Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Саратовский государственный технический университет термическая обработка углеродистой стали
Методические указания к выполнению лабораторной работы
по курсу
«Электротехнологические установки и системы»
для студентов дневной и очно-заочной форм обучения
специальности 180500
Одобрено редакционно-издательским советом
Саратовского государственного технического университета
Саратов 2005
Цель работы: познакомиться с технологией термической обработки стали и изучить влияние режимов термической обработки на твердость стали.
Основные положения
Для регулирования механических свойств углеродистой стали применяют различные виды термической обработки: отжиг, нормализацию, закалку и отпуск.
Термическая обработка – процесс, связанный с нагревом и охлаждением металла, находящегося в твердом состоянии, с целью изменения его структуры и свойств без изменения химического состава.
Режим термической обработки характеризуют следующие параметры: скорость нагрева, температура, продолжительность выдержки при заданной температуре, скорость охлаждения.
Наиболее важными из них являются температура нагрева, назначаемая исходя из положения критических точек (рисунок) на диаграмме состояния железо-цементит – АI (точки линии РSК), А3 (точки линии (GS ) и АСТ (точки линии SE); скорость охлаждения, назначаемая в соответствии с положением областей диаграммы термокинетического превращения аустенита соответствующей марки стали. При обычных скоростях нагрева критические точки оказываются выше указанных на диаграмме равновесия на 10...15°С и обозначаются AC1 и AC3.
Отжиг является предварительной термической обработкой заготовок деталей машин. Имеется несколько видов отжига. В машиностроении наиболее часто применяют полный отжиг доэвтектоидных сталей с нагревом до температуры ТОТЖ = AC3 + (30...50°).
После выдержки при этой температуре и медленного охлаждения вместе с печью получают равновесную мелкозернистую структуру, указанную на диаграмме железо-цементит. Тем самым структура подготавливается к окончательной термической обработке. Одновременно снимаются внутренние остаточные напряжения и уменьшается твердость, что улучшает обрабатываемость заготовок резанием.
Нормализация
– операция термической обработки,
заключающаяся в нагреве стали выше
точек АС3
или АСТ
на 30...50°, затем выдержке и последующем
охлаждении на спокойном воздухе.
Нормализация преследует различные цели
в зависимости от содержания углерода
в стали. Для малоуглеродистых сталей
(0,10...0,20% С) нормализацию можно применять
вместо отжига, что экономически выгодно.
Перлит при нормализации имеет более
тонкое строение, чем при отжиге, но это
мало отражается н
Рис.
1. Часть диаграммы состояния Fe
– Fe3С
Содержание
углерода, %
Рисунок. Диаграмма состояния
Для среднеуглеродистых сталей цель нормализации - повышение механических свойств путем измельчения зерна и получения тонкопластинчатого перлита. Эта обработка может быть как предварительной, так и окончательной.
Для заэвтектоидных сталей нормализация проводится для уничтожения цементитной сетки. Это предварительная термическая обработка.
Закалка стали – термическая операция, заключающаяся в нагреве доэвтектоидной стали до температуры выше точки АС3, а заэвтектоидной стали – выше точки АС1 на 30...50°, выдержке при заданной температуре с последующим быстрым охлаждением.
Основная цель закалки - получение высокой твердости, прочности, износоустойчивости. Эта цель достигается при получении мартенситной структуры в результате охлаждения стали со скоростью больше критической скорости закалки. При меньших скоростях охлаждения часть аустенита распадается на феррито-цементитную смесь (типа тростита), и тогда в структуре закаленной стали количество мартенсита может снизиться. При содержании мартенсита менее 50% сталь считается незакаленной. Требуемая скорость охлаждения обеспечивается подбором охлаждающей среды. В производственной практике обычно применяют воду для закалки изделий из углеродистых сталей и минеральные масла для закалки изделий из легированных сталей.
Отпуск стали – заключительная операция термической обработки, при которой закаленная сталь нагревается ниже критической точки AI, выдерживается при заданной температуре и затем охлаждается. Отпуск проводится с целью уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, и получения необходимых физико-механических свойств стали, в результате распада мартенсита с последующей коагуляцией и сферодизацией цементита.
Различают низкий (150-250°С), средний (300-500°С) и высокий (500-650°С) отпуск. С повышением температур отпуска предел прочности и твердость понижаются, а пластичность и ударная вязкость повышаются.
Низкий отпуск применяется для изделий, где требуется высокая твердость (HRC 56...64) и износостойкость калибров, шаблонов, метчиков, штампов холодного деформирования и др. Структура стали после низкого отпуска - отпущенный мартенсит (продукт частичного распада мартенсита с выделением - карбида).
Средний отпуск обеспечивает в изделиях относительно высокую твердость (HRC 40...54) и максимальный предел упругости. Этот вид отпуска чаще всего применяют при изготовлении рессор и пружин. Структура стали после среднего отпуска - тростит отпуска (мелкодисперсная смесь феррита и цементита).
Высокий отпуск применяется для деталей, от которых требуется сочетание достаточной прочности и высокой ударной вязкости. Высокий отпуск применяют при изготовлении шатунов, ответственных крепежных изделий, замков бурильных труб и других деталей машин и инструментов, испытывающих в работе ударные нагрузки. Термическую операцию – закалку с высоким отпуском – называют улучшением. Структура стали в термически улучшенном состоянии – сорбит отпуска (феррито-цементит-ная смесь с более крупными зернами цементита, чем в тростите).