Утверждаю
Ректор университета
________________А.В.Лагерев
«____»___________2008 г.
Материаловедение
Исследование влияния легирующих элементов
НА ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ
Методические указания
к выполнению лабораторной работы № 7
для студентов дневной и вечерней форм обучения
всех специальностей
Брянск 2008
УДК 669.01
Материаловедение. Исследование влияния легирующих элементов на прокаливаемость стали: методические указания к выполнению лабораторной работы № 7 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей. - Брянск: БГТУ. – 2008. – 15с.
Разработал: В.П. М е л ь н и к о в,
канд.техн.наук, доц.
Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол №3 от 04.04.08)
1. Цель и задача работы
Цель работы - исследовать влияние химического состава на прокаливаемость сталей и построить кривые прокаливаемости и исследованных сталей.
Продолжительность работы – 2 часа.
2. Краткие теоретические сведения
Свойства деталей, подвергаемых закалке, во многом зависят от прокаливаемости стали. Для деталей, работающих в условиях повышенных напряжений и значительных динамических нагрузок, необходимо выбирать стали с повышенной прокаливаемостью.
Под п р о к а л и в а е м о с т ь ю понимают способность стали получать закаленную структуру в поверхностном слое детали на определенную глубину*. Закаленной принято считать зону, включающую мартенситную структуру и структуру, состоящую из мартенсита (М) и не более 50% троостита (Т). Структуру, состоящую из 50% М и 50% Т, называют п о л у м а р т е н с и т н о й. Поэтому за глубину проникновения закаленной зоны (за глубину прокаливаемости) принимают расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя с полумартенситной структурой.
Прокаливаемость стали зависит от критической скорости закалки, которая, в свою очередь, зависит главным образом от состава стали (содержания легирующих элементов и углерода). Все легирующие элементы (кроме кобальта) и углерод, растворенные в аустените, уменьшают критическую скорость закалки, а следовательно, увеличивают прокаливаемость стали. Наибольший эффект достигается при комплексном легировании. Правильный подбор легирующих добавок позволяет получать сквозную** прокаливаемость и при массивных сечениях деталей.
___________________________
* Следует различать прокаливаемость и закаливаемость сталей. Под закаливаемостью понимают твердость при закалке. Твердость после закалки, главным образом, зависит от содержания углерода в стали.
** Получать закаленную структуру по всему сечению детали.
Детали при сквозной закалке и последующем отпуске на феррито-цементитную смесь (тростит или сорбит) характеризуются лучшей работоспособностью в сравнении с деталями, которые не имели сквозной закалки, хотя твердость в обоих случаях после отпуска может быть одинаковой. Это объясняется тем, что феррито-цементитная смесь, которая получается при отпуске в результате распада мартенсита, имеет зернистое строение, а смесь, которая получается при непосредственном распаде аустенита,- пластинчатое строение.
В зависимости от условий работы деталей не всегда требуется сквозная прокаливаемость. При работе на изгиб и кручение деталей ответственного назначения требуется, чтобы детали имели прокаливаемость на глубину ½ радиуса. В остальных случаях – ¼ радиуса. Сквозная закалка необходима для деталей, работающих на растяжение (например, шатуны, крепежные шпильки), поскольку в этом случае работает все сечение изделия, а также для деталей, которые испытывают упругие деформации с большой амплитудой (например, рессоры, пружины).
Прокаливаемость сталей традиционно оценивают критическим диаметром закалки для данного охладителя (Дк.в – в воде, Дк.м – в масле). Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Наиболее простым и надежным способом определения прокаливаемости сталей является метод торцовой закалки специального образца (рис.1)*.
При таком методе один торец цилиндрического образца (рис.1), нагретого до температуры закалки, охлаждают водой в специальной установке. Температуру нагрева (аустенизации) назначают в зависимости от состава стали. Время выдержки при температуре аустенизации устанавливается из расчета: 1 минута на 1 мм толщины сечения или диаметра изделия (образца) для углеродистых и 2 минуты на 1 мм – для легированных сталей.
__________________________
* Подробнее см. ГОСТ 5657-69
Рис.1. Образец для определения прокаливаемости торцовым методом
Охлажденный образец ошлифовывают по образующей на глубину 0,5 мм и измеряют твердость HRC через каждые 3 мм, начиная, от закаленного торца. По полученным данным строят кривую прокаливаемости (рис.2).
Рис.2. Определение твердости по длине образца
после торцовой закалки
Определив на рис.3 твердость полумартенситной структуры (ПМС) для соответствующего содержания углерода в стали (например, при 0,6% углерода твердость ПМС равна 47 HRC), на рис.2 находят расстояние от закаливаемого торца до слоя с ПМС. Это расстояние, характеризующее прокаливаемость, для стали с 0,6% углерода равно 9 мм.
Рис.3. Определение твердость полумартенситной структуры
в зависимости от содержания углерода
По этому значению на номограмме Блантера (см. приложение) можно определить реальные критические диаметры изделий из данной стали, получающих сквозную прокаливаемость при охлаждении в различных закалочных средах. Для этого на шкале для полумартенситной зоны (в верхней части номограммы) нужно найти точку, соответствующую 9 мм, и, опустив из нее вертикаль до пересечения с прямой «идеальное охлаждение»*, через точку их пересечения провести горизонталь влево до линии, соответствующей желаемой охлаждающей среде (вода, минеральное масло, воздух).
____________________
* Охлаждение с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенное принятие деталью температуры окружающей среды
Из точки пересечения этих линий спроектировать на горизонтальную ось шкалу тел соответствующей формы и размеров (в нижней части номограммы), где будет указан критический (реальный) диаметр (Дк.) изделия для получения в его сердцевине полумартенситной структуры.
По номограмме Блантера можно определить также необходимую скорость охлаждения сердцевины изделия для получения в ней ПМС.
3. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ
И СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА
3.1. Необходимые материалы и оборудование
1. Образцы из углеродистой и легированных сталей с одинаковым содержанием углерода.
2. Электропечи.
3. Приборы для измерения температуры.
4. Установка для торцевой закалки.
5. Клещи.
6. Твердомер.
3.2. Техника безопасности
1. Не разрешается касаться электропроводки руками, вскрывать защитный кожух терморегулятора на электропечах, находящихся под напряжением.
2. Электропечи включать и выключать рубильниками.
3. Образцы загружать и выгружать из печей только клещами.
3.3 Содержание и организация работы
Работа выполняется за два занятия.
П е р в о е з а н я т и е (2 часа):
1. Получить у лаборанта по одному образцу из углеродистой и легированных сталей с одинаковым содержанием углерода.
2. Выбрать температуру нагрева образцов для закалки с учетом химического состава сталей.
3.Загрузить образцы в электропечи, нагретые до выбранных температур закалки, выдержать их в печи в течение 30 минут.
4. После выдержки быстро перенести образцы на установку для торцевой закалки и охладить.
5. Сошлифовать по длине закаленного образца слой толщиной 0,5 мм.
В т о р о е з а н я т и е (2 часа):
1. Получить образцы у лаборанта.
2. Измерить твердость на приборе Роквелла (шкала HRC, нагрузка 150 кгс* вдоль шлифованной дорожки через каждые 3 мм, начиная от закаленного торца).
3. Построить кривые прокаливаемости в координатах: твердость (ось ординат) – расстояние от закаливаемого торца, мм (ось абсцисс).
4. На рис.3 определить твердость полумартенситной структуры (ПМС) исходя из содержания углерода в исследованных сталях. По этим значениям найти на рис.2 для каждой стали расстояние от закаливаемого торца до слоя с полумартенситной структурой.
5. По номограмме Блантера (рис.4) определить реальные критические диаметры изделий, получающих прокаливаемость по всему сечению, а также скорость охлаждения при этом сердцевины изделия.
6. Проанализировать полученные результаты по прокаливаемости исследованных сталей и сделать выводы о влиянии химического состава на прокаливаемость.
7. Составить отчет.