Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Закалка. Этот вид термической обработки заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры 3 c A + (30…50) С (полная за- калка), а для заэвтектоидной стали – до 1 c A + (30…50) С (неполная закалка), выдержке при этих температурах и последующем охлаж- дении со скоростью, превышающей критическую (рис. 5.2). Закалку проводят для достижения высокой твердости, износостойкости и прочности. Закалка не является окончательной операцией. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и полу- чить требуемые механические свойства, сталь после закалки обяза- тельно подвергают отпуску. t, °C Ф + П Ц II + П 911° Ф + А V к Ф + П А + Ц II 0 0,4 0,8 1,2 1,6 % C Рис. 5.2. Схема закалки стали Неполная закалка доэвтектоидной стали применяется весьма ред- ко. Дело в том, что в структуре этой стали, нагретой до температуры 1 c A + (30…50) С, наряду с аустенитом всегда будут находиться и зер- 48 49 на феррита. В результате быстрого охлаждения аустенит перейдет в мартенсит, 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 находиться еще и очень твердый вторичный цементит. Сталь с та- кой структурой обладает высокой твердостью и износостойкостью по сравнению со сталью после полной закалки. Экспериментально температура закалки может быть определена по изменению твердости стали, закаленной с различных температур. Например, для доэвтектоидной стали начало резкого повышения твердости соответствует пересечению линии 1 c A , а максимальное значение твердости достигается закалкой начиная с температуры 3 c A , когда в структуре закаленной стали фиксируется лишь один мартенсит. 2. Методика проведения термической обработки и исследования ее влияния на механические свойства стали Студенты делятся на подгруппы по 4…6 человек. Каждая под- группа получает по одному образцу из конструкционной стали, предназначенному для испытаний на твердость. Выбор образцов определяется преподавателем. Термообработку образцов каждая подгруппа проводит самостоя- тельно по одному из режимов, приведенных в таблице (режим опре- деляет преподаватель) в следующей последовательности. 1. Образец помещается в печь при температуре на 30…50 С ниже заданной. После достижения заданной температуры и соответ- ствующей выдержки (определяется из расчета 1,5…2 мин на 1 мм толщины образца) при температуре нагрева производится охлажде- ние образца в воде. Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и температура закалки соответствовала темпе- ратуре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают в ней (не извлекая из воды) для разрушения образую- щейся паровой рубашки. 2. После закалки одну плоскость образца зачищают наждачной бумагой от окалины, и на приборе Роквелла или ультразвуковым твердомером замеряют твердость (на каждом образце осуществляют три замера и находят среднеарифметическое значение). Полученные значения твердости заносят в табл. 5.1 Таблица 5.1 № п/п Температура закалки, °С Время выдержки, мин Охладитель Твердость по HRC Структура стали после охлаждения 1 650 2 750 3 800 4 850 3. По этим значениям строится график зависимости твердости образца от температуры закалки. 4. На основании полученного графика определяются значения критических 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. 50 51 Лабораторная работа № 6 ОТПУСК СТАЛИ Цель лабораторной работы – изучение влияния температуры от- пуска 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 иссле- довать влияние различных видов отпуска на механические свойства стали. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – нагревательные печи, термопары и гальваноме- тры, бак с водой, твердомер Роквелла, щипцы, рукавицы; • материалы – образцы для испытаний на твердость; • плакаты – диаграмма состояния железо– цементит, схемы при- бора Роквелла; • справочная литература – справочники, ГОСТы. Термической обработкой называют процессы теплового воздей- ствия на материалы для изменения их структуры и свойств в задан- ном направлении. Термическую обработку применяют и как промежуточную опе- рацию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием, свариваемости), и как окончательную – для придания требуемых эксплуатационных свойств (твердости, проч- ности, износостойкости и т. д.). Чем ответственнее конструкция,тем больше в ней термически об- работанных деталей. Теория термической обработки стали основа- на на общей теории фазовых превращений, протекающих в сплавах в твердом состоянии. Знание теории фазовых и структурных превра- щений, протекающих при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью, позволяет управлять процессами термической обработ- ки и получать сталь (деталь, изделие) с необходимыми структурой и свойствами. 1. Особенности формирования структуры при различных видах термической обработки стали Структура сплавов в основном определяется термической обра- боткой, заключающейся в нагреве сплавов до различных температур и охлаждении их с различными скоростями. При этом их свойства изменяются в широких пределах. Увеличивая скорость охлаждения, можно так переохладить высокотемпературную фазу, что появляют- ся новые метастабильные фазы, которые не указаны на диаграмме фазового равновесия, как, например, при закалке. Закалку стали мы рассматривали в предыдущей работе, однако закалка не является окончательной операцией, так как закаленная сталь чрезвычайно хрупкая и содержит значительные остаточные напряжения. Поэтому для их частичного или полного снятия прово- дится термическая обработка, называемая отпуском стали. 2. Отпуск стали Процесс нагрева закаленной стали до температуры ниже 1 c A с соответствующей выдержкой и последующим охлаждением на- зывается отпуском. В результате отпуска сталь получает требуе- мые механические свойства, снижаются внутренние напряжения. Получающийся при закалке мартенсит неустойчив и начинает рас- падаться уже при комнатной температуре. С повышением темпе- ратуры отпуска этот процесс ускоряется. Температура и время вы- держки оказывают значительное влияние на получаемые свойства. Различают три вида отпуска. Низкий отпуск проводят с нагревом до 150…250 °С. Из мартен- сита выделяется углерод в виде карбида железа переменного со- става. Такой мартенсит называется мартенситом отпуска. Низкий отпуск повышает прочность и улучшает вязкость без снижения твер- дости, поэтому низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а также детали, прошедшие поверхност- ную закалку или цементацию. С повышением температуры процесс выделения углерода из мар- тенсита ускоряется, и при температуре 350…400 °С весь избыточ- ный углерод выделяется из мартенсита в виде цементита Fe 3 С, а мар- 52 53 тенсит превращается в феррит.Таким образом, образуется механи- ческая смесь феррита и цементита. Дисперсность этой смеси зави- сит от температуры отпуска, так как с повышением температуры от- пуска начинается коагуляция (укрупнение) карбидов. Структура стали после среднего отпуска (300…500 °С) называ- ется трооститом отпуска. Среднему отпуску подвергают детали, от которых требуются высокие упругие свойства (рессоры, пружины). Структура после высокого отпуска (500…650 °С) называется сорбитом отпуска. Таким образом, тростит, сорбит и перлит – это ферритно-цементитные механические смеси, отличающиеся друг от друга лишь дисперсностью карбидных частиц, а следовательно, и механическими свойствами. Высокий отпуск полностью снимает внутренние напряжения и значительно повышает ударную вязкость. Прочность и твердость при этом снижаются, но остаются значитель- но более высокими, чем после отжига, поэтому высокий отпуск соз- дает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском по сравнению с отжигом повыша- ет также пределы прочности и текучести, относительные удлине- ние и сужение (пластичность) и ударную вязкость. Объясняется это тем, что структуры, получающиеся при распаде аустенита в процес- се его охлаждения, имеют пластинчатое строение, а структуры, об- разующиеся при распаде мартенсита и аустенита, при нагреве имеют зернистое строение. Термическая обработка, состоящая из закал- ки и высокого отпуска, называется по этим причинам улучшением. Улучшению подвергаются ответственные детали, испытывающие статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Практическая часть раздела выполняется следующим образом: студенты делятся по 4…6 человек. Каждая подгруппа получает по одному образцу из конструкцион- ной стали. Выданные образцы подвергаются закалке. Закалка должна проводиться быстро и четко, чтобы образец не успел охладиться и тем- пература закалки соответствовала температуре его нагрева. Образцы, опущенные с помощью щипцов в воду, перемещают в ней (не из- влекая из воды!) для разрушения образующейся паровой рубашки. Закаленные образцы испытывают на твердость, после чего их поме- щают в печь и подвергают отпуску при температуре 200, 400 и 600 °С. После отпуска образцы подвергаются испытаниям на твердость на приборе Роквелла. Данные испытаний заносятся в таблицу, и на их основании строится график изменения твердости от температуры отпуска. Таблица 6.1 Вид термообработки Температура нагрева, °С Время выдержки, мин Охлаждающая среда Твердость по HRC Закалка – Отпуск 200 400 600 Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Превращения в стали при отпуске. 3. Таблица значений твердости по результатам измерений. 4. График изменения твердости от температуры отпуска. 5. Выводы по работе. 54 55 Лабораторная работа № 7 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ СТАЛИ Цель лабораторной работы – освоить методику определения про- каливаемости стали. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить теоретические предпосылки методики определения прокаливаемости стали; 2) определить прокаливаемость стали методом торцовой закалки. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – твердомер Роквелла, настольные тиски, напиль- ник, штангенциркуль и линейка; • материалы – стандартные образцы углеродистой и легирован- ной сталей для торцевой закалки; • плакаты – номограмма Блантера; • справочная литература – справочники, ГОСТы. Под прокаливаемостью стали понимают глубину проникновения закаленной зоны. Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки V кр Из диаграмм изотермического распада аустенита (рис. 7.1) видно, что чем устойчивее переохлажденный аустенит (чем правее располо- жены С-образные кривые), тем меньше критическая скорость закал- ки. Следовательно, все факторы, повышающие устойчивость перео- хлажденного аустенита, увеличивают прокаливаемость стали. Все элементы, растворяющиеся в аустените при нагреве (кроме ко- бальта), в том числе и углерод (до 0,8 %), замедляют его диффузи- онный распад, повышая устойчивость и, следовательно, увеличивая прокаливаемость стали. Этому способствует также увеличение раз- мера зерна аустенита.Не растворяющиеся в аустените частицы (кар- биды, окислы, интерметаллиды) служат дополнительными центрами кристаллизации и ускоряют его распад, уменьшая прокаливаемость. Прокаливаемость конкретных сталей, даже имеющих одинаковую критическую скорость закалки, зависит не только от указанных вну- тренних факторов, но и от размеров детали и интенсивности охлажде- ния. Чем интенсивнее охлаждение, тем выше прокаливаемость. а б lg , с V кр М н М к 20 t , °С V кр lg , с М н М к –100 t , °С Рис. 7.1. Диаграммы (схемы) изотермического распада аустенита сталей: а – углеродистой; б – легированной Прокаливаемость стали является весьма важным фактором, опре- деляющим его свойства и применение. Повышение прокаливаемо- сти позволяет получить более высокие и однородные механические свойства стали в больших сечениях детали, что особенно важно для ответственных деталей конструкций, которые подвергают термиче- ской обработке – улучшению, т. е. закалке и высокому отпуску. Сталь, имеющая сквозную прокаливаемость, после улучшения будет иметь по всему сечению структуру зернистого сорбита, обла- дающего более высокими ударной вязкостью и пределом текучести, чем пластинчатый сорбит в незакаленной сердцевине стали с не- сквозной прокаливаемостью. Поскольку легированные стали обла- дают более высокой прокаливаемостью, чем углеродистые, именно их надо использовать для изготовления деталей машин больших се- чений (шестерни, валы и др.), которые должны иметь высокий ком- плекс свойств по всему сечению. Стали с повышенной прокаливае- мостью можно закаливать в менее интенсивных охладителях: в масле и даже на воздухе, что способствует уменьшению внутренних на- пряжений, получаемых при закалке. Количественной характеристикой прокаливаемости является ре- альный (действительный) критический диаметр. Это наибольший для данной марки стали диаметр образца, при котором сталь в том 56 57 или ином охладителе (в воде, водных растворах кислот, щелочей, со- лей, в масле или на воздухе) закаляется полностью (до центра). Границей закаленной зоны принято считать зону, имеющую сле- дующую структуру: 50 % троостита и 50 % мартенсита (так назы- ваемая полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны главным образом зависит от содержания углерода и в меньшей сте- пени – от легирующих элементов в стали (табл. 7.1). Таблица 7.1 Содержание углерода, % Твердость полумартенситной зоны по HRC Углеродистая сталь Хромистая сталь 0,08…0,18 0,18…0,22 0,23…0,27 0,28…0,32 0,33…0,42 0,43…0,52 0,53…0,62 – 25 30 35 40 45 50 25 30 35 40 45 55 60 Критический диаметр D кр зависит не только от критической ско- рости закалки стали, но и от охлаждающей среды. Так, для стали 40, содержащей 0,4 % углерода, D кр при закалке в масле равен 8 мм, в воде – 10 мм. Чтобы не ставить прокаливаемость в зависимость от вида охладителя, вводится понятие идеального критического ди- аметра D ∞ . Это диаметр максимального сечения, прокаливающего- ся насквозь в «идеальном» охладителе, отводящем тепло с беско- нечно большой скоростью. От «идеального» критического диаметра можно перейти к «реальному» критическому, используя номограм- му прокаливаемости М. Е. Блантера. Известно множество методов определения прокаливаемости. Но все они по типу производимых операций могут быть нескольких видов: объемная закалка образцов, торцовая закалка, использование диаграмм превращения переохлаж- денного аустенита, применение расчетов. Первые два вида являются экспериментальными и имеют много вариантов. Определение прокаливаемости стали методом торцовой закалки Широкое распространение получил метод торцовой закалки. Этот метод позволяет на одном образце без его разрезки определить прокаливаемость любого сечения в любом охладителе. Образец ста- ли стандартных размеров нагревают при закалке в муфельной печи в течение 30 мин. Затем образец быстро переносят в специальную установку, где его охлаждают с торца струей воды (рис. 7.2). При этом скорость охлаждения образца по его длине по мере удаления от охлаждаемого торца будет уменьшаться (табл. 7.2). В тех сечениях, где скорость выше или равна критической для данной марки стали, образуется мартенсит закалки. В сечениях, где скорость ниже критической, по мере удаления от охлаждаемого во- дой торца будет происходить частичный, а далее – и полный распад аустенита на ферритно-цементитную смесь. Причем дисперсность этой смеси будет уменьшаться с уменьшением скорости охлаждения. Рис. 7.2. Схема охлаждения образца методом торцевой закалки 58 59 Таблица 7.2 Расстояние от охлаждаемого торца, мм Скорость охлаждения в сечении, °С/с Торец 1,5 3,0 6,0 10,3 12 18 30 50 400 330 105 42 15,5 10 4,5 2,3 1–2 У эвтектоидной стали, например, по мере удаления от охлаждае- мого торца образуются следующие структуры: мартенсит, мартен- сит и пластинчатый троостит, троостит, сорбит, перлит. С изменением структуры меняется и твердость, поэтому после торцовой закалки измеряют твердость по длине образца и строят график зависимости твердости от расстояния до охлаждаемого тор- ца (рис. 7.3). По этому графику, зная твердость полумартенситной зоны для данной марки стали, находят расстояние от торца до полу- мартенситной зоны (штриховые линии). Рис. 7.3. Изменение твердости по длине образца По найденному значению h с помощью номограммы прокали- ваемости М. Е. Блантера определяют скорость охлаждения образ- ца в центре и реальный критический диаметр (рис. 7.4). На верхней шкале находят полученное значение h, из этой точки проводят ли- нию, параллельную ординате, до пересечения со шкалой «идеальное охлаждение» (точка б). От пересечения влево ведут линию, парал- лельную абсциссе. Получают точки пересечения со шкалами ре- альных охладителей (вода, минеральное масло (см. рис. 7.4, в, г)). Из этих точек опускают перпендикуляры на ось абсцисс, где и нахо- дят определяемые величины. Рис. 7.4. Схема пользования номограммой прокаливаемости М. Е. Блантера |