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 А_Сс соответствующими индексами: А_С1– температура эвтектоидного превращения (линияPSK); А_С3– температура полиморфногопревращения (линияGS); А_С4– 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 А_С1, но ниже А_С3) 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 А_С3 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 А_С3и выше А_С1конструкционная 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 (А_С1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.