Министерствообразования Российской Федерации
ППЛ №43РефератТермическая обработка стали
Выполнил учащийся 223группы
Чупахин Евгений
Проверил:
Емельянцев Александр
Вячеславович
г. Балаково
2003 г.
Содержание.
1. Основы теории термическойобработки…………………………………3
2. Отжиг инормализация……………………………………………………7
3. Закалка иотпуск………………………………………………………….10
4. Списоклитературы………………………………………………………16
1. Основы теории термическойобработки.
Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структуры металлови сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или инойскоростью; при этом достигаются существенные изменения свойств при том жехимическом составе сплава.
/>
Рис. 1. Диаграммы состояния системы Fe – Fe3C
Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичнойкристаллизации применительно к линиям (см. рис.1) GOS(A3), SE(Aст) и РК(А1).
Изменения структуры при разных скоростях охлажденияаустенита.
При медленном охлаждении эвтектоидной стали по линииРК (в точке Ar1)произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадениесостоит из следующих этапов:
1) превращение g-железа в a-железо, т.е. перегруппировка атомов из решеткигранецентрированного куба g-железа в решеткуцентрированного куба a-железа с одновременным смещением атомов углерода,находящихся в твердом растворе g-железа;
2) выделение из твердого раствора(аустенита) мельчайших частиц цементита (Fe3C);
3) укрупнение частиц цементита впластинки, размеры которых измеряются от малых долей микрона до несколькихмикронов, и более или менее полное распадение аустенита.
При ускоренииохлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться,размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона и различимытолько при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом(в честь Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).
При ускоренииохлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второйэтап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. Врезультате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионнымидолями миллиметра. Такая структура носит название троостита (по имени Л.Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можнообнаружить с помощью электронного микроскопа.
/> Рис. 2. Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения.
При скоростиохлаждения 150-200 град/сек успевает завершиться лишь перегруппировка атомовжелеза, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a-железе. Эта структура называется мартенситом (в честь А.Мартенса – немецкого металловеда).
Подводя итогсказанному, заметим, что перлит, сорбит и троостит по структуре представляютсобой двухфазную смесь (феррита и цементита) и отличаются друг от другадисперсностью цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода вa-железе.
Структура перлита,получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной,как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, трооститаи мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называются неравновесными.
Сдвиг критическихточек при охлаждении.
Увеличение скоростиохлаждения вызывает понижение критических точек (по отношению к их положению надиаграмме равновесия, см. рис. 66). Сдвиг температур увеличивается с ускорениемохлаждения, что видно на рис. 2. Кривая A’rпоказывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.
При медленномохлаждении переохлаждение невелико (верхние точки кривой A’r),и структура стали остается перлитной. Пластинки цементита в перлите тем меньше,чем больше скорость охлаждения, и при дальнейшем ускорении охлаждения структуравсе больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой дляполучения структуры сорбита (»50 град/сек), аустенитпереохлаждается более чем на 100° и фазовоепревращение его в сорбит произойдет при температуре около 600° (точка C на кривой A’r).Превращение в троостит произойдет при переохлаждении аустенита на »180° (точка Т).
Скорость охлаждения V1 (150 град/сек) соответствует началу появлениямартенсита в структуре стали. Часть линии A”r,характеризующая превращение “аустенит — мартенсит”, — прямая. Это указывает напостоянство температуры при превращении (около 240° для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скоростиохлаждения.
Таким образом,кривая A’r характеризует распадение аустенита на две фазы:феррит и цементит, а отрезок A”r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлажденияV1 доV2 охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит(превращение происходит согласно линии A’rи линии A”r). При скоростях охлаждения, превышающих V2 (ниже линии A”r),наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.
Изотермическоераспадение аустенита.
/> Рис. 3. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали
Наблюдениямиустановлено, что и скорость, и характер распадения аустенита зависят от степениего переохлаждения.
На рис.3 приведенадиаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали.Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (времяоткладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможностьпроследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.
Предположим дляпростоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состоянияаустенита до любой температуры: от точки Ar1 до 0° и ниже. Охлаждая образец до 700° и выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение временидо точки H1в аустените никаких превращений не происходит. Современи, соответствующего точке H1, начинается распадение аустенита. Период времени доточки H1 называется инкубационным периодом. Распадениеаустенита заканчивается полностью ко времени точки К1, когдааустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет наструктуру образца, поэтому за точкой К1 линия обрывается.
Наблюдая заобразцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650° и нанося на диаграмму точки начала H2 и конца K2 распадения аустенита, заметим, что как инкубационныйпериод, так и период распада аустенита уменьшились, а в результате распадаполучился сорбит.
Для образца,охлажденного до температуры около 500°, получим надиаграмме соответственно точки Н3 и К3распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. Приувеличении количества подобных опытов определится ряд точек начала и окончанияпревращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращенияаустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривуюII – конца превращения при тех же температурах.
При охлажденииобразцов со скоростью выше критической при температуре 240° (линия MН)начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита вмартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры, и окончаниеэтого превращения для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь притемпературе -50°.
Рассмотрев диаграмму(рис. 3), отметим в итоге следующее. Верхняя часть диаграммы характеризуетизотермическое распадение аустенита в смесь феррита и цементита. Левее кривой Iнаходится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривыми Iи II определяет время распада переохлажденного аустенита,правее кривой II находится полле продуктов распада аустенита: перлита,сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется взависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается донекоторой критической величины, а затем вновь увеличивается. Этот период длякаждой температуры определяется абсциссой кривой I – началараспадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения такжезависит от температуры переохлаждения. Прямая Mн является границей между верхней и нижней частямидиаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенитаи соответствует прямому участку кривой A”r(см. рис. 2).
Нижняя частьдиаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенситнеобходимо понижать температуру стали до линии Mк (конец мартенситного превращения). Кривыеизотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образнымикривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом и другимисоветскими учеными.
Для доэвтектоидной изаэвтектоидной сталей С-образные кривые смещениы влево по сравнению с кривымиэвтектоидной стали; прямые Мк и Мк дляпервой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.
Свойства стали соструктурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.
Рассмотрим сначаласвойства структур эвтектоидной стали.
/> Рис. 4. Диаграмма изменения механических свойств эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита
Мартенсит – самая твердая и самая хрупкая структура.
Твердость мартенситаHB=600-650 (HRC=62-66), а пластическиесвойства при растяжении (d и y) и ударная вязкость (ан)близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, исоставляет 7,75 г/см3. В связи с увеличением объема стали примартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерномохлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностьюсохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают вмартенсит.
Тростит и сорбит –промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будутсредними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривыеизменения твердости HB, предела прочности sв и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.
Свойства структурнеэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали взависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структурот перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.
Изучив вопросытеории термической обработки стали, познакомимся с ее видами: отжигом инормализацией, закалкой и отпуском.
2. Отжиг и нормализация.
После отливки,прокатки и ковки стальные заготовки охлаждаются неравномерно результатом чего являетсянеоднородность структуры и свойств в различных местах заготовок, а такжепоявление внутренних напряжений. Кроме того, при затвердевании отливкиполучаются неоднородными по составу вследствие ликвации.
Отжиг.
Отжигом называютнагревание и медленное охлаждение стали. Академик А.А. Бочвар дал определениеструктуры из неравновесного состояния в более равновесное (возврат, или отдых,рекристаллизационный отжиг, или рекристаллизация, отжиг для снятия внутреннихнапряжений и диффузионный отжиг, или гомогенизация); отжиг второго рода– изменение структуры сплава посредством перекристаллизации около критическихточек с целью получения равновесных структур; к отжигу второго рода относитсяполный, неполный и изотермический отжиги.
Ниже рассмотреныперечисленные виды отжига применительно к стали.
Возврат (отдых) стали – нагрев до 200 – 400°, для уменьшения или снятия наклепа. При возврате наблюдаетсяуменьшение искажений в кристаллических решетках у кристаллитов и частичноевосстановление физико-химических свойств.
Рекристаллизационныйотжиг (рекристаллизация) сталипроисходит при температурах 500 – 550°; отжиг для снятиявнутренних напряжений – при температурах 600 – 700°. Эти виды отжига снимают внутренние напряжения в отливках отнеравномерного охлаждения их частей, а также в заготовках, обработанныхдавлением (прокаткой, волочением, штамповкой) при температурах нижекритических. При рекристаллизационном отжиге из деформированных зерен вырастаютновые кристаллы, ближе к равновесным, в результате твердость стали снижается, апластичность и ударная вязкость увеличиваются. Для полного снятия внутреннихнапряжений в стали нужна температура не менее 600°.
Охлаждение послевыдержки при заданной температуре должно быть достаточно медленным: приускоренном охлаждении вновь возникают внутренние напряжения.
Диффузионныйотжиг применяется в тех случаях,когда в стали наблюдается внутрикристаллическая ликвация. Выравнивание составав зернах аустенита достигается диффузией углерода и других примесей в твердомсостоянии, наряду с самодиффузией железа. В результате сталь становитсяоднородной по составу (гомогенной), поэтому диффузионный отжиг называет также гомогенизацией.
Температурагомогенизации должна быть достаточно высокой, однако нельзя допускать пережогаи оплавления зерен. При пережоге кислород воздуха окисляет железо, проникая втолщу его, образуются кристаллиты, разобщенные окисными оболочками. Пережог вметалле устранить нельзя, поэтому пережженные заготовки являются окончательнымбраком.
При диффузионномотжиге обычно зерна слишком укрупняются, что следует исправлять последующимполным отжигом (на мелкое зерно).
Полный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией и измельчениемзерна при температурах точек АС1 и АС2.Назначение его – улучшение структуры стали для облегчения последующей обработкирезанием, штамповкой или закалкой, а также получение мелкозернистой равновеснойперлитной структуры в готовой детали. Для полного отжига сталь нагревают на30-50° выше температуры линии GSK и медленноохлаждают.
/> Рис. 5. Крупнозернистая структура доэвтектоидной стали.
После отжигаизбыточный цементит (в заэвтектоидных сталях) и эвтектоидный цементит имеютформу пластинок, поэтому и перлит называют пластинчатым.
При отжиге напластинчатый перлит заготовки оставляют в печи до охлаждения, чаще всего причастичном подогреве печи топливом, чтобы скорость охлаждения была не больше10-20° в час.
Отжигом такжедостигается измельчение зерна. Крупнозернистая структура, например,доэвтектоидной стали (рис. 5), получается при затвердевании вследствиесвободного роста зерен (при медленном охлаждении отливок), а также в результатеперегрева стали. Эта структура называется видманштетовой (по имени австрийскогоастронома А. Видманштеттена, открывшего в 1808 г. такую структуру на метеорномжелезе). При такой структуре прочность заготовки низка, и структура характернатем, что включения феррита (светлые участки) и перлита (темные участки)располагаются в виде вытянутых пластин под различными углами друг к другу. Взаэвтектоидный сталях видманштетова структура характеризуется штрихообразнымрасположением избыточного цементита.
Размельчение зернасвязано с перекристаллизацией a-железа в g-железо; при охлаждении и обратном переходе g-железа в a-железо мелкозернистая структура сохраняется.
Таким образом, приотжиге на пластинчатый перлит одновременно обеспечивается мелкозернистаяструктура.
Неполный отжиг связан с фазовой перекристаллизацией лишь притемпературе точки АС1; он применяется после горячей обработкидавлением, когда у заготовки мелкозернистая структура.
/> Рис. 6. Микроструктура зернистого перлита (X500)
Отжиг назернистый перлит применяют обычно дляэвтектоидных и заэвтектоидных сталей, с целью повышения пластичности и вязкостистали и уменьшения ее твердости. Для получения зернистого перлита стальнагревают выше точки АС1 и выдерживают недолго, чтобыцементит растворился в аустените не полностью. Затем сталь охлаждают дотемпературы несколько ниже Ar1 ивыдерживают при такой температуре несколько часов. При этом частицы оставшегосяцементита служат зародышами кристаллизации для всего выделяющегося цементита,который нарастает округлыми (глобулярными) кристаллитами, рассеянными в феррите(рис. 6).
Свойство зернистогоперлита существенно отличаются от свойств пластинчатого в сторону меньшей твердости,но большей пластинчатости и вязкости. Особенно это относится к заэвтектоиднойстали. В которой весь цементит (как эвтектоидный, так и избыточный) получаетсяв виде глобулей.
/> Рис. 7. Схема изотермического отжига и изотермической закалки.
При изотермическомотжиге после нагрева и выдержки сталь быстро охлаждают до температурынесколько ниже точки А1 (рис. 7) и выдерживают при этойтемпературе до полного распадения аустенита на перлит, после чего охлаждают навоздухе. Применение изотермического отжига значительно сокращает время иповышает производительность. Например, обыкновенный отжыг легированной сталидлится 13-15 ч, а изотермический – всего 4-7 ч. Схема изотермического отжигаприведена на рис. 7.
Нормализация. При нормализации сталь охлаждается не в печи, как приотжиге, а на воздухе в цехе. Нагревание ведется до полной перекристаллизации(на 30-50° выше точек Ас3 и Аст),в результате сталь приобретает мелкозернистую и однородную структуру. Твердостьи прочность стали после нормализации выше, чем после отжига.
Структуранизкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как ипосле отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали – сорбитная; нормализацияможет заменить для первой – отжиг, а для второй – закалку с высоким отпуском.Часто нормализацией подготавливают сталь для закалки. Термическую обработкунекоторых марок углеродистой и легированных сталей заканчивают нормализацией.
3. Закалка и отпуск.
Цель закалки иотпуска стали – улучшение ее свойств.
Закалка с отпускомнужна для очень многих деталей и изделий. Она основана на перекристаллизациистали при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержкипри этой температуре для завершения закалки следует быстрое охлаждение. Такимпутем предотвращают превращение аустенита в перлит.
Закаленная стальимеет неравновесную структуру мартенсита, троостита или сорбита.
Чаще всего призакалке сталь резко охлаждают на мартенсит. Для смягчения действия закалкисталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А1. Приотпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска,троостит отпуска или сорбит отпуска.
Температурныеусловия закалки. Температура нагревастали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвектоидной стали на30-50° выше точки Ас3, для заэвтектоидной– на 30-50° выше точки Ас1.
При нагреведоэвтектоидной стали до температуры между точками Ас1 и Ас3(неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали, наряду с закаленнымиучастками, будет присутствовать нерастворенный феррит, резко снижающийтвердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полнаязакалка (нагрев выше точки Ас3).
В заэвтектоиднойстали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступаетмертенситу и даже превосходит его; поэтому сталь достаточно нагреть на 30-50° выше точки Ас1.
Нагревать изделия,особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин,а время выдержки нагретого изделия должно быть достаточным, чтобы переходперлита в аустенит полностью завершился. Продолжительность выдержки обычноравна четверти общей продолжительности нагревания.
Охлаждениедеталей при закалке. Скоростьохлаждения деталей при закалке должна быть такой, чтобы деталь получиласьзаданной структуры. Скорость V2 (см.рис. 2), обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не безтроостита), называется критической скоростью закалки.
Так как С-образныекривые доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей смещены влево по сравнению скривыми эвтектоидной стали, критическая скорость закалки их выше, и получениеструктуры мартенсита достигается труднее, а для некоторых марок она даженедостижима.
Легирующиекомпоненты в стали облегчают закалку, так как при этом С-образные кривыесмещаются вправо, и критическая скорость понижается.
При скоростиохлаждения меньше критической в структуре закаленной стали, наряду смартенситом, будет троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаютсяструктуры троостита или сорбита без мартенсита.
Резкость закалки(получение мартенсита без троостита) зависит от природы температуры охлаждающейсреды. Охлаждение струей воздуха или холодными металлическими плитами даетследую закалку на сорбит. Наиболее распространено охлаждение деталейпогружением их в воду, щелочные или кислые растворы, масло, расплавленныйсвинец и др. При этом получается резкая или умеренная закалка (на мартенсит илитроостит).
Охлаждающаяспособность воды резко изменяется в зависимости от ее температуры; если этуспособность при 18° принять за единицу, то при 74° она будет иметь коэффициент 0,05.
К наиболее резкимохладителям относится 10%-ный раствор NaOH в воде, при 18° его коэффициент –2,0; к умеренным – минеральные масла с коэффициентом0,2-0,25.
При закалкеприменяют различные приемы охлаждения в зависимости от марки стали, формы иразмеров детали и технических требований к ним.
Простая закалка водном охладителе (чаще всего в водеили в водных растворах) выполняется путем погружения в него детали до полногоохлаждения. При охлаждении необходимо освобождать деталь от слоя пара хорошийтеплоизолятор. Такой способ закалки самый распространенный.
Для получениявысокой твердости и наибольшей глубины закаленного слоя для углеродистой сталиприменяют охлаждение деталей при интенсивном обрызгивании.
Прерывистой закалкой называют такую, при которой деталь охлаждаютпоследовательно в двух средах: первая среда – охлаждающая жидкость (обычновода); вторая – воздух или масло. Резкость такой закалки меньше, чемпредыдущей.
При ступенчатойзакалке деталь быстро погружают в соляной расплав и охлаждают до температурынесколько выше МН (см. рис. 3), короткое время выдерживают изатем охлаждают на воздухе. Выдержка обеспечивает выравнивание температуры отповерхности к сердцевине детали, что уменьшает напряжения, возникающие при мартенситномпревращении.
Способ погружениядеталей в закалочную ванну должен быть таким, чтобы при закалке они как можноменьше коробились. Детали с большим отношением длины к диаметру или ширине(напильники, сверла и др.) следует погружать в охладитель вертикально.
Изотермическаязакалка. Изотермическая закалка(закалка в горячих средах) основана на изотермическом распадении аустенита;охлаждение ведется не до комнатной температуры, а до температуры несколько вышеначала мартенситного превращения (200-300°, в зависимости отмарки стали). В качестве охладителя используют соляные расплавы или нагретое до200-250° масло. При температуре горячей ванны детальвыдерживается продолжительное время, пока пойдут инкубационный период ираспадение аустенита. В результате получается структура игольчатого троостита,по твердости близкого к мартенситу, но более вязкого и прочного. Последующееохлаждение производится на воздухе.
При изотермическойзакалке вначале требуется быстрое охлаждение со скоростью не менее критической,чтобы избежать распадения аустенита в условиях, отвечающих перегибу С-образнойкривой (см. рис. 7). Следовательно, по этому методу можно закаливать тольконебольшие (примерно, диаметром до 8 мм) детали из углеродистой стали, так какзапас энергии в более тяжелых деталях не позволит достаточно быстро ихохладить. Это не относится, однако, к легированным сталям, большинство мароккоторых имеет значительно меньшие критические скорости закалки. Большимпреимуществом изотермической закалки является возможность рихтовки (исправлениеискривлений) изделий во время инкубационного периода распадения аустенита(который длится несколько минут), когда сталь еще мягка и пластична. Послеизотермической закалки детали свободны от внутренних напряжений и не имеюттрещин.
Видыповерхностной закалки. Приповерхностной закалке выше критической температуры нагревается только тонкийповерхностный слой детали, а внутри металл почти не нагревается. После закалкидетали имеют твердый поверхностный слой и вязкую сердцевину.
/> Рис. 8. Схема закалки с помощью газовой горелки.
Закалка припомощи газовой горелки схематичнопоказана на рис. 8. Кислородно-ацетиленовое пламя газовой горелки стемпературой около 3200° направляется на поверхность закаливаемой детали ибыстро нагревает ее до температуры выше критической. Вслед за горелкой изтрубки на поверхность детали направляется струя воды, закаливая нагретый слойстали.
Способ этот суспехом применяется для закалки поверхностного слоя зубьев больших шестерен,подверженных сильному износу.
/> Рис. 9. Схема индукционной закалки.
Закалка токамивысокой частоты по методу В.П.Вологдина нашла очень широкое применение в промышленности, так как отличаетсявысокой производительностью, легко поддается управлению и обеспечивает хорошеекачество. Закаливаемая деталь 5 (рис. 9) помещается в индуктор (катушку)4, по которому пропускается ток высокой частоты. Ток поступает черезтрансформатор 3 от машинного генератора 1, приводимого вовращение электродвигателем 2. Возбуждаемый при этом в детали ток имеетнаибольшую плотность у поверхности и быстро нагревает поверхность детали. Когданагрев закончен, деталь обрызгивается водой из индуктора, который для этогоделается полым с отверстиями.
Для улучшениякоэффициента мощности высокочастотной установки включены конденсаторы 6.
Регулируя мощностьтока и время выдержки, можно ограничить нагрев на толщину от долей миллиметрадо десятков миллиметров.
Машинные генераторыс частотой тока до 10 кГц обычно применяют для закалки на глубину свыше 2 мм.При закалке на глубину меньше 2 мм пользуются высокочастотными ламповымигенераторами, создающими ток весьма высокой частоты, который можно изменять взависимости от особенностей закаливаемых деталей.
Дефекты закалки. К этим дефектам относится: трещины, поводки, или короблениеи обезуглероживание.
Главная причинатрещин и поводки – неравномерное изменение объема детали при нагреве и,особенно, при резком охлаждении. Другая причина – увеличение объема при закалкена мартенсит.
Трещины возникаютпотому, что напряжения при неравномерном изменении объема в отдельных местахдетали превышают прочность металла в этих местах.
Лучшим способомуменьшения напряжений является медленное охлаждение около температурымартенситного превращения (точка МН). При конструированиидеталей необходимо учитывать, что наличие острых углов и резких измененийсечения увеличивает внутреннее напряжение при закалке.
Коробление (илиповодка) возникает также от напряжений в результате неравномерного охлаждения ипроявляется в искривлениях деталей. Если эти искривления невелики, они могутбыть исправлены, например, шлифованием. Трещины и коробление могут бытьпредотвращены предварительным отжигом деталей, равномерным и постепеннымнагревом их, а также применением ступенчатой и изотермической закалки.
Обезуглероживаниестали с поверхности – результат выгорания углерода при высоком ипродолжительном нагреве детали в окислительной среде. Для предотвращенияобезуглероживания детали нагревают в восстановительной или нейтральной среде(восстановительное пламя, муфельные печи, нагрев в жидких средах).
Обработка холодом – новый вид термической обработки. Этот методразработан в Советском Союзе (труды С.С. Штенберга, А.П. Гуляева и Н.А.Минкевича) для повышения твердости стали путем перевода остаточного аустенитазакаленной стали в мартенсит. Это выполняется при охлаждении стали дотемпературы нижней меартенситной точки МК (см. рис. 3).
Холодом обрабатываютуглеродистую сталь, содержащую более 0,5% C, у которойтемпература мартенситового превращения (точка МК) находитсяниже 0°, а также легированную сталь, например, быстрорежущую.
Отпуск стали смягчает действие закалки, уменьшает или снимаетостаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкостьстали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит дотемпературы ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагревамогут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Этисостояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуреи свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в формеудлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получаетсязернистым, или точечным, как в зернистом перлите.
Преимуществомточечной структуры является более благоприятное сочетание прочности ипластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь сточечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение y и ударную вязкость ан, повышенное удлинение d и предел текучести sт по сравнению со сталью с пластинчатой структурой.
Мартенсит закалкиимеет неустойчивую тетрагональную решетку, а мартенсит отпуска – устойчивуюцентрированную кубическую решетку a-железа.
Отпуск разделяют нанизкий, средний и высокий в зависимости от температуры нагрева.
При низкомотпуске (нагрев до температуры 200-300°) в структуре сталив основном остается мартенсит, который, однако, изменяется решетку. Кроме того,начинается выделение карбидов железа из твердого раствора углерода в a-железе и начальное скопление их небольшими группами. Это влечет засобой некоторое уменьшение твердости и увеличение пластических и вязких свойствстали, а также уменьшение внутренних напряжений в деталях. Для низкого отпускадетали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных илисоляных ваннах. Если для низкого отпуска детали нагревают на воздухе, то дляконтроля температуры часто пользуются цветами побежалости, появляющимися наповерхности детали. Появление этих цветов связано с интерференцией белого светав пленках окисла железа, возникающих на поверхности детали при ее нагреве. Винтервале температур от 220 до 330° в зависимости оттолщины пленки цвет изменяется от светло-желтого до серого (табл.). Низкийотпуск применяется для режущего, измерительного инструмента и зубчатых колес.
ТаблицаЦвет побежалости Температура, °С Цвет побежалости Температура, °С
Светло-желтый
Соломенно-желтый
Коричнево-желтый
Коричнево-красный
Пурпурно-красный
220
240
258
265
275
Фиолетовый
Васильково-синий
Светло-синий
Серый
285
395
315
330 и выше
При среднем(нагрев в пределах 300-500°) и высоком (500-700°) отпуске сталь из состояния мартенсита переходит соответственно всостояние троостита или сорбита. Чем выше отпуск, тем меньше твердостьотпущенной стали и тем больше ее пластичность и вязкость. Происходящее при этомизменение свойств стали можно проследить по кривым диаграммы, приведенной нарис. 4. При высоком отпуске сталь получает наилучшее сочетание механическихсвойств, повышение прочность, пластичность и вязкость, поэтому высокий отпускстали после закалки ее на мартенсит называют кузнечных штампов, пружин, рессор,а высокий – для многих деталей, подверженных действию высоких напряжений(например, осей автомобилей, шатунов двигателей).
Для некоторых марокстали отпуск производят после нормализации. Этот относится к мелкозернистойлегированной доэвтектоидной стали (особенно никелевой), имеющий высокуювязкость и поэтому плохую обрабатываемость режущим инструментом. Для улучшенияобрабатываемости производят нормализацию стали при повышенной температуре (до950-970°), в результате чего она приобретает крупную структуру(определяющую лучшую обрабатываемость) и одновременно повышенную твердость(ввиду малой критической скорости закалки никелевой стали). С целью уменьшениятвердости производят высокий отпуск этой стали.
Список литературы:
1. Технология металлов иконструирование материалы. В.М. Никифоров, Москва, 1968, Изд. “Высшая школа”.
2. Материаловедение. А.Е. Лейкин,Б.И. Родин, Москва, 1971, Изд. “Высшая школа”.