Термическая обработка стали, железоуглеродистые сплавы

Практическая работа №3

Тема: Термическая обработка стали, железоуглеродистые сплавы.

1.Термическая обработка стали

Термическая обработка придает  стальным изделиям опреде ленные механические свойства: высокую твердость, повысив  этим сопротивление износу, меньшую  хрупкость для улучшения обработки  или повышения ударной вязкости и т. д. Это достигается нагревом и последующим охлаждением стали  по строго определенному температурному режиму. В результате в нужном направлении  изменяется структура стали, которая  и определяет ее механические свойства.

Различают следующие виды термической обработки стали: закалку, отпуск, отжиг и нормализацию, а  также обработку холодом и  химико-термическую обработку.

Закалка — термическая  обработка стали путем ее нагрева  до определенной температуры, некоторой  выдержки при этой температуре до завершения фазовых превращений  с быстрым последующим охлаждением  в воде, масле и других жидкостях. При закалке увеличиваются твердость  и прочность, но снижается ударная  вязкость. Закаленная сталь обладает большой хрупкостью, что делает ее малопригодной для практического  использования.

Отпуску подвергают сталь  после закалки для уменьшения хрупкости и ослабления внутренних напряжений. Отпуск стали заключается  в нагреве ее ниже температуры  закалки с последующим постепенным  охлаждением на воздухе. В зависимости  от вида отпуска изделие нагревают  от 150 до 550°С. С повышением температуры  отпуска сильно изменяются механические свойства закаленной стали: предел прочности  и твердость понижаются, а относительное  удлинение и вязкость возрастают.

Отжиг уменьшает структурную  неоднородность стали, придает мелкозернистую структуру, снижает напряжение, возникшее  при обработке давлением (ковке, волочении) или литьем, а также  улучшает обрабатываемость стали резанием.

Нормализация — это, по существу, процесс отжига. Стальное изделие нагревают до температуры  несколько ниже температуры закалки, выдерживают сталь при этой температуре, а затем охлаждают на воздухе. В результате сталь получается более  мелкозернистой, чем при отжиге, повышаются ее твердость, прочность, ударная  вязкость по сравнению с отожженной сталью.

Обработка холодом способствует более равномерной струк туре и повышает твердость стали. Закаленная сталь с содержа нием углерода более 0,6% состоит из мартенсита с  распределен ным в нем остаточным аустенитом, не успевшим перейти мартенсит  при закалке. В результате структура  стали оказывается недостаточно равномерной и несколько пониженной твердо сти, чем если бы она состояла только из мартенсита. Если же такую  сталь подвергнуть после закалки  обработке холодом, процесс превращения  аустенита в мартенсит продолжается.

Химико-термическая обработка  стали заключается в изменении  химического состава поверхностного слоя стального изделия путем  насыщения его каким-либо другим веществом (углеродом, азотом, цианом, хромом) с целью повышения твердости, износостойкости или коррозионной стойкости поверхности и сохранения при этом высоких механических качеств  самого изделия. Видами химико-термической  обработки стали являются цементация, азотирование, цианирование и хромирование.

Цементацию стали осуществляют насыщением углеродом поверхностного слоя стального изделия при температуре  среды 880...950°С, содержащей углерод.

Азотирование — насыщение  азотом поверхностного слоя стального  изделия при нагревании до 500...700°С в атмосфере аммиака, при этом повышаются коррозионная стойкость, твердость, износоустойчивость и предел усталости  стали. Азотированию подвергают легированные стали, содержащие в качестве легирующего  вещества алюминий и прошедшие предварительную  термическую и механическую обработку, кроме окончательного шлифования. Глубина  азотированного слоя 0,01... 1,0 мм.

Хромирование — насыщение  поверхностного слоя хромом. Повышение  коррозионной стойкости стали при  действии пресной и морской воды, азотной кислоты, окислительной  среды при высокой температуре (окалиностойкость) достигается хромированием. Твердость хромированного слоя низколегированной  стали составляет НВ 250...300, а высокоуглеродистой — НВ 1200... 1300.

2.Железоуглеродистые сплавы

Чугун и углеродистая сталь являются наиболее распространенными среди железоуглеродистых сплавов. Чугуном называется сплав  железа с углеродом, содержащий более 2 % углерода. Наибольшее распространение  получили чугуны с содержанием углерода от 2,8 до 3,5 %. Кроме углерода в чугунах содержатся кремний и марганец, а также вредные примеси — сера и фосфор. Чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными. Отличительной особенностью каждой группы чугунов является химическое состояние углерода (связан в цементит или свободен) и форма графитных включений. В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Он очень тверд, практически не поддается обработке резанием, в связи с чем его применение весьма ограничено.  
 
В сером чугуне весь углерод или значительная его часть находится в свободном состоянии в виде графита. Он обладает более низкой температурой плавления, чем углеродистая сталь, лучше заполняет формы сложной конфигурации благодаря высокой жидкотекучести. Хорошо поддается обработке резанием. В ковком чугуне углерод полностью или частично входит в состав включений углерода отжига. Получается путем термической обработки белого чугуна. Является хорошим заменителем стального фасонного литья.  
 
В высокопрочном чугуне углерод образует шаровидные включения графита, которые в меньшей степени, чем включения любой формы, ослабляют металлическую основу, и прочность чугуна получается высокой. При шаровидной форме графита серый чугун обалает пластичностью и ударной вязкостью более высокой, чем у лучших перлитных чугунов с чешуйчатым графитом. В высокопрочном чугуне сочетаются высокие механические свойства стали и технологические качества серого чугуна. Литейные свойства его высоки, он легче обрабатывается резанием. Углеродистые стали — это сплавы железа с углеродом, содержащие углерода до 2 %. Кроме углерода эти стали содержат до 03 % марганца, до 0,4 кремния, а также до 0,05 серы и до 0,045 % фосфора.  
 
Широкое применение находят низкоуглеродистые стали, содержащие до 0,25 % углерода. Они хорошо поддаются обработке давлением, гибке и правке в горячем и холодном состоянии, хорошо свариваются. Кроме того, они обладают удовлетворительными механическими свойствами: хорошо воспринимают динамические нагрузки, достаточно прочны при температурах до 450 °С. Эти стали самые дешевые и наименее дефицитные. Способы выплавки стали оказывают существенное влияние на механические свойства и качество готовых изделий.  
 
Основная часть стали выплавляется в мартеновских печах. Продувкой в бессемеровском конвертере получают углеродистую сталь с содержанием углерода до 0,5 %. При одинаковом содержании углерода бессемеровская сталь имеет более высокую прочность и твердость, чем мартеновская, так как в бессемеровской стали содержится повышенное количество растворенных азота и фосфора — элементов, упрочняющих сталь, но делающих ее одновременно и более хрупкой. Применение кислородного дутья в конвертерах значительно ослабляет этот недостаток конвертерной стали. Сталь, полученная в конвертерах с кислородным дутьем и основной футеровкой, приближается по своим свойствам к мартеновской. Кроме способа выплавки на свойства стали большое влияние оказывает способ раскисления, по которому стали делятся на спокойные, полуспокойные и кипящие.  
 
По назначению углеродистые стали разделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали, в свою очередь, делят на строительные и машиностроительные. Строительные стали с содержанием углерода до 0,25 % хорошо свариваются, хорошо деформируются в горячем и холодном состоянии, но прочность их относительно невысока.  
 
Машиностроительные стали прочнее строительных и могут подвергаться закалке с высоким отпуском, в результате чего улучшаются их механические свойства. Однако эти стали хуже свариваются и плохо поддаются деформации в холодном состоянии. Инструментальные стали содержат от 0,7 до 1,4 % углерода. Углеродистые стали бывают обыкновенного качества, качественные и высококачественные.