Study of the carbon steel structure after different types of heat treatment

Full Text

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 А_с1 и линия GSE -  критическая точка А_с3.

Отжиг – термическая обработка, направленная на получения в стали равновесной структуры, может быть полный или не полный, заключается в нагреве стали выше критических точек А_с1 и А_с3 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 А_с3 и охлаждение на спокойном воздухе.

Закалка с полиморфным превращением – упрочняющая операция, заключается в нагреве выше критических точек А_с1 и А_с3.

Отпуск – операция, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температур ниже критической А_с1.

 

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 А_с1, 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 А_с1, что соответствует не полной закалке стали, структура стали представляет собой мартенсит и феррит. Нагрев до 850 °С превышает температуру точки А_с3 – 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 А_с1 и А_с3; 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 А_с1 до температуры начала мартенситного М_н, а также его превращение при непрерывном охлаждении с большими скоростями в интервале температур М_н-М_к [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.

About the authors

Yuliya Vladislavovna Finoshina

Samara University

Author for correspondence.
Email: finoshina2001@bk.ru

student I course of the Institute of Space Rocket Engineering

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Anna Viktorovna Kirillova

Samara University

Email: avkirillova76@mail.ru

senior lecturer of the Department of metal technology and aviation materials of the Samara University

Russian Federation, 443086, Russia, Samara, Moskovskoye Shosse, 34

Supplementary files