Матеріалознавство. Практикум Підзагальноюр едакціє юдокторатехнічнихн аук, про фе с ораА. Д. Ковал я Запоріжжя, 2011
 Скачать 4.78 Mb.
|
|
8 1хв/1мм 690 вода 200 Увода У ″″″ 780 олія 50...60 У ″″″ 780 повітря 5 Увода вода 200 45 ″″″ 840 вода 200 ШХІ5 2хв/1мм 860 олія 50...60 Х ″″″ 1050 олія 50…60 73 Таблиця 6.3 - Прогартовуваність сталей У і ШХ15 Критичний діаметр (Дкр) в середовищах, мм Марка сталі Вода Олія Повітря У ШХ15 6.6.5. Пояснити (письмово) одержані залежності, визначити оптимальну температуру гартування та швидкість охолодження для утворення мартенситу в сталі У. Пояснити причини більшої загартовуваності сталі У порівняно зі сталями 35 і 45 та більш високу прогартовуваність сталі ШХ15 порівняно зі сталлю У. 6.7 Змістзвіту Сталева частина діаграми Fe-Fe 3 C, термокінетична та ізотермічна діаграми перетворення аустеніту (рис. 6.1, 6.5, 6.6), табл. 6.2 та 6.3, графіки залежностей (п. 6.6.3, 6.6.4) і висновки (п. 6.6.5). 6.8 Рекомендованалітература [ 2 ] , с. 190-197; [ 3 ] , с. 152-184, 199-216; [ 4 ] , с. 209-245, 248-252, 256-273; [ 5 ] , с. 157-183, 197-212; [ 5 ] , с. 79- 82, 96-102; [ 6 ] , с. 80-81, 85-97, 100-105; [ 8 ] , с. 41-85, 179-198. 74 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 7 Впливтемпер атуривідпусканнянаструктурута вла стиво стізаг артованихсталей Метаробот и - вивчити вплив температури відпускання на властивості сталей У, ШХ15 та Х12Ф; ознайомитися із видами та призначенням відпускання. 7.1 Загальнівідомості Відпускання - вид термічної обробки, в результаті якої при нагріванні нижче температури А в попередньо загартованих сталях відбуваються фазові перетворення, що наближають їх структуру до рівноважної. Мета гартування з відпусканням - одержати більш високий рівень механічних властивостей порівняно із відпаленим або нормалізованим станом. Унаслідок гартування одержують структуру мартенситу та залишкового аустеніту (його кількість залежить від вмісту вуглецю та легувальних елементів у сталі, температури гартування). При відпусканні відбувається розпадання мартенситу з виділенням вуглецю і утворенням карбідів, а також перетворення залишкового аустеніту; зменшуються залишкові напруження та дефектність кристалічної гратки твердого розчину. З підвищенням температури відпускання структура сталі наближається до рівноважного стану. 7.1.1 Перетворенняпривідпусканні Першеперетворення полягає у виділенні з мартенситу частини вуглецю з утворенням метастабільних карбідів Fe х С з гексагональною граткою, когерентно пов’язаною з граткою мартенситу. Збіднення вуглецем твердого розчину йде нерівномірно - зберігаються мікроділянки з його вихідним вмістом. Зменшення кількості розчиненого вуглецю знижує тетрагональність мартенситу - довжина зразка при цьому зменшується, релаксують залишкові напруження, знижується крихкість. У вуглецевих сталях це перетворення відбувається в інтервалі температур С. Другеперетворенн я характерне одночасним перебігом кількох процесів: продовжується розпадання мартенситу, перетворюється залишковий аустеніт, починається карбідне перетворення. Розпадання мартенситу розповсюджується навесь об’єм, зникає неоднорідність твердого розчину, в мартенситі після відпускання при С залишається приблизно 0,2 % вуглецю. Перетворення залишкового аустеніту відбувається за бейнітним механізмом: утворюється суміш маловуглецевого мартенситу та дисперсних карбідів. Якщо в загартованій сталі багато залишкового аустеніту, то перетворення останнього супроводжується збільшенням об’єму (довжини) зразка. Друге перетворення проходить при температурах С. Структура сталі, що утворюється після першого та другого перетворень, носить назву відпущеногомартенситу. При температурі близько С починається перетворення карбіду Fe x C у цементит. Третєперетворення у вуглецевих сталях спостерігається при С. Завершується розпадання мартенситу і карбідне перетворення. Із мартенситу виділяється весь надлишковий вуглець у вигляді карбідів, у зв’язку з цим тетрагональна гратка стає ОЦК, тобто мартенсит перетворюється у ферит. Порушується когерентність фаз і відокремлюються гратки фериту та εεεε -карбіду. Одночасно εεεε -карбід перетворюється у цементит С. Довжина зразка зменшується. Ферито- карбідна суміш, що утворюється до кінця третього перетворення, називається трооститом відпускання. Нагрівання до більш високих температур (С) ініціює зміни у структурі, не пов’язані із фазовими перетвореннями (змінюються формата розміри карбідів, відбуваються процеси віднови і рекристалізації фериту). В цьому полягає сутність четвертого перетворення. В інтервалі температур третього перетворення цементит має форму пластин, починаючи від С відбувається їх коагуляція (укрупнення) і сфероїдизація (округлення). Швидкість цих процесів зростає із підвищенням температури. Починаючи від С густина дислокацій у фериті зменшується, зерна укрупнюються, а їх форма наближається до рівноважної і, таким чином, повністю усувається фазовий наклеп, що виникає при мартенситному перетворенні. Ферито-карбідна суміш, що утворюється при температурі С, називається сорбітом відпускання (зернистим сорбітом). При температурі відпускання, близькій до А, утворюється груба ферито-цементитна суміш - зернистий перлит. 76 7.1.2 Впливлегувальнихелементівнапроцесивідпускання Більшість легувальних елементів підвищують температуру другого та третього перетворень, зменшують швидкість коагуляції карбідів і впливають на карбідні перетворення. Легування сталі хромом, молібденом, вольфрамом, ванадієм, кобальтом, кремнієм ускладнює розпадання мартенситу і воно завершується лише при С, завдяки чому сталь робиться теплостійкою (зберігає високу твердість до цих температур відпускання). Більшість легувальних елементів підвищують температуру перетворення залишкового аустеніту до С, а, наприклад, у багатолегованих швидкорізальних сталях його перетворення в мартенсит спостерігається лише після відпускання при С і наступного охолодження до С. Усі карбідоутворювачі гальмують процес коагуляції карбідів. Найповільніше коагулюють карбіди МСтаМ 6 Сі саме тому сталі, що леговані ванадієм, вольфрамом, молібденом, зберігають високу дисперсність карбідних частинок і завдяки цьому мають підвищену твердість після відпускання при СУ сталях з великим вмістом карбідоутворювачів тип карбіду залежить від температури відпускання. Приблизно до С через низьку рухомість атомів легувальних елементів із мартенситу виділяється карбід заліза (яку вуглецевих сталях. І лише при більш високих температурах утворюються спеціальні карбіди легувальних елементів, більш дисперсні, ніж цементит при цих температурах. 7.1.3 Впливтемпературивідпусканнянавластивостісталі Процеси, що формують структуру при відпусканні, по різному впливають на властивості сталі, зокрема на її твердість. Так, зменшення тетрагональності гратки мартенситу, ступеня фазового наклепу та коагуляція карбідів - знижують твердість, а утворення когерентних εεεε - карбідів і дисперсних частинок спеціальних карбідів, а також перетворення залишкового аустеніту - підвищують її. У конструкційних сталях твердість зменшується безперервно, але до С зниження незначне. В інструментальних сталях з більш високим вмістом вуглецю превалює ефект твердіння за рахунок виділення частинок εεεε -карбіду, атому твердість при С навіть зростає. 77 Сильні карбідоутворювачі (молібден, вольфрам, ванадій) затримують зниження твердості до С, а при температурі виділення дисперсних спеціальних карбідів у складнолегованих сталях (хром-вольфрам-молібден, хром-молібден-ванадійтощо) спостерігається підвищення твердості (при С) завдяки дисперсійному твердінню. Для загартованої сталі характерні понижені значення границь міцності та плинності. Відпускання сталі до С сприяє зростанню цих характеристик, при цьому, що важливо, досягається краще відношення В. Подальше підвищення температури приводить до їх монотонного зниження. Характеристики пластичності ( δ , ψ ) зростають з температурою відпускання. Зростає також ударна в’язкість, але в конструкційних сталях в інтервалах 250...300 та С спостерігається значне її зниження (відпускна крихкість І та II роду. Зниження ударної в’язкості після відпускання при С спостерігається у всіх конструкційних сталях, незалежно від легування, а при С - лише в легованих сталях. 7.1.4 Видивідпускання У залежності від структури та властивостей вуглецевої сталі, що одержують після відпускання, розрізняють три його види: низько-, середньо- та високотемпературне. Низькотемпературним відпусканням називають нагрівання загартованих сталей до С. Тривалість відпускання - 1...2,5 год. При цьому частково релаксують внутрішні напруження, мартенсит гартування перетворюється у мартенсит відпускання, підвищується міцність, дещо покращується в’язкість без помітного зниження твердості. Загартована сталь (С) після низькотемпературного відпускання зберігає твердість HRC 58...63, високу зносостійкість, але деталі після такого відпускання не витримують значних динамічних навантажень, якщо вони не мають в’язкої серцевини. Типові приклади застосування низькотемпературного відпускання - відпускання різальних та вимірювальних інструментів, деталей кулькових і роликових вальниць, деталей після цементації, постійних магнітів із вуглецевих і малолегованих сталей. 78 Середньотемпературнимвідпусканням називають нагрівання загартованих сталей до С. Таке відпускання забезпечує високі границі пружності, витривалості та релаксаційну стійкість. Структура сталі після цього - троостит відпускання з HRC 40...50. Середньотемпературне відпускання рекомендується при термічній обробці ресор і пружин. У деяких випадках для підвищення границі витривалості виробів після відпускання при С охолодження проводять у воді, що приводить до утворення на поверхні залишкових напружень стиснення. Аналогічного ефекту досягають наклепом поверхні деталі дробом або іншою поверхневою пластичною деформацією. Високотемпературне відпускання передбачає нагрівання загартованих сталей до С. Структура після цього - сорбіт відпускання з HRC 25...35. Високотемпературне відпускання забезпечує найкраще співвідношення міцності і в’язкості, що пояснюється сферичною формою частинок цементиту. Термічну обробку, що складається із гартування та високотемпературного відпускання, називають поліпшенням та рекомендують для середньовуглецевих конструкційних сталей (деталі машин, що працюють при знакозмінних навантаженнях - вали, осі, шатуни, зубчасті колеса тощо). Вміст вуглецю в цих сталях складає 0,3...0,5 %. 7.2. Завданнянапідготовкудолабораторноїроботи Коротко описати призначення низько-, середньо- та високотемпературного відпускання, структури та властивості сталей 79 після відпускання, вплив легувальних елементів на перетворення при відпусканні. 7.3 Контрольнізапитаннядлясамоперевіркиіконтролюпідготовленостідо лабораторної роботи 7.3.1. Відпускання, мета відпускання. Чому після гартування сталі обов’язково необхідне відпускання ? 7.3.2. Перетворення при відпусканні. 7.3.3. Вплив легувальних елементів на процеси при відпусканні. 7.3.4. Низько-, середньо- та високотемпературне відпускання. 7.3.5. Зміна властивостей сталі з підвищенням температури відпускання. 7.3.6. Поліпшення. Які деталі підлягають поліпшенню ? Відміна сорбіту відпускання від сорбіту, що безпосередньо утворюється із аустеніту. Яка різниця у властивостях сталі ? 7.4 Матеріали, інструмент, приладитаобладнання Нагрівальні печі, твердомір типу ТК-2; наждачний верстат для зачищення зразків; загартовані зразки досліджуваних сталей. 7.5 Вказівкизтехнікибезпеки Робота виконується відповідно до загальної інструкції з техніки безпеки (додаток А. 7.6 Порядокпроведеннялабораторноїроботи 7.6.1 Заміряти твердість загартованих зразків сталей та дані занести в табл. 7.1. 7.6.2 Провести відпускання загартованих зразків зі сталей У, ШХ15, Ф при 150, 350, 550 С. 7.6.3 Заміряти твердість зразків після відпускання та занести дані в табл. 7.1 80 Таблиця 7.1 - Твердість і структура сталей після різних режимів відпускання Твердість HRC (чисельник) та структура сталі (знаменник) після відпускання при Марка сталі Режим відпускання Твердість після гартування, HRC С С СУ ШХ15 Х12Ф Витримка 60 хв, охолодження на повітрі 7.6.4 За даними табл. 7.1 побудувати графік залежності “твердість - температура відпускання”. 7.6.5 Обґрунтувати причини більш високої твердості легованих сталей порівняно з вуглецевими після відпускання при однакових температурах. 7.7 Змістзвіту Коротко описати перетворення при відпусканні та вплив температури на структуру і властивості сталей, види відпускання та їх використання. Заповнити таблицю 7.1, побудувати графіки залежності “ твердість – температура відпускання”, дати висновки щодо отриманих графіків. Оцінити вплив легувальних елементів. 7.8 Рекомендованалітература [ 1 ] , с. 238-240; [ 2 ] , с. 186-190; [ 3 ] , с. 184-190, 216-217; [ 4 ] , с. 246-252; [ 5 ] , с. 184-189, 212-214; [ 6 ] , с. 105-109; [ 8 ] , с. 201-203. 81 ЛАБОР АТО Р НАР ОБОТА№ 8 Хімік отер мі чнаобробка (ХТ О) та повер хне вег артув ання Метароб оти – вивчити вплив хіміко-термічної обробки та поверхневого гартування на структуру і властивості поверхневого шару виробів із сталі; ознайомитися з технологіями ХТО (цементацією, азотуванням) та поверхневого гартування. 8.1. Загальнівідомості Багато виробів повинні мати високу поверхневу твердість, міцний поверхневий шар і вязку серцевину. Таке сполучення властивостей досягається поверхневим зміцненням виробів, котрі виготовлені із сталей з доброю пластичністю і задовільною міцністю. До методів поверхневого зміцнення відносять ХТО, поверхневе гартування та поверхневу пластичну деформацію. 8.1.1 Хіміко-термічнаобробка - це процеси дифузійного насичення поверхневого шару виробів із зовнішнього середовища різними елементами одночасно із тепловим впливом. ХТО - один із найбільш ефективних методів підвищення довговічності деталей машин завдяки збільшенню твердості, опору зношуванню, границі витривалості, контактної витривалості, а в деяких випадках - антикорозійних, антиерозійних властивостей та окалино- (жаро)стійкості. Після ХТО змінюється хімічний і фазовий склад, структура, та як наслідок цього - властивості поверхневого шару. Дифузійне насичення металів і сплавів можливо лише при підвищеній температурі, коли стає помітною дифузія атомів елемента, що насичує поверхню. Для зміни хімічного складу виробів їх нагрівають в активному середовищі і при цьому одночасно відбуваються такі процеси: утворення елемента в активному (атомарному) стані; адсорбція атомів поверхнею виробів; дифузія атомів від поверхні у глибину виробу. Основні кількісні характеристики дифузійного шару - його глибина, концентрація елемента, твердість поверхні. При ХТО глибина шару залежить від багатьох факторів: природи елемента, що насичує; його активності в робочому середовищі; тривалості та температури насичення; хімічного складу сталі. Наприклад, при насиченні елементами, котрі утворюють тверді розчини втілення, швидкість формування шару в багато разів вища, ніж при утворенні твердих 82 розчинів заміщення, тому що дифузійна рухомість атомів втілення на декілька порядків вища рухомості атомів заміщення. Підвищення температури насичення при однаковій тривалості приводить до збільшення глибини дифузійного шару за експонентою і на практиці використовується як один із методів інтенсифікації процесів ХТО. У залежності від стану речовини - постачальника атомів насичення, розрізняють насичення із газової (парової), рідкої або твердої фази. Окрім того, всірізновидиХТОподіляютьнадвігрупи: 1) дифузійне насичення неметалами: цементація (насичення вуглецем), ціанування (вуглецем і азотом, азотування (азотом 2) дифузійне насичення металами (дифузійна металізація) - хромом, алюмінієм, кремнієм, титаном тощо. Найбільш поширене промислове використання знайшли методи насичення неметалами. Цементація - процес дифузійного насичення вуглецем поверхневих шарів сталевих виробів. Цементовані вироби повинні мати поверхневу твердість ≥ 56HRC, підвищену зносостійкість поверхні та вязку серцевину. Тому для їх виготовлення використовують маловуглецеві (0,1...0,25 С) сталі: 10, 15, 20, Х, 18ХГТ, 12ХНЗА, ХНА та інші. Розчинність вуглецю у фериті незначна, тому цементацію сталі проводять в аустенітному стані (при температурі вище Ас для цементовної сталі). Інтервал температур цементації складає С. Підвищення температури цементації приводить до росту аустенітного зерна, погіршенню механічних і експлуатаційних властивостей шару і серцевини. Оптимальним поверхневим вмістом вуглецю у шарі вважається 0,8...1,1 %. При меншому вмісті вуглецю не досягається необхідна твердість поверхні, а при більшому - в цементованому шарі утворюється карбідна сітка, внаслідок чого він стає крихким. 83 Глибина шару частіше за все знаходиться в межах 0,6...1,3 мм на деталях зі значними розмірами вона може досягати 4...6 мм. За рівних умов підвищення температури цементації скорочує тривалість насичення. Наприклад, тривалість процесу для досягнення глибини 1 мм в сталі 10 при С становить 6 година при 970 С – 4...5 годин. Речовини - постачальники вуглецю при цементації називаються карбюризаторами. У залежності від виду карбюризатору розрізняють цементацію у твердому карбюризаторі і газову цементацію. Твердийкарбюризатор складається із суміші деревного вугілля та вуглекислих солей. Деталі складають в спеціальні сталеві ящики, пересипають карбюризатором, герметизують, щоб зменшити доступ повітря, і завантажують у нагріту піч. При нагріванні внаслідок взаємодії деревного вугілля і залишку кисню утворюється оксид вуглецю СО, який на поверхні металевих виробів дисоціює за реакцією |