Закаленной углеродистой конструкционной стали

Цель работы: изучение теории и практики термической обработки конструкционных сталей, ознакомление с одним из видов термической обработки – отпуском - и его влиянием на структуру и свойства углеродистых конструкционных сталей.

Краткие сведения из теории.

Структура стали, образующаяся в результате закалки метастабильна, т.е. термодинамически неустойчива. При нагревании стали после закалки увеличивается подвижность атомов, что обусловливает прохождение процессов, изменяющих структуру сталей в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали:

1) сильной перенасыщенностью a-твердого раствора внедрения углеродом - мартенсита;

2) повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки - дислокацией, малоугловых и высокоугловых границ;

3) присутствием в сталях, содержащих свыше 0,5%С, некоторого количества остаточного аустенита.

Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ac₁, называют отпуском.

Распад мартенсита с выделением карбидов - главный процесс при отпуске сталей. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения, промежуточных метастабильных карбидов, образования цементита и коагуляции.

При отпуске в закаленной стали происходит четыре превращения.

Первое превращение при отпуске - зарождение карбидов. При температуре отпуска до 150⁰ С происходит перераспределение углерода в мартенсите. При этом образуются участки с содержанием углерода, значительно превышающим среднее количество его в решетке мартенсита. В этих участках образуются зародыши карбидной фазы, отличной от цемента, которые имеют вид пластин толщиной в несколько атомных слоев. Кристаллическая решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, т.е. поверхности раздела между решеткой мартенсита и карбидов пока отсутствует. Соотношение параметров решетки (с/а) мартенсита стремится к единице.

Таким образом, в результате первого превращения при отпуске (первая стадия отпуска) содержание углерода в разных участках мартенситных кристаллов оказывается очень неравномерным. Подобный мартенсит называют мартенситом отпуска.

Второе превращение при отпуске происходит в интервале температур 200...300⁰ С и характеризует обособлением (отделением) мелких карбидов от кристаллической решетки мартенсита, а остаточный аустенит, содержащийся в закаленных сталях, превращается в мартенсит отпуска.

Третье превращение при отпуске происходит при температуре 300-400⁰С. Оно сопровождается почти полным выделением углерода из твердого раствора в виде цементита Fe₃C, что сопровождается снятием внутренних напряжений, уменьшением объема стали.

Таким образом, в результате указанных выше превращений образуется высокодисперсная феррито-цементитная смесь (размер пластинок цементита составляет 3х10^-5 мм), называемая трооститом отпуска.

Четвертое превращение при отпуске - коагуляция карбидов, которое начинает осуществляться при температуре выше 400 ⁰С. Коагуляция одних карбидных частиц происходит за счет других более мелких. При температурах 550...600⁰ С размеры частиц цементита в феррите имеют размеры 10х10^-3 мм. Подобная структура называется сорбитом. При отпуске стали несколько выше 650⁰ С образуется структура зернистого перлита с размером цементных частиц 30 х10^-3 мм.

Основным отличием структур троостита и сорбита отпуска от тростита и сорбита закалки является сфероидальная форма частиц цемента в структурах отпущенной стали, в то время как у структур после распада аустенита форма цементных частиц пластинчатая.

Порядок выполнения работы.

1.Получить образец конструкционной стали.

2.Записать химсостав стали.

3.Зная номер образца, подвергнуть его соответствующей термической обработке по режиму, указанному в табл. 1.

Таблица 1

4.Нанести на образец расчетную длину в 30 мм с помощью двух неглубоких рисок. Измерить штангенциркулем диаметр образца и рассчитать начальную площадь поперечного сечения образца.

5. Подвергнуть образец разрушению на разрывной машине с записью диаграммы растяжения.

6. При испытании образцов необходимо записать максимальное значение растягивающей нагрузки Р и по ней рассчитать масштаб нагрузки.

7. По диаграмме растяжения рассчитать:

-Р_П - нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности;

-Р_Т - нагрузку, соответствующую пределу текучести;

-Р_В – нагрузку, соответствующую пределу прочности.

8. Рассчитать предел прочности.

,

9. Рассчитать предел текучести.

,

10. Рассчитать относительное удлинение.

где l₀ - расчетная длина, равная 30 мм; l₁- конечная расчетная длина, измеренная на разрушенном образце.

11. Рассчитать относительное сужение.

где F₀- исходная площадь сечения образца, мм² ; F₁- площадь поперечного сечения образца в месте его разрушения, мм²;

12. Определить твердость образца по Роквеллу. Полученные характеристики механических свойств внести в табл. 2.

Содержание отчета.

1. Сформулировать цель работы, кратко описать марку исследуемой стали, дать эскиз образца до и после разрушения, указать тип машины, используемой для испытания.

2. Представить твердость закаленных и отпущенных образцов в табл. 1.

Таблица 2

Влияние температур отпуска на структуру и механические свойства конструкционной стали

3. Определить и рассчитать механические свойства, использовав диаграмму растяжения, записать их в таблицу 2.

4. Проанализировать изменение структуры закаленной стали с изменением механических свойств ее при отпуске.

Контрольные вопросы.

1. Объясните назначение отпуска стали.

2. каким образом можно отличить мартенсит закалки от мартенсита отпуска?

3. Какие превращения происходят в структуре закаленной стали при отпуске?

4. Расскажите, в чем состоит процесс термической обработки, называемый улучшением и для какой цели его приводят?

5. Чем отличаются структуры, полученные в результате отпуска закаленной стали от подобных структур, образующихся при распаде аустенита?

6. Имеет ли значение скорость охлаждения при отпуске углеродистых сталей с точки зрения образующегося фазового состава и структуры?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11