Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -71-

лерода в α-Fe и имеет тетрагональную кристаллическую решетку, где отно-

шение ребер

с/а > 1 (рис. 8.1).

Повышение содержания углерода в аустените увеличивает искажение

пространственной решетки мартенсита. Это является важнейшим фактором

его высокой твердости. Структура мартенсита и схема его зарисовки показа-

ны на рис. 8.2

Для углеродистых доэвтектоидных сталей (например, марки 45) выбира-

ется такая температура нагрева, при которой возможен перевод всех структур-

ных составляющих стали в аустенит, т. е. выше соответствующей точки Ас

лежащей на линий GS диаграммы состояния железо–углерод.

а б в

Рис. 8.2. Структура мартенсита: а – мелкоигольчатый; б – крупноигольчатый;

в – схема зарисовки мартенсита и остаточного аустенита

Температура закалки углеродистых конструкционных (доэвтектоид-

ных) сталей назначается по диаграмме состояния железо–углерод согласно

формуле

Т = Ас

+ (30÷50) °С,

Рис. 8.1. Превращения кристаллической ре-

шетки при закалке: а – кристаллическая

ячейка аустенита; б – кристаллическая ячейка

мартенсита

Охлаждение

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -72-

где Т – температура закалки.

Рис. 8.3. Оптимальный интервал за-

калочных температур углеродистой

стали на участке диаграммы Fe–Fe

Перегрев стали должен быть минимальным. Температуру выше точ-

ки Ас

больше чем на 30–50° поднимать не рекомендуется, чтобы зёрна ау-

стенита (рис. 8.3

), а следовательно, и иглы мартенсита оставались мелкими

(рис. 8.2,

а).

Нагрев под закалку заэвтектоидных сталей должен обеспечить полу-

чение в стали двухфазного состояния: аустенит и карбиды.

Следовательно, температура нагрева для заэвтектоидных сталей

должна быть выше точки Ас

(линия РSК), но ниже точки А

(линия ЕS).

При последующем быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит,

а оставшиеся нерастворённые частицы карбидной фазы дополнительно по-

вышает твёрдость и износостойкость стали.

Температура закалки заэвтектоидных сталей назначается по диаграм-

ме железо–углерод (см. рис. 8.3

Т = Аc

+ (30÷50) °С.

В случае нагрева заэвтектоидной стали (см. рис. 8.3

) до температуры,

лежащей выше соответствующей точки А

сm

, карбиды в стали растворятся.

Закалка с повышенных температур является причиной образования крупно-

игольчатого мартенсита, который получается в результате охлаждения круп-

ных зерен аустенита, а это в свою очередь повышает хрупкость стали.

Время выдержки образца в печи при нагреве под закалку выбирают из

расчёта 1 мин на 1 мм диаметра образца.

Для закалки доэвтектоидной и эвтектоидной сталей необходимо вы-

полнить три условия:

– нагреть сталь до аустенитного состояния;

– выдержать при т

емпературе нагрева определенное время;

Ас

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -73-

– охладить со скоростью, не менее критической. Тогда аустенит пре-

вратится в мартенсит (рис. 8.4

На диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита

накладываются кривые непрерывного охлаждения:

, V

(рис. 8.4). Диа-

грамма представлена двумя линиями в виде буквы С. Слева от С-образных кри-

вых находится область переохлажденного аустенита. Левая кривая – начало

превращения аустенита в феррито-цементитную смесь, а правая – конец это-

го превращения.

При охлаждении со скоростями

, V

и V

получают пластинчатые

феррито-цементитные смеси, перлит, сорбит и троостит.

Ниже температуры М

начинается бездиффузионное превращение ау-

стенита в мартенсит (рис. 8.4

). При температуре М

образование мартенсита

заканчивается.

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении

в интервале температур от М

до М

со скоростью выше критической, на-

пример, при закалке стали в воде (

Критической скоростью закалки (

кр

) называют скорость охлаждения,

при которой аустенит превращается только в мартенсит.

Углерод в значительной степени снижает температуру начала и конца

мартенситного превращения, уже при содержании углерода 0,5 % конец мар-

тенситного превращения М

лежит в области отрицательных температур. По-

скольку обычно закалка стали заканчивается при комнатной температуре, то

в стали с таким содержанием углерода мартенситное превращение не дохо-

дит до конца и наряду с мартенситом сталь после закалки содержит и неко-

торое количество аустенита, который называется аустенитом остаточным

(просматривается в виде светлых полей (рис. 8.2

) между мартенситными иг-

лами закаленной стали).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -74-

Рис. 8.4. Диаграмма изотермического распада аустенита

для эвтектоидной стали

Аустенит обладает гораздо меньшей твёрдостью, чем мартенсит,

поэтому закаленную сталь, имеющую в структуре аустенит остаточный

(а его количество колеблется от 20 до 60 %), подвергают обработке холодом

(до –70 °С, –80 °С), т. е. по сути дела продолжают закалку до температуры

конца мартенситного превращения, когда аустенит остаточный превращается

в мартенсит.

1. Каждый студент получает один образец конструкционной углеро-

дистой стали и замеряет его твёрдость на приборе Бринелля.

2. Определяет время выдержки образца в печи, помещает образец в

нагретую до заданной температуры муфельную электропечь с автоматиче-

ским регулированием.

3. По окончании выдержки студент быстро переносит клещами обра-

зец в охлаждаемую жидкость (вода, масло) для закалки, где инте

нсивно пе-

ремешивает вверх–вниз во избежание образования паровой рубашки.

4. Замеряет твёрдость образца после закалки на приборе Роквелла,

данные сводятся в табл. 8.1

5. Исследует на микроскопе МИМ-7 и зарисовывает микроструктуры

стали, полученные при всех режимах закалки.

HRC

Ф + Fe

t,°С

Перлит

Сорбит

Троостит

кр

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Порядок выполнения работы



Материаловедение. Лаб. практикум -75-

Таблица 8.1

Данные лабораторных испытаний

Температура закал-

ки, °C

Охлаждающая

среда

Твёрдость до закал-

ки, НВ

Твердость после закалки

НВ НRС

650

740

850

950

Вода

Масло

Вода

Отчет о лабораторной работе должен включать:

1) график зависимости твёрдости стали от температуры закалки в ко-

ординатах НRС – Т °C закалки (по данным табл. 8.1

2) зарисовки всех структур исследуемых образцов cтали 45 в кружках

диаметром 25 или 50 мм.

3) ответы на вопросы индивидуального задания.

1. После закалки стали 40 со скоростью охлаждения больше критиче-

ской, была получена структура, состоящая из феррита и мартенсита. По диа-

грамме Fe–Fe

C указать принятую в данном случае температуру нагрева под

закалку и описать превращения, происходящие в стали при такой обработке

(нагреве и охлаждении). Как называется такой вид закалки.

2. Углеродистая сталь У12 после закалки в одной охлаждающей среде

приобрела структуру мартенсит + цементит. Используя диаграмму Fe–Fe

указать температуру нагрева данной стали под закалку. Описать превраще-

ния, происходящие в процессе закалки и образующуюся структуру.

3. Углеродистые стали 35 и У8 имеют после закалки структуру мар-

тенсит, используя диаграмму Fe–Fe

C, указать температуру закалки для каж-

дой стали. Описать превращения, происходящие в этих сталях в процессе за-

калки. Какая сталь имеет более высокую твердость и почему?

4. Изделия из стали 40 были недогреты при закалке. Чем характеризу-

ется недогрев? Чем он вреден и как исправить этот дефект?

5. С помощью диаграммы состояния Fe–Fe

C определить температуры

полной и неполной закалки для стали 45. дать краткое описание микрострук-

туры и свойств стали после каждого из этих видов термической обработки.

6. Шестерни из стали 45 закалены: первая от температуры 740 °С, а

вторая от температуры 830 °С. Используя диаграмму Fe–Fe

C, объяснить, ка-

кая из этих шестерен имеет более высокую твердость и лучшие эксплутаци-

онные свойства и почему?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -76-

7. Режущий инструмент из стали У10 был перегрет при закалке. Чем

характерен перегрев? Чем он вреден? Как можно исправить такой дефект?

8. Назначить режим закалки (температуру, время выдержки и охлаж-

дающую среду) детали сечением 20 мм из стали 50. Описать сущность пре-

вращений, происходящих при закалке, микроструктуру и свойства детали.

9. Метчики из стали У8 закалены: пер

вый от температуры 760 °С, а

второй – 850°С. Используя диаграмму Fe–Fe

C, объяснить, какой из этих

метчиков закален правильно, имеет высокие режущие свойства и почему?

10. Изделия из стали 45 были перегреты при закалке. Что такое пере-

грев? Чем он вреден и как исправить этот дефект?

11. В чем заключается отрицательное влияние цементитной сетки на

свойства инструментальной стали У10 и У12. Какой термической обработкой

можно ее уничтожить? Да

ть обоснование выбранного режима.

12. Как изменяются структура и свойства стали 45 и У10 в результате

закалки от температур 750 °С и 850 °С? Объяснить изменение структуры с

помощью диаграммы состояния Fe–Fe

13. Образцы из стали марок 50 и У8 закалены с температур 710 °С, 780

°С, 850 °С. Указать необходимую среду охлаждения, получаемый микро-

структуры и твердость. Пояснить результаты каждой из этих видов закалки.

14. Инструмент из стали У12 имеет структуру перлита и вторичного

цементита, расположенного в виде сетки и игол. Как провести закалку такого

инструмента? да

ть обоснование выбранного режима.

15. Назначить режим термической обработки (температуру нагрева,

время выдержки и охлаждающую среду) зубил сечением 25 мм из стали У7,

описать сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость

инструмента после обработки.

16. Назначить режим закалки (температуру, время выдержки, охлаж-

дающую среду) фрез диаметром 18 мм из стали марки У10. Описать сущ-

ность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента

после закалки.

17. При непрерывном охлаждении стали У8 получена структура троо-

стит. Нанести на диа

грамму изотермического превращения аустенита кривую

охлаждения, обеспечивающую получение данной структуры. При каком ох-

лаждении можно получить мартенсит? Описать характер превращений в ка-

ждом случае.

18. Изделия после закалки имеют твердость более низкую, чем преду-

смотрено техническими условиями. Чем вызван этот дефект и как его можно

устранить?

19. С ка

кой целью производится закалка в двух средах и как она прак-

тически осуществляется? Каковы ее преимущества и недостатки?

20. Как выполняется обычная и ступенчатая закалка? В чем их пре-

имущество и недостатки?

21. Вычертить диаграмму изотермического превращения ауст

енита

для стали 50. Нанести на нее кривую режима изотермической обработки,

обеспечивающей получение твердости 500 НВ. Указать, как этот режим на-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -77-

зывается, описать сущность происходящих превращений, микроструктуру,

получаемую в данном случае.

22. Какие причины вызывают коробление и трещины изделий при за-

калке? Как можно предохранить изделия от образования закалочных трещин

и коробления?

23. Какие факторы определяют результаты закалки? Дать характери-

стику возможных видов закалки.

24. Доэвтектоидная углеродистая сталь имеет крупнозернистую

структуру перегрева. Какой вид термической обработки следует применить

для устранения пер

егрева и какие изменения происходят в структуре стали

при этой термообработке.

25. Какова технология закалки токами высокой частоты, в чем ее пре-

имущество? Какие механические свойства имеет сталь после такой обработки?

1. Назовите основные элементы режима закалки и ее цели.

2. Какую структуру должны получить доэвтектоидные стали при на-

греве под закалку?

3. Что такое мартенсит? Какими особенностями строения его кристал-

лической решетки можно объяснить его высокую твердость и хрупкость?

4. От чего зависит степень тетрагональности мартенсита?

5. Почему при закалке заэвтектоидных сталей нагрев производят до

темп

ературы Ас

+ (30÷50) °С?

6. Какой структурой будет обладать инструментальная сталь У8 после

закалки до комнатной температуры?

7. От чего зависит количество остаточного аустенита при закалке?



Материаловедение. Лаб. практикум -78-

Исследование влияния температуры отпуска на структуру и свойства

конструкционной углеродистой стали.

Камерная печь, щипцы, набор закаленных образцов из стали 45, набор

микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомер ТШ для определения твердо-

сти по методу Бринелля и твердомер ТК для определения твердости по мето-

ду Роквелла.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали ниже температуры

первого фазового превращения (Ас

), выдержке при заданной температуре и

последующем охлаждении с определенной скоростью (чаще всего на воздухе).

Отпуск делается для уменьшения величины внутренних напряжений,

возникших в изделии при закалке, а также для получения нужного комплекса

механических свойств стальных изделий. В практике термической обработки

стали наиболее часто применяют три вида отпуска: низкий (150–200 °С),

средний (350–500 °С) и высо

кий (500–650 °С).

Основными фазами закаленной доэвтектоидной стали являются мар-

тенсит и остаточный аустенит. В заэвтектоидных сталях кроме этих фаз при-

сутствуют еще карбиды.

В процессе отпуска в закаленной стали протекают диффузионные

процессы, ведущие к распаду мартенсита и остаточного аустенита. В углеро-

дистых сталях, при температурах 120–200 °С, уменьшается концентрация уг-

лерода в мартен

сите, возникают микроучастки структуры с неоднородным

распределением углерода в α

-твердом растворе и образуются весьма дис-

персные частицы карбидов (ε

-карбид), когерентные (неразрывные) с кри-

сталлами α-твердого раствора. Такая структура называется отпущенным

мартенситом (рис. 9.1,

а), а этот вид отпуска низким. Его осуществляют для

сохранения высокой твердости необходимой инструментальным сталям.

Одновременно с превращениями в мартенсите углеродистой стали

при температурах 200–300 °С происходит распад остаточного аустенита,

продукты которого аналогичны структуре отпущенного мартенсита. При-

мерно при 350 °С мартенсит исчезает, так как степень тетрагональности ре-

шетки α-Fe становится равной единице, одновременно частицы ε-карбида те-

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -79-

ряют когерентность с α-фазой и превращается в обычный карбид железа –

цементит (Fе

С). Такой вид отпуска называется средним. Полученная в ре-

зультате структура состоит из ферритокарбидной смеси, сохранившей иголь-

чатое строение, и носит название

троостит отпуска (рис. 9.1, б). Если нуж-

но обеспечить соотношение высокой прочности σ

с высокими значениями

условного предела упругости σ

и ударной вязкости, стали подвергают сред-

нетемпературному отпуску при температурах 350–500 °С. Его назначают для

пружинно-рессорных и штамповых сталей.

а б в

Рис. 9.1. Схемы зарисовки структур, возникающие после отпуска:

а – мартенсит отпуска; б – троостит отпуска; в – сорбит отпуска

Рис. 9.2. Зависимость механических свойств отпущенной

углеродистой стали от температуры отпуска

При температурах более 500 °С наблюдаются изменения в строении

ферритокарбидной смеси стали: происходит округление цементитных частиц

(процесс сфероидизации) и укрупнение их размеров (процесс коагуляции).

Отпуск при температурах 500–650

°С называют высоким, а полученную зер-

нистую феррито-карбидную смесь

сорбитом отпуска (рис. 9.1, в). При этом

200 400 600

°С

HRC

KCV

Троостит

Мартенсит+Цементит

Сорбит

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -80-

твердость стали снижается, а возрастают показатели ударной вязкости и пре-

дела упругости. Получить хорошее сочетание достаточной прочности, вязко-

сти и пластичности (стали для ответственных деталей машин) позволяет вы-

сокий отпуск.

Взаимосвязь между механическими свойствами отпущенной стали, ее

структурой и температурой отпуска представлена на рис. 9.2

Каждый вид отпуска имеет определенный температурный режим и

применяется для сталей различного назначения.

1. Каждый студент получает один образец закаленной стали 45, заме-

ряет твердость на приборе Роквелла.

2. Помещает в муфельную печь на отпуск при заданной температуре.

Время нагрева образца – 30 мин с последующим охлаждением на воздухе.

3. После остывания замеряет твердость отпущенной стали на приборе

Роквелла. Данные по всем режимам отпуска сводятся в табл. 9.1

Таблица 9.1

Данные лабораторных испытаний

Температура отпус-

ка, °С

Охлаждающая среда

Твердость до отпус-

ка, HRC

Твердость после

отпуска, HRC

180 Воздух

350 Воздух

450 Воздух

650 Воздух

1. Кратко описать ход работы.

2. По данным табл. 9.1

построить графическую зависимость твёрдости

от температуры отпуска в координатах HRC

– T отпуска.

3. Изобразить все исследуемые образцы стали 45 в кружках диамет-

ром 25 или 50 мм и указать структурные составляющие.

4. Ответить на вопросы индивидуального задания.

1. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) фрез из

стали У12. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру

и твердость инструмента после обработки.