплавов на его основе - сталей (см. работу 4). Поскольку оно происходит при достаточно высоких температурах (»720...500 °С), механизм распада аустенита на смесь феррита и цементита имеет диффузионный характер. Это видно из реакции (6.1), где несовпадение химического состава фаз свидетельствует об активной диффузии атомов.

На практике различные типы перлитных структур получают обычно не при изотермических выдержках, а при непрерывном охлаждении стали из аустенитного состояния с различными скоростями. Степень дисперсности образующихся при этом ферритоцементитных смесей (и, соответственно, тип перлитной структуры) зависит от величины скорости охлаждения V. Эта зависимость отчетливо проявляется, когда на С‑диаграмму наносят кривые охлаждения t=f(t) (рис.6.1), наклон которых характеризует величину

.

Видно, что чем больше скорость охлаждения, тем при более низкой температуре происходит распад переохлажденного аустенита, соответственно, более дисперсной и твердой получается перлитная структура: при скорости V₁ - перлит, V₂ - сорбит, V₃ - троостит.

Очевидно, что при скорости V=V₄ аустенит не распадается на смесь феррита и цементита и, следовательно, переохлаждается до низких температур. Такая скорость охлаждения (“ее линия” V₄ - касательная к кривой начала распада переохлажденного аустенита на феррит и цементит) называется критической скоростью закалки V_кр.

При охлаждении стали со скоростью V³V_кр аустенит переохлаждается до таких низких температур, где диффузия атомов практически отсутст­вует. В этом случае полиморфное (g®a) превращение аустенита происхо­дит бездиффузионным мартенситным путем при t<М_н (температура на­чала мартенситного превращения). Значит содержание углерода в исход­ной фазе (аустените) и конечной (мартенсите) должно быть одинаково. Поэтому мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe. Вспомним, что непересыщенным, равновесным твердым раствором углерода в a-Fe является феррит, он содержит не более 0,02 %C (работа 4). Вследствие этого пере­сыщения решетка мартенсита становится вытянутой, тетрагональной в от­личие от ОЦК решетки феррита.

Образование мартенсита с тетрагональной решеткой приводит к появлению сильных внутренних напряжений, резкому повышению плотности дислокаций и степени дисперсности структуры, соответственно значительно возрастают твердость и прочность. Очевидно, что действие перечисленных упрочняющих факторов тем эффективнее, чем больше углерода в стали, так как возрастает степень пересыщения решетки мартенсита углеродом. Поэтому твердость закаленной стали (мартенсита) растет с увеличением содержания в ней углерода - рис. 6.2.

Эта зависимость характеризует закаливаемость стали - ее способность повышать твердость в результате закалки. Таким образом, закаливаемость определяется в первую очередь содержанием углерода в стали.

Понятно также, что для получения максимальной твердости должен быть соблюден режим закалки - это, во-первых, применение охлаждающей среды, обеспечивающей скорость охлаждения V³V_кр , и, во-вторых, - правильный выбор температуры нагрева стали под закалку. Оптимальный интервал закалочных температур показан на рис. 6.3.

Доэвтектоидные стали нужно закаливать от температур на 30...50 °С выше линии А₃, т.е. из однофазного аустенитного состояния. В этом случае в результате закалки получается однофазная мартенситная структура[38]. Такая закалка называется полной. Закалка от более высоких температур также дает мартенситную структуру, но с пониженными механическими свойствами вследствие укрупнения кристаллов мартенсита[39] (это дефект термической обработки, называемый перегревом). Закалка от температур ниже А₃, т.е. из межкритического интервала А₁...А₃ называется неполной, она приводит к получению в доэвтектоидных сталях структуры мартенсит+феррит. Феррит снижает твердость закаленной стали, поэтому такая закалка для доэвтектоидных сталей обычно не делается.

Для заэвтектоидных сталей напротив применяется неполная закалка (t=А₁+(30...50 °С)), приводящая к получению структуры мартенсита с включениями твердых цементитных частиц. Такая структура обеспечивает высокую твердость и износостойкость, что является совершенно необходимым для заэвтектоидных инструментальных сталей.

Мартенсит - наиболее твердая из всех структур, которые получаются при распаде переохлажденного аустенита (см. рис. 6.2). Но он обладает повышенной хрупкостью, которая растет с увеличением содержания углерода в стали. Поэтому после закалки стали необходимо подвергать отпуску, основная цель которого - повышение пластичности и ударной вязкости закаленной стали.

Отпуск- нагрев закаленной стали в докритическом интервале темпе­ратур (t<А₁), при котором развиваются диффузионные процессы, посте­пенно приближающие структуру и свойства стали к равновесному состоя­нию.

 

Структура и свойства стали зависят от температуры отпуска, соответственно различают три вида отпуска: низкий (»200 °С), средний (»400 °С), высокий (»600 °С).

При низком отпуске существенных изменений в структуре еще не происходит (структура - мартенсит отпуска), лишь несколько снижаются внутренние напряжения, незначительно уменьшается твердость и повышается пластичность. Низкий отпуск применяют в тех случаях, когда от изделий в первую очередь требуется высокая твердость (режущий - см. работу 8, измерительный и холодноштамповый инструмент, детали шариковых подшипников - см. работу 11, шестерни после цементации и т.п.).

При среднем отпуске избыточный углерод практически полностью покидает решетку мартенсита в виде мельчайших частиц цементита. В результате образуется ферритоцементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Твердость заметно понижается, повышается ударная вязкость. Такая структура при твердости HRC_э 35...45 обеспечивает наибольшую упругость стали, поэтому средний отпуск обычно применяют для пружин, рессор, мембран (см. работу 12), ударного инструмента.

Высокий отпуск приводит к укрупнению (и округлению) частиц цементита, что сопровождается дальнейшим снижением прочности и твердости и повышением пластичности и ударной вязкости. Соответствующая структура называется сорбитом отпуска.

Термическая обработка, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением. Она применяется для ответственных изделий, изготавливаемых из среднеуглеродистых (0,3...0,5 %С) сталей, так как обеспечивает в этом случае наилучший комплекс механических свойств - максимальную ударную вязкость при достаточно высокой прочности. Высокие механические свойства сорбита отпуска обусловлены малыми размерами и округлой формой частиц цементита (в отличие от сорбита закалки, в котором острые концы пластинок цементита играют роль концентраторов напряжений).