Материаловедение_лабы

7.3.Порядок выполнения работы

1.Получить три образца стали.

2.Поместить все образцы в одну закалочную печь, нагретую до температуры, равной оптимальной температуре закалки для данной стали.

3.После нагрева образцов до указанной температуры произвести выдержку в течение 15…20 мин.

4.Закалить все образцы в воде.

5.Снять на наждачном круге обезуглероженный слой (около 0,5 м) с торцевой поверхности образцов и зачистить оба торца на наждачной бумаге.

6.Измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла по шкале СЭ.

7.Произвести отпуск образцов (температуры отпуска по указанию преподавателя). Выдержка в печи 20…25 мин.

8.По окончании выдержки образцы вынуть из печей и охладить на воздухе.

9.Зачистить торцевые поверхности образцов на наждачной

бумаге.

10.Измерить твердость отпущенных образцов на приборе Роквелла по шкале СЭ.

11.Результаты испытаний свести в табл. 7.1.

12.На основании полученных результатов построить кривую изменения твердости стали в зависимости от температуры отпуска.

13.Ознакомиться с видом разрушения разрывных и ударных образцов, подвергавшихся закалке и отпуску при различных температурах.

				Т а б л и ц а 7.1
	Твердость и микроструктура образцов после отпуска
	Твёрдость	Температура	Твёрдость		Микроструктура
№ образца	после закалки		после отпуска
	НRСЭ	отпуска	НRСЭ		после отпуска

П р и м е ч а н и е. Микроструктура записывается в таблицу на основании полученной твердости без изучения микрошлифов.

60

7.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Характеристика стали в закаленном состоянии (марка стали, твердость, микроструктура).

3.Таблица результатов исследований.

4.Кривая зависимости твердости стали от температуры от-

пуска.

5.Выводы по работе.

7.5.Вопросы для самопроверки

1.С какой целью производится отпуск закаленной стали?

2.Какие процессы происходят при отпуске закаленной ста-

ли?

3.Какие структуры получаются при различных видах отпуска

икакими свойствами они обладают?

4.Как изменяется характер изломов разрывных и ударных образцов при повышении температуры отпуска?

5.Каково применение различных видов отпуска?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

8.1.Цель работы

1.Усвоить принципы термической обработки стали.

2.Ознакомиться с практикой проведения нормализации и закалки стали.

3.Определить влияние углерода на структуру и твердость сталей, указанных в задании, после отжига, нормализации и закалки.

8.2.Теоретическое обоснование работы

Углеродистая сталь промышленного производства содержит, кроме железа и углерода, некоторое количество постоянных и случайных примесей. Однако именно углерод оказывает решающее влияние на структуру и свойства стали.

61

Для получения требуемых свойств сталь подвергают следующим видам термической обработки: отжигу, нормализации и закалке с последующим отпуском. Возможность получения определенных свойств в результате термической обработки связана с полиморфными превращениями железа, а также различной растворимостью углерода в Feα и Feγ.

Металлургические заводы поставляют углеродистую сталь в виде проката различного профиля после отжига или нормализации. Отжиг стали относится к предварительной термической обработке, задачами которой являются либо устранение дефектов горячей обработки давлением или литья, либо подготовка структуры к окончательной термической или другим видам обработки. Под отжигом понимают вид термической обработки, состоящий из нагрева до определенной температуры, выдержки и медленного охлаждения с печью. Такая скорость охлаждения обеспечивает получение равновесной структуры.

Всоответствии с диаграммой «железо–цементит» (т.е. в равновесном состоянии) структура стали состоит из двух фаз: феррита и цементита. С увеличением содержания углерода количество цементита возрастает. Твердые и хрупкие его частицы повышают твердость, пределы прочности и текучести стали, уменьшая относительное удлинение, относительное сужение и ударную вязкость.

Взависимости от задач, которые решаются при отжиге, и температуры нагрева широко применяется полный и неполный отжиг (рис. 8.1). Существуют также другие специальные виды отжига: диффузионный, рекристаллизационный, низкий (в настоящей работе не рассматриваются).

Рис. 8.1. Температура нагрева при различных видах отжига

62

Полный отжиг применяется для горячего проката, поковок, отливок и сварных заготовок с целью измельчения зерна, получения равновесной структуры, обеспечивающей снижение твердости и повышение пластичности, что облегчает последующую обработку. Одновременно с этим устраняются следы наклепа, которые могут сохраняться после обработки давлением, а также снимаются остаточные напряжения в отливках и сварных изделиях.

Этот вид отжига заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30…50°С выше критической температуры AСЗ (область мелко-

зернистого аустенита), выдержке при этой температуре до полного прогрева и завершения фазовых превращений с последующим медленным охлаждением вместе с печью.

Неполный отжиг применяется для доэвтектоидных сталей для улучшения обрабатываемости резанием, когда нет необходимости в полной фазовой перекристаллизации (зерно феррита достаточно мелкое), а для заэвтектоидных сталей является основным видом отжига, при котором достигается получение структуры зернистого перлита.

При неполном отжиге сталей нагрев осуществляется до температуры на 30…50°С выше критической температуры АС1 . При

этом происходит лишь частичная перекристаллизация структуры. Полную перекристаллизацию претерпевает только перлит (происходит измельчение перлита). Кристаллы феррита (в доэвтектоидной стали) и цементита (в заэвтектоидной) не изменяют своих размеров.

Врезультате неполного отжига уменьшается твердость стали

иснижаются остаточные напряжения.

Нормализация – это вид термической обработки, которую, так же как и отжиг, применяют для проката, поковок, отливок. Нормализация заключается в нагреве выше верхних критических темпе-

ратур AСЗ , Аст с последующим охлаждением на воздухе. Вследст-

вие повышенной скорости охлаждения при нормализации получается более мелкозернистая структура. Избыточный феррит в доэвтектоидной стали и вторичный цементит в заэвтектоидной не успевают полностью выделиться, а структура перлита получается более тонкой. В связи с этим прочность и твердость стали в нормализованном состоянии выше, чем в отожженном.

63

Характер структур и свойств стали после нормализации зависит от содержания углерода. Для низкоуглеродистой стали (0,10…0,25% С) нормализацию применяют вместо полного отжига для получения мелкозернистой структуры, а также как более экономичный вид термической обработки. Для среднеуглеродистой стали (0,3…0,5% С) нормализация или нормализация с высоким отпуском служит окончательной термической обработкой. Применяется она вместо закалки с отпуском, так как обеспечивает требуемые свойства. Такие нормализованные стали имеют структуру сорбитообразного характера (тонкопластинчатый перлит). Нормализация высокоуглеродистой (заэвтектоидной) стали производится

с целью устранения в их структуре сетки цементита.

Закалкой называется вид термической обработки, при которой сталь, нагретая до состояния мелкозернистого аустенита, выдерживается для полного завершения фазовых превращений, а затем быстро охлаждается со скоростью, обеспечивающей получение неравновесной структуры мартенсита.

Мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода вα -железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Получение структуры мартенсита повышает твердость металла и другие характеристики сопротивления деформированию.

Влияние углерода на свойства стали весьма значительно проявляется при закалке. С увеличением содержания углерода твердость и прочность резко возрастают.

В зависимости от температуры нагрева различают полную и неполную закалку стали. При полной закалке доэвтектоидную сталь нагревают до температуры на 30…50°С выше критической

AСЗ , что обеспечивает при охлаждении с высокой скоростью по-

лучение мартенситной структуры. При неполной закалке температура нагрева стали должна быть на 30…50° выше критической

температуры АС1 .

Заэвтектоидные стали подвергают обычно неполной закалке, после которой в структуре наряду с мартенситом будет находиться цементит. Такая сталь отличается более высокой твердостью по сравнению со сталью после полной закалки, нагреваемой до тем-

пературы Аст (30…50°С).

Закаленная сталь обладает высокой хрупкостью. Кроме того, в ней сохраняются остаточные внутренние напряжения, которые

64

могут вызвать недопустимую деформацию изделия или образование трещин в металле. Свойства такой стали нестабильны и изменяются со временем. Поэтому закаленную сталь подвергают последующему отпуску.

При проведении работы для каждой группы студентов используют углеродистые стали: первая – с содержанием углерода 0,02; 0,40; 0,80%; вторая – с содержанием углерода 0,20; 0,60; 1,20%.

8.3.Порядок выполнения работы

1.Получить от преподавателя задание по составу исследуемой стали.

2.Получить два образца стали с заданным содержанием углерода в отожженном состоянии.

3.Подготовить рабочую таблицу (табл. 8.1) для записи результатов работы.

4.По диаграмме состояния «железо–цементит» определить

критические температуры AСЗ или Аст исследуемой стали и на-

значить температуры ее нагрева для полного отжига, нормализации и закалки.

Т а б л и ц а 8.1

Рабочая таблица

Содер

Крити-

Темпе-

Среднее значение твердости стали

Микро-

жание

ческая

после отжига (О), нормализа-

ратура

структура

угле-

темпе-

ции(Н), закалки (З)

нагрева

стали

рода в

ратура

°С при

О

Н

З

после

стали,

°С

С, %

A

A

О

Н

З

НRВ

НВ

НRВ

НВ

НRВ

HRC

О

Н

З

СЗ

ст

э

5. Подготовить один из образцов исследуемой стали для измерения твердости, для чего с торца, на котором нет клейма, снять наждачным камнем и наждачной бумагой поверхностный окисленный и обезуглероженный слой. Противоположную торцевую поверхность зачистить только наждачной бумагой.

Измерить твердость подготовленного образца на приборе Роквелла, причем твердость образцов из стали с содержанием углеро-

65

да 0,02; 0,20; 0,40; 0,60% измерять по шкале В, а образцов с содержанием углерода 0,8 и 1,2% – по шкале С (на каждом образце делать три замера).

По результатам трех измерений вычислить среднее значение твердости образцов по Роквеллу и перевести его в единицы твердости по Бринелю (НВ).

6.Каждой группе провести термическую обработку двух исследуемых образцов, для чего поместить их в печь с температурой, совпадающей с температурой термической обработки (см. п. 3), и выдержать при этой температуре 15 мин. После этого один образец подвергнуть нормализации (охладить на спокойном воздухе), а другой – закалке (охладить в воде).

Подготовить нормализованный и закаленный образцы для замера твердости, как указано в п. 5.

7.Измерить твердость нормализованного образца на приборе Роквелла: твердость образцов из стали с содержанием углерода до 0,6% измерять по шкале В, остальных – по шкале С. Результаты перевести в единицы твердости по Бринелю.

Измерить твердость закаленных образцов на приборе Роквелла по шкале С и перевести в единицы твердости по Бринелю.

8.Построить график изменения твердости отожженной нормализованной и закаленной стали в зависимости от содержания углерода в координатах «твердость–содержание углерода».

9.Получить у лаборанта коллекцию микрошлифов сталей с содержанием углерода 0,20; 0,40 и 1,2% в отожженном, нормализованном и закаленном состоянии и изучить под микроскопом структуры этих сталей.

10.Схематически зарисовать структуры стали с содержанием углерода 0,40 и 1,2% после отжига, нормализации и закалки.

8.4.Содержание отчета

1.Наименование и цель работы.

2.Задание и исходные данные.

3.Стальной участок диаграммы «железо–цементит» с нанесением на нее области температур полного отжига, нормализации

изакалки.

4.Таблица результатов исследования сталей с различным содержанием углерода.

66

5.График изменения твердости стали в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях в зависимости от содержания углерода.

6.Зарисовки структур сталей с содержанием углерода 0,4 и 1,2% в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях.

7.Выводы по работе.

8.5.Вопросы для самопроверки

1.С какой целью стали подвергают отжигу и нормализации?

2.В чем сущность процесса закалки стали?

3.В чем состоит различие между полной и неполной закалкой? Какую сталь следует подвергать неполной закалке и почему?

4.Как изменяется твердость в отожженном, нормализованном и закаленном состояниях в зависимости от содержания углерода?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЦЕМЕНТИРОВАННОЙ СТАЛИ

9.1.Цель работы

1.Ознакомиться с технологией цементации и ее назначением.

2.Изучить влияние режимов термической обработки на механические и эксплуатационные свойства цементованой стали.

9.2.Теоретическое обоснование работы

Цементация – один из наиболее распространенных видов хи- мико-термической обработки – состоит в насыщении углеродом поверхностного слоя изделий, изготовленных из малоуглеродистой стали. Задача цементации – получение твердой износоустойчивой поверхности при сохранении относительно мягкой сердцевины. Детали после цементации обязательно подвергают термической обработке. Режимы термической обработки назначают в зависимости от условий эксплуатации изделия и микроструктуры сердцевины и поверхностного слоя.

67

Цементации обычно подвергаются углеродистые и легированные стали с содержанием углерода 0,1…0,25%. Для цементации не применяют кипящие стали, так как они склонны к образованию анормальной структуры. Наличие легирующих элементов и примесей в стали влияет как на процесс цементации, так и на свойства цементированного слоя и сердцевины.

Процесс цементации. Цементация стали может осуществляться в двух основных средах: твердых и газообразных. Вещества, в которых протекает процесс цементации, называются карбюризаторами. Цементация в твердом карбюризаторе является наиболее простым и доступным способом поверхностного насыщения стали углеродом. В качестве твердого карбюризатора применяется древесный уголь твердых пород дерева в смеси с углекислыми солями (обычно BaCO3 или Na2CO3). Газовая цементация используется для серийного и крупносерийного производства и проводится в среде газов, содержащих углеводороды или окись углерода, (светильный газ, ацетилен, пиролизный газ, пары бензола и др.).

Для предохранения отдельных участков детали от цементации применяются различные способы. Наиболее надежный из них – электролитическое покрытие медью тех мест на изделии, которые не подлежат цементации. При отсутствии необходимого оборудования применяют обмазку глиной в смеси с асбестовым волокном и жидким стеклом. Этот способ не всегда обеспечивает достаточно надежную защиту, так как обмазка после высыхания часто растрескивается. На деталях простой формы иногда оставляют припуск в несколько миллиметров, который после цементации удаляется (до термической обработки). Обычно в цементацию направляются детали после чистовой механической обработки или с припусками на шлифовку.

При твердой цементации изделия укладывают в специальные ящики, изготовленные обычно из жаростойких сплавов, и пересыпают карбюризатором. Чтобы на всех деталях получить сравнительно одинаковую глубину цементированного слоя, детали укладывают в ящики слоями, на определенных расстояниях друг от друга и от стенок ящика. Заполненный ящик герметически закрывается. Процесс цементации обычно ведется при температурах

930…950°, т.е. выше точки AC3 , когда сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этих условиях процесс протекает

68

достаточно интенсивно, так как γ-железо способно растворять значительное количество углерода.

При температуре процесса углекислые соли, входящие в состав карбюризатора, разлагаются с выделением углекислого газа:

BaCO3 → BaO +CO2 .

Углекислый газ, находясь в соприкосновении с раскаленным углем, восстанавливается до окиси углерода:

CO2 → C +CO .

На поверхности стали, обладающей каталитическими свойствами, окись углерода диссоциирует по реакции

2CO → CO2 +C .

Выделяющийся при этом атомарный углерод способен активно взаимодействовать с металлической поверхностью, растворяясь в аустените. Поглощенный поверхностью металла углерод с течением времени диффундирует вглубь. Глубина цементированного слоя зависит от состава карбюризатора, температуры и длительности процесса. Скорость процесса науглероживания в стандартном карбюраторе около 0,1…0,12 мм/ч.

Требуемая глубина цементированного слоя устанавливается в зависимости от условий работы детали. Для крупных и сильно нагруженных деталей цементация производится на глубину до 2,0…2,5 мм, для средних деталей достаточна глубина слоя 0,8…1,2 мм, а для изделий небольших размеров или работающих при небольших удельных давлениях – 0,5…0,8 мм. Если требуется глубина меньше 0,5 мм, то цементацию твердым карбюризатором применять нерационально. В этом случае следует пользоваться жидкостной цементацией, цианированием или другими видами химико-термической обработки.

Микроструктура цементированного слоя. Микроструктура цементированного слоя зависит от температуры и продолжительности процесса, а также от скорости охлаждения после цементации. Рекомендуемое содержание углерода в поверхностном слое – 0,8…0,9%, так как при большей концентрации появляется избыточный цементит, чаще в виде сетки, наличие которого вызывает излишнюю хрупкость цементированной поверхности. Однако на практике содержание углерода в поверхностном слое, как правило, превышает 0,8%, так как его растворимость в аустените при тем-

69