Файл: Программа курса, лабораторный практикум и контрольные задания для студентовзаочников полной и.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 26.10.2023
Просмотров: 291
Скачиваний: 2
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
38
Возможность протекания указанных превращений определяется соот- ношением свободных энергий основных структур (рис. 2.1). Устойчивой в данных условиях является та структура, которая обладает минимальным запасом свободной энергии.
Рис. 2.1. Изменение сво- бодных энергий аустенита
F
А
, мартенсита F
М
и перли- та F
П
с изменением темпе- ратуры
На машиностроительные заводы углеродистые стали поставляются в отожженном состоянии. Медленное охлаждение стали при отжиге обеспе- чивает получение равновесной структуры с низкой твердостью и прочно- стью при высокой пластичности, а следовательно, и хорошую обрабатывае- мость резанием и другими методами. После получения деталей их подвергают упрочняющей термической обработке, которая заключается, как правило, в закалке и отпуске. Закалкой называют термическую обработку, состоящую из нагрева доэвтектоидных сталей до температур выше критиче- ской точки Ас
3
, а заэвтектоидной стали
–
выше Ас
1
, выдержке при этой тем- пературе с последующим быстрым охлаждением с критической или более высокой скоростью. При закалке сталь приобретает высокую твердость.
При закалке сталь нагревается до аустенитного состояния. Превраще- ние перлита в аустенит происходит при температуре более высокой, чем указано на диаграмме железо-цементит. Кривые на рис. 2.2 показывают, что чем выше температура, тем быстрее протекает превращение, и что чем быстрее осуществляется нагрев, тем при более высокой температуре про- исходит превращение. В результате такого нагрева происходит полиморф- ное превращение в железе Fe
α
→ Fe
γ
(кристаллическая решетка железа из объемно-центрированной кубической превращается в гранецентрирован- ную кубическую), при этом весь углерод, который входил в состав перлита в виде цементита, растворится в гранецентрированной кубической решетке железа. Превращение перлита в аустенит сопровождается измельчением зерна, так как в одном зерне перлита возникает множество зародышей ау- стенита на границах пластин феррита и цементита. Дальнейший нагрев по окончании превращения вызывает укрупнение аустенитных зерен, ско- рость роста которых определяется тем, какая используется сталь – наслед- ственно мелкозернистая или наследственно крупнозернистая.
39
Рис. 2.2. Превращение перлита в аустенит у эв- тектоидной стали
Теперь резко охладим сталь, например, погружением в воду, то есть проведем закалку. Температура стали быстро понизится до комнатной.
При этом неминуемо происходит обратная перестройка кристаллической решетки
–
из гранецентрированной в объемноцентрированную (Fe
γ
→ Fe
α
).
Но при комнатной температуре подвижность атомов углерода ничтожно мала, и они не успевают при быстром охлаждении выйти из раствора и об- разовать цементит. В этих условиях углерод как бы насильственно удер- живается в решетке Fe
α
-железа, образуя перенасыщенный твердый рас- твор. При этом атомы углерода распирают решетку железа, создавая в ней большие внутренние напряжения. Решетка вытягивается вдоль одного на- правления так, что ячейка из кубической превращается в тетрагональную, то есть принимает форму прямоугольной призмы (рис. 2.3), которая харак- теризуется показателем тетрагональности (с/a > 1). Такое превращение, происходящее по бездиффузионному сдвиговому механизму, сопровожда- ется и структурными изменениями. Возникает игольчатая структура, из- вестная под названием мартенсита – перенасыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-Fe. Кристаллы мартенсита представляют собой очень тонкие пластины, ориентированные относительно друг друга под углом 60 или 120°. В поперечном сечении, которое получается на микро- шлифе, такие пластины под микроскопом представляются в виде игл.
Удельный объем мартенсита больше удельного объема аустенита, из ко- торого этот мартенсит образуется, поэтому образование мартенсита сопро- вождается возникновением больших внутренних напряжений, а это приводит к появлению большого числа дислокаций в кристаллах мартенсита. Если за- каленную сталь с мартенситной структурой попытаться деформировать, то многочисленные дислокации, двигаясь в различных направлениях, будут встречаться и блокировать друг друга, взаимно препятствуя их дальнейшему перемещению. Таким образом создаются многочисленные препятствия для движения дислокаций, что повышает сопротивление пластической деформа- ции, а следовательно, увеличивает твердость и прочность стали. Твердость
40 мартенсита НВ 6000–7000 МПа, (HRC 62–66), а показатели пластичности δ, ψ
и ударная вязкость КСU близки к нулю.
Рис. 2.3. Атомная решетка тетра- гонального мартеyсита: светлые кружки
–
атомы железа, черные кружки – атомы углерода
Мартенсит в структуре стали образуется только при охлаждении с критической скоростью V
кр или более высокой. При охлаждении с мень- шей скоростью, например, в масле, а не в воде, образуется структура троо- стит, на воздухе – сорбит (названия даны по именам ученых Трооста и
Сорби). По своему строению сорбит и троостит сходны с перлитом, то есть представляют смеси феррита с цементитом, но отличаются степенью дис- персности (толщиной пластин) феррита и цементита. Критическая скорость охлаждения, обеспечивающая превращение аустенита в мартенсит, может быть определена по диаграмме изотермического распада аустенита (рис.
2.4). Диаграмма строится на основе исследования превращения переохлаж- денного аустенита при постоянных температурах. Начало и конец превра- щения аустенита в перлит на этой диаграмме представляются в виде двух С- образных кривых. Диаграмма строится в координатах температура-время.
В этих же координатах изображаются и кривые охлаждения, что позволяет их совместить. В доэвтектоидных сталях превращению аустенита в перлит предшествует выделение феррита, а в заэвтектоидных – цементита.
Рис. 2.4. Диаграмма изотер- мического распада аустени- та в стали 40 и кривые ох- лаждения: 1 – начало превращения аустенита в перлит; 2 – конец превра- щения аустенита в перлит; 3
– начало выделения феррита
Линия V
1
, характеризующая медленное охлаждение, пересечет С- образные кривые при высокой температуре, и продуктом распада аустени- та будет перлит с низкой твердостью. При повышении скорости охлажде- нии (V
2
, V
3
) кривые охлаждения пересекают линии диаграммы при более
41 низких температурах и образуются более дисперсные смеси феррита и це- ментита
–
сорбит и троостит. Если же охлаждать аустенит со скоростью выше критической (V
4
), то распад аустенита в феррито-цементитные смеси не успевает произойти, аустенит переохладится до низких температур и превратится в мартенсит, то есть произойдет закалка. Минимальная ско- рость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартен- ситного превращения, называется критической скоростью закалки (V
кр
).
Превращение аустенита в мартенсит протекает в определенном темпе- ратурном интервале: начинается при температуре М
н и заканчивается при температуре М
K
(эти температуры называют мартенситными точками). По- ложение мартенситных точек зависит от содержания углерода в стали. Точ- ка М
K
в заэвтектоидных сталях лежит в области отрицательных температур, что приводит присутствию в стали после закалки остаточного аустенита.
Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора темпера- тур нагрева под закалку, которые определяются положением критических то- чек А
1
или А
3
. В первом приближении температура нагрева при термической обработке может быть определена по диаграмме железо-цементит (рис. 2.5)
по следующим зависимостям: для доэвтектоидных сталей t
= А
С3
+ (30–50)
°С (полная закалка); для заэвтектоидных сталей t =A
С1
+(30–50) °С (неполная закалка) В случае нагрева доэвтектоидной стали ниже оптимальной темпера- туры происходит неполное превращение перлита и феррита в аустенит, и по- сле закалки вместе с мартенситом будет присутствовать мягкий феррит. На- грев заэвтектоидных сталей до температур ниже оптимальных практически не изменяет исходную структуру. Нагрев под закалку выше оптимальной температуры вызывает рост зерна аустенита, что приводит к образованию при охлаждении крупноигольчатого мартенсита и снижает ударную вязкость
(надежность). Заэвтектоидные стали нагревают при закалке выше А
С1
,
так как присутствующий после охлаждения наряду с мартенситом цементит не сни- жает твердости, а перегрев не только вызывает рост игл мартенсита, но и увеличивает количество остаточного аустенита. Углеродистые стали содер- жат, наряду с железом и углеродом, постоянные примеси: Мn, Si , S, P и дру- гие элементы, которые смещают положение критических точек. Поэтому для определения температуры закалки стали используют экспериментальный ме- тод пробной закалки. Сущность метода состоит в том, что из исследуемой стали в отожженном состоянии изготавливают образцы, которые закали- вают с различных температур в интервале предполагаемого нахождения
42 критических точек (ниже предполагаемых А
С1
и выше А
С3
). Охлаждение образцов производится со скоростью выше критической. Поскольку целью закалки является получение высокой твердости стали, то после закалки на образцах измеряется твердость и по максимальному значению твердости определяется оптимальная температура закалки данной стали.
Рис. 2.5. Оптимальный ин- тервал температур закалки углеродистой стали
Скорость охлаждения выше критической при закалке исследуемой в дан- ной работе стали 40 обеспечивает охлаждение в воде. Для изучения влияния скорости охлаждения на твердость стали после закалки проводится охлажде- ние ее в масле и на воздухе. Охлаждающая способность этих сред показана в табл. 2.1. На практике вид охлаждающей среды выбирают, в основном, в за- висимости от назначения деталей, их конфигурации и степени легированно- сти. При оптимальном режиме закалки в интервале температур до изгиба С- образных кривых (рис. 2.4) необходимо охлаждать с высокой скоростью, а в интервале температур М
н
– М
K
охлаждать медленно. Такой режим исключает превращение аустенита в феррито-цементитные смеси в верхнем интерва- ле температур и уменьшает напряжения при образовании мартенсита.
Таблица 2.1
Характеристика различных закалочных сред
Закалочная среда
Скорость охлаждения в различных интервалах температур, о
С/с
350 – 600 о
С
200 – 300 о
С
Вода техническая, 20 °С
600 270
Минеральное масло
150 25
Воздух
3–5 1
В связи с тем, что стали по-разному повышают свою твердость при закал- ке, вводится понятие закаливаемости. Под закаливаемостью понимают спо- собность стали приобретать высокую твердость после закалки. Такая способ- ность зависит главным образом от содержания углерода в стали: чем больше углерода, тем выше твердость. Объясняется это тем, что с повышением содер- жания углерода увеличивается число атомов углерода, насильственно удержи- ваемых при закалке в кристаллической решетке α-железа, т. е. увеличивается
43 перенасыщенность мартенсита и его тетрагональность. В результате возраста- ют внутренние напряжения, что в свою очередь способствует увеличению числа дислокаций и возникновению блочной структуры. В работе исследуется закаливаемость стали 20 (0,2 % С), стали 40 (0,4 % С) и стали У7 (0,7 % С), для чего проводится закалка образцов из этих сталей с оптимальных (в зависи- мости от содержания углерода) температур и измеряется их твердость.
Высокие структурные и термические напряжения, а также повышен- ная твердость и хрупкость стали, закаленной на мартенсит, вызывают не- обходимость проведения отпуска.
Отпуском называется заключительная операция термической обработки, состоящая из нагрева закаленной стали до температуры ниже критической
А
С1
,
выдержки при этой температуре и последующего медленного или быст- рого охлаждения. Цель отпуска – уменьшение напряжений в стали, повыше- ние вязкости, пластичности и снижение твердости. В результате отпуска не- устойчивые структуры закалки переходят в более устойчивые. В зависимости от температуры различают три разновидности отпуска: низкий, средний и высокий. При низком отпуске закаленную сталь нагревают до температур
150–250 °С. Под действием повышенной температуры атомы углерода при- обретают более высокую подвижность и благодаря этому частично выходят из мартенсита (перенасыщенного твердого раствора в α-железе). Они обра- зуют метастабильный карбид Fe
2
C. При этом внутренние напряжения в кри- сталлической решетке железа и ее тетрагональность уменьшаются, а следова- тельно, снижается склонность к хрупкости закаленной стали. Образующиеся карбиды имеют малые размеры и металлографически не обнаруживаются.
Образующаяся смесь дисперсных карбидов и мартенсита с пониженным со- держанием углерода называется мартенситом отпуска. При температурах выше 200 о
С остаточный аустенит превращается в мартенсит отпуска. Твер- дость стали сохраняется высокой (у стали с содержанием углерода 0,7 % HRC
59–63). Низкому отпуску подвергают режущий и измерительный инструмен- ты, а также детали после поверхностной закалки и цементации.
При среднем отпуске нагрев закаленной стали производят до темпера- тур 300–450 °С. При этом полностью завершается процесс выделения уг- лерода из пересыщенного твердого раствора и мартенсит превращается в феррит. Карбид Fе
2
С преобразуется в цементит Fе
3
С. Образуется структу- ра, состоящая из феррита, в котором равномерно распределены мельчай- шие частицы цементита, называемая трооститом отпуска. Средний от- пуск уменьшает внутренние напряжения в большей степени, чем низкий
44 отпуск, приводит к некоторому снижению твердости (у эвтектоидной ста- ли HRC 45–50) и обеспечивает высокие пределы упругости и выносливо- сти. Применяется главным образом после закалки пружин и рессор.
При высоком отпуске закаленную сталь нагревают до температур 500–
650 °С. Такой нагрев приводит к коагуляции цементитных частиц – мелкие частицы сливаются в более крупные, и в результате снижается твердость (HRC
30–45). Феррито-цементитную смесь более грубого строения, чем троостит, называют сорбитом отпуска. Высокий отпуск почти полностью (на 90–95 %) устраняет внутренние напряжения, поэтому его применяют для многих ответ- ственных деталей и инструментов, работающих в условиях динамической на- грузки: валов, шатунов, молотовых штампов и др. Закалка с высоким отпуском одновременно повышает временное сопротивление, предел текучести, относи- тельное сужение и особенно ударную вязкость. Термическую обработку, со- стоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Отпуск выше
650 °С уже не повышает пластичность. Структура стали после такого отпуска состоит из достаточно грубой смеси феррита и цементита, которая называется
зернистым перлитом или перлитом отпуска. Таким образом, от неравновес- ной (метастабильной) структуры мартенсита закалки с повышением темпера- туры отпуска сталь все больше приближается к равновесному состоянию. При этом существенно изменяются и свойства стали (рис. 2.6). Следует отме- тить, что несмотря на одинаковое название структур (троостит, сорбит, пер- лит) после отпуска со структурами, полученными непосредственно при рас- паде аустенита, и одинаковую физическую природу (смеси феррита и цементита) структуры после отпуска имеют более высокие механические свойства, так как их строение зернистое, а не пластинчатое.
Рис. 2.6. Механи- ческие свойства стали 40 в зависи- мости от темпера- туры отпуска
В работе проводится отпуск закаленной углеродистой стали 40 при различных температурах, измеряется твердость и изучаются соответст- вующие микроструктуры.
45
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
4.1. Для выполнения данной лабораторной работы студентам предостав- ляются: образцы углеродистых сталей 20, 40, У7 в отожженном состоянии; об- разцы из стали 40, закаленные с оптимальной температуры; муфельные элек- тропечи; пресс для замера твердости модели ТШ-2; микроскоп для замера диаметра отпечатка при измерении твердости по Бринеллю; щипцы, очки и др.
4.2. Перед началом работы студенты знакомятся с оборудованием и правилами его эксплуатации. За знание правил техники безопасности сту- дент расписывается в журнале по технике безопасности.
4.3. Последовательность работ:
4.3.1. Определить твердость исходной стали 40 (в отожженном со- стоянии) и занести в табл. П.1. (см. приложение к лабораторной работе).
4.3.2. Произвести закалку образцов из стали 40 по режимам, представ- ленным в табл. П.1.
4.3.3. Произвести закалку образцов из сталей 20, 40, У7 по режимам, приведенным в табл. П.2.
4.3.4. Заточить образцы после закалки, замерить твердость и результа- ты занести в табл. П.1 и П.2.
4.3.5. Произвести отпуск образцов из стали 40, закаленных с оптималь- ной температуры нагрева. Режимы отпуска приведены в табл. П.З.
4.3.6. Заточить образцы после отпуска, замерить твердость и результа- ты занести в табл. П.З.
4.3.7. Построить графики: зависимости твердости от температуры закалки по данным табл. П.1.; зависимости твердости от содержания углерода в стали по данным табл. П.2; зависимости твердости от температуры отпуска по табл. П.З.
4.3.8. Изучить под микроскопом микроструктуры стали 40 после раз- личных режимов закалки и отпуска;
4.3.9. Зарисовать микроструктуры в тетради, обозначить отдельные структурные составляющие (схемы указанных микроструктур помещены в приложении рис. П.1– П.2).
5. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ ОТДЕЛЬНЫХ ВИДОВ РАБОТ
5.1. Термическая обработка:
5.1.1. Образцы на закалку загружаются в печи, предварительно разо- гретые на заданные температуры.
5.1.2. Продолжительность выдержки образцов по достижении задан- ной температуры закалки по потенциометру 20 мин.
5.1.3. Выгрузка образцов из печи производится щипцами в минималь-
46 ное время, чтобы не охладить образцы и печь.
5.1.4. Закалка образцов производится в воде или масле при непрерыв- ном, энергичном перемещении образцов в охлаждающей среде.
5.1.5. Один образец оставляется после выгрузки из печи для охлажде- ния на воздухе.
5.1.6. Закаленные образцы укладываются на трафаретки с указанными на них режимами закалки и переносятся на заточку торцов для замера твердости.
5.1.7. Время выдержки при достижении заданной температуры отпус- ка по потенциометру 20 мин.
5.1.8. Охлаждение образцов после отпуска в воде.
5. 2. Подготовка поверхности образцов для замера твердости:
5.2.1. При заточке на абразивных кругах следует применять интенсив- ное охлаждение во избежание перегрева, для чего образцы необходимо пе- риодически помещать в емкость с водой.
5.2.2. Плоскость под замер твердости должна быть выполнена по нор- мали к образующей образца, не иметь грубых рисок и других дефектов.
5.3. Замер твердости:
5.3.1. Нагрузка 7500 Н, диаметр шарика 5 мм, выдержка под нагрузкой
10 с. Шарик перед испытанием должен быть вытерт насухо.
5.3.2. Образец помещается на стол твердомера и вращением маховика испытываемая поверхность поджимается к шарику без усилия. Испыты- ваемая поверхность должна быть перпендикулярна к оси шпинделя.
5.3.3. Центр отпечатка должен находиться от края образца на расстоя- нии не менее диаметра, а от центра соседнего отпечатка – на расстоянии не менее двух диаметров отпечатка.
5.3.4. Нажатием на кнопку включается электродвигатель. По оконча- нии испытания пресс автоматически выключается.
5.3.5. Вращением маховика стол опускается, образец снимается.
5.3.6. С помощью лупы измеряется диаметр отпечатка. Используя пе- реводные таблицы, определяют числа твердости.
6. УКАЗАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
6.1. При загрузке образцов в электропечь и извлечении их для охлаж- дения необходимо предварительно отключить печь (потенциометр).
6.2. При загрузке и извлечении образцов из печи необходимо пользо- ваться рабочими рукавицами и щипцами.
6.3. При работе на наждачных станках следует: 1. Надевать очки; 2.
Образец держать в руке крепко, к наждачному кругу прижимать без боль-