 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Факторы, повышающие скорость закалки
УДК 620.22(076.5) ББК 30.3я73
© УО «Белорусский государственный технологический университет», 2014
Лабораторнаяработа№2 ЗАКАЛКАСТАЛИ
Цель работы:практическое ознакомление с операциями термиче-ской обработки; изучение влияния режимов термической обработки на свойства и структуру конструкционной и инструментальной сталей.
Материалы и оборудование:коллекция нетравленых и травле-ных микрошлифов различных марок углеродистых сталей; приборы Бринеля и Роквелла для определения твердости, микротвердомер 402 MVD для определения микротвердости, металлографический ком-плекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO3 в спирте).
Теоретическаячасть
Закалкой стали называют термическую операцию нагрева сталидо температуры выше критической точки Ас1 или Ас3 с последующим быстрым охлаждением, обеспечивающим получение неравновесной структуры – в основе мартенситной. Назначение закалки – получение высокой твердости, прочности и износоустойчивости.
На получение оптимальной структуры после закалки и формиро-вание конечных свойств, получаемых при отпуске закаленной стали, влияет правильный выбор температуры и времени выдержки при нагреве под закалку.
В зависимости от температуры нагрева различают полную и не-полную закалку стали.
Полной закалкой называют закалку с нагревом до температур од-нофазной аустенитной области.
Неполной закалкой называют закалку с нагревом до межкритиче-ских температур (Ас1–Ас3), при которых сохраняется избыточная фа-за – феррит или вторичный цементит.
Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке: оптимальной температурой нагрева является температура, превышающая критиче-скую точку Ас3 на 30–50°С (рис. 1). При таком нагреве исходная ферри-то-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита. При нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше Ас1, но
ниже Ас3 в структуре наряду с аустенитом останется часть непревра-щенного феррита, который приводит при закалке к образованию мар-тенситно-ферритной структуры (рис. 2). Феррит, имеющий низкую твердость, понижает общую твердость закаленной стали и ухудшает ее механические свойства после отпуска.
Рис. 1. Оптимальный интервал закалочных температур углеродистой стали
Рис. 2. Феррит + мартенсит доэвтектоидная сталь (неполная закалка)
При нагреве доэвтектоидной стали до температур больших, чем на 30– 50°С выше Ас3 будет происходить рост зерна аустенита и соответственный
рост зерна после охлаждения (рис. 3), что ухудшает свойства стали.
Рис. 3. Схемы образования аустенита, перлита, мартенсита
Для заэвтектоидных сталей оптимальная температура закалки наоборот лежит в интервале между Ас1 и Ас3 и теоретически является неполной.
При таком нагреве исходная структура – перлит и цементит – не будут полностью превращаться в аустенит, часть вторичного цемен-тита остается нерастворенной. После охлаждения со скоростью выше критической аустенит превратится в мартенсит. Структура закаленной стали будет состоять из мартенсита и цементита (рис. 4) . Наличие в структуре избыточного цементита повышает твердость, а, следова-тельно, и износостойкость стали.
Рис. 4. Мартенсит + цементит заэвтектоидная сталь (неполная закалка)
Нагрев под закалку производится в печах периодического и не-прерывного действия, чаще – электрических или работающих на газо-образном (жидком) топливе. Широко применяются печи-ванны, в ко-торых изделие нагревается в расплавленных солях, например, в 100% ВаCl2 или 78% BaCl2 и 22% NaCl, или в сильвините (естественный ми-
нерал, состоящий из NaCl + КCl), реже – в металлах (обычно в свинце). Общая продолжительность нагрева, т. е. общее время tобщ пребы-вания деталей в нагревающей среде, состоит из времени tн нагрева до заданной температуры и времени tв выдержки при этой температуре:
tобщ= tн+ tв.
Скорость нагрева зависит от химического состава стали, размера и формы обрабатываемых деталей, характера расположения изделий в печи, типа нагревательного устройства, температуры нагрева и т. д.
При термической обработки в печах возможны три способа нагрева:
– детали загружают в холодную или разогретую до невысокой температуры печь и нагревают до заданной температуры, при этом время нагрева достаточно большое, но разность температур по сече-нию небольшая. Этот способ применяют при нагреве деталей сложной формы и изготовленных из высоколегированных сталей;
– детали загружают в печь, имеющую постоянную заданную темпе-ратуру; время нагрева меньше, чем при первом способе, но разность тем-ператур по сечению больше. Этот способ самый распространенный;
– детали загружают в печь, имеющую температуру выше задан-ной. По мере нагрева деталей температура печи снижается до задан-ной. При этом способе скорость нагрева, разность температур и воз-никающие внутренние напряжения наибольшие. Этот способ является способом форсированного нагрева.
Время нагрева зависит от расположения деталей в печи и от их взаимного расположения. Детали нагреваются быстрее при всесто-роннем подводе тепла, самый медленный нагрев – при расположении нескольких деталей вплотную (продолжительность нагрева увеличи-вается в четыре раза). Это отражено в примерных нормах нагрева де-талей (табл. 1).
Таблица 1
Примерные нормы нагрева деталей диаметром (толщиной) более 3 мм при нагреве для закалки 750-900°С
При достижении заданной температуры нагрева проводят вы-держку для полного прогрева изделия по сечению, завершения всех фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по сечению.
Время выдержки , так же как и температура нагрева, зависят от химического состава стали, формы и размеров изделия. Чем выше температура нагрева, тем меньше требуется времени для полного про-грева детали и гомогенизации аустенита. Время выдержки при задан-ной температуре может быть принято равным 3 мин для углеродистых сталей и 5–6 мин для легированных сталей.
В процессе нагрева деталей в печах металл взаимодействует с ат-мосферой печи. Результатом такого взаимодействия являются: – окисление, ведущее к образованию окалины на поверхности нагреваемого металла; – обезуглероживание – частичное или полное выгорание углерода
в поверхностных слоях стали.
Окисление приводит к потерям металла, усложняет обработку деталей , затрудняет получение высокой и равномерной твердости. Потери металла при нагреве составляют 3% массы обрабатывае-мых деталей.
В обезуглероженном слое появляются «мягкие пятна» и возника-ют растягивающие напряжения, что снижает прочность, износостой-кость и предел выносливости, т. е. снижает срок службы деталей. Для предохранения поверхности деталей от окисления и обезуг-лероживания в рабочее пространство печи искусственно вводят за-щитную газовую среду, называемую контролируемой атмосферой.
Для предупреждения обезуглероживания используют продукты диссоциации аммиака или частичного их сжигания (Н2 – Н2О – N2) или генераторный газ (СО – СО2 – N2), осушенный и предварительно очищаемый от СО2.
Для защиты от окисления могут применять инертные газы – ар-гон, неон, азот. Предохранение деталей от окисления и обезуглерожи-вания осуществляется также нагревом в хорошо раскисленных рас-плавленных солях. В последнее время получает распространение нагрев с примене-нием защитных покрытий – стекловидных эмалей. Для таких покры-тий применяют механические смеси тонких порошков стекол с огне-упорными наполнителями. В процессе нагрева происходит плавление легкоплавких, а затем тугоплавких составляющих смеси, и тем самым обеспечивается получение стекловидной расплавленной пленки, изо-лирующей металл от печной атмосферы.
Наиболее ответственной операцией при закалке является охла-ждение, цель которой – в большинстве случаев получение мартенсит-ной структуры.
Мартенситом называется пересыщенный раствор углеродав альфа железе – α-Fe с тетрагональной объемноцентрированной кри-сталлической решеткой (рис. 5).
Рис. 5. ОЦК решетка мартенсита
Превращение аустенита в мартенсит бездиффузионное, поэтому содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном аусте-ните. Твердость мартенсита зависит от содержания в нем углерода
(рис. 6).
Рис. 6. Изменение твердости закаленной стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки:
1 –нагрев выше Ас3; 2 –твердость мартенсита; 3 –нагрев выше Ас1(770°С)
Для превращения аустенита в мартенсит скорость охлаждения должна быть больше критической скорости υкр (рис. 7).
Рис. 7. Определение критической скорости закалки по диаграмме изотермических превращений
Критической скоростью закалки называется наименьшая ско-
рость охлаждения, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения.
Микроструктура мартенсита приведена на рис. 8.
Рис. 8. Структура мартенсита в сталях массового назначения: а –крупноигольчатый; б –мелкоигольчатый
Мартенсит в стали , содержащей 0,1% С, имеет твердость НRC примерно 30. При 0,7% С твердость мартенсита достигает максималь-ного значения (НRC 64) и при дальнейшем увеличении содержания углерода она существенно не увеличивается.
Если скорость охлаждения будет меньше υкр, аустенит распадает-ся на феррито-цементитную смесь – бейнит, троостит, сорбит (рис. 9).
Рис. 9. Диаграмма изотермического распада аустенита доэвтектоидной стали (0,4% С)
Твердость зависит от химического состава стали.
Бейнит (игольчатый троостит) –высокодисперсная смесь ферритаи цементита игольчатого строения (рис. 10). Имеет твердость НВ 4500– 5500 МПа. Наряду с высокой твердостью обладает некоторой вязкостью.
Рис. 10. Структура бейнита: а, б – верхний бейнит; в, г – нижний бейнит (а, в – ×500; б, г – электронный микроскоп ×3000)
Троостит представляет собой высокодисперсную смесь феррита ицементита (рис. 11). Троостит закалки имеет пластинчатое строение и твердость НВ 3500–4500 МПа. Обладает вязкостью с высоким преде-лом пропорциональности.
Рис. 11. Троостит (×16000), распад при Т = 600°С
Сорбит –механическая смесь феррита и цементита,но более гру-бого строения, чем троостит. Частицы цементита в сорбите различимы под микроскопом при увеличении в 500 раз ( рис. 12). Для сравнения на рис. 13 приведена микроструктура перлита.
Рис. 12. Сорбит (×7500), распад при Т = 650°С
Рис. 13. Перлит (×7500), распад при Т = 700°С
Мартенситное превращение реализуется в интервале температур Мн – Мк. Температуры начала Мн и конца Мк мартенситного пре-вращения зависят от содержания углерода в аустените стали (рис. 14).
При содержании в стали углерода больше 0,6% температура кон-ца мартенситных превращений снижается в область отрицательных температур , поэтому при охлаждении этих сталей до комнатных тем-ператур со скоростью больше критической в них остается повышен-ное количество остаточного аустенита (рис. 15).
Скорость охлаждения не влияет на положение температур начала и конца мартенситного превращения. Однако скорость охлаждения в ин-тервале температур мартенситного превращения (точек Мн и Мк) влияет на количество остаточного аустенита. Немного ниже точки Мн более медленное охлаждение вызывает большую степень превращения.
Рис. 14. Влияние содержания углерода на понижение мартенситных температур – точек Мн и Мк
Рис. 15. Влияние содержания углерода на количество остаточного аустенита в закаленной стали
Величина критической скорости закалки неодинакова для разных сталей и зависит от устойчивости аустенита. Чем больше его устойчи-вость, а, следовательно, чем больше смещены вправо линии превра-щений на диаграмме изотермического распада аустенита, тем меньше критическая скорость закалки.
Факторы, повышающие скорость закалки
и понижают критическую скорость закалки. Исключение составляет кобальт, который уменьшает устойчивость аустенита, увеличивая при этом критическую скорость закалки. Если элементы находятся в виде различных соединений (карбиды, интерметаллиды), то они могут создавать дополнительные центры кристаллизации и уменьшать устойчивость аустенита, а, следователь-но, повышать критическую скорость закалки.
В углеродистой стали наиболее низкую критическую скорость за-калки имеет эвтектоидная сталь. Понижение содержания углерода, по сравнению с эвтектоидным составом, приводит к повышению крити-ческой скорости закалки. В заэвтектоидной стали с повышением со-держания углерода при охлаждении с межкритического интервала критическая скорость закалки также повышается.
Например, раскисление только кремнием и марганцем повышает устойчивость аустенита, а раскисление титаном и алюминием, обра-зующим дисперсные частицы оксидов и нитридов, может уменьшать устойчивость аустенита. В первом случае критическая скорость закал-ки меньше, чем во втором.
Механизм охлаждения стали в жидкости заключается в следующем:
– в первый момент охлаждения образуется тонкая пленка пере-гретого пара, которая является плохим проводником тепла и снижает скорость охлаждения. Первый этап относительного медленного охла-ждения называется стадией пленочного кипения;
– когда количество теплоты, отнимаемой жидкостью, больше ко-личества теплоты, излучаемой нагретым телом, пленка разрывается
и дальнейшее охлаждение происходит парообразованием на поверх-ности металла (стадия пузырчатого кипения); – поскольку на парообразование расходуется большое количе-ство теплоты, то поверхность изделия охлаждается очень интенсив-но и температура ее быстро падает. Когда температура поверхности
достигает температуры кипения жидкости, охлаждение происходит теплоотдачей и значительно замедляется (стадия конвективного теплообмена). В качестве охлаждающих сред применяют воду, водные и другие масла, расплавленные соли и металлы, и в ряде случаев – воздух (табл. 2).
Таблица 2
|
