Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Металловед.черных сплавов 64 л..doc
Скачиваний:
116
Добавлен:
26.03.2016
Размер:
7.07 Mб
Скачать

Оборудование, инструменты и материалы для выполнения работы

Микроскопы МИМ-7, МИМ-8, коллекция микрошлифов углеродистых конструкционных и инструментальных сталей и чугунов, альбомы с фотографиями микроструктур.

Порядок выполнения работы

  1. Ознакомиться с методическим пособием. Под микроскопом МИМ-7 при увеличении в 100 раз последовательно изучите все шлифы из коллекции. Для изучения строения перлита (сталь У8), а также белого чугуна используйте увеличение в 500 раз (микроскоп МИМ-8). Зарисуйте микроструктуры сплавов.

  2. Отчеты по лабораторной работе представить в виде таблиц 2.1 и 2.2. При составлении отчетов используйте таблицы 2.3–2.7.

  3. Для подготовки к защите лабораторной работы рекомендуется ответить на контрольные вопросы.

Таблица 2.1

Структура, свойства и назначение углеродистых сталей

Наименование, марка стали

Химический состав

Микроструктура

Механические свойства

Назначение стали

Рисунок

Название

1

2

3

4

5

6

Таблица 2.2

Структура, свойства и назначение чугунов

Наименование, марка чугуна

Химический состав, модификатор

Микроструктура

Механические свойства

Назначение чугуна

Рисунок

Название

1

2

3

4

5

6

Контрольные вопросы

  1. Какие сплавы называют сталями и чугунами?

  2. Как классифицируют стали и чугуны по структуре?

  3. Назовите и охарактеризуйте структурные составляющие доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали.

  4. Перечислите классы качества углеродистых сталей. Какой признак является основным в классификации по качеству?

  5. Перечислите структурные пороки сталей. Как они формируются?

  6. Какие сплавы называют белыми чугунами?

  7. Какие формы графита встречаются в чугунах?

  8. Что такое модификатор? Для чего применяется модификатор в чугунах?

  9. Как получают высокопрочные чугуны?

  10. К

    19

    ак получают ковкие чугуны? Как маркируются чугуны?

Таблица 2.3

Химический состав, механические свойства углеродистых сталей в нормализованном состоянии

ГОСТ 1050-88

Марка стали

Содержание углерода, %

Механические свойства

Предел текучести 0,2, МПа

Прочность на растяжение В, МПа

Относительное сужение , %

Относительное удлинение , %

Ударная вязкость KCU,

МДж/м2

Твердость НВ (не более), МПа

05кп

0,06

175

255

77

35

-

1110÷1310

08

0,05-0,12

200

330

60

33

-

1310

10

0,07-0,14

210

340

55

31

-

1430

15

0,12-0,19

230

380

55

27

-

1490

20

0,17-0,24

250

420

55

25

-

1630

25

0,22-0,30

280

460

50

23

0,9

1700

30

0,27-0,35

300

500

50

21

0,8

1790

35

0,32-0,40

320

540

45

20

0,7

2070

40

0,37-0,45

340

580

45

19

0,6

2170

45

0,42-0,50

360

610

40

16

0,5

2290

50

0,47-0,55

380

640

40

14

0,4

2410

55

0,52-0,60

390

660

35

13

-

2550

58

0,55-0,63

314

598

28

12

-

2550

60

0,57-0,65

410

690

35

12

-

2550

Таблица 2.4

Назначение углеродистых конструкционных сталей

Марка стали

Назначение

05 кп

Детали, изготавливаемые холодной штамповкой

08

Для деталей, изготавливаемых очень сложной холодной штамповкой

10

Цементируемые, цианируемые детали: втулки, ушки, держатели и др., не требующие высокой прочности сердцевины

15

Цементируемые и цианируемые детали: болты, гайки, винты, ключи

20

В котло-турбостроении – крепежные изделия, трубы для нагревателей, коллекторы, трубопроводы

25

Оси, валы, муфты, болты, шайбы, фланцы и др.

30

Детали, не испытывающие больших напряжений. Тяги, серьги, оси, звездочки, диски, ободы, гайки, шайбы.

35

Шатуны, шестерни, оси, валы, штоки, подвески, диски

40

Детали повышенной прочности: валики, втулки, бандажи, фрикционные диски, шестерни

45

Коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели и др. детали, от которых требуется повышенная прочность

50

Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры

55

Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач

58

Детали с тонкими сечениями упрочняемых элементов: шестерни среднего модуля, втулки, пластины и др.; детали, к которым предъявляются требования высокой износостойкости при вязкой сердцевине, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях

60

Прокатные валки, эксцентрики, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы, цельнокатанные колеса вагонов, диски сцепления, регулировочные шайбы, регулировочные прокладки

65

Рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость

Таблица 2.5

Сталь углеродистая инструментальная. ГОСТ 1435-90. Химический состав, твердость, назначение

Марка

стали

Содержание углерода, %

Твердость (НВ)

после отжига,

МПа

Назначение

У7

0,66÷0,73

1870

Для изготовления режущих и ударных инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки или рабочей части

Зубила, долота, молотки, топоры, колуны

У7А

У8

0,76÷0,83

1870

Слесарный инструмент, пилы, зубила для камня

У8А

У9

0,86÷0,93

1920

Инструмент, требующий твердости и некоторой вязкости: столярный, слесарно-монтажный; штемпели, кернеры

У9А

У10

0,96÷1,03

2070

Инструмент, работающий без больших ударных нагрузок (метчики, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки)

У10А

У12

1,16÷1,23

2120

Измерительный инструмент простой формы (гладкие калибры, скобы гладкие регулируемые), хирургический инструмент

У12А

У13А

0,66÷0,73

2170

Резцы по твердым материалам, граверный инструмент, бритвы

Таблица 2.6

Химический состав, механические свойства чугунов

Марка чугуна

Массовая доля элементов, %

Механические свойства

С

Si

Mn

P

S

B, МПа

0,2, МПа

, %

НВ, МПа

СЧ15

3,5÷3,7

2,0÷2,4

0,5÷0,8

0,2

0,15

150

-

до 0,5

1430÷2290

СЧ35

2,9÷3,0

1,0÷1,1

0,7÷1,1

0,2

0,12

350

-

до 0,5

1850÷2550

ВЧ40

3,2÷3,8

1,9÷2,9

0,2÷0,7

0,1

0,02

400

250

15

1400÷2020

ВЧ45

450

310

10

1400÷2550

ВЧ50

500

320

7

1530÷2450

КЧ35-10

2,5÷2,8

1,1÷1,3

0,3÷0,6

0,12

0,20

350

-

10

1000÷1630

Таблица 2.7

Применение чугунов

Марка чугуна

Применение

СЧ 15

Для изготовления слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики; корпуса редукторов, подшипников, тормозные барабаны, диски сцепления и др.

СЧ 35

Детали, работающие в условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр.

ВЧ 40, ВЧ 45,

ВЧ 50

Для массивных отливок ответственного назначения, обладающих высокой усталостной прочностью, работающих при переменных нагрузках: прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, лопатки, распределительные и коленчатые валы, поршни, шестерни

КЧ35-10

Детали, работающие при высоких динамических и статических нагрузках: картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и др.

Лабораторная работа 3

Термическая обработка сталей

Цель работы:ознакомиться с теорией и практикой термической обработки, установить зависимость механических свойств закаленной стали от режима термической обработки.

Термической обработкойназывают процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться с химическим, деформационным, магнитным и другими видами воздействия. Термообработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов, деталей машин; применяется как промежуточная стадия для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и т.д.) и как окончательная операция для придания металлу (сплаву) комплекса механических, физических, химических свойств, которая обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.

Среди видов термической обработки сталей выделяют отжиг, нормализацию, закалку, отпуск.

В железоуглеродистых сплавах температуры наиболее важных превращений при нагреве – критические точки– обозначаются буквами АСс соответствующими индексами: АС1– температура эвтектоидного превращения (линияPSK); АС3– температура полиморфногопревращения (линияGS); АС4– температура полиморфногопревращения (линияNI); Асm– температура выделения цементита вторичного из аустенита (линияSE).

Отжигомназывают вид термической обработки, обеспечивающий получение равновесной структуры. Конструкционные доэвтектоидные стали подвергаютсяполному (перекристаллизационному)отжигу: их нагревают до температуры выше критической точки Ас3на 30÷50 °С, охлаждают медленно (с печью) со скоростью 100÷200 градусов/час. В результате отжига снимаются внутренние напряжения, устраняются пороки (например, строчечность, видманштеттов феррит) – получается равновесная феррито-перлитная структура, снижается твёрдость и повышается пластичность и вязкость.Неполный отжиг(нагрев выше АС1, но ниже АС3) для доэвтектоидных сталей применяется ограниченно, он проводится для смягчения сталей перед обработкой резанием.

Для заэвтектоидных сталей используется неполный отжиг с нагревом до 740÷780 °С и последующим медленным охлаждением. Образуется структура зернистого перлита (сферодита), поэтому отжиг называютсфероидизирующим. Такая сталь обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Сфероидизирующий отжиг применяется для углеродистых и легированных инструментальных и шарикоподшипниковых сталей.

Н

24

ормализация– разновидность отжига 2-го рода – вид термообработки, состоящей из нагрева сталей до температуры выше критической точки АС3 или Асm на 30÷50 С, выдержки при этой температуре и охлаждения на воздухе. Эта обработка применяется для устранения крупнозернистой структуры и выравнивания механических свойств. Для малоуглеродистых сталей (содержащих до 0,3% С) нормализация используется вместо отжига как более экономичная термическая обработка. В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет сетку вторичного цементита.

Закалкой сталейназывают вид термической обработки, состоящей из нагрева сталей до температуры на 30÷50 °С выше критической точки Ас1для инструментальной стали или Ас3для конструкционной, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаждения со скоростью выше критической (в воде, растворах солей, полимеров или в других средах). В результате закалки повышается твердость и прочность сталей, но снижается пластичность.

Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием фазовых превращений в твердом состоянии: охлаждая аустенит с различными скоростями и обеспечивая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали

П

25

ри относительно небольших скоростях охлаждения аустенит претерпевает превращение при температурах 700÷550С с образованием структур перлитного типа –перлит, сорбит, троостит. Эти структуры представляют собой фазовую смесь феррита и цементита, имеют пластинчатое строение и отличаются друг от друга степенью дисперсности – межпластинчатым расстоянием (суммой толщин двух соседних пластин феррита и цементита). Дисперсность полученной смеси возрастает по мере снижения температуры превращения, одновременно возрастает прочность и твердость, снижаются пластические свойства сталей (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1

Характеристики перлитных структур

Название

микроструктуры

Межпластинчатое

расстояние, мкм

Твердость по Бринеллю

НВ, МПа

перлит

0,6÷1,0

1800÷2500

сорбит

0,25÷0,3

2500÷3500

тростит

0,1÷0,15

3500÷4500

При значительных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается до более низких температур, при которых происходит бездиффузионное превращение с образованием мартенситной структуры. Мартенситпредставляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в-железе, он имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Степень тетрагональности мартенсита (отношение периодов кристаллической решеткис/а) возрастает с увеличением содержания углерода в стали. Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и прочность, которые возрастают с увеличением содержания углерода в сталях. Так, твердость мартенсита стали с 0,6÷0,7% С составляет 65HRC, а прочность на разрыв 2600÷2700 МПа.

Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур. На рис. 3.1 линии Мн и Мк показывают температуры начала и окончания мартенситного превращения. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для превращения аустенита в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения(Vкр).

Охлаждающие среды в значительной мере изменяют скорость охлаждения при закалке, следовательно, и структуру стали. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей и солей (для закалки углеродистых и низколегированных сталей), масла (для закалки легированных сталей).

Структура доэвтектоидной стали, получаемая после правильной закалки, будет представлять собой мартенсит.

П

26

ри нагреве стали ниже критической точки АС3и выше АС1конструкционная сталь получаетнеполную закалку, потому что при этой температуре не весь феррит превращается в аустенит; при быстром охлаждении в воде аустенит превращается в мартенсит, а феррит остается без изменения и структура стали после закалки будет состоять из мартенсита и феррита. Инструментальные стали подвергаются только неполной закалке (АС1tАсm). Их структура после закалки состоит из мартенсита и цементита вторичного.

В закаленных сталях, имеющих точку Мк ниже 20 °С (стали, содержащие свыше 0,5% С) в структуре присутствует остаточный аустенит, количество которого увеличивается с увеличением содержания углерода в сталях. При большом количестве остаточного аустенита (более 30%) его можно наблюдать в виде светлых полей между иглами мартенсита.

При перегреве конструкционной стали значительно выше критической точки Ас3(на 100÷150 °С), происходит рост зерна аустенита. После закалки в воде получается структура крупноигольчатого мартенсита, который по механическим свойствам уступает мартенситу мелкоигольчатому. Оптимальные температуры нагрева сталей под закалку приведены на рис. 3.2.

Закалка стали сопровождается существенным увеличением объема (0,3÷0,9%), что в условиях высокой скорости и неодновременности превращения по объему закаливаемого изделия вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут привести к короблению изделий и образованию трещин. Оставшиеся внутренние напряжения могут вызвать деформацию изделий с течением времени в условиях эксплуатации. Поэтому закаленные детали машин или инструмент всегда подвергают отпуску.

Рис. 3.2. Температурный интервал закалки сталей

Отпуск– вид термической обработки закаленной стали, состоящий в нагреве ее до температур, меньших Ас1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.

Отпуск проводится с целью уменьшения закалочных напряжений, снижения твердости, повышения пластичности и вязкости, получения более устойчивых структур.

Основным превращением при отпуске является распад мартенсита – выделение пересыщающего углерода в виде мелких кристалликов карбида железа. Частичный распад мартенсита происходит в закаленной стали даже в процессе вылеживания при комнатной температуре, однако с повышением температуры процесс ускоряется и достигает более полного развития. Мартенсит, обедненный углеродом в процессе отпуска, называетсяотпущенным.

Р

27

аспад мартенсита при постоянном нагреве завершается при температурах около 400 °С, образовавшуюся феррито-цементитную высокодисперсную смесь называюттрооститом отпуска. Более высокие температуры нагрева вызывают процесс коагуляции карбида железа. В результате снижается дисперсность феррито-цементитной смеси, а структура приближается к равновесной.Сорбитом отпусканазывают структуру углеродистой стали, полученную после отпуска при 500÷650 °С. Более высокие температуры нагрева вызывают образованиезернистого перлита.

В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.

  • Низким отпускомназывают нагрев закаленной стали до температур 150÷200 °С с последующим охлаждением на воздухе. Образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Снижения твердости такой отпуск практически не вызывает. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементованных деталей.

  • Средним отпускомназывают нагрев закаленной стали до температур 350÷450°С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости. Образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется для термической обработки рессор, пружин и штампов.

  • Высоким отпускомназывают нагрев закаленной стали до температур 500÷650С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали, образующаяся структура – сорбит отпуска. Эта структура обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности.

Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения.Улучшение рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Тут вы можете оставить комментарий к выбранному абзацу или сообщить об ошибке.

Оставленные комментарии видны всем.