Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра МВТКМ
Лабораторная работа №4
по курсу
«Материаловедение».
Тема:
Основные виды термической обработки углеродистых сталей
Выполнил студент
группы ЭО 1-11 ИТЭ
Еремеева Чулпан
Проверил: Шибаев А. Е.
Казань 2012
Цель работы
Изучить основы термической обработки углеродистых сталей.
Рабочее задание
Изучить теоретический материал, по описанию структурных превращений, происходящих при нагреве и охлаждении железоуглеродистых сплавов с различной скоростью;
Заполнить табл. П1;
Начертить стальной угол диаграммы состояния Fe-C сплавов (рис. 8.5);
Провести фигуративную прямую для марки стали, подлежащей термической обработке, и отметить на ней температуры, до которых предстоит нагревать опытные образцы;
Заполнить форму протокола термической обработки опытных образцов (табл. П2).
Оборудование и материалы
Электропечь лабораторная, твердомер ТК-2, твердомер ТКМ-359, лабораторные образцы сталей, бачки с холодной и горячей водой и минеральным маслом.
Порядок выполнения работы
1. По диаграмме Fe – Fе3С определить оптимальную температуру нагрева стали 45 для получения структуры мелкозернистого аустенита;
2. Нагреть муфельную печь до этой температуры;
3. Загрузить 4 образца в нагретую печь и выдержать их в течение 15 мин;
4. Охладить один образец на спокойном воздухе, другой – в кипящей воде, третий – в минеральном масле и четвертый – в холодной воде;
5. Зачистить каждый образец с двух сторон для удаления окалины;
6. Измерить их твердость на приборе Роквелла и среднее значение из трех испытаний записать в сводную таблицу;
7. Установить в муфельных печах заданные температуры отпуска (200; 300; 400; 500 и 600 °С);
8. Заложить в них по одному предварительно закаленному образцу, выдержать в течение 30 мин. и охладить на воздухе;
9. Зачистить образцы с двух сторон, измерить их твердость и среднее значение из трех измерений записать в сводную таблицу;
10. Перенести данные сводной таблицы в таблицу п. 4 и п. 5 бланка отчета;
11. Построить графики зависимости твердости от скорости охлаждения и температуры отпуска;
12. Идентифицировать каждую операцию термической обработки и установить соответствующую ей микроструктуру;
13. Результаты замеров твердости по методу Роквелла записываются в соответствующую графу таблицы, затем переводятся в значения твердости по Бриннелю по переводной таблице (табл. П3) и записываются в графу «Твердость НВ, кгс/мм2».
Обработка результатов, их обобщение и выводы
После заполнения всех граф протокола термообработки каждый студент должен произвести обработку результатов эксперимента, т.е. построить графики зависимости твердости от скорости охлаждения НВ = f (U охл) и зависимости твердости от температуры отпуска НВ = f (Т отп).
Проанализировав построенные графики, сделать выводы:
О характере изменения твердости стали в зависимости от скорости охлаждения в различных средах;
О характере изменения твердости стали в зависимости от температуры отпуска.
Теоретические основы термической обработки сталей
Основными видами термической обработки (ТО) углеродистых сталей являются: 1) отжиг на мелкое зерно; 2) нормализация; 3) одинарная термическая обработка; 4) закалка; 5) отпуск (после закалки).
Первым этапом при проведении первых четырех видов ТО является нагрев сталей до оптимальных температур: доэвтектоидных – на 30–50 °С выше линии GS, т.е. А 3 + 30–50 °С, а эвтектоидной и заэвтектоидных – на 30–50 °С выше линии PSK т.е. А 1 + 30–50 °С (рис. 1). В результате фазовой перекристаллизации стали приобретают структуру мелкозернистого аустенита, причем в заэвтектоидных сталях сохраняются еще и включения вторичного цементита.
Рис. 1. Оптимальный интервал температур проведения ТО углеродистых сталей
После выдержки при этих температурах для полного завершения фазовой перекристаллизации и диффузионного выравнивания содержания углерода в мелкозернистом аустените следует охлаждение с заданной скоростью. При этом из мелкозернистого аустенита образуются и мелкозернистые структуры продуктов его превращения, что является необходимым условием достижения оптимальных механических свойств. Эти структуры определяются по соответствующим диаграммам превращения переохлажденного аустенита (рис. 2).
Рис. 2. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали:
1 – кривая начала диффузионного распада аустенита; 2 – кривая конца диффузионного распада аустенита; Mн – линия начала мартенситного превращения;
V кр – критическая скорость охлаждения (П –перлит,С – сорбит, Т – тростит,
М – мартенсит)
При относительно небольших скоростях охлаждения V 1, V 2, V 3 в верхнем районе температур (727–550 °С) происходит диффузионное перлитное превращение – распад аустенита на структуры перлитного типа: перлит, сорбит или троостит. Они представляют собой феррито-цементитные смеси разной степени дисперсности (измельченности) пластинчатого строения, т.е. в них частицы цементита имеют форму пластинок. Самой грубой смесью является перлит, а самой дисперсной (и потому самой твердой и прочной из них) – троостит, так как он образуется при большей степени переохлаждения.
В доэвтектоидных сталях перлитному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, а в заэвтектоидных – цементита, количество которых с понижением температуры уменьшается до нуля в районе выступа левой С-образной кривой диаграммы превращения переохлажденного аустенита.
При высоких скоростях охлаждения, равных или больших V кр, например, V 5, диффузионный распад аустенита подавляется и он переохлаждается до интервала температур Мн – Mк (Мн – температура начала, а Мк– конца мартенситного превращения)(рис. 2).Помереохлаждения отМн до Мк происходит бездиффузионное превращение аустенита в предельно неравновесную структуру – мартенсит. Он представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α -железе с тетрагональной кристаллической решеткой и обладает высокими твердостью и хрупкостью из-за сильного перенасыщения углеродом. Происходит закалка стали. Минимальная скорость охлаждения, необходимая для преобразования переохлажденного аустенита в мартенсит, называется критической скоростью закалки (рис. 2, V кр– кривая охлаждения, касательная к выступу С-образной кривой).
Охлаждение со скоростью V 4 приводит к образованию структуры троостит + мартенсит (рис. 2).