Упрочнение углеродистой конструкционной стали 25 химико-термической обработкой

Упрочнение углеродистой конструкционной стали 25 химико-термической обработкой

Министерство образования и науки Российской Федерации

Тверской государственный технический университет

Кафедра технологии металлов и материаловедения

Пояснительная записка к курсовой работе

Упрочнение углеродистой конструкционной стали 25 химико-термической обработкой

Выполнил: Сидоров Д.О.

студент группы ЭТК-1405

Проверил: доцент Афанасьева Л.Е.

Тверь 2015

Содержание

Введение

. Расшифровка марки стали 25, температуры критических точек, химический состав, механические свойства и назначение стали

. Диаграмма состояния Fe-Fe3C

. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали

. Химико-термическая обработка стали

. График химико-термической обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали

. Структура стали после химико-термической обработки

Выводы по работе

Список литературы

Введение

Материаловедение изучает закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, и является одной из основных дисциплин, определяющих подготовки инженеров-машиностроителей.

Несмотря на все более широкое использование неметаллических материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом. В последнее время широкое применение нашли композиционные материалы на основе металлов, полимеров и керамики.

Теория термической обработки является частью металловедения. Главное в металловедении это учение о связи между строением и технически важными свойствами металлов и сплавов. При нагреве их охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливаем изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его повеление при обработке и эксплуатации

. Расшифровка марки стали 25, температуры критических точек, химический состав, механические свойства и назначение стали

Сталь 25 - сталь конструкционная, углеродистая, качественная, содержит 0,25% углерода. Заменители: сталь 20, сталь 30.

Таблица 1. Температура критических точек материала 25.

Таблица 2. Химический состав в % материала 25

Таблица 3. Механические свойства при повышении температуры.

Таблица 4. Технологические свойства

Использование в промышленности: оси, валы, соединительные муфты, собачки, рычаги, вилки, шайбы, валики, болты, фланцы, тройники, крепежные детали и другие неответственные детали; после ХТО - винты, втулки, собачки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и износостойкости при невысокой прочности сердцевины.

2. Диаграмма состояния Fe-Fe3C

Рис. 1. Диаграмма состояния системы железо-цементит

. Структурные превращения при нагреве и охлаждении стали

Превращения в стали при нагреве

Термическая обработка стали состоит в нагреве до определенной температуры, выдержке и охлаждении с определенной скоростью.

При кажущейся простоте этих операций в процессе их выполнения в стали протекают сложные процессы, которые и определяют свойства после термической обработки. Линия А1 (7270) показывает начало образования аустенита при нагреве, линия А3 - окончание образования аустенита, линия Аст - окончание растворения цементита в аустените.

После медленного охлаждения, а диаграмма и построена при медленном охлаждении, структуры стали в зависимости от содержания углерода будут различными.

Таблица 5. Структура стали в зависимости от содержания углерода

Рассмотрим процессы, происходящие при нагреве эвтектоидной стали. При нагреве стали выше А1 перлит превращается в аустенит. Этот процесс протекает в 2 этапе.

. Кристаллическая решетка феррита (ОЦК) перестраивается в решетку аустенита (ГЦК)

. Цементит растворяется в аустените

Первый этап протекает достаточно быстро. Второй требует определенного времени (на диффузию атомов углерода из Fe3C в аустенит). Время это тем меньше, чем больше разница между А1 и фактической температурой нагрева.

Например при 7400 П → А за 8 мин., при 7800 за 2 минуты.

Продолжительность этого этапа зависит и от размера частиц цементита - чем они меньше, тем быстрее они растворяются в аустените.

Процесс 3 превращения перлита в аустенит протекает путем зарождения в перлите многочисленных зерен аустенита и последующего их роста. Процесс заканчивается, когда зерна аустенита полностью заполняют объем исходного перлитного зерна (см.рис.4). Размер образовавшихся аустенитных зерен (начальное зерно аустенита) будет намного меньше исходного перлитного зерна.

При дальнейшем повышении температуры зерна аустенита растут путем перемещения границ, а число зерен естественно уменьшается.

Склонность к росту зерна аустенита при нагреве у разных сталей различна. Если сталь содержит в своем составе только Si и Mn, то зерно начинает расти уже при сравнительно невысоких температурах 800 - 9000.

Размер зерен аустенита существенно влияет на размер зерен, которые получаются при охлаждении. Поэтому всегда стремятся, чтобы зерно аустенита при нагреве не успело вырасти.

Сильный рост зерна аустенита при нагреве называется перегревом стали. Перегрев можно исправить последующей правильной термообработкой.

Если сталь нагревать еще выше, то по границам зерен происходит окисление металла и сталь теряет механическую прочность. Это явление называют пережогом. Пережог - брак неисправимый.

Длительные выдержки при высоких температурах снижают содержание углерода на поверхности стали вплоть до образования чистого феррита. Это явление называют обезуглероживанием. Оно крайне нежелательно, так как снижает твердость, износоустойчивость, усталостную прочность. Для предотвращения обезуглероживания используют нагрев в защитных атмосферах (СО, N, инертные газы).

Почему растет зерно аустенита при нагреве?

Каждое зерно обладает определенной поверхностной энергией. Чем больше зерно, тем меньше поверхностная энергия, приходящаяся на единицу объема зерна. Следовательно, рост зерна сопровождается уменьшением энергии, а всякое тело стремится к уменьшению энергии.

Почему зерно в сталях не растет при низких температурах?

Рост зерна процесс диффузионный, а скорость диффузии резко возрастает при повышении температуры. Поэтому и рост зерна происходит только при высоких температурах, когда диффузионные процессы протекают быстро.

Превращение в стали при медленном охлаждении

При понижении температуры ниже А1 происходит распад аустенита на феррит и цементит.

Этот процесс идет по-разному в доэвтектойдных, эвтектойдных и заэвтектойдных сталях, но сущность его одна

А→Ф+Ц

Рис. 2. График термической обработки

Процесс распада аустенита на феррит и цементит носит диффузионный характер, так как сопровождается перемещением атомов углерода на сравнительно большие расстояния. Естественно, для этого требуется определенное время, и дисперсность продуктов распада будет зависеть от степени переохлаждения или скорости охлаждения.

Рассмотрим процесс распада аустенита на примере эвтектойдной стали. Это превращение состоит из трех этапов:

. Перегруппировка атомов из решетки аустенита (ГЦК) в решетку феррита (ОЦК);

. Выделение мельчайших частичек цементита;

. Рост частиц цементита пластинчатой формы в феррите

Таким образом, при медленном охлаждении эвтектойдной стали формируется структура пластинчатого перлита. Увеличение скорости охлаждения приводит к понижению критических точек по сравнению с равновесной диаграммой - распад аустенита будет происходить не при температуре 7270, а несколько ниже. При этом скорость диффузии уменьшается, частички цементита не успевают вырасти, твердость повышается. Структуры с более мелкими частичками цементита (по сравнению с цементитом перлита) называются сорбитом и троститом. Условия образования продуктов распада аустенита и их свойства условно можно представить в следующем виде.

Таблица 6. Условия образования продуктов распада аустенита и их свойства

Таким образом, при сравнительно медленных скоростях охлаждения формируются структуры перлита, сорбита и тростита, состоящие из феррита и цементита, которые различаются только размером частичек цементита и твердостью.

В доэвтектоидных и заэвтектоидных сталях распад аустенита протекает аналогично с той лишь разницей, что до начала образования перлита выделяется избыточный феррит или цементит соответственно.

. Химико-термическая обработка стали

Химико-термическая обработка (ХТО) стали - совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах.

Поверхностное насыщение стали металлами (хром, алюминий, кремний и др.), образующими с железом твердые растворы замещения, более энергоемко и длительнее, чем насыщение азотом и углеродом, образующими с железом твердые растворы внедрения. При этом диффузия элементов легче протекает в решетке альфа-железо, чем в более плотноупакованной решетке гамма-железо.

Химико-термическая обработка повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность.

Цементация стали - химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900-950°С - твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850-900°С - газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей закалкой и отпуском. Цель цементации и последующей термической обработки - повышение твердости, износостойкости, также повышением пределов контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает выносливость изделия в целом при изгибе и кручении.

Превращение в стали при закалке

Закалка - термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение со скоростью больше критической.

Если скорость охлаждения аустенита настолько велика, что даже мельчайшие частицы цементита не успевают выделяться, получается принципиально новый тип структуры - мартенсит.

А→М

В этом случае происходит только перестройка решетки ГЦК в решетку ОЦК. Весь углерод остается в решетке aFe и искажает ее. Решетка становится не кубической, а тетрагональной (см. рис. 5). Степень искаженности решетки мартенсита зависит от содержания в ней углерода. Чем больше углерода, тем больше искажения решетки и выше твердость. Например, в стали У8 твердость мартенсита около 60НRC (600НВ).

Мартенсит - пересыщенный, переохлажденный твердый раствор углерода в aFe.

Мартенситное превращение от других фазовых превращений отличается рядом особенностей.

. Мартенсит имеет характерное игольчатое строение. Размер игл (кристаллов) определяется размером исходного аустенитного зерна (первые иглы мартенсита проходят через все зерно). Поэтому, чем мельче исходное зерно аустенита, тем мельче кристаллы мартенсита и выше свойства.

. Мартенсит образуется бездиффузионным путем за счет сдвига решеток. Игла мартенсита растет практически мгновенно со скоростью распространения звука в упругой среде (7000 м/сек). Состав исходной фазы (А) и конечной фазы (М) одинаков.

. Образование мартенсита сопровождается некоторым увеличением объема, что приводит к возникновению значительных внутренних напряжений, которые могут привести к деформациям и трещинам.

. Образование мартенсита происходит не при одной какой-то температуре, а в интервале температур (Мн - температура начала образования мартенсита, Мк - окончание образования). На положение этого интервала сильно влияет состав стали и особенно содержание углерода. Повышение содержания углерода снижаетМн и Мк одновременно расширяя интервал. Наиболее важным является то, что в сталях с содержанием углерода более 0,6% конец образования мартенсита смещен ниже комнатной температуры (-70..-100). Поэтому при закалке таких сталей часть аустенита остается не превращенной. Такой аустенит называют остаточным аустенитом. Чтобы перевести Аост в мартенсит, требуется охлаждение до низких температур, т.е. обработка холодом

В заключение отметим, что мартенситное превращение происходит только тогда, когда высокотемпературная фаза быстро переохлаждена до низких температур, и, следовательно, этого превращение диффузионным механизмом становится невозможно.

Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки - отпуск.

Низкий (низкотемпературный) отпуск проводят при температурах не выше 250-300°С. При таких температурах происходит частичное обезуглероживание мартенсита и выделение из него некоторого количества избыточного углерода в виде частиц е - карбида железа. Образующаяся структура, состоящая из частичного обезуглероженного мартенсита и е-карбидов, называется отпущенным мартенситом. Выход некоторого количества углерода из решетки мартенсита способствует уменьшению её искажения и снижению внутренних напряжений. При таком отпуске несколько повышается прочность и вязкость без заметного снижения твёрдости. В целом изменение свойств при низком отпуске незначительно. Так закалённая сталь с содержанием углерода 0,5-1,3% после низкого отпуска сохраняет твёрдость в пределах 58-63 HRC, а следовательно, обладает высокой износостойкостью. Однако такая сталь не выдерживает значительных динамических нагрузок.

сталь деталь термический охлаждение

5. График химико-термической обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали

Рис. 4. График химико-термической обработки

. Структура стали после химико-термической обработки

На поверхности изделия образуется заэвтектоидная зона, состоящая из перлита и цементита. По мере удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зёрна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу

Структура сталей, содержащих больше 0,8% углерода, состоит из зерен перлита и зерен цементита.

Рис. 5. Микроструктура заэвтектоидной зоны

После закалки стали, упрочненной цементацией, образуется структура мартенсит и цементит вторичный. Мартенсит - микроструктура игольчатого (пластинчатого) вида, а также реечного (пакетного) наблюдаемая в закалённых металлических сплавах и в некоторых чистых металлах, которым свойственен полиморфизм. Мартенсит - основная структурная составляющая закалённой стали; представляет собой упорядоченный пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе такой же концентрации, как у исходного аустенита. С превращением мартенсита при нагреве и охлаждении связан эффект памяти металлов и сплавов. Назван в честь немецкого металловеда Адольфа Мартенса. Кристаллическая структура мартенсита тетрагональная, элементарна ячейка имеет форму прямоугольного параллелепипеда, атомы железа расположены в вершинах и центре ячейки, атомы углерода в объёме ячеек. Структура неравновесная, и в ней есть большие внутренние напряжения, что в значительной степени определяет высокую твёрдость и прочность сталей с мартенситной структурой. Низкотемпературный отпуск частично снимает напряжения, сохраняя повышенную твердость стали на поверхности. Сталь марки 25 после цементации, закалки и низкотемпературного отпуска на поверхности будет иметь структуру мартенсит и цементит вторичный повышенную твердость до 62HRC и пластичную вязкую сердцевину с пониженной твердостью (30-42 HRC) со структурой сорбит или троостит.

Выводы по работе

Сталь 25 - углеродистая, конструкционная, качественная сталь, содержащая 0,25% углерода. Упрочняющая обработка цементация, закалка в воде и низкотемпературный отпуск позволит получить на поверхности детали структуру мартенсит и повышенную твердость до 60HRC и пластичную вязкую сердцевину с пониженной твердостью.

Список литературы

1. Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Музова Г.Г. материаловедение: Учебник для вузов - 3-е издание. М.: Изд-во МГТУ им. И.Э. Баумана, 2002.

. Материаловедение и технология металлов. Фетисов Г.Л., Картман М.Г. М.: Высшая школа, 2000.

. Справочник по конструкционным материалам. Справочник. / Б.Н. Арзамасов и др.: Под ред. Б.М. Арзамасова. - М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2005.

. Сталь конструкционная (ГОСТ 1414-75).