Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Лабораторная работа №1-4.docx
Скачиваний:
83
Добавлен:
04.11.2018
Размер:
1.86 Mб
Скачать

Лабораторная работа №4 Определение микроструктуры и механических свойств углеродистой стали до и после термической обработки, ее режимов

Цель работы – научиться самостоятельно определять режимы закалки и отпуска стали, микроструктуру и твердость углеродистой стали до и после термообработки (закалки и отпуска).

Оборудование и материалы:

- электропечи сопротивления – 3 шт.;

- закалочный бак с водой;

- закалочный бак с маслом;

- прибор типа Роквелла ТК – 2;

- образцы углеродистой стали:

а) конструкционной 10…20;

б) конструкционной 35…65;

в) инструментальной У8…У12;

- клещи;

- штангенциркуль;

- шлифовальная бумага.

Общие сведения

Эксплуатационные свойства стали зависят от ее химического состава и структуры. Изменение структуры и механических свойств достигается термической обработкой.

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве сталей до температур выше критических точек Ас3 (доэвтектоидные стали) или Aс1 (заэвтектоидные стали) на 30-50 °С, выдержке при заданных температурах и последующем охлаждении со скоростью выше критической (Vкр). Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, обеспечивающую бездиффузионное превращение аустенита в мартенсит. Целью закалки является повышение твердости и прочности стали. Возможность упрочнения стали путем закалки обусловлена фазовыми превращениями, протекающими при нагреве и охлаждении.

В зависимости от скорости охлаждения могут быть получены следующие основные структуры: перлит, сорбит, троостит и мартенсит.

Отпуск является заключительной операцией термической обработки, придающей стальной детали окончательные эксплуатационные свойства. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск рекомендуется проводить после закалки инструмента, элементов подшипников качения, изделий из конструкционных сталей после цементации.

Средний отпуск обеспечивает высокие значения пределов упругости и выносливости (усталости). Рекомендуется для обработки рессор, пружин, а также некоторых штампов.

После закалки и высокого отпуска получается оптимальное соотношение между характеристиками прочности и пластичности. Поэтому эту термическую обработку называют улучшением и применяют для среднеуглеродистых конструкционных сталей, работающих в условиях высоких механических нагрузок (коленчатые валы, шатуны двигателей внутреннего сгорания и т.п.).

Подготовка образцов для термической обработки

Образцы должны быть цилиндрические или прямоугольные диаметром или толщиной 10 – 15 мм, высотой 15 – 20 мм. На боковой поверхности каждого образца должно быть клеймо марки стали. Марку стали образца записывают в графу 2 протокола. Образцы измеряют при помощи штангенциркуля, и результаты замера записывают в графу 3 протокола.

Определить твердость (HRCэ) образцов в исходном (отожженном) состоянии, сделать перевод полученного результата на твердость по НВ и оба значения твердости записать в графы 4 и 5 протокола.

Методика проведения закалки

1. Определить температуру закалки стали, пользуясь для этого нижней частью диаграммы железо–цементит (рисунок 1). Для среднеуглеродистых доэвтектоидных сталей нормальной температурой закалки является температура на 30 – 50 °С выше линии GS т.е. Ас3 + (30 – 50 °С). Для высокоуглеродистых заэвтектоидных сталей нормальной температурой закалки является температура на 30 – 50 °С выше линии PSK, т.е. Ас1 + (30 – 50 °С). Температуру закалки записать в графу 6 протокола.

Рисунок 1 – Оптимальный интервал температур закалки углеродистой стали

  1. Определить время нагрева образцов из расчета 1 – 2 мин на 1 мм диаметра или толщины образца и время выдержки из расчета 20% от времени нагрева, суммарное время термообработки записать в графу 7 протокола.

  2. Образцы поместить в печь, нагретую до температуры закалки, для стали данной марки, и выдержать в печи требуемое время. При нагревании до температуры закалки образцов из стали 10 – 65 исходная феррито-перлитная структура превратится в структуру аустенита, а в образцах из стали У8 – У12 при температуре закалки будет структура аустенит и цементит, т.е. часть цементита остается нерастворенной.

  1. Образцы последовательно вынуть из печи и охладить в воде (масле) при непрерывном энергичном движении образца в охлаждающей жидкости. При охлаждении в воде происходит распад аустенита с образованием мартенсита. При охлаждении в масле образуется смешанная мартенситно-трооститная структура.

  2. Оба торца образцов зачистить на шлифовальной бумаге.

  3. Определить твердость закаленных образцов (HRCэ), полученный результат записать в графы 8 и 9 протокола.

Методика проведения отпуска

  1. Выбрать температуру:

для низкого отпуска ~ 200 °С;

для среднего отпуска ~ 400 °С;

для высокого отпуска ~ 600 °С;

  1. Определить время выдержки при температуре отпуска из расчета 2 – 3 мин на 1 мм диаметра или толщины образца и записать в графу 11 протокола.

  2. Образцы поместить в электропечь, нагретую до нужной температуры, выдержать в ней необходимое время и охладить на воздухе.

В результате отпуска при 200 °С происходит превращение мартенсита закалки в мартенсит отпуска, снижение внутренних напряжений и хрупкости; твердость остается почти без изменений.

В результате отпуска при 400 °С происходит превращение мартенсита в троостит отпуска (мелкодисперсную феррито-цементитную смесь), твердость снижается.

В результате отпуска при 600 °С образуется сорбит отпуска, феррито-цементитная смесь более крупная, чем троостит. Твердость еще более снижается.

  1. Оба торца образца зачистить на шлифовальной бумаге.

  2. Определить твердость по HRCэ и полученный результат записать в графы 12 и 13 протокола.

  3. Построить кривые зависимости твердости от содержания углерода в сталях до и после закалки и отпуска, пользуясь примером (рисунок 2).

Рисунок 2 – График зависимости твердости от содержания углерода

а – до закалки, б – после закалки; в – после закалки и отпуска

Таблица 1 – Соотношение чисел твердости

НВ

HRCэ

HRB

НВ

HRCэ

HRB

НВ

HRCэ

HRB

780

72

302

31

156

0

84

745

70

293

30

152

83

712

68

285

29

149

82

682

66

277

28

146

81

653

64

269

27

143

80

627

62

262

26

140

79

601

60

255

25

137

78

578

58

248

24

134

77

555

56

241

23

102

131

76

534

54

235

21

101

128

75

514

52

229

20

100

126

74

495

50

223

19

99

123

73

477

49

217

17

98

121

72

461

48

212

15

97

118

71

444

46

207

14

95

116

70

429

45

201

13

94

114

68

415

43

197

12

93

111

67

401

42

192

11

92

109

66

388

41

187

9

91

107

65

375

40

183

8

90

105

64

363

39

179

7

90

103

62

352

38

174

6

89

101

61

341

36

170

4

88

99

59

331

35

167

3

87

97

58

321

33

163

2

86

96

57

311

32

159

1

85

Таблица 2 – Протокол термической обработки углеродистой стали

№ образца

Марка стали

Диаметр (толщина), мм

Твердость в исходном состоянии

Температура закалки, °С

Время нагрева и выдержки, мин

Твердость после

закалки

Температура отпуска, °С

Время выдержки, мин

Твердость после

отпуска

HRCэ

HB

HRCэ

HB

HRCэ

HB

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

1

2

3

Составление отчета

Отчет должен содержать:

  1. Тему и цель работы.

  2. Оборудование и материалы.

  3. Часть диаграммы состояния Fe–Fe3C, с обозначением температур выбранных для закалки данных марок сталей.

  4. Заполненный протокол термической обработки углеродистой стали.

  5. Описание структуры стали до и после термической обработки?

  6. График зависимости твердости от содержания углерода в сталях до и после закалки и отпуска.

  7. Выводы по работе.

Контрольные вопросы:

  1. Какое назначение закалки?

  2. Какая цель отпуска?

  3. В каких средах проводится охлаждение при закалке?

  4. Какие структуры образуются после закалки и после отпуска?

  5. Как выбирается температура закалки?

  6. Как определить время нагрева образца и время выдержки?

  7. Как углерод влияет на закаливаемость стали?