Технология конструкционных материалов

Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.

Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависитотсодержаниявнейуглерода, атакжеэлементов, повышающих

еепрокаливаемость и склонность к перегреву.

Всварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.

При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла иобразованиеструктур, имеющих значительныетвердостьи хрупкость. ВэтихслучаяхдляулучшенияструктурыисвойствЗТВприменяюттермическую обработку, обычно высокий отпуск.

Впоследние годы в строительстве возрос объем сварочных работ с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемыхвтермоупрочненномсостоянии. Посравнениюсгорячекатанымтермоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.

Присваркетакойсталивзонетермическоговлиянияможетнаблюдаться разупрочнение (рис. 4.7). Протяженность разупрочненной зоны («мягкой прослойки») и величина разупрочнения оказывают большое влияние на прочностные свойства сварного соединения. При правильном выборе сварочных материалов и режимов сварки прочность сварных соединений может быть практически равной прочности основного металла, если протяженность разупрочненного участка и величина разупрочнения малы.

При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов можетиметькаклитуюструктуру, такипластическидеформированную. Например, приконтактной точечнойсварке прохождение тока вызывает разогревирасплавлениеметаллавзонесварки, создающееядросварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтомуна практике почти не применяется.

HV, кгс/мм2		HV, кгс/мм2

Рис. 4.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении:

ОМ – основной металл, cв. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния

Диаметрядра, определяющий, восновном, прочностьсварнойточки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранномрежимесваркиможетнепроизойтидостаточногорасплавленияметаллаиполучаетсянепровареннаяточка. Когдаядрорасплавляется, прилегающаякнемупо окружности зона металланаходитсявпластическомсостоянии иплотносжимаетсядавлениемэлектродов. Давлениесоздаетуплотняющеекольцопластическогометалла, удерживающего жидкийметаллядра. Принедостаточномдавленииуплотняющеекольцо не может удержать жидкий металл ядра и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.

Кристаллизацияжидкогометаллапроисходиттакже, какиприэлектродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании происходитуменьшениеобъемарасплавленногометаллаядра. Врезультате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этимявлением может служить повышение рабочего давления.

40

41

При сварке давлениемтакже имеется ЗТВ, однако ее общие размерыотносительномалыинеоказываютрешающеговлияниянапрочность сварного соединения.

Практическую часть работы рекомендуется выполнять в такой последовательности:

1.Шлифы, изготовленные из сварных образцов, подвергают травлению 10…25 %-ным водным раствором азотной кислоты для выявлениямакроструктуры, которуюисследуютневооруженнымглазомилипри небольшом увеличении (до 5 раз).

2.По макроструктуре определяют форму и размеры шва, глубину проплавления, форму и размеры зерен, ширину ЗТВ, размеры крупных зерен в околошовной зоне.

3.Выявляют дефекты сварного соединения: непровары, трещины, шлаковые включения и др. Результаты представляют в виде зарисовок макроструктуры с изображением выявленных дефектов.

4.Производят переполировку и повторное травление шлифов 2…4 %-нымрастворомазотнойкислотывэтиловомспирте. Микроструктуру исследуют на микроскопах МИМ-6, МИМ-7. До травления на полированнойповерхностишлифа исследуютсяраспределениеи характер неметаллических включений (S, P и т. д.). После травления изучается структура шва и ЗТВ: определяются структурные составляющие (феррит, перлит, сорбит и др.) и их относительное количество. Результаты исследований представляют в виде зарисовок микроструктуры.

5.Производят измерение твердости на приборе Роквелла или микротвердостинаприборе ПМТ-3 впоперечномнаправлениисварногосоединения. Результатыизмеренийзаносятсявтаблицу, истроитсяграфик распределения твердостипосечениюсварногосоединения. Распределение твердости сопоставляется со схемой микроструктур и делается общий вывод о качестве сварного соединения.

Содержание отчета

1.Цель и задачи работы.

2.Особенности формирования структуры металла сварного шва, выполненного сваркой плавлением (конспективно).

3.Структураисвойствазонытермическоговлияния(конспективно).

4.Результаты выполнения практической части работы.

5.Выводы по работе.

Лабораторная работа № 5

ИСПЫТАНИЕ МЕТАЛЛОВ НА ТВЕРДОСТЬ

Цель лабораторнойработы – освоить методикуиполучить навыки испытания металлов на твердость.

При выполнении лабораторной работы необходимо:

1)усвоить сущность метода испытания металловна твердость, его преимущества перед другими методами определения механических свойств;

2)изучить устройство приборов для измерения твердости;

3)определить твердость стали, чугуна, цветных металлов (алюминия, медиидругих), позначениямтвердостиНВопределитьпределпрочности металлов.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование – пресс Бринелля, твердомер Роквелла, наконечники со стальными закаленными шариками выбранного диаметра, наконечник с алмазным конусом, лупа с градуированной шкалой, настольные тиски, напильники и шлифовальныйкруг;

материалы– образцы углеродистойстали, чугунаицветныхсплавов; плакаты – таблицы значений твердости.

Твердость– этосвойствометалласопротивлятьсяпроникновению

внего другого, более твердого, тела определенной формы и размеров. Определение твердости является наиболее широко распространенным методом испытания металлов, позволяющим без разрушения изделия и изготовления специальных образцов судить о качестве изделий. Приборы для испытания на твердость обладают высокой производительностью (до 100 испытаний в час), значительно превышающей производительность других испытательных машин.

Твердостьхарактеризуетсопротивлениепластическойдеформации и представляет собой механическое свойство металла, отличающееся от других его механических свойств способом измерения.

Преимущества метода измерения твердости:

1. Междутвердостьюпластичныхметаллов, определяемойспособомвдавливания, идругимимеханическимисвойствами (главнымобразом, пределом прочности) существует количественная зависимость.

42

43

Величинатвердостихарактеризуетпределпрочностиметаллов, получающих в испытаниях на растяжение сосредоточенную пластическую деформацию(образованиешейки). Такаяпластическаядеформацияаналогична деформации, создаваемойв поверхностных слояхметаллаприизмерении твердостивдавливаниемнаконечника. Вряде случаевиухрупких металлов (например, серых чугунов) наблюдается качественная зависимость между пределом прочности и твердостью.

2.По значениям твердости можно определять и некоторые пластические свойства металлов. Твердость, определенная вдавливанием, характеризует также предел выносливости некоторых металлов, в частности меди, дуралюмина и сталей в отожженном состоянии.

3.Измерение твердости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Испытания твердости не требуют изготовления специальных образцов и могут выполняться непосредственно на проверяемых деталях.

4.Измерение твердости обычно не влечет за собой разрушения контролируемой детали, и после измерения ее можно использовать по своемуназначению, втовремякакдляопределенияпрочности, пластичности и вязкости необходимо изготовление специальных образцов из детали.

5.Твердость можно измерять на деталях небольшой толщины,

атакже в очень тонких слоях, не превышающих (для некоторых способовизмерениятвердости) десятыхдолеймиллиметра, или вмикрообъемах металла (метод измерения микротвердости). В последнем случае можноизмерятьтвердостьотдельныхструктурныхсоставляющихвсплавах.

Поскольку при измерении твердости в большинстве случаев детали не разрушаются, то эти измерения можно применять для сплошного контроля деталей, в то время какопределение характеристикпрочности и пластичности проводят в качестве выборочного контроля.

Методы испытания на твердость – вдавливание, царапание, кача-

ние, упругаяотдача, магнитный.

Наиболее распространенным является метод вдавливания, при котором твердость определяют:

1) по величине поверхности отпечатка от вдавливания стального шарика при испытании на прессе Бринелля;

2) по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса или стального шарика при испытании на приборе Роквелла.

Испытуемый образец или деталь должны иметь подготовленную гладкуюплоскуюплощадку. Толщинуиспытуемогообразцаилиизделия выбирают такой, чтобы на обратной стороне образца (изделия) не было заметных следов деформаций. Нагрузку следует прилагать по оси вдавливаниянаконечника перпендикулярнокиспытуемойповерхности. При вдавливании наконечника с малыми нагрузками требуется более совершенная обработка поверхности.

1. Определение твердости способом Бринелля

Твердость по способу Бринелля определяют путем вдавливания в испытуемый образец стального закаленного шарика диаметром D под действием заданной нагрузки Р в течение определенного времени

(рис. 5.1).

В результате вдавливания шарика на поверхности образца получается отпечаток (лунка). Отношение давления Р к поверхности полученного отпечатка (шарового сегмента) дает число твердости обозначаемое НВ, кг/мм2. НВ = Р/F. Поверхность шарового сегмента, мм2,

F	ΣD(D D2	d 2 )	,	(5.1)
	2

а число твердости по Бринеллю будет выражаться формулой

	2P
HB	ΣD(D D2 d 2 ) .	(5.2)

Диаметр отпечаткаизмеряютспециальнойлупой, имеющейшкалу с ценой деления 0,1 мм.

Диаметр шарика может быть различными выбирается взависимостиоттолщиныиспытуемогоматериала; твердостьизмеряютприпостоянном соотношении между величиной нагрузки Р и d2 (табл. 5.1).

Важные факторы, влияющие на полученный результат, – скорость приложения нагрузки и время выдержки образца под нагрузкой. Они должны быть строго определенными. Диаметр шарика, нагрузку, продолжительностьееприложенияивремявыдержкиопределяютпоГОСТу.

44

45

P

D

h

d

Рис. 5.1. Схема определения твердости по способу Бринелля

						Таблица 5.1
	Интервал	Мини-	Соотно-	Диа-	Нагруз-		Вы-
Материал	твердо-	мальная	шение	метр	ка		держка
	сти в	толщина	междуна-	шарика,	Р, Н		под
	числах	испыты-	грузкой и	мм			нагруз-
	Бринел-	ваемого	диаметром				кой, с
	ля,	образца,	шарика
	МПа	мм
Черные	1400–1500	От6 до 3		10,0	30 000
металлы		От4 до 2	Р = 300 D2	5,0	7500		10
		Менее 2		2,5	1875
		Более 6	Р = 100 D2	10,0	10 000
Тоже	1400	От6 до 3		5,0	2500		10
		Менее 3		2,5	625
Цветные		От6 до 3	Р = 300 D2	10,0	30 000
металлы	1300	От4 до 2		5,0	7500		30
		Менее 2		2,5	1875
		От9 до 3	Р = 100 D2	10,0	10 000
Тоже	350–1300	От6 до 3		5,0	2500		30
		Менее 6		2,5	625
Цветные	80–350	Более 6		10,0	2500
металлы		От6 до 3	Р = 25 D2	5,0	625		60
и сплавы		Менее 1		2,5	156

Условияиспытаниязаписываютследующимобразом: НВ10/30 000/30 означает, что испытание проводили шариком D = 10 мм под нагрузкой 30 000 Нисвыдержкойt = 30 с. Какужеуказывалось, междутвердостью по Бринеллю НВ и пределом прочности В существует количественная зависимость:

46

В = 3,5 НВ (МПа) для углеродистых сталей в нормализованном состоянии;

В= 3,6 НВдлянизколегированныхконструкционныхсталейвулучшенном состоянии;

В = 5,5 НВ для меди, латуни и бронзы в отожженном состоянии; В = 4,0 НВ для тех же сплавов в наклепанном состоянии.

Для алюминия и его сплавов с твердостью 20...45 НВ В = 3,5 НВ, для дуралюмина отожженного В = 3,6 НВ, а после закалки и старения В = 3,5 НВ. НВпринимается в кгс/мм2, тогда В выражается в МПа.

Чтобы избежать длительных вычислений, на практике пользуются готовымитаблицамисзаранееподсчитаннымизначениямитвердостидля отпечатковразныхдиаметров, полученныхприразныхнагрузках. Перед испытанием поверхность образца обрабатывают, чтобы она была гладкой, без окалины и других дефектов.

К недостаткам способа Бринелля следует отнести невозможность испытаний:

металлов, имеющих твердость свыше 4500 МПа, при этом будет деформироватьсясамстальнойзакаленныйшарик ирезультатыиспыта-

твердости мелких деталей и тонкогоповерхностного слоя(менее 1...2 мм), так как шарик будет продавливать тонкий слой металла.

Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности:

1)изучить работу твердомера;

2)очистить поверхность образцов от загрязнения и окалины с помощью напильника или на шлифовальном круге;

3)выбратьвзависимостиотзаданныхусловийиспытанийдиаметр шарика, нагрузку и время выдержки под нагрузкой;

4)закрепить наконечник с шариком вшпинделе пресса установочным винтом;

5)установить на подвеску твердомера требуемое для испытания количество сменных грузов;

6)установитьупорнанужнуюпродолжительностьвыдержкиизакрепить стопорным винтом;

7)установитьнастоликиспытуемыйобразецивращениеммаховика поднять его доупора внаконечникс шариком, прикладываяэтим предварительнуюнагрузку, равную1000 Н, приэтомцентрбудущегоотпечаткадолженнаходитьсянарасстояниинеменеедиаметрашарикаоткраяобразца, аот

центрасоседнегоотпечатка– неменеедвухдиаметровшарика;

47

8)нажать на спусковую кнопку и привести в действие электродвигатель, передавая нагрузку на образец;

9)после автоматического выключения электродвигателя опустить столик, снять образец и измерить диаметр отпечатка при помощи лупы

вдвух взаимно перпендикулярных направления. Диаметр отпечатка измеряют с точностью до 0,5 мм при испытании шариком диаметром 10,5 ммисточностьюдо0,01 ммприиспытаниишарикомдиаметром2,5 мм;

10)повеличине диаметраотпечаткавтаблице найтичислотвердо-

сти НВ;

11)результатыиспытаниязанестивпротоколиспытаний(табл. 5.2).

								Таблица5.2
	Диа-		Диаметр						Пре-
			отпе-						дел
Мате-	метр		чаткаd,		Твердость по Бринеллю, МПа				проч-
риал	ша-	Нагрузка	мм						ности
об-	рика	Р, Н							σв,
разца	D,								МПа
	мм
			d1	d2	НВ1	НВ2	НВср	НВрасч

2. Определение твердости способом Роквелла

Измерение твердости по способу Роквелла производят путем вдавливания алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм в испытуемый образец под действиемдвухпоследовательноприлагаемыхнагрузок: предварительнойР0 и основной Р1. Общая нагрузка Р равна сумме предварительной и основной: Р = Р0 + Р1 (рис. 5.2).

Предварительнаянагрузка Р0 вовсехслучаяхравна100 Н, аосновная Р и общая Рпри вдавливании:

стального шарика (шкала В) Р1 = 900 Н; Р = 100 + 900 = 1000 Н;

алмазногоконуса (шкала С) Р1 = 1400 Н; Р= 100 + 1400 = 1500 Н;

алмазного конуса (шкала А) Р1 = 500 Н; Р = 100 + 500 = 600 Н.

		Р1
		Р0	Р0
	Р0		Р0

h0

h

Рис. 5.2. Схема определения твердости по способу Роквелла

Предварительнаянагрузкадаетсядлятого, чтобыисключитьвлияние различной степени частоты измеряемой поверхности на результаты измерений. Величина окончательной нагрузки выбирается в зависимости от применяемого наконечника и твердости испытуемого материала

(табл. 5.3).

						Таблица 5.3
	Примерная
	твердость	Обозначе-	Форма	Общая на-	Обозначе-	Пределы
	(по Бри-	ние шкалы	наконеч-	грузка,	ние твер-	измерения,
	неллю),	Роквелла	ника	Н	дости	усл. ед.
	МПа
	Свыше	А	Алмазный	600	НRA	70…65
	7000		конус
	2300…7000	С	То же	1500	НRC	20…67
	600…2300	В	Стальной	1000	НRB	25…100
			шарик

За меру твердости по Роквеллу принята разность между глубиной отпечатков, полученныхотвдавливанияшарикаиликонусаподдействием предварительной и общей нагрузок. Для численной характеристики твердости введена условная шкала с цифрами, нанесенными в порядке,

48

49

обратном движению стрелки в момент приложения нагрузки. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм (цена одного деления).

Такимобразом, твердостьпоРоквеллу привдавливанииалмазного конуса выражается числом делений условной шкалы по формуле:

	HRC 100 –	h–h0	,	(5.3)
		c

а при вдавливании шарика число твердости определяется по формуле

	HRB 130 –	h–h0	,	(5.4)
		c

где h – глубина внедрения шарика или конуса в испытуемый металл под действиемобщейнагрузкиР; h0 – глубинавнедренияшарикаиликонуса в испытуемый металл под действием предварительной нагрузки P0; c – постоянная, равная 0,002 мм.

Индикатор прибора имеет две шкалы: черную – для испытаний алмазным конусом при различных основных нагрузках и красную – для испытаний шариковым наконечником. Красная шкала смещена относительно нулевого деления черной шкалы на 30 делений в направлении, противоположном движению стрелки индикатора при внедрении наконечника. Это смещение сделано по той причине, что глубина вдавливанияшарикачастопревышает0,2 мм, т. е. стрелкапривдавливанииделает поворот более чем на 100 делений (при очень мягком материале). Определение твердости на приборе Роквелла имеет широкое применение, посколькунанемможно испытать как мягкие, таки твердые, а также тонкие материалы.

Шкала С используется при испытаниях сталей твердостью HRC = 20...70 и тонких поверхностных слоев толщиной свыше 0,5 мм, шкалаА– прииспытаниитвердыхсплавовтвердостьюсвышеHRC = 70, тонкого листовогоматериала идля измерениятвердости тонкихповерхностных слоев (0,3...0,5 мм). Число HRA можно перевести вчисло HRC по формуле:

HRC = 2HRA – 104.

(5.5)

Шкала Вприменяетсяпри испытании металловсреднейтвердости иизделийтолщинойот0,8 до2 мм. ЧислатвердостипоРоквеллуможно приближенно пересчитать в числа твердости по Бринеллю. На основании экспериментальных данных установлена следующая зависимость:

НВ = 100 HRC

(5.6)

винтервалетвердости2000...4500 МПапоБринеллю, гдеHB – твердость по Бринеллю; HRC – твердость по Роквеллу (шкала С).

Для перевода числа твердости по Роквеллу с одной шкалы на другую пользуются специальными справочными таблицами. Поверхности образцов (как испытуемая, так и опорная) должны быть плоскими, параллельными друг другу, отшлифованными, без окалины, забоин и т. п.

КдостоинствамспособаРоквелласледуетотнестивысокуюпроизводительность(времяиспытания30...60 с, результатиспытаниясчитается прямо на шкале прибора), простоту обслуживания, точность измеренияисохранениекачественнойповерхностипослеиспытания. Этотспособнерекомендуетсяприменять дляопределениятвердостинеоднородных по структуре сплавов, криволинейных поверхностей и для испытания деталей, которые под действием нагрузки могут деформироваться.

Практическую часть раздела рекомендуется выполнять в такой последовательности:

1)изучить работу твердомера;

2)подготовитьобразцыкиспытаниютакже, какиприиспытаниях на приборе Бринелля;

3)подобрать наконечник и закрепить его в шпинделе при помощи установочного винта;

4)подобратьиподвеситьгрузысоответственновыбранномунаконечникуишкале, покоторойпредполагаетсявестииспытание(см. табл. 5.3);

5)установить испытуемый образец на столик прибора;

6)вращениеммаховикапостепенно подвестииспытуемую поверхностьобразца досоприкосновенияснаконечником, азатемдальнейшим

его вращением произвести предварительное нагружение Р0 до тех пор, пока малая стрелка индикатора не совпадет с красной точкой на шкале. Еслионазначительноперейдетзакраснуюточку(влево), тонеобходимо загрузить прибор, выбрать на испытуемой поверхности другое место

иначать испытание заново. Затем необходимо повернуть ободок индикатора до совпадения нулевой отметкичерной шкалы с большой стрелкой;

50

51

7)слегка нажать на платформу и тем самым произвести нагруже-

ниеобразцачерезнаконечникобщейнагрузкой(предварительнаяР0 плюс основная Р1). В это времябольшая стрелка поворачиваетсяпротив часовой стрелки после секундной выдержки в полностью нагруженном со-

стоянии, происходитавтоматическое снятиенагрузки Р1, вовремя которого большая стрелка движется по часовой стрелке;

8)после полной остановки стрелки произвести отсчет числа твердости по соответствующей шкале индикатора: в случае применения алмазного наконечника – по черной шкале С или А, при шариковом наконечнике – по красной шкале В;

9)результаты испытаний внести в протокол испытаний (табл. 5.4);

Таблица5.4

Наиме-			Измерениетвердости по Рок-				Твер-
				веллу, HR			дость по
нование	Нагрузка
		Шкала				Среднее	Бринел-
матери-	Р, Н		1	2	3	значе-	лю НВ,
ала
						ние	МПа

10)вращением маховика против часовой стрелки опустить столик

иснять образец.

Содержание отчета

1.Цель и задачи работы.

2.Краткое описание способов измерения твердости.

3.Схемы, иллюстрирующие способы проведения испытаний.

4.Таблицы значений твердости по результатам измерений.

5.Определение предела прочности металла по значениям твердо-

сти.

6. Выводы по работе.

Лабораторная работа № 6

ЗАКАЛКА СТАЛИ

Цель лабораторной работы – изучение влияния термической обработки на механические свойства стали.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо:

1)изучить превращения переохлажденного аустенита углеродистой стали;

2)освоить методику проведения термической обработки;

3)экспериментальноопределить оптимальнуютемпературузакалки углеродистой стали.

Оборудование участка лабораторной работы:

оборудование– нагревательныепечи, приборыдляиспытанияобразцов на твердость – по методу Роквелла и ультразвуковой твердомер,

бак с водой, щипцы, рукавицы, штангенциркуль;

материалы – образцы из углеродистой стали, наждачная бумага;

плакаты – диаграмма состояния железо – цементит, диаграмма

справочная литература – справочники, ГОСТы.

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на материалы в целях изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Структура сплавов, в основном, определяется термической обработкой, заключающейся в нагреве сплавов до различных температур и охлаждении их с различными скоростями. При этом свойства сплавов изменяются в широких пределах.

1. Превращения в стали при охлаждении

Если сталь со структурой аустенита, полученной в результате нагрева до температур выше линии GS (доэвтектоидная сталь) или выше линииSE (заэвтектоиднаясталь), переохладитьдотемпературнижекритической точки А1, то аустенит претерпевает превращения.

Нижетемпературы727 °Саустенитнеустойчив, таккакегосвободная энергия выше свободной энергии продуктов его превращения. Наи-

52

53

более полное представление о превращениях аустенита при различных
степенях его переохлаждения дает диаграмма изотермического распада
аустенита (С–диаграмма). Для изучения изотермического превращения
аустенита небольшие образцы стали нагревают до температур, соответ-
ствующих существованию стабильного аустенита (т. е. выше критичес-
кой точки), а затем быстро охлаждают до температуры 700, 600, 500 °С
и выдерживают при каждой из перечисленных температур до полного
или частичного распада аустенита, после чего охлаждают в воде. По ре-
зультатам строят кривую, которая показывает количество распавшегося
аустенитавзависимостиотвремени, прошедшего смомента началарас-
пада (рис. 6.1).
а	0		K2		K3		K1
Количество распавшегося аустенита, %
	100	t2		t3		t1
	50
		H2		H3	H1
Температура,°С			10	102	103	104	105
					H1		Промежу-Мартен- Перлитное точноеситное превращения( )
б	727						K1
		H2
				K2	K3
	200	Mн		H3
	0	Mк		A	M
	-200
						M
		0	10	102	103	104	105
60 40
Рис. 6.1. Построение диаграммы изотермического превращения
	переохлажденного аустенита для стали с 0,8 % С:
	а – кинетические кривые; б – диаграмма изотермического
			превращения аустенита
				54

Каквиднонарисунке, поистеченииопределенногопромежуткавремени (инкубационный период), различного для каждой из температур, аустенит начинает распадаться с образованием ферритно-цементитной смеси – перлита.

Твердость и прочность ферритно-цементитной смеси прямо пропорциональны площади поверхности раздела междуферритом и наиболее твердой фазой – цементитом. Поэтому с увеличением степени дисперсности (чем тоньше пластинки) ферритно-цементитной смеси, т. е. с понижением температуры его распада, твердость, предел прочности, текучести и выносливости возрастают.

Образующаясяпринебольшомпереохлажденииаустенитакрупнопластинчатая ферритно-цементитная смесь называется перлитом. При большем переохлаждении среднепластинчатую смесь называют сорбитом, а тонкопластинчатую смесь – трооститом. Однако указать границыпереходаотоднойструктурыкдругойневозможно, таккактолщина пластинок меняется непрерывно.

При переохлаждении эвтектоидной стали до 240 °С диффузионные процессы настолько затруднены, что аустенит не распадается, а лишь испытывает аллотропическое превращение без изменения состава. Образующаяструктураназываетсямартенситом. Следователь-

да в -железо.

Мартенситзакалкиимеетнекубическую, атетрагональнуюрешетку. Степень тетрагональности зависит от содержания углерода в стали. Мартенситное превращение возможно только в случае, если сталь охлаждаетсясоскоростью, обеспечивающейпереохлаждениеаустенитадо низких температур, при которых не протекают диффузионные процессы. Мартенситное превращение начинается при определенной температуре, называемойтемпературойначаламартенситногопревращения(Мн) и протекает в широком интервале температур.

Подостиженииопределеннойдлякаждойсталитемпературыдальнейшеепревращениеаустенитавмартенситпрекращается. Этатемператураназываетсяконцоммартенситногопревращения иобозначаетсяМк. Положение точек Мн и Мк независит отскоростиохлажденияиопределяется только химическим составом аустенита.

Вследствие сильного искажения кристаллической решетки -же- леза внедренными в нее атомами углерода мартенсит обладает высокой твердостью и низкой пластичностью.

55

00

Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали, чтоявляетсяосновнойизпричинвозникновенияпризакалкебольших напряжений, вызывающих деформацию или даже появление трещин.

Минимальная скорость, при которой аустенит не распадается, а испытывает только мартенситное превращение, называется критической скоростью закалки Vкр.

Закалка. Этот вид термической обработки заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры Ас3 + (30…50) °С (полная закалка), а для заэвтектоидной стали до Ас1 + (30…50) °С (неполная закалка), выдержке приэтих температурахипоследующемохлаждениисоскоростью, превышающей критическую (рис. 6.2). Закалку проводят в целях достижения высокой твердости, износостойкости и прочности. Закалка не является окончательной операцией. Для того чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, стальпосле закалкиобязательно подвергаютотпуску.

t, θC

Мн Мн

Рис. 6.2. Схема закалки стали

Неполная закалка доэвтектоидной стали применяется весьма редко. Дело в том, что вструктуре этой стали, нагретой до температуры Ас1 + (30…50) °С, нарядус аустенитомвсегдабудутнаходитьсяизерна феррита. Врезультатебыстрогоохлажденияаустенитперейдетвмартенсит, а феррит никаких превращений претерпевать не будет и поэтому сохранится в структуре закаленной стали. Присутствие мягкого феррита в структуре закаленной стали существенно снизит ее твердость.

Заэвтектоидные стали, наоборот, подвергаются обычно неполной закалке, после которой в их структуре, наряду с мартенситом, будет находитьсяещеиоченьтвердыйвторичныйцементит. Стальстакойструктурой обладает высокой твердостью и износостойкостью по сравнению со сталью после полной закалки.

Экспериментальнотемпературазакалкиможетбытьопределенапо изменению твердости стали, закаленной с различных температур. Например, длядоэвтектоиднойсталиначалорезкогоповышениятвердости соответствуетпересечениюлинииАс1, амаксимальное значениетвердости достигается закалкой с температуры Ас3, когда в структуре закаленной стали фиксируется лишь один мартенсит.

2.Методика проведения термической обработки

иисследования ее влияния на механические свойства стали

Студентыделятсянаподгруппыпо4–6 человек. Каждаяподгруппа получает по одному образцу из конструкционной стали, предназначенномудляиспытанийна твердость. Выборобразцовопределяетсяпреподавателем.

Термообработку образцов каждая подгруппа проводит самостоятельнопоодномуизрежимов, приведенныхвтабл. 1 (режимопределяет преподаватель), в следующей последовательности:

1.Образец помещается в печь при температуре на 30…50 °С ниже заданной. Последостижениязаданнойтемпературыисоответствующей выдержки (определяется из расчета 1,5…2 мин на 1 мм толщины образца) при температуре нагрева производится охлаждение образца в воде.

Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и температура закалки соответствовала температуре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают

вней (не извлекая из воды) для разрушения образующейся паровой рубашки.

2.После закалкиодну плоскость образца зачищают наждачной бумагойотокалины, инаприбореРоквеллаилиультразвуковымтвердомером замеряют твердость (на каждом образце осуществляют 3 замера инаходятсреднеарифметическоезначение). Полученныезначениятвердости заносят в таблицу.

56

57

№	Температура	Время		Твердость	Структура
	закалки, ОС	выдержки,	Охладитель	по HRC	стали после
		мин			охлаждения
1	650
2	750
3	800
4	850

3.По этим значениям строится график зависимости твердости образца от температуры закалки.

4.Наоснованииполученногографикаопределяютсязначениякритических точек и оптимальная температура закалки.

Содержание отчета

1.Цель и задачи работы.

2.Превращения в стали при охлаждении (конспективно).

3.Таблица значений твердости по результатам измерений.

4.График изменения твердости от температуры закалки.

5.Выводы по работе.

Лабораторная работа № 7

ОТПУСК СТАЛИ

Цельлабораторнойработы– изучениевлияниятемпературыотпуска на механические свойства стали.

В процессе выполнения лабораторной работы необходимо:

1)ознакомиться с рациональным выбором способов термической обработки для улучшения свойств стали;

2)освоить методику проведения термической обработки и исследовать влияние различных видов отпуска на механические свойства стали.

Оснащение участка лабораторной работы:

оборудование – нагревательные печи, термопары и гальванометры, бак с водой, твердомер Роквелла, щипцы, рукавицы;

материалы – образцы для испытаний на твердость;

плакаты – диаграммасостоянияжелезо–цементит, схемыприбора Роквелла;

справочная литература – справочники, ГОСТы.

Термической обработкой называют процессы теплового воздействия на материалы в целях изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическую обработку применяют и как промежуточную операциюдляулучшениятехнологическихсвойств(обрабатываемостидавлением, резанием, свариваемости), и как окончательную – для придания требуемых эксплуатационных свойств (твердости, прочности, износостойкости и т. д.).

Чем ответственнее конструкция, тем больше в ней термически обработанных деталей. Теория термической обработки стали основана на общей теории фазовыхпревращений, протекающихвсплавахв твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превращений, протекающихпринагреве иохлаждениисталис различнойскоростью, позволяетуправлятьпроцессамитермическойобработкииполучатьсталь(деталь, изделие) с необходимыми структурой и свойствами.

58

59