METODAAA_33__33__33_0001

Порядок выполнения работы и обработка результатов

Определение механических характеристик по диаграмме растяжения

По диаграмме растяжения определить основные точки для расчёта прочност­ ных характеристик, после чего определить численные значения основных меха­

нических свойств.
По цилиндрическому образцу после испытания на растяжение рассчитать его
относительное удлинение и сужение.
1. Определение предела текучести	оТ = PTIFQ,	К Г С / М М
Перевести из системы СГС в систему СИ (МПа).
Нагрузка предела текучести
Расстояние от начальной линии х Нагрузка		на разрывной машине, необходимая
р _ диаграммы до отметки текучести	для проведения испытаний (6000 кгс)
Все поле диаграммы (250 мм)
2. Определение временного сопротивления разрыву ов = PBIFQ, К Г С / М М
Перевести из системы СГС в систему СИ (МПа).
Нагрузка временного сопротивления разрыву

	Расстояние от начальной линии	х Нагрузка на разрывной машине, необходимая
р	_ диаграммы до отметки разрыва	для проведения испытаний (6000 кгс)
в	Все поле диаграммы (250 мм)

3. Определение относительного удлинения

8 = [(/*-/оУ/о]100%.

Для определения конечной длины образца (/#) разрушенные части образца плотно складывают так, чтобы их оси образовали прямую линию. Измерение 1к проводится штангенциркулем. Измеряют расстояние между метками, ограничи­ вающими расчетную длину.

4. Определение относительного сужения

\ | / = [ ( F 0 - F A ) / F O ] 1 0 0 % .

Для определения относительного сужения цилиндрического образца после разрыва измеряют минимальный диаметр в области шейки (d£) с помощью штан­ генциркуля. По значению d& вычисляют площадь поперечного сечения образца после разрыва FK .

Измерение твёрдости образцов различными методами

В данной работе испытанию на твёрдость подвергаются различные образцы: углеродистая инструментальная сталь, конструкционная сталь, быстрорежущая сталь, подшипниковая сталь. Числа твёрдости определяются двумя рассмотрен­ ными выше способами. В связи с разбросом данных измерений испытания на твёрдость каждым методом повторяют 2-3 раза и берут средний результат.

173

Определение по Бринеллю

1. В зависимости от предполагаемой твёрдости образца выбрать режим испы­ тания и настроить пресс.

2.Произвести 2-3 вдавливания шарика, соблюдая условие: расстояние от цен­ тра отпечатка до края образца не должно быть меньше диаметра шарика и до цен­ тра соседнего отпечатка меньше двух диаметров.

3.Замерить с помощью отсчётного микроскопа диаметры отпечатков в двух взаимно перпендикулярных направлениях и по среднему арифметическому зна­ чению вычислить число твёрдости по формуле или найти из приложения 5.

Определение по Роквеллу

1. В зависимости от предполагаемой твёрдости объекта испытаний выбрать форму вдавливаемого тела, величину общей нагрузки и шкалу индикатора (обра­ тить внимание на качество подготовленной поверхности образца).

2.Провести несколько вдавливаний, каждый раз отсчитывая по индикатору числа твердости по Роквеллу (HRB, HRC или HRA в зависимости от шкалы отсчета). Расстояние между центрами отпечатков и от края образца не должно быть меньше 2,5... 3 мм для конуса и 4 мм для шарика.

3.Подсчитать среднее значение числа твёрдости.

4.Пользуясь приложением 6 перевести число твердости HR в число твёрдости НВ и сравнить с результатом, полученным по способу Бринелля.

Оформление отчёта об исследовании

1. Определение механических свойств, при статических испытаниях и твёрдо­ сти материалов.

Цель работы.

Характеристика метода испытания, описание процесса испытания. Марки, типы твердомеров.

2. Результаты наблюдений и испытаний.

По диаграмме растяжения определить степень пластичности материала. Отме­ тить основные точки для расчёта прочностных характеристик, нанести необходи­ мые отрезки и касательные, после чего определить численные значения основных механических свойств.

По цилиндрическому образцу после испытания на растяжение, рассчитать его относительное удлинение и сужение. Для чего разрушенные части образца плотно сложить и определить недостающие характеристики.

Результаты занести в табл. 2.5.1 и 2.5.2. Определение твёрдости по Роквеллу (табл. 2.5.3).

Режим испытания: вид наконечника нагрузка Р = ... кг; шкала ...

3. Охарактеризовать по данным диаграммы растяжения потребительские свой­ ства материала, его возможное применение, соответствие ГОСТам.

174

Охарактеризовать по данным твёрдости состояние материала и сделать выво­ ды о его механических и физических свойствах.

Таблица 2.5.1

Сравнение полученных результатов с ГОСТами

Марка стали ...

Марка стали ...

Замеряемые параметры

Полученные

Значения

Полученные

Значения

результаты

ГОСТа

результаты

ГОСТа

Предел текучести а-г, МПа

Временное сопротивление

раз­

рыву ств, МПа

Относительное удлинение 8, %

Относительное сужение \|/, %

Ударная вязкость KCU, Дж/см

Число твёрдости по Бринеллю

НВ

Таблица 2.5.2

Результаты замера твёрдости по Бринеллю

Замеряемые параметры

Образец № 1

Образец № 2

Образец № 3

Материал

Диаметр отпечатка d, мм

Средний диаметр отпечат­

ка dcp, мм

Число твёрдости по Бри­

неллю НВ

Таблица 2.5.3

Результаты замера твёрдости по Роквеллу

Замеряемые параметры

Образец № 1

Образец № 2

Образец № 3

Материал

Отсчёт чисел твёрдости по

шкале прибора

Среднее значение числа

твёрдости

Контрольные вопросы

1. Что понимается под механическими свойствами? Какие критерии оценки механических свойств существуют?

2.В чём достоинство и недостатки статических испытаний, в частности при растяжении?

3.Охарактеризовать основные точки характеристик прочности материала на диаграмме растяжения.

175

4.Дать определение, что понимается под основными механическими свойст­

вами.

5.Что понимается под твёрдостью материала? Какими способами определяет­ ся твёрдость?

6.Чем объясняется широкое применение испытаний на твёрдость? О каких ха­ рактеристиках материала можно судить, если известна его твёрдость?

7.Как производятся испытания на твёрдость по Бринеллю, характеристика и способ работы твердомера? Что такое число твёрдости по Бринеллю и какова его размерность?

8.Чем и как измеряется диаметр отпечатка при испытании на твёрдость по Бринеллю? В зависимости от чего выбирается диаметр шарика, нагрузка и время выдержки?

9.Как производится испытание на твёрдость по Роквеллу, характеристика и способ работы твердомера? Что такое число твёрдости по Роквеллу, какова его размерность?

10.В зависимости от чего выбирается форма вдавливаемого тела при испыта­ ниях на твёрдость по Роквеллу? Каков порядок испытаний на твёрдость по Рок­ веллу?

2.6. Учебно-исследовательская работа № 6. Виды и цели термической обработки стали. Определение температуры критических точек методом пробных закалок

Цель работы

Данная работа предполагает:

-изучение фазовых превращений в сплавах железа при нагреве и охлаждении;

-изучение основных видов и технологий термической обработки и определе­ ние целей, преследуемых термической обработкой;

-знакомство с контролем технологического процесса термической обработки

иконтролем качества изделий после термической обработки;

-анализ микроструктур термически обработанных образцов.

Основные положения

Теория термической обработки

В основе теории термической обработки лежат критические точки, открытые в 1868 г. великим русским учёным Д.К. Черновым - «точки Чернова». Именно фазовые превращения в железе и его сплавах составляют фундамент теории термической обработки. Знание критических точек необходимо не только для характеристики превращений, но и для выполнения термической обработки. На диаграмме Fe - C критической точке Ас\ отвечает линия PSK, а критической точке Асъ (для доэвтектоидной стали) - линия GS.

176

Однако диаграмма Fe - C характеризует только состояние чистых железоуглеродистых сплавов. Промышленные сплавы помимо углерода и железа содержат различные химические элементы. При увеличении содержания марганца (свыше 0,7...0,8 %) или кремния (свыше 0,5...0,6 % ) , а также введение других легирующих элементов (никеля, хрома и др.) положение критических точек значительно изменяется и определение их по диаграмме Fe-C-легирующий элемент для стали, содержащей несколько легирующих элементов, становится невозможным.

Вследствие отсутствия диаграмм ряда многокомпонентных систем для назначения режимов термической обработки необходимо экспериментальное определение критических точек - областей превращения. Для широко применяемых сталей критические точки определены и указаны в технической литературе и справочниках. Однако критические точки разных плавок могут несколько отличаться, особенно для сложнолегированной стали при отклонениях в содержании отдельных элементов от среднего состава.

Наиболее простым способом определения критических точек является метод пробных закалок. Из исследуемой стали в состоянии, в котором она поставлена металлургическим заводом, изготавливают образцы в виде шайб диаметром 15...20 мм и высотой 12... 15 мм. Один из образцов нагревают ниже предполагаемой температуры Аа, быстро охлаждают в воде и измеряют его твёрдость. Второй образец нагревают на 10... 15° выше, также охлаждают и измеряют его твёрдость. Таким образом, нагревают до всё более высокой температуры каждый следующий образец.

Предположим, что требуется определить критически точки Ас\ и Асъ

углеродистой стали	с содержанием 0,4 % С. Положение этой стали на диаграмме
Fe - C (без учёта	примесей) показано вертикальной пунктирной линией на
рис. 2.6.1.

	910 (]	п
	900

темпе

ратура

0,006	0.75	0.8

Рис. 2.6.1. Стальной угол диаграммы Fe-C (область превращения в твёрдом состоянии)

177

Очевидно, что нагрев ниже точки Ас\, например до точки 1, не может изменить структуру и повысить твёрдость, последняя может даже несколько понизиться, если сталь была предварительно недостаточно отпущена или отожжена.

Однако твёрдость возрастёт, если сталь нагреть несколько в ы ш е ^ с ь например до температуры, соответствующей точке 2, а затем охладить в воде. Структура в этом случае изменится, сталь получит структуру феррит + аустенит. В результате быстрого охлаждения сталь получит структуру феррит + мартенсит, так как аустенит при охлаждении превращается в мартенсит. Феррит, сохранившийся при нагреве до точки 2, останется при охлаждении без структурных изменений. Образование более твёрдой составляющей, а именно мартенсита повышает твёрдость стали.

После более высокого нагрева, например, до точки 3 твёрдость ещё больше увеличится. Поскольку с повышением температуры в интервале Ас\-Асъ количество аустенита возрастёт, а количество феррита уменьшится, то в закалённой стали должно увеличиться количество твёрдой составляющей - мартенсита. Повышение твёрдости должно продолжаться до тех пор, пока не будет достигнута температура Асъ- Тогда сталь при нагреве получает полностью аустенитную структуру, а при охлаждении - структуру мартенсита. Дальнейшее повышение температуры закалки не изменит структуру стали и её твердость в закалённом состоянии. Результаты измерения твёрдости записывают в таблицу, по данным которой строят диаграмму «Твёрдость - температура нагрева». Вид такой кривой для доэвтектоидной стали, показан на рис. 2.6.2. Температура начала повышения твёрдости отвечает точке Ас\, а конца подъёма - точке Аа.

к

ГвёрдОС'1 Ь

Температура		<•

Рис. 2.6.2. Диаграмма для определения критических точек доэвтектоидной стали по способу пробных закалок

Кривые для эвтектоидных и заэвтектоидных сталей имеют иной ход. При нагреве ниже точки Ас\ эти стали, как и доэвтектоидные, не изменяют структуру,

178

но при нагреве выше точки Ас\ эвтектоидная сталь получает структуру аустенита, а заэвтектоидная - аустенит + цементит. После закалки эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, заэвтектоидная - мартенсит + цементит. Эти структурные состояния определяют высокую твёрдость (более HRC 60). Ещё более высокий нагрев мало изменяет твёрдость, в связи с эти кривая твёрдости имеет на диаграмме резкий перелом, соответствующий температуре Ас\.

Точность способа пробных закалок зависит от величины интервала температур нагрева каждого следующего образца.

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, имеющих целью изменения структуры и свойств стали. Кроме того, на результат термической обработки влияет химическая среда, в которой производится обработка.

Для многих видов термической обработки сталь нагревают до температур, соответствующих существованию аустенита (процесс аустенизации). Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом и подчиняется основным положениям теории кристаллизации.

Термическая обработка имеет высокую себестоимость, но, тем не менее, широко применяется в современном машиностроении, а также гарантирует надёжность и безопасность эксплуатации технических средств.

Чтобы исключить повторную термообработку и тем более окончательный брак обрабатываемых, порой уже готовых, сложной конфигурации деталей, что может привести к большим убыткам в производстве, необходим жёсткий контроль за всем технологическим процессом термической обработки, метрологическое обеспечение.

Виды и цели термической обработки

Вид термической обработки, различно изменяющей структуру и свойства стали, назначается в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливки, поковки, прокат и т.д.) и готовыми изделиям. Это может быть отжиг, нормализация, закалка, отпуск.

Под отжигом понимают, нагрев стали до заданной температуры (выше температур фазовых превращений) и выдержке при ней с последующим медленным охлаждением. В результате медленного охлаждения сталь приближается к фазовому и структурному равновесию. Вследствие этого после отжига получаются структуры, указанные на диаграмме состояния Fe - C, а именно: феррит + перлит в доэвтектоидных сталях, перлит в эвтектоидной стали и перлит + цементит в заэвтектоидных сталях. Обычно после отжига сталь обладает низкой твёрдостью и прочностью.

Фазовая перекристаллизация, происходящая при отжиге, измельчает зерно, устраняет видманштеттову структуру стали и выравнивает состав. Как правило, в большинстве случаев отжиг является подготовительной термической обработкой. Понижая прочность и твёрдость, отжиг улучшает обрабатываемость резаньем. Вместе с тем, измельчая зерно, снимая внутренние напряжения и уменьшая

179

структурную неоднородность, отжиг способствует повышению пластичности и вязкости, в сравнении с полученной после литья, ковки или прокатки структурой, что подготавливает металл для последующей его деформации. По этим причинам отжиг в некоторых случаях, например, для многих крупных отливок является окончательной термической обработкой.

Принято классифицировать виды отжига на две основные группы (по А. А. Бочвару):

а) отжиг I рода - отжиг холоднодеформированного, литого металла, не со­ провождающийся фазовым превращением (возврат, рекристаллизация) при тем­ пературах выше или ниже температур фазовых превращений;

б) отжиг II рода - отжиг с нагревом выше нижней или верхней критической точки, сопровождающийся фазовой перекристаллизацией.

К отжигу I рода относят: диффузионный (гомогенизация), рекристаллизационный и отжиг для снятия остаточных напряжений.

Диффузионный отжиг. Под диффузионным отжигом понимают нагрев стали значительно выше точки Асз (1100... 1200 °С), так как только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания со­ става в отдельных объёмах, длительная выдержка, с последующим медленным охлаждением.

Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения дендритной или внутрикристаллической ликвации, которая повыша­ ет склонность стали, обрабатываемой давлением, к хрупкому излому, к анизотро­ пии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность и флокены. Денд­ ритная ликвация понижает пластичность и вязкость легированной стали. Поэтому не только слитки, но и крупные отливки также нередко подвергают гомогениза­ ции. Диффузионный отжиг способствует более благоприятному распределению некоторых неметаллических включений вследствие частичного растворения и коагуляции.

Общая продолжительность диффузионного отжига (нагрев, выдержка и мед­ ленное охлаждение) больших садок металла достигает 50... 100 часов и более. В зависимости от состава стали и массы садки продолжительность выдержки со­ ставляет 8...20 часов. Наиболее интенсивно гомогенизация протекает в началь­ ный период отжига, так как по мере выравнивания состава сплава градиент кон­ центрации dC/dx уменьшается. Для сокращения продолжительности процесса и уменьшения расхода топлива в печь загружают горячие слитки (сразу после раз­ ливки).

В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Этот недоста­ ток устраняется при последующей обработке слитка давлением. Для удаления по­ верхностных дефектов методом механической обработки слитки после отжига иногда подвергают отпуску при 670...680 °С в течение 1...16 часов, что снижает твёрдость. Фасонные отливки после гомогенизации подвергают полному отжигу или нормализации для измельчения зерна и улучшения свойств.

Рекристаллизационный отжиг. Под рекристаллизационным отжигом пони­ мают нагрев холоднодеформированной стали в зависимости от её состава выше

180

температуры рекристаллизации (650...760 °С), выдержку при этой температуре с последующим охлаждением.

Рекристаллизационный отжиг применяют перед холодной обработкой давле­ нием и как промежуточную операцию для снятия наклёпа между операциями хо­ лодного деформирования. Таким образом, целью данного отжига, является уст­ ранение наклёпа и повышение пластичности. В некоторых случаях рекристалли­ зационный отжиг используют и в качестве окончательной термической обработ­ ки.

Увеличение в стали содержания углерода и легирующих элементов повышает температуру рекристаллизации. Температура отжига для достижения рекристал­ лизации по всему объёму и для сокращения времени протекания процесса разу­ прочнения превышает температуру порога рекристаллизации. Для низкоуглеро­ дистой (0,08...0,20 % С) листовой стали, подвергаемой холодной штамповке, тем­ пература рекристаллизационного отжига составляет 680...700 °С, продолжитель­ ность - 8... 12 часов. Структура листа после отжига - зерно феррита овальной или округлой формы, размером 5-8-го балла. Отжиг калиброванных прутков (холод­ ная протяжка) из высокоуглеродистой легированной стали (хромистой, хромомарганцовистой и др.) проводят при 730 °С, продолжительность от 0,5 до 1,5 ча­ сов.

Кроме рекристаллизации феррита, при отжиге может протекать процесс коа­ гуляции и сфероидизации цементита. Это повышает пластичность, что облегчает холодную обработку давлением (глубокую вытяжку). Рекристаллизационному отжигу часто подвергают электротехнические, нержавеющие и другие стали.

Отжиг для снятия остаточных напряжений. Под отжигом для снятия ос­ таточных напряжений понимают нагрев в интервале температур 160...700 °С с по­ следующим медленным охлаждением отливок, сварных изделий, деталей после обработки резаньем и др., в которых в процессе предшествующих технологиче­ ских операций из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п. возникли остаточные напряжения.

Остаточные напряжения могут вызвать изменение размеров, коробление и подводку изделия в процессе его обработки (например, резаньем), эксплуатации или хранении. Так, многие детали прецизионных станков (ходовые винты, высо­ конапряжённые зубчатые колёса, червяки и др.) нередко проходят отжиг (отпуск) после основной механической обработки при 570...600 °С в течение 2...3 часов, а после окончательной механической обработки для снятия шлифовочных напря­ жений - при 160... 180 °С в течение 2...2,5 часов. Отжиг для снятия сварочных напряжений проводят при 650...700 °С. Остаточные напряжения также могут сни­ маться и при проведении других видов отжига.

К отжигу II рода относят: полный, изотермический со ступенчатым режимом, неполный, сфероидизирующий и низкий.

Полный отжиг. Под полным отжигом понимают нагрев доэвтектоидной ста­ ли выше температуры, соответствующей точке ^4сз+(30...50 °С), выдержку при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объёме металла и последующее медленное охлаждение.

181

При этом отжиге происходит полная, фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Асъ на 30...50 °С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность, получение высоких свойств после термической обработки.

Чрезмерное повышение температуры нагрева выше точки Асъ вызывает рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и выдержки при ра­ бочей температуре зависит от типа нагревательной печи, способа укладки изделий в печь, высоты садки, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат и т.д.).

Медленное охлаждение должно обеспечить распад аустенита при малых сте­ пенях переохлаждения, чтобы избежать образования излишне дисперсной ферри- то-карбидной структуры и свойственной ей более высокой твёрдости. Скорость охлаждения при отжиге зависит от устойчивости переохлаждённого аустенита, а следовательно от состава стали. Чем больше устойчивость аустенита в области температур перлитного превращения, тем медленнее должно быть охлаждение. Поэтому легированные стали, обладающие высокой устойчивостью переохлаж­ дённого аустенита, охлаждают значительно медленнее (10... 100 °С/ч), чем угле­ родистые (150...200 °С/ч). Скорость охлаждения при отжиге можно регулировать, проводя охлаждение печи с закрытой или открытой дверцей, с полностью или частично выключенным обогревом.

После распада аустенита в перлитной области (500...600 °С) дальнейшее охла­ ждение для многих сталей можно ускорить и выполнять даже на воздухе. Это не только сокращает продолжительность технологического процесса, но и уменьша­ ет возможность развития отпускной хрупкости. Если отжиг предназначен для снятия напряжений, например, в отливках сложной конфигурации, медленное ох­ лаждение с печью проводят почти до комнатной температуры.

Полному отжигу подвергают сортовой прокат, поковки и фасонные отливки, также легированные стали (для понижения твёрдости и облегчения их обдирки перед прокаткой).

Изотермический отжиг. Под изотермическим отжигом понимают нагрев обычно легированной стали до температуры, соответствующей точке У4СЗ+(50...70 °С), затем сравнительно быстрое охлаждение (обычно переносом в другую печь) до температуры, соответствующей точке Ас\-{\00... 150 °С), в зави­ симости от характера кривой изотермического распада аустенита. При этой тем­ пературе начинают изотермическую выдержку, необходимую для полного распа­ да аустенита, после чего следует охлаждение на воздухе.

Преимущество изотермического отжига состоит в уменьшении длительности процесса, особенно для легированных сталей, которые приходится очень медлен­ но охлаждать для требуемого снижения твёрдости. Кроме того, после изотерми­ ческого отжига имеет место более однородная структура, так как при изотермиче­ ской выдержке температура по сечению изделия выравнивается, и превращение по всему объёму стали происходит при одинаковой степени переохлаждения.

Изотермическому отжигу подвергают штамповки, заготовки инструмента и других изделий небольших размеров. При изотермическом отжиге больших садок

182