3. Порядок выполнения работы.

1. Вычертить двойную диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов, ее участок, соответствующий чугунам. Описать фазы и фазовые превращения возможные в чугунах.

2. Описать фазы и фазовые превращения возможные в чугунах.

3. Дать определение белых чугунов. Изучить, зарисовать и объяснить их микроструктуру. Указать их химический состав. Описать процесс структурообразования БЧ химического состава, заданного преподавателем. Описать свойства и назвать область использования БЧ.

4. Дать определение серых чугунов. Указать их химический состав, описать процесс структурообразования. Изучить, зарисовать и объяснить их микроструктуру. Привести марки СЧ, назвать их механические свойства и область применения.

5. Дать определение высокопрочных чугунов. Объяснить способ получения, указать химический состав. Изучить, зарисовать микроструктуру. Назвать марки ВЧ, их свойства, область применения и преимущества перед другими (СЧ и КЧ) чугунами.

6. Дать определение ковких чугунов. Описать способ их получения, начертить график отжига. Объяснить формирование структуры КЧ с определенной (по заданию преподавателя) металлической основой. Изучить, зарисовать и объяснить микроструктуру. Указать химический состав, свойства и область применения КЧ. Объяснить принцип их маркировки.

7. По заданию преподавателя описать пути повышения износостойкости определенных чугунов.

8. Написать отчет по работе в соответствии с вышеуказанными пунктами заданий.

Лабораторная работа №8 Термообработка сталей

1. Цель и содержание работы.

Цель работа: ознакомление с технологическим процессом термообработки и исследование зависимостей механических свойств стали от параметров режима термической обработки.

Содержание работы: Студенты получают 7 стандартных образцов (55х10х10)*⁾ с U – образным надрезом для испытаний на ударный изгиб из углеродистой доэвтектоидной стали определенной марки (20, 40, У7 и др.). Один образец оставляют в исходном состоянии, а 6 остальных термообрабатывают при различных режимах. У термообработанных и исходного образцов определяют твердость и ударную вязкость. Строят зависимости механических свойств стали от режима термообработки.

2. Необходимые оборудование и пособия.

Для выполнения работы студентам предоставляются:

Муфельные электрические печи для нагрева образцов – 4 шт.;

Закалочные баки с водой и минеральным маслом;

Маятниковый копёр для испытания образцов на ударную вязкость;

Прибор Роквелла для измерения твердости конусом при нагрузке 150 кг (для сравнительно твердых образцов) или шариком при нагрузке 100 кг (для сравнительно мягких образцов);

Таблицы перевода чисел твердости по Роквеллу в числа твердости по Виккерсу или Брюнеллю.

3. Основные понятия.

Термическая обработка (термообработка) – тепловая обработка металла, целью которой является изменение его структуры в нужном направлении и получение за счет этого необходимого уровня механических или физико-химических свойств изделия.

Режим термообработки определяется следующими основными параметрами: температурой и скоростью нагрева, продолжительностью выдержки при заданной температуре, скоростью охлаждения.

В зависимости от значения указанных параметров различают следующие виды термообработки: отжиг I рода, отжиг II рода, нормализацию, закалку и отпуск.

Основой для выбора температур нагрева под конкретную термообработку углеродистой стали является диаграмма состояния .

Отжиг стали.

Назначение отжига – устранение дефектов предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т.д.), либо подготовка структуры к последующим технологическим операциям (например, обработка резанием).

Отжиг I рода характерен тем, что достижение целей, им преследуемых, не зависит от того, происходят в стали фазовые превращения при нагреве или нет. К разновидностям отжига I рода относятся:

диффузионный отжиг, применяемый для устранения внутрикристаллитной химической неоднородности (дендритной ликвации) в отливках. Для ускорения диффузионных процессов этот отжиг проводят при 1100-1200 ⁰С. После выдержки в течении 15-20 ч отливку охлаждают в печи до 800-820 ⁰С, а далее – на воздухе;

рекристаллизационный отжиг, применяемый для снятия наклепа в холоднодеформированной стали. Сталь нагревают выше температуры рекристаллизации (до 680-700 ⁰С), выдерживают 0,5-1,5 ч и охлаждают, обычно, на спокойном воздухе. Этот вид отжига служит, как правило, в качестве промежуточной операции для восстановления пластичности стали между операциями холодной обработки давлением (холодная прокатка, волочение и др.);

отжиг для снятия внутренних напряжений, возникающих в изделиях после обработки давлением, резанием, сварных конструкциях, отливках, осуществляется при 160-700 ⁰С в течении 2-3 ч с последующим медленным охлаждением. Цель – предотвращение коробления и стабилизация размеров изделия.

Отжиг II рода характеризуется тем, что достижение целей, им преследуемых, основано на фазовых превращениях, протекающих в стали при нагреве. Т.е. этот отжиг проводят при температурах выше температур фазовых превращений. Различают следующие виды отжига II рода: полный и неполный.

Полный отжиг проводится преимущественно для доэвтектоидный сталей; заключается в нагреве стали выше линии GS на 30-50 ⁰С (рис.1) выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений и последующем медленном охлаждении (обычно с печью). В результате полного отжига в стали измельчается зерно, устраняются неблагоприятные структуры и внутренние напряжения, металл становится мягким и пластичным.

Неполный отжиг проводится преимущественно для заэвтектоидных сталей, заключается в нагреве стали выше линии SK на 30-50 ⁰С (см.рис.1), выдержке и медленном охлаждении с печью. После такого отжига заэвтектоидная сталь приобретает структуру зернистого перлита, т.е. перлита, в котором цементит имеет округлую форму, - твердость стали снижается, повышаются пластичность и обрабатываемость резанием.

После отжига углеродистой стали получаются структуры, указанные на диаграмме состояния : феррит + перлит в доэвтектоидных сталях; перлит в эвтектоидной и перлит + вторичный цементит в заэвтектоидных сталях.

Нормализация – термообработка, заключается в нагреве стали выше линии GSE на 30-50 ⁰С (рис. 2), выдержке и последующем охлаждении на спокойном воздухе. Назначение нормализации такое же как и отжига II рода – измельчение зерна, повышение вязкости, исправление дефектной структуры, например, для заэвтектоидных сталей нормализация проводится для устранения цементитной сетки. Для низкоуглеродистых сталей разница в свойствах между отожженным и нормализованным состояниями практически отсутствует, и эти стали чаще подвергают нормализации, как более дешевой термообработке, чем отжигу. Для среднеуглеродистых сталей различие в свойствах нормализованной и отожженной стали более значительно – в этом случае нормализация не может заменить отжига, но для этих сталей нормализацию часто проводят вместо более дорогой операции улучшения (см. ниже).

Закалка стали – термообработка, заключающаяся в нагреве стали выше линии GSK на 30-50 ⁰С (см. рис.1), выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую , предотвращающей распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Переохлажденный до температуры мартенситного превращения аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в - железе с таким же содержанием углерода как и в исходном аустените. Твердость мартенсита определяется количеством содержащегося в нем углерода.

Цель закалки – получение высокой твердости, прочности и износостойкости.

Если скорость охлаждения , то аустенит распадается на феррито-цементитную смесь, при этом величина скоростиопределяет дисперсность этой смеси (размер частичек феррита и цементита) и, как следствие, уровень механических свойств стали. На рис. 3 показана зависимость структурного состава среднеуглеродистой стали от скорости охлаждения. При, что соответствует отжигу, структура стали: феррит + перлит. С увеличением скорости охлаждения количество феррита в структуре уменьшается, а ферритоцементитная смесь становится все более дисперсной, последовательно давая структуры перлита, сорбита и троостита.

Перлит, сорбит и троостит – структуры одной природы, представляющие собой механическую смесь феррита и цементита, причем перлит – самая грубая смесь, а троостит – самая дисперсная, сорбит занимает промежуточное положение.

При часть аустенита успевает переохладится до температуры мартенситного превращения и превращается в мартенсит. При дальнейшем увеличениидоколичество высокодисперсной феррито-цементитной смеси (троостита) уменьшается, а количество мартенсита увеличивается. Придиффузионные процессы в аустените полностью подавляются и аустенит почти весь претерпевает бездиффузионное (сдвиговое) превращение в мартенсит, за исключением незначительной части, сохраняющейся в виде аустенита остаточного.

Рис. 3. Формирование микроструктуры среднеуглеродистой стали в зависимости от скорости охлаждения.

Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. Наиболее распространенными закалочными жидкостями является вода и минеральное масло. Скорость охлаждения в масле в 3-4 раза меньше, чем в воде, вследствие чего закалка в масле дает меньшую деформацию, внутренние напряжения и снижение вероятности образования закалочных трещин. Однако углеродистые конструкционные стали, обладающие низкой устойчивостью переохлажденного аустенита, закаливают в воде.

Чтобы уменьшить хрупкость и внутренние напряжения, вызванные закалкой, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до определенной температуры ниже линии PSK, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Углеродистые стали, свойства которых не зависят от скорости охлаждения после нагрева до температур отпуска, обычно охлаждают на воздухе.

Отпуск – заключительная операция термообработки, придающая стальному изделию окончательные свойства. В зависимости от температуры нагрева – основного параметра, формирующего свойства отпущенной стали – различают три вида отпуска.

Низкий отпуск проводят при 120-250 ⁰С. При низком отпуске высокая твердость, полученная сталью после закалки, не снижается, но уменьшаются внутренние напряжения и повышается вязкость стали. Низкому отпуску обычно подвергаются изделия из высокоуглеродистых сталей (0,6-1,3%С) – режущий и мерительный инструмент. Твердость после низкого отпуска у таких сталей 58-63 HRC. Структура – мартенсит отпуска.

Средний отпуск выполняют при 35 ⁰С – 500 ⁰С. Этот отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости, поэтому обычно среднему отпуску подвергают различные пружины и рессоры, которые изготавливают из сталей с содержанием 0,5-0,8 %С. Твердость стали после такого отпуска 40-50 HRC, структура – троостит отпуска.

Высокий отпуск выполняют при 550-680 ⁰С. Назначение высокого отпуска – получение наилучшего сочетания прочности и вязкости. Термообработку – закалку с последующим высоким отпуском – называют улучшением. Улучшению подвергаются ответственные детали из среднеуглеродистой стали (0,3-0,5 %С), работающие в условиях динамических и знакопеременных нагрузок (коленчатые валы, шатуны дизелей и т.п.) Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска, а ее твердость – 20……25 HRC.