"Влияние условий охлаждения на микроструктуру и механические свойства углеродистой стали"

Цель работы:

Изучить влияние скорости охлаждения на формирование микроструктуры и механические свойства углеродистой стали.

Приборы и оборудование:

Микроскоп, разрывная машина Р-5, твердомер, лабораторная нагревательная камерная печь сопротивления СНОЛ, микрометр, штангенциркуль, чертилка.

Общие положения:

Современные станы горячей прокатки оснащены системами ускоренного охлаждения в межклетевых промежутках и на отводящем рольганге (душирующими установками), позволяющими изменять температуру смотки в рулон в широких пределах. Регулирование температуры смотки и скорости охлаждения полосы является эффективным методом управления механическими свойствами проката. Ускоренное охлаждение в сочетании с горячей деформацией в линии стана является одним из видов термомеханической обработки.

Варьированием скорости охлаждения в области  превращения можно получить различные механические свойства стали в результате изменения соотношения фаз и различной дисперсности структуры. По мере роста скорости охлаждения изменяется количество и форма выделения феррита. При небольших скоростях охлаждения, когда образуется только феррит и перлит, -фаза выделяется в виде полиэдров, что отражает диффузионный характер процесса. При больших скоростях охлаждения образуется игольчатый феррит и может образовываться бейнит. Кроме того, высокая скорость охлаждения полосы после горячей прокатки сопровождается пересыщением феррита растворёнными примесями внедрения (азот, углерод), что увеличивает склонность малоуглеродистых сталей к старению и снижает пластические свойства. Ускоренное охлаждение позволяет получить дисперсные структуры вследствие быстрого прохождения интервала превращения и затрудняет рост зерна до и после превращения.

Превращение аустенита при непрерывном охлаждении может развиваться различными путями с образованием характерных структурных составляющих в зависимости от его исходного состояния и степени переохлаждения относительно равноосной температуры. Регулированием скорости охлаждения металла в процессе горячей прокатки можно влиять на формирование микроструктуры и механических свойств низколегированных и углеродистых сталей. Однако следует отметить, что каждый прокатный стан имеет свои особенности, душирующие установки различных конструкций с различной охлаждающей способностью, поэтому необходимо определять температурные условия прокатки и ускоренного охлаждения для каждого агрегата индивидуально.

Содержание и методика выполнения работы:

Шесть образцов из углеродистой стали марки Ст3сп закладывают в лабораторную нагревательную камерную печь сопротивления СНОЛ и нагревают до температуры 900 ⁰С. После этого их прокатывают на лабораторном стане при одинаковых условиях. Первые два образца после прокатки охлаждаются на воздухе до комнатной температуры, следующие два в масле и последние два в воде - тем самым создаются различные по скорости условия охлаждения. После этого их испытывают на растяжение согласно ГОСТ 1497 и ГОСТ 11701 и по диаграмме растяжения определяют предел текучести _т, временное сопротивление разрыву _в, относительное удлинение образца после разрыва , %.

Затем из полученных образцов вырезаются заготовки для изготовления металлографических шлифов и с их поверхности наждачным кругом удаляется окалина. Приготовление ровной плоскости, необходимой для шлифа осуществляется на плоскошлифовальном станке. Окончательно для полного выравнивания и сглаживания плоскости шлифа производят полировку. В качестве полирующего материала применяют полирующие минеральные порошки в виде водных суспензий. Шлифуют и полируют до тех пор, пока не исчезнут микроскопические риски.

Для выявления структурных составляющих после шлифовки и полировки необходимо травление. Наиболее часто применяют способ травления в растворах кислот. Полученные шлифы травят в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты. Исследование микроструктуры производят на микроскопе. Полученные микроструктуры описывают с помощью атласа микроструктур [1].

Измерение твёрдости производят по Роквеллу на твердомере согласно ГОСТ 9013.

Результаты испытаний заносят в таблицу.

Таблица

№ п.п.	Значение твёрдости, HRC	Предел Текучести, т, Н/мм^2	Временное сопротивление разрыву, в, Н/мм^2	Относительное удлинение, 5, %	Описание микроструктуры
1
2
3
4
5
6

Контрольные вопросы.

1. Чем ограничена величина температуры конца прокатки?

2. Чем ограничена величина температуры смотки полосы в рулон?

3. Какие структурные превращения протекают в стали при горячей прокатке?

4. Какие ограничения на горячую прокатку накладывают процессы рекристаллизации?

5. Какие средства предусмотрены на прокатном стане для регулирования температуры при смотке полосы в рулон?

6. Каким образом регулируется температура смотки при прокатке с ускорением?

7. Что такое термокинетическая диаграмма, как её можно использовать для определения температурного режима прокатки и чем она отличается от изотермической диаграммы?

8. Что такое контролируемая прокатка?

Лабораторная работа № 7

"Нормализация"

Цель работы:

Изучить влияние нормализации на механические свойства стали.

Приборы и оборудование:

Микроскоп, микротвердомер, лабораторная нагревательная камерная печь сопротивления СНОЛ.

Общие положения:

Необходимая структура и требуемые механические и технологические свойства горячекатаной листовой стали достигаются термической или термомеханической обработкой. Термическую обработку производят со специального нагрева и с использованием тепла прокатного нагрева. Одним из видов такой обработки является нормализационный отжиг.

Нормализация – это вид термообработки стали, заключающийся в нагреве её до температур на 20-50 ⁰С выше верхней критической точки А_с3, кратковременной выдержке при этой температуре с последующим естественным охлаждением на воздухе или ускоренным охлаждением. Цель нормализации - обеспечение мелкозернистой феррито-перлитной структуры металла (не достигнутой при предыдущих процессах – литье, ковке или прокатке) и как следствие – повышение его механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

Литые изделия подвергают нормализации для устранения грубозернистой литой структуры, обусловливающей низкие механические свойства отливок; катаную и кованую сталь – для устранения различий в микроструктуре, вызванных условиями деформации и охлаждения.

Нормализация может проводиться с использованием тепла прокатного нагрева. В этом случае листы после завершения горячей прокатки охлаждают ниже критической точки А_r1 на 50-100 ⁰С, а затем нагревают в нормализационной печи. Если горячая прокатка заканчивается при температуре выше критической точки А_с3 и прокат охлаждается на воздухе (рольганге, холодильнике), то такой металл является практически нормализованным, что характерно для рулонного способа производства.

Время нагрева при нормализации обычно составляет 1-2 минуты на 1 мм толщины листа. Время выдержки должно быть минимальным, обеспечивающим равномерный прогрев по сечению изделия. Скорость охлаждения на спокойном воздухе обычно составляет 150-200 ⁰С/ч. Однако, при нормализации массивных изделий скорость охлаждения должна регламентироваться в зависимости от размеров и состава стали в соответствии с кинетикой превращения аустенита. Повышение скорости нагрева, минимально возможные температура и время выдержки обеспечивают получение более мелкого зерна аустенита и более дисперсной смеси феррита и перлита.

Нормализации подвергают горячекатаные листы и полосы из углеродистых, низколегированных, конструкционных, котельных, судовых и мостовых сталей. Режимы нормализации горячекатаного металла из некоторых марок стали приведены в табл.1.

Таблица 1

Марка стали	Температура, ^0С	Марка стали	Температура, ^0С
08кп, 10кп, 10пс, 15пс, 20пс, 15, 20	910-950	09Г2, 09Г2С, 10ХСНД	910-950
25, 30, 35	890-930	16ГС, 14ГС2, Ст3	890-930
40,45	810-900	50	790-810
20Г	890-910	60	770-790
30Г	850-870	08Ю	910-930
65Г	770-790	15ГЮТ	890-920

Содержание и методика выполнения работы:

Шесть образцов из углеродистой стали марки Ст3сп размером 103080 мм закладываются в лабораторную нагревательную камерную печь сопротивления СНОЛ и нагреваются до температуры 900 ⁰С. После этого они прокатываются на лабораторном стане при одинаковых условиях с обжатием 30 %. Первые четыре образца после прокатки охлаждают на воздухе до комнатной температуры, следующие два - в воде. Затем два образца, охлаждённых на воздухе, подвергают нормализации – нагрев до температуры 850 ⁰С и охлаждение на воздухе. После экспериментов из всех полученных образцов вырезают заготовки и изготавливают металлографические шлифы. Для выявления структурных составляющих после шлифовки и полировки полученные шлифы травят в 4-% спиртовом растворе азотной кислоты. Исследование микроструктуры производят на микроскопе. Полученные микроструктуры описывают с помощью атласа микроструктур [1].

Изменение механических свойств прокатанных образцов оценивают по значениям полученной твёрдости. Измерение твёрдости производят по Роквеллу на микротвёрдомере согласно ГОСТ 9013.

Результаты испытаний заносят в таблицу.

Таблица

Номер образца, №п.п.	Значение твёрдости, HRC	Описание микроструктуры
1
2
3
4
5
6

Контрольные вопросы.

1. Что такое термомеханическая обработка металла?

2. Отжиг, его виды, применяемое оборудование.

3. Какие структурные превращения протекают в стали при нагреве?

4. Нормализация как один из видов термообработки проката.

5. Механизмы упрочнения сталей.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Испытание материалов: Справочник: Пер. с нем. Под. ред. Х. Блюменауэра./ 1979. - 448 с.

2. ГОСТ 1497. Металлы. Методы испытаний на растяжение.

3. ГОСТ 16523. Прокат тонколистовой из углеродистой стали качественной и обыкновенного качества общего назначения.

4. ГОСТ 11701. Металлы. Методы испытаний на растяжение тонких листов и лент.

5. Фесик С.П. Справочник по сопротивлению материалов. Киев. Издательство "Будiвельник". 1970.308 с.

6. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.:Машиностроение. 1990. -528 с.

7. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул. М.:Высшая школа. 1988. -239 с.

8. Аверкиев А.Ю. Современные методы испытания тонколистовых металлов на штампуемость. Ростов-на-Дону. 1975. 48 с.

9. Шевелев В.В., Яковлев С.П. Анизотропия листовых материалов и её влияние на вытяжку. М.:Машиностроение. 1972. 136 с.

10. Технология прокатного производства./ В.М. Клименко, А.М. Онищенко, А.А. Минаев, В.С. Горелик. Киев. Высшая школа. 1989. -311 с.

11. Совершенствование производства холоднокатаной листовой стали..\ Ю.Д. Железнов, В.А. Чёрный, А.П. Кошка, Л.А. Кузнецов, В.А. Кляпицын. М.:Металлургия. 1982. -232 с.

12. Разрушение. Т.6. Разрушение металлов: Пер. с англ. М.:Металлургия. 1976. -496 с.

13. Контролируемая прокатка./ В.И. Погоржельский, Д.А. Литвиненко, Ю.И. Матросов, А.В. Иваницкий. М.:Металлургия. 1979. -184 с.

14. ГОСТ 9454. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах.

15. Коцарь С.Л., Белянский А.Д., Мухин Ю.А. Технология листопрокатного производства. М.:Металлургия. 1997. –272 с.

16. Металлография железа. II том. Структура сталей. (Атлас фотографий микроструктур). Пер. с англ. Тавадзе Ф.Н. М.:Металлургия. 1972. –284 с.

17. ГОСТ 9013-59. Металлы. Метод измерения твёрдости по Роквеллу.

33