Лабораторная работа по дисциплине «Материаловедение» для ВГУИТ

Лабораторная работа № 5  Термическая обработка углеродистых сталей Цель работы: ознакомление с основными видами термической обработки сталей; определение зависимости твердости сталей от вида и параметров режима термической обработки и содержания углерода.   Оборудование, приспособления, инструмент, материалы: муфельные электропечи для отжига, закалки и отпуска образцов, прибор Роквелла, металлографический микроскоп, образцы среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали, емкости с охлаждающими жидкостями, щипцы.   Теоретические сведения Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств. Слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты подвергают  термической обработке. Основные виды термической обработки — отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей. Отжиг — термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений. Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретного вида отжига. Скорость охлаждения температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 30…200 °С/ч. Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура.  Их неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии — полиморфные превращения твердых растворов, распад твердого раствора по эвтектоидной реакции, переменная растворимость и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при снижении температуры. Отпуск и старение — термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, а термин «старение» — применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения. Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. При этом температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения обычно не влияет на структуру и свойства сплавов. Если превращение происходит при температурах более 650…670 ºС (рис. 1), то образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 500…700 нм. Такую смесь называют перлитом (П). Превращение при температуре 640…590 °С (см. рис. 1) дает межпластиночное расстояние 300…400 нм, такую перлитную структуру называют сорбитом (С). При температуре превращения 580…550 °С (см. рис. 1) межпластиночное расстояние уменьшается до 100…200 нм, такую структуру называют трооститом (Т). В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом (Б). Он представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму. Рис. 1. Диаграмма закалочных структур   Бейнит, образовавшийся при температуре 400…550 °С (см. рис. 1) называют верхним, он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним, он имеет пластинчатое строение. Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50…100 °С (см. рис. 1) выше мартенситной точки М_н. Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном  охлаждении  в  интервале  температур  от  М_н до М_к (см. рис. 1). Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур. Мартенсит представляет собой неравновесную фазу — пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железе. Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку, а также очень высокую твердость, равную или превышающую НRС_э 60, при содержании углерода, которое составляет более 0,4 %. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства. Отпуск стали — заключительная операция, определяющая ее конечные свойства после закалки. В зависимости от температуры различают: низкотемпературный или низкий отпуск (120…250 °С), среднетемпературный или средний отпуск (350…500 °С), высокотемпературный или высокий отпуск (500…680 °С). Низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Средний отпуск применяют, главным образом, для пружин и рессор, а также для штампов. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением. Подвергают улучшению среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали, вследствие ее пониженной твердости, невысокая. Правила техники безопасности

1. Работы проводить только с разрешения преподавателя.
2. Для укладки и выемки образцов из печи использовать специальные щипцы и теплозащитные рукавицы.
3. Не открывать дверцы печи в процессе нагрева образца. После окончания работы выключить печь и убрать рабочее место.

  Порядок выполнения работы  

1. Провести замер твердости у исходных отожженных образцов двух марок сталей на приборе Роквелла. За величину твердости исследуемой стали принимается средняя арифметическая трех замеров на каждом образце. Твердость измеряется только на торце цилиндрического образца.
2. Перед измерением твердости с поверхности удалить окалину абразивным кругом или абразивной бумагой. На стол установить испытуемое изделие и вращением маховика поднимать его к наконечнику до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая с погрешностью ±5 делений – на нуль шкалы индикатора.

Если большая стрелка отклонилась больше чем на 5 делений относительно нулевого штриха шкалы, необходимо опустить стол и начать испытание на новом месте. Плавным нажатием  включить привод механизма нагружения. После окончания цикла нагружения произвести отсчет твердости по шкале индикатора.    Вращением маховика против часовой стрелки испытываемое изделие отвести от наконечника и снять со стола.

3. Выбрать по диаграмме состояния системы железо-цементит температуру нагрева стали под закалку (рис. 2).

Рис. 2. Интервал закалочных температур углеродистых сталей  

1. Назначить продолжительность нагрева по табл. 1.
2. Провести операцию закалки. Для этого в электропечь, нагретую до выбранной температуры, заложить образцы и выдержать их там в течение рассчитанного времени. Температуру контролировать с помощью термопары.

Таблица 1 Продолжительность нагрева стали в зависимости от температуры, формы и размеров детали

Температура нагрева, ºС	Форма изделия
	круг		квадрат	пластина
	Продолжительность нагрева, мин
	на 1 мм диаметра	на 1 мм толщины
600 700 800 900 1000	2,0 1,5 1,0 0,8 0,4	3,0 2,2 1,5 1,2 0,6			4 3 2 1,6 0,8

 

3. Вынуть образцы из печи щипцами и быстро погрузить в емкость с жидкостью, выдержать их там до полного охлаждения. Измерить твердость закаленных образцов и внести результаты в табл. 2.

                                                                                                          Таблица 2                                   Результаты испытаний

Номер образца	Вид термической обработки	Режим термической обработки			Марка стали	Твердость HRC
		t, ºС	τ, мин	Охлаждающая среда
1
2
3
4
5

 

4. Провести отпуск стали, поместив образцы в печи, предварительно нагретые до 200, 400 и 600 ºС, и выдержав их там в течение 30 мин. Охладить образцы на воздухе.
5. Определить твердость образцов после отпуска. Результаты испытаний занести в ту же табл. 2.
6. Построить график зависимости твердости от параметров режимов термической обработки для сталей с различным содержанием углерода.
7. Рассмотреть микроструктуры сталей после термической обработки.

  Содержание отчета  

1. Привести краткое описание термической обработки.
2. Результаты испытаний занести см. табл. 2.
3. Зарисовка характерных микроструктур после термической обработки.
4. График зависимости твердости от режимов термической обработки.
5. Выводы.

Контрольные вопросы

1. Какие основные виды термической обработки вы знаете?
2. Какие основные параметры характеризуют различные виды термической обработки сталей?
3. Какие охлаждающие среды применяются при различных видах термической обработки?
4. Что такое перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит?
5. Что называется критической скоростью закалки?
6. Что такое отпуск? Какие виды отпуска вы знаете?
7. Как проводится отжиг сталей?
8. Что называется закаливаемостью стали?
9. Как определить температуру нагрева стали под закалку?