Влияние скорости охлаждения из аустенитнои области на микроструктуру и механические свойства стали

4.1 Цель работы

Изучить структуру и твердость сталей с различным содержанием углерода после охлаждения с различная скоростями из аустенитной области. Уяснить связь между структурным состоянием и свойствами. Выяснить сущность основных операций термической обработки.

4.2 Описание лабораторной работы

При выполнении основных операций термической обработки (отжига, нормализации, закалки) распад переохлажденного аустенита происходит не в изотермических условиях, а при непрерывном охлаждении. Охлажде­ние с заданной скоростью обеспечивает определенную степень переох­лаждения аустенита (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждения), что обусловливает образование соответствующей струк­туры. Так, при охлаждении эвтектоидной стали со скоростью I °С/мин. степень переохлаждения составляет ~ 13 °С; превращение в этом случае идет примерно при 710 °С с образованием грубопластичного перлита (НВ=180). При скорости охлаждения 60 °С/мин. степень переохлажде­ния составляет ~ 43 °С; превращение происходит приблизительно в обла­сти, лежащей около 680 °С с образованием тонко- пластичного перлита (НВ=230). При охлаждении со скоростью ~ 600 °С/мин. превращение идет в области, лежащей около 650 °С с образованием сорбита (НВ=250).

Следует особо подчеркнуть, что превращение при непрерывном ох­лаждении происходит не при постоянной температуре, а в интервале тем­ператур; причем величина этого интервала увеличивается и он смещает­ся вниз по мере увеличения скорости охлаждения. Это наглядно видно из схемы, приведенной на рисунке 4.1. На этом рисунке изображена ди­аграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали, на ко­торую нанесены кривые охлаждения. Тангенс утла наклона касательной, проведенной в любой точке на такой кривой, характеризует скорость охлаждения (). Очевидно, что кривым 1-6, изображенным на рисунке 4.1 соответствуют следующие соотношения скоростей охлаждения V₁< V₂< V₃< V₄<.... Как видно, интервал превращения а-в (точ­ка " а " соответствует началу, а точка " в " - концу превращения) увели­чивается и он смещается вниз по мере увеличения скорости охлаждения до определенного предела. При дальнейшем увеличении скорости охлаждения превращение раздваивается; часть аустенита распадается в пер­литной области, а остальная часть переохлаждается до мартенситного превращения (кривая 4). В результате превращения в этих условиях об­разуется смешанная троосто-мартенситная структура. При достижении скоростей охлаждения порядка 150-300 °С/сек превращение аустенита в перлитной области не происходит и весь аустенит переохлаждается до мартенситного превращения, которое идет только при непрерывном охлаж­дении в интервале температур М_н-М_к.

Минимальная скорость охлаждения, которая обеспечивает переохлаж­дение всего аустенита до мартенситного превращения называется крити­ческой скоростью. Критической скорости на рисунке 4.1 соответствует касательная к "носу" диаграммы изотермического распада (вектор 5). Дальнейшее увеличение скорости охлаждения (сверх критической) не при­водит к заметному изменению положения температурного интервала мар­тенситного превращения.

Критическая скорость охлаждения является важной характеристикой стали. Увеличение содержания углерода в стали, а также введение в сталь легирующих элементов вызывает уменьшение критической скорости и, соответственно, облегчает получение мартенситной структуры (закал­ку стали). Таким образом, диаграмма изотермического превращения (распада) позволяет получить наглядное качественное представление о характере и продуктах превращения, протекающего при непрерывном ох­лаждении с любой скоростью. Оказывается, в случае превращения при не­прерывном охлаждении распад аустенита начинается с некоторым "запаз­дыванием" по сравнению с изотермическим распадом (рисунок 4.1). В связи с этим критическая скорость охлаждения с помощью "С"-кривой прибли­женно может быть определена по форлуле:

, град/сек, (4.I)

где А - равновесная температура эвтектоидного превращения (723 °);

t_н - температура минимальной устойчивости аустенита;

t₀- время минимальной устойчивости.

Более точно процесс превращения аустенита при непрерывном охлаж­дении характеризуется термокинетическими диаграммами. Эти диаграммы построены в тех же координатах температура-время. Линии, отвечающие началу и концу распада аустенита, в этом случае строятся по точкам перегиба на кривых охлаждения, записанных при охлаждении образцов с различной скоростью. Перегибы возникают в связи с выделением теплоты превращения.

При различных скоростях охлаждения образуются структуры, которые соответствуют определенным областям на термокинетических диаграммах.

В производственных условиях охлаждение со скоростью, необходи­мой для получения заданных структур и свойств, осуществляется в спе­циально подобранных средах. Например, для получения мартенситной структуры (такая операция называется закалкой) охлаждение стали про­изводят в воде, в водных растворах солей и щелочей или в масле.

Для получения сорбитной структуры сталь охлаждают на воздухе (нормализация). Для получения перлитной структуры, близкой к равно­весной, охлаждение производят с печью (отжиг).

4.3 Методическая разработка занятия

Работа выполняется на двух марках стали, отличающихся между со­бой содержанием углерода, в следующем порядке:

4.3.1 На образцах обеих марок стали измеряется исходная твер­дость и исследуемая микроструктура. Приближенно оценивается содержа­ние углерода в них.

4.3.2 По четыре образца от каждой стали загружается в печь для аустенитизации. Температура нагрева каждой стали определяется с учетом их состава. Выдержка печи дается из расчета 2 мин. на каждый милли­метр диаметра.

4.3.3 По истечении необходимой выдержки образцы, по одному из каждой печи извлекаются и охлаждаются:

1-й пара - в холодной воде;

2-я пара - в масле;

3-я пара - на воздухе;

4-я пара - с печью (после ее выключения).

4.3.4 После обработки на всех образцах измеряется твердость и изучается микроструктура,

Результаты исследования оформляются в виде таблицы игистограм­мы.

4.4 Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Краткие теоретические пояснения.

3. Методика работы.

4. Результаты работы (таблицы, графики) и их обсуждение.

5. Выводы.

Таблица 4.1 - Твердость и микроструктура исследованных сталей после охлаждения с различной скоростью

Марка стали	Среда охлаждения	Твердость	Микроструктура
		HRB	HRC	HB

4.5 Вопросы для текущего контроля

1. В чем заключаются особенности превращения аустенита при непрерыв­ном охлаждении с различной скоростью?

2. Какие продукты распада аустенита образуются при охлаждении с раз­личной скоростью?

3. Какое влияние оказывает углеродна твердость стали после охлажде­ния с различной скоростью?

4. Как на практике осуществляется непрерывное охлаждение?

5. Как влияет скорость охлаждения на твердость стали?

6. От чего зависит критическая скорость?

7. Что представляют собой термокинетические диаграммы?

Литература

1. Новиков И.И. Теория термической обработки.- М.: Металлургия, 1978.-С. 133-146.

2. Гуляев А.П. Металловедение. -М.: Металлургия, 1978.-С. 234 -258.

3. Блантер М.Е. Теория термической обработки. -М.: Металлургия, 1984.- С. 118 -124.

РАБОТА 3

Дата добавления: 2015-06-04