Закалка углеродистой стали. Принципы формирования структуры и свойств закаленной стали

УЧЕБНЫЙ ЭЛЕМЕНТ

Наименование: Закалка углеродистой стали

Профессиональная область:      Машиностроение

Цели:

Закончив изучение данного учебного элемента, Вы сможете:

производить выбор режимов закалки углеродистых сталей;

знать принципы формирования структуры и свойств закаленной стали.

Оборудование, материалы и вспомогательные средства:

Альбом микрошлифов.

Сопутствующие учебные элементы:

«Строение металлов и сплавов»;

«Диаграмма состояния системы железо – цементит»;

Закалка – операция термической обработки, включающая нагрев стали выше температуры фазового превращения, выдержку при этой температуре и ускоренное охлаждение, в результате чего формируется неустойчивая структура, упрочняющая сталь.

		График процесса закалки

 

В процессе ускоренного охлаждения при превращении γ-твердого раствора в α-твердый раствор углерод остается в твердом растворе, заметно искажая кристаллическую решетку α-Fe.

Поэтому структура закаленной стали – мартенсит – является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в α-Fe и имеет тетрагональную кристаллическую решетку, где отношение ребер с/а > 1.

Повышение содержания углерода в аустените увеличивает искажение пространственной решетки мартенсита.

Это является важнейшим фактором его высокой твердости.

Температура нагрева стали под закалку зависит от содержания в ней углерода.

 

Доэвтектоидные и эвтектоидные стали нагревают на 30–50 °С выше линии А₃ (GS) на диаграмме Fe – Fe₃С. При этом исходная феррито-цементитная структура переходит в аустенит.

Выдержка доэвтектоидной и эвтектоидной стали при указанной температуре должна обеспечить получение однородного аустенита.

 

Выдержка в печи зависит от размеров сечения заготовки и условий нагрева.

Кинетику превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь изучают при постоянной температуре (в изотермических условиях).

 

Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита представлена двумя линиями в виде буквы С.

Слева от С-образных кривых находится область переохлажденного аустенита.

Левая кривая – начало превращения А_У ® Ф + Ц, а правая – конец этого превращения.

Диаграмма строится в координатах температура – время (или логарифма времени).

Ниже температуры М_Н начинается бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит.

Превращение аустенита при температурах в интервале 727–550 °С называется перлитным, а превращение при температурах в интервале от 550 °С до М_Н – промежуточным.

Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

Продукты перлитного превращения имеют пластинчатое строение. Их определяют как перлит, сорбит и троостит, образованные из кристаллов феррита и цементита.

С увеличением степени переохлаждения уменьшается размер образовавшихся кристаллов, т. е. вырастает дисперсность феррито-цементной смеси. Дисперсность оценивают межпластиночным расстоянием – суммарной толщиной (D₀) соседних пластинок феррита (Ф) и цементита (Ц).

Структура		ПЕРЛИТ	СОРБИТ	ТРООСТИТ
D0,  мкм ….		0,6-1,0	0,25-0,3	0,1-0,15
НВ ……..		180-250	250-350	350-450
	Пластинчатый перлит ´ 2500		Сорбит закалки ´ 2500		Троостит закалки ´ 2500

В реальных условиях превращения совершаются при непрерывном охлаждении. На диаграмму изотермического распада накладываются кривые непрерывного охлаждения.

При охлаждении со скоростями V₁, V₂ и V₃ получают перлит, сорбит и троостит соответственно.

В сталях в изотермических условиях мартенситное превращение не развивается.

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_Н до М_К со скоростью выше критической, например, при закалке стали в воде (V₄).

 

Критической скоростью закалки (V_КР) стали является минимальная скорость охлаждения,, при которой переохлажденный аустенит в полном объеме претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение и не распадается на феррито-цементитную смесь.

Охлаждение со скоростями меньше критической – V₁, V₂ и V₃ приводит к перлитному превращению А ® Ф + Ц. Начальными этапами зарождения перлитной колонии являются:

 

1 – диффузионный процесс выделения атомов углерода из g-Fe и обособление цементита;

2 – перестройка решетки g-Fe  в a-Fe.

При охлаждение со скоростью больше критической – V₅ до температуры