Отжиг и нормализация стали

5.1 Цель работы

Освоить основные операции термической обработки, изучить суще­ствующие разновидности отжига, уяснить их назначение, а также иссле­довать структуру и свойства стали, получаемые в результате отжига. Выяснить сущность нормализации и ее назначение; исследовать структу­ру и свойства стали после нормализации. Сравнить структуры и свойст­ва сталей после отжига и нормализации.

5.2 Описание лабораторной работы

В зависимости от требований, которые предъявляются к структуре и свойствам деталей, они могут подвергаться следующим видам терми­ческой обработки: отжигу, нормализации, закалке и отпуску.

Основная задача отжига - получение состояния и структуры сплава близких к равновесному. Отсюда следует, что для выполнения этой опе­рации необходимо нагреть сталь в аустенитную область, выдержать при этой температуре до установления равновесного состояния и затем мед­ленно охладить до комнатной температуры. Очевидно, что в этих усло­виях превращения в стали будут протекать в соответствии с диаграммой состояния Fе-Fе₃С и, следовательно, полученная структура будет соответствовать равновесному состоянию. В равновесном состоянии, как из­вестно, доэвтектоидная сталь имеет структуру пердит+феррит, заэвтектоидная - перлит+цементит, а эвтектоидная сталь имеет перлитную структуру.

При выполнении отжига в производственных условиях охлаждение из аустенитного состояния производят обычно со скоростью 50100 ^оС/час- углеродистые стали и со скоростью 2060 ^оС/час - легированные ста­ли.

Отжиг производится с целью: снижения твердости и улучшения об­рабатываемости, исправления структуры и подготовки ее к последующей обработке, снятия внутренних напряжений и др.

В зависимости от исходного состояния стали, ее химического сос­тава, требований к конечному состоянию и температуры нагрева разли­чают следующие виды отжига:

Полный отжиг - нагрев на 2040 °С выше точки Ас₃, выдержка при этой температуре и затем медленное охлаждение (в печи) до 400500 °С; после этого детали охлаждают на воздухе.

Применяется полный отжиг для доэвтектоидных сталей после их го­рячей пластической деформации (ковки и прокатки), а также для отли­вок.

Неполный отжиг - нагрев на 20 40 °С выше точки Ас₁, но ниже Ас₃ или Ас_m, выдержка при этой температуре и медленное охлаждение с печью.

При неполном отжиге происходит частичная перекристаллизация ста­ли, поэтому полностью "исправить" структуру в этом случае не пред­ставляется возможным.

Применяется этот вид отжига обычно с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости.

Разновидностью неполного отжига является смягчающий (сфероидизи-рующий) отжиг эвтектоидной и заэвтектоидной сталей (отжиг на зернистый перлит).

Смягчающий (сфероидизирующий) отжиг заключается в нагреве высоко­углеродистой стали на 2030 С выше точки Ас₁, выдержка при этой тем­пературе, после чего следует весьма медленное охлаждение стали до 680 °С с выдержкой при этой температуре в течение 4-5 часов; далее следует охлаждение на воздухе. В результате такого отжига получается структура зернистого перлита.

Иногда для более полной сфероидизации нагрев и охлаждение повто­ряют несколько раз (маятниковый режим).

После сфероидизирующего отжига заэвтектоидная сталь обладает: более низкой твердостью, лучшей обрабатываемостью и более высокой вязкостью в закаленном состоянии.

Диффузионный отжиг заключается в нагреве стали до температур 0,80,9 Т_пл (обычно 11001200 °С), выдержке при этой температуре в течение 10-15 часов с последующим охлаждением с печью.

Этот вид отжига применяется, главным образом, для крупных слит­ков и отливок из легированных сталей с целью устранения неоднороднос­ти по химическому составу, обусловленной дендритной ликвацией.

В результате такого отжига улучшается макроструктура, но ухудша­ется микроструктура стали. Поэтому в дальнейшем после такого отжига обычно производят полный отжиг или нормализацию.

Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве холодно деформи­рованной стали до температур, лежащих выше Т_р0,4 Т_пл, но ниже Ас₁ (обычно 650700 °С) с последующей выдержкой и дальнейшем медленным охлаждением до комнатной температуры.

Нормализация - операция, заключающаяся в нагреве стали выше Ас₃ или Ас_m на 3050 °С, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе. Скорость охлаждения при этом состав­ляет примерно 150250 °С/час; это обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита по сравнению с охлаждением его при отжиге и по этой причине в этом случае образуется более дисперсный перлит, об­ладающий повышенной твердостью.

В зависимости от соотношения количества феррита и перлита в ста­ли степень изменения ее твердости в результате нормализации будет различной. В малоуглеродистых сталях, содержащих  0,3 %С объемная доля перлита в структуре невелика, поэтому повышение степени дисперс­ности его в результате нормализации не вызывает существенного повыше­ния твердости стали.

Таким образом, для малоуглеродистых сталей, содержащих  0,3 % С, отжиг и нормализация оказываются практически равноценными операциями.

В средне и высокоуглеродистых сталях степень повышения твердости в результате нормализации оказывается более значительной, поэтому эта операция может применяться с целью упрочнения таких сталей (поковок и отливок).

Для заэвтектоидных сталей нормализация чаще всего используется с целью устранения цементной сетки. Нагрев в этом случае, как указы­валось выше, производится до температур, превышающих точку Ас_m на 2040 °С. Для этих сталей нормализация является операцией, предшест­вующей сфероидизирующему отжигу.

В настоящей работе необходимо провести сравнительное исследова­ние влияния отжига и нормализации на микроструктуру и механические свойства (твердость) малоуглеродистой, среднеуглеродистой сталей.

5.3 Методическая разработка занятия

Для выполнения работы берутся 3 пары образцов, различающихся между собой содержанием углерода. Рекомендуемые размеры образцов: d = 12-15 мм, h = 17 мм (или 15х15х15 мм). Работа выполняется в сле­дующем порядке:

5.3.1 На одном образце от каждой стали приготавливаются шлифы для металлографического определения содержания углерода.

5.3.2 По диаграмме Fе-Fе₃С приближенно оцениваются критические точки для каждой марки стали (Ас₁, Ас₃ и Ас_m ).

5.3.3 Определяется температура нагрева под отжиг и нормализацию t_от ⁼ Ас₃⁺ (3050 ⁰C).

5.3.4 Каждая пара образцов из одной и той же стали нагревается в отдельной печи до необходимой температуры. Выдержка дается из расчета 1,5 мин на мм диаметра или толщины.

5.3.5 После полного прогрева образцов по одному из них извлека­ют из печи и дают возможность охлаждаться на спокойном воздухе (нор­мализация).

5.3.6 Оставшиеся в печах образцы охлаждаются до 650 °С вместе с включенной печью (отжиг).

5.3.7 После обработки изучается микроструктура и измеряется твердость всех образцов.

5.3.8 Результаты исследований представлены в виде таблицы.

Таблица 5.1 -

Марка стали	Температура нагрева	Условия охлаждения	Наименование операции	Твердость			Микрострук-тура
				HRB	HB

5.3.9 Провести сравнительный анализ результатов исследования.

5.4 Содержание отчета