Исследование структуры углеродистой стали после различных видов термической обработки

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

В данной работе проводиться исследование различных видов термической обработки на структуру и свойства углеродистой стали 45. Был проведен фазовый и структурный анализ диаграммы состояния «железо-углерод», определены основные фазы и структуры. Исследование заключалось в изучении микроструктуры стали после неполной и полной закалок при разных температурах с охлаждением в различных средах: вода, масло, воздух. Изучение структуры также проходило после низкого, среднего и высокого отпуска. Проведены механические испытания на твердость по методу Роквелла после всех видов обработки по разным шкалам прибора. Была выявлена зависимость структуры стали от температуры нагрева и скорости охлаждения.

Полный текст

В данной работе исследовалась структуры углеродистой стали 45 после различных видов термической обработки. Углеродистая сталь – это сплав железа с углеродом, при содержании углерода до 2,14%.  Сталь 45 – это конструкционная углеродистая качественная сталь. Химический состав стали 45 приведен в таблице 1.

Основными фазами в сталях является: аустенит – твердый раствор внедрения углерода в γ-железе, с гране-центрированной кубической кристаллической решеткой, феррит – твердый раствор внедрения углерода в α-железе, с объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой. Таким образом, в стали происходит полиморфное превращение – это изменение типа кристаллической решетки в одном и том же металле.

 

Таблица 1

Химический состав стали 45 по элементам в %

С

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

Cu

As

Fe

0,42 - 0,5

0,17 - 0,37

0,5 - 0,8

до 0,25

до 0,04

до 0,035

до 0,25

до 0,25

до 0,08

~97

 

Рис. 1. Структура стали 45 в равновесном состоянии

 

Рис. 2. Диаграмма состояния «железо-углерод»

 

В структуре стали также присутствуют перлит – это механическая смесь твердого раствора феррита и химического соединения цементита и цементит – химическое соединение, соответствующее формуле Fe3C. По структуре стали бывают доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные [1]. Cталь 45 является доэвтектоидной и ее структура представляет собой – феррит и перлит (рис.1).

Структура стали 45 в равновесном состоянии соответствует диаграмме состояния «железо-углерод», которая графически описывает все фазовые и структурные превращения в сталях (рис.2).

После оценки структуры в равновесном состоянии образцы стали 45 были подвергнуты различным режимам термической обработки.  Термическая обработка – это эффективный метод теплового воздействия по заданным режимам с целью изменения в желаемом направлении механических, физических свойств и структуры сплавов. Для сталей проводят следующие виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка с полиморфным превращение и отпуск [2].

Так как в стали происходит структурное превращение, то режимы термической обработки зависят от температур этих превращений, которые называются критическими точками и соответствуют  линии PSK – критическая точка Ас1 и линия GSE -  критическая точка Ас3.

Отжиг – термическая обработка, направленная на получения в стали равновесной структуры, может быть полный или не полный, заключается в нагреве стали выше критических точек Ас1 и Ас3 и последующем медленном охлаждении.

Диффузионный отжиг (гомогенизация) – устраняет химическую ликвацию по объему кристалла в крупных отливках.

Рекристаллизационный отжиг – снимает наклеп и внутренние напряжения в стали после холодной обработки давлением, что приводит к снижению твердости и росту пластичности.

Нормализация – это нагрев стали выше критической точки Ас3 и охлаждение на спокойном воздухе.

Закалка с полиморфным превращением – упрочняющая операция, заключается в нагреве выше критических точек Ас1 и Ас3.

Отпуск – операция, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температур ниже критической Ас1.

 

Рис. 3. Структура стали после нагрева последующего охлаждения в воде:а – структура перлит и феррит; б – структура мартенсит и феррит;в – структура мартенсит

 

Рис. 4. Диаграмма изотермического распада аустенита

 

Для исследования влияния термообработки на структуру стали выбрали три температуры нагрева: 700°С, 750°С, 850°С. В качестве охлаждающей среды использовали вода, масло и воздух.

При нагрев стали до 700 °С не превышает температуры критической точки Ас1, следовательно ни каких структурных превращений не происходит и структура остается исходной – перлит и феррит. При нагреве выше температуры 750 °С происходит не большой перенагрев выше критической точки Ас1, что соответствует не полной закалке стали, структура стали представляет собой мартенсит и феррит. Нагрев до 850 °С превышает температуру точки Ас3 – получается полная закалка, что соответствует структуре мартенсита. Для закалки стали использовали электрические печи типа СНОЛ 12/16. Охлаждение во всех случаях проходило в воде.

Микроструктурное исследование стали проходило в лабораториях кафедры «Технологии металлов и авиационного материаловедения» Самарского университета на металлографическом микроскопе МЕТАМ РВ34. Структура стали после закалки с различных температур и охлаждением в воде представлена на рисунке 3.

Структуры, получаемые при термической обработке, зависят от скорости распада аустенита. Скорость охлаждения зависит от структуры, которую необходимо получить при распаде аустенита, и обеспечивается подбором соответствующих охладителей: вода, минеральное масло, воздух, печь. Кинетика процесса, свойства и строение продуктов распада аустенита тесно связаны со степенью переохлаждения ниже Ас1 и Ас3; степенью устойчивости переохлажденного аустенита и разностью его более высокой свободной энергии и энергии продуктов распада. Указанную зависимость представляют в виде диаграммы изотермического превращения аустенита данной стали – С-образная кривая (рис. 4).

Диаграмма изотермического распада позволяет проследить превращение переохлажденного аустенита в интервале температур от критической точки Ас1 до температуры начала мартенситного Мн, а также его превращение при непрерывном охлаждении с большими скоростями в интервале температур Мнк [3].

В верхнем интервале температур продуктом изотермического превращения аустенита при температуре 720–657 ºС является – перлит, при 657–600 ºС – сорбит, при 600–550 ºС – тростит (при охлаждении в масле). При критической скорости охлаждения (касательная к первой С-образной кривой), образуется структура мартенсита ( при охлаждении в воде).

Для снятия напряжений посла закалки стали для повышения вязкости и пластичности проводят отпуск. При отпуске протекают процессы, приводящие сталь в равновесное состояние, что будет достигается выделением углерода из мартенсита и остаточного аустенита. Данный процесс делится на 3 стадии:

- первая стадия распада при отпуске заключается в выделении углерода из мартенсита, по этому на ряду с твердым раствором исходной концентрации по углероду, в котором не произошло выделения карбидов, появляется мартенсит, содержащий значительно меньше углерода (0,25-0,35%), поэтому эта стадия распада называется двухфазной;

- на второй стадии отпуска основным процессом является распад остаточного аустенита. Он в основных чертах аналогичен бейнитному превращению. Но в данном случае продуктом распада остаточного аустенита является смесь, состоящая из пересыщенного α-твердого раствора и карбидной фазы;

-  к началу третьего превращения фазовый состав состоит из отпущенного малоуглеродистого мартенсита и пластинок цементита. При третьем превращении происходит полный дораспад мартенсита (содержание углерода в нем становится равным 0,01 %, т.е. равным содержанию углерода в равновесном феррите) и подрастание (коагуляция) цементитных пластин, благодаря чему уменьшаются внутренние напряжения.

Отпуск закаленной стали проходил при трех температурах: 200 °С, 400 °С, 600 °С, которые соответствуют низкому, среднему и высокому отпуску. Структуры стали после отпуска представлены на рисунке 5.

Увеличение скорости нагрева при отпуске смещает температуру начала всех превращений вверх по температурной шкале, что связано с тем, что превращения при отпуске – диффузионные и при очень быстром нагреве не успевают пройти до конца. Отпуск при 350–500 °С приводит к образованию структуры троостита, а при 500–600 °С – структуру сорбита.

Свойства стали после различных видов термической обработки, характеризуются показателями твердости. Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела – индентора.

 

Рис. 5. Структура стали после отпуска: а – низкий отпуск – мартенсит;б – средний отпуск – тростит; в – высокий отпуск – сорбит

 

Таблица 2

Твердость стали 45 после различных видов термической обработки

Вид термо-
обработки

№ образца

Температура, °С

Охлаждающая
среда

Твёрдость

По Роквеллу

По Бринеллю

закалка

1

700

Вода

HRB 86

НВ 170

2

750

Вода

HRC 54

НВ 532

3

850

Вода

HRC 60

НВ 600

4

850

Масло

HRC 43

НВ 367

5

850

Воздух

HRB 88

НВ 179

отпуск

1

200

Вода

HRC 56

НВ 587

2

400

Вода

HRC 38

НВ 380

3

600

Вода

HRC 25

НВ 248

 

В зависимости от вида индентора используют различные способы замера твердости: Бринелль, Роквелл, Виккерс [2]. В наших исследованиях применялся замер твердости по Роквеллу. Измерения твердости также проходили в лабораториях самарского университета на приборе твердомер стационарный NOVOTEST ТС-БР. Для замера твердости использовали две шкалы:  В – индентор стальной закаленный шарик, С – индентор алмазный конус. Значения твердости после разных видов термической обработки представлены в таблице 2.

Заключение

Таким образом, по проделанной работе можно сделать следующие выводы, что структура  и свойства стали после термической обработки зависит, от следующих параметров:

- время нагрева и выдержки;

- максимальная температура нагрева;

- скорость охлаждения.

Соответственно, чем выше температура закалки стали и выше скорость охлаждения, тем выше твердость. Наибольшая твердость получается при максимальной температуре нагрева и критической скорости закалки, что соответствует игольчатой структуре – мартенсит. Нагрев  при отпуске способствует изменению пластических свойств закаленной стали, чем выше температура отпуска, тем ниже твердость, выше вязкость и пластичность.

Рекомендуемыми режимами термической обработки, при которых наблюдается  оптимальное сочетание прочностных и пластических свойств – полная закалка, с последующим высоким отпуском. Такая последовательность термических обработок  называется улучшение, а  структура стали – сорбит.

×

Об авторах

Юлия Владиславовна Финошина

Самарский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: finoshina2001@bk.ru

студент I курса института ракетно-космической техники

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Анна Викторовна Кириллова

Самарский университет

Email: avkirillova76@mail.ru

старший преподаватель кафедры технологии металлов и авиационного материаловедения Самарского университета

Россия, 443086, Россия, г. Самара, Московское шоссе, 34

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис. 1. Структура стали 45 в равновесном состоянии

Скачать (12KB)
3. Рис. 2. Диаграмма состояния «железо-углерод»

Скачать (57KB)
4. Рис. 3. Структура стали после нагрева последующего охлаждения в воде:а – структура перлит и феррит; б – структура мартенсит и феррит;в – структура мартенсит

Скачать (39KB)
5. Рис. 4. Диаграмма изотермического распада аустенита

Скачать (27KB)
6. Рис. 5. Структура стали после отпуска: а – низкий отпуск – мартенсит;б – средний отпуск – тростит; в – высокий отпуск – сорбит

Скачать (40KB)

© Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета, 2020

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 International License.

Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета

Сетевое издание, журнал

ISSN 2782-2982 (Online)

Учредитель и издатель сетевого издания, журнала: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева» (Самарский университет), Московское шоссе, 34, 443086,  Самарская область, г. Самара, Российская Федерация.

Сетевое издание зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций, регистрационный номер ЭЛ № ФС 77-86495 от 29.12.2023

Выписка из реестра зарегистрированных СМИ

Устав сетевого издания

Главный редактор: Андрей Брониславович Прокофьев, доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой теории двигателей летательных аппаратов

2 выпуска в год

0+. Цена свободная. 

Адрес редакции: 443011, Самарская область, г. Самара, ул. Академика Павлова, д. 1, Совет молодых учёных и специалистов, каб. 513 корпуса 22 а.

Адрес для корреспонденции: 443086, Самарская область, г. Самара, Московское шоссе, 34, Самарский национальный исследовательский университет (Самарский университет), 22а корпус, каб. 513.

Тел: (846) 334-54-43

e-mail: smuissu@ssau.ru

Доменное имя: VMUIS.RU (справка о принадлежности домена)электронный адрес в сети Интернет:  https://vmuis.ru/smus.

Прежнее свидетельство – периодическое печатное издание, журнал «Вестник молодых учёных и специалистов Самарского университета», зарегистрировано Управлением Федеральной службы по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций по Самарской области, регистрационный номер серии ПИ № ТУ63-00921 от 27 декабря 2017 г.

© Самарский университет

 

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах