И обработка экспериментальных данных

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ИЗУЧЕНИЕ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ

КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ

Цель работы: Изучить методику испытания стали на прокаливаемость способом торцевой закалки с определением критического диаметра.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Большинство деталей машин подвергается улучшению, т.е. закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском. Такая тер­мическая обработка обеспечивает оптимальное сочетание предела прочности, предела текучести и ударной вязкости. Однако, не всегда учитывается то обстоятельство, что различные марки ста­ли имеют разную прокаливаемость, т.е. при закалке дают разную толщину закаленной зоны. Неправильный выбор марки стали для детали какого-либо сечения может привести к тому, что после высокого отпуска вследствие недостаточной прокалнваемости оптимальные механические свойства будут обеспечены только на незначительной части расчитанного при конструировании детали сечения. При работе такое изделие может не выдержать заданной механической нагрузки и разрушиться.

Прокаливаемость стали - способность получать в процессе закалки микроструктуру мартенсита или мартенсита с трооститом на определенном расстоянии от поверхности детали. За глубину закаленного слоя принимают расстояние от поверхности детали до слоя с полумартенситной микроструктурой из 50 % мартен­сита и 50 % троостита по ГОСТ 5657 или до слоя с 95 % мартен­сита и 5 % троостита.

Несквозная прокаливаемость деталей объясняется тем, что при закалке изделие охлаждается быстрее с поверхности и медленнее в сердцевине. Если скорость охлаждения во внутренних слоях детали будет меньше критической скорости закалки, то в сердцевине не получится 100 %-я мартенситная структура. Сталь, не получившая сквозной закалки, будет иметь в сердцевине структуру, состоящую из троостита и мартенсита, троостита, сорбита и даже феррит + перлит, а в слоях близ поверхности - мартенситную структуру. Поэтому сталь с несквозной прокаливаемостью имеет во внутренних слоях пониженные механические свойства.

Легирующие элементы Cr, Mn, Ni и другие (кроме Со) уменьшают критическую скорость зэкалки. Поэтому легированные стали закаливаются на большую глубину от поверхности или даже по всему сечению при значительных поперечных размерах.

Сталь со сквозной прокаливаемостью после закалки и высокого отпуска имеет по всему сечению детали структуру сорбита отпуска и одинаковые механические свойства.

МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

Тигельная печь, нагретая до температуры 860 ⁰С, установка для определения прокаливаемости, твердомер с приспособлением для измерения твердости стандартных образцов, точило, стандартный образец стали.

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ

И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Задание. Провести торцевую закалку стандартного образца стали с построением кривой прокаливаемости и определением критических диаметров.

Задание выполняется в следующем порядке:

1. Провести торцевую закалку стандартного образца на специальной установке.

2.Измерить твердость образца на разном расстоянии от торца и построить кривые прокаливаемости для углеродистой и леги­рованной сталей в одной системе координат.

3.Определить по построенному графику расстояние от торца образца до сечения, имеющего твердость полумартенситной зоны данной стали (50 % мартенсита и 50 % троостита).

4. По специальной номограмме определить, какие критические диаметры имели бы реальные детали цилиндрической формы при условии закалки в воде и масле и отношении длины к диаметру детали равном 1 и 10.

Для проведения данной работы группе студентов представляется образец из стали, прокаливаемость которой требуется определить (одной группе выдается образец легированной стали, а другой - из углеродистой стали). Стандартный образец засыпают чугунной стружкой и нагревают в печи в течение 1 часа до температуры 860 ⁰С. Нагретый образец быстро переносят щипцами из печи в приспособле­ние для торцевой закалки (рис. 16) и охлаждают с торца струей воды. Температура нагрева под закалку для углеродистых, хромистых, марганцовистых сталей с содержанием 0,37…0,55 % С принимается равной 860°С, что обеспечивает получение при нагреве структуры аустенита.

 

Рис. 16. Схема установки образца при испытании на прокаливаемость методом торцевой закалки

Испытание на прокаливаемостъ проводится в присутствии преподавателя и лаборанта. После охлаждения образец сошлифовывается на точиле с одной стороны по всей длине на глубину 0,2…0,3 мм и помещается в специальное приспособление, которое устанавливается на твердомер типа ТК. Начиная с 3 мм от закален­ного торца через каждые 1,5 мм измеряют твердость по длине образ­ца алмазным конусом при нагрузке 150 кг на приборе ТК (шкала HRC). Измерение твердости производит лаборант. Полученные данные представляют в виде таблицы, а затем строят график в координатах твердость - расстояние от закаливаемого торца в мм.

Далее устанавливают твердость полумартенситной зоны данной стали, которая зависит от содержания углерода (для сталей с содержанием 0,4 % С твердость полумартенситной зоны равна HRС 40).

По построенному графику определяется расстояние в мм от закаленного торца образца до сечения, имеющего твердость полумартенситной зоны. Зная расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны, можно по специальной номограмме опреде­лить критические диаметры для деталей с различным отношением длины к диаметру.

 

Рис. 17. Схема номограммы для определения критического диаметра

Для определения критического диаметра, т.е. диаметра максимального сечения, прокаливающегося в данной охлаждающей среде насквозь, на верхней шкале номограммы находят полученное опытным путем по графику расстояние от закаливаемого торца до полумартенситной зоны. Из этой точки опускают перпендикуляр до пере­сечения с линией 1 «идеального охлаждения» с бесконечно большой скоростью охлаждения, затем проводят горизонтальную линию до пе­ресечения с линиями 2 (охлаждение в воде) или 3 (охлаждение в масле) в зависимости от задания. Из точки пересечения опускают перпендикуляр на шкалу критических диаметров Д_кр., и при заданном L/Д получают ответ (рис. 17).

Таким образом, используя данные торцевой закалки стандарт­ного образца, можно определять прокаливаемоеть стали в деталях геометрически разных форм и при использовании различных охлаждающих жидкостей.

Студенты определяют по номограмме критический диаметр для случая закалки цилиндрической детали в предположении охлаждения в воде или минеральном масле при отношении длины к диаметру L/Д=10 (длинный вал) и L/Д=1 (плоская шайба). Путем сопоставления данных таблицы выявляется влияние легирования стали на прокаливаемость.

Поскольку прокаливаемость разных плавок одной стали имеет несколько отличающиеся значения, принято прокаливаемость стали характеризовать полосой прокаливаемости для совокупности разных плавок данной марки стали.

Форма таблицы для отчета:

Критические диаметры деталей для углеродистой и легированной сталей

Марка стали	Содержание углерода, %	Охлаждающая среда	Критический диаметр, мм
L/Д=1	L/Д=10
		Вода
Минеральное масло

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы;

2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3. Теоретические положения: понятие и значение прокаливаемости стали.

4. Методика проведения работы и полученные результаты: задание по работе. График зависимости твердости от расстояния от торца для обеих сталей в одной системе координат. Таблица с данными о критических диаметрах для углеродистой и легированной стали при охлаждении в воде и минеральном масле.

Вывод о влиянии легирования на прокаливаемость стали.

 

ВОПРОСЫДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

1. Как определяется экспериментально прокаливаемость стали?

2. Почему легирование увеличивает прокаливаемость стали?

3. Как по номограмме определяется реальный критический диаметр?

4. Что понимается под критическим диаметром?

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П. Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.

Дополнительная:

Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов [и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 648 с.