МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Для определения твердости по Виккерсу используют образец с отполированной до зеркального блеска поверхностью.

1) Установить на подвеску прибора (рисунок 2.7) необходимое количество грузов 9.

2) Поворотную головку 1 установить так, чтобы ось наконеч-
ника 2 совпадала с центром предметного столика 4.

3) Поместить образец 3 на предметный столик.

4) Вращением маховика 5 по часовой стрелке осторожно подвести образец к наконечнику.

5) Рычаг 7 опустить вниз.

6) Нажать плавно на педаль 5.

1 – поворотная головка; 2 – наконечник и объектив; 3 – образец;

4 – предметный столик; 5 – маховик; 6 – педаль; 7 – рычаг;

8 – окуляр и микрометрическая головка; 9 – подвеска с грузами.

Рисунок 2.7 – Схема твердомера Виккерса

7) После завершения цикла испытания вращением маховика 5 против часовой стрелки опустить предметный столик.

8) Поворотную головку 1 легким движением руки по часовой стрелке установить так, чтобы ось объектива совпала с центром предметного столика.

9) Перемещением маховика 5 навести резкость, сделать отпечаток на образце видимым в окуляр или на матовой пластинке.

10) С помощью окуляр-микрометра или специальных микрометрических винтов измерить диагональ отпечатка (см. рисунок 2.2, в) в двух направлениях: d₁ и d₂. Среднее значение подставить в формулу (2.9) и подсчитать значение HV.

11) На образце сделать три накола.

Определение ударной вязкости

2.3.5.1 Получить образцы для испытания.

2.3.5.2 Поднять немного маятник и поместить образец на опоры копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника.

2.3.5.3 Поднять маятник в верхнее положение и закрепить защелкой, при этом стрелка отклонится и будет указывать работу, которую маятник может совершить. Это значение записать в соответствующую графу протокола.

Запрещается устанавливать образец, когда маятник поднят на полную высоту и установлен на защелку. В этом положении маятник представляет большую опасность для работающих, так как при случайном освобождении защелки может нанести тяжелые увечья.

2.3.5.4 Подвести стрелку к нулю шкалы до упора в штифт.

2.3.5.5 Отпустить защелку и произвести удар по образцу.

2.3.5.6 Остановить качание маятника с помощью тормоза.

2.3.5.7 Определить по шкале работу подъема маятника после излома образца и записать данные в графу протокола испытаний.

2.3.5.8 Определить ударную вязкость образца по формуле и записать в графу протокола.

2.3.5.9 Характеристику излома (хрупкий, вязкий) записать в графу протокола испытаний.

Оформление отчета

Определение характеристик прочности и пластичности

Результаты испытаний на растяжение занести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3 – Результаты испытаний на растяжение

Определение твердости

Результаты измерений занести в таблицы 2.4 – 2.6.

Таблица 2.4 – Результаты измерений твердости по Бринеллю

Таблица 2.5 – Результаты измерений твердости по Роквеллу

Таблица 2.6 – Результаты измерений твердости по Виккерсу

Определение ударной вязкости

Результаты испытаний занести в таблицу 2.7.

Таблица 2.7 – Результаты испытаний на ударную вязкость

2.5 Контрольные вопросы

1. Перечислите механические свойства металлов.

2. Что такое прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость?

3. С помощью каких испытаний определяют характеристики прочности и пластичности?

4. Укажите показатели прочности и пластичности.

5. В каких случаях применяют твердомер Бринелля, Роквелла, Виккерса?

6. Какой наконечник используется при испытании твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?

7. Как и в каких единицах измеряется твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?

8. С помощью каких испытаний определяют ударную вязкость?

9. Как обозначается ударная вязкость?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3

ВЛИЯНИЕ ХОЛОДНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА МИКРОСТРУКТУРУ

И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы: изучить влияние холодной пластической деформации на процесс упрочнения стали и возможность ее разупрочнения при нагреве.

Теоретические сведения

3.1.1 Основные определения

Деформация – это изменение линейных размеров и формы тела под действием приложенной силы (нагрузки).

Упругая деформация (обратимая) исчезает после снятия нагрузки.

Пластическая деформация (необратимая) не исчезает после снятия нагрузки.

Абсолютная деформация – абсолютное изменение линейных размеров длины l, ширины b или высоты h, которое обозначается ∆1, ∆b, ∆h соответственно и измеряется в единицах длины.

Относительная деформация (степень деформации) – это отношение абсолютной деформации к начальному размеру. Она обозначается буквами δ, β или ε и является величиной безразмерной или выражается в процентах.

Микроструктура стали выявляется путем травления полированных образцов 4-процентным раствором азотной кислоты в этиловом спирте. По микроструктуре все стали можно разделить на следующие группы.

Доэвтектоидные – с содержанием углерода от 0,025 до 0,8 % – имеют ферритно-перлитную структуру. Количество феррита и перлита зависит от содержания углерода в стали. Соотношение между ними можно определить по правилу отрезков. Например, в сплаве I (0,5 % углерода):

или

%; %,

где g_ф – количество феррита;

g_п – количество перлита.

Чем больше перлита в структуре стали, тем выше прочность (твердость, предел прочности) и ниже пластичность и вязкость.

Эвтектоидная сталь содержит 0,80 % углерода, структура – перлит.

Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,80 до 2,0 %, структура – перлит и цементит вторичный (Ц_II).

В отожженной стали Ц_II располагается по границам перлитных (бывших астенитных) зерен в виде сетки (см. рисунок 4.2, д). Так как цементит хрупок и тверд, расположение его в виде сетки снижает пластичность, вязкость и прочность стали (кроме твердости). Количество цементита вторичного (g_ЦII) увеличивается с увеличением содержания углерода в стали. Например, для стали У10 (1 % углерода)

%,

а для стали У13 (1,3 % углерода)

%.

Сплавы, содержащие менее 0,025 % углерода, называют техническим железом. Структура таких сплавов – феррит (С < 0,006 %) или феррит с включениями цементита третичного Ц_III. Цементит третичный выделяется по границам ферритных зерен в виде отдельных зерен или сетки.

Материалы и принадлежности

· Коллекция микрошлифов сталей с различным содержанием углерода и микрофотографии к ним.

· Образцы сталей с разным содержанием углерода для замера твердости.

· Контрольные образцы сталей для самостоятельной работы студентов.

· Микроскопы.

· Твердомеры ТШ и ТК.

Порядок выполнения работы

4.3.1 Просмотреть коллекцию микрошлифов сталей различных марок. Зарисовать микроструктуру технического железа, доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей в кругах диаметром
35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм (отдельные структурные составляющие указываются стрелками, а справа от микроструктуры дается описание видимого в микроскоп изображения). Обратить внимание на окраску, форму, размер основных структурных составляющих стали и на изменение ее структуры с увеличением содержания углерода.

4.3.2 Измерить твердость по Роквеллу (НRВ) предложенных образцов сталей с различным содержанием углерода. Построить кривую изменения твердости НRВ в зависимости от содержания углерода.

4.3.3 Просмотреть и зарисовать микроструктуру двух предложенных образцов сталей (структуру зарисовать в круге диаметром 35 –
40 мм при увеличении 150 – 200 раз, указать структурные составляющие).

По структуре, определив примерно (на глаз) площадь, занятую зернами перлита и феррита, подсчитать содержание углерода в образцах стали (используя правило отрезков). Например, структура изучаемого образца – ферритно-перлитная (см. рисунок 4.2, б).
Зерна перлита занимают примерно 20 % от всей площади шлифа
(F_п ≈ 20 %), а зерна феррита – 80 % (F_ф ≈ 80 %). Это соответствует отношению F_п : F_ф = 1 : 4.

Углерод, присутствующий в стали, распределяется между этими структурными составляющими, следовательно:

,

где С – содержание углерода в стали, %;

0,83 и 0,025 – содержание углерода в перлите и феррите соответственно, %;

F_п, F_ф – площадь, занятая зернами перлита и феррита в процентах или частях (соответственно).

Так как в феррите содержится ничтожно мало углерода (менее 0,025 %), слагаемым F_ф∙0,025 можно пренебречь, и содержание углерода в доэвтектоидной стали определяется следующим образом:

, %.

В нашем примере:

%.

4.3.4 По содержанию углерода определить марку стали (считаем, что стали качественные). Например, сталь содержит 0,56 % С, следовательно, ее марка – 55; 0,16 % С – 15; 0,38 % С – 40.

4.3.5 Объяснить, как сформировалась структура в исследуемых образцах. Для этого вычертить в масштабе диаграмму состояния «железо – цементит» (левый нижний угол), провести ординаты сплавов (контрольные образцы) и описать превращения, протекающие в данных сплавах при охлаждении области аустенита.

4.3.6 На основании изученных материалов объяснить изменение твердости стали в зависимости от содержания углерода.

Оформление отчета

содержанием углерода

Травитель…

Увеличение…

Микроструктура:

(Около каждой зарисовки указать стрелками структурные составляющие, дать им определение, указать цвет, форму и расположения).

Значение твердости образцов стали с различным содержанием углерода занести в таблицу 4.1 и построить график зависимости твердости НRB от содержания углерода С, % (рисунок 4.4).

Таблица 4.1 – Твердость образцов

стали с различным содержанием

углерода

Рисунок 4.4 – График

зависимости твердости НRB

от содержания углерода С

Определение марки стали по структуре

4.4.3 Формированиеструктурывсталях

Изобразить левый нижний (стальной) угол диаграммы состояния «железо – углерод» (рисунок 4.5). Провести ординаты сплавов (см. варианты заданий в таблице В.1), указать критические точки, описать, как формируется структура стали при охлаждении (приложение В).

Рисунок 4.5 – Формирование структуры в сталях

Анализ полученных результатов и выводы

Указать, как и почему углерод (см. п. 4.4.1) влияет на структуру и твердость стали.

4.5 Контрольные вопросы

1. Какие фазы в твердом состоянии образуются в железоуглеродистых сплавах? Дайте их определение.

2. Какие структурные составляющие возникают в сталях? Дайте их определение, укажите температурные и концентрационные условия их образования.

3. На какие группы по структуре делятся углеродистые стали? Как влияет углерод на структуру и свойства сталей?

4. Определите содержание углерода и марку стали по известному отношению между перлитом и ферритом, указанному в таблице:

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Цель работы: изучить микроструктуру чугунов различных видов.

Теоретические сведения

Чугунами называют железоуглеродистые сплавы, содержащие более 2 % углерода. Углерод в чугунах может находиться в связанном состоянии (в виде цементита) или в свободном (в виде графита). Количество графита и образующаяся металлическая основа чугунов зависит от графитизации, а форма графитовых включений зависит от способа производства. Различают чугуны по металлической основе и форме графитовых включений.

Белый чугун. В белом чугуне весь углерод присутствует в виде цементита, поэтому он хрупок, твёрд и не применяется в качестве конструкционного материала для изготовления деталей машин.

Структура белого чугуна зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме состояния «железо – цементит» (рисунок 5.1). По структуре белые чугуны делятся на три группы:

а) доэвтектические чугуны содержат углерода от 2 (точка Е диаграммы состояния) до 4,3 % (точка С), имеют структуру: перлит, цементит вторичный и ледебурит.

Перлит (ферритно-цементитная смесь) содержит ~ 0,8 % С, является продуктом эвтектоидного распада аустенита (А) по линии PSK. Зёрна аустенита образовались при кристаллизации жидкости на ли-нии BC.

Цементит (вторичный) выделяется из аустенита в интервале температур 1147 – 727 ^оС (линии ECF – PSK) вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените от 2 % при 1147 ^оС до 0,8 % при 727 ^оС.

Ледебурит – продукт эвтектической кристаллизации жидкости при 1147 ^оС, когда жидкость переходит в аустенитно-цементитную смесь.

В интервале температур 1147 – 727 ^оС ледебурит представляет собой смесь аустенита и цементита. При температуре ниже 727 ^оС (линия PSK) ледебурит состоит из смеси перлита и цементита, так как на линии PSK аустенит превращается в перлит. Схематично фазовые и структурные превращения в белых чугунах представлены на рисун-
ке 5.1, б, а изображение их структур – на рисунке 5.2;

б) эвтектический чугун содержит 4,3 % углерода, структура – ледебурит. Других структурных составляющих нет, так как вся жидкость в этом чугуне имеет эвтектический состав (сплав II – рисунок 5.1) и кристаллизуется с образованием ледебурита;

в) заэвтектические чугуны содержат от 4,3 до 6,67 % углерода, структура – цементит первичный и ледебурит. Цементит первичный выделяется из жидкости в интервале температур Т₅®Т₆ (рисунок 5.1 – сплав III) в виде светлых пластин прямоугольной формы (ри-
сунок 5.2).

Ледебурит, как и в предыдущих сплавах, образуется при кристаллизации жидкости на линии ECF (точка 6 для сплава III).

а – доэвтектический белый чугун; б – эвтектический белый чугун;

в – заэвтектический белый чугун;

л – ледебурит; п – перлит; ц – цементит.

Рисунок 5.2 – Микроструктура ( 240) белого чугуна

и схема её зарисовки (справа)

Серый чугун (2,5 – 3,8 % С). В этих чугунах углерод весь или частично присутствует в виде графита, который имеет пластинчатую форму (рисунок 5.3, а). Форма графитовых включений хорошо видна на полированной нетравленой поверхности шлифа. Графит получается при распаде цементита (первичного, вторичного или эвтектоидного). Образованию графита способствуют медленное охлаждение жидкого чугуна и кремний, присутствующий в чугуне (1,5 – 3,0 %). Металлическая основа серого чугуна зависит от степени графитизации.

а – пластинчатая; б – шаровидная; в – хлопьевидная.

Рисунок 5.3 – Форма включений графита в чугунах – микрофотографии

и схемы зарисовки

По металлической основе серый чугун бывает следующих групп:

а) ферритный – весь углерод присутствует в виде графита. Структура – феррит и графит (рисунок 5.4, а);

б) перлитный; из общего количества углерода около 0,8 % остаётся в связанном состоянии, а остальной графитизирован. Получается такой чугун в том случае, если графитизации подвергается только первичный и вторичный цементит, а цементит перлита не распадается. Структура – перлит и включения графита (рисунок 5.4, в);

в) ферритно–перлитный. Из общего количества углерода менее 0,8 % находится в связанном состоянии в виде цементита, а остальной – в виде графита (рисунок 5.4, б).

Получается такой чугун вследствие распада всего первичного и вторичного цементита и частично распада эвтектоидного цементита, входящего в перлит. Структура – феррит, перлит и графит. Количество связанного углерода (С_связ) можно определить по отношению площадей, приходящихся на ферритные и перлитные зёрна.

,

где F_П, F_ф – площади перлитных и ферритных зёрен соответственно в % или частях к общей площади шлифа.

Высокопрочный чугун (2,5 – 3,5 % С) отличается от обычного серого чугуна формой графитных включений. Получают его путём модифицирования серого чугуна магнием. Магний способствует образованию графита шаровидной (глобулярной) формы (рисунок 5.3, б), что повышает механическую прочность чугуна. По металлической основе высокопрочный чугун может быть, как и серый, ферритным (ВЧ40-10), ферритно-перлитным (ВЧ45-5) и перлитным (ВЧ60-2) (рисунок 5.4, ж – и).

Ковкий чугун (2,5 – 3 % С) отличается хлопьевидной формой графитовых включений (см. рисунок 5.3, в). Такой чугун получают путём специальной термической обработки (графитизирующего отжига) отливок из белого чугуна. Отжиг проводят при 950 ^оС (первая стадия) и 720 ^оС (вторая стадия). В процессе выдержек цементит разлагается с образованием графита хлопьевидной формы (графит отжига). По металлической основе ковкий чугун также может быть ферритным (КЧ 35-10), перлитным (КЧ 60-3) и ферритно-перлитным (КЧ40-5) (рисунок 5.4, г – е).

а, б, в – серый чугун; г, д, е – ковкий чугун; ж, з, и – высокопрочный чугун.

Рисунок 5.4 – Микроструктуры различных чугунов

и схемы их зарисовки

Итак, по форме графитовых включений чугун делят на серый, ковкий и высокопрочный. Форма графитовых включений зависит от способа производства. По металлической основе чугуны делят на ферритные, перлитные, ферритно-перлитные. Металлическая основа зависит от степени графитизации чугуна.

Материалы и принадлежности

· Коллекция микрошлифов различных видов чугунов и контрольные образцы.

· Фотографии микроструктур и схемы их зарисовок.

· Микроскопы.

Порядок выполнения работы

5.3.1 Просмотреть коллекцию микрошлифов различных марок чугунов, сравнить структуру с прилагаемыми микрофотографиями. Обратить внимание на цвет, форму, размер отдельных структурных составляющих.

5.3.2 В кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм зарисовать микроструктуры различных видов чугунов (отдельные структурные составляющие указать стрелками, а справа от микроструктуры дать описание видимого в микроскоп изображения). Указать, какую форму включений графита имеет серый, высокопрочный и ковкий чугун, и как её получить. Указать, какую металлическую основу могут иметь чугуны (серые, ковкие и высокопрочные).

5.3.3 Изучить структуру двух контрольных образцов. По структуре определить вид чугуна (белый, серый, и т.д.) и его металлическую основу.

Оформление отчета

Белый чугун – … (дать определение).

Микроструктура (доэвтектического, эвтектического или заэвтектического):

Указать структурную группу, дать определение каждой

из структурных составляющих.

Формы включений графита (непротравленные образцы):

серый чугун высокопрочный чугун ковкий чугун

5.4.2 Микроструктура контрольных образцов

Зарисовать микроструктуру двух образцов, описать её (металлическую основу, включения графита), определить вид чугуна (например, серый перлитный, ковкий ферритный и т.п.). Марку чугуна установить по структуре, пользуясь таблицей А.3; расшифровать марку.

Подробно описать способ получения данных видов чугунов.

5.5 Контрольные вопросы

1. Какие сплавы называют чугунами (их состав)?

2. В каком виде присутствует углерод в чугунах?

3. Какой чугун называют белым? На какие группы делят белый чугун по структуре?

4. Какой процесс называется графитизацией? Какие факторы способствуют графитизации?

5. От чего зависит металлическая основа чугуна?

6. Способ производства и структура высокопрочных чугунов.

7. Способ производства и структура ковких чугунов.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6

ИСПРАВЛЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ ПЕРЕГРЕТОЙ

ДОЭВТЕКТОИДНОЙ СТАЛИ

Цель работы: изучить микроструктуру перегретой стали и возможность исправить её отжигом или нормализацией.

Теоретические сведения

Перегретой называется сталь с крупным зерном аустенита в нагретом состоянии и грубой ферритно-перлитной структурой в охлажденном. Перегрев можно исправить термической обработкой. В основе исправления структуры лежат фазовые превращения, протекающие в стали при нагреве и охлаждении.

Фазовые превращения в стали

Превращение перлита (ферритно-цементитной смеси) в аустенит. Оно протекает при нагреве любой стали выше точки А_с1 хотя бы на один градус. Кроме того, при дальнейшем нагреве в доэвтектоидных сталях в интервале температур А_с1 – А_с3 в аустените растворяется избыточный феррит. Выше точки А_с3 стали находятся в однофазном аустенитном состоянии. Причем чем выше температура, тем крупнее получается аустенитное зерно. Для получения мелкого
аустенитного зерна сталь необходимо нагревать всего на 30 – 50 ^оС выше точки А_с3 (рисунок 6.1).

Превращение аустенита в перлит. Этот процесс происходит в верхнем температурном интервале (А_с1 – 550 ^оС) диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита. Например, при скоростях охлаждения V₁ и V₂ аустенит распадается с образованием перлитных структур в интервале температур ас и а’с’ соответственно (см. рисунок 6.1).

Следует иметь в виду, что чем выше скорость охлаждения, тем ниже температурный интервал распада аустенита, дисперснее и тверже получается смесь феррита и цементита. Продукты распада аустенита (перлит, сорбит, тростит) имеют пластинчатое строение и отличаются друг от друга степенью дисперсности пластин феррита и цементита.

6.1.2 Основные виды предварительной термической обработки

Стали

6.1.2.1 Отжиг

Отжигом называют нагрев стали до заданной температуры, выдержку и медленное (вместе с печью) охлаждение. В зависимости от марки стали скорость охлаждения колеблется в пределах от 150 до
30 градусов в час. После отжига получается наиболее равновесная структура.

Отжиг применяют:

– для снятия внутренних напряжений;

– получения минимальной твердости;

– исправления структуры кованой, литой или перегретой стали;

– устранения дендритной ликвации.

В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

1) Низкий отжиг. Температура нагрева ниже нижней критической точки А_с1 на 100 – 50 ^оС:

Т_н = А_с1 – (100 … 50) ^оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не изменяется (исключение – рекристаллизационный отжиг после холодной пластической деформации). Отжиг низкий применяют для снятия внутренних напряжений.

2) Неполный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 – 50 градусов выше нижней критической точки стали:

Т_н = А_с1 (30 … 50) ^оС.

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной (П) составляющей. Избыточная структурная составляющая феррит не претерпевает изменений. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко.

3) Полный отжиг. Температура нагрева лежит на 30 – 50 градусов выше верхней критической точки А_с3:

Т_н = А_с3 (30 …50) ^оС.

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, как следствие, исправлению перегретой структуры. При нагреве выше точки А_с3 на 30 … 50 ^оС образуется мелкое аустенитное зерно (см. рисунок 6.1, а), из которого при охлаждении с малой скоростью (кривая 1 – рисунок 6.1, в) формируется мелкая ферритно-перлитная структура. Если нагреть сталь до более высоких температур, аустенитное зерно вырастет, из такого зерна после охлаждения образуется крупнозернистая ферритно-перлитная структура (рисунок 6.2).

а – нормальный нагрев; б – перегрев.

Рисунок 6.2 – Структурные изменения доэвтектоидной стали

при полной фазовой перекристаллизации

Полный отжиг снимает внутренние напряжения, смягчает сталь и полностью исправляет структуру. Применяют полный отжиг только для доэвтектоидных сталей, так как в заэвтектоидных сталях при медленном охлаждении образуется цементитная сетка вокруг перлитных зерен, что охрупчивает сталь.

6.2.2.2 Нормализация

Нормализацией называется процесс термической обработки, заключающийся в нагреве стали выше верхней критической точки А_с3, выдержке до полного образования аустенита (мелкозернистого) и охлаждении на спокойном воздухе. От полного отжига нормализация отличается ускоренным охлаждением (кривая 2 на рисунке 6.1). В этом случае распад аустенита происходит при более низких температурах (участок а’с’), нежели при отжиге (участок ас). Зерно у нормализованной стали мельче, а твердость выше, чем у отожженной.

Материалы и принадлежности

· Образец перегретой (1100 ^оС в течение 30 мин) стали 40 для изменения твёрдости.

· Образцы предварительно перегретой стали 40 после термической обработки по режимам, указанным в таблице 6.1, на твёрдость.

· Штангенциркуль.

· Твердомер ТК (Роквелл).

· Коллекция микрошлифов (шесть образцов).

Порядок выполнения работы

Термическую обработку образцов перегретой стали выполняет лаборант. Студенты изучают структуру и твёрдость предварительно перегретой стали (образец № 1), затем структуру и твёрдость образцов № 2…6 после различных видов отжига и нормализации. На основании полученных результатов необходимо найти вид термической обработки, исправляющий перегрев стали.

Оформление отчета

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 =…

А_С3 =…

Размеры и форма образцов …

Микроструктура ( 240) перегретой стали, образец 1:

Зарисовать микроструктуру, указать

структурные составляющие, описать

размер и форму составляющих.

Твёрдость … HRB, т.е. … HB

Термическая обработка перегретых образцов

Данные по термической обработке образцов занести в таблицу 6.1.

Таблица 6.1 – Термическая обработка перегретых образцов

Результаты эксперимента

6.4.3.1 Построить графики термической обработки, зарисовать микроструктуру образцов (рисунок 6.3). Описать структуру, объяснить видимые изменения с точки зрения фазовых превращений, протекающих в стали при нагреве и охлаждении.

Рисунок 6.3 – Графики термообработки образцов

6.4.3.2 Твердость термически обработанных образцов занести в таблицу 6.2.

Таблица 6.2 – Твёрдость термически обработанных образцов

Анализ полученных результатов и выводы

Для каждого графика описать структуру и объяснить её изменение или неизменность по отношению к исходному образцу с точки зрения превращений, протекающих при нагреве и охлаждении. Указать, какая структура получается в нагретом состоянии и что даёт охлаждение. Обратите внимание на положение температуры нагрева относительно критических точек.

На основании полученных результатов сделайте вывод, какие виды термической обработки исправляют структуру перегретой стали.

6.5 Контрольные вопросы

1. Какую сталь называют перегретой?

2. Какие причины приводят к перегреву стали?

3. Какие превращения протекают в доэвтектоидной стали при нагреве выше точки А_С1 ?

4. Какие превращения протекают при нагреве доэвтектоидной стали в интервале температур А_С1 – А_С3?

5. Какой вид термической обработки называют отжигом, нормализацией?

6. Какие виды отжига применяют для исправления структуры перегретой стали?

7. Исправляет ли нормализация перегрев стали?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ДЛЯ ЗАКАЛКИ СТАЛИ

Цель работы: изучить закалку стали, научиться выбирать температуру нагрева в зависимости от структурной группы стали, приобрести навыки практической работы с термическим оборудованием и приборами.

Теоретические сведения

Закалкой называют процесс термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры выше критических точек А_С3 или А_С1, выдержке и быстром охлаждении (в воде, масле или других жидких средах) со скоростью больше критической. Цель закалки – повысить твердость стали за счет образования мартенситной структуры. Нагрев выше критических точек необходим, чтобы получить аустенит, а быстрое охлаждение – чтобы аустенит превратился в мартенсит (фазовые превращения, протекающие в сталях при нагреве и охлаждении, описаны в п. 6.1.1).

Закалка может быть полной и неполной. Полной является закалка на мартенситную структуру, а неполной – закалка на мартенсит и избыточную структуру (феррит или цементит). Результат закалки зависит от температуры нагрева. В свою очередь, температуру нагрева выбирают в зависимости от структурной группы стали (рисунок 7.1).

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке:

Т_н = А_С3 (30…50) ^оС.

При таком нагреве ферритно-перлитная структура полностью перейдет в аустенит, который при быстром охлаждении превратится в мартенсит:

Твердость стали – максимальная.

Нагрев выше точки А_С1, но ниже А_С3 (точка в на ординате I) приведет к неполной закалке, так как перлит превратится в аустенит, а избыточный феррит не изменится. Поэтому после охлаждения, кроме мартенсита, в структуре сохранится избыточный феррит:

Так как твердость феррита меньше твердости мартенсита, он снижает твердость закалённой стали.

Нагрев ниже точки А_С1, например до точки а на ординате I сплава (см. рисунок 7.1), не обеспечит образования аустенита, следовательно, после охлаждения не будет и мартенсита. Закалка вообще не полу-чится:

Заэвтектоидные стали (ордината II на диаграмме «железо – цементит» – рисунок 7.1), наоборот, подвергают неполной закалке:

Т_н = А_С1 (30…50), ^оС.

В заэвтектоидной стали исходная структура – перлит и цементит вторичный. При нагреве выше точки А_С1 (точка е на ординате II) только перлит перейдет в аустенит, а цементит вторичный останется.Причем в аустените будет растворено около 0,8 % С. При охлаждении аустенит перейдет в мартенсит, а цементит вторичный останется:

Так как твердость цементита выше твердости мартенсита, его присутствие не только не снизит твердости закалённой стали, но и повысит ее износостойкость.

Нагрев заэвтектоидной стали до температуры выше критической точки А_ст (точка f на ординате II) приведёт не только к переходу перлита в аустенит, но и к растворению в нем цементита вторичного, повышению в аустените углерода и снижению мартенситных точек. Поэтому при охлаждении аустенит не весь перейдёт в мартенсит. В структуре останется более 10 % остаточного аустенита, что снизит твёрдость закалённой стали:

Нагрев ниже точки A_С1 (точка d на ординате II), как и в случае с доэвтектоидной сталью, не приведет к образованию аустенита, следовательно, не будет и мартенсита.

На рисунке 7.1 область закалочных температур заштрихована. Итак, для доэвтектоидной стали

Т_н = а_С3 (30…50), °С – полная закалка,

а для эаэвтектоидной стали

Т_н = а_С1 (30…50), °С – неполная закалка.

Материалы и принадлежности

· Образцы углеродистой стали в отожженном состоянии – 4 шт. (марки 40, 45 или У12, У13).

· Лабораторные печи (680, 740, 820, 920 °С).

· Приспособления для загрузки (выгрузки) образцов в печь.

· Закалочный бак с холодной водой.

· Наждак.

· Твердомер ТК с шариком и алмазным наконечником.

· Микроскопы 200…300.

· Коллекция микрошлифов (пять образцов).

Порядок выполнения работы

7.3.1 Получить образцы для работы и ознакомиться с маркой стали, химическим составом, критическими точками (приложение А). Измерить и записать размеры образцов и их твердость на приборе Роквелла по шкале B (HRB). Посмотреть и зарисовать микроструктуру ис­ходного образца (отожженного).

7.3.2 Подсчитать время нагрева (t_н) и время выдержки (t_в) образцов в печи. Время нагрева подсчитывается из расчёта одна минута на 1 мм минимального сечения образца, а время выдержки t_в = 0,5t_н. Общее время нахождения образца в печи t = t_н t_в.

Загрузить образцы (по одному) в печь с температурой 680, 740, 820, 920 °С, выдержать t минут, а затем быстро перенести в бак с холодной водой. Охладить в воде в течение 10…12 с, всё время перемещая образец, чтобы сбить паровую рубашку.

Закалённые образцы зачистить на наждаке до металлического блеска.

7.3.3 Измерить твёрдость закалённых образцов на приборе Роквелла. Образец, закалённый с 680 °С, – по шкале B (HRB), остальные – по шкале C (HRC). На каждом образце сделать по два накола, а среднее значение перевести в твёрдость по Бринеллю (HB).

Получить коллекцию микрошлифов термически обработанных образцов, изучить их структуру, зарисовать в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм (отдельные структурные составляющие указываются стрелками, а справа от микроструктуры дается описание видимого в микроскоп изображения).

Оформление отчета

Исходное состояние образцов

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 = …

А_С3 = …

Структурная группа…

Форма и размеры образцов …

Исходное состояние – отожженное.

Микроструктура ( 240) в исходном состоянии:

Образец № 1

Твёрдость в отожжённом состоянии:

…HRB, что соответствует твёрдости

…HB (по Бринеллю).

7.4.2 Термическая обработка (закалка) образцов

Время нагрева: t_н.

Время выдержки: t_в = 0,5t_н.

Общее время: t = t_н t_в.

Температура нагрева:

образец № 2 – 680 °С;

образец № 3 – 740 °С;

образец № 4 – 820 °С;

образец № 5 – 920 °С.

Охлаждающая среда – вода.

Результаты эксперимента

7.4.3.1 Значения твердости образцов после закалки занести в таблицу 7.1.

Таблица 7.1 – Твёрдость после закалки

7.4.3.2 Построить графики термообработки, зарисовать микроструктуру закаленных образцов (рисунок 7.2).

Рисунок 7.2 – Графики термообработки

и микроструктуры закаленных образцов

7.4.3.3 Анализ полученных результатов.

Для каждого образца указать, какие превращения протекают при нагреве, что даёт охлаждение, какая структура с какой твердостью получилась и, с этой точки зрения, получилась или нет закалка.

7.4.3.4 Выводы.

Сделать выводы, как выбрать температуру нагрева для закалки стали заданной группы.

Т_н = …

7.5 Контрольные вопросы

1. Дайте определение основных структурных составляющих стали: феррита, перлита, аустенита, мартенсита.

2. Какую температуру называют критической точкой a_С1, А_С3, А_cm?

3. Какое превращение протекает при нагреве стали выше
точки A_С1, в интервале температур a_С1 – А_С3?

4. В каком состоянии находится сталь ваше точки а_С3 (А_cm)?

5. Какой вид термической обработки называют закалкой, полной закалкой, неполной закалкой?

6. Как выбрать температуру нагрева для закалки доэвтектоидной стали, заэвтектоидной стали?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

ВЫБОР СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИИЯ

(ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ) ДЛЯ ЗАКАЛКИ

Цель работы: изучить влияние скорости охлаждения на распад аустенита. Изучить влияние легирующих элементов на устойчивость аустенита и критические скорости закалки. Научиться выбирать охлаждающую среду для закалки в зависимости от марки стали.

Теоретические сведения

Закалкой называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критических точек А_С3 или A_С1, выдержке и быстром охлаждении со скоростью больше критической. В основе закалки лежит превращение аустенита в мартенсит при охлаждении.

При охлаждении в зависимости от скорости аустенит может превращаться либо в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит) либо в мартенсит.

На диаграмме распада переохлажденного аустенита для доэвтектоидной стали линия 1 (рисунок 8.1) показывает время и температуру начала превращения аустенита в избыточный феррит. Кривая 2 соответствует концу превращения аустенита в феррит и началу распада аустенита на ферритно-цементитную смесь. Кривая 3 – это конец превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит). Перлит, сорбит и троостит – все это ферритно-цементитные смеси пластинчатого строения разной степени дисперсности. Нижняя критическая скорость охлаждения (v_н.к.) – это максимальная скорость охлаждения, при которой весь аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь. Так, при скорости охлаждения v₁< v_н.к. на участке ab нет превращений (аустенит охлаждается), на участке bc аустенит переходит в феррит, а на участке cd – в ферритно-цементитную смесь (перлит). Ниже точки d сплав охлаждается, превращений нет. Конечная структура – феррит и перлит. Аналогичные превращения претерпевает аустенит при скорости охлаждения v_н.к.. Однако превращения протекают при более низких температурах (b’c’d’), поэтому структура будет дисперснее.

Мартенситное превращение, бездиффузионное, протекает в стали, если удаётся переохладить (сохранить) аустенит до мартенситной точки М_Н. Протекает в интервале температур М_Н – М_К (начала и конца мартенситного превращения). Чтобы переохладить аустенит до мартенситной точки, необходимо сталь охлаждать со скоростью, равной или большей v_в.к.

А_с1 – нижняя критическая точка стали;

А_с3 – верхняя критическая точка стали;

М_н – температура начала мартенситного превращения;

М_к – температура конца мартенситного превращения;

v_н.к. – нижняя критическая скорость закалки;

v_в.к. – верхняя критическая скорость закалки;

кривые: 1 – начало превращения аустенита в феррит;

2 – конец превращения аустенита в феррит и начало превращения аустенита

в ферритно-цементитную смесь (перлит, сорбит, троостит);

3 – конец превращения аустенита в ферритно-цементитную смесь.

Рисунок 8.1 – Диаграмма изотермического распада

переохлажденного аустенита

v_в.к. – верхняя критическая скорость охлаждения – это минимальная скорость, при которой весь аустенит переохлаждается до мартенситной точки и на участке fk переходит в мартенсит. Скорость v₃ > v_в.к – на участке af”’ нет превращений, а в интервале температур мартенситных точек ( участок f”k”) аустенит переходит в мартенсит.

Если фактическая скорость охлаждения лежит между критическими скоростями (например, v₂), то часть аустенита превращается в ферритно-цементитную смесь (участок c”d”), а часть – в мартенсит (участок f’k’).

При скорости охлаждения меньше v_н.к. аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь (феррит перлит). Если скорость охлаждения больше v_н.к., но меньше v_в.к., аустенит превращается в тро-осто-мартенситную структуру. И, наконец, при скорости охлаждения больше v_в.к. аустенит перейдёт в мартенсит – в структуру закалки.

Критические скорости закалки v_в.к. и v_н.к. зависят от устойчивости аустенита, которая определяется химическим составом стали. Чем больше в стали легирующих элементов и углерода, тем устойчивее аустенит (кривые 1, 2, 3 на диаграмме изотермического распада переохлажденного аустенита располагаются правее) и ниже значение скорости v_н.к. и v_в.к.; тем легче закаливать сталь (мартенсит можно получить в более мягкой среде).

Материалы и принадлежности

· Образцы доэвтектоидной стали в отожженном состоянии: углеродистая (40, 45, 50), размер 10 10 55 – 3 шт., легированная (40Х, 40ХН, 50Х), размер 10 10 55 – 3 шт. (размеры даны в мм).

· Лабораторные печи с температурой 820 ^оС.

· Приспособления для загрузки и выгрузки образцов.

· Закалочные банки с холодной водой и машинным маслом.

· Твердомер ТК с шариком и алмазным конусом.

· Штангенциркуль или линейка.

· Микроскопы металлографические (х200 – 300).

· Коллекция микрошлифов – восемь образцов.

Порядок выполнения работы

8.3.1 Получить образцы из углеродистой и легированной сталей. Ознакомиться с марками, химическим составом, критическими точками. Измерить и записать размеры образцов и их твердость по
шкале В на приборе Роквелла (HRB)

Посмотреть микроструктуру, зарисовать ее. Для углеродистой стали один из образцов испытать на ударную вязкость и определить КСU:

, Дж/м², или

, МДж/м²,

где А₀ и А₁ – показания прибора до и после испытания на удар, Дж;

F – площадь поперечного сечения образца в месте удара, м².

8.3.2 Подсчитать температуру нагрева углеродистой и легированной стали, зная их критические точки и структурную группу:

для доэвтектоидной стали Т_н = А_с3 (30…50) ^оС,

для заэвтектоидной стали Т_н = А_с1 (30…50) ^оС.

Подсчитать время нагрева τ_н и время выдержки τ_в. Время нагре-
ва τ_н берется из расчета 1 мин на 1 мм минимального сечения образца, а τ_в = 0,5τ_н.

Загрузить образцы (по три от каждой марки стали) в печь с выбранной температурой Т_н, выдержать в течение времени τ = τ_н τ_в, а затем охладить по одному образцу от каждой марки в воде, масле и на спокойном воздухе. (В масле охлаждать половину образца, оставшегося после испытания на ударную вязкость).

Охлажденные образцы зачистить наждачным кругом до металлического блеска.

8.3.3 Измерить твердость охлажденных образцов. Образцы, охлажденные на воздухе, – по шкале B Роквелла (HRB), а остальные – по шкале С Роквелла (HRC). Полученные значения перевести в твердость по Бринеллю (НВ). Образцы углеродистой стали, охлажденные в воде и на воздухе, испытать на ударную вязкость на маятниковом копре.

Получить коллекцию микрошлифов термически обработанных образцов. Изучить и зарисовать микроструктуру (зарисовать в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм, отдельные структурные составляющие указать стрелками).

Установить связь между структурой и твердостью. Вычертить диаграмму изотермического превращения аустенита для углеродистой и легированной стали. Указать, какие изученные среды и почему обеспечивают закалку стали. Обратить внимание на влияние легирующих элементов на распад аустенита, т.е. на значение критической скорости охлаждения.

Оформление отчета

Исходное состояние образцов

Марку стали, химический состав, значение критических температур, размеры образцов и другие данные по исходному состоянию образцов занести в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 – Исходное состояние образцов

8.4.2 Термическая обработка (закалка) образцов

Параметры термической обработки (закалки) углеродистой и легированной стали занести в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 – Термическая обработка (закалка) образцов

Результаты эксперимента

8.4.3.1 Значения твердости и ударной вязкости термически обработанных образцов занести в таблицу 8.3.

Таблица 8.3 – Твердость и ударная вязкость после термической

обработки

8.4.3.2 Изобразить диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита для углеродистой и легированной стали, зарисовать схемы микроструктур термически обработанных образцов (рисунок 8.2).

а б

Рисунок 8.2 – Микроструктура термически обработанных образцов и схемы диаграмм изотермического превращения переохлаждённого аустенита

для углеродистой (а) и легированной (б) сталей

8.4.3.3 Анализ полученных результатов.

На основании полученных данных (микроструктура, твердость) схематично построить диаграммы распада переохлажденного аустенита (кривые образования феррита, перлита и мартенситные точки) для углеродистой и легированной сталей. Нанести на них критические скорости охлаждения (закалки), отметить, как влияют легирующее элементы на устойчивость аустенита, нa критические скорости за-калки.

Для каждой кривой охлаждения указать температурный интервал распада аустенита, получилась или нет закалка.

Сделать вывод, какие охлаждающие среды нужно брать для закалки углеродистой стали, а какие – для легированной.

8.5 Контрольные вопросы

1. Какие скорости охлаждения называют критическими?

2. Какая структура получится при охлаждении стали со скоростью v, если v < v_н.к., v_н.к. < v < v_в.к., v > v_в.к.?

3. Как влияют легирующие элементы на устойчивость аустенита и значение критических скоростей?

4. Какую структуру имеет правильно закаленная сталь? Дайте её определение.

5. Что такое мартенсит? Укажите его твердость и вязкость.

Лабораторная работа № 9

Цель работы: изучить один из способов определения прокаливаемости стали – метод торцевой закалки.

Теоретические сведения

Основные понятия о прокаливаемости

Прокаливаемость – это способность стали закаливаться (образовывать мартенситную структуру) на определенную глубину. При закалке детали реальная скорость охлаждения по сечению (v_охл) неодинакова: на поверхности она максимальная, а в сердцевине – минимальная. Если v_охл > v_в.к., то аустенит превращается в мартенсит. Если v_н.к.< v_охл< v_в.к., то только часть аустенита перейдет в мартенсит, остальной объем металла приобретет структуру ферритно-цементитной смеси – троостита. При v_охл < v_н.к. весь аустенит превращается в ферритно-цементитную смесь. Сталь не закалится.

Глубина закаленного слоя, т.е. прокаливаемость, увеличивается по мере понижения критической скорости закалки. Для стали с определенной критической скоростью закалки прокаливаемость увеличивается с повышением реальной скорости охлаждения (рисунок 9.1).

Как видно из рисунка 9.1, закалка образца 1 осуществляется в кольцевом слое (заштрихована зона). В образце 2 с более высоким значением v_к2 закалится более тонкий слой. В образце 3 v_к3 = v_охл в сердцевине и наблюдается сквозная закалка.

На практике за глубину закаленного слоя принимают расстояние от поверхности детали до слоя с полумартенситной структурой (50 % мартенсита и 50 % троостита). Твердость этой зоны зависит от содержания углерода (рисунок 9.2).

Рисунок 9.1 – Зависимость прокаливаемости

от величины критической скорости закалки

(штриховкой показана глубина закаленного слоя)

Рисунок 9.2 – Зависимость твердости

полумартенситной структуры от содержания углерода

Определение прокаливаемости методом торцевой

Закалки

Широко распространен метод торцевой закалки. Сущность метода заключается в том, что стандартный образец нагревают в печи до температуры закалки, а затем быстро переносят в специальную установку, где он охлаждается струями воды только с торца. При таком способе реальная скорость образца по его длине изменяется: у водоохлажденного торца она максимальная, а затем понижается, поэтому по сечению образца микроструктура формируется различная. Измеряется твердость через небольшие отрезки (например, 2 мм) до полумартенситной зоны, можно построить характеристическую кривую и узнать прокаливаемость. Например, для стали с 0,6 % С полумартенситная твердость – 48HRС.

Существует определенная связь между термокинетическими диаграммами для стали и результатами торцевой пробы (рисунок 9.3).

Рисунок 9.3 – Связь между скоростью охлаждения

и твердостью торцевой пробы

Материалы и принадлежности

· Стандартные образцы двух марок стали 40 и 40Х.

· Печь лабораторная.

· Установка для торцевой закалки.

· Твердомер ТК с алмазным наконечником.

· Напильник.

Порядок выполнения работы

9.3.1 Получить образцы и ознакомиться с исходными данными: химическим составом, структурной группой, критическими точками, размерами и формой образцов.

9.3.2 Загрузить образцы в печь, нагретую на 50 ^оС выше точки А_С3. Выдержать в печи около 30 минут (из расчета 1 мин на 1 мм минимального сечения образца).

9.3.3 Включить воду в установке для торцевой закалки.

9.3.4 Перенести нагретый образец из печи в установку для торцевой закалки. Образец охлаждать 10 – 15 мин. Затем так же обработать второй образец. Охлажденный образец зачистить напильником (сделать плоскую площадку для замера твердости).

9.3.5 Измерить твердость НRС по образующей образца через каждые 2 мм.

9.3.6 Построить график зависимости твердости от расстояния от торца для данных марок стали (две кривые на одном графике). По графику (рисунок 9.2) определить твердость полумартенситной струк-туры HRС.

9.3.7 Зная значение полумартенситной твердости, на экспериментальных кривых определить характеристическое расстояние l_x для обеих марок стали.

9.3.8 Исходя из химического состава стали, объяснить разницу в прокаливаемости.

Оформление отчета

9.4.1 Исходные данные:

Материал:

– сталь 40;

– сталь 40Х.

Химический состав: …

Критические точки А_С1 = …

А_С3 = …

Параметры процесса закалки

Параметры процесса закалки занести в таблицу 9.1.

Таблица 9.1 – Параметры процесса закалки

Результаты исследований

9.4.3.1 Изобразить микроструктуру исходного образца и после закалки.

Микроструктура

исходного образца

Микроструктура

после закалки

9.4.3.2 Значения твердости образцов после торцевой закалки занести в таблицу 9.2.

Таблица 9.2 – Твердость образцов после торцевой закалки

9.4.3.3 Построить график изменения твердости по длине образца (рисунок 9.4).

Рисунок 9.4 – График изменения твердости по длине образца

9.4.3.4 Расстояние от торца до слоя с полумартенситной структурой l_x:

для углеродистой стали – … мм;

для легированной стали – … мм;

Характеристическое расстояние – … мм.

По характеристическому расстоянию с помощью номограмм (приложение В) можно определить критические диаметры для деталей различной формы и размеров, охлаждаемых при закалке погружением в разные среды.

Номограммой пользуются следующим образом. Пусть, по данным торцевой пробы, характеристическое расстояние – 6 мм. Требуется определить D_кр при охлаждении в воде и масле шара и цилиндра. На шкале “Расстояние от закаливаемого торца до зоны М Т” находят деление 6 и опускают перпендикуляр до пересечения с линией “идеальное охлаждение” (точка а). Из этой точки проводится горизонтальная линия влево до пересечения с линиями “вода” (точка b), “масло” (точка с). От этих точек опускают перпендикуляр на шкалы “шар” и “цилиндр”, и читается ответ: для шара D_к = 40 мм, для цилиндра – 27 (в воде), а в масле: для шара – 25 мм, цилиндра – 17 мм.

Анализ результатов и выводы

Исходя из химического состава стали, объяснить разницу в прокаливаемости углеродистой и легированной стали.

9.5 Контрольные вопросы

1. Какой вид термической обработки называют закалкой?

2. Что такое верхняя критическая скорость?

3. Что такое нижняя критическая скорость?

4. Что понимают под прокаливаемостью стали?

5. От чего зависит твердость полумартенситной зоны?

6. Что влияет на прокаливаемость?

7. Как определяют критический диаметр прокаливаемости?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

НА МИКРОСТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЁННОЙ СТАЛИ

Цель работы: изучить свойства отпущенной стали, виды отпуска и его назначение.

Теоретические сведения

Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве закалённой стали до температуры, лежащей ниже нижней критической точки А_С1, выдержке 1,5…2,0 часа и охлаждении (медленном или быстром). Цель отпуска – окончательно сформировать структуру и свойства стали и снять закалочные напряжения.

Закаленная сталь имеет в основном мартенситную структуру, высокую твердость и хрупкость. При отпуске мартенсит распадается, что приводит к снижению твёрдости и повышению вязкости стали. Превращение мартенсита при нагреве зависит от температуры. При нагреве до температуры ниже 300 °С мартенсит превращается в мартенсит отпущенный, при более высоких температурах из мартенсита выделяется цементит (карбид железа Fe₃С), а сам мартенсит становится обычным ферритом. Полученную структуру (дисперсную смесь феррита и цементита) называют трооститом отпуска. Эта структура имеет самое высокое значение предела упругости (σ_упр) при более низкой твёрдости, чем у мартенсита отпущенного. При дальнейшем нагреве выделившиеся частички цементита укрупняются и приобретают сферическую форму. Твёрдость при этом еще снижается, а вязкость возрастает.

Полученную дисперсную смесь феррита и цементита зернистого строения называют сорбитом отпуска.

Различают три вида отпуска:

– низкий отпуск при температуре 150…200 °С на структуру мартенсит отпущенный. Он применяется в том случае, когда нужно сохранить твёрдость, полученную при закалке. Это инструмент из высокоуглеродистых сталей; детали, работающие на трение, сделанные на низкоуглеродистой стали, но предварительно (перед закалкой и отпуском) прошедшие цементацию (насыщение поверхности углеродом); детали из низкоуглеродистых легированных сталей. В этом случае при закалке получается низкоуглеродистый мартенсит невысокой твердости (менее 35 HRC), поэтому после низкого отпуска твёрдость и прочность стали выше, чем у отожжённой или нормализованной, а вязкость достаточная для конструкционных сталей (так как мало в ней углерода);

– средний отпуск при температуре 350…400 °С на структуру тро-остит отпуска. Его используют в том случае, когда нужно получить максимальное значение предела упругости. В основном это пружинные и рессорные стали (твердость 40…45 HRC, предел упругости не менее 800 МПа), а также некоторые виды штампового инструмента;

– высокий отпуск при температуре 500…600 °С на структуру сорбит отпуска, обладающую хорошим сочетанием прочности и вязкости. Применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей.

Термическая обработка, заключающаяся в закалке с высоким отпуском на структуру сорбит отпуска, называется улучшением стали. В этом случае твердость и вязкость выше, чем у отожженной или нормализованной стали (таблица 10.1).

Таблица 10.1 – Сравнительные свойства для стали 45

Материалы и принадлежности

· Закаленные образцы среднеуглеродистой стали для испытания на ударную вязкость – 4 шт.

· Лабораторные печи: Т_н = 100, 200, 400 и 600 °С.

· Наждачный круг.

· Твердомер ТК с алмазным наконечником.

· Маятниковый копёр.

· Коллекция микрошлифов отпущенных образцов (образ-
цы № 1…5).

Порядок выполнения работы

10.3.1 Получить закаленные образцы, записать их исходные данные: марку стали, химический состав, критические точки, размер образцов. Измерить твердость всех образцов на приборе Роквелла по шкале С (HRC), убедиться, что она отвечает твердости данной марки стали. Один из образцов испытать на маятниковом копре и определить ударную вязкость КСU. Посмотреть и зарисовать микроструктуру исходного образца (№ 1) при увеличении не менее 360.

10.3.2 Термически обработать (отпустить) закаленные образцы, для чего загрузить их в печи с температурами 100, 200, 400 и 600 °С (по одному в каждую печь). В печь на 100 °С загрузить половинку образца, оставшегося после испытания на ударную вязкость. Выдержать в печах образцы в течение 40 минут, затем охладить на спокойном воздухе.

10.3.3 Зачистить образцы наждаком. Измерить и записать твердость на приборе Роквелла по шкале С (HRC).

10.3.4 Испытать образцы на копре и определить ударную вязкость.

10.3.5 Просмотреть и зарисовать микроструктуру отпущенных образцов (образцы № 2…5 из коллекции микрошлифов).

10.3.6 Построить графики зависимости твердости HRC и ударной вязкости КСU от температуры отпуска, объяснить зависимость с точки зрения изменения структуры. Определить, к какому виду отпуска отно­сится нагрев до исследуемых температур.

10.3.7 Оформить отчет.

Оформление отчета

10.4.1 Исходные данные:

Марка стали …

Критические точки: A_С1 =…

А_С3= …

Размеры образцов, мм …

Исходное состояние – закаленное.

Микроструктура ( …), образец 1:

Зарисовать микроструктуру, указать

структурные составляющие, описать

размер и форму составляющих.

Твёрдость … HRС

Ударная вязкость: A₀ =…

А₁ = …

KCU =…

Температура нагрева Т_н = 100, 200, 400 и 600 °С.

Время выдержки – 40 минут.

Охлаждающая среда – воздух.

Результаты эксперимента

10.4.3.1 Твёрдость и ударную вязкость отпущенных образцов занести в таблицу 10.2.

Таблица 10.2 – Твёрдость и ударная вязкость отпущенных

образцов

10.4.3.2 Построить графики зависимости твердости и ударной вязкости от температуры отпуска (рисунок 10.1).

HRC KCU

Т_н Т_н

а б

Рисунок 10.1 – Графики зависимости твердости (а)

и ударной вязкости (б) от температуры отпуска

10.4.3.4 Микроструктура отпущенных образцов ( …):

образец № 2 (3): Т_отп = 100 (200) °С

образец № 4: Т_отп = 400 °С

образец № 5: Т_отп = 600 °С

10.4.3.5 Анализ результатов и выводы.

Указать структуру и свойства закаленной стали, объяснить изменение твердости и вязкости при нагреве (отпуске) с точки зрения превращений, протекающих в закаленной стали. Сделать вывод о влиянии температуры отпуска на твердость и вязкость стали. Как будет называться отпуск при нагреве на 100, 200, 400 и 600 °С?

10.5 Контрольные вопросы

1. Структура и свойства закалённой стали.

2. Какие превращения протекают при нагреве закалённой стали?

3. Какой вид термической обработки называют отпуском?

4. Какие виды отпуска вы знаете?

5. Какие свойства и структуру имеет сталь низкоотпущенная, среднеотпущенная, высокоотпущенная?

6. Что такое мартенсит, мартенсит отпущенный, троостит отпуска, сорбит отпуска?

7. Назначение низкого отпуска, среднего, высокого.

Лабораторная работа № 11

Термическая обработка чугуна

Цель работы: изучить влияние отжига (обычного, изотермического) и закалки с последующим отпуском на структуру и свойства литейного чугуна.

Теоретические сведения

В машиностроении в большом количестве применяется литейный чугун различных марок, в том числе легированный хромом, никелем, марганцем и другими элементами.

Легирование позволяет значительно улучшить механические свойства и получить чугун с особыми свойствами (кислотоупорный, немагнитный). Высокую прочность достигают также модифицированием расплава магния с добавками, что дает возможность получить шаровидный графит.

Закалка и отпуск отливок из модифицированного чугуна позволяют получить механические свойства на чугуне, немного уступающие свойствам углеродистой стали. Закалке можно подвергать также серые перлитные чугуны с благоприятной формой графита.

Закалка – это нагрев до температуры аустенизации, выдержка и охлаждение в воде или масле. После закалки назначается отпуск для снятия напряжений и формирования заданной твердости.

Чаще других видов термической обработки для чугунных отливок применяют отжиг. Отжиг – это нагрев отливки до определенной температуры (часто выше критической), выдержка и охлаждение вместе с печью.

Применяя отжиг, можно:

– устранить внутренние напряжения в отливках с целью предохранения от коробления и растрескивания;

– устранить отбел (зона с цементитом под литейной коркой) с целью снижения твердости и улучшения обрабатываемости на режущих станках;

– изменить структуру металлической основы чугуна для понижения твердости и улучшения обрабатываемости;

– получить ковкий чугун путем полной или частичной графитизации и окисления углерода в белом чугуне.

С помощью термической обработки для получения ковкого чугуна можно изменять структуру металлической основы, количество и характер графитовых включений. При отжиге связанный углерод в цементите белого чугуна полностью графитизируется (ферритный ковкий чугун) или частично окисляется, частично графитизируется и остается в перлите (перлитный ковкий чугун) (рисунок 11.1).

а – отжиг на перлитную основу;

б – отжиг на ферритно-перлитную основу;

в – отжиг на ферритную основу.

Рисунок 11.1 – График термической обработки

для получения ковкого чугуна

В связи с тем, что отжиг обычный представляет собой очень длительный процесс, с целью экономии времени назначают иногда изотермический отжиг.

Изотермический отжиг заключается в нагреве до температуры
аустенизации, выдержке при этой температуре до полного завершения фазовых превращений и перенесении изделий в соляную ванну или печь с температурой на 120…180 °С ниже А_t, где осуществляется выдержка до полного распада аустенита. Этот вид отжига не только экономичен, но и дает более стабильные результаты, так как температуру контролировать легче, чем скорость охлаждения.

Материалы и принадлежности

· Коллекция образцов чугуна: серого перлитного и перлитного с отбелом.

· Твердомер ТК.

· Металлографические микроскопы.

· Печи лабораторные.

Порядок выполнения работы

11.3.1 Студенты получают образцы чугуна перлитного или модифицированного и образцы чугуна с отбелом.

Работу нужно выполнять в следующей последовательности:

– ознакомиться с исходным состоянием образцов, исследовать твердость НRВ и микроструктуру;

– образцы в количестве 5 шт. из перлитного (модифицированного) чугуна закалить с 860 – 880 °С с охлаждением в воде или масле;

– после закалки проверить твердость НRС;

– для изучения влияния отпуска нагреть по одному образцу до температуры 300, 400, 500, 600 и 650 °С в течение 45 мин., после охлаждения замерить твердость;

– по полученным данным построить график зависимости твердости от температуры отпуска.

13.3.2 Для проведения отжига студенты получают четыре образца чугуна с отбелом.

Обычный отжиг делают с нагревом до 850 и 950 °С. Выдержка при этих температурах – 50 мин. Охлаждение – с печью.

Для изотермического отжига образцы с этих температур переносят во вторую печь с температурой 650 – 680 °С и после выдержки в течение 30 мин. охлаждают на воздухе.

После всех вариантов термической обработки изучают микроструктуру и твердость НRВ чугуна.

Оформление отчета

Структурные элементы отчета

11.4.1.1 Отчет должен содержать следующие структурные эле-менты:

– исходные данные по образцам (марка чугуна, химсостав, твердость);

– параметры процессов;

– графики термической обработки;

– результаты исследований;

– анализ полученных результатов.

Исходные данные

Материал:

– чугун серый перлитный СЧ;

– чугун серый с отбелом.

Химический состав…………

Цель работы: изучить технологию термической обработки углеродистой стали, определить влияние скорости охлаждения на твердость стали после термической обработки.

Теоретические сведения

Термической обработкой стали называется технологический процесс, заключающийся в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем охлаждении с заданной скоростью. При термической обработке необходимые свойства стали получают, изменяя ее структуру без изменения химического состава.

При нагреве и охлаждении при определенных температурах в стали наблюдаются фазовые превращения. Такие температуры называются критическими точками. Их принято обозначать буквой А. Критическая точка А₁ лежит на линии PSK (727 °С) диаграммы «железо – углерод» и соответствует превращению перлита в аустенит (рису-
нок 13.1). А₃ соответствует линиям GS и SE. На линии GS начинается выделение феррита из аустенита при охлаждении или завершается превращение феррита в аустенит при нагреве. На линии SE начинается выделение вторичного цементита из аустенита при охлаждении или заканчивается его растворение в аустените при нагреве.

Рисунок 13.1 – Обозначение

критических точек стали

При термической обработке стали различают четыре основных превращения:

1. При нагреве выше А_С1 перлит (ферритно-цементитная смесь) превращается в аустенит. Выше А_С3 сталь находится в однофазном аустенитном состоянии. При этом чем выше температура нагрева, тем крупнее получается зерно аустенита.

2. При охлаждении ниже А_С1 аустенит превращается в перлит. Превращение наблюдается как в изотермических условиях, так и при непрерывном охлаждении. Следует отметить, что чем выше скорость охлаждения, чем ниже температурный интервал распада аустенита, тем дисперснее получается смесь феррита и цементита. Продукты распада аустенита (перлит, сорбит, троостит) имеют пластинчатое строение. Твердость их зависит от степени дисперсности (рису-
нок 13.2).

Рисунок 13.2 – Влияние скорости охлаждения аустенита

на характер образующихся продуктов

3. При охлаждении со скоростью выше критической (v_к) аустенит превращается в мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Мартенсит имеет игольчатую структуру и тетрагональную объемно-центрированную решетку. Твердость мартенсита лежит в пределах 55…65 HRC (см. рисунок 13.2).

4. При нагреве ниже А_С1 мартенсит превращается в перлитные структуры.

Основными факторами термической обработки являются температура и время, поэтому режим любой термической обработки можно представить в виде графика в координатах «температура – время» (рисунок 13.3). Этап АВ характеризует скорость нагрева сплава, этап ВС – выдержку при данной температуре, v₁, v₂, v₃ – скорость охлаждения. Изменяя скорость охлаждения сплава, нагретого до определенной температуры, можно получить разные структуры и свойства, т.е. произвести различную термообработку.

Стали подвергаются следующим основным видам термической обработки: отжигу, нормализации, закалке, отпуску.

Отжиг. Это процесс нагрева стали до заданной температуры, выдержки и медленного охлаждения (с печью). Он относится к предварительной термической обработке.

Отжигом достигаются следующие цели:

1) снятие внутренних напряжений;

2) получение минимальной твердости;

3) исправление структуры кованой, литой и перегретой стали;

4) устранение дендритной ликвации (химической неоднородности) в пределах каждого зерна.

Рисунок 13.3 – График термической обработки

Различают отжиг I и II рода.

Проведение отжига I рода не связано с фазовыми превращениями. В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отжига:

Диффузионный отжиг (гомогенизация). Он применяется с целью устранения в легированной стали дендритной ликвации. При таком отжиге с целью интенсификации диффузионных процессов сталь нагревается до 1000 – 1100 ^оС и подвергается длительной выдержке (18 – 24 ч).

Рекристаллизационный отжиг, который производится с целью устранения наклепа металла после холодной пластической деформации. Температура нагрева при этом виде отжига выбирается на 150 – 250 ^оС выше температуры рекристаллизации (Т_р) обрабатываемого сплава. Рекристаллизационный отжиг углеродистой стали осуществляется при температуре 600 – 700 ^оС.

Низкий отжиг. Температура нагрева – ниже нижней критической точки на 100 – 50 ^оС:

Т_н = А_С1 – (100 … 50) ^оС.

Нагрев не сопровождается фазовыми превращениями, поэтому структура таким отжигом не исправляется. Применяется для снятия внутренних напряжений.

Отжиг II рода связан с фазовой перекристаллизацией и может быть неполным и полным.

Неполный отжиг проводится при температуре выше А_С1:

Т_н = А_С1 (30…50) ^оС.

Нагрев сопровождается частичной фазовой перекристаллизацией и приводит к исправлению перлитной составляющей, феррит (цементит) не претерпевает изменения. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяется редко, в заэвтектоидных – приводит к образованию зернистого перлита.

Доэвтектоидная сталь:

Заэвтектоидная сталь: .

Полный отжиг. Температура нагрева – выше А_С3:

Т_н = А_С3 (30…50) ^оС.

Нагрев приводит к полной фазовой перекристаллизации и, следовательно, исправлению структуры:

.

Полный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей. С помощью полного отжига достигаются 1 – 3-я цели.

Нагрев на 30 – 50 ^оС выше критических точек приводит к образованию мелкого зерна аустенита. Последующее охлаждение обеспечит образование мелкозернистой структуры с хорошими механическими свойствами. Перегрев приводит к образованию крупного зерна и впоследствии – видманштеттовой структуры (рисунок 13.4).

Рисунок 13.4 – Схема изменения зерна перлита

в зависимости от температуры нагрева аустенитного зерна

Нормализация.Это нагрев стали выше верхней критической точки (А_С3или А_Сm), выдержка до полного образования аустенита и последующее охлаждение на спокойном воздухе (кривая охлаждения v₂ на рисунке 13.3). От полного отжига нормализация отличается ускоренным охлаждением. В этом случае распад аустенита происходит в более низком температурном интервале, поэтому зерно получается мельче, чем после отжига. Твердость нормализованной стали выше твердости отожженной стали.

Закалка. Это термическая обработка, состоящая в нагреве стали выше критической точки А_С3 или А_С1, выдержке до полного образования аустенита и последующем быстром охлаждении со скоростью выше критической. Цель закалки – получить мартенситную структуру, обладающую высокой твердостью.

Доэвтектоидные стали подвергаются полной закалке:

Т_н = А_С3 (30…50) ^оС.

.

Заэвтектоидные стали подвергаются неполной закалке:

Т_н = А_С1 (30…50) ^оС.

.

Скорость охлаждения выбирается в соответствии с диаграммой изотермического превращения аустенита так, чтобы весь аустенит переохладился до мартенситной точки М_н. Для этого скорость охлаждения должна быть выше критической (v₄ > v_к на рисунке 13.2). Чем устойчивее аустенит в стали, тем меньше значение v_к, тем с меньшими скоростями можно охлаждать сталь при закалке. В качестве охлаждающих сред обычно применяют воду, масло или растворы солей.

Закаленная сталь со структурой мартенсита обладает высокой твердостью, хрупкостью и пониженной вязкостью. Поэтому после закалки сталь всегда подвергают отпуску.

Отпуск. Нагрев закаленной стали до температуры ниже А_С1 ивыдержка с последующим охлаждением на воздухе называется отпуском. Его цель – снять напряжения, возникшие при закалке; получить структуру с заданным комплексом механических свойств.

Применяются три вида отпуска.

Низкий отпуск проводят при температуре 150 – 200 °С с получением структуры мартенсит отпуска (58 – 60 HRC). Применяется в основном для инструментальных сталей.

Средний отпуск проводят при температуре 350 – 450 °С на структуру троостит отпуска. Применяется для пружинных сталей.

Высокий отпуск – при температуре 550 – 650 °С на структуру сорбит отпуска. Применяют для конструкционных сталей, так как зернистая структура сорбита отпуска обладает хорошим комплексом механических свойств (прочность, пластичность, вязкость). Закалка с последующим высоким отпуском называется улучшением стали.

Закалка в сочетании с отпуском является окончательным видом термической обработки изделий.

Материалы и принадлежности

· Образцы углеродистой стали в отожженном состоянии – 3 шт. (сталь 40, 45 или У10, У12).

· Лабораторные печи для термической обработки.

· Приспособления для загрузки (выгрузки) образцов в печь.

· Закалочный бак с холодной водой.

· Наждак.

· Твердомер ТК (Роквелл) с шариком и алмазным наконечником.

· Микроскопы, × 200…300.

· Коллекция микрошлифов.

Порядок проведения работы

13.3.1 Получить образцы для работы и ознакомиться с маркой стали, химическим составом, критическими точками (таблица А.4). Измерить и записать размеры образцов и их твердость на приборе Роквелла по шкале В (HRB). Посмотреть и зарисовать микроструктуру исходного образца (отожженного).

13.3.2 Подсчитать время нагрева (τ_н) и время выдержки (τ_в) образцов в печи. Время нагрева подсчитывается из расчёта 1 мин. на 1 мм минимального сечения образца, а время выдержки τ_в = 0,5τ_н. Общее время нахождения образца в печи τ = τ_н τ_в.

Загрузить образцы (два) в нагретую печь, выдержать τ минут. Один образец охладить на воздухе, второй – в воде. Термическую обработку третьего образца (отжиг) предварительно выполняет лаборант.

Термически обработанные образцы зачистить на наждаке до металлического блеска.

13.3.3 Измерить твёрдость термически обработанных образцов на приборе Роквелла: отожженный и нормализованный образцы – по шкале В (HRB), закаленный – по шкале С (HRC).

Изучить микроструктуру термически обработанных образцов, зарисовать.

13.3.4 Оформить отчёт.

Оформление отчета

Исходное состояние образцов

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 = …

А_С3 = …

Структурная группа …

Форма и размеры образцов …

Исходное состояние – отожженное.

Микроструктура (×240) в исходном состоянии:

Зарисовать, указать структурные составляющие.

Параметры различных видов термической обработки занести в таблицу 13.1.

Таблица 13.1 – Параметры термической обработки

Результаты эксперимента

Около каждого графика зарисовать и описать структуру и объяснить ее изменения по отношению к исходному образцу с точки зрения превращений, протекающих при нагреве и охлаждении. Указать, какая структура получается в нагретом состоянии и что дает охлаждение. В таблицу 13.2 записать значения твердости термически обработанны

Отжиг

Нормализация

Закалка

Таблица 13.2 – Твердость термически обработанных образцов

Вывод

Указать, как скорость охлаждения влияет на структуру и твердость углеродистой стали.

13.5 Контрольные вопросы

1. Что такое термическая обработка стали?

2. Какие превращения лежат в основе термической обработки стали?

3. Укажите параметры термической обработки.

4. Какой вид термической обработки называют отжигом? Перечислите виды отжига. Каковы цели отжига?

5. Какой вид термической обработки называют нормализацией?

6. Какой вид термической обработки называют закалкой, каковы ее цели?

7. В каких случаях применяется полная и неполная закалка?

8. Что такое отпуск и для чего он применяется?

Лабораторная работа № 14

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

Цель работы: изучить упрочняющую термическую обработку для дуралюмина.

Теоретические сведения

Дуралюмины – это деформируемые упрочняемые сплавы на основе алюминия, легированные медью, марганцем, магнием. Основной легирующий компонент – медь.

Диаграмма состояния «алюминий – медь» приведена на рис. 14.1.

Рисунок 14.1 – Диаграмма состояния «алюминий – медь»

Легирующие элементы при комнатной температуре незначительно растворяются в алюминии (0,05 %), образуя a-твердый раствор. Основная масса этих элементов находится в крупных кристаллах CuAl₂, CuMgAl₂ и др. Дуралюмины содержат 4,5 – 5 % меди. С повышением температуры растворимость меди в алюминии увеличивается и достигает 5,5 % при температуре 548 ^оС. Для упрочнения дуралюмина применяют закалку и старение.

Закалка – это нагрев сплава до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии (линия АВ), выдержка до полного растворения включений CuAl₂ в a-твердом растворе и охлаждение в подогретой воде, чтобы не было трещин. При нагреве до
t » 500 ^оC в алюминии растворяются кристаллы CuAl₂ и в твердый раствор переходит 4 % Cu. Охлаждение в воде фиксирует пересыщенный твердый раствор меди в алюминии (a _{4 % Cu}).

Сплав после закалки пластичен, твердость и прочность невысоки. Полученная структура метастабильная.

Старение – это процесс распада пересыщенного твердого раствора с образованием более стабильных структур. На первой стадии образуются зоны Гинье – Престона (Г.П.) – дискообразные структурные образования толщиной в несколько атомов из меди, диффундирующей из кристаллической решетки. Зоны Г.П. искажают решетку, и прочность повышается.

Вторая стадия – дисперсионное твердение. На этой стадии в зонах Гинье – Престона атомы перестраиваются, образуя кристаллическую решетку новой фазы Q’, по составу и строению близкую к CuAl₂.
Фаза Q’ дисперсна и когерентно связана с кристаллической решеткой a-твердого раствора, поэтому ее образование не снижает прочностных свойств.

Третья стадия связана с нарушением когерентной связи между фазой Q’ и основным твердым раствором a. Фаза Q’ превращается в равновесную фазу CuAl₂. Образовавшиеся кристаллы CuAl₂ могут укрупниться, и тогда прочностные характеристики понизятся.

Скорость и полнота распада пересыщенного твердого раствора зависят от температуры и времени выдержки. Чем выше температура, тем быстрее идет процесс распада.

Естественное старение происходит при комнатной температуре в течение трех – пяти суток. За это время протекает первая стадия, и сплав упрочняется.

Искусственное старение проводят при 100 – 250 ^оС. Необходимо правильно выбрать температуру, чтобы не наступило разупрочнение. Чем выше температура, тем меньше дается выдержка.

Материалы и принадлежности

· Образцы дуралюмина с размерами 10х10х10 мм в отожженном состоянии.

· Термическая печь с температурой закалки 500 ^оС, старения – 100, 150, 200 и 300 ^оС.

· Твердомер ТК с индентером – шариком.

Порядок выполнения работы

14.3.1 Ознакомиться с исходными данными образцов (марка, размеры, состояние).

14.3.2 Измерить твердость образцов после отжига на приборе ТК по шкале В.

14.3.3 Произвести закалку всех образцов (15 шт.) по режиму:

– температура закалки – 500 ± 5 ^оС;

– время выдержки – 10 минут;

– охлаждающая среда – вода, t = 30 ^оС.

14.3.4 Измерить твердость на приборе ТК по шкале В (на трех образцах).

Два образца оставить для естественного старения и замерить твердость через 24, 48 часов. Остальные образцы подвергнуть искусственному старению. Для этого загрузить в печи с указанными температурами, выдержать требуемое время и охладить в воде:

100 ^оС (3 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин;

150 ^оС (4 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин;

200 ^оС (4 шт.) – 5, 10, 20, 30 мин.

14.4.5 На охлажденных образцах проверить твердость.

14.4.6 Построить график изменения твердости в зависимости от времени старения для всех температур. Оформить отчет.

Оформление отчета

14.4.1 Марка сплава …

Химический состав …

Размеры образцов …

Состояние после отжига

Твердость НRВ …

14.4.2 Твердость образцов после закалки:

1-й образец – … НRВ

2-й образец – … НRВ

3-й образец – … НRВ

14.4.3 Твердость образцов после естественного старения: … НRВ.

14.4.5 Значения твердости образцов после искусственного старения занести в таблицу 14.1.

Таблица 14.1 – Твердость образцов после искусственного

старения

14.4.5 Построить графики изменения твердости в координатах «НRВ – время выдержки в минутах» для всех температур.

14.4.6 Вывод.

По результатам анализа полученных значений твердости и кривых изменения ее после старения сделать вывод о влиянии температуры нагрева и времени выдержки на твердость дуралюмина после
старения.

14.5 Контрольные вопросы

1. Какой сплав называют дуралюмином?

2. Какова структура сплава в отожженном состоянии?

3. Что такое закалка?

4. На чем основана закалка дуралюмина?

5. Какие процессы протекают при старении?

6. Чем отличается искусственное старение от естественного?

Литература

1. Тушинский, Л.И. Методы исследования материалов/ Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев, В.Н. Синдеев. – М.: Мир, 2004. – 380 с.

2. Лахтин, Ю.М. Материаловедение/ Ю.М. Лахтин. – М.: Металлургия, 1993. – 448 с.

3. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман и др. – М.: Высшая школа, 2001. – 622 с.

4. Евстратова, И.И. Материаловедение/ И.И. Евстратова и др. – Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. – 268 с.

5. Маркова, Н.Н. Железоуглеродистые сплавы/ Н.Н. Маркова. – Орел: ОрелГТУ, 2006. – 96 с.

6. Ильина, Л.В. Материалы, применяемые в машиностроении: справочное пособие/ Л.В. Ильина, Л.Н. Курдюмова. – Орел: ОрелГТУ, 2007.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Справочные данные

Таблица А.1 – Химический состав некоторых марок

металлических материалов и состав травителей

Материал	Марка	Химический состав, основные компоненты, %	Травитель
Железо		Fe – 100	4%-й раствор HNO3 в этиловом спирте
Сталь		С – 0,2; Fe – остальное	то же
Баббит	Б83	Sb ~ 11, Cu ~ 6, Sn – 83	– // –
Латунь	Л96	Zn – 4, Cu – остальное	5%-й раствор FeCl3 в 10%-й соляной кислоте
Дюралюмин	Д1	Cu ~ 4; Mg ~ 0,5; Si ~ 0,7; Al – остальное	7 % HF, 27 % HNO3, 1,5 % HCl, остальное – H2O
Силумин	АЛ 2	Si – (11 13); Al – остальное	то же

Таблица А.2 – Таблица соотношений чисел твердости,

определяемой различными методами

Твердость	Твердость
Виккерс HV	Бринелль	Роквелл	Виккерс HV	Бринелль	Роквелл
d, мм	НВ	HRC	HRА	HRВ	d, мм	НВ	HRC	HRА	HRВ
	–	–	–		–		2,80				–
	–	–	–		–		2,85				–
	–	–	–		–		2,90				–
	–	–	–		–		2,95				–
	–	–	–		–		3,00				–
	–	–	–		–		3,05				–
	–	–	–		–		3,10				–
	–	–	–		–		3,15				–
	–	–	–		–		3,20				–
	2,20				–		3,25				–
	2,25				–		3,30				–
	2,30				–		3,35				–
	2,35				–		3,40				–
	2,40				–		3,45				–
	2,45				–		3,50				–
	2,50				–		3,55				–
	2,55				–		3,60				–
	2,60				–		3,65				–
	2,65				–		3,70				–
	2,70				–		3,75				–
	2,75				–		3,80				–
	3,85				–		4,90		–	–
	3,90						4,95		–	–
	3,95						5,00		–	–
	4,00						5,05		–	–
	4,05						5,10		–	–
	4,10						5,15		–	–
	4,15						5,20		–	–
	4,20						5,25		–	–
	4,25						5,30		–	–
	4,30						5,35		–	–
	4,35						5,40		–	–
	4,40						5,45		–	–
	4,45						5,50		–	–
	4,50						5,55		–	–
	4,55						5,60		–	–
	4,60						5,65		–	–
	4,65						5,70		–	–
	4,70						5,75		–	–
	4,75					–	–	–	–	–	–
	4,80					–	–	–	–	–	–
	4,85		–	–		–	–	–	–	–	–

Примечание – Числа твердости по Бринеллю и Виккерсу даны в кгс/мм².

Таблица А.3 – Некоторые марки серых, высокопрочных

и ковких чугунов

Примечание – Высокопрочный чугун по ГОСТ 7293-79 маркируется двумя числами, как ковкий. Первое число – предел прочности при испытании на растяжение
(10^-1 Мпа), второе – относительное удлинение (%).

Например: ВЧ 42-12: σ_в не менее 420 Мпа, δ не менее 12 %.

Таблица А.4 – Химический состав и критические точки некоторых

марок сталей

Приложение В

Правило фаз (закон фаз, закон Гиббса[1]) – соотношение термодинамики, согласно которому для любой равновесной системы сумма числа фаз f и вариантности (числа степеней свободы) с равна числу компонентов k, увеличенному на число параметров n, определяющих равновесное состояние системы:

При этом параметры состояния (температура Т, давление р, напряжённость электрического и магнитного полей и др.) должны быть одинаковыми во всех фазах. Если состояние системы может изменяться лишь под действием температуры и давления, причём размеры фаз таковы, что можно пренебречь величиной их поверхностной энергии, то правило фаз выражается формулой

Для конденсированных систем (например, сплавов металлов), где р либо постоянно, либо изменяется так незначительно, что не влияет на состояние равновесия, правило фаз принимает вид:

Именно в таком виде правило фаз используется для построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов (Fe – Fe₃C) и анализа превращений.

Формирование фаз или структур в сплавах можно изучить, рассматривая по диаграмме процессы, происходящие в них при охлаждении или нагреве.

В качестве примера проследим за формированием структур сплава с содержанием углерода 1,3 % при медленном охлаждении от 1600 °C (рисунок В.1).

Сплав до температуры 1480 °C (точка 1) находится в жидком состоянии. Кристаллизация его начинается при 1480 °C с выделением из жидкого раствора кристаллов аустенита. По мере охлаждения сплава концентрация компонентов в аустените изменяется согласно линии JE от точки 1′ к точке n, а в жидкости – согласно линии ВС от точки 1 к точке k, что можно записать следующим образом:

Составы и количество фаз в этой области диаграммы (точка m) можно определить по правилу отрезков (коноды).

Химический состав жидкой фазы сплава I при температуре, равной температуре точки m, определяется проекцией на ось концентраций точки k, а химический состав аустенита – проекцией на ось концентраций точки n. Количество аустенита А находится по формуле

%,

а количество жидкой фазы Ж – по формуле

%,

где kn — длина коноды;

km, mn — отрезки, противолежащие определяемой фазе.

Кристаллизация сплава заканчивается в точке 2 (1340 °C). В интервале температур 1340…980 °C (точки 2, 3) сплав охлаждается, не претерпевая никаких изменений. При охлаждении сплава ниже 980 °C (точка 3) аустенит с концентрацией углерода 1,3 % становится пересыщенным. Избыточный углерод из зерен аустенита диффундирует к их границам и выделяется в виде цементита вторичного. Концентрация углерода в аустените при охлаждении сплава от 980 до 727 °С изменяется согласно линии ES от точки 3 к точке S:

При температуре 727 °C (точка 4) в сплаве происходит эвтектоидное превращение. Аустенит (0,8 % С) распадается на ферритно-цементитную смесь – перлит:

С понижением температуры сплава ниже 727 °C растворимость углерода в феррите уменьшается (линия PQ). В связи с этим избыточный углерод из феррита выделяется в виде цементита третичного:

Однако выделяющийся цементит третичный в структуре стали металлографически не различается, так как сливается с цементитом эвтектоида. В структуре сплава с концентрацией углерода 1,3 % при комнатной температуре наблюдаются зерна перлита, окаймленные тонкой сеткой цементита вторичного.

На рисунках В.2 – В.8 приведены примеры построения кривых охлаждения железоуглеродистых сплавов с различным содержанием углерода.

Углеродистые стали

Основой для определения структурных составляющих углеродистых сталей в равновесном состоянии (после полного отжига) является диаграмма состояния системы «железо – углерод».

Микроструктура стали в равновесном состоянии зависит от содержания в ней углерода (рисунки В.9 и В.10).

По структуре углерода стали делятся на три группы: доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 до 0,80 % углерода. Структура их состоит из феррита в виде светлых зерен и перлита (эвтектоидной механической смеси феррита и цементита) в виде мелких темных зерен. С повышением содержания углерода количество перлита пропорционально увеличивается, а феррита – уменьшается. Пользуясь правилом рычага, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре перлитом и ферритом, приближенно определить содержание углерода в стали.

Пример: если перлит занимает примерно 25 % площади шлифа, то со­держание углерода будет равно:

%.

Доэвтектоидные сплавы с содержанием углерода до 0,02 % называются техническим железом. Его структура состоит из феррита (при С = 0,008 %) или из феррита и третичного цементита (в сплавах
с С = 0,008…0,020 %). Механические свойства технического железа зависят от его чистоты и величины зерна и находятся в пределах:
σ_в = 180… 290 МПа; σ_0,2 = 90… 170 МПа; δ = 30…50 %;
KCU = 180… 250 Дж/см²; НВ = 45…80. Малоуглеродистые доэвтектоидные стали (ГОСТ 1050–78) применяются для цементируемых изделий машиностроения; среднеуглеродистые стали (сталь 30, 40, 50) в термически обработанном виде – для различных машиностроительных деталей.

Эвтектоидная сталь (содержание углерода – 0,8 %), состоит из перлита. Механические свойства перлита зависят от степени измельченности цементита. Среднепластичный перлит имеет следующие механические свойства: σ_в = 900 МПа; σ_0,2 = 600 МПа; δ = 15 %; ψ = 30 %; KCU = 20 Дж/см²; НВ = 200.

Заэвтектоидные стали содержат 0,80…2,14 % С. Структура – перлит и вторичный цементит, расположенный в виде тонкой светлой сетки (или цепочек светлых зерен) по границам зерен перлита.

Эвтектоидные и заэвтектоидные углеродистые стали применяют при изготовлении различных инструментов, предназначенных для механической обработки металлов, пластмасс, дерева и других материалов, измерительных и слесарных инструментов и др.

Индивидуальное задание

Варианты задания

В таблице В.1 приведены исходные данные для выполнения индивидуального задания (указана массовая доля углерода).

Порядок выполнения задания

1. В соответствии с номером вашего варианта выписать из таблицы В.1 массовую долю углерода контрольного сплава.

2. На листе формата А4 вычертить диаграмму состояния «Fe – Fe₃C». Обозначить структурные составляющие во всех областях диаграммы.

3. Нанести на диаграмму фигуративную линию контрольного сплава, выполнить построение необходимых конод.

4. Построить кривую охлаждения контрольного сплава. Дать подробное описание его микроструктуры при медленном охлаждении. Привести необходимые реакции.

5. При указанной в варианте температуре рассчитать в двухфазной области количество каждой фазы в процентах к общему весу сплава и определить химический состав каждой фазы.

6. Указать, к какой группе железоуглеродистых сплавов он относится, по возможности привести марку рассмотренного сплава, его применение.

7. Схематически изобразить микроструктуру сплава в интервале температур первичной кристаллизации и при комнатной температуре, отметить структурные составляющие.

Таблица В.1 – Варианты заданных сплавов

[1] Гиббс (Gibbs) Джозайя Уиллард — американский физик-теоретик, один из основоположников термодинамики и статистической механики.