Програма підготовки до виконання роботи

1. Вивчити теоретичний матеріал за цимим посібником та поданою нижче літе­ратурою.

2. Описати, як визначається прогартовуваність сталі методом торцевого гартування.

3. Зарисувати форму стандартного зразка і схему пристрою для торцевого гартування.

Література

1. Атаманюк В.В. Технологія конструкційних матеріалів: Навч. посібник для вищих навчальних закладів. – К.: Кондор, 2006. – С. 256 – 260.

2. Гуляев А.П. Металловедение.  М.: Металлургия, 1977.  С. 293 – 300.

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений.  3-е изд., перераб. и доп.  М.: Машиностроение, 1990.  С. 206 – 210.

4. Мозберг Р.К. Материаловедение: Учеб. пособие. – 2- е изд., перераб. – М.: Высш. шк.. 1991. – С. 240 – 245.

Завдання й методичні вказівки

1. Одержати у викладача зразки для дослідження.

2. Вибрати температуру нагрівання зразків залежно від марки сталі.

3. Провести випробування на прогартовуваність зразків, виготовлених із вуглецевої і легованої сталей, що містять однакову кількість вуглецю. Перед випробуванням потрібно відрегулювати пристрій на висоту стовпа води і точність попадання струмини води в охолоджуваний торець. Потім пристрій просушити.

4. Виміряти твердість за Роквеллом на торці і на відшліфованих поверхнях через кожні 1,5 мм від торця.

5. Побудувати діаграму прогартовуваності досліджуваних сталей у координатах твердість  відстань від торця.

6. Використовуючи номограму М.Є. Блантера, визначити значення ідеального критичного діаметра; швидкість охолодження серцевини виробів; розміри деталей, що прогартовуються наскрізь залежно від їх геометрії і охолоджувального середовища.

7. Встановити вплив легування на прогартовуваність досліджуваної вуглецевої сталі.

Контрольні запитання

1. Пояснити що називається загартовуваністю і прогартовуваністю ста­лі та в чому суть визначення прогартовуваності сталі методом торцевого гартування?

3. Пояснити від чого залежить загартовуваність сталі?

4. Схарактеризуйте фактори, що впливають на глибину прогартовуваності. Від чого залежить прогартовуваність вуглецевих сталей? Чому леговані сталі мають кращу прогартовуваність ніж вуглецеві?

5. Поясніть, чи можна з метою збільшення прогартовуваності рекомендувати високі температури нагрівання для гартування? Чому?

Лабораторна робота № 17.

ВІДПУСКАННЯ І СТАРІННЯ ВУГЛЕЦЕВОЇ СТАЛІ

Мета: 1. Ознайомитися з процесами, що відбуваються при відпусканні і старінні загартованої вуглецевої сталі.

2. Експериментально дослідити вплив температури відпускання на твердість вуглецевої сталі.

3. Навчитися самостійно аналізувати структуру і властивості загартованої сталі після відпускання

Обладнання, матеріали й інструменти

Загартовані зразки вуглецевої сталі, твердомір, муфельні печі, наждачний папір, щипці.

КОРОТКІ ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ

Відпускання сталі належить до завершальних операцій її термообробки і здійснюється після гартування сталі. Отриманий при гартуванні мартенсит, тобто значно пересичена вуглецем α-фаза, дуже нестійка і розпадається (перетворюється) уже при кімнатній температурі. Нестійкий і залишковий аустеніт, незважаючи на те, що його перетворення іде тільки при нагріванні вище 150°С. При нагріванні збільшується рухливість атомів (що сприяє процесу утворення більш рівноважної структури у загартованій сталі), в результаті чого мартенсит і залишковий аустеніт перетворюються на ферит та цементит, і вільна енергія у всьому об’ємі сталі зменшується. Крім того, кристалики карбіду Fе₃С, дуже дрібні при низьких температурах перетворення, при підвищенні температури і з бігом часу збільшуються, що призводить до зменшення вільної енергії системи.

Процес нагрівання загартованої сталі, за якого розпадаються (перетворюються) мартенсит і залишковий аустеніт та збільшується розмір карбідів, називається відпусканням⁷. Температури відпускання лежать нижче критичної точки А_С1 (727°С).

Зміна структур, що відбувається при відпусканні деталей з вуглецевих сталей, визначається температурою та трива­лістю відпускання, а також концентрацією вуглецю в сталі. Чим більший вміст вуглецю в аустеніті, тим вища перена­сиченість α-розчину та нижча температура мартенситного перетворення при гартуванні сталі, тим більша кількість залишкового аустеніту в ній.

Відпускання вуглецевих сталей супроводжується структур­ними змінами, передусім у кристалах мартенситу. Першою причиною таких змін є утворення в мартенситі ділянок із неоднорідною концентрацією (сегрегацій) вуглецю.

Експериментально встановлено, що дефекти криста­лічних решіток є енергетично сприятливими для розміщення атомів вуглецю, тому вони притягуються до дислокацій і дислокаційних стінок. Унаслідок того, що в нормальних решітках мартенситу позиції атомів вуглецю енергетично менш стійкі, ніж дефектні, в місцях структурних дефектів навіть при кімнатній температурі відразу після гартування сталі й у процесі її охолодження від темпера­тури початку мартенситного перетворення до кімнатної утворюються сегрегації вуглецю. При температу­рах відпускання до 100...150°С у мартенситі сталей з умістом вуглецю більш як 0,7% утворюються кластери (плоскі скупчення атомів вугле­цю одноатомної товщини). Скупчення атомів вуглецю зумов­лює зміщення атомів заліза, що призводить до спотворен­ня решітки мартенситу.

Наступною структурною зміною під час відпускання сталі можна вважати виділення проміжних карбідів з мартенси­ту. Експериментально виявлено при температурі приблизно 100°С метастабільну структуру ε-карбіду з імовірно такою формулою Fе_2,4С. Цей карбід має гексагональну криста­лічну решітку на відміну від складної ромбічної решітки цементиту. ε-карбід не виділяється в сталях з концентрацією вуглецю, меншою від 0,2 %, тому що під час відпускання більшість ато­мів вуглецю зв'язані з дислокаціями. Збільшення темпе­ратури та тривалості відпускання сприяє підвищенню стій­кості ε-карбіду. Утворення метастабільного ε-карбіду замість стабільного цементиту Fе₃С пояснюється наявністю по­верхневої енергії, що створює потрібні умови для появи ε-карбіду, а не цементиту.

При температурі вище 250 °С і в інтервалі температур 300...400°С дуже активно відбувається утворення більш ста­більної структури – цементиту Fе₃С. Вона близька до струк­тури цементиту сталі після відпалювання. Такий процес пояснює­ться наявністю при високих температурах об'ємної та по­верхневої вільної енергії, що сприяє утворенню і росту зерен цементиту Fе₃С, а не проміжного карбіду. Цемен­тит утворюється безпосередньо з перенасиченого α-розчину розчиненням менш стабільного, що утворився рані­ше, проміжного карбіду та завдяки перебудові решітки про­міжного карбіду в решітку Fе₃С.

До завершальних процесів карбідоутворення під час від­пускання сталі належать процеси, не пов'язані з фазовими перетвореннями: коагуляція і сфероїдизація цементиту. Йо­го частинки набувають круглої форми і збільшуються в розмірах.

Відпускання високовуглецевих сталей супроводжується роз­падом (перетворенням) залишкового аустеніту. Останній при гартуванні цих сталей утворюється у великій кількості. Його розпад найінтенсивніше спостерігається в інтервалі температур 200...300 °С. Під час відпускання сталі залишковий аустеніт перетворюється на нижній бейніт.

Під час відпускання сталі відбувається також зміна стану матричної фази, що спостерігається у всьому температур­ному інтервалі та характеризується зменшенням умісту вуг­лецю в α-розчині при виділенні карбідної фази.

За даними досліджень Г. В. Курдюмова, розпад мартенситу відбувається при температурі нижче 150°С (двофазний розпад) і при температурі 150...300°С, коли настає збіднення вуглецем α-розчину при одночасному зростанні карбідних частинок.

На першій стадії розпаду мартенситу рухливість атомів вуглецю досить мала, але достатня для утворення карбід­них пластин із мартенситного оточення. Через недостат­ню рухливість атомів вуглецю не забезпечується дифузій­ний ріст частинок карбіду з неохоплених розпадом діля­нок мартенситу з високим умістом вуглецю. Внаслідок цьо­го утворюється мартенсит з різним умістом вуглецю, тобто в структурі одночасно існує два твердих α-розчини з різ­ним умістом вуглецю. Тому такий розпад називається дво­фазним. Розвиток процесу розпаду в цьому випадку відбу­вається не завдяки росту карбідних частинок із розчину, а внаслідок утворення нових частинок карбіду з мартенситу з вихідним умістом вуглецю.

Підвищення температури до рівня 150...300°С сприяє прискоренню дифузії вуглецю. Така температура достат­ня, щоб забезпечити дифузійний ріст карбідних частинок одночасно з двофазним розпадом α-розчину. При темпе­ратурі близько 300°С α-розчин швидко збіднюється, в ньо­му залишається близько 0,1 % вуглецю, і процес розпаду швидко згасає. Подальше нагрівання сталі призводить до стану, коли різницю між решітками матричного α-розчину й α-заліза виявити неможливо.

Важливими процесами, що відбуваються в α-фазі під час відпускання сталі, є також повернення та рекристалізація. Вони проходять при різних температурах і стримуються час­тинками карбідних виділень. Указати початкову температуру повернення неможливо, але при температурі близько 400°С в ε-фазі зменшується густина дислокацій, яка бу­ла дуже великою в мартенситі до відпускання сталі, поступово зникають межі між пластинчатими кристалами фериту, зер­на якого збільшуються і набувають круглої форми. В α-фазі поступово знімається фазовий наклеп, що виник при мартенситному перетворенні. Варто зазначити, що описані про­цеси відбуваються майже одночасно, а температурні межі, за яких зреалізовуються структурні зміни, досить умовні.

При відпусканні сталі прийнято виділяти чотири інтерва­ли температур, коли спостерігаються основні перетворен­ня в структурі сталі. Цей поділ базується на об'ємних дефектах, виявлених Ганеманном і Трегером. Серед усіх структурних складових сталі, одержаних при гартуванні і відпусканні, мартенсит має найбільший об'ємний ефект, а аустеніт – найменший⁸. Тому перетворення мартенситу на ферит і цементит викликає стиснення сталі, а розпад аустеніту – її розширення. Це дозволяє робити висновки про те, розпад якого із цих розчинів переважає при тій або іншій температурі відпускання.

Перше перетворення відбувається в інтервалі температур 100...200°С. Воно полягає у виділенні частини вуглецю у вигляді метастабільного ε-карбіду. Дуже дисперсні його кри­стали когерентно зв'язані з решітками мартенситу. Збіднення мартенситу вуглецем відбувається нерівномірно, поряд із збідненими вуглецем його ділянками (поблизу карбідів) збе­рігаються ділянки мартенситу з вихідним умістом вуглецю. Перше перетворення з дуже малою швидкістю проходить без нагрівання сталі. Зниження кількості розчиненого вуг­лецю зумовлює зменшення тетрагональності решітки мартен­ситу. Зовні це проявляється в скороченні довжини зразків сталі. Вміст вуглецю в мартенситі після перетворення зале­жить від вихідної його кількості в сталі перед гартуванням, тоді як при нагріванні сталі до більш високих температур він визначається лише температурою.

Друге перетворення проходить в інтервалі температур 200...300°С і поширюється на весь об'єм мартенситу. Роз­пад залишкового аустеніту відбувається за бейнітним механізмом: утворюється суміш кристалів низьковуглецевого мартенситу та дисперсних карбідів. Це позначається на видовженні зразків (зменшенні густини сталі), тим біль­шому, чим більше залишкового аустеніту було в загартова­ній сталі, -карбіди поступово перетворюються на цементит.

Третє та четверте перетворення (інтервал температур 300...400°С) характеризуються скороченням довжини за­гартованих зразків. В інтервалі цих температур закінчує­ться виділення вуглецю з α-розчину й утворюється це­ментит Fе₃С. Зменшуються внутрішні напруження в ста­лі. Структура сталі, що сформувалася при її нагріванні до 400°С, складається з феритно-цементитної суміші висо­кого ступеня дисперсності, а при більш високих температурах (четверте перетворення) спостерігається збільшення частинок фериту і цементиту (коагуляція).

Отже, залежно від температури нагрівання сталі під час її відпускання утворюються структури мартенситу, бей­ніту, трооститу або сорбіту відпускання. Структури відпускання трохи відрізняються від структур гартування і більш спри­ятливі для експлуатації сталевих деталей.

Загартована сталь набуває не лише підвищеної міцно­сті та твердості, а й схильності до крихкого руйнування; тому після її гартування з метою підвищення в'язкості та усунення гартівних напружень відпускання сталі виконують обо­в'язково. Температура відпускання впливає на границю міц­ності, границю текучості, твердість, відносні видовження та звуження, а також на ударну в'язкість сталі. З підвищенням температури відпускання міцність вуглецевої сталі зменшу­ється, а характерис­тики її пластичності поліпшуються. Ударна в'язкість КСU вуглецевої сталі інтенсивно зростає при температурах відпускання, ви­щих за 300°С, і набуває максимального значення при тем­пературі 600°С.

Твердість, границя міцності та границя текучості за­гартованої без відпускання та відпущеній при температурі 200°С вуглецевої сталі практично однакові. Тому з урахуванням тер­мічних напружень можна підвищувати швидкість охоло­дження відпущених сталевих деталей у межах, коли не ви­являється небезпечна дія напружень.

Режим відпускання вибирають залежно від марки сталі, маси виробів і вимог до їхніх механічних властивостей. Температура нагрівання виробу визначається видом відпус­кання, а нагрівання рекомендується виконувати плавно та рів­номірно. Найкраще вироби слід завантажувати в холодну піч і нагрівати їх із швидкістю приблизно 50...100°С/год. На якість відпускання впливає тривалість витримки. Її визна­чають так, щоб забезпечувалася стабільність властивостей виробів. Тривалість витримки має становити приблизно 2...З год. Практично тривалість низького відпускання, наприк­лад, сталевих інструментів, становить 0,5...2 год, але три­валість відпускання при температурі 100...120°С, коли спад твердості небажаний, збільшують до 15 год. Таке трива­ле відпускання виключає появу наступних об'ємних змін при експлуатації інструмента. При середньому та високому від­пусканнях сталевих деталей витримку призначають у межах 1...8 год для деталей масою понад 200 кг.

Структура відпущеної сталі формується в період ви­тримки при температурі відпускання, тому інтенсивність на­ступного охолодження не зумовлює яких-небудь змін у ній. Після відпускання сталеві деталі охолоджу­ють здебільшого на спокійному повітрі.

На практиці режимні параметри відпускання сталі визна­чають за довідниками, а також за спеціальними номогра­мами, в яких взаємно пов'язані між собою процентний уміст вуглецю в сталі, температура нагрівання, тривалість витримки та твердість НRС. Користуючись номограмою, можна визначити твердість вуглецевої сталі, відпущеної за певним режимом.

Старінням металів та їх сплавів називають процеси, що відбуваються довільно, тобто без впливу зовнішнього середовища, а з плином часу ведуть до зміни їхніх власти­востей. Наприклад, такими є процеси зміни напружень у масивних чавунних виливках під час зберігання їх протя­гом довгого періоду на складах, зміни механічних власти­востей і розмірів загартованих деталей та інструментів, змі­ни структури металу загартованих деталей з часом, унас­лідок чого підвищується твердість та зменшується плас­тичність металу. Можливими є випадки короблення ви­робів як наслідок зміни їхнього об'єму і розмірів їх.

Зміцнення металу при старінні є наслідком виділення з перенасиченого твердого розчину вторинних фаз у ви­сокодисперсному стані. Надмірні компоненти виділяють­ся в складі субмікроскопічних включень по тілу чи в межах зерен, які утруднюють переміщення дислокацій. Здебіль­шого старіння супроводжується різким спадом пластич­ності та ударної в'язкості металу, що є абсолютно недо­пустимим.

Причиною старіння залізовуглецевих сплавів є утво­рення при їх швидкому охолодженні перенасиченого роз­чину вуглецю й азоту в залізі. Наприклад, при температурі 727°С у фериті розчиняється 0,02 % С, а при кімнат­ній – всього лише 0,008 %. У процесі старіння надмірний вуглець (азот) виділяється у вигляді дрібнодисперсних скуп­чень карбідів або нітридів. Причиною старіння загарто­ваних середньо- та високовуглецевих сталей може бути поступове перетворення залишкового аустеніту на мар­тенсит.

Процес зміцнення металу внаслідок виділення в ньому вторинних фаз називається дисперсійним старінням, або твердінням. Якщо старіння сталі відбувається після її тер­мообробки, його називають термічним.

Найбільш схильними до дисперсійного старіння є ни­зьковуглецеві сталі з умістом вуглецю 0,03...0,05%, а та­кож особливо киплячі сталі (розкислені тільки марганцем, що мають підвищений уміст розчинених газів (азоту, кис­ню тощо). З підвищенням умісту вуглецю схильність сталі до старіння зменшується.

Деякі сталі мають схильність до старіння в наклепаному стані (після вальцювання, гнуття та інших операцій холодної пластичної деформації) навіть після невеликих ступенів обтиснення. Це пояснюється прискоренням про­цесів розмежування компонентів твердого розчину, які при­зводять до утворення скупчень атомів розчиненого компо­нента (а потім і виділень) біля дислокацій. Цей процес не має безпосереднього зв'язку з діаграмою стану сплаву і називається деформаційним старінням.

Швидкість процесу зміцнення сталі залежить від її тем­ператури. За кімнатної температури максималь­ного зміцнення при старінні сталь може досягти за досить тривалий час – від десятків годин до багатьох місяців. Однак уже при температурі 50 °С для цього виста­чає кількох годин. Нагрівання ж сталі до температури 100...300°С веде до зменшення її твердості, тобто відбувається відпускання сталі.

Процес старіння сталі при кімнатній температурі на­зивається природним, а якщо він відбувається при нагрі­ванні до невисоких температур – штучним.

Природне старіння сталі – небажане явище. Окрихчений після тривалого вилежування автомобільний чи ко­тельний сталевий лист стає непридатним для виготовлення з нього виробів холодним штампуванням. Старіння – од­на з причин утворення кільцевих тріщин на трубах з низь­ковуглецевої сталі в місцях їх розвальцювання та гнуття.

Для відновлення пластичності сталі перед її холодною пластичною деформацією застосовують відпалювання. Для зберігання сталості розмірів та попередження короблення сталевих деталей під час експлуатації перед кін­цевими операціями обробки застосовують термообробку, яка також називається старінням і поділяється на при­родне та штучне.

Природне старіння здійснюється вилежуванням дета­лей на відкритому повітрі тривалістю не менше трьох мі­сяців. Штучне старіння полягає в нагріванні деталей до температури, яка не повинна бути більшою від температу­ри низького відпускання, тривалій витримці її при цій темпе­ратурі та повільному охолодженні до кімнатної темпера­тури. Найкраще старіння виконувати з нагріванням до тем­ператури 125...200°С в печі (чи масляній ванні) з витрим­кою до 8...15 год. (іноді до 25...30 год.) й охолодженням разом із піччю. Штучним старінням можна стабілізувати напруження в деталях і зберегти їхню високу твердість пі­сля гартування.

Деякі сталеві деталі під час експлуатації нагріваються і в них відбувається коагуляція фаз з відповідним знижен­ням міцності. Такі деталі піддають старінню для здо­буття рівня їхніх властивостей, що буде стабільним за умов експлуатації деталей. Таке старіння сталі називається стабілізацією.

У низьковідпущених сталях з підвищеним умістом ву­глецю протягом тривалого часу можуть продовжуватися процеси розпаду мартенситу та перетворення залишково­го аустеніту на мартенсит, що зумовлює зміну їхніх влас­тивостей. Як зазначено вище, негативний вплив залиш­кового аустеніту усувають обробкою сталі холодом. Стабі­лізацію мартенситу здійснюють за допомогою тривалого низького відпускання сталі. Температура стабілізації вуглеце­вої і низьколегованої сталей становить 120°С, тривалість нагрівання – 200 год.; температура стабілізації високолегованої сталі – 160°С, тривалість її нагрівання – до 500 год.

Під час відпускання сталі відбуваються деформація та змі­на розмірів деталей, пов'язані з появою внутрішніх на­пружень, що супроводжують фазові перетворення. Хоча деформація сталі під час її відпускання значно менша, ніж після гартування, вона може бути причиною появи браку.

Здебільшого відпускання сталевих виробів призначають перед виконанням заключних формозмінювальних операцій тех­нологічного процесу. Тому можливі незначні зміни гео­метричної форми сталевого виробу після відпускання можна усунути, передбачивши відповідні припуски на кінцеву йо­го обробку.

Суттєве короблення, а також тріщини можуть виник­нути внаслідок тривалої перерви між гартуванням і відпу­сканням сталі. Щоб запобігти цим дефектам, рекомендуєть­ся якомога більше скорочувати перерву.

Найпоширенішим видом браку при відпусканні сталі є невідповідність її твердості технічним умовам. Недостат­ня твердість відпущених сталевих деталей може бути зу­мовлена застосуванням зниженої температури гартуван­ня, внаслідок чого утворюється недостатньо легований мар­тенсит, або підвищеної температури відпускання. Цей дефект усувають відпалюванням сталі з наступними повторним її гарту­ванням і відпусканням відповідно до заданого режиму об­робки.

Причиною завищеної твердості сталі найчастіше бува­ють недостатня температура її відпускання чи недостатня три­валість витримки сталевих виробів у печі, коли процеси формування потрібних структури і властивостей не закін­чились. Виправити цей дефект можна повторним відпус­канням сталі при певній температурі.

Невідповідність твердості сталі технічним умовам та­кож усувається відпалюванням з наступним ЇЇ гартуванням і від­пусканням.

У деяких вуглецевих доевтектоїдній та легованій ста­лях після відпускання в інтервалі температур 250...400°С спо­стерігається зниження ударної в'язкості (відпускна крих­кість першого роду). її пов'язують з нерівномірністю пе­ретворення мартенситу відпускання. Внаслідок прискореного перебігу цього процесу поблизу границь зерен створюється підвищена концентрація напружень. Ці місця стають крих­кими. Повторне відпускання сталі при тій самій температурі не усуває крихкість, тому її називають необоротною. У цьому разі підвищити ударну в'язкість сталі можна тільки повтор­ним її відпусканням при температурі понад 400°С.

Найважливішою умовою, що попереджує появу браку під час відпускання сталі, є суворе дотримання режимних па­раметрів її обробки.