1. Цель лабораторной работы

Целью лабораторной работы является:

• изучение разновидностей термической обработки углеродистых сталей с фазовой перекристаллизацией;

• установление влияния скорости охлаждения при термической обработке углеродистых сталей с фазовой перекристаллизацией с содержанием углерода 0,45 и 0,8 % на их твердость;

• определение влияния углерода на твердость стали после отжига, нормализации, одинарной обработки и закалки.

2. Задачи лабораторной работы

Задачами лабораторной работы являются:

• приобретение умений и навыков эксплуатации термического оборудования и приборов контроля температуры;

• получение навыков выбора температурного режима при термической обработке углеродистых сталей с фазовой перекристаллизацией;

• дальнейшее закрепление, углубление и расширение знаний студентов в области теории термической обработки углеродистых сталей;

• выработка способностей осмысления самостоятельно полученных данных при выполнении экспериментальной части лабораторной работы.

3. Теоретическая часть

Углеродистые стали являются дешевыми и технологичными конструкционными материалами. Помимо железа и углерода, они содержат некоторое количество примесей. Однако именно углерод оказывает решающее влияние на структуру и свойства сталей. Кроме того, структурой и свойствами сталей можно управлять при помощи термической обработки. Возможность термической обработки сталей основана на фазовой перекристаллизации, связанной с полиморфизмом железа, а также с различной растворимостью углерода в α-, γ-железе.

Под фазовой перекристаллизацией понимают разнообразные фазовые превращения (полиморфные, эвтектоидные, перетектоидные, растворение одной фазы в другой при нагреве и выделение при охлаждении), протекающие в твердом состоянии.

В соответствии с диаграммой состояния сплавов системы Fe-Fe₃C в сталях в равновесном состоянии присутствует две фазы: феррит – твердый раствор внедрения углерода в железе с ОЦК решеткой и цементит – химическое соединение железа Fe₃C.

Всё разнообразие процессов термической обработки сталей с фазовой перекристаллизацией основано на влиянии скорости охлаждения на механизм и кинетику превращения аустенита, рассмотрим это на примере эвтектоидной стали, содержащей 0,8 % углерода.

1. Влияние степени переохлаждения на параметры фазовой перекристаллизации

Одним из основных превращений, протекающих во время охлаждения – это эвтектоидный распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Для прохождения этого превращения необходимо выполнение двух условий:

1. наличие термодинамической движущей силы превращения;

2. высокой диффузионной подвижности атомов.

Термодинамической движущей силой превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь является выигрыш в свободной энергии в результате перехода стали в термодинамически более устойчивое состояние.

Как видно из рисунка 1, при температуре А₁ распад аустенита на ферритно-цементитную смесь не происходит, поскольку свободные энергии этих фаз равны.

Рис. 1. Изменение свободных энергий (F) аустенита (А) и ферритно- цементитной смеси в зависимости от степени переохлаждения (ΔТ)

Превращение может происходить только при некоторой степени переохлаждения ΔТ, когда свободная энергия ферритно-цементитной смеси будет меньше свободной энергии аустенита на величину ΔF. Разницу в уровнях свободной энергии называют термодинамической движущей силой превращения. Чем больше степень переохлаждения, которая определяется скоростью охлаждения, тем выше движущая сила превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь и тем быстрее должен происходить процесс распада аустенита.

Однако, картина превращения осложняется тем, что для его протекания необходимо развитие диффузии, поскольку продукты распада имеют состав, отличный от состава аустенита: из аустенита с 0,8%С должно образоваться почти чистое α-железо и цементит, в котором содержится 6,67% углерода. Процесс развивается таким образом, что сначала из аустенита выделяется цементит:

А_0,8С → Ц_6,67%С + А_0,025%С,

а затем обедненный углеродом аустенит претерпевает полиморфное превращение

А_0,025%С →Ф_0,025%С.

При понижении температуры превращения диффузионные процессы замедляются, что затрудняет процесс распада аустенита на ферритно-цементитную смесь.

Учет обоих факторов приводит к тому, что в начале скорость распада аустенита на ферритно-цементитную смесь увеличивается, а затем уменьшается.