4. Діяльність Термічна обробка сталей
Діяльність 4.1
Значення термічної обробки сталі
Що таке термічна обробка сталі? Фактори, що беруть участь у лікуванні. Графічна характеристика.
Діяльність 4.3
Визначення мартенситу Fe-C. Властивості.
Діяльність 4.9
Опишіть значення кожного з графіків на рисунку 4.5
Діяльність 4.1
Значення термічної обробки сталі
Сталь є найважливішою з усіх сталевих виробів, і це підтверджується тим фактом, що 80% рідкого заліза, що виробляється в доменних печах, присвячується її виробництву. Одним із фактів, що виправдовує значення сталі в галузі, є можливість отримання великої різноманітності властивостей з одним і тим же видом матеріалу. Наприклад, ми можемо мати ковкі сталі для пластин, нержавіючі сталі для роботи у вологих середовищах, магнітні сталі для електромеханічного застосування, сталі високої твердості та стійкості до зносу та високих температур для ріжучих інструментів тощо.
Значна мінливість властивостей зумовлена різними обробками, яким піддається сталь, серед яких є прокат, ковка, термічна обробка, така як загартування, відпал, відпустка та нормалізація, обробка поверхонь, таких як цементація та азотування тощо.
Діяльність 4.2
Що таке термічна обробка сталі? Фактори, що беруть участь у лікуванні. Графічна характеристика.
Термічна обробка полягає у підданні сталі комбінації нагрівальних та охолоджувальних операцій з визначеним часом, щоб змінити пропорції її складових і таким чином отримати бажані властивості на ній. Варіації властивостей матеріалу, які виникають в результаті термічної обробки, повинні бути постійними, інакше термічна обробка не мала б сенсу.
Найбільш часто використовуваними тепловими процедурами є загартування, відпустка, відпал та нормалізація. Всі процедури засновані на перетворенні або розкладанні аустеніту. Отже, першим кроком будь-якої термічної обробки сталі буде нагрівання матеріалу до температури, яка призводить до утворення аустеніту.
Температура та час є основними факторами, що впливають на термічну обробку, і їх потрібно завжди встановлювати заздалегідь, відповідно до складу сталі, форми та розміру одержуваних деталей.
Побудувавши графік температури та часу, можна охарактеризувати будь-яку термічну обробку. Дуже узагальнено можна розглянути такі важливі моменти: максимальна температура нагрівання, Tmax, до якої нагрівається матеріал під час термічної обробки, час його витримування при максимальній температурі, тм, а також швидкість нагрівання та охолодження.
Існує два значення температури під час нагрівання, які важливо виділити: температура змінного струму 1 або температура, при якій починає проявлятися компонент аустеніту (723 o C), і температура змінного струму 3 або температура, при якій вся маса сталь вже перетворена в аустеніт (між 723 o C і 1148 o C); конкретні значення цих температур змінюються залежно від частки вуглецю, що міститься в сталі.
Фазова діаграма Fe-Fe3C (рисунок 4.2) є основою для вивчення термічної обробки сталей, зокрема лише тієї частини діаграми, яка відповідає сплавам, концентрація яких не перевищує 2% С, так що частина, яка насправді цікавить, є кольорові.
Діяльність 4.3
Визначення мартенситу Fe-C. Властивості.
Мартенсит є типовою складовою частин загартованих сталей. Він визначається як метастабільна фаза, утворена твердим інтерстиціальним перенасиченим розчином вуглецю в кристалічній решітці заліза BCC або тетрагонального заліза з центром у тілі.
Вміст вуглецю в мартенситі має тенденцію коливатися, як правило, від невеликих слідів до 1% С. Твердість і міцність Fe-C мартенситів безпосередньо пов’язані з вмістом вуглецю і зростають із цим. Однак пластичність і в'язкість зменшуються із збільшенням вмісту вуглецю. Вони мають максимальну міцність на розрив від 1600 до 2400 МПа, подовження від 0,5 до 2,5% і твердість від 495 до 745 одиниць Брінелла.
Діяльність 4.4
Опишіть такі типи мартенситів Fe-C, присутні у вуглецевих сталях: (а) мартенсит у смугах (б) мартенсит у листах
Діяльність 4.5
Храм. Характеристика та мета.
Відпустка застосовується, коли ви хочете досягти сталі високої твердості та механічної стійкості. Недоліком є те, що він робить загартований шматок крихким.
Він полягає в отриманні сталі, утвореної великою часткою мартенситу. Як і мартенсит, їх отримують при швидкому охолодженні аустеніту, лікування складається з:
-
Нагрівайте сталь, поки вся її маса не перетвориться на аустеніт. Залежно від відсотка вуглецю в сталі, температура, якої потрібно буде досягти (AC3), буде вищою або нижчою.
Для кожного типу сталі існує мінімальна швидкість охолодження, яка забезпечує повне перетворення в мартенсит. Наприклад, для вуглецевих сталей вона становить від 200 до 600 o C/с; у випадку союзних сталей температура зазвичай становить 50 o C/с.
Щоб шматок загартувався, його потрібно охолоджувати зі швидкістю трохи вищою за мінімальну. У деяких випадках при застосуванні надмірних швидкостей охолодження можуть виникнути деформації або переломи. Для досягнення різної швидкості охолодження шматки занурюють у різні середовища: воду, розплавлені солі, мінеральні олії, розплавлений свинець, ртуть, повітря кімнатної температури тощо.
Іноді цікаво лише загартувати зовнішній шар деталі, тримаючи внутрішню частину незатверділою, щоб не втратити в'язкість і забезпечити стійкість до зносу. У цих випадках застосовується поверхневий відпуск, швидко нагріваючи поверхневі шари зразка (за допомогою оксиацетиленового пальника або електромагнітною індукцією) і застосовуючи подальше охолодження повітря або води.
Діяльність 4.6
Відпалений. Характеристика та мета.
Основною метою відпалу є пом'якшення сталі шляхом усунення можливих натягів або внутрішніх аномалій її структури, які могли виникнути в результаті попередньої обробки (кування, прокатки тощо), що твердне матеріал.
Відпал зменшує твердість і збільшує пластичність сталі, завдяки чому її можна деформувати та легше обробляти.
Загалом він складається з нагрівання до високої температури, вище температури AC3, та повільного охолодження. Охолодження (від 50 до 100 o C/год) досягається в печі, в якій регулюється температура, поки матеріал не досягне кімнатної температури.
Діяльність 4.7
Загартування. Характеристика та мета.
Відпустка застосовується, коли потрібно підвищити в'язкість і пластичність сталей, які зазнали загартування. Обробка полягає у нагріванні мартенситу до 723 o C та подальшому охолодженні на повітрі, у маслі або у воді, залежно від складу сталі. Таким чином, можна збільшити в'язкість і пом'якшити загартовану сталь за рахунок зменшення її внутрішніх напружень. Загартування призводить до зменшення твердості, механічної міцності та межі пружності.
Діяльність 4.8
Нормоване. Характеристика та мета.
Нормалізація сталі полягає в нагріванні до температури аустенізації та охолодженні на відкритому повітрі з меншою швидкістю, ніж відпуск, але швидше, ніж відпал.
Метою стандартизації є виготовлення більш твердої та стійкої сталі, ніж та, що отримується повільнішим охолодженням, у печі при її відпалі. Нормалізація застосовується також після деформації сталі, холодної чи гарячої, для усунення можливих внутрішніх напружень, спричинених деформацією. Ще однією метою стандартизації є зменшення розміру зерен сталі з метою покращення механічних властивостей цієї сталі.
Діяльність 4.9
Опишіть значення кожної з наступних графік.
Чотири графіки представляють температуру в залежності від часу, що характерно для будь-якої термічної обробки сталей.
На графіках i, ii та iv зразок сталі нагрівається до повного перетворення в аустеніт (температура вище AC3), зберігаючи його таким протягом певного часу. Згодом відбувається охолодження зразка: дуже повільне на графіку i, дуже швидке на графіку ii і проміжне охолодження на останньому графіку.
На графіку i представлена термічна обробка відпалу. Графік ii представляє помірний рівень, а графік iv - нормований.
На графіку iii показано нагрівання зразка нижче температури аустенізації та подальше охолодження до температури повільнішої, ніж відпуск, але швидше, ніж відпал. Представляє загартовуючий режим.