Главная

Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Бийский технологический институт (филиал)


Бийский технологический институт (филиал)

И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров

 

 

Лабораторная работа №7 (4 часа)

 

ВЛИЯНИЕ ЗАКАЛКИ И ОТПУСКА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Методические указания к лабораторной работе

 

Бийск 2009


УДК

 

Боткин И.В. Влияние закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистых сталей. Методические указания к лабораторной работе для студентов специальностей 151001, 190603, 170104, 240701, 240702, 240706, 160302, 220501, 260601 /И.В. Боткин, Ю.Н. Косицын, П.И. Мазуров.

 

Алт. гос. тех. ун-т, БТИ, - Бийск

Из-во Алт. Гос. техн. ун-та, 2009. - 20с.

 

 

Методические указания предназначены для студентов, изучающих курс «Материаловедение».

В указаниях даются необходимые сведения, касающиеся термической обработки сталей, приводится классификация видов термической обработки, поясняется влияние закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистых сталей.

 

Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры «Металлорежущие станки и инструменты».

Протокол № ___от «___» «________________» 200_ г.

 

Рецензент: д.т.н., начальник отдела ФГУП «ФНПЦ «Алтай» Игонин Г.С.

 

©БТИ АлтГТУ, 2009


Цель работы

Научиться определять оптимальную температуру нагрева сталей под закалку методом пробной закалки. Изучить влияние на структуру и твердость стали: температуры нагрева под закалку; температуры отпуска. Изучить влияние на твердость стали при закалке: скорости охлаждения (вида охлаждающей среды); содержания углерода в стали.

2 Предмет и содержание работы

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения стальных деталей с целью изменения их структуры и свойств. Это один из самых распространенных в технике и самых эффективных способов изменения структуры и свойств сталей и сплавов, обусловленных протеканием различных фазовых превращений.

Классификация видов термической обработки

Классификация основных видов термической обработки была разработана академиком А.А. Бочваром. Термическая обработка включает четыре основных вида: отжиг, закалку, отпуск и старение.

Отжигом называют вид термической обработки, при которой формируются близкие к равновесным структуры материалов, в которых неравновесные состояния возникли в результате предшествующих видов воздействия (литье, ковка, прокатка, сварка и т.п.). Существуют два основных типа отжига - отжиг первого рода, при котором могут не протекать фазовые превращения, например, рекристаллизационный, и отжиг второго рода, сопровождающийся фазовыми превращениями (полный и неполный отжиги). При отжиге сталь охлаждают очень медленно, обычно вместе с печью.

Закалкой стали называют процесс, при котором металл нагревают до температур, выше температур фазовых превращений и быстро охлаждают для получения неустойчивых состояний. При закалке сталь приобретает высокую твердость.

Отпуском предварительно закаленных сталей и сплавов называют технологические операции, проводимые с целью получения более устойчивых структурных состояний. Термин отпуск применяют в тех случаях, когда при закалке материал претерпевает полиморфные превращения.

Старением называют процесс распада пересыщенных закаленных твердых растворов, в которых при закалке полиморфных превращений не происходило. Как правило, этот процесс осуществляется при нагреве металла.

Закалка стали

На машиностроительные заводы углеродистые стали поставляются в отожженном состоянии. Медленное охлаждение стали при отжиге обеспечивает получение равновесной структуры с низкой твердостью и прочностью при высокой пластичности, а, следовательно, и хорошую обрабатываемость резанием и другими методами. После получения деталей их подвергают упрочняющей термической обработке, которая заключается, как правило, в закалке и отпуске.

Закалкой называют термическую обработку, состоящую из нагрева доэвтектоидных сталей до температур выше критической точки Ас3, а заэвтектоиднойстали – выше Ас1, выдержке при этой температуре с последующим быстрым охлаждением с критической или более высокой скоростью. При закалке сталь приобретает высокую твердость.

При закалке сталь нагревается до аустенитного состояния. Превращение перлита в аустенит происходит при температуре более высокой, чем указано на диаграмме железо-цементит. Кривые на рисунке 2 показывают, что, чем выше температура, тем быстрее протекает превращение, и что, чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре происходит превращение (V1). В результате такого нагрева происходит полиморфное превращение в железе Feα → Feγ (кристаллическая решетка железа из объемно-центрированной кубической превращается в гранецентрированную кубическую), при этом весь углерод, который входил в состав перлита в виде цементита, растворится в гранецентрированной кубической решетке железа. Превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна, так как в одном зерне перлита возникает множество зародышей аустенита на границах пластин феррита и цементита. Дальнейший нагрев по окончании превращения вызывает укрупнение аустенитных зерен, скорость роста которых определяется тем, какая используется сталь – наследственно мелкозернистая или наследственно крупнозернистая.

Рисунок 2 – Превращение перлита в аустенит у эвтектоидной стали

Теперь резко охладим сталь, например, погружением в воду, т.е. проведем закалку. Температура стали резко понизится до комнатной. При этом неминуемо происходит обратная перестройка кристаллической решетки – из гранецентрированной в объемно-центрированную (Feγ→Feα). Но при комнатной температуре подвижность атомов углерода ничтожно мала, и они не успевают при быстром охлаждении выйти из раствора и образовать цементит. В этих условиях углерод как бы насильственно удерживается в решетке Feα, образуя перенасыщенный твердый раствор. При этом атомы углерода распирают решетку железа, создавая в ней большие внутренние напряжения. Решетка вытягивается вдоль одного направления так, что каждая ячейка из кубической превращается в тетрагональную, т.е. принимает форму прямоугольной призмы (рисунок 3), которая характеризуется показателем тетрагональности (с/a >1). Такое превращение сопровождается и структурными изменениями. Возникает игольчатая структура, известная под названием мартенсита. Кристаллы мартенсита представляют собой очень тонкие пластины ориентированные относительно друг друга под углом 60 или 120 °. В поперечном сечении, которое получается на микрошлифе, такие пластины под микроскопом представляются в виде игл.

Рисунок 3 – Атомная решетка тетраго­нального мартенсита: светлые кружки – атомы железа, чер­ные кружки – атомы углерода

Удельный объём мартенсита больше удельного объема аустенита, из которого этот мартенсит образуется, поэтому образование мартенсита сопровождается возникновением больших внутренних напряжений, а это приводит к появлению большого числа дислокаций в кристаллах мартенсита. Если закаленную сталь с мартенситной структурой попытаться деформировать, то многочисленные дислокации, двигаясь в различных направлениях, будут встречаться и блокировать друг друга, взаимно препятствуя их дальнейшему перемещению. Таким образом, создаются многочисленные препятствия для движения дислокаций, что повышает сопротивление пластической деформации, а, следовательно, увеличивает твердость и прочность стали. Твердость мартенсита 62...66 HRC, а показатели пластичностии ударная вязкость близки к нулю.

Мартенсит в структуре стали образуется только при охлаждении с критической скоростью Vкр или более высокой. При охлаждении с меньшей скоростью, например, в масле, а не в воде, образуется структура – троостит (назван в честь французского учёного Л. Ж. Труста (L. J. Troost)), на воздухе – сорбит (назван в честь английского учёного Г. К. Сорби (Н. С. Sorby)). По своему строению сорбит и троостит сходны с перлитом, т.е. представляют смеси феррита с цементитом, но отличаются степенью дисперсности (толщиной пластин) феррита и цементита.

Критическая скорость охлаждения, обеспечивающая превращение аустенита в мартенсит, может быть определена по диаграмме изотермического распада аустенита (рисунок 4). Диаграмма строится на основе исследования превращения переохлажденного аустенита при постоянных температурах. Начало и конец превращения перлита в аустенит на этой диаграмме представляются в виде двух С – образных кривых. Диаграмма строится в координатах температура - время. В этих же координатах изображаются и кривые охлаждения, что позволяет их совместить. В доэвтектоидных сталях превращению аустенита в перлит предшествует выделение феррита, а в заэвтектоидных – цементита. Линия V1, характеризующая медленное охлаждение, пересечет С – образные кривые при высокой температуре, и продуктом распада аустенита будет перлит с низкой твердостью. При повышении скорости охлаждении (V2, V3) кривые охлаждения пересекают линии диаграммы при более низких температурах и образуются более дисперсные смеси феррита и цементита – сорбит и троостит. Если же охлаждать аустенит со скоростью выше критической (V4), то распад аустенита в ферритно - цементитные смеси не успевает произойти, аустенит переохладится до низких температур и превратится в мартенсит, т.е. произойдет закалка.

1 – начало превращения перлита в аустенит; 2- конец превращения перлита; в аустенит; 3 – начало выделения феррита
Рисунок 4 – Диаграмма изотермического распада аустенита в стали 40 и кривые охлаждения

Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки (Vкр).

Превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном температурном интервале: начинается при температуре Мн и заканчивается при температуре МK (эти температуры называют мартенситными точками). Положение мартенситных точек зависит от содержания углерода в стали. Точка МK в заэвтектоидных сталях лежит в области отрицательных температур, что приводит присутствию в стали после закалки остаточного аустенита.

Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температур нагрева под закалку, которые определяются положением критических точек А1 или А3. В первом приближении температура нагрева при термической обработке может быть определена по диаграмме железо-цементит (рисунок 5), по следующим зависимостям: для доэвтектоидных сталей ТН = Ас3 + (30...50) °С (полная закалка); для заэвтектоидных сталей ТН = Ас1 + (30...50) °С (неполная закалка) В случае нагрева доэвтектоидной стали ниже оптимальной температуры происходит неполное превращение перлита и феррита в аустенит, и после закалки вместе с мартенситом будет присутствовать мягкий феррит. Нагрев заэвтектоидных сталей до температур ниже оптимальных практически не изменяет исходную структуру. Нагрев под закалку выше оптимальной температуры вызывает рост зерна аустенита, что приводит к образованию при охлаждении крупноигольчатого мартенсита и снижает ударную вязкость (надежность). Заэвтектоидные стали нагревают при закалке выше Ас1, т.к. присутствующий после охлаждения наряду с мартенситом цементит не снижает твердости, а перегрев не только вызывает рост игл мартенсита, но и увеличивает количество остаточного аустенита.

Рисунок 5 – Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

Углеродистые стали содержат, наряду с железом и углеродом, постоянные примеси: Мn, Si , S, P и другие элементы, которые смещают положение критических точек. Поэтому для определения температуры закалки стали используют экспериментальный метод пробной закалки. Сущность метода состоит в том, что из исследуемой стали в отожженном состоянии изготавливают образцы, которые закаливают с различных температур в интервале предполагаемого нахождения критических точек (ниже предполагаемых Ас1 и выше Ас3). Охлаждение образцов производится со скоростью выше критической. Поскольку целью закалки является получение высокой твердости стали, то после закалки на образцах измеряется твердость и по максимальному значению твердости определяется оптимальная температура закалки данной стали.

Скорость охлаждения выше критической при закалке, исследуемой в данной работе стали 40, обеспечивается при охлаждении в воде.

Для изучения влияния скорости охлаждения на твердость стали после закалки проводится охлаждение ее в масле и на воздухе. Охлаждающая способность этих сред показана в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика различных закалочных сред

Закалочная среда Скорость охлаждения в различных интервалах температур, град/с
350 – 600 °С 200 – 300 °С
Вода техническая, 20 °С
Минеральное масло
Воздух 3-5

На практике вид охлаждающей среды выбирают, в основном, в зависимости от назначения деталей, их конфигурации и степени легированности. При оптимальном режиме закалки в интервале температур до изгиба С-образных кривых (рисунок 4) необходимо охлаждать с высокой скоростью, а в интервале температур Мн – МK охлаждать медленно. Такой режим исключает превращение аустенита в ферритно - цементитные смеси в верхнем интервале температур и уменьшает напряжения при образовании мартенсита.

В связи с тем, что стали по-разному повышают свою твердость при закалке, вводится понятие закаливаемости. Под закаливаемостью понимают способность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содержания углерода увеличивается число атомов углерода, насильственно удерживаемых при закалке в кристаллической решетке α-железа, т.е. увеличивается перенасыщенность мартенсита и его тетрагональность. В результате возрастают внутренние напряжения, что в свою очередь способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры. В работе исследуется закаливаемость стали 20 (0,2 %С), стали 40 (0,4 %С) и стали У7 (0,7 %С), для чего проводится закалка образцов из этих сталей с оптимальных (в зависимости от содержания углерода) температур и измеряется их твердость.

Высокие структурные и термические напряжения, а также повышенная твердость и хрупкость стали, закаленной на мартенсит, вызывают необходимость проведения отпуска.

Отпуск стали

Отпуском называется заключительная операция термической обработки, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической Ас1, выдержке при этой температуре и последующем медленном или быстром охлаждении. Цель отпуска – уменьшение напряжений в стали, повышение вязкости, пластичности и снижение твердости. В результате отпуска неустойчивые структуры закалки переходят в более устойчивые. В зависимости от температуры различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий.

При низком отпуске закаленную сталь нагревают до температур 150-250 °С. Под действием повышенной температуры атомы углерода приобретают более высокую подвижность и благодаря этому частично выходят из мартенсита (перенасыщенного твердого раствора в α-железе).Они образуют метастабильный карбид Fe2C. При этом внутренние напряжения в кристаллической решетке железа и ее тетрагональность уменьшаются, а, следовательно, снижается склонность к хрупкости закаленной стали.

Образующиеся карбиды имеют малые размеры и металлографически не обнаруживаются.

Образующаяся смесь дисперсных карбидов и мартенсита с пониженным содержанием углерода называется мартенситом отпуска. При температурах выше 200 °С остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. Твердость стали сохраняется высокой (у стали с содержанием углерода 0,7 % – HRC 59-63). Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструменты, а также детали после поверхностной закалки и цементации.

При среднем отпускенагрев закаленной стали производят до температур 300-450 °С.При этом полностью завершается процесс выделения углерода из пересыщенного твердого раствора и мартенсит превращается в феррит. Карбид Fе2С преобразуется в цементит Fе3С. Образуется структура, состоящая из феррита, в котором равномерно распределены мельчайшие частицы цементита, называемая трооститом отпуска. Средний отпуск уменьшает внутренние напряжения в большей степени, чем низкий отпуск, приводит к значительному снижению твердости (у эвтектоидной стали HRC 45-50) и обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости. Применяется главным образом после закалки пружин и рессор.

При высоком отпуске закаленную сталь нагревают до температур 500-650 °С. Такой нагрев приводит к коагуляции цементитных частиц – мелкие частицы сливаются в более крупные и в результате снижается твердость (HRC 30-45). Ферритно - цементитную смесь более грубого строения, чем троостит, называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск почти полностью (на 90-95 %) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической нагрузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др.

Закалка с высоким отпуском одновременно повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск выше 650 °С уже не повышает пластичность. Структура стали после такого отпуска состоит из достаточно грубой смеси феррита и цементита, которая называется зернистым перлитом или перлитом отпуска. Таким образом, от неравновесной (метастабильной) структуры мартенсита закалки с повышением температуры отпуска сталь все больше приближается к равновесному состоянию. При этом существенно изменяются и свойства стали (рисунок 6).

Рисунок 6 – Механические свойства стали 40 в зависимости от температуры отпуска  

Порядок выполнения работы

1) Перед началом работы студенты знакомятся с оборудованием и правилами его эксплуатации. За знание правил техники безопасности студент расписывается в журнале по технике безопасности.

2) Последовательность работ проводится в соответствии с заданиями (пункт 9).

Термическая обработка

1.1) Образцы на закалку загружаются в печи, предварительно разогретые на заданные температуры.

1.2) Продолжительность выдержки образцов по достижении заданной температуры закалки по потенциометру – 20 мин.

1.3) Выгрузка образцов из печи производится щипцами в минимальное время, чтобы не охладить образцы и печь.

1.4) Закалка образцов производится в воде или масле при непрерывном, энергичном перемещении образцов в охлаждающей среде.

1.5) Один образец оставляется после выгрузки из печи для охлаждения на воздухе.

1.6) Закаленные образцы укладываются на трафаретки с указанными на них режимами закалки и переносятся на заточку торцов для последующего замера твердости.

1.7) Время выдержки при достижении заданной температуры отпуска по потенциометру – 20 мин.

1.8) Охлаждение образцов после отпуска в воде.

Подготовка поверхности образцов для замера твердости

2.1) При заточке на абразивных кругах следует применять интенсивное охлаждение во избежание перегрева, для чего образцы необходимо периодически помещать в емкость с водой.

2.2) Плоскость под замер твердости должна быть выполнена по нормали к образующей образца, не иметь грубых рисок и других дефектов.

Замер твердости

3.1) Нагрузка 7500 Н, диаметр шарика 5 мм, выдержка под нагрузкой 10 с (автоматически). Шарик перед испытанием должен быть вытерт насухо.

3.2) Образец помещается на стол твердомера и вращением маховика испытываемая поверхность поджимается к шарику без усилия. Испытываемая поверхность должна быть перпендикулярна к оси шпинделя.

3.3) Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоянии не менее диаметра, а от центра соседнего отпечатка – на расстоянии не менее двух диаметров отпечатка.

3.4) Нажатием на кнопку включается электродвигатель. По окончании испытания пресс автоматически выключается.

3.5) Вращением маховика стол опускается, образец снимается.

3.6) С помощью лупы измеряется диаметр отпечатка. Используя переводные таблицы, определяют числа твердости.

Задания

1) Определить твердость исходной стали 40 (в отожженном состоянии), результаты занести в таблицу А.1 (приложения в конце методических указаний к лабораторной работе).

2) Произвести закалку образцов из стали 40 по режимам, представленным в таблице А.1.

3) Произвести закалку образцов из сталей 20, 40, У7 по режимам, приведенным в таблице А.2.

4) Заточить образцы после закалки, замерить твердость и результаты занести в таблицы А.1 и А.2.

5) Произвести отпуск образцов из стали 40, закаленных с оптимальной температуры нагрева. Режимы отпуска приведены в таблице А.3.

6) Заточить образцы после отпуска, замерить твердость и результаты занести в таблицу А.3.

7) Построить графики: зависимости твердости от температуры закалки по данным таблицы А.1 (НВ = f(ТЗАК)); зависимости твердости от содержания углерода в стали по данным таблицы А.2 (НВ = f(%C)); зависимости твердости от температуры отпуска по данным таблицы А.3 (НВ = f(TОТП)).

8) Изучить под микроскопом микроструктуры стали 40 после различных режимов закалки и отпуска;

9) Зарисовать микроструктуры в отчете, обозначить отдельные структурные составляющие (схемы указанных микроструктур помещены в приложении рисунки Б.1 – Б.8).

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ФОРМЫ ТАБЛИЦ ЭКСПЕРИМЕНТА

Таблица А.1 – Влияние температуры закалки и скорости охлаждения на твердость стали 40

Номер образца Температура нагрева, °С Закалочная среда Твердость после закалки
диаметр отпечатка, мм НВ, МПа
а) Влияние температуры закалки на твердость стали 40
исходный    
вода    
вода    
вода    
вода    
вода    
б) Влияние скорости охлаждения на твердость стали 40
вода    
масло    
воздух    

Таблица А.2 – Влияние содержания углерода на твердость стали после закалки

Номер образца Марка стали Температура нагрева, °С Зака­лочная среда Твердость после закалки
диаметр отпе­чатка, мм НВ, МПа
вода    
вода    
У7 вода    

Таблица А.3 – Влияние температуры отпуска на твердость стали 40

Номер об­разца Температура отпуска, °С Закалочная среда Твердость после закалки
диаметр отпечатка, мм НВ, МПа
исходный    
вода    
вода    
вода    
вода    
вода    
вода    

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Бийский технологический институт (филиал)



Последнее изменение этой страницы: 2016-06-08

headinsider.info. Все права принадлежат авторам данных материалов.