МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ № 5
ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫНАГРЕВА ПОД ЗАКАЛКУ
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
по дисциплине
Материаловедение.
Технология конструкционных материалов
Направления подготовки: 140200, 140600, 200100, 200500, 220200
Форма обучения – дневная
Тула 2011 г.
Методические указания к лабораторной работе составлены доц. Гончаровым С.С., доц. Г.В. Сержантовой и обсуждены на заседании кафедры ФММ ЕН факультета.
протокол № 6 от 2 марта 2011 г.
Зав. кафедрой ФММ Г.В. Маркова
Лабораторная работа № 5
ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫНАГРЕВА ПОД ЗАКАЛКУ
УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
1.1. Ознакомиться с сущностью закалки стали и условиями ее технического применения
1.2. Определение оптимальной температуры нагрева под закалку углеродистых сталей.
2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ
Закалка – термическая обработка, заключающаяся в нагреве выше температуры фазовых превращений или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Способность стали повышать твердость в результате закалки называется закаливаемостью.
Назначение закалки – получение высокой твердости и прочности. Пластические свойства и вязкость после закалки низкие.
Основные параметры закалки – температура нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.
Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые фазовые превращения, например образование высокотемпературной фазы – аустенита.
Мартенситное превращение наблюдается при закалке в сталях. Оно происходит при очень быстром и непрерывном охлаждении в интервале температур начала (Мн) и конца (Мк) превращения, чтобы подавить возможные диффузионные процессы образования перлитных структур. На схеме диаграммы изотермического превращения аустенита (рисунок 1.) условно показана область мартенситного превращения. Условно, так как в подавляющем большинстве сталей мартенситное превращение в изотермических условиях не развивается.
Рисунок 1. Диаграмма изотермического распада аустенита.
V2 < Vкр < V1
В углеродистых сталях, содержащих более 0,6 % С, при охлаждении до температуры 0 оС в структуре может оставаться некоторое количество аустенита (остаточный аустенит Аост).
Минимальная скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, называют критической скоростью закалки Vкр. Ее можно определить по диаграмме изотермического превращения аустенита (рисунок 1.), как касательную к С – образной кривой.
Критическая скорость охлаждения зависит от содержания углерода в стали (таблица 1)
Таблица 1 - Твёрдость стали, охлажденной с критической скоростью
| Содержание углерода, % | Твердость НВ | Критическая скорость охлаждения, град/с |
| 0,025 | ||
| 0,2 | ||
| 0,4 | ||
| 0,8 |
Скорость охлаждения в спокойной воде составляет 600 град/с, следовательно, минимальное содержание углерода в стали для закалки в воде должно быть не менее 0,4 %.
Мартенситное превращение – это бездиффузионный процесс, а мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α – Fe. В процессе мартенситного γ → α превращения углерод остается в твердом растворе, искажая кристаллическую решетку α - Fe, так как его растворимость в α - Fe значительно меньше, чем в γ – Fe. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку.
Свойства мартенсита сталей зависит от количества растворенного в нем углерода: с увеличением количества углерода возрастает твердость и хрупкость.
Для определения оптимальной температуры нагрева, позволяющей получить максимальную твердость стали при закалке, используют диаграмму состояния Fe - Fe3C (рисунок 2).
Рисунок 2 «Стальной участок» диаграммы состояния Fe - Fe3C
На рисунке 2 линии означают совокупность критических температур и при нагреве обозначаются следующим образом: линия PSK - АС1,линия GS - АС3, линия ES – Аcm.
Нагрев доэвтектоидной стали ниже АС3, но выше АС1 приводит к неполной закалке. Аустенит, после резкого охлаждения, превратиться в мартенсит, но наряду с мартенситом, сохраняются не претерпевшие превращения при нагреве зерна мягкого феррита (80 НВ). Нагрев до температуры значительно выше АС3, может вызвать перегрев или пережог. Следовательно, оптимальная температура нагрева под закалку - АС3 + 30 ÷ 50 оС.
Нагрев заэвтектоидной стали под закалку ниже АС1 не вызовет образования аустенита и, следовательно, резкое охлаждение не приведет к закалке. Сталь остается относительно мягкой. Нагрев выше Асm вызовет растворение цементита вторичного, рост зерна аустенита и, как следствие, понижение твердости после закалки. Поэтому оптимальной температурой нагрева под закалку является температура АС1 + 30 ÷ 50 оС.
Схемы превращений углеродистых сталей при нагреве и закалке:
Доэвтектоидные стали:
АС1 + 30 ÷ 50 оС Ф + П 
А + Ф 
М + Ф (Фочень мягкий, следовательно, низкая твердость стали)
АС3 + 30 ÷ 50 оС Ф + П А М – оптимальная температура нагрева под закалку
Эвтектоидные стали:
АС1 + 30 ÷ 50 оС П А М – оптимальная температура нагрева под закалку
Заэвтектоидные стали:
АС1 + 30 ÷ 50 оС П + ЦII А + ЦII М + Ц II (ЦIIочень твердый, следовательно, высокая твердость стали) – оптимальная температура нагрева под закалку
Аcm + 30 ÷ 50 оС П + ЦII А М (растворение цементита, рост аустенитного зерна, следовательно, твердость ниже, чем у М + ЦII).
Существует два вида закалки – объемная и поверхностная. При объемной закалке закаливается весь объем изделия (сквозная закалка), а при поверхностной – только поверхностные слои. Для объемной закалки в зависимости от температуры нагрева различают полную закалку (структура после закалки - мартенсит) и неполную закалку (в структуре помимо мартенсита сохраняется вторая фаза – Ф или Ц).
3. ОБЪЕКТЫИССЛЕДОВАНИЯ, ОБОРУДОВАНИЕ
Объекты исследования – стали Ст3, 40, У10 в отожженном состоянии. Термическую обработку проводят в камерных печах. Измерения твердости проводят на приборах типа ТК.
4. ЗАДАНИЕ НА РАБОТУ
1. Провести измерения твердости образцов в отожженном состоянии;
2. Провести закалку сталей от 700, 750, 850и 920 оС;
3. Провести измерения твердости образцов в закаленном состоянии;
4. Определить структуру сталей в закаленном состоянии.
5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Ознакомиться с краткими сведениями из теории.
2. Измерить твердость образцов, изготовленных из сталей Ст3, 40, У10 в отожженном состоянии. Полученные результаты занести в таблицу 2.
3. Нагреть образцы всех марок стали до температур 700, 750 850и 920 оС, выдержать в печи 20 мин. и закалить охлаждением в воде.
4. Методом Роквелла (ГОСТ 9013-59) измерить твердость образцов после закалки и результаты измерений занести в таблицу 2. Полученные значения твердости перевести в НВ, используя специальную таблицу перевода значений твёрдости, определяемой различными методами.
5. Указать предполагаемую структуру сталей Ст3, 40, У10, полученную в результате закалки от различных температур.
6. Построить график зависимости твердости HВ от температуры нагрева под закалку сталей.
7. Проанализировать изменения структуры и твердости сталей в зависимости от температуры нагрева под закалку и марочного химического состава исследуемых образцов.
8. Сделать выводы по работе и подготовить отчет.
6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА
1. Цель работы;
1. Краткие теоретические сведения;
2. Результаты измерений;
3. График зависимости твердости НВ от температуры нагрева под закалку Тзак;
4. Выводы по работе.
Таблица 2 – Результаты измерений
| Марка стали | НВ стали после отжига | Тзак, оС | Твердость стали после закалки | Микроструктура стали после закалки | ||
| HRB | HRC | HB | ||||
| Ст3 | ||||||
| У10 | ||||||
ВЫВОДЫ:
___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________
7. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что такое мартенсит? Какие условия его образования? Какая кристаллическая решетка у мартенсита?
2. Какая структура будит у доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной сталей после полной и неполной закалки?
3. Как влияет содержание углерода в стали на выбор скорости охлаждения?
4. С какой скоростью следует охлаждать сталь, чтобы она закалилась?
8. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Материаловедение: Учебник для вузов // Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001.- 648 с
2. Геллер Ю.А., Рахшадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, 1980. – 447 с.
3. Материаловедение и технология металлов // Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. – М.: Высш. шк., 2002. - 523 с.
4. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна: Справочное изд. в 3-х томах. – М.: Интермет Инжиниринг.
Строение стали и чугуна. Т. 2 / М.Л. Бернштейн, Г.В. Курдюмов, В.С. Меськин и др.; Под общ. ред. А.Г. Рахштадта, Л.М. Капуткиной, С.Д. Прокошкина. 2005. – 528 с.
5. Материаловедение в машиностроении и промышленных технологиях: учебно-справочное руководство / В.А. Струк, Л.С. Пинчук, Н.К. Мышкин и др. - Долгопрудный: Издательский дом «Интеллект», 2010. - 536 с.
6. ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.