1.1.3. Определение структуры углеродистой стали после закалки
В обычных охлаждающих средах (вода, минеральное масло) при содержании углерода более 0,3 % после закалки образуется мартенсит (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость температур Мн и Мк углеродистой стали
от содержания углерода в ней
При содержании углерода в стали 0,6...0,8 % кроме мартенсита после закалки будет присутствовать аустенит остаточный (см. рис. 4).
Это связано с тем, что температура охлаждающей среды находится в интервале температур Мн...Мк стали. Так, например, сталь 60 нагревается до температуры закалки tз, при которой она имеет структуру аустенита. При охлаждении детали она проходит температуру Mн и достигает температуры воды tв. Дальнейшее охлаждение прекращается. Поэтому не весь аустенит превращается в мартенсит. Структура стали 60 после закалки в воде – мартенсит + аустенит остаточный.
Если содержание углерода в стали выше 0,8 %, то после закалки структура будет: мартенсит + аустенит остаточный + цементит. Мартенсит образовался из аустенита, так как скорость охлаждения детали выше критической скорости закалки стали. Появление аустенита остаточного связано с тем, что температура охлаждающей среды находится в интервале температур Мн...Мк стали. Цементит присутствует из-за его наличия при температуре закалки.
Твердость мартенсита в сталях с содержанием углерода выше 0,6 % находится в пределах HRC 58...65.
1.2. Отпуск углеродистых сталей
Сущность отпуска – нагрев закаленной стали до температуры ниже А1 (727 0С), выдержка и охлаждение с любой скоростью. Вид отпуска и его назначение определяются температурой нагрева.
Низкий отпуск (150...250 0С) применяется для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей, испытывающих трение в процессе работы (зубья зубчатых колес, кулачки распредвалов, режущий и измерительный инструмент и т. д.). В процессе нагрева закаленной стали из мартенсита выделяется часть углерода в виде Fe2C. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита, внутренние напряжения и твердость. Структура стали после низкого отпуска – мартенсит отпуска и карбиды.
Средний отпуск (300...500 0С) используется для получения в деталях высокого предела упругости, текучести (пружины, рессоры, мембраны и т. д.). При нем завершается распад мартенсита, из которого выделяется весь избыточный углерод. Обедненный углеродом мартенсит превращается в феррит. Образовавшаяся механическая смесь феррита и цементита имеет зернистое строение и называется трооститом отпуска. Полностью снимаются внутренние напряжения, вызванные мартенситным превращением.
Высокий отпуск (550...680 0С) служит для получения хорошего сочетания прочностных и вязкостных свойств в деталях, работающих на ударные, знакопеременные, вибрационные и циклические нагрузки (валы, зубчатые колеса, шатуны двигателей и т. д.). В указанном интервале температур ферритно-цементитная смесь троостита отпуска коагулирует с образованием более крупной зернистой феррито-цементитной смеси, называемой сорбитом отпуска. Закалку и высокий отпуск называют улучшением, а стали, подвергаемые улучшению, называются улучшаемыми. Обычно они содержат 0,3...0,5 %С (стали 30, 35, 40, 45, 50).