Главная / Материаловедение / Термическая обработка углеродистых сталей: отпуск

Термическая обработка углеродистых сталей: отпуск

Цель работы:

1. Изучить влияние температуры нагрева при различных видах отпуска на структуру и механические свойства закаленной углеродистой стали.

2. Ознакомится с различными видами отпуска закаленной углеродистой стали.

3. Освоить технологию проведения различных видов отпуска закаленной углеродистой стали и методов оценки их качества.

4. Научиться анализировать структуру и свойства закаленной углеродистой стали после отпуска.

Задание:

1. Провести закалку образцов из отожженной углеродистой стали.

2. Образцы из закаленной углеродистой стали подвергнуть отпуску при различных температурах.

3. Измерить стандартными методами твердость углеродистой стали после отпуска.

4. Провести анализ результатов исследований по отпуску закаленных углеродистых сталей с объяснением характера полученных зависимостей.

Оборудование, приборы, инструменты:

Оборудование для проведения различных видов термической обработки стали включает: электрическую камерную печь периодического действия с электромеханической системой регулирования температуры; передвижные закалочные сдвоенные баки с водой и маслом; клещи, защитные очки.

Для очистки от окалины и выравнивания поверхности образцов применяется наждачный круг.

Для оценки свойств стали и качества термообработки производится измерение твердости по методу Бринеля на приборе ТШ2 и по методу Роквелла на приборе ТК2.

Проведение испытаний:

Исследования проводятся на стали 45, в количестве 12 штук, подвергаются закалке по следующему режиму:

· Температура максимального нагрева 850 °С;

· Выдержка при максимальной температуре — 10-15 минут;

· Охлаждение в воде.

Технология проведения отпуска образцов из закаленных сталей включает:

· Нагрев образцов до температуры отпуска — 200, 300, 400, 500, 600, 700 °С;

· Выдержка в печи при каждой заданной температуре отпуска в течение 30 минут;

· Охлаждение образцов на воздухе и в воде.

Операция нагрева и выдержки образцов при максимальной температуре осуществляется в электропечах, охлаждение образцов производится в закалочном баке с водой и в специальном поддоне на воздухе.

Охлажденные образцы зачищают с обоих торцов на наждачном круге для снятия окалины и получения плоскопараллельных поверхностей.

По данным измерений строится график зависимости твердости стали по Бринеллю от температуры отпуска для двух способов охлаждения: на воздухе и в воде.

Протокол термической обработки закаленной углеродистой стали:

Температура,°С

Способ

Охлаждения

D отпечатка, мм

HB

HRC

200

Вода

2,70

514

52

Воздух

2,75

495

50

300

Вода

2,95

429

45

Воздух

3,15

375

40

400

Вода

3,30

341

36

Воздух

3,6

285

30

500

Вода

3,7

269

28

Воздух

3,75

262

26

600

Вода

3,95

235

22

Воздух

4,0

229

21

700

Вода

4,20

207

16

Воздух

4,40

187

10

Вывод/Основные сведения:

Целью отпуска является получение более равновесной, необходимой структуры стали с требуемыми механическими свойствами и низкими внутренними напряжениями.

Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки Ас1, в выдержке стали при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе

В машиностроении при термообработке закаленных сталей применяются три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний), высокотемпературный (высокий).

Низкий отпуск, проводимый при температурах 150 — 250 °С, несколько улучшает вязкость закаленной стали без заметного снижения твердости в результате изменения тетрагональности решетки -железа за счет частичного выхода элементарного углерода с последующим образованием мельчайших частичек карбидов железа — Fe2C, еще полностью не обособившихся от решетки мартенсита — когерентная связь. Для этого вида связи характерно наличие общих отдельных кристаллографических плоскостей, принадлежащих решетке мартенсита и решетке карбидов.

Образовавшаяся структура называется отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием пластинчатых карбидных частиц, когерентно связанных с решеткой мартенсита.

Низкий отпуск обеспечивает твердость порядка 60HRC и высокую износостойкость поверхностных слоев стали; при этом имеет место частичное снижение внутренних остаточных напряжений, повышение ударной вязкости, что уменьшает склонность стали к хрупкому разрушению.

Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент; детали, прошедшие поверхностную обработку — закалку, цементацию, работающие в условиях трения сопряженных деталей.

При температуре 250 — 350 °С происходит превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит, что приводит к значительному снижению ударной вязкости — появлению нежелательной хрупкости материала. Поэтому в интервале этих температур отпуск сталей, как правило, не производят.

Средний отпуск проводится в интервале температур 350 — 480 (500) °С. С повышением температуры до 400 °С в углеродистой закаленной стали полностью завершается процесс выделения углерода из мартенсита. Мелкодисперсные частицы карбида — Fe2C преобразуются в Fe3C; их когерентная связь с решеткой мартенсита нарушается. Структура стали будет состоять из феррита и цементита.

Последующий нагрев до максимальных температур этого вида отпуска приводит к росту частиц цементита и изменению их формы (начало процесса коагуляции и сфероидизации). Одновременно начиная с 400 °С начинается укрепление пластинок феррита.

В результате среднего отпуска структура закаленной стали будет представлять мелкодисперсную смесь феррита и цементита, которая называется троостит отпуска.

Полное выделение углерода из мартенсита обусловливает снятие внутренних напряжений, связанных со структурными превращениями при закалке, а начавшийся процесс укрупнения цементита и феррита, сопровождающийся снижением твердости (40 — 50 HRC) и, следовательно, повышением пластичности, предопределяет высокие пределы упругости и выносливости, релаксационную стойкость стали.

Средний отпуск применяют для деталей, работающих в режиме изменяющихся нагрузок: рессоры, пружины, торсионы, штампы.

Высокий отпуск выполняют при 500 — 680°С. Нагрев выше 500 °С усиливает коагуляцию и сфероидизацию частиц цементита; образование феррита еще больше укрупняются и становятся равноосными. В результате образуется смесь сорбита отпуска.

Для полученной структуры характерно еще большее снижение твердости (30 — 45 HRC), существенное повышение предела прочности при растяжении, относительного сужения и особенной ударной вязкости, почти полное (90 — 95%) устранение всех внутренних напряжений (1 -2 часа выдержки при 550 — 600 °С).

Высокому отпуску подвергается большое количество наиболее нагруженных деталей машин, испытывающих знакопеременные и ударные нагрузки — валы, оси, зубчатые колеса, шатуны, элементы теплосилового оборудования.

Высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной, по сравнению с нормализацией и отжигом, прочности. Поэтому термическую обработку, состоящую из закалки и последующего высокого отпуска, называет улучшением, которому подвергают среднеуглеродистые стали для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, снижение температуры хладноломкости.

При температурах, близких к Ас1 (650 — 700 °С), частицы цементита настолько укрупняются, что образуется крупнозернистая ферритно-цементитная смесь — перлит отпуска (зернистый перлит).

Для структур среднего и высокого отпуска (троостит, сорбит), с округлой зернистой формой цементита, характерна повышенная вязкость при почти одинаковой прочности с подобными структурами, которые сформировались в результате распада переохлажденного аустенита и имеют пластинчатую форму цементита.

В заключении следует отметить, что отпуск является единственным окончательным видом термообработки закаленной стали, температурные интервалы которого, обуславливая особенности превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве, создают в материале комплекс свойств практической целенаправленности. Существующие зависимости между температурами отпуска и механическими свойствами углеродистых сталей приведена на рисунке.