МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И БИОМАТЕРИАЛЫ.
Методические рекомендации к лабораторным работам для студентов всех специальностей и направлений подготовки
ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Могилев 2018
УДК 669.01
ББК 30.3
М 34
Рекомендовано к опубликованию
учебно-методическим управлением
ГУ ВПО «Белорусско-Российский университет»
Одобрено кафедрой «Технологии металлов» «21» марта 2018 г.,
протокол № 6
Составители: д-р техн. наук, проф. Ф. Г. Ловшенко,
канд. техн. наук., доц. А. И. Хабибуллин.
Рецензент канд. техн. наук, доц.
В лабораторном практикуме содержатся основные теоретические положения и методические указания к выполнению лабораторных работ по теории и технологии термической обработки.
Учебное издание
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И БИОМАТЕРИАЛЫ.
ТЕОРИЯ И ТЕХНОЛОГИЯ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Ответственный за выпуск Д. И. Якубович
Технический редактор А. Т. Червинская
Компьютерная верстка И. А. Алексеюс
Подписано в печать. Формат 60х84/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс.
Печать трафаретная. Усл.-печ. л.. Уч.-из. л.. Тираж 100 экз. Заказ №
Издатель и полиграфическое исполнение
Государственное учреждение высшего профессионального образования
«Белорусско-Российский университет»
ЛИ № 02330/375 от 29.06.2012 г.
212005, г. Могилев, пр. Мира, 43
© ГУ ВПО «Белорусско-Российский
университет», 2018
Содержание
| 1 Лабораторная работа № 1. Структура и свойства углеродистой стали в равновесном состоянии……………………….. | ||
| 2 Лабораторная работа № 2. Закалка стали……………………. | ||
| 3 Лабораторная работа № 3 Определение прокаливаемости стали методом торцовой закалки ……………………………………… | ||
| 4 Лабораторная работа № 4. Отпуск закаленной стали…….. | ||
| 5 Лабораторная работа № 5. Изучение зависимости между структурой и свойствами стали после различных видов термической обработки…………………………………………... | ||
| 6 Лабораторная работа № 6. Химико-термическая обработка стали………………………………………………… | ||
| Правила техники безопасности при проведении лабораторных работ………………………………………………………………... | ||
| Список литературы……………………………………………… |
1 Лабораторная работа № 1. Структура и свойства
углеродистой стали в равновесном состоянии
Цель работы: изучение диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов; анализ превращений, происходящих в сплавах при охлаждениях и нагревах; определение фазового и структурного состояния сплавов в зависимости от их состава и температуры; установление зависимости между структурой и свойствами стали.
Оборудование и инструмент: микроскоп металлографический ЛабоМет-1, видеокамера TOUPCAMTM, ПЭВМ ITEX TM MAXIMA,
Под равновесным понимается такое состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния [1, 2]. Это имеет место только при очень малых скоростях охлаждения (нагрева). Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии и не подвергается самопроизвольному изменению во времени. Поэтому оно называется стабильным.
Превращения, протекающие в сталях в равновесном состоянии, описываются диаграммой « железо-цементит », представленной на рисунке1.1.
Рисунок 1.1 – Диаграмма « железо-цементит »
В железоуглеродистых сплавах могут присутствовать следующие твердые фазы: феррит, аустенит, цементит.
Феррит – твердый раствор внедрения углерода в a-железе, имеющем объёмно-центрированную кубическую решетку. На диаграмме « железо-цементит » существуют две области феррита – высокотемпературная область АNН и низкотемпературная область GPQ. Максимальная растворимость в высокотемпературной области составляет 0,10 % – точка Н, в низкотемпературной области 0,02 % – точка Р. Содержание углерода при комнатной температуре – 0,01 %. Феррит мягок и пластичен (sВ = 200–300 МПа, d = 20–50 %, 80–100 НВ).
Аустенит – твердый раствор внедрения углерода в g-железе, имеющем гранецентрированную кубическую решетку. На диаграмме « железо-цементит » аустенит занимает область NJESG. Максимальная растворимость углерода в аустените 2,14 % – точка Е. По механическим свойствам аустенит близок к ферриту. Горячую обработку давлением проводят в области существования аустенита (однофазный твердый раствор характеризуется высокой пластичностью).
Цементит – химическое соединение железа с углеродом – карбид железа, химическая формула которого Fe3С. Содержание углерода в цементите равно 6,67 %. Цементит обладает высокой твердостью (» 800 HV) и хрупкостью. Он имеет сложную ромбическую решетку. Она состоит из ряда октаэдров, оси которых расположены под некоторыми углами друг к другу.
Кристаллизация сплавов, содержание углерода в которых меньше 0,5 % (точка В), начинается с выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. При содержании углерода больше 0,5 % стали кристаллизуются с выделением аустенита.
Сплавы, содержащие углерод от 0,1 % (точка Н) до 0,5 % (точка В), претерпевают при температуре 1499 oC (линия НJB) перитектическое превращение, заключающееся в том, что жидкий раствор, имеющий при этой температуре концентрацию, соответствующую точке В (0,5 % С), взаимодействуя с выделившимися из него кристаллами феррита концентрации точки Н (0,1 % С), образует новую фазу – кристаллы аустенита концентрации точки J (0,16 % С):
ФН + ЖВ ® АJ.
При дальнейшем снижении температуры феррит, оставшийся после перитектического превращения, перекристаллизовывается в аустенит. В сталях с содержанием углерода больше 0,16 % оставшаяся жидкость затвердевает с образованием аустенита. Ниже линий NJ и JE сплавы имеют однородную аустенитную структуру.
При температуре 727 oС (линия PSK) сплавы претерпевают эвтектоидное превращение. При эвтектоидном превращении аустенит, имеющий при этой температуре концентрацию углерода, соответствующую точке S (0,8 % С), распадается с образованием эвтектоидной смеси – перлита (феррита состава точки Р (0,02 % С) и цементита):
AS ® ФР + Ц.
Эвтектоидная смесь феррита и цементита, образующаяся в результате эвтектоидного распада аустенита называетсяперлитом.
В сплавах с содержанием углерода менее 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита феррита, которое протекает в интервале температур, ограниченных линиями GS и РS. При этом в оставшемся аустените концентрация углерода изменяется по линии GS. В сплавах с содержанием углерода более 0,8 % (точка S) эвтектоидному превращению предшествует выделение из аустенита цементита. Выделение цементита протекает в интервале температур, ограниченных линиями ES и SK. В этом случае концентрация углерода в оставшемся аустените изменяется по линии ES.
Железоуглеродистые сплавы в зависимости от содержания углерода делятся на три группы: техническое железо, стали, чугуны.
Техническое железо – это сплавы с содержанием углерода менее 0,02 % (точка Р). Как следует из диаграммы « железо-цементит », техническое железо имеет структуру феррита (или феррита и цементита третичного, который в виде отдельных мелких включений располагается по границам зерен феррита) (рисунок 1.2, а). Третичный цементит выделяется из феррита в результате снижения растворимости углерода при уменьшении температуры от эвтектоидной до комнатной. Предельная растворимость углерода в феррите ограничивается линией GPQ. По свойствам техническое железо подобно ферриту.
Стали – это сплавы с содержанием углерода от 0,02 % (точка Р) до 2,14 % (точка Е). В структуре стали по мере увеличения содержания углерода возрастает доля цементита и уменьшается доля феррита. Это приводит к повышению твердости и прочности стали и снижению ее пластичности, изменению физических и технологических свойств. В зависимости от содержания углерода стали по своей структуре делятся на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.
Доэвтектоидные стали содержат от 0,02 % углерода (точка Р) до 0,8 % углерода (точка S). Они имеет структуру феррита (светлые зерна) и перлита (темные зерна) (рисунок 1.2, б, в). С увеличением содержания углерода прямо пропорционально увеличивается содержание перлита. При концентрации углерода в стали 0,8 % количество перлита равно 100 %. Зная площадь, занимаемую перлитом, можно определить содержание углерода в углеродистой стали:
С = 
,
где А – площадь, занимаемая перлитом.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % углерода (точка S) и состоит из перлита (рисунок 1.2, г).
Заэвтектоидная сталь содержит от 0,8 % углерода (точка S) до 2,14 % углерода (точка Е). Ее структура состоит из перлита и цементита (рисунок 1.2, д).
Таким образом, структура, а, следовательно, и свойства стали определяются количеством углерода в ней. Доэвтектоидные стали, содержащие до 0,8 % углерода, являются конструкционными, предназначенными для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали). В значительной мере свойства углеродистых сталей, а, следовательно, и область их применения зависят от содержания в них вредных примесей серы и фосфора. Чем меньше их в стали, тем выше ее качество.
Рисунок 1.2 – Микроструктура технического железа (а), доэвтектоидных сталей с содержанием углерода 0,20 % (б) и 0,45 % (в), эвтектоидной (г) и заэвтектоидной (д) сталей
Стали обыкновенного качества, наиболее дешевые, являются конструкционными сталями общего назначения и содержат до 0,07 % фосфора, 0,06 % серы, 0,06–0,49 % углерода. По гарантируемым свойствам они подразделяются на три группы – А, Б, В. В сталях группы А – гарантируются механические свойства, группы Б – химический состав; в сталях группы В гарантируются механические свойства и химический состав.
Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 0, 1, 2,... 6, например, Ст1. В сталях группы Б перед буквами Ст ставится буква Б, например, БСт2. В сталях группы В перед буквами Ст ставится буква В, например, ВСт3. С увеличением условного номера повышается содержание углерода в стали, что приводит к увеличению прочностных свойств, к снижению пластичности и свариваемости.
Стали группы А применяются для изготовления рядового проката (швеллеров, уголков, листов, прутков, труб и др.) используемого для клепанных и болтовых конструкций, а также для малонагруженных деталей машин (валов, осей, зубчатых колес, болтов и т. д.) не подвергаемых нагреву в процессе обработки.
Стали группы Б применяются для изготовления изделий, подвергаемых нагреву (горячей обработке давлением, сварке, термической обработке).
Стали группы В применяются для изготовления сварных конструкций, подвергаемых расчетам на прочность.
В конце марки стали ставятся буквы « кп », « пс », « сп ». Буквы « кп » показывают, что сталь кипящая, « пс » – полуспокойная, « сп » – спокойная.
Качественная конструкционная сталь по сравнению со сталью общего назначения содержит вдвое меньше серы и фосфора и отличается более высокими механическими свойствами. Она маркируется цифрами, например, 08, 10, … 80, показывающими содержание углерода в сотых долях процента.
Низкоуглеродистые стали, содержащие углерода до 0,25 %, обладают низкой прочностью, но высокой пластичностью и применяются для изготовления изделий листовой холодной штамповкой (05кп…10), а также для деталей, упрочняемых цементацией, и для различных сварных соединений (Сталь 15, Сталь 20). Кроме того, из них изготавливают болты, шпильки, гайки, валики и другие детали неответственного назначения.
Среднеуглеродистые стали марок 30-50 предназначаются для ответственных деталей высокой прочности с вязкой сердцевиной (зубчатые колеса, шатуны, коленчатые валы, распределительные валы, винты, оси, втулки, рычаги и др.). Как правило, детали из этих сталей подвергаются улучшению (вид термической обработки).
Высокоуглеродистые стали 55-85 применяются для пружин, рессор, а также деталей высокой прочности: прокатных валков (сталь 60), крановых колес (сталь 75), дисков муфт сцепления (сталь 85) и др. Детали из этих сталей подвергаются упрочнению методами термической обработки (закалке и отпуску).
Для изготовления различных инструментов применяется углеродистая инструментальная сталь, содержащая углерода от 0,7 до 1,3 %. Эта сталь производится следующих марок: У7 - У13 (качественная) или У7А - У13А (высококачественная). Здесь «У» означает «углеродистая инструментальная сталь», число после «У» - содержание углерода в десятых доля процента (например, У12 содержит углерода 1,2 %). Стали марок У7 и У8 вязче других, так как не имеют в структуре цементита, и они идут на изготовление ударных инструментов – молотков, зубил, топоров, кернеров, стамесок, долот, штампов и т. д.
Стали У10 и У11 имеют несколько меньшую вязкость и немного большую твердость (т.к. в их структуре содержится небольшой количество цементита) и используются для изготовления резцов, сверл, метчиков, лерок.
Стали У12 и У13 обладают низкой вязкостью и высокой твердостью и используются для изготовления инструмента, не испытывающего ударных нагрузок (напильников, бритв, рашпилей и т. п.).
Контрольные вопросы
1. Описать превращения, протекающие в сталях при нагреве или охлаждении, указать их температуры.
2. Дать определение фазам, присутствующим в сталях и указать содержание углерода в них.
3. Дать классификацию углеродистых сталей по качеству, содержанию углерода и назначению.
4. Изучить маркировку сталей и указать области применения перечисленных сталей: Ст2, БСт3, ВСт4, Ст6; 08кп, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 80;
У7, У8, У10А, У11, У12, У13.
Задание по работе
1. Зарисовать диаграмму « железо-цементит ».
2. Дать определение: фазам и структурным составляющим в сталях (доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной).
3. Определить содержание углерода в образце доэвтектоидной стали.
4. Изучить и зарисовать микроструктуру предложенных шлифов; указать фазы и расставить структурные составляющие.
5. Указать марки сталей, применяемых для изготовления деталей машин, сварных конструкций и инструментов согласно заданию преподавателя.
2 Лабораторная работа № 2. Закалка стали