Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального
advertisement
Министерство образования и науки Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный педагогический университет» Горшкова Т.А., Шевченко С.М., Авдеева Н.В. Технология конструкционных материалов Часть III Учебно-методическое пособие Нижний Новгород 2010 1 УДК 620.16 (075) ББК 34.222я73 Г 708 Печатается по решению редакционно-издательского совета Нижегородского государственного педагогического университета Горшкова Т.А., Шевченко С.М., Авдеева Н.В. Технология конструкционных материалов. Ч. III. – Н. Новгород: НГПУ, 2010. – 38 с. Методическое пособие содержит теоретический материал по основам термической обработки, рекомендации по выполнению лабораторной работы, а также задания для самостоятельной работы. Пособие предназначено для студентов технолого-экономического факультета дневного и заочного отделений, обучающихся по профилю «Технология» (направление «Педагогическое образование»). УДК 620.16 (075) ББК 34.222я73 Ответственный ред.: С.М. Шевченко, канд. техн. наук, доцент 2 1.Краткие сведения из теории 1.1. Общая характеристика термической обработки сталей Термической обработкой называется процесс изменения структуры металлов и сплавов путем нагрева, выдержки и последующего охлаждения с целью получения материалов с необходимыми свойствами (твердость, прочность, износостойкость, обрабатываемость и т.д.). Виды термической окончательные. На обработки делятся машиностроительных на заводах предварительные заготовки и изделий (штамповки, прутки, отливки) проходят предварительную термическую обработку, которая подготавливает сплав для дальнейших технологических операций, например механической обработки давлением или резанием. После механической обработки изделия подвергаются окончательной термической обработке с целью придания заданных механических свойств: твердости, упругости, пластичности. Различают объемную и поверхностную термическую обработку. При объемной термической обработке нагревают все изделие, а при поверхностной – нагревание локальное (поверхности или ее части). Основы термической обработки заложены великим русским ученым Д.К.Черновым, обнаружившим критические точки диаграммы Fe-C и связанные с ними структурно-фазовые превращения. Чтобы понять, что происходит при термической обработке, нужно хорошо представлять диаграмму Fe-C. Критическими точками на диаграмме Fe-C являются точки А1, А3, Аст (рис. 1). Точка А1 лежит на линии PSK диаграммы и равна 727°С. Точка А3 лежит на линии GSE диаграммы Fe-C. Чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, используют дополнительные буквенные обозначения: «с» (при нагреве) и «r» (при охлаждении). Тогда точка А1, соответствующая температуре превращения перлита в аустенит, обозначается Ас1, а соответствующая температуре превращения аустенита в перлит, - Аr1. Точка А3, соответствующая 3 температуре конца растворения феррита в аустените, обозначается Ас3, а температура начала выделения феррита из аустенита обозначается Аr3. Часто точку А3, лежащую на линии SE и обозначающую температуру конца растворения вторичного цементита в аустените, называют Аст. Термическая обработка проводится по определенному режиму, регламентирующему температуру нагрева (ТH), скорость нагрева (vн) до определенной температуры, время выдержки при (τ) и скорость охлаждения (υохл). Изменяя Тн, vн, τ, υохл, можно придать сплаву (в частности, стали) одного и того же химического состава самые разнообразные свойства, т.е. сделать его твердым или мягким, пластичным или хрупким. Любую термическую обработку можно изобразить графически в координатах температура-время (рис. 2). Основными видами термообработки, различно изменяющими структуру и свойства материала и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка, отпуск (рис. 2). 1.2. Отжиг Отжигом называется операция, при которой материал нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно охлаждают вместе с печью. Отжиг подразделяется на отжиг I и II рода. Характерная особенность отжига I рода состоит в том, что происходящие процессы, вызванные данной термической обработкой, не связаны с протекающими в стали фазовыми превращениями. Отжиг I рода можно проводить при температурах выше или ниже температур фазовых превращений. К основным видам отжига I рода относятся: гомогенизация, рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных напряжений. Гомогенизация (диффузионный отжиг) Диффузионный отжиг применяют для слитков легированной стали с целью уменьшения структурной неоднородности (дендритной ликвации), 4 которая повышает склонность стали к хрупкому излому, а также для выравнивания химического состава. Общая продолжительность гомогенизации составляет 50 ÷ 100 часов. Температура нагрева 1100÷1200°С, т.к. только в этом случае более полно протекают диффузионные процессы, необходимые для выравнивания химического состава. В результате диффузионного отжига получается крупное зерно. Для измельчения зерна и улучшения свойств фасонные отливки подвергают полному отжигу или нормализации. Рекристаллизационный отжиг Под этим видом отжига понимают нагрев холоднодеформированной стали выше температуры рекристаллизации (~ 650÷760°С), выдержку при этой температуре с последующим охлаждением вместе с печью. Время рекристаллизационного отжига 8 ÷ 12 часов. Применяют перед или после холодной обработки давлением для повышения пластичности или (как промежуточную операцию) для снятия наклепа. Структура стали после отжига будет зависеть от начального химического состава, однако зерна вследствие процесса коагуляции и сфероидизации цементита будут иметь овальную или круглую форму. Отжиг для снятия остаточных напряжений Этот вид отжига применяют для отливок, сварных изделий, деталей после обработки резанием, т.е. тогда, когда из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации возникают остаточные напряжения. Остаточные напряжения могут вызывать изменение размеров, коробление и поводку изделия в процессе его обработки (например, резанием) и эксплуатации. Отжиг стальных изделий для снятия напряжений проводится при температуре 160÷700°С с последующим медленным охлаждением. Многие детали станков (винты, зубчатые колеса, червяки и т.д.) проходят отжиг после основной механической обработки при 570÷600°С в течение 2-3 часов, 5 а для снятия шлифовочных напряжений - при 160÷180°С 2-2,5 часа. Отжиг для снятия сварных напряжений проводят при 650÷700°С. Отжиг П рода заключается в нагреве стали до температур выше точек Ас3 или Ac1, выдержке при этой температуре, медленном охлаждении вместе с печью, в результате которого фазовые превращения приближают сталь к практически равновесному структурному состоянию: - в доэвтектоидных сталях феррит+перлит (Ф+П); - в эвтектоидных - перлит (П); - в заэвтектоидных сталях перлит+цементит (П+Ц) Как правило, отжиг является предварительной термической обработкой, так как после отжига сталь обладает низкой твердостью и прочностью, высокой пластичностью и вязкостью, хорошо обрабатывается резанием (приемлема для средних и высокоуглеродистых сталей). Иногда отжиг является окончательной операцией термообработки (для крупных отливок), так как после него в изделиях практически отсутствуют остаточные напряжения. Различают несколько видов отжига II рода, однако к наиболее часто применяемым относятся полный, изотермический и неполный отжиг. Полный отжиг - вид термообработки, заключающийся в нагреве доэвтектоидной стали на 30 ÷50°С выше температуры, соответствующей точке Ас3, выдержке при этой температуре и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали (рис. 3). При нагреве до температуры t=Ac3+30÷50 °С образуется аустенит (А), характеризующийся мелким зерном, и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура, обеспечивающая высокую вязкость, пластичность. При повышении температуры более чем на 50°C происходит рост зерна аустенита, что ухудшает свойства стали. Время нагрева и выдержки при заданной температуре зависит от типа печи, способа укладки изделий в печь, типа полуфабриката (лист, сортовой прокат) и т.д. Режим отжига для различных видов сталей можно найти в 6 специальных справочниках по термической обработке. Полному отжигу обычно подвергаются прокат, поковки и фасонные отливки. Изотермический отжиг обычно применяют для изменения структуры легированной стали. В этом случае сталь нагревают как для полного отжига и сравнительно быстро охлаждают (переносом в другую печь) до температуры, лежащей ниже точки А1 (обычно~650°С), и назначают изотермическую выдержку, необходимую для полного распада аустенита, после чего охлаждают на воздухе. Преимущества изотермического отжига состоят в уменьшении длительности процесса для легированных сталей, которые приходится очень медленно охлаждать для требуемого снижения твердости, и в получении более однородной структуры, так как при изотермической выдержке температура по сечению изделия выравнивается. Изотермический отжиг улучшает обрабатываемость резанием, чистоту поверхности, уменьшает деформации при последующей термической и химико-термической обработке. Этот отжиг используют для поковок (шестерни, валы, муфты и т.д.) и других заготовок небольших размеров. Неполный отжиг - вид термообработки, который заключается в нагреве стали до температуры выше Ас 1, но ниже Ас3, выдержке при этой температуре с последующим медленным охлаждением. Для доэвтектоидных сталей неполный отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием и снижения твердости. Для заэвтектоидных сталей применяют только неполный отжиг. Нагрев выше температуры точки Ac 1 на 10 ÷ 30°С вызывает полную перекристаллизацию и позволяет получить зернистый перлит вместо пластинчатого. Неполный отжиг заэвтектоидных сталей называется сфероидизацией (отжиг на зернистый перлит). Сталь с зернистым перлитом имеет более низкую твердость, предел прочности и более высокие значения относительного удлинения и сужения. Эвтектоидные и заэвтектоидные стали 7 после отжига на зернистый перлит обладают наилучшей обрабатываемостью резанием, т.е. возможно применение больших скоростей резания и достигается высокая чистота поверхности. Отжигу на зернистый перлит подвергают тонкие листы и прутки из низко- и среднеуглеродистой стали перед холодной штамповкой или волочением для повышения пластичности. 1.3. Нормализация (нормализационный отжиг) Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры, превышающей точку Ас 3 на 50°С, а эвтектоидной и заэвтектоидной стали выше Аст также на 50°С (рис. 4), непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при литье или прокатке, ковке, штамповке. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность ферритоцементитной структуры. В результате увеличивается прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали на 10÷15% по сравнению с отожженной. Назначение нормализации различно в зависимости от состава стали. Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига для снижения твердости и повышения пластичности. Для отливок из среднеуглеродистой стали нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки и высокого отпуска. Механические свойства будут несколько ниже, но изделия подвергнутся меньшей деформации, чем при закалке. Все низко- и среднеуглеродистые стали поставляются заводами в нормализованном состоянии. Нормализацию с последующим высоким отпуском (600 ÷ 650°С) применяют для исправления структуры легированных сталей. 8 1.4. Закалка Закалка - термическая обработка, которая заключается в нагревании стали до температуры выше точки Ас3 на 30-50°С (для доэвтектоидных сталей) и Ас1 на 30-50°С (для заэвтектоидных), выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. На рисунке 5 показан интервал температур закалки для доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей. В зависимости от режимов закалки (температуры нагревания, времени выдержки и скорости охлаждения) получают различную структуру, отвечающую заданным свойствам. Целью закалки является повышение твердости, износостойкости, прочности. При нагреве доэвтектоидной стали выше точки Ас3 на 30 ÷ 50°С ее структура меняется. С исходной структуры перлит-феррит при нагревании она приобретает структуру аустенита, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической (υкр) превращается в мартенсит. Критическая скорость закалки неодинакова для различных сталей и зависит от устойчивости аустенита, определяемой составом стали. Чем больше его устойчивость, тем меньше критическая скорость. Углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки (200 ÷ 800°С/с). Наименьшей величиной скорости закалки обладает эвтектоидная сталь. Легирующие элементы, повышая устойчивость аустенита, резко снижают критическую скорость закалки (кроме кобальта). Для определения результатов охлаждения аустенита, υкр и структуры строят диаграмму изотермического превращения аустенита (рис. 6). Для получения максимальной твердости доэвтектоидной стали необходимо, чтобы скорость охлаждения аустенита была выше критической и произошло бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Превращение называется бездиффузионным, так как при нем не происходит диффузии углерода и состав фаз остается неизменным, происходит только перестройка ГЦК решетки аустенита в искаженную ОЦК решетку 9 (тетрагональную) мартенсита (рис. 7). Углерода в мартенсите остается столько же, сколько в исходном аустените. Таким образом, мартенсит - это пересыщенный твердый раствор углерода в α- железе, имеющий тетрагональную решетку. Мартенсит - твердая и хрупкая структура, имеет игольчатое строение. Чем больше в стали углерода, тем выше твердость мартенсита. При охлаждении стали со скоростью ниже критической (V1<V2<V3<Vкр) происходит перлитное превращение, т.е. образуется ферритно-карбитная смесь - смесь зерен феррита и цементита, называемая перлит (при V1), сорбит (при V2), троостит (при V3). Эти структуры отличаются друг от друга степенью дисперсности -величиной зерен. Троостит - более мелкая и твердая структура (40-45HRC), чем сорбит (30÷25 HRC), а сорбит более мелкая и твердая, чем перлит (10÷15HRC). Большая скорость охлаждения (Vохл>Vкр) необходима для предотвращения перлитного или промежуточного превращения аустенита, т.е. предотвращения распада до точки мартенситного превращения. Мартенситное превращение протекает в интервале температур Мн - Мк, где Мн и Мк начало и конец мартенситного превращения. Положение точек Мн и Мк обусловлено химическим составом аустенита. Чем больше в аустените углерода, тем ниже температура точек Мн и Мк (для высокоуглеродистых сталей Мн - 350сС, Мк - 120 сС, для низкоуглеродистых Мн - 200сС, Мк - 100 сС). Для получения высокой твердости заэвтектоидных сталей делают так называемую неполную закалку (в отличие от полной для доэвтектоидных ), т.е. нагревают выше Act на 30÷50°С (рис. 8, а,б). При таком нагреве образуется аустенит при сохранении зерен вторичного цементита. После охлаждения структура стали состоит из мартенсита и нерастворенных частиц карбидов (цементита), обладающих высокой твердостью (М+Ц). В настоящее время разработаны инженерные методы расчета основных параметров - продолжительности и скорости нагрева, перепада температур 10 по толщине металла и т д. Результаты занесены в таблицы, их можно найти в различных справочниках. В качестве охлаждающих средств при закалке используют воду, водные растворы солей и щелочей, масло. Как правило, углеродистые и низкоуглеродистые стали охлаждают в воде или водных растворах NaCl или NaOH, что дает более равномерное охлаждение, легированные стали - в минеральном масле (чаще нефтяном). При изучении закалки важными понятиями являются закаливаемость и прокаливаемость. Под закаливаемостью понимают способность стали повышать твердость в процессе закалки. Закаливаемость зависит от содержания углерода, стали с низким содержанием углерода (08КП, 10, 10КП и т.д.) не повышают твердость в процессе закалки, т.е. не закаливаются, стали с содержанием углерода выше 0,25% в процессе закалки увеличивают твердость, т.е. закаливаются. Под прокаливаемостью понимают способность стали закаливаться на определенную глубину. За глубину прокаливаемости обычно принимают расстояние от поверхности до зоны с полумартенситной структурой (50% мартенсита и 50% троостита). Прокаливаемость определяют изменением твердости. Твердость стали с полумартенситной структурой зависит от содержания углерода (прокаливаемость повышается с увеличением содержания углерода). Большинство легирующих элементов повышают прокаливаемость. Для повышения прокаливаемости углеродистые стали легируют марганцем, хромом, никелем и т.д. Прокаливаемость конкретной стали характеризуется критическим диаметром, т.е. максимально возможным диаметром образца, который после закалки имеет в середине полумартенситную структуру и высокую твердость. Чем выше критический диаметр, тем выше прокаливаемость стали. Прокаливаемость определяют методом торцевой закалки. 11 1.5. Структуры и дефекты закалки Мартенситом называется микроструктура закаленной стали, представляющая пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в αжелезе с тетрагональной решеткой. Мартенсит под микроскопом имеет светлое игольчатое строение. Чем мельче иглы мартенсита, тем выше свойства стали (рис. 9). Мартенсит и феррит - микроструктура стали, получаемая при нагревании доэвтектоидной углеродистой стали выше нижней критической точки Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка). При таком нагреве феррит не растворяется в аустените. Структура состоит из мартенсита и сетки феррита. Мартенсит и троостит закалки - микроструктура стали, закаленной с недостаточной скоростью охлаждения, например, в теплой воде. Состоит из темных полей троостита закалки и светлых игольчатых полей мартенсита. Троостит закалки имеет пониженную в сравнении с мартенситом твердость, шаровидную форму, а при больших увеличениях под электронным микроскопом имеет ясно выраженную структуру игольчатого пластинчатого перлита (рисунок 9, а). Мартенсит и остаточный аустенит - микроструктура закаленной высокоуглеродистой легированной стали, состоит из темных игл мартенсита и светлых полей аустенита (рис. 9, б). Нередко при закалке возникают дефекты, которые негативно влияют на работу детали. К ним относятся: недостаточная твердость, мягкие пятна, повышенная хрупкость, обезуглероживание и окисление поверхности, коробление и деформации, трещины и т.д. Недостаточная твердость закаленной детали может быть следствием недостаточного нагрева или недостаточно интенсивного охлаждения. В первом случае мартенсит не обладает достаточной твердостью (не содержит достаточно углерода), во втором - не переохлаждается до мартенситного превращения и структура полностью или частично состоит из продуктов перлитного распада аустенига (троостит, сорбит). Для устранения данного 12 дефекта необходима корректировка режимов термообработки (увеличение температуры и скорости охлаждения). Образование мягких пятен также может происходить из-за недостаточного прогрева или недостаточно интенсивного охлаждения. Методы устранения их такие же, как и при устранении недостаточной твердости. Также мягкие пятна могут образовываться из-за неоднородности исходной структуры, например из-за скоплений феррита. Для их устранения необходимо сделать предварительную термическую обработку (нормализацию), создающую более однородную структуру. Повышенная хрупкость - дефект, обычно появляющийся в результате закалки от слишком высоких температур (более высоких, чем требуется), при которых произошел значительный рост зерен аустенита. Дефект обнаруживается при механических испытаниях по излому или по микроструктуре. Устраняют дефект повторной закалкой от нормальных температур для данной стали. Окисление и обуглероживание поверхности часто происходит при нагреве в пламенных или электрических печах без защитной атмосферы. Контролируемая искусственная атмосфера в печах является радикальным способом устранения или уменьшения этого дефекта. Деформация, коробление, трещины являются следствием внутренних напряжений. Медленное охлаждение при закалке в области мартенситного превращения - самый эффективный способ уменьшения напряжений и устранения дефектов этого вида. Трещины - неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким (места концентраторов напряжений); проводить закалку с возможно более низких температур путем охлаждения в двух средах. 13 Деформация, т.е. изменение размеров и формы изделий, и коробление несимметричная деформация (поводка) - происходят при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями. Значительно уменьшить деформацию и коробление можно подбором соответствующего состава стали, условий и режимов термической обработки. 1.6. Отпуск Отпуск - термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью (как правило, на воздухе). Отпуск - окончательная операция термической обработки, при которой сталь получает требуемые механические свойства. В результате отпуска полностью или частично устраняются внутренние напряжения, возникающие при закалке, уменьшается закалочная хрупкость и можно добиться получения требуемых механических свойств, т.е. необходимого сочетания твердости и вязкости. Внутренние напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550°С в течение 15÷30 минут. Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Изделия сложной формы следует охлаждать медленно во избежание их коробления, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500650°С во всех случаях следует охлаждать быстро. Различают три вида отпуска. Низкий отпуск Температура нагрева при низком отпуске 150 ÷ 250°С. При этом снижаются внутренние напряжения, мартенсит закалки переводится в 14 отпущенный мартенсит. Низкий отпуск повышает вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,5 ÷ 1,3%С) сохраняет твердость после низкого отпуска 58÷63HRC и износостойкость, но не выдерживает значительных динамических нагрузок (ударов). Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали после поверхностной закалки, цементации, нитроцементации. Средний отпуск Температура нагрева при среднем отпуске 350÷450°С. Такой отпуск обеспечивает высокий предел упругости, предел выносливости, поэтому его применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Структура стали (0,45 ÷ 0,8%С) после среднего отпуска - троостит отпуска, или троостомартенсит, с твердостью 40÷50HRC. Охлаждение после отпуска 400-450°С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин. Высокий отпуск Температура нагрева при высоком отпуске составляет 500 ÷ 680°С. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Закалка с высоким отпуском называется улучшением (рис. 10). В результата улучшения повышаются (по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием) пределы прочности и текучести, относительное сужение и ударная вязкость. Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,30,5%С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу прочности и ударной вязкости. 1.7. Структуры стали после отпуска Отпущенный мартенсит - микроструктура отпущенного при 200°С мартенсита (низкий отпуск). Под оптическим микроскопом похожа на микроструктуру мартенсита до отпуска. Твердость и износостойкость также 15 высокая, но атомная структура иная. Это уже не однородный твердый раствор, а механическая смесь мельчайших частиц цементита, когерентно (непрерывно) связанных с решеткой неоднородного мартенсита, которая обнаруживается при рентгенографическом или электронно- микроскопическом исследовании (рис. 11). Троостит отпуска - микроструктура, полученная в результате отпуска мартенсита при температурах 300 ÷ 450°С (средний отпуск). Для этой структуры характерны сильное потемнение при травлении, остатки игольчатости и высокая твердость. Электронно-микроскопическое исследование показывает, что троостит отпуска состоит из мельчайших округлых зерен феррита и коротких пластинок цементита. Сорбит отпуска - микроструктура, полученная в результате отпуска мартенсита от 500 до 680°С (высокий отпуск). Она имеет светлый вид (иногда без игл, иногда с игольчатым строением) и характеризуется меньшей твердостью, но более высокой пластичностью и ударной вязкостью. Электронно-микроскопические исследования сорбита отпуска показывают, что он представляет собой смесь зерен цементита и феррита . 2. Практическая часть Цель работы. Изучить влияние условий нагрева и охлаждения на свойства стали при термической обработке. 2.1. Оборудование и материалы Для выполнения практической работы по изучению методов термической обработки необходимо следующее оборудование и материалы: лабораторная муфельная лечь, твердомер (типа Бринеля или Роквелла), две емкости: с водой и минеральным маслом, щипцы, шлифовальная шкурка, образцы стали. Нагрев образцов в лабораторных экспериментах производится в муфельной электропечи, регулировка температуры в которой осуществляется автоматически. Это значительно облегчает работу и исключает возможность недогрева или перегрева стали в результате недосмотра при ручной 16 регулировке. Существует много различных систем терморегуляторов. Наиболее часто применяют контактный гальванометр. Он позволяет с помощью присоединенной к нему термопары автоматически поддерживать заданную температуру. Охрана труда. При загрузке и выгрузке образцов необходимо пользоваться рукавицами и щипцами. Нагретые образцы охлаждать на теплоизоляционных подкладках. Опускать нагретые образцы в охлаждающую среду осторожно - без образования брызг. 2.2. Порядок выполнения работы Практическая работа выполняется индивидуально каждым студентом или группой студентов по указанию преподавателя в следующем порядке. 1. Внимательно изучите теоретическую часть. Сделайте вывод о целях, режиме, структуре каждого вида отжига и нормализации, результаты занесите в табл.1. Таблица 1 Вид отжига Цели Режим т/о График т/о (температура - время) Отжиг I рода 1 2 3 Отжиг II рода 1 2 3 Нормализация 17 Какая сталь обрабатывается, структура после отжига Получите образцы. Образцы необходимо зачистить от заусенцев 2. на точиле или шкурке, затем измерить исходную твердость на твердомере типа Роквелла или Бринеля (по согласованию с преподавателем). Назначьте вид и режим термической обработки в соответствии с 3. заданием и маркой стали. Номер заданий указывает преподаватель. Определите температуру нагрева и охлаждающую среду с 4. учетом данных, приведенных в табл. 2 и 3. Таблица 2 Вид Температура нагрева, ͦС термообработки Охлаждающая Доэвтектоидная Заэвтектоидная сталь сталь Отжиг среда Тотж= Тотж= tAc3+(30÷50°C) tAc1+(30÷50°C) Тнорм= Тнорм= На спокойном tAc3+(50÷70°C) tAcт+(50÷70°С) воздухе Тзак= Тзак= Углеродистые – tAc3+(30÷50°C) tAc1+(70÷100°C) в воде, Нормализация Закалка В печи легированные – в масле Отпуск Ниже tAc1 (в зависимости от Для большинства заданных свойств при t=150÷650°С) сталей – на воздухе Таблица 3 Марки 30 35 40 45 50 40Х 45Г2 35ХГСА 60С2 735 730 727 725 750 743 711 750 750 812 802 788 770 760 782 765 830 820 стали Ас1, °С Ас3, °С 18 Окончание таблицы Марки У7 У8 У10 У12 ШХ15 9ХС ХВГ Х12М 730 730 730 730 750 770 750 810 - - 800 820 900 870 940 - стали Ас1, °С Аст, °С 5. Определите время нагрева стали. Время нагрева стали под закалку складывается из времени подогрева образца (детали) до заданной температуры (τн) и времени выдержки при этой температуре (τв).Длительность выдержки при температуре закалки определяется временем, необходимым для превращения исходной структуры стали в аустенит. Время нагрева до заданной температуры и выдержки вычисляется по формуле t=τH+τB=l,5d+0,3 (t, мин, d - диаметр (толщина) образца, мм). 6. Полученные образцы загрузите в разогретую печь с учетом рекомендаций, приведенных в разделе 2.1- охрана труда. 7. После проведения необходимой термообработки образцы зачистите от окалины с обеих сторон и замерьте твердость. В случае необходимости по указанию преподавателя приготовьте микрошлиф, протравите его реактивом и просмотрите под микроскопом, зарисуйте полученную структуру. 8. Показания твердости после всех видов термообработки занесите в табл.4. Таблица 4 Вид Режим термообработки термообработки t ͦ, C (т/о) τмин Твердость Охлажд. До т/о После т/о среда HRC 19 НВ HB 9. Работу оформите в виде письменного отчета, который представляется преподавателю. Графики должны быть построены в предварительно выбранном масштабе с указанием экспериментальных точек. У координатных осей указывается полное наименование величины или ее стандартное буквенное обозначение и размерность. К графику должно быть дано возможно более полное объяснение. Построение графиков и их анализ рекомендуется проводить во время группового занятия/ 2.3. Практические задания Задание 1. Определение влияния температуры нагрева на твердость доэвтектоидной стали. Три образца одной из марок сталей (30, 35, 40, 45) нагреть до определенной температуры (первый - ниже tАс1; второй - выше tAc1, но ниже tAc3; третий выше tAc3), выдержать при заданной температуре и охладить в воде. По полученным данным построить график зависимости твердости от температуры нагрева. Сделать вывод об оптимальной температуре закалки доэвтектоидных сталей. Задание 2. Определение влияния температуры нагрева на твердость заэвтектоидной стали Три образца одной из марок сталей (У9, У10, У11, У12) нагреть соответственно до температуры (первый - ниже tAc1, второй - выше tAc1, но ниже - tAст; третий - выше tАс3), выдержать при заданной температуре и охладить в воде. По полученным данным построить график зависимости твердости от температуры нагрева заэвтектоидных сталей. Сделать вывод об оптимальной температуре закалки заэвтектоидных сталей. Задание 3. Изучение влияния содержания углерода на твердость закаленной стали Закаливают по одному образцу каждой марки стали - от стали 40 до У8. По полученным данным строится график зависимости твердости закаленной стали от содержания углерода. 20 Задание 4. Изучение влияния охлаждающей среды (скорости охлаждения) на твердость стали Четыре образца одной марки среднеуглеродистой стали (типа 30, 35, 40, 45) нагреть до температуры tAc3+(30-50°С), выдержать и охладить: соответственно первый образец в воде (полная закалка); второй - в масле (частичная закалка); третий - на воздухе (нормализационный отжиг); четвертый - в печи до 600°С, а затем на воздухе (полный отжиг). По полученным результатам построить график зависимости твердости от скорости охлаждения (примерная скорость охлаждения: в воде - 600 град/с; в масле - 100 град/с; на воздухе - 1 град/с; с печью - 0,05 град/с). Сделать вывод, после какого вида термообработки получается максимальная и минимальная твердость стали, и объяснить полученные результаты. Задание 5. Определение влияния температуры отпуска на твердость закаленной углеродистой стали Три образца стали одной марки подвергнуть закалке, проверить на твердость. Затем провести отпуск закаленных образцов: первый при температуре 200°С; второй - 400°С; третий - 600°С в течение 30 минут. По подученным результатам построить график зависимости твердости от температуры отпуска. Сделать вывод, какой отпуск требуется для сохранения высокой и получения низкой твердости. 2.4. Содержание отчета к практической работе 1. Название и цель работы. 2. Оборудование, приборы и материалы. 3. Теоретические положения: а) перечисление основных видов термической обработки стали, их определение, цели; б) заполнение таблицы 1; в) зарисовка нижней части диаграммы железо-цементит (рис. 1, 4,5); 21 г) зарисовка диаграммы изотермического превращения переохлажденного аустенита (рис. 6). 4. Методика проведения работы и полученные результаты; задание по термической обработке, выбор режима и таблицы результатов термообработки. 5. По результатам всех выданных преподавателем и проделанных заданий построение графиков зависимости твердости от изучаемых параметров. Выводы. 2.5. Контрольные вопросы к работе «Термическая обработка сталей» 1. Что такое термическая обработка? Какова ее цель? 2. Что называется режимом термообработки? 3. Какие основные виды термической обработки вы знаете? 4. Что такое отжиг, для каких целей он проводится, какие виды отжига вам известны? Как охлаждают сталь при отжиге? 5. Какая структура получается у сталей после отжига? 6. Что такое нормализация? Цель ее? В чем сходство и в чем отличие отжига и нормализации? 7. Что такое закалка? Какова ее цель? 8. До какой температуры нужно нагреть под закалку доэвтектоидную, эвтектоидную и заэвтектоидную стали? Почему? 9. В каких координатах строят диаграмму изотермического распада аустенита? 10.С какой скоростью нужно охлаждать сталь при закалке, чтобы получить мартенсит? 11.Что такое отпуск стали? После какой операции выполняют отпуск? 12.Какие виды отпуска различают и предназначается каждый из видов отпуска? 13.Каковы цели отпуска конструкционной стали? 14.Каковы цели отпуска инструментальной стали? 22 для каких сталей 15.Как меняются механические свойства сталей в зависимости от температуры отпуска? 2.6. Вопросы для обсуждения 1. Какую структуру имеет сталь 40 при нагреве до 850°С? 2. Какую структуру имеет сталь У8 при нагреве до 700сС? 3. Какую структуру имеет сталь У10 при нагреве до 780°С? 4. Чем объясняется пониженная твердость закаленной заэвтектоидной стали, подвергнутой полной закалке? 5. Какую структуру имеет сталь 40 после полной закалки? 6. Какую структуру имеет сталь У12 после неполной закалки? 7. Назначить все виды термической обработки для стали 45. Построить графики для всех видов термической обработки в координатах температура – время. Указать полученную структуру. 8. Назначить режим закалки с последующим отпуском для сталей 65, У10. Построить графики термообработки в координатах температура - время. Проанализировать и сравнить полученные результаты. 9. Указать все возможные марки стали для железоуглеродистого сплава, содержащего 0.8% углерода и назначить для этих сталей режим закалки с' последующим отпуском. 10.Указать все возможные марки стали для железоуглеродистого сплава, содержащего 0,65% углерода, и объяснить, почему в одном случае нужно использовать высокий отпуск, а в другом средний. 11. Какая термообработка была назначена, если после нее сталь 40 имеет структуру: а) мартенсита; б) феррита + перлита, в) мартенсита отпуска, г) мартенсита + феррита; д) сорбита отпуска. 23 2.7. Задачи для самостоятельной работы по теме «Отжиг, нормализация» Задача 1. Назначить термическую обработку для заготовки из стали 20 с целью восстановления формы зерна. Построить график этой обработки в координатах температура - время. Задача 2. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали У7 с целью улучшения обрабатываемости резанием. Построить график этой обработки в координатах температура - время. Описать изменение структуры стали. Задача 3. Назначить термическую обработку заготовки стали 20ХН с целью снижения прочности и твердости за счет полной перекристаллизации. Построить график этой обработки в координатах температура - время. Задача 4. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 15 с целью восстановления первоначальной формы зерна после обработки давлением. Построить график в координатах температура - время. Задача 5. Назначить термическую обработку для заготовки из стали 9ХС с целью снятия внутренних напряжений после предварительной механической обработки. Построить график этой обработки в координатах температуравремя. Задача 6. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 45 с целью измельчения зерен за счет полной перекристаллизации. Построить график этой обработки. Описать изменение структуры. 24 Задача 7. Назначить вид и режим термической обработки стали 07Х16Н6 с целью выравнивания химического состава. Построить график этой обработки. Задача 8. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали У10 с целью понижения твердости перед обработкой давлением. Построить график этой обработки. Описать изменение структуры. Задача 9. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 50 с целью восстановления пластичности после обработки давлением. Построить график этой обработки. Описать изменение структуры. Задача 10. Назначить вид и режим термической обработки для отливки из стали 15Х18Н9Т с целью выравнивания химического состава. Построить график этой обработки. Задача 11. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 40Х с целью измельчения зерна. Построить график этой обработки. Задача 12. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали У9 с целью получения структуры зернистого перлита. Построить график этой обработки. Описать изменение структуры. Задача 13. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 15 с целью восстановления первоначальной формы зерна. Построить график этой обработки. 25 Задача 14. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 35 с целью повышения вязкости за счет полной перекристаллизации. Построить график этой обработки. Задача 15. Назначить вид и режим термической обработки для заготовки из стали 30ХГСА после предварительной обработки давлением с целью увеличения размера зерна за счет полной перекристаллизации. Построить график этой обработки. 2.8. Задачи для самостоятельной работы по теме «Закалка, отпуск» Задача 1. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 30ХГСА (АС1=730°С, АС3=840°С) с целью получения оптимального сочетания твердости и пластичности. Построить график этой обработки. Задача 2. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 35 (АС1=730°С, АС3=802°С) с целью улучшения механических свойств. Описать изменение структуры и построить график этой обработки. Задача 3. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 40 (АС1=727°С, АС3=788°С) с целью получения оптимального сочетания между прочностью и вязкостью. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 4. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 45 (АС1=725°С, АС3=770°С) с целью получения высокой твердости. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. 26 Задача 5. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 50 (АС1=730°С, АС3=760°С) с целью снятия остаточных напряжений без снижения твердости. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 6. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 40Х (АС1=743°С, АС3=782°С) с целью получения оптимального сочетания между прочностью и пластичностью. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 7. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 45Г2 (АС1=711°С, АС3=765°С) с целью снятия закалочных напряжений. Построить график этой обработки. Задача 8. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 60С2 (АС1=750°С, АС3=820°С) с целью повышения упругих свойств. Построить график этой обработки. Задача 9. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали У7 (АС1=730°С) с целью повышения твердости и износостойкости. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 10. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали У8 (АС1=730°С) с целью снижения внутренних напряжений. Построить график этой термообработки и описать изменения структуры стали. Задача 11. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали У10 (АС1=730°С, АС3=800°С) с целью 27 повышения твердости и износостойкости. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 12. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали У12 (АС1=730°С, Аст=820°С) с целью снятия остаточных напряжений без снижения твердости. Построить график этой обработки и описать изменения структуры стали. Задача 13. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 9ХС (АС1=770°С, Аст=870°С) с целью повышения твердости и износостойкости. Построить график этой обработки. Задача 14. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали ХВГ (АС1=750°С, Аст=940°С) с целью снятия закалочных напряжений. Построить график этой обработки. Задача 15. Назначить виды и режим термической обработки для детали из стали 65Г (АС1=727°С, АС3=745°С) с целью улучшения механических свойств. Построить график этой обработки. 2.9. Карточки заданий по теме «Закалка, закаливаемость» Вариант 1 1. Инструменты из стали У10 закалены, первый от температуры 760°С, второй - от температуры 850°С. Какой из инструментов закален правильно и почему? 2. Какую структуру имеет сталь 30 после правильно проведенной закалки? 3. У какой из сталей - 40 или 40Х - выше прокаливаемость? Почему? Вариант 2 28 1. Сталь 40 закалена от температур 750°С и 830°С. Какому режиму следует отдать предпочтение и почему? 2. Какую структуру имеет сталь У8 после правильно проведенной закалки? 3. У какой стали - 30 или 30Х - выше прокаливаемость и почему? Вариант 3 1. Сталь 45 закалена от температур 740°С и 810°С. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку и объясните почему. 2. Какую структуру имеет сталь У10 после правильно проведенной закалки? 3. У какой стали - 40 или 40Г2 - выше прокаливаемость и почему? Вариант 4 1.Сталь У12 закалена от температур 760°С и 840°С. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку и объясните почему. 2. Какую структуру имеет сталь 35 после правильно проведенной закалки? 3. У какой из сталей - 50 или 50ХН - выше прокаливаемость и почему? Вариант 5 1.Сталь 30 подвергли закалке от температур 750°С и 850°С. Какая из температур выбрана правильно для нагрева под закалку и почему? 2. Какую структуру имеет сталь У11 после правильно проведенной закалки? 3. У какой из сталей - 50ХН или 60 - выше прокаливаемость и почему? Вариант 6 1. Инструменты из стали У11 закалены, первый от температуры 750°С, а второй от температуры 850°С. Какой из инструментов закален правильно и почему? 2. Какую структуру имеет сталь 40 после правильно проведенной закалки? 3. У какой из сталей - 40 или 50Х - выше прокаливаемость. Почему? 29 Вариант 7 1.Детали из стали 50 закалены: первая от температуры 740°С, а вторая от температуры 820°С. Какая из этих деталей имеет более высокую твердость и почему? 2. Какую структуру имеет сталь У12 после правильно проведенной закалки? 3. У какой из сталей - 40 или 30ХВГ - критический диаметр больше и почему? Вариант 8 1. Образцы из стали 45 и У8 закалили с температуры 770°С. Какой из этих образцов будет иметь мартенситную структуру и почему? 2. Какая термическая обработка была проведена у стали 45, если полученная структура - сорбит отпуска? 3. У какой из сталей - 40ХН или 50 - критический диаметр больше и почему? Вариант 9 1. Образцы из стали 50 и У9 закалили с температуры 760°С. Какой из этих образцов будет иметь максимально возможную для данной стали твердость и почему? 2. Какая термическая обработка была выполнена, если сталь У9 имеет структуру мартенсит и цементит? 3. У какой из сталей - 35ХГС или 30 - критический диаметр больше и почему? Вариант 10 1. Детали из стали 30 закалены от температур: первая - от 740°С, вторая - от 850°С. Выберите оптимальный режим нагрева под закалку, объясните почему. Постройте график необходимой термической обработки, опишите изменения структуры. 2. Какую структуру имеет сталь 60Г после правильно проведенной закалки? 30 3. Какая из сталей - 10 или У10 - может быть подвергнута закалке, а какая нет. Почему? Вариант 11 1.Инструменты из стали У7 закалены: первый от температуры 760°С, а второй от температуры 850°С. Какой из инструментов закален правильно? Почему? 2. Какую структуру имеет сталь У12 после правильно проведенной закалки? 3. Стали 40 и 60 закалены правильно. У какой из сталей будет выше твердость? Почему? Вариант 12 1. Детали из стали 35 закалены от температур 750°С и 850°С. Какому режиму следует отдать предпочтение и почему? 2. Какую структуру имеет сталь 55 после правильно проведенной закалки и высокого отпуска? 3. У какой из сталей - 35Г или 55 - критический диаметр больше и почему? Темы для реферативного изложения материала 1. Термическая обработка конструкционных сталей 2. Термическая обработка инструментальных сталей 3. Оборудование цеха термической обработки на машиностроительном заводе 4. Виды, цели и структура закалки 5. Химико-термическая обработка сталей 6. Термическая обработка сталей с содержанием углерода менее 0,25% 7. Термическая обработка быстрорежущих сталей 8. Термическая обработка штампов 9. Термическая обработка пружин и рессор 31 10.Термическая обработка заготовок 11.Термическая обработка деталей, подвергшихся механической обработке 12.Термическая обработка чугунов 32 предварительной 14. 33 13. 34 15. 35 16. 36 17. 37 18. 38 19. Учебное издание Т.А.Горшкова, С.М.Шевченко, Н.В.Авдеева Технология конструкционных материалов Часть III Учебно-методическое пособие Редактор Т.Н.Томилова Подписано в печать 27.12.2010г. Печать оперативная Объем 2,3 п.л. Тираж 70 экз. Заказ Нижегородский государственный педагогический университет Полиграфический участок НГПУ 603950, Нижний Новгород, ГСП-37, ул. Ульянова , 1 39