Определение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла

      При нормальных температурах структура  чугуна состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита. Ледебурит  после эвтектоидного превращения  представляет собой механическую смесь  перлита и цементита. Чугуны с  содержанием углерода до 4,3 % называются доэвтектическими чугунами. Если углерод  находится в чугунах в химически  связанном состоянии с железом, т.е. в цементите, то такие чугуны называются белыми чугунами. Микроструктура сплава IV, представляющего собой доэвтектический белый чугун, показана на рис. 3.

      Сплав V (чугун содержит 4,3 % углерода). До температуры 1147°С сплав находится в жидком состоянии. При температуре 1147°С (точка С на диаграмме) происходит эвтектическая кристаллизация с одновременным образованием включений аустенита и цементита. При температуре от 1147 до 723 °С из аустенита выделяется вторичный цементит Цц. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — из аустенита образуется перлит. Чугун с содержанием углерода 4,3 % называют эвтектическим белым чугуном. При нормальных температурах структура белого эвтектического чугуна состоит из включений перлита и цементита (рис. 3, е).

      Сплав VI (чугун содержит углерода более 4,3 %). При температуре выше линии CD сплав находится в жидком состоянии. На линии CD начинают кристаллизоваться включения цементита, который называют первичным цементитом Ц. При понижении температуры до 1147°С количество первичного цементита все время увеличивается. На линии EF при температуре 1147°С происходит эвтектическая кристаллизация (оставшаяся часть жидкого расплава кристаллизуется с одновременным образованием включений аустенита и цементита).

      Ниже  линии EF из аустенита эвтектики при охлаждении выделяется вторичный цементит Ц_ІІ. При температуре 723 °С происходит эвтектоидное превращение — аустенит перекристаллизуется в перлит. Чугуны с содержанием углерода более 4,3 % называют заэвтектическими. При нормальных температурах структура белого заэвтектического чугуна (рис. 3., ж) состоит из включений первичного цементита и эвтектики, представляющей собой при нормальных температурах смесь перлита и цементита.

      Виды, назначения и технология выполнения закалки  стали и чугуна.

При  закалке  чугуна  превращения аналогичны  превращениям, происходящим  при закалке  стали. Но  в  связи  с  наличием  в  чугуне  включений  графита закалка  чугунов  имеет  следующие  особенности.

1.      Закалка  проводится  из  двухфазного   аустенито-графитного  состояния.

2.      При  нагреве  происходит  растворение  графита  в   аустените, в

связи  с  чем, несмотря  на  различную  исходную  структуру  чугуна,

превращению  при  охлаждении  подвергается  аустенит  с  эвтектоидной  или

заэвтектоидной  концентрацией  углерода.

3.      При  растворении  графита   в  зонах, удалённых  от  мест  контакта

аустенита  с  графитом, концентрация  углерода  меньше.

4.      Ликвация  при  нагреве  под   закалку  не  устраняется.

Закалке  подвергают  серый, ковкий  и  высокопрочный  чугун  для  повышения

твёрдости, прочности  и  износостойкости. По  способу  выполнения  закалка

чугуна  может  быть  объёмной  непрерывной, изотермической  и  поверхностной.

     При   объёмной  непрерывной  закалке   чугун  нагревают  под   закалку

(медленно  для   отливок  сложной  конфигурации) до  температуры  на  40 –  60

^оС  выше  интервала  превращения (обычно  до  850 – 930^оС) с

получением  структуры  аустенит  и  графит. Затем  дают  выдержку  для

прогрева  и  насыщения  аустенита  углеродом; выдержка  тем  длиннее, чем

больше  феррита  и  меньше  перлита, например, 10 – 15 мин для  перлитных

чугунов  и  до  1,5 – 2 часа  для  ферритных  чугунов. Отливки  охлаждают  в

воде (простой  конфигурации) или  в  масле  (сложной  конфигурации).

После  закалки  от  оптимальной  температуры  и  выдержки, обеспечивающей

достаточное  растворение  углерода  в  аустените, в  ферритном  чугуне

получается

мартенситная  структура  с  максимальной  твёрдостью  HRC  55 –60. В  чугунах

высокопрочных, аустенит  которых обладает  пониженной  критической

скоростью  закалки, твёрдость  после  закалки  достигает  HRC  60 –62.

Прочность  после  закалки  понижается. Прокаливаемость  высокопрочного

чугуна  выше  прокаливаемости  серого  чугуна. После  закалки  чугун

подвергают  низкому  отпуску  для  снятия  части  внутренних  напряжений  или

высокому  отпуску  с  получением  сорбитной  или троостосорбитной

структуры.

     При   изотермической  закалке  чугун   нагревают  до  830 – 900^о

С  выдерживают  0,2 – 1,5 часа  и охлаждают в расплавленных солях, имеющих

температуру  250 – 400^оС, и  после  выдержки  охлаждают  на

воздухе. Структура чугуна  после изотермической  закалки состоит из

бейнита, остаточного  аустенита  и  графита. Прочность, твёрдость  и

износостойкость  изотермически  закаленного  чугуна  выше  по  сравнению  со

свойствами  чугуна  после  улучшения (закалки  и  отпуска)  со  структурой

сорбита  или  троостита. Преимущество  изотермической  закалки – резкое

уменьшение  закалочных  напряжений  и  коробления. Изотермической  закалке

обычно  подвергают  отливки  из  высококачественного  чугуна (например, с

шаровидным  графитом)  небольшого  сечения (толщина  стенки  10 – 12  мм), так

как  необходимо  переохладить  аустенит  до  температуры  изотермической

выдержки.

     Поверхностную   закалку  с  нагревом  с   помощью  токов  высокой   частоты

применяют  для  повышения  поверхностной  твёрдости  и  износостойкости

чугунных  отливок. Поверхностной  закалке  рекомендуется  подвергать

перлитные  чугуны. Это  объясняется  тем, что  при  нагреве  перлитных

чугунов  нет  необходимости  в  насыщении  аустенита  углеродом  за  счёт

растворения  графита. Превращения, происходящие  при  поверхностной  закалке

таких  чугунов, аналогичны  превращениям  при поверхностной закалке

перлитных  чугунов  840 – 950^оС, время  нагрева – несколько

секунд, скорость  нагрева  около  400^оС/с, охлаждение  в  воде  или

эмульсии. Твёрдость  после  закалки  серого  чугуна  HRC 50 – 55,

высокопрочного HRC 58 – 60. Распределение  твёрдости  по  сечению  закалённого

слоя (толщиной 1,5 – 4 мм) дотаточно  равномерное. Микроструктура

поверхностного  слоя – мелкоигольчатый  мартенсит  и  включения  графита.

После  поверхностной  закалки  проводится  низкий  отпуск. Поверхностной

высокочастотной  закалке  подвергают  детали  из  перлитного  чугуна,

работающие  на  износ – направляющие  станин  станков ( изготовляемые  из

модифицированного  серого  чугуна), коленчатые  и  кулачковые  валы  (из

высокопрочного  чугуна), гильзы  цилиндров (из  легированного  чугуна)  и

другие  детали.

При  поверхностной  закалке  ферритных  чугунов  для  получения  высокой

твёрдости  после  закалки  необходим  нагрев  с  меньшей  скоростью (~ 5 – 10

^оС/с)  и  до  более  высокой  температуры (~ до  1050^оС) для

того, чтобы  произошло  насыщение  аустенита  углеродом  (вследствие

растворения  графита).

На  результат  поверхностной  закалки  ферритного  чугуна  влияет  характер

распределения  графитных  включений  в  металлической  основе, т.е. их

количество, размер  и  расстояние  между  ними. Чем  мельче  включения

графита, тем  их  больше  и  расстояние  между  ними  меньше. С  увеличением

количества  графитовых  включений  твёрдость  закалённого  ферритного  чугуна

повышается  особенно  резко  при  увеличении  числа  включений  до  200 –300

на  1мм².

Отпуск   проводится    с  целью  снятия  термических  напряжений,  повышения

твёрдости,  прочности  и  износостойкости.  Нагрев  проводят  медленный  для

сложных  изделий  до  температуры  150 – 300^оС  для  деталей

работающих  на  износ или 400 – 600^оС, затем  дают  выдержку  1 –

3 часа. Охлаждение  проводят  на  воздухе.

Цель  закалки и отпуска  стали – улучшение  ее свойств.

Закалка с отпуском нужна для очень многих деталей  и изделий. Она основана на перекристаллизации стали при нагреве до температуры  выше критической; после достаточной  выдержки при этой температуре для  завершения закалки следует быстрое  охлаждение. Таким путем предотвращают  превращение аустенита в перлит.

Закаленная сталь  имеет неравновесную структуру  мартенсита, троостита или сорбита.

Чаще всего  при закалке сталь резко охлаждают  на мартенсит. Для смягчения действия закалки сталь отпускают, нагревая до температуры ниже точки А₁. При отпуске структура стали из мартенсита закалки переходит в мартенсит отпуска, троостит отпуска или сорбит отпуска.

Температурные условия закалки. Температура нагрева стали при закалке та же, что и при полном отжиге: для доэвектоидной стали на 30-50° выше точки Ас₃, для заэвтектоидной – на 30-50° выше точки Ас₁.

При нагреве  доэвтектоидной стали до температуры  между точками Ас₁ и Ас₃ (неполная закалка) в структуре быстро охлажденной стали, наряду с закаленными участками, будет присутствовать нерастворенный феррит, резко снижающий твердость и прочность. Поэтому для доэвтектоидной стали обязательна полная закалка (нагрев выше точки Ас₃).

В заэвтектоидной стали избыточной фазой является цементит, который по твердости не уступает мертенситу и даже превосходит  его; поэтому сталь достаточно нагреть  на 30-50° выше точки Ас₁.

Нагревать изделия, особенно крупные, нужно постепенно, чтобы избежать местных напряжений и трещин, а время выдержки нагретого  изделия должно быть достаточным, чтобы  переход перлита в аустенит полностью  завершился. Продолжительность выдержки обычно равна четверти общей продолжительности  нагревания.

Охлаждение  деталей при закалке. Скорость охлаждения деталей при закалке должна быть такой, чтобы деталь получилась заданной структуры. Скорость V₂ (см. рис. 2), обеспечивающая мартенситную структуру (с остаточным аустенитом, не без троостита), называется критической скоростью закалки.

Так как С-образные кривые доэвтектоидной и заэвтектоидной сталей смещены влево по сравнению  с кривыми эвтектоидной стали, критическая  скорость закалки их выше, и получение  структуры мартенсита достигается  труднее, а для некоторых марок  она даже недостижима.

Легирующие компоненты в стали облегчают закалку, так  как при этом С-образные кривые смещаются  вправо, и критическая скорость понижается.

При скорости охлаждения меньше критической в структуре  закаленной стали, наряду с мартенситом, будет троостит, а при дальнейшем уменьшении скорости получаются структуры  троостита или сорбита без  мартенсита.