Министерство образования Российской Федерации

Тульский государственный университет

Кафедра технологии металлов и литейного производства

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ И СВАРКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

для студентов очного обучения

Тула 2000 г.

1. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Изучить методику проведения и режимы закалки и отпуска стали.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Термическая обработка представляет собой совокупность опе­раций нагрева, выдержки и охлаждения, проводимых в определенной последовательности и в определенном режиме с целью изменения внутреннего строения и свойств сплавов.

Термическая обработка железоуглеродистых сплавов основана на использовании фазовых превращений в результате пере­хода, разной растворимости углерода в и фазах железа, а также изменения растворимости углерода в фазах железа при повышении или понижении температуры.

Температуры, при которых происходят фазовые превращения в сплавах системы железо-углерод , называют критическими точ­ками и обозначают буквой А (arret - остановка, фр.). Каж­дый сплав имеет свои точки фазовых превращений, которые обра­зуют линии на диаграмме (рисунок)

Первая группа критических точек А, лежит на линии PSK (727°С) и соответствует превращению перлит аустенит (ПА)

Точки магнитного превращения феррита А₂ лежат на липки LM (768°С)..

Точки А₃ лежат на линии GS к соответствуют превращению феррит + аустенит аустенит ( Ф + А А).

Температура этого превращения у каждого сплава своя и по­нижается от точки G (чистое железо, 910°С) к точке S (сплав с 0,8% углерода, 727°С),

Точки А_ст лежат на линии SE соответствуют растворению цементита вторичного в аустените при нагреве и выделению цементита вторичного из аустенита при охлаждении (A+Ц_ПА)

Рис.1. Левый нижний угол диаграммы сплавов системы железо - углерод

Практически все превращения, кроме магнитного, вследствие гистерезиса совершаются: при нагреве - выше линии крити­ческих точек (необходим перегрев), а при охлаждении - ниже ли­ний критических точек (необходимо переохлаждение). Для различия процессов нагрева и охлаждения ввели дополнительные обозначения.

При нагреве критические точки обозначают дополнительным индексом «с» (cauffe. - нагрев, фр.): А_C1, А_C3, А_CТ, а при охлаждении - индексом «r» (refreidissement - охлаждение, фр,) А_r1, А_r2, А_r3..

2.1. Превращения в стали при нагреве

Нагрев стали при термической обработке в большинстве слу­чаев осуществляют до аустенитного состояния.

При нагреве стали выше линии А_C1 перлит превращается в аустенит (ПА). Дальнейшее повышение температуры приводит в доэвтектоидных сталях к превращению феррита в аустенит ( -железо превращается в -железо), а в заэвтектоидных сталях к растворению вторичного цементита в аустените (А+Ц_ПА). Превращение заканчивается выше линии А_C3, а превращение (А+Ц_ПА) заканчивается выше линии А_CТ следовательно, нагрев выше линии GSE на 30...50°С обеспечивает аустенитную структуру в стали.

Для выравнивания химического состава аустенита сталь выдерживают определенное время (приблизительно 1,0...1,5 мин на 1 мм толщины детали).

2.2. Превращения в стали при охлаждении

Аустенит устойчив только при температуре выше линии А_r1. При охлаждении стали, предварительно нагретой до аустенитного состояния, ниже точки А_r1 аустенит становится неустойчивым (начинается его превращение).

В зависимости от скорости охлаждения аустенит может превра­титься в перлит, сорбит, троостит или мартенсит.

Медленное охлаждение стали со скоростью V_охл<40°С/с способствует превращению аустенита в перлит при температуре 727...650°С.

Большие скорости охлаждение способствуют превращению аусте­нита в сорбит при V_охл 50°С/с и 650...600°С и в троостит при V_охл 80°С/с и 600…500°С.

Ещё большая скорость охлаждения V_охл > 200°С/с способствует превращению аустенита в мартенсит.

Перлит, сорбит и троостит представляют собой механическую смесь феррита и цементита разной степени дисперсности.

Перлит является крупнодисперсной структурой - крупные плас­тинки цементита и прослойки феррита между ними.

Сорбит - структура средне дисперсная, троостит - мелкодисперсная.

Мартенсит же представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в -железе. За счет избыточного растворения углеро­да (свыше 0,4%) кристаллическая решетка -железа искажается, вытягивается и из кубической переходит в тетрагональную. Это приводит к увеличению твердости и уменьшению пластичности стали.

Твердость мартенсита тем выше, чем больше углерода, рас­творенного в -железе.

Механизм мартенситного превращения бездиффузионный и заключается в аллотропическом превращении -железа в -железо. Поэтому весь углерод, растворенный в аустените, остается в фер­рите.

Перлит, сорбит и троостит можно получить не только при охлаждении стали из аустенитного состояния. Эти структуры можно получить и при нагреве мартенсита до определенной темпе­ратуры: перлит получают при нагреве мартенсита до 650…727°С, сорбит - 600...650°С, троостит – 500...600°С. При нагреве до указанных температур мартенсит распадается на механическую смесь цементита и феррита.

2.3.Закалка стали

Закалка - это операция термической обработки, при которой сталь нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре для выравнивания химического состава фаз, а затем охлаждают с высокой скоростью,

Основное назначение закалки - получить сталь с высокими физико-механическими характеристиками: твердостью, прочностью, износостойкостью. Качество закалки зависит от правильного вы­бора режима: температуры, времени выдержки, скорости охлаж­дения.

Температуру нагрева стали под закалку определяют по диаграмме состояния сплавов системы железо - углерод (рисунок).

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии GS на 30...50°С (А_С3 + 30...50°С).

Заэвтектоидные стали нагревают до температуры выше линии PSK 30...50°С (А _С1+30...50° С). Такой нагрев заэвтектоидных сталей осуществляют с целью предотвращения растворения цементита вторичного в аустените, так как это может привести к растрескиванию стали в процессе закалки.

Скорость нагрева стали под закалку должна обеспечивать равномерный и быстрый нагрев не вызывающий больших напряже­ний, приводящих к образованию трещин в металле из-за разности термического расширения наружных и внутренних сдоев детали. Скорость нагрева зависит от химического состава стали, формы, размеров, способа нагрева и расположения деталей в нагрева­тельном устройстве. Обычно назначают время нагрева в зависи­мости от вида нагревательного устройства и толщины детали (табл.1.).

Таблица 1.

Время нагрева деталей под завалку в различных средах.

Нагревательное устройство	Температура Т°С	Время нагрева, с/мм диаметра или толщины деталей с сечением
		круглым	квадратным	прямоугольник
Электрическая печь	800	40…50	50…60	60…75
Пламенная печь	800	35…40	45…50	55…60
То же	1300	15…17	17…19	19…22
Соляная ванна	800	12…15	16…18	18…22
То же	1300	7…8	8…10	10…12
Индуктор	800	2…3	3…4	4…6
То же	1300	1…2	2…3	3…4

Охлаждающие среды выбирают в зависимости от химического состава, т.е. теплопроводности стали. При закалке стали возникают больше внутренние напряжение, которые складываются из тер­мических и структурных (фазовых) напряжений. Чем больше ско­рость охлаждения и меньше теплопроводность стали, тем больше термические напряжения. Чем больше углерода в стали, тем боль­ше фазовые напряжения.

В качестве охлаждающих сред при закалке применяют: воду, водные растворы солей, кислот, щелочей; минеральные масла; расплавы солей. Самая высокая скорость охлаждения в чистой воде, самая низкая - в расплавах содей.

Закаленные доэвтектоидные и эвтектоидные стали при V_охл > 180...200°С имеют структуру мартенсита и аустенита остаточного, заэвтектоидные - мартенсита, цементи­та вторичного и аустенита остаточного. Обычно в углеро­дистых сталях остается очень мало аустенита, и он исчеза­ет при следующих термических обработках.

2.4. Отпуск стали

Отпуск стали - это такая термическая операция, при которой закаленную сталь нагревают до определенной температуры (всегда ниже А_С1), а затем охлаждают.

Основное назначение отпуска - снять внутренние напряжения и повысить вязкость стали. При отпуске закаленной стали силь­но напряженный мартенсит в зависимости от температуры нагрева либо распадается на цементито-ферритную смесь, либо остается, но выделяет какую-то часть углерода в виде карбидов. Структура становится более равновесной, внутренние напряжения уменьшают­ся. Твердость и прочность стали несколько понижаются, а плас­тичность повышается. Чем выше температура отпуска, тем пол­нее идет распад мартенсита.

Различают три вида отпуска:

- высокий (нагрев до 500...650°С);

- средний (нагрев, до 350...450°С)

- низкий ( нагрев до 100...200°С).

В соответствии с этим получают три вида структур.

Высокий отпуск приводит к образованию сорбита, обладаю­щего высокой прочностью и пластичностью. Такой метод термической обработки ещё называют улучшением.

Средний отпуск приводит к образованию троостита, облада­ющего достаточной прочностью и пластичностью, но более высокой твердостью, чем сорбит.

Низкий отпуск приводит к образованию мартенсита отпуска, отличающегося от мартенсита закалки пониженными внутренними на­пряжениями, несколько пониженной твердостью и повышенной пластич­ностью.

Остаточный аустенит исчезает и превращается в соответствии с видом отпуска в сорбит, троостит или мартенсит отпуска.

3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ, ИНСТРУМЕНТЫ, МАТЕРИАЛЫ

3.1. Твердомеры Бринеля и Роквелла.

3.2. Набор образцов доэвтектоидных и заэвтектоидных ста­лей.

3.3. Таблицы перевода твердости.

3.4. Печи для нагрева образцов.

3.5. Закалочные среды.

3.6. Щипцы, пинцеты, наждачный круг.

4. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ

4.1. Исследовать процесс закалки стали.

4.2. Исследовать процесс отпуска стали.

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1. Закалка стали.

5.1.1. Определить температуру закалки образцов стали по диа­грамме железо-углерод (рисунок).

5.1.2. Определить время нагрева образцов при закалке по табл. 2.1.

5.1.3. Определить твердость Н RВ отожженных стальных образ­цов перед закалкой и перевести её в единицы НВ по таблицам. Нор­мы твердости некоторых углеродистых сталей в отожженном состоянии приведены в таблице 2.

Таблица 2.

Нормы твердости некоторых углеродистых сталей в отожженном состоянии

Марка стали	40	45	50	У9	У10	У12
Твердость НВ (не более)	197	207	217	192	197	207

5.1.4. .Поместить образцы в печь и нагреть по требуемому режиму.

5.1.5. Закалить (охладить) образцы в охлаждающей среде.

5.1.6. Подготовить образцы к замеру твердости; снять ока­лину на наждачном круге.

5.1.7. Замерить твердость Н RС закаленных образцов и пе­ревести её в единицы НВ.

8.1.8. Параметры режима закалки, результаты испытаний и описание предполагаемой структуры стали после закалки занести в таблицу 3.

Таблица 3.

Протокол процесса закалки стали

Марка стали

Диаметр или толщина образца, мм

Твердость в исходном состоянии

Температура закалки, °С

Время нагревания при закалки, с

Твердость после закалки

Предполагаемая структура после закалки

Н RС

НВ

Н RС

НВ

5.2. Отпуск стали.

5.2.1. Определить время выдержки образцов стали при температуре соответствующего отпуска (1...2 мин по 1 мм диаметра или толщины образца).

5.2.2. Замеры твердости закаленных образцов использовать из таблицы 4.

5.2.3. Провести отпуск образцов стали по заданному режи­му.

5.2.4. Охладить образцы стали после отпуска на воздухе.

5.2.5. Подготовить образцы для замера твердости: снять окалину.

5.2.6. Замерить твердость Н С образцов отпущенной стали.

5.2.7. Параметры режима отпуска, результаты испытаний и описание предполагаемой структуры стали после отпуска занести в таблицу 4.

Таблица 4.

Протокол процесса отпуска стали

Марка стали	Время выдержки, мин	Твердость и предполагаема структура после отпуска при температуре, °С
		200		400		600
		Н RС	структура	Н RС	структура	Н RС	структура

6. Оформление отчета

6.1. Охарактеризовать сущность и назначение процесса закалки и отпуска стали.

6.2. Нарисовать левый нижний угол диаграммы, железо-угле­род .

6.3. Нарисовать и заполнить протоколы исследований (табл. 3 и 4).

6.4. Ответить на контрольные вопросы.

7. Контрольные вопросы

7.1. Охарактеризовать принцип обозначения критических точек А_C1, А_C3, А_CТ - при нагреве и охлаждении стали.

7.2. Охарактеризовать структуры стали: перлит, сорбит, троостит и мартенсит.

7.3. В чем состоит отличие мартенсита отпуска от мартенси­та закалки?

7.4. От чего зависит выбор охлаждающей среды при закалке ста­ли?

7.5. От чего зависит время нагрева детали под закалку:

Библиографический список

1. Самохоцкий А. И., Кунявский М.Н. Лабораторные работы по метал­ловедению.- М.: Машиностроение , 1971.- 184с.

2. Гринберг Б.Г., Иващенко Т.М. Лабораторный практикум по ме­талловедению и термической обработке.- М.: Высшая школа , 1968.- 320 с.