Теоретическая часть. Цель работы: практическое ознакомление с операцией термической обработки сталей – отпуском, изучение влияния различных видов отпуска на структуру и

Отпуск стали

Лабораторная работа № 3

Цель работы: практическое ознакомление с операцией термической обработки сталей – отпуском, изучение влияния различных видов отпуска на структуру и механические свойства закаленной стали.

Материалы и оборудование: коллекция образцов после закалки, нетравленых и травленых микрошлифов различных марок углеродистых сталей; прибор Роквелла для определения твердости, микротвердомер 402 MVD для определения микротвердости, металлографический комплекс, включающий оптический микроскоп МИ-1, цифровую камеру Nikon Colorpix-4300 с фотоадаптером; травитель (4%-ный раствор HNO₃ в спирте).

Задание: 1. Ознакомиться с основными операциями термической обработки – отпуск. 2. Произвести отпуск закаленных образцов по выбранным режимам. 3. Изучить влияние режимов отпуска на свойства и структуру конструкционных и инструментальных сталей. 4. Составить отчет о проделанной работе.

Заключительной операцией термической обработки является отпуск стали, который включает в себя:

– нагрев закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки А₁;

– выдержку при данной температуре;

– последующее охлаждение с заданной скоростью.

При отпуске формируются окончательная структура и свойства изделия.

Отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки в течение 15-30 мин. После выдержки в течение 1,5 ч напряжения снижаются до минимальной величины, которая может быть достигнута отпуском при данной температуре.

Скорость охлаждения после отпуска не изменяет структуру стали, однако во избежание получения термических напряжений охлаждение ведут замедленное (на воздухе). Охлаждение на воздухе дает напряжения на поверхности в 7 раз меньше, а охлаждение в масле – в 2,5 раза меньше по сравнению с напряжениями при охлаждении в воде. Однако изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при температуре 500-650°C следует охлаждать быстро.

Структура стали после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита. Oбе структурные составляющие являются неустойчивыми и при нагреве будут стремиться перейти в более устойчивое состояние, т.е. в структуру феррито-цементитной смеси. Мартенсит является структурой, обладающей наибольшим объемом, а аустенит ‑ структурой с минимальным объемом, поэтому превращения должны совершаться с объемными изменениями. При превращении мартенсита объем будет уменьшаться (сжатие образца), а при превращении аустенита - увеличиваться (расширение образца).

Превращения при отпуске хорошо видны на дилатометрической кривой, показывающей изменение длины образца в зависимости от температуры нагрева (рис.26).

Рис. 26. Дилатометрическая кривая отпуска углеродистой

стали: 1 ‑ отожженной; 2 ‑закаленной.

В соответствии с объемными изменениями, происходящими при отпуске углеродистых сталей, выделяют три температурных интервала (три превращения). Температурные границы превращений условны, их положение зависит от скорости нагрева, длительности, выдержки и состава стали.

Нагрев мартенсита до 80°С не вызывает заметных изменений в структуре и на дилатометрической кривой. Начиная от 80°С и до 200°С наблюдается сокращение длины. Это будет, так называемое, первое превращение при отпуске. Рентгеновский анализ показал, что в этом интервале температур постепенно уменьшается параметр с решетки мартенсита; соотношение параметров решетки (отношение с/а) стремится к единице.

Уменьшение степени тетрагональности мартенсита происходит за счет выделения из мартенсита углерода в виде карбидных частиц, когерентно связанных с твердым раствором. Решетка мартенсита (a–раствора) сопряжена с решеткой карбида по определенной кристаллографической плоскости, т.е. пограничный слой атомов железа принадлежит и мартенситу, и карбиду. Выделяющиеся карбидные частицы имеют форму тонких пластинок толщиной в несколько атомных слоев и длиной в несколько сот ангстрем. Состав частиц точно не установлен; предполагают, что это карбид Fe₂C, который обозначают как e-карбид.

В сталях с содержанием углерода менее 0,2% выделение метастабильного карбида не наблюдается.

Приращение объема распавшегося мартенсита происходит непрерывным увеличением числа частиц e-карбида с образованием вокруг них участков a–твердого раствора, обедненных углеродом. Роста частиц e–карбидов не происходит из-за низкой скорости диффузии.

Скорость процесса при первом превращении характеризуется временем полураспада, т.е. временем, необходимым для распада половины исходного мартенсита с высокой концентрацией углерода в мартенсит с меньшим содержанием углерода.

Время полураспада высокоуглеродистой закаленной стали составляет:

– при комнатной температуре несколько лет;

– при 80°С – 8 месяцев;

– при 100°С – 50 мин;

– при 120°С – 8 мин;

– при 165°С – 45 с.

В результате первой стадии (первого превращения при отпуске) образуется структура, называемая отпущенным мартенситом. Кристаллы отпущенного мартенсита сохраняют ту же морфологию, что и исходный мартенсит, но плотность дефектов в них меньше. По микроструктуре распад мартенсита при первом превращении выявляется потемнением игл мартенсита.

Дальнейший нагрев выше 200°С приводит к увеличению объема, что связано с превращением остаточного аустенита в отпущенный мартенсит. Это, так называемое, второе превращение при отпуске захватывает интервал температур 200–300°С.

Выделение углерода уменьшает тетрагональность кристаллической решетки мартенсита, в результате чего остаточный аустенит получает возможность увеличить объем и превратиться в мартенсит отпуска. Это превращение – диффузионное и по своей природе похоже на бейнитное превращение первичного аустенита. К концу второго превращения a–твердый раствор (мартенсит) содержит еще около 0,15-0,20% углерода, т.к. в температурном интервале второго превращения продолжается распад мартенсита.

При температуре 300-400°С в углеродистых сталях происходит третье превращение. При этих температурах обеспечивается уже диффузионное перераспределение углерода, которое происходит путем растворения мелких неустойчивых карбидных частичек в мартенсите, диффузии углерода через a–твердый раствор (мартенсит) к более крупным устойчивым частицам карбида и последующего роста этих обособленных крупных частиц за счет непрерывного притока углерода. При этом также происходит превращение карбида Fe₂С в карбид Fe₃C, т.е. в цементит. Частички цементита, как правило, выявляются по границам зерен и иглам мартенсита.

Полное выделение углерода из a–твердого раствора (мартенсита) способствует снятию внутренних напряжений (напряжений второго рода), возникающих в стали в связи с объемными изменениями, вызванными распадом мартенсита и остаточного аустенита. Структуру, образующуюся после отпуска при 300-400°C, называют трооститом отпуска.

Дальнейший нагрев выше 400°С приводит к коагуляции цементитных частиц и укреплению блоков мозаичной структуры феррита.

При температурах 500-600°С структура феррито-цементитной смеси имеет зернистое строение средней степени дисперсности, которая называется сорбитом отпуска.

При температурах 650-700°С феррито-цементитная смесь имеет грубодисперсное зернистое строение и называется перлитом.

Превращения при отпуске протекают в очень малых объемах (внутри мартенситных игл), поэтому обычный микроструктурный анализ не позволяет выявить происходящих структурных изменений до температур отпуска порядка 550°С.

Структуры троостита и сорбита отпуска при обычном рассмотрении в микроскоп с увеличением в 500-600 раз трудно отличить от структуры мартенсита, т.к. эти структуры сохраняют мартенситную ориентировку, и только при увеличении в 1000 и более раз отчетливо видно строение сорбита. При нагреве выше 550°С мартенситная ориентировка пропадает.

Следует указать на существенное различие феррито-цементитных смесей, полученных в результате распада аустенита или мартенсита.

В феррито-цементитной смеси (троостит закалки или сорбит закалки), получающейся при распаде аустенита, цементит имеет пластинчатую форму.

А в получающейся при распаде мартенсита этой же смеси при температуре 400°С и выше цементит имеет зернистую форму.

Различная форма цементита в феррито-цементитной смеси предопределяет и различие в свойствах. При одинаковых твердости, пределе прочности и относительном удлинении сталь с зернистой структурой имеет более высокие значения предела текучести, относительного сужения и ударной вязкости.

Дата добавления: 2014-11-29