Материаловедение_лабы
.pdf7.3.Порядок выполнения работы
1.Получить три образца стали.
2.Поместить все образцы в одну закалочную печь, нагретую до температуры, равной оптимальной температуре закалки для данной стали.
3.После нагрева образцов до указанной температуры произвести выдержку в течение 15…20 мин.
4.Закалить все образцы в воде.
5.Снять на наждачном круге обезуглероженный слой (около 0,5 м) с торцевой поверхности образцов и зачистить оба торца на наждачной бумаге.
6.Измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла по шкале СЭ.
7.Произвести отпуск образцов (температуры отпуска по указанию преподавателя). Выдержка в печи 20…25 мин.
8.По окончании выдержки образцы вынуть из печей и охладить на воздухе.
9.Зачистить торцевые поверхности образцов на наждачной
бумаге.
10.Измерить твердость отпущенных образцов на приборе Роквелла по шкале СЭ.
11.Результаты испытаний свести в табл. 7.1.
12.На основании полученных результатов построить кривую изменения твердости стали в зависимости от температуры отпуска.
13.Ознакомиться с видом разрушения разрывных и ударных образцов, подвергавшихся закалке и отпуску при различных температурах.
|
|
|
|
Т а б л и ц а 7.1 |
|
|
Твердость и микроструктура образцов после отпуска |
||||
|
|
|
|
|
|
|
Твёрдость |
Температура |
Твёрдость |
|
Микроструктура |
№ образца |
после закалки |
после отпуска |
|
||
|
НRСЭ |
отпуска |
НRСЭ |
|
после отпуска |
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
П р и м е ч а н и е. Микроструктура записывается в таблицу на основании полученной твердости без изучения микрошлифов.
60
7.4.Содержание отчета
1.Наименование и цель работы.
2.Характеристика стали в закаленном состоянии (марка стали, твердость, микроструктура).
3.Таблица результатов исследований.
4.Кривая зависимости твердости стали от температуры от-
пуска.
5.Выводы по работе.
7.5.Вопросы для самопроверки
1.С какой целью производится отпуск закаленной стали?
2.Какие процессы происходят при отпуске закаленной ста-
ли?
3.Какие структуры получаются при различных видах отпуска
икакими свойствами они обладают?
4.Как изменяется характер изломов разрывных и ударных образцов при повышении температуры отпуска?
5.Каково применение различных видов отпуска?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
8.1.Цель работы
1.Усвоить принципы термической обработки стали.
2.Ознакомиться с практикой проведения нормализации и закалки стали.
3.Определить влияние углерода на структуру и твердость сталей, указанных в задании, после отжига, нормализации и закалки.
8.2.Теоретическое обоснование работы
Углеродистая сталь промышленного производства содержит, кроме железа и углерода, некоторое количество постоянных и случайных примесей. Однако именно углерод оказывает решающее влияние на структуру и свойства стали.
61
Для получения требуемых свойств сталь подвергают следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском. Возможность получения определенных свойств в результате термической обработки связана с полиморфными превращениями железа, а также различной растворимостью углерода в Feα и Feγ.
Металлургические заводы поставляют углеродистую сталь в виде проката различного профиля после отжига или нормализации. Отжиг стали относится к предварительной термической обработке, задачами которой являются либо устранение дефектов горячей обработки давлением или литья, либо подготовка структуры к окончательной термической или другим видам обработки. Под отжигом понимают вид термической обработки, состоящий из нагрева до определенной температуры, выдержки и медленного охлаждения с печью. Такая скорость охлаждения обеспечивает получение равновесной структуры.
Всоответствии с диаграммой «железо–цементит» (т.е. в равновесном состоянии) структура стали состоит из двух фаз: феррита и цементита. С увеличением содержания углерода количество цементита возрастает. Твердые и хрупкие его частицы повышают твердость, пределы прочности и текучести стали, уменьшая относительное удлинение, относительное сужение и ударную вязкость.
Взависимости от задач, которые решаются при отжиге, и температуры нагрева широко применяется полный и неполный отжиг (рис. 8.1). Существуют также другие специальные виды отжига: диффузионный, рекристаллизационный, низкий (в настоящей работе не рассматриваются).
Рис. 8.1. Температура нагрева при различных видах отжига
62
Полный отжиг применяется для горячего проката, поковок, отливок и сварных заготовок с целью измельчения зерна, получения равновесной структуры, обеспечивающей снижение твердости и повышение пластичности, что облегчает последующую обработку. Одновременно с этим устраняются следы наклепа, которые могут сохраняться после обработки давлением, а также снимаются остаточные напряжения в отливках и сварных изделиях.
Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50°С выше критической температуры AСЗ (область мелко-
зернистого аустенита), выдержке при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений с последующим медленным охлаждением вместе с печью.
Неполный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей для улучшения обрабатываемости резанием, когда нет необходимости в полной фазовой перекристаллизации (зерно феррита достаточно мелкое), а для заэвтектоидных сталей является основным видом отжига, при котором достигается получение структуры зернистого перлита.
При неполном отжиге сталей нагрев осуществляется до температуры на 30…50°С выше критической температуры АС1 . При
этом происходит лишь частичная перекристаллизация структуры. Полную перекристаллизацию претерпевает только перлит (происходит измельчение перлита). Кристаллы феррита (в доэвтектоидной стали) и цементита (в заэвтектоидной) не изменяют своих размеров.
Врезультате неполного отжига уменьшается твердость стали
иснижаются остаточные напряжения.
Нормализация – это вид термической обработки, которую, так же как и отжиг, применяют для проката, поковок, отливок. Нормализация заключается в нагреве выше верхних критических темпе-
ратур AСЗ , Аст с последующим охлаждением на воздухе. Вследст-
вие повышенной скорости охлаждения при нормализации получается более мелкозернистая структура. Избыточный феррит в доэвтектоидной стали и вторичный цементит в заэвтектоидной не успевают полностью выделиться, а структура перлита получается более тонкой. В связи с этим прочность и твердость стали в нормализованном состоянии выше, чем в отожженном.
63
Характер структур и свойств стали после нормализации зависит от содержания углерода. Для низкоуглеродистой стали (0,10…0,25% С) нормализацию применяют вместо полного отжига для получения мелкозернистой структуры, а также как более экономичный вид термической обработки. Для среднеуглеродистой стали (0,3…0,5% С) нормализация или нормализация с высоким отпуском служит окончательной термической обработкой. Применяется она вместо закалки с отпуском, так как обеспечивает требуемые свойства. Такие нормализованные стали имеют структуру сорбитообразного характера (тонкопластинчатый перлит). Нормализация высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали производится
с целью устранения в их структуре сетки цементита.
Закалкой называется вид термической обработки, при которой сталь, нагретая до состояния мелкозернистого аустенита, выдерживается для полного завершения фазовых превращений, а затем быстро охлаждается со скоростью, обеспечивающей получение неравновесной структуры мартенсита.
Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода вα -железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Получение структуры мартенсита повышает твердость металла и другие характеристики сопротивления деформированию.
Влияние углерода на свойства стали весьма значительно проявляется при закалке. С увеличением содержания углерода твердость и прочность резко возрастают.
В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 30…50°С выше критической
AСЗ , что обеспечивает при охлаждении с высокой скоростью по-
лучение мартенситной структуры. При неполной закалке температура нагрева стали должна быть на 30…50° выше критической
температуры АС1 .
Заэвтектоидные стали подвергают обычно неполной закалке, после которой в структуре наряду с мартенситом будет находиться цементит. Такая сталь отличается более высокой твердостью по сравнению со сталью после полной закалки, нагреваемой до тем-
пературы Аст (30…50°С).
Закаленная сталь обладает высокой хрупкостью. Кроме того, в ней сохраняются остаточные внутренние напряжения, которые
64
могут вызвать недопустимую деформацию изделия или образование трещин в металле. Свойства такой стали нестабильны и изменяются со временем. Поэтому закаленную сталь подвергают последующему отпуску.
При проведении работы для каждой группы студентов используют углеродистые стали: первая – с содержанием углерода 0,02; 0,40; 0,80%; вторая – с содержанием углерода 0,20; 0,60; 1,20%.
8.3.Порядок выполнения работы
1.Получить от преподавателя задание по составу исследуемой стали.
2.Получить два образца стали с заданным содержанием углерода в отожженном состоянии.
3.Подготовить рабочую таблицу (табл. 8.1) для записи результатов работы.
4.По диаграмме состояния «железо–цементит» определить
критические температуры AСЗ или Аст исследуемой стали и на-
значить температуры ее нагрева для полного отжига, нормализации и закалки.
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т а б л и ц а 8.1 |
|||
|
|
|
|
|
|
|
Рабочая таблица |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Содер |
Крити- |
Темпе- |
|
Среднее значение твердости стали |
Микро- |
|||||||||||
жание |
ческая |
|
после отжига (О), нормализа- |
|||||||||||||
ратура |
|
структура |
||||||||||||||
угле- |
темпе- |
|
|
ции(Н), закалки (З) |
|
|||||||||||
нагрева |
|
|
|
стали |
||||||||||||
рода в |
ратура |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
°С при |
|
О |
|
Н |
|
З |
после |
|||||||||
стали, |
|
°С |
|
|
|
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
С, % |
A |
|
A |
О |
Н |
З |
|
НRВ |
НВ |
НRВ |
НВ |
НRВ |
HRC |
О |
Н |
З |
|
СЗ |
|
ст |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
э |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
5. Подготовить один из образцов исследуемой стали для измерения твердости, для чего с торца, на котором нет клейма, снять наждачным камнем и наждачной бумагой поверхностный окисленный и обезуглероженный слой. Противоположную торцевую поверхность зачистить только наждачной бумагой.
Измерить твердость подготовленного образца на приборе Роквелла, причем твердость образцов из стали с содержанием углеро-
65
да 0,02; 0,20; 0,40; 0,60% измерять по шкале В, а образцов с содержанием углерода 0,8 и 1,2% – по шкале С (на каждом образце делать три замера).
По результатам трех измерений вычислить среднее значение твердости образцов по Роквеллу и перевести его в единицы твердости по Бринелю (НВ).
6.Каждой группе провести термическую обработку двух исследуемых образцов, для чего поместить их в печь с температурой, совпадающей с температурой термической обработки (см. п. 3), и выдержать при этой температуре 15 мин. После этого один образец подвергнуть нормализации (охладить на спокойном воздухе), а другой – закалке (охладить в воде).
Подготовить нормализованный и закаленный образцы для замера твердости, как указано в п. 5.
7.Измерить твердость нормализованного образца на приборе Роквелла: твердость образцов из стали с содержанием углерода до 0,6% измерять по шкале В, остальных – по шкале С. Результаты перевести в единицы твердости по Бринелю.
Измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла по шкале С и перевести в единицы твердости по Бринелю.
8.Построить график изменения твердости отожженной нормализованной и закаленной стали в зависимости от содержания углерода в координатах «твердость–содержание углерода».
9.Получить у лаборанта коллекцию микрошлифов сталей с содержанием углерода 0,20; 0,40 и 1,2% в отожженном, нормализованном и закаленном состоянии и изучить под микроскопом структуры этих сталей.
10.Схематически зарисовать структуры стали с содержанием углерода 0,40 и 1,2% после отжига, нормализации и закалки.
8.4.Содержание отчета
1.Наименование и цель работы.
2.Задание и исходные данные.
3.Стальной участок диаграммы «железо–цементит» с нанесением на нее области температур полного отжига, нормализации
изакалки.
4.Таблица результатов исследования сталей с различным содержанием углерода.
66
5.График изменения твердости стали в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях в зависимости от содержания углерода.
6.Зарисовки структур сталей с содержанием углерода 0,4 и 1,2% в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях.
7.Выводы по работе.
8.5.Вопросы для самопроверки
1.С какой целью стали подвергают отжигу и нормализации?
2.В чем сущность процесса закалки стали?
3.В чем состоит различие между полной и неполной закалкой? Какую сталь следует подвергать неполной закалке и почему?
4.Как изменяется твердость в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях в зависимости от содержания углерода?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕМЕНТИРОВАННОЙ СТАЛИ
9.1.Цель работы
1.Ознакомиться с технологией цементации и ее назначением.
2.Изучить влияние режимов термической обработки на механические и эксплуатационные свойства цементованой стали.
9.2.Теоретическое обоснование работы
Цементация – один из наиболее распространенных видов хи- мико-термической обработки – состоит в насыщении углеродом поверхностного слоя изделий, изготовленных из малоуглеродистой стали. Задача цементации – получение твердой износоустойчивой поверхности при сохранении относительно мягкой сердцевины. Детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Режимы термической обработки назначают в зависимости от условий эксплуатации изделия и микроструктуры сердцевины и поверхностного слоя.
67
Цементации обычно подвергаются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1…0,25%. Для цементации не применяют кипящие стали, так как они склонны к образованию анормальной структуры. Наличие легирующих элементов и примесей в стали влияет как на процесс цементации, так и на свойства цементированного слоя и сердцевины.
Процесс цементации. Цементация стали может осуществляться в двух основных средах: твердых и газообразных. Вещества, в которых протекает процесс цементации, называются карбюризаторами. Цементация в твердом карбюризаторе является наиболее простым и доступным способом поверхностного насыщения стали углеродом. В качестве твердого карбюризатора применяется древесный уголь твердых пород дерева в смеси с углекислыми солями (обычно BaCO3 или Na2CO3). Газовая цементация используется для серийного и крупносерийного производства и проводится в среде газов, содержащих углеводороды или окись углерода, (светильный газ, ацетилен, пиролизный газ, пары бензола и др.).
Для предохранения отдельных участков детали от цементации применяются различные способы. Наиболее надежный из них – электролитическое покрытие медью тех мест на изделии, которые не подлежат цементации. При отсутствии необходимого оборудования применяют обмазку глиной в смеси с асбестовым волокном и жидким стеклом. Этот способ не всегда обеспечивает достаточно надежную защиту, так как обмазка после высыхания часто растрескивается. На деталях простой формы иногда оставляют припуск в несколько миллиметров, который после цементации удаляется (до термической обработки). Обычно в цементацию направляются детали после чистовой механической обработки или с припусками на шлифовку.
При твердой цементации изделия укладывают в специальные ящики, изготовленные обычно из жаростойких сплавов, и пересыпают карбюризатором. Чтобы на всех деталях получить сравнительно одинаковую глубину цементированного слоя, детали укладывают в ящики слоями, на определенных расстояниях друг от друга и от стенок ящика. Заполненный ящик герметически закрывается. Процесс цементации обычно ведется при температурах
930…950°, т.е. выше точки AC3 , когда сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этих условиях процесс протекает
68
достаточно интенсивно, так как γ-железо способно растворять значительное количество углерода.
При температуре процесса углекислые соли, входящие в состав карбюризатора, разлагаются с выделением углекислого газа:
BaCO3 → BaO +CO2 .
Углекислый газ, находясь в соприкосновении с раскаленным углем, восстанавливается до окиси углерода:
CO2 → C +CO .
На поверхности стали, обладающей каталитическими свойствами, окись углерода диссоциирует по реакции
2CO → CO2 +C .
Выделяющийся при этом атомарный углерод способен активно взаимодействовать с металлической поверхностью, растворяясь в аустените. Поглощенный поверхностью металла углерод с течением времени диффундирует вглубь. Глубина цементированного слоя зависит от состава карбюризатора, температуры и длительности процесса. Скорость процесса науглероживания в стандартном карбюраторе около 0,1…0,12 мм/ч.
Требуемая глубина цементированного слоя устанавливается в зависимости от условий работы детали. Для крупных и сильно нагруженных деталей цементация производится на глубину до 2,0…2,5 мм, для средних деталей достаточна глубина слоя 0,8…1,2 мм, а для изделий небольших размеров или работающих при небольших удельных давлениях – 0,5…0,8 мм. Если требуется глубина меньше 0,5 мм, то цементацию твердым карбюризатором применять нерационально. В этом случае следует пользоваться жидкостной цементацией, цианированием или другими видами химико-термической обработки.
Микроструктура цементированного слоя. Микроструктура цементированного слоя зависит от температуры и продолжительности процесса, а также от скорости охлаждения после цементации. Рекомендуемое содержание углерода в поверхностном слое – 0,8…0,9%, так как при большей концентрации появляется избыточный цементит, чаще в виде сетки, наличие которого вызывает излишнюю хрупкость цементированной поверхности. Однако на практике содержание углерода в поверхностном слое, как правило, превышает 0,8%, так как его растворимость в аустените при тем-
69