Загартування вуглецевих сталей

Загартування вуглецевих сталей

Мета роботи:

1. Вивчити теоретичні основи вибору температури гарту вуглецевих сталей.

2. Вивчити вплив середовища охолодження (швидкості охолодження) на твердість сталі при загартуванню.

3. Встановити вплив вмісту вуглецю в стали на результати гарту.

Загальні положення: 

Мета будь-якого процесу термічної обробки полягає в тому, щоб нагріванням до певної температури, витримкою і наступним охолодженням з певною швидкістю викликати бажану зміну структури металу або сплаву і, відповідно, зміна властивостей. Отже, основними факторами впливу при термічній обробці є температура, час витримки і швидкість подальшого охолодження. 

У практиці машинобудування розрізняють первинну і вторинну термічну обробки. Призначення первинної термічної обробки полягає в підготовці структури до наступних операцій механічної та остаточної термічної обробки. До цього виду обробки відносяться різні види відпалу і нормалізації. Призначення вторинної (остаточної) обробки - отримання необхідних експлуатаційних властивостей деталей і виробів. До остаточної термічній обробці відносяться гарт і відпустку. 

Мета гарту конструкційних і інструментальних сталей - досягнення високої міцності і високої твердості. Сутність гарту полягає в отриманні пересичені твердого розчину. Пересичення твердого розчину викликає спотворення кристалічної решітки, які призводять до великих напруженням і появи дислокацій, що компенсують ці спотворення. Великі напруги і висока щільність дислокацій ускладнюють пластичну деформацію і підвищують міцність і твердість сталі. 

Загартування застосовна до сплавів, в яких можуть утворюватися обмежені тверді розчини. При нагріванні таких сплавів збільшується розчинність компонентів. Якщо охолоджувати сплав з великою швидкістю, не залишаючи часу на дифузію, то в процесі охолодження виділення надлишкових атомів розчиненого компонента не відбудеться. Тоді при кімнатних температурах зафіксується пересичений твердий розчин. Ще більше пересичення може бути отримано в сплавах, які відчувають поліморфні перетворення при нагріванні і охолодженні. Найбільший ефект при загартуванню спостерігається в залізо-вуглецевих сплавах - сталях. Аустеніт (твердий розчин вуглецю в γ-залозі) може розчинити вуглецю в сотні разів більше, ніж ферит (твердий розчин вуглецю в α-залізі). Тому, якщо нагрівати сталь до температур перебудови решітки і охолоджувати, не даючи вуглецю можливості виділятися з аустеніту, то при зворотному перебудові решітки виникає дуже велике перенасичення заліза вуглецем. Таке пересичення викликає значну зміну властивостей. 

Швидкість охолодження, при якій вуглець не встигає виділятися з твердого розчину, називається критичною швидкістю охолодження. Вона може бути визначена по діаграмі ізотермічного перетворення переохолодженого аустеніту для кожної стали. Геометрично це дотична до кривої початку перетворення аустеніту в ферито-карбідну суміш. 

На рис. 1 представлена діаграма ізотермічного перетворення (або С-образна діаграма) для сталі з 0,8% вуглецю. 

Для вуглецевих сталей час до початку розпаду аустеніту дуже мало (τінк = 0,5÷1,0 с), і критична швидкість досягається тільки при охолодженні у воді або у водних розчинах солей. 

При дуже малій швидкості охолодження (V1) аустеніт буде перетворюватися в перліт (груба суміш кристалів фериту і цементиту). Зі збільшенням швидкості охолодження (V2 і V3) число центрів зародження фериту і цементиту збільшується і розміри кристалів цих фаз зменшуються. Більш дисперсні (дрібнозернисті) структури - сорбіт, троостит - мають більш високу твердість, ніж перліт. При швидкості охолодження більше Vкр перетворення аустеніту в суміш фериту і цементиту статися не може, так як швидкість дифузії вуглецю при температурах нижче 200 ° С дуже мала.