Утверждаю
Ректор университета
________________А.В.Лагерев
«____»___________2008 г.
Материаловедение
Исследование влияния легирующих элементов
НА ПРОКАЛИВАЕМОСТЬ СТАЛИ
Методические указания
К выполнению лабораторной работы № 7
Для студентов дневной и вечерней форм обучения
Всех специальностей
Брянск 2008
УДК 669.01
Материаловедение. Исследование влияния легирующих элементов на прокаливаемость стали: методические указания к выполнению лабораторной работы № 7 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей. - Брянск: БГТУ. – 2008. – 15с.
Разработал: В.П. М е л ь н и к о в,
канд.техн.наук, доц.
Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол №3 от 04.04.08)
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧА РАБОТЫ
Цель работы - исследовать влияние химического состава на прокаливаемость сталей и построить кривые прокаливаемости и исследованных сталей.
Продолжительность работы – 2 часа.
КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Свойства деталей, подвергаемых закалке, во многом зависят от прокаливаемости стали. Для деталей, работающих в условиях повышенных напряжений и значительных динамических нагрузок, необходимо выбирать стали с повышенной прокаливаемостью.
Под п р о к а л и в а е м о с т ь ю понимают способность стали получать закаленную структуру в поверхностном слое детали на определенную глубину*. Закаленной принято считать зону, включающую мартенситную структуру и структуру, состоящую из мартенсита (М) и не более 50% троостита (Т). Структуру, состоящую из 50% М и 50% Т, называют п о л у м а р т е н с и т н о й. Поэтому за глубину проникновения закаленной зоны (за глубину прокаливаемости) принимают расстояние от поверхности закаленного изделия до слоя с полумартенситной структурой.
Прокаливаемость стали зависит от критической скорости закалки, которая, в свою очередь, зависит главным образом от состава стали (содержания легирующих элементов и углерода). Все легирующие элементы (кроме кобальта) и углерод, растворенные в аустените, уменьшают критическую скорость закалки, а следовательно, увеличивают прокаливаемость стали. Наибольший эффект достигается при комплексном легировании. Правильный подбор легирующих добавок позволяет получать сквозную** прокаливаемость и при массивных сечениях деталей.
___________________________
* Следует различать прокаливаемость и закаливаемость сталей. Под закаливаемостью понимают твердость при закалке. Твердость после закалки, главным образом, зависит от содержания углерода в стали.
** Получать закаленную структуру по всему сечению детали.
Детали при сквозной закалке и последующем отпуске на феррито-цементитную смесь (тростит или сорбит) характеризуются лучшей работоспособностью в сравнении с деталями, которые не имели сквозной закалки, хотя твердость в обоих случаях после отпуска может быть одинаковой. Это объясняется тем, что феррито-цементитная смесь, которая получается при отпуске в результате распада мартенсита, имеет зернистое строение, а смесь, которая получается при непосредственном распаде аустенита,- пластинчатое строение.
В зависимости от условий работы деталей не всегда требуется сквозная прокаливаемость. При работе на изгиб и кручение деталей ответственного назначения требуется, чтобы детали имели прокаливаемость на глубину ½ радиуса. В остальных случаях – ¼ радиуса. Сквозная закалка необходима для деталей, работающих на растяжение (например, шатуны, крепежные шпильки), поскольку в этом случае работает все сечение изделия, а также для деталей, которые испытывают упругие деформации с большой амплитудой (например, рессоры, пружины).
Прокаливаемость сталей традиционно оценивают критическим диаметром закалки для данного охладителя (Дк.в – в воде, Дк.м – в масле). Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Наиболее простым и надежным способом определения прокаливаемости сталей является метод торцовой закалки специального образца (рис.1)*.
При таком методе один торец цилиндрического образца (рис.1), нагретого до температуры закалки, охлаждают водой в специальной установке. Температуру нагрева (аустенизации) назначают в зависимости от состава стали. Время выдержки при температуре аустенизации устанавливается из расчета: 1 минута на 1 мм толщины сечения или диаметра изделия (образца) для углеродистых и 2 минуты на 1 мм – для легированных сталей.
__________________________
* Подробнее см. ГОСТ 5657-69
Рис.1. Образец для определения прокаливаемости торцовым методом
Охлажденный образец ошлифовывают по образующей на глубину 0,5 мм и измеряют твердость HRC через каждые 3 мм, начиная, от закаленного торца. По полученным данным строят кривую прокаливаемости (рис.2).
Рис.2. Определение твердости по длине образца
после торцовой закалки
Определив на рис.3 твердость полумартенситной структуры (ПМС) для соответствующего содержания углерода в стали (например, при 0,6% углерода твердость ПМС равна 47 HRC), на рис.2 находят расстояние от закаливаемого торца до слоя с ПМС. Это расстояние, характеризующее прокаливаемость, для стали с 0,6% углерода равно 9 мм.
Рис.3. Определение твердость полумартенситной структуры
в зависимости от содержания углерода
По этому значению на номограмме Блантера (см. приложение) можно определить реальные критические диаметры изделий из данной стали, получающих сквозную прокаливаемость при охлаждении в различных закалочных средах. Для этого на шкале для полумартенситной зоны (в верхней части номограммы) нужно найти точку, соответствующую 9 мм, и, опустив из нее вертикаль до пересечения с прямой «идеальное охлаждение»*, через точку их пересечения провести горизонталь влево до линии, соответствующей желаемой охлаждающей среде (вода, минеральное масло, воздух).
____________________
* Охлаждение с бесконечно большой скоростью, т.е. мгновенное принятие деталью температуры окружающей среды
Из точки пересечения этих линий спроектировать на горизонтальную ось шкалу тел соответствующей формы и размеров (в нижней части номограммы), где будет указан критический (реальный) диаметр (Дк.) изделия для получения в его сердцевине полумартенситной структуры.
По номограмме Блантера можно определить также необходимую скорость охлаждения сердцевины изделия для получения в ней ПМС.