Лабораторная работа №4 Определение микроструктуры и механических свойств углеродистой стали до и после термической обработки, ее режимов

Цель работы – научиться самостоятельно определять режимы закалки и отпуска стали, микроструктуру и твердость углеродистой стали до и после термообработки (закалки и отпуска).

Оборудование и материалы:

- электропечи сопротивления – 3 шт.;

- закалочный бак с водой;

- закалочный бак с маслом;

- прибор типа Роквелла ТК – 2;

- образцы углеродистой стали:

а) конструкционной 10…20;

б) конструкционной 35…65;

в) инструментальной У8…У12;

- клещи;

- штангенциркуль;

- шлифовальная бумага.

Общие сведения

Эксплуатационные свойства стали зависят от ее химического состава и структуры. Изменение структуры и механических свойств достигается термической обработкой.

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве сталей до температур выше критических точек Ас₃ (доэвтектоидные стали) или Aс₁ (заэвтектоидные стали) на 30-50 °С, выдержке при заданных температурах и последующем охлаждении со скоростью выше критической (V_кр). Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Целью закалки является повышение твердости и прочности стали. Возможность упрочнения стали путем закалки обусловлена фазовыми превращениями, протекающими при нагреве и охлаждении.

В зависимости от скорости охлаждения могут быть получены следующие основные структуры: перлит, сорбит, троостит и мартенсит.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, придающей стальной детали окончательные эксплуатационные свойства. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск рекомендуется проводить после закалки инструмента, элементов подшипников качения, изделий из конструкционных сталей после цементации.

Средний отпуск обеспечивает высокие значения пределов упругости и выносливости (усталости). Рекомендуется для обработки рессор, пружин, а также некоторых штампов.

После закалки и высокого отпуска получается оптимальное соотношение между характеристиками прочности и пластичности. Поэтому эту термическую обработку называют улучшением и применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей, работающих в условиях высоких механических нагрузок (коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и т.п.).

Подготовка образцов для термической обработки

Образцы должны быть цилиндрические или прямоугольные диаметром или толщиной 10 – 15 мм, высотой 15 – 20 мм. На боковой поверхности каждого образца должно быть клеймо марки стали. Марку стали образца записывают в графу 2 протокола. Образцы измеряют при помощи штангенциркуля, и результаты замера записывают в графу 3 протокола.

Определить твердость (HRC_э) образцов в исходном (отожженном) состоянии, сделать перевод полученного результата на твердость по НВ и оба значения твердости записать в графы 4 и 5 протокола.

Методика проведения закалки

1. Определить температуру закалки стали, пользуясь для этого нижней частью диаграммы железо–цементит (рисунок 1). Для среднеуглеродистых доэвтектоидных сталей нормальной температурой закалки является температура на 30 – 50 °С выше линии GS т.е. Ас₃ + (30 – 50 °С). Для высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей нормальной температурой закалки является температура на 30 – 50 °С выше линии PSK, т.е. Ас₁ + (30 – 50 °С). Температуру закалки записать в графу 6 протокола.

Рисунок 1 – Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

2. Определить время нагрева образцов из расчета 1 – 2 мин на 1 мм диаметра или толщины образца и время выдержки из расчета 20% от времени нагрева, суммарное время термообработки записать в графу 7 протокола.

3. Образцы поместить в печь, нагретую до температуры закалки, для стали данной марки, и выдержать в печи требуемое время. При нагревании до температуры закалки образцов из стали 10 – 65 исходная феррито-перлитная структура превратится в структуру аустенита, а в образцах из стали У8 – У12 при температуре закалки будет структура аустенит и цементит, т.е. часть цементита остается нерастворенной.

4. Образцы последовательно вынуть из печи и охладить в воде (масле) при непрерывном энергичном движении образца в охлаждающей жидкости. При охлаждении в воде происходит распад аустенита с образованием мартенсита. При охлаждении в масле образуется смешанная мартенситно-трооститная структура.

5. Оба торца образцов зачистить на шлифовальной бумаге.

6. Определить твердость закаленных образцов (HRC_э), полученный результат записать в графы 8 и 9 протокола.

Методика проведения отпуска

1. Выбрать температуру:

для низкого отпуска ~ 200 °С;

для среднего отпуска ~ 400 °С;

для высокого отпуска ~ 600 °С;

2. Определить время выдержки при температуре отпуска из расчета 2 – 3 мин на 1 мм диаметра или толщины образца и записать в графу 11 протокола.

3. Образцы поместить в электропечь, нагретую до нужной температуры, выдержать в ней необходимое время и охладить на воздухе.

В результате отпуска при 200 °С происходит превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска, снижение внутренних напряжений и хрупкости; твердость остается почти без изменений.

В результате отпуска при 400 °С происходит превращение мартенсита в троостит отпуска (мелкодисперсную феррито-цементитную смесь), твердость снижается.

В результате отпуска при 600 °С образуется сорбит отпуска, феррито-цементитная смесь более крупная, чем троостит. Твердость еще более снижается.

4. Оба торца образца зачистить на шлифовальной бумаге.

5. Определить твердость по HRC_э и полученный результат записать в графы 12 и 13 протокола.

6. Построить кривые зависимости твердости от содержания углерода в сталях до и после закалки и отпуска, пользуясь примером (рисунок 2).

Рисунок 2 – График зависимости твердости от содержания углерода

а – до закалки, б – после закалки; в – после закалки и отпуска

Таблица 1 – Соотношение чисел твердости

НВ	HRCэ	HRB		НВ	HRCэ	HRB		НВ	HRCэ	HRB
780	72	—		302	31	—		156	0	84
745	70	—		293	30	—		152	—	83
712	68	—		285	29	—		149	—	82
682	66	—		277	28	—		146	—	81
653	64	—		269	27	—		143	—	80
627	62	—		262	26	—		140	—	79
601	60	—		255	25	—		137	—	78
578	58	—		248	24	—		134	—	77
555	56	—		241	23	102		131	—	76
534	54	—		235	21	101		128	—	75
514	52	—		229	20	100		126	—	74
495	50	—		223	19	99		123	—	73
477	49	—		217	17	98		121	—	72
461	48	—		212	15	97		118	—	71
444	46	—		207	14	95		116	—	70
429	45	—		201	13	94		114	—	68
415	43	—		197	12	93		111	—	67
401	42	—		192	11	92		109	—	66
388	41	—		187	9	91		107	—	65
375	40	—		183	8	90		105	—	64
363	39	—		179	7	90		103	—	62
352	38	—		174	6	89		101	—	61
341	36	—		170	4	88		99	—	59
331	35	—		167	3	87		97	—	58
321	33	—		163	2	86		96	—	57
311	32	—		159	1	85

Таблица 2 – Протокол термической обработки углеродистой стали

№ образца	Марка стали	Диаметр (толщина), мм	Твердость в исходном состоянии		Температура закалки, °С	Время нагрева и выдержки, мин	Твердость после закалки		Температура отпуска, °С	Время выдержки, мин	Твердость после отпуска
			HRCэ	HB			HRCэ	HB			HRCэ	HB
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	13
1
2
3

Составление отчета

Отчет должен содержать:

1. Тему и цель работы.

2. Оборудование и материалы.

3. Часть диаграммы состояния Fe–Fe₃C, с обозначением температур выбранных для закалки данных марок сталей.

4. Заполненный протокол термической обработки углеродистой стали.

5. Описание структуры стали до и после термической обработки?

6. График зависимости твердости от содержания углерода в сталях до и после закалки и отпуска.

7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

1. Какое назначение закалки?

2. Какая цель отпуска?

3. В каких средах проводится охлаждение при закалке?

4. Какие структуры образуются после закалки и после отпуска?

5. Как выбирается температура закалки?

6. Как определить время нагрева образца и время выдержки?

7. Как углерод влияет на закаливаемость стали?