Главная Обратная связь Поможем написать вашу работу!

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Краткие теоретические сведения. Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры



Любой вид собственно термической обработки стали включает в себя нагрев до опреде­ленной температуры, выдержка ее при данной температуре и после­дующее охлаждение с заданной скоростью. Такой вид термической обработки может быть пред­ставлен графически в координатах «Температура-время» (рис. 14.1).

 

Рисунок 14.1 - График собственно термической обработки   Технологическими параметрами термической обработки являются: - скорость нагрева (Vн, гр./с); - температура нагрева (Т °C); - время выдержки (τ, с); - скорость охлаждения (vохл, гр./с).

При изменении одного из них изменяется вид термической обработки. Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения, т.к. именно они определяют какие и насколько полно протекают фазовые превращения, формирующие конечную структуры сплавов в процессе термической обработки.

Целью термической обработки является получение необходимых свойств металлов и сплавов путем изменения их структуры в заданном направлении.

К основным видам термической обработки углеродистой стали относят: различные виды отжига, в том числе и нормализационный (нормализацию), закалку, старение и отпуск.

Первым этапом любого вида терми­ческой обработки являет­ся нагрев стали. Скорость нагрева определяется величиной теплопроводности сплава, размерами и формой изделий. В боль­шинстве случаев, цель нагрева стали - получение аустенитной структуры. Выбор температуры нагрева уг­леродистой стали осуще­ствляют, используя диаг­рамму состояния Fе-С (рис. 14.2).

 

  Рисунок 14.2 – Нижняя левая часть диаграммы состояния Fе-С

 

Доэвтектоидные стали нагревают до температур на 30-50 °С выше кри­тической точки Асз по диаграмме состояния Fе-С; эвтектоидную сталь – на 30-50 °С выше критической точки Ас1; заэвтектоидные стали – на 30-50 °С выше критической точки Ас1 (при закалке и отжиге) или на 30-50 °С выше критической точки Асm (при нормализации) (рис. 14.2).

Вторым этапом термической обработки углеродистых сталей является выдержка, которая должна обеспечить полный прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений, а также полную гомогенизацию аустенита. Время выдержки зависит от размеров и формы изделия, а также от темпера­туры нагрева. Чем больше размеры изделия, тем больше время выдержки. Чем выше температура нагрева (при прочих равных условиях), тем меньше время выдержки.



Третьим этапом термической обработки является охлаждение стали из аустенитного состояния. Различная скорость охлаждения приводит к получению различных структур, а, следовательно, и различного сочетания механических свойств.

Рассмотрим превращения аустенита в зависимости от скорости охлаждения на примере эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % С.

В верхнем интервале температур ( ΔТ1), т.е. ниже равновесной тем­пературы А1 и до температуры минимальной устойчивости аустенита tmin равной для углеродистых сталей приблизительно 550°C, аустенит распадается на феррито-цементитную смесь, имеющую плас­тинчатое строение.

Процесс образования феррито-цементитной смеси протекает следующим образом. Вследствие диффузии атомов углерода в аустените создаются объемы, обогащенные и обедненные углеродом по сравнению со средним содержанием углерода 0,8 %. Флуктуации кон­центрации при t<А1 способны создать условия для образования ус­тойчивых зародышей цементита (6,67 % С) и феррита (0,02 % С). Ес­ли зародыш цементита превышает критический размер для данной степени переохлаждения, то в этом месте зарождается пластинка цементита. Рост пластинки цементита за счет диффузии углерода приводит к обеднению углеродом, лежащих рядом участков аустенита и превращению их в феррит.



Процесс повторяется, что ведет к обра­зованию в аустените так называемых перлитных колоний (областей, состоящих из чередующихся пластинок цементита и участков фер­рита (рис. 14.3).

 

 

Рисунок 14.3 – Схема образования перлита из аустенита

 

Расстояние между пластин­ками цементита Δ зависит от степени переохлажде­ния аустенита, которая в свою очередь определяется скоростью охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температура превращения аустенита, меньше интенсивность диффузии, а, следовательно, и меньше межпластинчатое расстояние Δ, т.е. тем дисперснее феррито-цементитная смесь. Струк­туры называются соответственно перлит, сорбит, троостит (табл. 14.1). Повышение дисперсности феррито-цементитной смеси приводит к повышению твердости, прочности, но к снижению пластичности и ударной вязкости стали.

 

Таблица 14.1 – Основные виды термической обработки, а также структура и твердость эвтектоидной стали

 

Структура Скорость охлаждения, гр./с Интервал температур превращения, 0С Межплас- тинчатое расстояние Δ, мкм Твердость, HRC Вид термической обработки
Перлит 0,02-0,05 727-650 0,7-0,5 15-20 Отжиг
Сорбит 3-5 650-600 0,25-0,20 25-30 Нормализация
Троостит 80-100 600-550 0,15-0,10 40-45 Закалка в масле
Мартенсит 200-500 - 58-62 Закалка в воде

 

При непрерывном охлаждении аустенита со скоростью 200-500 гр./с (см. табл. 14.1) до температуры начала мартенситного превращения (для углеродистых сталей эта температура, в зависимости от содержания углерода в стали, составляет от 350 до 100 °С) начинается бездиффузионное превращение переох­лажденного аустенита, имеющего ГЦК решетку, в мартенсит с объемно-центрированной тетрагональной решеткой (ОЦК). Тетрагональность решетки мартенсита вызвана наличием в ней избыточно­го количества углерода свыше 0,02 % (рис. 14.4 а). Мартенсит имеет игольчатое строение (рис. 14.4 б), высокую твердость и низкую пластичность. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше искажение кристаллической решетки (больше отношение параметров решетки с/а), и тем выше его твердость.



 
а) б) х1000  
Рисунок 14.4 – Схема кристаллической решетки (а) и микроструктура (б) мартенсита

 

Для получения вышеописанных структур, а, следовательно, и заданных свойств углеродистую сталь подвергают определенному виду термообработки.

К основным видам термической обработки относятся: отжиг, нормализация, закалка. Они отличаются скоростью охлаждения стали из аустенитного состоя­ния (табл. 14.1).

Отжиг заключается в нагреве стали до температур выше крити­ческих (рис. 14.2), выдержке при данной температуре и последую­щем медленном охлаждении (с печью).

После отжига получают структуры соответствующие диаграмме состояния Fе-С: для доэвтектоидных сталей - перлит + феррит; для эвтектоидной стали – перлит; для заэвтектоидных сталей – перлит + вторичный цементит.

Основная цель отжига – приведение структуры в равновесное состояние. Назначение - повышение пластичности стали, снятие остаточных напряжений, устранение дефектов структуры, улучшение обрабатываемости резанием, измельчение зерна, подготовка стали к последующим термообработкам.

Нормализация (нормалицационный отжиг) заключается в нагреве доэвтектоидной стали вы­ше точки Ас3; эвтектоидной – выше точки АC1, а зазвтектоидные стали нагреваются выше линии Аcm на 50-70 °С, непродолжи­тельной выдержке и последующем охлаждении на воздухе. Структуры, получаемые после нормализации: для доэвтектоидной стали – сорбит + феррит; для эвтектоидной – сорбит; для зазвтектоидной стали – сорбит + вторичный цементит.

Цель нормализации та же, что и от­жига. Однако после нормализации твердость и прочность стали выше, чем после отжига. Чем больше углерода в стали, тем разница заме­тнее. Часто нормализация является окончательным видом термичес­кой обработки деталей машин.

Закалка заключается в нагреве дозвтектоидной стали выше Ас1 на 30-50 °С, а эвтектоидной и заэвтектоидных сталей на 50-70 °С выше Аc1, выдержке при данной температуре к последующем охлажде­нии в масле или воде. Цель закалки – получение неравновесных структур.

При закалке в масле получают структуры: для доэвтектоидной стали – троостит + феррит; для эвтектоидной стали – троостит; для зазвтектоидной стали – троостит + вторич­ный цементит. Закалка в воде приводит к превращению переохлаж­денного аустенита в мартенсит. После закалки стали в воде обязательно проводят отпуск.

 

Задание

1. Изучить основные виды термической обработки углеродистой стали и получаемые при этом структуры.

2. Определить температуру нагрева исследуемой стали.

3. Провести охлаждение образцов с различной скоростью, используя различные виды термической обработки и среды охлаждения: отжиг (охлаждение с печью), нормализацию (охлаждение на воздухе), закалку в масле и воде. Скорость охлаждения следует определять по таблице 14.1.

4. Определить твердость стали в образцах, охлажденных с различной скоростью.

5. Результаты экспериментов представить в виде протокола ис­пытания (табл. 14.2). Полученную микроструктуру стали следует определять по ат­ласу микроструктур.

6. Построить график зависимости твердости стали (HRC) от скорости охлаждения.

7. Сделать вывод о влиянии скорости охлаждения на структуру и твердость углеродистой стали.

8. Написать отчет о проведенном исследовании в соответствии с п.п. 2-7.

 

Таблица 14.2 – Протокол испытаний

 

Марка стали Содержание углерода, % Вид термической обработки Скорость охлаждения, гр./с Твердость, HRC Микроструктура стали
           

Контрольные вопросы

1. Какие процессы происходят при распаде аустенита на феррито-цементитную смесь?

2. Назовите и охарактеризуйте основные виды термической обработки углеродистой стали.

3. Какие технологические параметры определяют вид термической обработки?

4. Как изменяется межпластинчатое расстояние и твердость стали с повышением скорости охлаждения? Почему?

5. Каковы цели отжига и закалки?

6. Какова структура и твердость углеродистой стали после закалки в масле и в воде?

7. Как выбирать температуру нагрева углеродистой стали при отжиге, нормализации и закалке?

8. Что такое мартенсит?

 

Лабораторная работа 15

 


Просмотров 516

Эта страница нарушает авторские права




allrefrs.ru - 2021 год. Все права принадлежат их авторам!