Быконя Л.А. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -81-

2. Используя диаграмму Fe–Fe

C и кривую изменения твердости в за-

висимости от температуры отпуска, назначить для стали 50 температуры за-

калки и отпуска, необходимые для обеспечения твердости 4 000 НВ. Описать

превращения, которые происходят в данной стали в процессе закалки и от-

пуска и конечную структуру.

3. Назначить режимы термической обработки (закалка, отпуск) рессор

из стали 65, которые должны иметь тв

ердость 40–45 НRС. Описать сущность

происходящих в процессе термообработки превращений, микроструктуру и

свойства рессор в готовом виде.

4. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчи-

ков из стали У10, описать сущность происходящих превращений, микро-

структуру и твердость инструмента после термообработки.

5. Изделия из стали 60 закалки и последующего отпуска имеют твер-

дость, превышаю

щую обусловленную техническими условиями. Чем вызван

этот дефект? Как его можно устранить? Описать сущность превращений,

происходящих при термической обработке.

6. После закалки и отпуска углеродистой стали получена структура

цементит + мартенсит отпуска. Нанесите на диаграмму Fe–Fe

C (примерно)

ординату заданной стали и укажите температуру нагрева этой стали под за-

калку. Укажите температуру отпуска и опишите превращения, которые про-

изошли в процессе закалки, отпуска.

7. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) изделий

из стали 45, которые должны иметь твердость 2 300–2 500 НВ. Описать пре-

вращения происходящие при термической обработке, микроструктуру и

твердость изделий в готовом виде.

8. Описать су

щность и назначение отпуска. Дать характеристику всех

видов отпуска и область применения каждого из них. Привести примеры из-

делий, подвергаемых различным видам отпуска.

9. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пружин

из стали 70, которые должны иметь твердость 40–45 НRС. Описать сущность

происходящих превращений и микроструктуру стали после термообработки.

10. Углер

одистые стали 35 и У8 имеют после закалки и отпуска

структуру – мартенсит отпуска и твердость: первая – 52 НRC, вторая – 60

НRC. Используя диаграмму Fe–Fe

C, указать температуру закалки и отпуска

каждой стали. Описать превращения, происходящие в этих сталях в процессе

закалки и отпуска и объяснить почему мартенсит отпуска стали У8 имеет

большую твердость, чем мартенсит отпуска стали 35.

11. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) стяжных

болтов из стали марки Ст5, которые должны иметь твердость 2 100–2 300 НВ.

Описать превращения при т

ермообработке, микроструктуру и свойства бол-

тов в готовом виде.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -82-

12. При какой температуре производится отпуск закаленных рессор из

стали 65? Описать сущность превращений, происходящих в процессе закалки

и отпуска рессор, их микроструктуру и свойства.

13. Указать микроструктуру и свойства образцов из стали 45, под-

вергнутых правильной закалке и отпуску:

1 – при 200 °С в течение 1 ч,

2 – при 550 °С в течение 1 ч.

Описать сущность превращений, прои

сходящих при отпуске.

14. Используя диаграмму Fe–Fe

C и кривую изменения твердости в

зависимости от температуры отпуска, назначить для стали 40 температуру

закалки и отпуска, необходимую для обеспечения твердости 500 НВ. Описать

превращения, которые произошли в стали в процессе закалки и отпуска и

микроструктуру после термообработки.

15. Что собой представляет термообработка холодом закаленных из-

делий? С какой целью она проводится? Как изменяется структура и свойств

стальных изделий после такой обработки?

16. Образцы из стали 45 должны иметь твердость: 1–40 HRC; 2–30 HRC.

Укажите режим термической обработки, обеспечивающий получение задан-

ной твердости. Опишите превращения, происходящие при обработке и мик-

роструктуре изделий в готовом виде.

17. Указать микроструктуру и свойства двух закаленных образцов из

углеродистой стали с 0,8–0,9 % С, если один из них подвергался отпуску при

200 °С в течение одн

ого часа, а другой отпуску при 350 °С в течение 1 ч.

Объясните различие в микроструктуре закаленной и низкоотпущенной стали.

18. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) штам-

пов из стали У8. Описать сущность происходящих превращений, микро-

структуру и твердость инструмента после термообработки.

19. Назначить режим термической обработки (закалка, от

пуск) зубил

из стали У7. Описать сущность происходящих превращений, микроструктуру

и твердость инструмента после термообработки.

20. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) резь-

бовых калибров из стали У9. Описать сущность происходящих превращений,

микроструктуру и твердость инструмента после термообработки.

21. Указать микроструктуру и свойства образцов из стали У8, под-

вергнутых правильной закалке и отпуску:

1 – при 180 °С в течение 1 ч,

2 – при 350 °С в течение 1 ч.

Описат

ь сущность превращений, происходящих при отпуске.

22. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) пру-

жин из стали 65, которые должны иметь твердость 40–45 HRC. Какие пре-

вращения происходят в стали в процессе термообработки? Какую структуру

и свойства имеют пружины в готовом виде?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 9 ОТПУСК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Задания к лабораторной работе



Материаловедение. Лаб. практикум -83-

23. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) валов

из стали 40, которые должны иметь твердость 3 000 HВ. Описать превраще-

ния, которые произошли в стали в процессе закалки и отпуска и описать по-

лученную структуру.

24. Изделия из стали 40 должны иметь твердость 4 500 НВ. Назначить

режим термической обработки (закалка, отпуск), обеспечивающий получение

заданной твердости. Какие превращения происходят в ст

али при данной тер-

мообработке? Какая получается микроструктура?

25. Назначить режим термической обработки (закалка, отпуск) метчи-

ков из стали У10. Описать сущность превращений, происходящих при тер-

мообработке микроструктуру и свойства инструмента в готовом виде.

1. Каково назначение отпуска стали? Перечислите виды отпуска и их

применение.

2. Чем мартенсит закалки отличается от мартенсита отпуска?

3. Как влияет повышение температуры отпуска на пределы прочности

и упругости стали?

4. Какую структуру должны иметь после термической обработки (за-

калка и отпуск) рессоры, пружины и пилы?

5. При каких температурах отпуска заканчивается распад аустени

та

остаточного?

6. Как изменяются структура и свойства стали в связи с коагуляцией

карбидной фазы при отпуске?



Материаловедение. Лаб. практикум -84-

зучить назначение легирования; состав, классификацию и марки-

ровку легированных сталей; структуру и свойства представленных образцов

конструкционных машиностроительных низколегированных сталей после

различной термической обработки.

Оптический микроскоп МИМ-7; коллекция микрошлифов легирован-

ных конструкционных сталей; плакаты, альбомы с изображением различной

микроструктуры легированной конструкционной стали.

Элементы, специально вводимые в сталь с целью изменения ее строе-

ния и свойств, называют

легирующими элементами – Л.Э.

По химическому составу стали могут быть распределены на следую-

щие группы:

– низколегированные – Л.Э. < 5 %;

– среднелегированные – Л.Э. > 5 %;

– высоколегированные – Л.Э. ≥ 10 %.

В обозначении марок первые цифры указывают среднюю массовую

долю углерода: в сотых долях процента для конструкционных сталей или в

десятых долях процента для инструментальных сталей. Буквы за цифрами

означают: Р – бор, Ю – алюминий, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х –

хром, Г – марган

ец, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам. Цифры, стоя-

щие после букв, указывают примерную массовую долю легирующего эле-

мента в целых единицах, процентах. Отсутствие цифры означает, что в марке

содержится до 1,5 % этого легирующего элемента. Буква А в конце наимено-

вания мар

ки означает «высококачественная сталь». «Особовысококачествен-

ная сталь» обозначается буквой Ш через тире в конце наименования марки.

Например, качественная – 30ХГС, высококачественная – 30ХГСА, особовы-

сококачественная – 30ХГС-Ш.

Назначение легирования. Легирование проводится для получения у

сталей особых свойств: магнитных; высокого электросопротивления; задан-

ного коэффициента линейного расширения; коррозионной стойкости; жаро-

прочности; жаростойкости; износостойкости; окалиностойкости; теплостой-

кости.

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -85-

Перечисленные свойства можно достичь лишь у высоколегированных

сталей.

Введение в сталь небольшого количества легирующих элементов и

получение

низколегированных сталей осуществляется для повышения прока-

ливаемости.

В отожженном состоянии легированные стали по механическим свой-

ствам практически не отличаются от углеродистых.

Влияние легирующих элементов на повышение механических свойств

сталей достигается при использовании сталей в термически упрочненном со-

стоянии.

Чем выше устойчивость переохлажденного аустенита, тем меньше

критическая скорость закалки V

кр

и выше прокаливаемость стали.

Легированные стали (рис. 10.1,

б, в) имеют более высокую устойчи-

вость переохлажденного аустенита, если в нем растворены легирующие эле-

менты, т. к. диаграмма изотермического распада с повышением содержания

легирующих элементов смещается вправо.

а б в

Рис. 10.1. Диаграмма изотермического распада аустенита при охла-

ждении на воздухе: а – углеродистой стали; б – низколегированной

стали; в – среднелегированной стали

Легирование стали, даже небольшим количеством легирующих эле-

ментов, повышает прокаливаемость. Эффективно повышает прокаливаемость

введение нескольких элементов (хрома и марганца; хрома и никеля; хрома,

никеля и молибдена и т. д.).

Влияние легирующих элементов на полиморфные превращения желе-

за.

Легирующие элементы могут изменять температуру полиморфных пре-

вращений железа, образуя с ним твердые растворы замещения.

При этом меняются температуры линий А

(GS) и А

(NJ) определяю-

щие область существования α и γ железа на диаграмме Fe–Fe

Поэтому диаграммы Fe–легирующий элемент имеют конфигурацию,

отличную по сравнению с диаграммой Fe–Fe

C. Легирующие элементы по

влиянию на полиморфизм железа делятся на две группы:

1. При высоком содержании Ni и Mn повышается температура А

(NJ)

до линии солидус и понижается температура А

(GS) до комнатной

(рис. 10

.2, а). При определенной концентрация легирующих элементов спла-

вы не имеют α ↔ γ

превращения при всех температурах, а представляют

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -86-

собой твердый раствор легирующих элементов в γ-железе. Такие стали назы-

вают аустенитными.

2. При большом количестве в стали Cr, Mo, W, V, Si,

Ti, Al, S и т. д.

понижается температура А

(NJ) и повышается температура А

(GS). Это су-

жает и замыкает область существования γ – модификации (рис. 1

0.2, б). При

определенном содержание легирующих элементов, сплавы при всех темпера-

турах, состоят из твердого раствора легирующих элементов в α-железе. Такие

стали называют ферритными, если содержание углерода в них пониженное.

а б

Рис. 10.2. Схема диаграммы состояния железо–легирующий элемент:

а – Fe–Л.Э. (Mn, Ni); б – Fe–Л.Э. (Cr, Mo, W и др.)

При

классификации сталей по структуре учитываются особенности

ее строения в нормализованном и отожженном состояниях

1. В нормализованном состоянии

– после охлаждения на воздухе ста-

ли подразделяются на стали перлитного, мартенситного, аустенитного и фер-

ритного классов.

Стали перлитного класса

. Кривая скорости охлаждения на воздухе

(рис. 10.3,

а) пересекает область перлитного превращения с образованием

структур: перлит, сорбит и тростит (из-за невысокой устойчивости переох-

лажденного аустенита). К этому классу относятся

углеродистые и низколеги-

рованные стали.

а б в

Рис. 10.3. Диаграмма изотермического распада аустенита для сталей трех структурных

классов: а – перлитного; б – мартенситного; в – аустенитного

t, °С

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -87-

Стали мартенситного класса. Они отличаются высокой устойчиво-

стью переохлажденного аустенита. Так как с увеличением содержания леги-

рующих элементов область перлитного распада сдвигается вправо и охлаж-

дение на воздухе приводит к мартенситному превращению (рис. 10.3,

б).

К этому классу относятся средне- и высоколегированные стали.

Стали аустенитного класса. Эти стали получают при увеличении со-

держания легирующих элементов (Mn, Ni), сдвигая вправо область перлитно-

го превращения (рис. 10.3,

в). Также у них интервал мартенситного превра-

щения ниже 0 °С, поэтому аустенитная структура сохраняется ниже

Т = 20–25

°С.

Стали ферритного класса. Эти стали получают введением элементов

хром, кремний, вольфрам, ванадий и др. расширяющих α-область.

Легирующие элементы значительно влияют на фазовые превращения

в сталях. На рис. 1

0.4. показаны изменения вида диаграммы Fe–Fe

C, т. к.

элементы Cr, Si, V, Ti и др. уменьшают эвтектоидную концентрацию углеро-

да и его предельную растворимость в аустените при всех температурах, сдви-

гая точки S и Е влево.

Рис. 10.4. Диаграмма состояния Fe–Fe

Повышение содержание легирующих элементов в составе сталей

смещает точку S на диаграмме Fe–Fe

C влево (рис. 10.4), что способствует

формированию заэвтектоидной структуры при невысоком содержании угле-

рода. Например, ее имеет сталь 40Х13.

2. В отожженном состоянии

по структуре, полученной в условиях

равновесия, легированные стали делят на классы:

доэвтектоидный – структура: эвтектоид и легированный феррит;

эвтектоидный – с перлитной структурой;

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -88-

заэвтектоидный – структура эвтектоид и избыточные вторичные кар-

биды;

карбидный – стали этого класса в литом состоянии имеют в структуре

эвтектику – ледебурит при 0,8–1,2 % С, т. к. высокое содержание легирую-

щих элементов смещает точку Е на диаграмме Fe–Fe

C влево (рис. 10.4). На-

пример, в стали Х12Ф1, легированной 12 % Cr, ледебурит появляется в

структуре при содержании углерода ≈ 1,3 %. Характерно, что небольшое ко-

личество ледебуритной эвтектики при пониженном содержании углерода, не

снижает способности сплава обрабатываться давлением в горячем состоянии,

тогда как нелегированный белый чугун (С > 2,14 %) теряет способность к об-

работке давлением даже при малых количествах ледебурита.

По

взаимодействию с углеродом в стали, легирующие элементы под-

разделяют на две группы:

1) элементы: Si, Ni, Cu, Al, Со растворяются в аустените и не взаимо-

действуют с углеродом (нейтральные);

2) карбидообразующие элементы: Fe, Mn, Cr, Mo, W, V, Nb, Zr, Ti,

(взаимодействующие с углеродом).

При введении в сталь карбидообразующего элемента в небольшом ко-

личестве (1–2 %) образования его карбида не произойдет, но атомы леги-

рующих элементов частично заменяют атомы железа в решетке цементита.

Следоват

ельно, образуется легированный цементит, например, (Fe, Mn)

С,

мало отличающийся по свойствам от обычного цементита.

Хром образует растворимые в аустените карбиды:

– в среднелегированных сталях Cr

;

–в высоколегированных сталях Cr

Хром влияет на общий процесс карбидообразования. При его введе-

нии в сталь с W и Мo в соответствующем количестве, появляются сложные

карбиды содержащие Cr, W, Mo и Fe.

Их формула М

С, где символ М показывает сумму металлических

элементов в составе карбида.

Карбиды М

С могут растворяться в аустените при температурах, бо-

лее высоких, чем карбиды хрома, и легировать его.

В зависимости от свойств легированных сталей в них присутствуют

различные виды и сочетания карбидов.

Низколегированные конструкционные стали перлитного класса. Важ-

ное значение в машиностроении имеют конструкционные низколегирован-

ные стали. Эти стали относятся к сталям перлитного класса, потому что при

охлаждении на воздухе приобретают перлитную структуру.

Совместное воздействие термической обработки и легирования явля-

ется эффективным способом повышения механических характеристик стали.

Содержание углерода является еще одним фактором, влияющим не

только на структуру и свойства стали, но и на принципы ее классификации

по типу термической, химико-термической обработки и назначению.

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -89-

По количеству углерода низколегированные конструкционные маши-

ностроительные стали делятся:

на цементуемые – 0,1–0,3 % С;

улучшаемые

– 0,3–0,5 % С;

рессорно-пружинные – 0,55–0,8 % С;

шарикоподшипниковые – 0,9–1,1 % С.

Цементуемые стали. Стали с содержанием углерода 0,1–0,25 % яв-

ляются низкоуглеродистыми и слабо упрочняются закалкой.

Упрочнение этих сталей достигается химико-термической обработкой

(ХТО) – цементацией

Поверхность заготовки подвергают диффузионному насыщению уг-

леродом в твердой и газообразной среде при

Т = 1 000–950 °С.

Функциональное назначение низкоуглеродистых сталей – работа в ус-

ловиях трения (зубчатые колеса, кулачки, валы, пальцы и т. д.).

Для получения заданного комплекса механических свойств после

цементации необходима дополнительная термическая обработка деталей:

двойная закалка и низкий отпуск, после чего поверхностный слой приобре-

тает структуру отпущенного мартенсита с включениями карбидов и твер-

дость 58–62 H

RC (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Цементованный термообработан-

ный слой зубчатого колеса

После цементации поверхностный слой содержит более 0,8 % С и

имеет структуру заэвтектоидных сталей – перлит и вторичный цементит.

Под поверхностным слоем изделие имеет эвтектоидную концентра-

цию углерода и перлитную структуру.

По направлению к сердцевине концентрация углерода уменьшается,

структура соответствует доэвтектоидной стали и количество перлита умень-

шается.

Сердцевина может приобрести структуру бейнита или троостита, сор-

бита и твердость 30–42 HRC.

Марки ст

али этой группы: 15Х, 20Х, 15Х2, 25ХГМ, 12ХМ3А

Улучшаемые стали. Среднеуглеродистые (0,3–0,5 % С) низколегиро-

ванные

стали приобретают высокие механические свойства после термиче-

Мартенсит отпуска

ЛАБ. Р. 10 ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИОННЫХ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ

Краткие теоретические сведения



Материаловедение. Лаб. практикум -90-

ского улучшения – закалки при температуре 820–880 °С и высокого отпуска

при температуре 550–650 °С.

Структура стали после улучшения – сорбит.

Улучшаемые стали имеют высокий предел текучести σ

0,2

, малую чув-

ствительность к концентраторам напряжений, высокий предел выносливости σ

и достаточный запас вязкости KCU.

Детали машин из этих сталей работают при ударных и циклических на-

грузках (валы, штоки, шатуны и т. д.) иногда при пониженных температурах.

Выбор марки стали (степени легирования) определяется размером

термически обрабатываемой заготовки и условиями ее работы.

Марки стали этой группы: 40Х, 45Х, 35ХГСА, 40ХН, 45ХН. Повыше-

ние коли

чества легирующих элементов позволяет повысить прокаливае-

мость, а значит увеличить поперечное сечение изделий из этих сталей.

Рессоро-пружинные стали. Для обеспечения работоспособности си-

ловых упругих элементов применяют стали с повышенным содержанием уг-

лерода (0,5–0,7 %).

Недорогие и достаточно технологичные рессорно-пружинные стали

широко используют в авто- и тракторостроении, железнодорожном транс-

порте и станкостроении.

Эти стали должны иметь высокий предел упругости (текучести), что

обеспечивает трооститная структура. Полученная закалкой при 800–850 °С в

масле или воде с последующим средним отпуском при 350–520 °С.

Примерные марки стали для рессор сечением до 20 мм – 55С2, 70С3А,

а для пружин и рессор сечен

ием 50–80 мм – 60С2ХА, 60С2Н2А.

Подшипниковые стали. Она относится к специальным сталям, что по-

казывает ее маркировка, но используется для ответственных деталей машин

и конструкций и является низколегированной сталью перлитного класса.

Для производства шариков, роликов и колец подшипников применяют

недорогие технологичные высокоуглеродистые (0,95–1,1 % С) – шарикопод-

шипниковые стали

Работоспособность этих изделий зависит от скорости поверхностного

усталостного выкрашивания. Основная защита – высокая твердость и изно-

состойкость рабочей поверхности.

Эти свойства обеспечивает структура мелкоигольчатого мартенсита

отпуска с равномерно распределенными избыточными карбидами после за-

калки в масле и низкого отпуска.

Марки сталей этой группы: ШХ9, ШХ15, а для деталей, прокаливаю-

щихся на большую глубину (свыше 30 мм), применяют сталь ШХ15СГ.