Закалка и отпуск сталей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина

Отчет

по лабораторной работе

Закалка и отпуск сталей

Студент Лавинецкий А.М.

г. Невьянск 2016

Цель работы: изучить изменение твердости при отпуске закаленных инструментальных сталей.

Материал: три марки инструментальных сталей

Таблица 1. Химический состав сталей

1. Выбор температуры нагрева под закалку

Рис. 1 Рекомендуемый интервал нагрева под закалку

Закалка стали заключается в нагреве сталей до температур выше критических, выдержки при этих температурах и последующем охлаждении со скоростью не меньше критической скорости закалки с целью достижения максимальной прочности и твердости посредством образования структуры мартенсита. Таким образом, в основе закалки стали лежит полиморфное превращение высокотемпературной фазы аустенита в процессе быстрого охлаждения. Основной фазой закаленной стали является мартенсит. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в б-железе с тетрагональной кристаллической решеткой. Высокая прочность и твердость мартенсита обусловлена повышенной плотностью дефектов кристаллической решетки - двойниковых прослоек и дислокаций (до 1010-1012 см^-2), фазовым наклепом, возникающим при мартенситном превращении из-за разности удельных объемов аустенита и мартенсита, и затруднением скольжения дислокаций в пересыщенном твердом растворе вследствие взаимодействия внедренных атомов углерода с дислокациями. Основные параметры закалки - температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.

Все наши инструментальные стали имеют содержание углерода приблизительно равным 1% , поэтому их можно считать заэвтектоидными, нагрев таких сталей должен обеспечить получение двухфазного состояния - аустенит и карбиды. Это достигается путем нагрева стали выше точки А₁ (линия PSK) для образования аустенита, но ниже точки А_сm (линия ES) для сохранения не растворившихся карбидов. В процессе последующего охлаждения со скоростью выше критической скорости аустенит превратится в мартенсит, а сохранившиеся твердые зернистые карбиды вносят вклад в увеличение износостойкости инструмента.

Такие стали в закаленном состоянии имеют структуру мелкокристаллического мартенсита, зернистых карбидов и небольшого (5-10%) количества остаточного аустенита, который не обнаруживается металлографически. Если заэвтектоидную сталь нагреть выше точки А_сm, в однофазную область аустенита, то все карбиды растворятся в аустените, концентрация углерода в аустените повысится до общего его содержания в стали с соответствующим снижением мартенситной точки. После быстрого охлаждения закаленной стали, нагретой выше точки А_сm, твердость и износостойкость инструмента снизятся вследствие повышенного количества остаточного аустенита и отсутствия твердых карбидов. Перед закалкой структура заэвтектоидной стали чаще всего имеет структуру зернистого цементита. Таким образом, температуру нагрева для закалки углеродистых заэвтектоидных (инструментальных) сталей, можно выбрать с помощью диаграммы железо-углерод по формуле

t_{закалки} = А₁ + (30-50)

Обычно стали марок У8-У12 закаливают от температур 760-810°С. Температура нагрева для закалки легированных инструментальных сталей, например, марки Х, выбирают по такой же формуле, но так как хром (как и остальные карбидообразующие элементы) несколько изменяют точку А₁, то температуру нагрева легированных сталей следует выбирать не по диаграмме состояния железо-углерод, а по справочникам. Для стали Х эта температура составляет 840-850°С.

Высоколегированные быстрорежущие стали, например, марок Р18, Р6М5, имеют наивысшую из всех сталей температуру закалки (1210-1280°С). Температуру нагрева для закалки быстрорежущих сталей выбирают таким образом, чтобы обеспечить растворение в твердом растворе - аустените максимально возможное количество вторичных легированных карбидов. Это необходимо для того, чтобы аустенит стал достаточно легирован карбидообразующими элементами (W, Cr, Mo, V) и содержал нужное количество углерода (не менее 0,4-0,5 %).

2. Выбор охлаждающей среды при закалке

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успел претерпеть распад на ферритно-карбидную смесь, переохладился ниже М_н. Для этого скорость охлаждения должна быть критической или выше критической. Критическая скорость закалки зависит от минимальной устойчивости переохлажденного аустенита: чем более устойчив аустенит (чем больше сдвиг линий начала и конца превращений переохлажденного аустенита в ферритно-карбидную смесь по С-образной диаграмме вправо), тем меньше критическая скорость закалки. Соответственно, чем менее устойчив аустенит, тем больше величина критической скорости закалки. Поскольку устойчивость переохлажденного аустенита углеродистых сталей (особенно доэвтектоидных) мала, то критическая скорость закалки этих сталей большая.

Рис. 2 Диаграммы распада переохлажденного аустенита

Поэтому охлаждающими средами при закалке углеродистых сталей чаще всего служит вода (иногда с добавлением солей, щелочей или кислот для увеличения охлаждающей способности). Поэтому для стали У12 средой охлаждения выберем воду. Легированные стали имеют более высокую устойчивость переохлажденного аустенита, поэтому критическая скорость закалки легированных сталей меньше, чем для углеродистых. Следовательно, изделия из легированных сталей можно закаливать в средах, охлаждающих менее интенсивно, чем вода, т. е. в масле или даже на 6 воздухе. Такая закалка при достаточной устойчивости переохлажденного аустенита также обеспечит получение в изделиях мартенситной структуры, но с меньшим уровнем напряжений. Для сталей Х и Р6М5 средой охлаждения выбираем масло.

сталь закалка аустенит отпуск

3. Отпуск закаленных сталей

Отпуском закаленной стали называется операция термической обработки, состоящая в нагреве сталей до температур ниже критической точки А₁, выдержки при этих температурах и 7 последующем охлаждении с определенной скоростью (обычно на воздухе) с целью получения необходимого сочетания прочности и пластичности и уменьшения внутренних напряжений. Отпуск при соответствующей температуре позволяет плавно снизить твердость закаленной стали до нужных значений в готовом изделии и одновременно повысить пластичность и вязкость. Поэтому отпуск является окончательной операцией термической обработки.

Структура закаленной стали, состоящая из мартенсита и остаточного аустенита, метастабильна. При нагреве после закалки вследствие увеличивающейся подвижности атомов создаются условия для процессов, изменяющих структуру стали к более равновесному состоянию с образованием мелкодисперсной феррито-карбидной смеси. Различают четыре превращения при отпуске.

Таблица 1 Результаты измерений твердости

В практике термической обработки сталей наиболее часто применяются три вида отпуска: низкий (150-200°С), средний (350-500°С) и высокий (500-650°С).

В ходе отпуска стали марки У12 и Х выявили зависимость конечной твердости материала от температуры отпуска. Чем выше температура отпуска, тем ниже значения твердости испытуемых сталей. Для стали Р6М5 зависимость оказалась обратной.

Рис. 3 График в координатах «Твердость - температура отпуска»

Размещено на Allbest.ru