МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА

Федеральное государственное образовательное учреждение ВПО

áá МОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ИМЕНИ АДМИРАЛА Ф.Ф.УШАКОВАññ

Кафедра «Ремонт судовых машин и механизмов»

Методические указания

к практической работе

«Выбор режимов термической обработки стали»

Новороссийск 2008 г.

Методические указания к практической работе «Выбор режимов термической обработки стали» по курсу «Материаловедение и Технология Конструкционных Материалов» разработана согласно учебному плану дисциплины кафедры «Ремонт судовых машин и механизмов»./ Сост. Березовский Ф.М Фролов М.М. - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова. 2008.

Методические указания включают в себя краткие теоретические сведения, последовательность выполнения, используемые материалы и контрольные вопросы к практической работе по разделу «Материаловедение» изучаемого курса, помогут курсантам и студентам закрепить теоретические знания и приобрести практические навыки в работах, выполняемых в судовых условиях. Методические указания используются в учебном процессе, а также при подготовке к зачету, защите практических работ, предназначены для курсантов и студентов специальностей: «Эксплуатация перегрузочного оборудования Портов и транспортных терминалов», «Эксплуатация судовых энергетических установок», «Судовождение на морских путях», «Организация перевозок и управления на транспорте», «Эксплуатация судового электрооборудования и средств автоматики», «Инженерная защита окружающей среды».

Практическая работа рассчитана на 6 часов.

Рецензент доцент _______________________________ Халилов Н.А.

Утверждено на заседании кафедры РСММ,

Протокол №__ от __/_____/_______/г.

Начальник кафедры РСММ доцент ________________________ К.Б. Пальчик

Цель работы получить навык по выбору оптимального нагрева и охлаждения сталей согласно диаграмме Fe – Fe₃C при термической обработке.

1. Теоретическое положение практики закалки и отпуска.

1.1 Закалка углеродистых сталей производится в целях повышения их механических свойств: твердости, предела прочности, упругости и износостойкости.

Процесс закалки состоит из следующих этапов:

а) нагревания изделия до температуры закалки;

б) выдержки изделия в течение определенного времени при заданной температуре;

в) охлаждение изделия с нужной скоростью.

Температура нагрева под закалку должна обеспечить в стали аустенитную структуру. На рис 1и табл. 1 показан интервал температур для закалки сталей в зависимости от содержания углерода.

Рис. 1 - Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

Таблица 1 – Температура закалки углеродистых сталей

Группа стали	Содержание углерода, %	Температура закалки,ºС
Углеродистые	0,25	900
	026 – 0,36	870
	0,37 - 0,55	840
	0,56 – 0,90	820
	0,91 – 2,00	780

Если доэвтектоидную сталь нагревать до аустенито-ферритной структуры, то закалка будет неполная, а твердость стали не высокая( в структуре будет феррит) Заэвтектоидные стали рекомендуется нагревать до аустенито-цементитной структуры, т.е. производить неполную закалку, так как цементит в структуре увеличит твердость металла.

В случае нагрева выше рекомендованного интервала возможен перегрев стали и снижение ее свойств. Для контроли температуры в печи применяются термопары и пирометры. При их отсутствии и видуальном производстве температуру ориентировочно можно определить по цветам каления. Цвет каления стали в зависимости от температуры, ºС, изменяется следующим образом:

Начало свечения металла	500	Густо-оранжевый	900
Темно-бурый	550	Желтый	1000
Темно-красный	650	Желто-белый	1100
Вишнево-красный	700	Белый	1200
Светло-красный	800	Ярко-белый	1300

Время выдержки стали при температуре закалки должно быть достаточным для того, чтобы обеспечить образование однородного аустенита по всему сечению.

Время нагрева и выдержки изделий из углеродистой стали зависит от температуры нагрева, нагревающей среды и формы изделий. В таблице 2 приведены условия нагрева стали. Одним из показателей свойств металла является его твердость при распаде аустенита, как показано на рисунке 2, возникают следующие структуры:

Перлит НВ -180-250;

Сорбит НВ -250-350;

Тростит НВ -350-450;

Мартенсит НВ -550-800;

Таблица 2 – условия нагрева стали при термообработке

Температура нагрева, ºС.	Время выдержки, мин, на 1мм толщины (диаметра) образца в зависимости от его формы			Температура нагрева, ºС.	Время выдержки, мин, на 1мм толщины (диаметра) образца в зависимости от его формы
	цилиндр	квадрат	пластина		Цилиндр	квадрат	пластина
500	2,5	3,8	5,0	800	1,0	1,5	2,0
600	2,0	3,0	4,0	900	0,8	1,2	1,6
700	1,5	2,2	3,0	1000	0,4	0,6	0,8

Рисунок 2 – Влияние скоростей охлаждения на формирование структур сталей при распаде аустенита.

V₁ < 50ºC B1_c; V₂ ~ 100ºC B1_c; V₃ ~ 200ºC B1_c; V₄ ~ 500ºC B1_c

Vкр – критическая скорость охлаждения свидетельствующая о том, что при меньшей скорости получаются смешанные структура мартенситно-троститные, а при больших скоростях чисто мартенситные структуры.

При закалке важным является медленное охлаждение стали в интервале температур, при которых происходит превращение аустенита в мартенсит (300ºС), так как непосредственный переход аустенита в мартенсит не требует больших скоростей охлаждения и, кроме того, если превращение аустенита в мартенсит будет происходить при медленном охлаждении, то изменение его объема по сечению протекает равномерно и тем самым снижаются внутренние напряжения и деформации.

В таблице три приведены скорости охлаждения, получаемые в некоторых охлаждаемых средах.

Таблица 3 – Скорость охлаждения стали в охлаждающих средах.

Закалочная среда	Скорость охлаждения в интервале температур, ºС/с
	650 - 550ºС	300 - 200ºС
Вода при температуре, ºС:
18	600	270
28	500	270
50	100	270
74	30	200
10%-ный раствор в воде при 18ºС:
Едкого натра	1200	300
Поваренной соли	1100	300
Соды	800	270
Эмульсия масла в воде	70	200
Масло:
Минеральное машинное	150	30
трансформаторное	120	25
Спокойный воздух	18	-

1.2 Отпуск стали

Отпуском называется заключительная операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической А_С1, выдержки при этой температуре и последующим медленном или быстром охлаждении. Цель отпуска – устранение или уменьшение напряжения в стали, повышение вязкости и понижение твердости. Правильное выполнение отпуска в значительной степени определяет количество готовой закаленной детали. Температура отпуска варьируется в очень широких приделах – от 150 до 1700ºС, в зависимости от его цели. Различают низкий, средний и высокий отпуск.

Низкий отпуск характеризуется нагревом в интервале 150 - 250ºС, выдержкой при этой температуре и последующим охлаждением на воздухе, выполняется для снятия внутренних напряжений в закаленной стали с целью повышения вязкости без заметного снижения твердости. Средний отпуск производится при температуре 300 - 450ºС. Твердость сталей заметно понижается, вязкость увеличивается. Этот отпуск применяют для пружин, рессор, а также инструмента, который должен иметь значительную прочность и упругость при средней твердости. В процессе высокого отпуска ( при температуре 500 - 650ºС) мартенсит распадается с образованием троостита, а затем и сорбита. Эти структуры обеспечивают лучшее сочетание прочности и пластичности. Применяется этот вид отпуска для деталей подвергающихся действию высоких знакопеременных и ударных нагрузках.

В результате термической обработке в изделии образуется метастабильных структур.

К метастабильным (неустойчивым) структурам относятся: мартенсит, троостит, сорбит, аустенит.

Мартенсит имеет игольчатое строение. Размеры игл зависят от температуры закалки, от размеров зерен аустенита, из которых они образовались, и их количества. Лучшими механическими свойствами обладает мелкоигольчатый мартенсит. В микроскопе мартенсит наблюдается в виде игл, расположенных под углами 60, 90 и 120º друг к другу.

Троостит является продуктом распада аустенита при закалке, а при среднем отпуске – продуктом распада мартенсита. Троостит травится реактивами интенсивнее мартенсита, поэтому под микроскопом он выглядит темным.

Сорбит образуется при высоком отпуске закалочной на мартенсит стали. Сорбит виден под микроскопом в виде светлых участков – зерен, цементита в феррите.

Аустенит наблюдается в виде светлых полей или светлого фона. Остаточный аустенит бывает только в высокоуглеродистых и некоторых легированных сталях после закалки.

На рисунке 3 (а, б, в, г, д.) представлены метастабильные структуры мартенсита и продуктов его отпуска.

а) б) в)

г) закалка д) отпуск

Рис. 3 - Микроструктура мартенсита и продуктов его отпуска: а, б, в - троостит г, д – сорбит.

На рисунке 4 (а, б, в, г, д,е.) показаны эти структуры схематично

а. б. в.

г. д. е.

Рисунок 4 – Схема продуктов распада аустенита а, б, в, г и мартисита д, е.

а – перлит; б – сорбит; в – троостит; г – мартенсит; д – троостит; е - ?

Одним из способов виндивидуальном производстве, определения температуры отпуска является изменение цветов побежалости.

Цвета побежалости возникают вследствие окисления железа при нагреве. Причиной различия в цветовой гамме является толщина образующейся окисной пленки в зависимости от температуры нагрева. Цвета побежалости определяются по образцам ???? на темный фон. Ниже приведены цвета побежалости в зависимости от температуры нагрева.

Светло-желтый………...220

Желтый…….…………...230

Темно-желтый……........240

Коричневый……………255

Коричнево-красный…..265

Фиолетовый…………285

Темно-синий………...295 - 310

Светло-синий………..315 – 325

Серый…………….….300

Голубовато-серый….350

Серовато-зеленый.….400