Термическая обработка стали

Министерство образования Российской Федерации

ППЛ №43

Реферат Термическая обработка стали

Выполнил учащийся 223 группы

Чупахин Евгений

Проверил:

Емельянцев Александр

Вячеславович

г. Балаково

2003 г.

Содержание.

 

1.   Основы теории термической обработки…………………………………3

2.   Отжиг и нормализация……………………………………………………7

3.   Закалка и отпуск………………………………………………………….10

4.   Список литературы………………………………………………………16

 

1.   Основы теории термической обработки.

Термическая (тепловая) обработка состоит в изменении структуры металлов и сплавов путем нагревания их и последующего охлаждения с той или иной скоростью; при этом достигаются существенные изменения свойств при том же химическом составе сплава.

Рис. 1. Диаграммы состояния системы Fe – Fe3C

Термическая обработка стали и чугуна основана на явлениях вторичной кристаллизации применительно к линиям (см. рис.1) GOS(A₃), SE(A_ст) и РК (А₁).

Изменения структуры при разных скоростях охлаждения аустенита.

При медленном охлаждении эвтектоидной стали по линии РК (в точке Ar₁) произойдет полное распадение аустенита с образованием перлита. Распадение состоит из следующих этапов:

1)   превращение g-железа в a-железо, т.е. перегруппировка атомов из решетки гранецентрированного куба g-железа в решетку центрированного 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 в пластинки, размеры которых измеряются от малых долей микрона до нескольких микронов, и более или менее полное распадение аустенита.

При ускорении охлаждения до 50 град/сек распадение аустенита не успевает закончиться, размеры пластинок цементита достигают лишь десятых долей микрона и различимы только при очень больших увеличениях. Такая структура называется сорбитом (в честь Г.В. Сорби – английского естествоиспытателя).

При ускорении охлаждения до 100 град/сек полностью успевает завершиться лишь второй этап распадения аустенита, а третий этап останавливается в самом начале. В результате размеры пластинок цементита измеряются стотысячными и миллионными долями миллиметра. Такая структура носит название троостита (по имени Л. Трооста – французского химика). Наличие тончайших пластинок цементита можно обнаружить с помощью электронного микроскопа.

Рис. 2. Зависимость положения критических точек эвтектоиднной стали от скорости охлаждения.

При скорости охлаждения 150-200 град/сек успевает завершиться лишь перегруппировка атомов железа, поэтому углерод остается в виде твердого раствора в a-железе. Эта структура называется мартенситом (в честь А. Мартенса – немецкого металловеда).

Подводя итог сказанному, заметим, что перлит, сорбит и троостит по структуре представляют собой двухфазную смесь (феррита и цементита) и отличаются друг от друга дисперсностью цементита; мартенсит же однофазен, это твердый раствор углерода в a-железе.

Структура перлита, получающаяся при медленном охлаждении сплавов, называется равновесной, как и другие структуры. В отличие от равновесной, структуры сорбита, троостита и мартенсита, получающиеся при ускоренных охлаждениях, называются неравновесными.

Сдвиг критических точек при охлаждении.

Увеличение скорости охлаждения вызывает понижение критических точек (по отношению к их положению на диаграмме равновесия, см. рис. 66). Сдвиг температур увеличивается с ускорением охлаждения, что видно на рис. 2. Кривая A’r показывает, что переохлаждение аустенита растет при ускорении охлаждения.

При медленном охлаждении 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 структура все больше приближается к сорбиту. При скорости охлаждения, необходимой для получения структуры сорбита (»50 град/сек), аустенит переохлаждается более чем на 100° и фазовое превращение 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 появления мартенсита в структуре стали. Часть линии A”r, характеризующая превращение “аустенит - мартенсит”, - прямая. Это указывает на постоянство температуры при превращении (около 240° для эвтектоидной стали) независимо от дальнейшего увеличения скорости охлаждения.

Таким образом, кривая A’r характеризует распадение аустенита на две фазы: феррит и цементит, а отрезок A”r – переход аустенита в мартенсит. При скоростях охлаждения V₁ доV₂ охлажденная сталь содержит троостит и мартенсит (превращение происходит согласно линии A’r и линии A”r). При скоростях охлаждения, превышающих V₂ (ниже линии A”r), наряду с мартенситом будет немного остаточного (не распавшегося) аустенита.

Изотермическое распадение аустенита.

Рис. 3. Диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной стали

Наблюдениями установлено, что и скорость, и характер распадения аустенита зависят от степени его переохлаждения.

На рис.3 приведена диаграмма изотермического распадения аустенита эвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма построена в координатах “Температура – логарифм времени” (время откладывается на абсциссе по логарифмической шкале), что дает возможность проследить за временем превращения от долей секунды до суток и более.

Предположим для простоты, что за время 0,5 сек удается охладить образец из состояния аустенита до любой температуры: от точки Ar₁ до 0° и ниже. Охлаждая образец до 700° и выдерживая его при этой температуре, заметим, что в течение времени до точки _H1 в аустените никаких превращений не происходит. Со времени, соответствующего точке _H1, начинается распадение аустенита. Период времени до точки H1 называется инкубационным периодом. Распадение аустенита заканчивается полностью ко времени точки _К1, когда аустенит перешел в перлит. Скорость дальнейшего охлаждения не влияет на структуру образца, поэтому за точкой _К1 линия обрывается.

Наблюдая за образцом, охлажденным из состояния аустенита до температуры 650° и нанося на диаграмму точки начала _H2 и конца _K2 распадения аустенита, заметим, что как инкубационный период, так и период распада аустенита уменьшились, а в результате распада получился сорбит.

Для образца, охлажденного до температуры около 500°, получим на диаграмме соответственно точки _Н3 и _К3 распадения аустенита, а структура стали будет представлять троостит. При увеличении количества подобных опытов определится ряд точек начала и окончания превращения аустенита. Соединяя эти точки, получим две кривые превращения аустенита; кривую I – начала превращения при разных температурах и кривую II – конца превращения при тех же температурах.

При охлаждении образцов со скоростью выше критической при температуре 240° (линия M_Н) начинается превращение аустенита в мартенсит; превращение всего аустенита в мартенсит происходит только при дальнейшем понижении температуры, и окончание этого превращения для эвтектоидной углеродистой стали наступит лишь при температуре -50°.

Рассмотрев диаграмму (рис. 3), отметим в итоге следующее. Верхняя часть диаграммы характеризует изотермическое распадение аустенита в смесь феррита и цементита. Левее кривой I находится поле, отвечающее переохлажденному аустениту, область между кривыми I и II определяет время распада переохлажденного аустенита, правее кривой II находится полле продуктов распада аустенита: перлита, сорбита и троостита. Инкубационный период распада аустенита изменяется в зависимости от степени переохлаждения последнего: сначала уменьшается до некоторой критической величины, а затем вновь увеличивается. Этот период для каждой температуры определяется абсциссой кривой I – начала распадения аустенита. Кривая II показывает, что длительность превращения также зависит от температуры переохлаждения. Прямая M_н является границей между верхней и нижней частями диаграммы. Эта прямая характеризует начало мартенситного превращения аустенита и соответствует прямому участку кривой A”r (см. рис. 2).

Нижняя часть диаграммы показывает, что для перевода всего остаточного аустенита в мартенсит необходимо понижать температуру стали до линии M_к (конец мартенситного превращения). Кривые изотермического распадения аустенита имеют форму буквы С и называют С-образными кривыми. Форма этих кривых установлена профессором С.С. Штейнбергом и другими советскими учеными.

Для доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей С-образные кривые смещениы влево по сравнению с кривыми эвтектоидной стали; прямые М_к и М_к для первой расположены выше, а для второй – ниже, чем для эвтектоидной стали.

Свойства стали со структурой мартенсита, троостита, сорбита или перлита.

Рассмотрим сначала свойства 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 мартенсита HB=600-650 (HRC=62-66), а пластические свойства при растяжении (d и y) и ударная вязкость (а_н) близки к нулю. Плотность мартенсита меньше, чем плотность других структур, и составляет 7,75 г/см³. В связи с увеличением объема стали при мартенситном превращении возникают напряжения, особенно при неравномерном охлаждении детали. Мартенсит магнитен и обладает наибольшей способностью сохранять в себе остаточный магнетизм, поэтому заготовки магнитов заливают в мартенсит.

Тростит и сорбит – промежуточные структуры между перлитом и мартенситом, поэтому их свойства будут средними между свойствами перлита и мартенсита. На рис. 4 приведены кривые изменения твердости HB, предела прочности s_в и относительного удлинения d эвтектоидной стали в различных состояниях от перлита до мартенсита.

Свойства структур неэвтактоидной стали отличаются от свойств тех же структур эвтектоидной стали в зависимости от содержания углерода, однако характер изменения свойств структур от перлита до мартенсита тот же, что и у эвтектоидной стали.

Изучив вопросы теории термической обработки стали, познакомимся с ее видами: отжигом и нормализацией, закалкой и отпуском.