Файл: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ ПО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЮ.pdf

Закалка стали сопровождается увеличением объема, что вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут вызывать коробление изделий и появление трещин. Поэтому закаленные изделия всегда подвергают отпуску. Отпуск – важнейшая операция термической обработки, формирующая структуру и свойства стали.

При отпуске сталь нагревают ниже линии Аl, выдерживают при этой температуре и охлаждают (обычно на воздухе или в масле). В зависимости от температуры различают низкий, средний и высокий отпуск (рис. 13.1).

Низкий отпуск (120 – 250 °С) применяют для инструментов, цементованных, цианированных изделий, которым необходимы высокая твердость (60 – 65 HRC) и износостойкость. После такого отпуска у закаленной на мартенсит стали сохраняется игольчатая структура мартенсита, но иглы становятся менее резкими, несколько расплывчатыми; такой мартенсит называется отпущенным мартенситом. Характерным является то, что если в мартенсите после закалки иглы светлые, то в отпущенном мартенсите они темные. Изменение цвета игл мартенсита связано с изменениями, происходящими в нем при нагревании до указанных температур. При нагревании мартенсита из него выделяется углерод в виде карбидных частиц, но когерентно связанных с исходной фазой. Это приводит к уменьшению степени тетрагональности решетки железа.

Средний отпуск (350 – 450 °С) на отпущенный троостит применяют для стальных пружин, рессор и упругих элементов приборов, которые в работе должны сочетать свойства высокой упругости, прочности и достаточной вязкости. Структура отпущенного троостита является продуктом распада закаленного мартенсита и представляет собой высокодисперсную смесь частиц феррита и цементита. Под микроскопом троостит отпуска выглядит темной массой, в которой слабо различается игольчатое строение цементита.

Высокий отпуск (500 – 600 °С) на сорбит отпуска широко применяется к изделиям из машиностроительных сталей, содержащих от 0,35 до 0,6 % углерода. Сорбит отпуска, подобно отпущенному трооститу, представляет собой ферритно-цементитную смесь, но грубого строения.

Двойная операция (закалка с высоким отпуском) называется улучшением, так как после такой термической обработки сталь приобретает наиболее благоприятное сочетание механических свойств – высокую вязкость и пластичность.

Порядок выполнения работы

1-я часть Первое задание выполняется всей группой вместе с преподавателем. Для

выполнения 2, 3 и 4 пунктов задания группа студентов разбивается на 4 бригады.

51

Первая бригада замеряет твердость образцов стали 45 и У12 в исходном состоянии на приборе Роквелла (шкала HRB). Определяет сечение образцов и выбирает время выдержки при нагреве под закалку и нормализацию из расчета 1 мин на I мм диаметра и толщины (для углеродистых сталей).

Вторая бригада проводит нормализацию стали 45 и полную закалку сталей 45 и У12. Образцы поместить в лабораторную печь, предварительно нагретую до заданной температуры, выдержать и охладить в воде или на воздухе. Замерить твердость образцов после закалки (шкала HRC), после нормализацию (шкала HRC).

Третья бригада выполняет неполную закалку сталей 45 и У12 по аналогии с пунктом 2. Результаты измерений занести в табл. 13.1. Проанализировав полученные данные, записать в таблицу предполагаемые микроструктуры.

Четвертая бригада получает предварительно закаленные образцы из стали У12, 45 для проведения отпуска. Замерить твердость в исходном состоянии (шкала HRC). Поместить в лабораторные печи, предварительно нагретые до температур 200, 600 оС, соответствующих низкому и высокому отпуску, выдержать 20 минут и охладить на воздухе. Замерить твердость (шкала HRC). Полученные данные занести в табл. 13.2.

Построить график зависимости твердости от температуры отпуска и указать предполагаемые микроструктуры.

Таблица 13.1

Таблица 13.2

52

Содержаниеотчета

1.Название, цельработыизадание.

2.Заполненнаятаблица13.1.

3.Заполненнаятаблица13.2.

4.ГрафикзависимоститвердостисталиУ12 оттемпературыотпуска.

5.Выводы.

2-я часть Микроструктуру углеродистых сталей после различной термической обработ-

ки изучают на специально приготовленной коллекции микрошлифов, которая включает микрошлифы сталей 45 и У12 после полной и неполной закалки с низкимивысокимотпуском.

Порядоквыполненияработы

Группастудентовразбиваетсяна4-5 бригад.

Каждая бригада работает с микроскопом МИМ-7, изучает и зарисовывает в квадрате 40x40 мм в виде схемы микроструктуры комплекта микрошлифов в количестве семи штук. Под каждым рисунком указываются увеличение микроскопа, марка стали и обозначаются стрелками структурные составляющие. Сравнение изучаемых структур и зарисовка их схем ведется с использованием альбома фотографий микроструктур.

Описать микроструктуры с обязательным указанием условий ее получения и механических свойств (НВ, σв).

Содержание отчета

1.Название, цель работы и задание.

2.Участок диаграммы состояния Fe-Fe3C с нанесенными температурами закалки и отпуска.

3.Рисунки микроструктур и их описание.

4.Ответ на контрольный вопрос.

5.Список использованной литературы.

Контрольные вопросы

1.Как и из каких соображений выбирают температуру под закалку ста-

лей?

2.Что происходит при закалке стали?

3.Как неполная закалка влияет на структуру и свойства стали?

4.Какие дефекты могут возникнуть при закалке стали?

53

5.Как и из каких соображений выбирают температуру отжига стали?

6.Какие бывают виды отжига и каково их назначение?

7.Как и для чего производится нормализация?

8.Что происходит при отпуске стали?

9.Каково назначение низкого, среднего и высокого отпуска?

10.Как осуществить термообработку для получения заданной структуры стали (зернистый перлит, мартенсит, бейнит, троостит, сорбит)?

Лабораторная работа № 14

ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ

Цель работы: освоить принцип выбора легированных сталей и их термообработки для конкретных деталей с заданными свойствами.

Задания

1.Провести анализ условий эксплуатации деталей.

2.Выбрать материал, наиболее экономичный и удовлетворяющий эксплуатационным и технологическим свойствам деталей.

3.Выбрать режимы термообработки указанных деталей.

4.Ответить на контрольные вопросы.

5.Составить отчет.

Общие положения

Инженеры-механики в своей практической деятельности сталкиваются с необходимостью рационального выбора сталей, необходимых для изготовления деталей или инструмента и характеризующихся определенным комплексом эксплуатационных и технологических свойств.

Для решения таких задач необходимо изучить:

1.Назначение, маркировку, эксплуатационные и технологические свойства основных групп сталей и других сплавов.

2.Влияние термической обработки на структуру и свойства сталей.

3.Структурную классификацию легированных сталей.

4.Влияние легирующих элементов на полиморфизм железа, критические точки, структуру и свойства фаз.

5.Влияние легирующих элементов на прокаливаемость сталей.

6.Влияние легирующих элементов на структурные изменения при отпуске закаленных сталей.

Из курса «Сопротивление материалов» и «Детали машин» необходимо

54

вспомнить, какие требования предъявляются по механическим и технологическим свойствам к наиболее распространенным деталям машин, механизмов и приборов.

Пример 1. Оси, полуоси и валы различных станков и машин.

а) Механические свойства: высокая прочность, ударная вязкость всего сечения, износостойкость поверхностного слоя;

б) технологические свойства: полная прокаливаемость, хорошая штампуемость и обрабатываемость резанием.

Пример 2. Шестерни, зубчатые колеса.

а) Механические свойства: высокая твердость 60 HRC в наружном слое зубьев, высокая износоустойчивость в поверхностном слое, высокая ударная вязкость сердцевины;

б) технологические свойства: полная прокаливаемость, хорошая обрабатываемость резанием.

Пример 3. Подшипники скольжения.

а) Механические свойства: высокое сопротивление контактным нагрузкам, высокая износоустойчивость в условиях высоких температур;

б) технологические свойства: хорошая обрабатываемость резанием, высокие литейные свойства.

Пример 4. Пружины витые цилиндрические.

а) Механические свойства: высокий предел упругости; б) технологические свойства: повышенная пластичность заготовки, ма-

лое коробление при закалке, полная прокаливаемость.

Пример 5. Металлорежущий инструмент (резцы, сверла), работающий при нагреве режущей кромки до 600 °С.

а) Механические свойства: твердость, высокая красностойкость, износоустойчивость;

б) технологические свойства: полная прокаливаемость, малое коробление при закалке, хорошая шлифуемость.

Порядок выполнения работы

Студент получает наименование двух деталей и одного инструмента, для изготовления которых выбирает сплавы с необходимыми свойствами. Выбор материала включает следующие стадии:

–анализ условий эксплуатации и технологии обработки данной детали.

Врезультате анализа необходимо сформулировать требования к материалу по эксплуатационным и технологическим свойствам, обеспечивающие надежность деталей;

–определение группы сталей, обладающих свойствами, наиболее близкими к требуемым (конструкционные и инструментальные стали, стали с особыми физическими и химическими свойствами), и окончательный выбор

55

марки в соответствии с указанными выше требованиями;

– описание технологии изготовления детали или инструмента из выбранного сплава, рассмотрев возможности улучшения свойств путем термической, химико-термической или термомеханической обработки и обосновав выбор того или иного вида обработки.

При выборе материала необходимо использовать справочную литерату-

ру.

Содержание отчета

1.Название, цель работы и задание.

2.Выбор материала для предложенных деталей.

3.Обоснование правильности выбора материала для предложенных деталей с выводами о сравнительных преимуществах выбранного материала

иего обработки перед другими возможными вариантами.

Пример Выбрать сталь для изготовления вала диаметром 70 мм. Вал двигателя

предназначен для работы с большими нагрузками. Предложить режим термообработки выбранной стали.

Стали: Ст4, 45, 40Х, 40ХН, У10.

1. Анализ условий эксплуатации и требования к материалу. Вал работает в условиях повышенных напряжений, поэтому по всему сечению материал должен иметь высокую прочность и достаточную пластичность, вязкость (σв, σ0,2, δ,ψ). Необходимо выбрать конструкционную сталь с высокой прокаливаемостью. Для получения комплекса прочностных свойств вал необходимо термически обработать.

2. Из предназначенных материалов к конструкционным сталям относят-

ся Ст4, 45, 40Х и 40ХН.

Ст 4 – сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием серы и фосфора, имеет низкое сопротивление ударным нагрузкам. Для изготовления ответственной детали применение недефицитной, дешевой стали нерационально.

Сталь 45 – качественная, может подвергаться термообработке, но имеет низкую прокаливаемость (до 10–15 мм).

Сталь 40ХН имеет прокаливаемость до 75 мм и может обеспечить необходимое сочетание прочности и пластичности по всему сечению вала. Для изготовления вала двигателя выбираем сталь 40ХН.

3. Технология обработки детали и термическая обработка: а) отжиг сортового металла для снижения твердости; б) изготовление вала путем механической обработки; в) термическая обработка.

Закалка от 820 – 840 °С в масле. Охлаждение в масле необходимо для

56