Geum.ru

Методические указания к выполнению лабораторной работы №6 для студентов всех форм обучения всех специальностей Брянск 2008

Вид материалаМетодические указания

Содержание


Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол № 3 от 04.04.08)
Задача работы
Краткие сведения из теории
Термической обработкой
Отпуск закаленных сталей
Указания по выполнению работы
Второе занятие
2.4. Содержание отчета
Защита лабораторной работы
Технология термической обработки стали
Список рекомендуемой литературы
Подобный материал:







Утверждаю

Ректор университета

________________А.В.Лагерев


«____»___________2008 г.


Материаловедение. Материаловедение

и технология конструкционных материалов

Исследование влияния термической обработки

на микроструктуру и механические свойства

некоторых углеродистых конструкционных

и инструментальных сталей

Методические указания

к выполнению лабораторной работы № 6

для студентов всех форм обучения всех специальностей







Брянск 2008



УДК 669.01


Материаловедение. Материаловедение и технология конструкционных материалов и другие совмещенные дисциплины. Исследование влияния термической обработки на микроструктуру и механические свойства некоторых углеродистых конструкционных и инструментальных сталей: методические указания к выполнению лабораторной работы № 6 для студентов всех форм обучения всех специальностей. – Брянск: БГТУ, 2008 – 16 с.


Разработал: В.П. Мельников,

канд.техн.наук, доц.


Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол № 3 от 04.04.08)




Цель и задачи работы


Цель работы – экспериментально показать, что оказанное температурное (тепловое) воздействие на металлические материалы может существенно изменять их строение и свойства.

Задача работы – изучить микроструктуру и твердость образцов после термических обработок, подвергнув образцы углеродистой конструкционной и инструментальной сталей отжигу, нормализации, закалке и отпуску; выполнить индивидуальное задание по назначению термической обработки для конкретного изделия.

Продолжительность работы – 4 часа.

  1. Краткие сведения из теории


Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов.

Термической обработкой называют совокупность операций нагрева, выдержки и последующего охлаждения изделий из металлов и сплавов. Задача термической обработки – путем нагрева и охлаждения вызвать требуемые изменения структуры и как следствие свойств*. Наиболее распространенными видами термической обработки являются отжиг, нормализация и закалка с отпуском.

Режимы термических обработок характеризуются следующими параметрами (рис. 1): временем (скоростью) нагрева τн до требуемой температуры tmp.н, временем выдержки τв и временем охлаждения τо (охлаждение с заданной скоростью снижения температуры).

Скорость нагревания зависит от химического состава стали исходного состояния и сложности конфигурации изделия. Требуемая температура нагрева в основном определяется на основании диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов (рис.2). Выдержка при температуре нагрева должна обеспечивать полный прогрев изделия по всему объему для завершения фазовых превращений, растворения карбидов и выравнивания температуры и химического состава во всех сечениях. Условия (скорость) охлаждения при каждом виде термической обработки различны.

________________

* Термообработка имеет особое значение для изделий из сталей из-за полиморфизма железа. Для сплавов на базе других элементов она не дает такого эффекта по изменению свойств, как для сталей.





30…50o 50…70о

τн τв τо С Ay

911o tтр.н. ACcm

AC3 50…70o

P S АС1 K






Время (τ) 0 0,02 0,8 С,%

Рис. 1. Режим термической Рис.2. Оптимальные интервалы

обработки температур нагрева для

термической обработки до-

и заэвтектоидных сталей

(АСз и АСсм – верхние кри-

тические температуры;

АС – нижняя критическая

температура)


Изделия несложных конфигураций из углеродистых и малолегированных сталей с низким углеродом можно нагревать относительно быстро: загружать изделия в предварительно нагретую до требуемой температуры печь. В этом случае общее время нагревания и выдержки при заданной температуре обычно исчисляют из расчета 1 минута на 1мм толщины в наибольшем сечении изделия из углеродистых сталей. Для малоуглеродистых легированных сталей в связи с их пониженной теплопроводностью* это время увеличивается на 25…40 % **.

Традиционными видами термической обработки изделий из конструкционных и инструментальных сталей являются отжиг, нормализация, закалка в сочетании с тем или иным вида отпуска.

________________

* Вследствие чего между внешними и внутренними слоями возникает большой перепад температур, приводящий к возникновению больших внутренних напряжений, а иногда и к возникновению трещин в процессе нагрева.

** Для изделий из среднелегированных и высоколегированных сталей время нагревания и время выдержки при температуре нагрева рассчитываются на основании известных эмпирических формул или определяются экспериментально в каждом конкретном случае.
  1. Отжиг*

Отжигом называют вид термической обработки, заключающейся в нагреве выше критических температур (рис.2) с последующим медленным охлаждением (обычно вместе с выключенной печью).

В зависимости от температуры нагрева отжиг подразделяют на полный (нагрев выше верхней критической температуры) и неполный (выше нижней критической температуры). Доэвтектоидные стали подвергают обычно только полному отжигу (нагрев на 30…50оС выше АС3)**, заэвтектоидные стали – неполному (нагрев на 50…70оС выше АС1)***.

  1. Нормализация

Нормализацией называют вид термической обработки, включающей нагрев выше верхних критических точек доэвтектоидных сталей на 30…50оС, заэвтектоидных – 50…70оС (рис.2) с последующим охлаждением на воздухе.

Микроструктура доэвтектоидных сталей перлитного класса после нормализации по фазовому составу получается такой же, как и после отжига, только более мелкозернистой вследствие ускоренного охлаждения на воздухе. Это способствует повышению твердости и прочности нормализованных сталей (по сравнению с отожженными) примерно на 10…15%.

  1. Закалка****

Закалкой называют вид термической обработки, заключающейся в нагреве сталей выше критических температур с последующим охлаждением со скоростями больше критических или критическими. При этом аустенит превращается в мартенсит, представляющий собой пересыщенный раствор углерода в тетрагональной α-решетке.

Указанные скорости охлаждения обеспечиваются применением соответствующих охлаждающих сред (см. приложение, табл.2).

_____________

* Речь идет об отжиге II-го рода (об отжиге для фазовой перекристаллизации).

** При неполном отжиге доэвтектоидных сталей феррит практически не претерпевает превращений, а потому в строении сталей не происходит заметных изменений.

*** При полном отжиге в заэвтектоидных сталях формируется цементитная сетка, резко снижающая механические свойства.

**** Речь идет о закалке с полиморфным превращением.

Закалку подразделяют на полную (нагрев на 30…50оС для доэвтектоидных и на 50…70оС для заэвтектоидных сталей выше верхних критических температур) и неполную (нагрев на 30…50оС или на 50…70оС соответственно выше нижней критической температуры АсI).

Закалка, вследствие больших остаточных напряжений в закаленных изделиях, высокой хрупкости мартенсита, не является окончательной термической обработкой. Поэтому закаленные изделия подвергают дополнительной термической обработке, называемой отпуском.

  1. Отпуск закаленных сталей


Отпуском называют вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленных сталей до температур, не превышающих АСI (рис.2).

По температуре нагрева отпуск подразделяют на:

- низкотемпературный (НТО) – до 200 (250) оС;

- среднетемпературный (СТО) – 350…450 (480) оС;

- высокотемпературный (ВТО) – 500…650 (680) оС.

Закалка с высокотемпературным отпуском называется термическим улучшением (или просто улучшением).

Температура, время выдержки и скорость охлаждения после отпуска выбирается в зависимости от характера и назначения изделия, химического состава стали и требований к свойствам.

  1. УКАЗАНИЯ ПО ВЫПОЛНЕНИЮ РАБОТЫ

И СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА

    1. Необходимые материалы и оборудование



  1. По 6 шт. образцов одинаковых размеров и одного химического состава из сталей разного назначения.
  2. Термические печи для нагрева.
  3. Потенциометры для замера температур.
  4. Бачок с водой для охлаждения (закалки) образцов.
  5. Клещи для загрузки и выгрузки образцов из печей.
  6. Напильник, шлифовальная бумага с разной зернистостью абразива для предварительной механической обработки и подготовки образцов к полированию.
  7. Полировальный станок, суспензия порошка окиси хрома для полировки шлифов.
  8. Реактив ниталь (3…5% азотной кислоты в спирте) для травления и выявления микроструктуры изучаемых образцов; фильтровальная бумага для сушки шлифов после промывания в воде.
  9. Металлографический микроскоп для изучения микроструктур.
  10. Твердомеры для измерения твердости образцов после термических обработок.



    1. Техника безопасности



  1. Не разрешается касаться электропроводки руками, вскрывать защитный кожух терморегулятора на электропечах, находящихся под напряжением.
  2. Электропечи включать и выключать рубильниками.
  3. Образцы закладывать в печи и извлекать из них только клещами.
  4. Запрещается снимать защитный кожух полировального станка при вращении диска.


2.3. Последовательность выполнения работы


Работа выполняется за 2 занятия.

Первое занятие (2 часа):
  1. Получить образцы (№ 1-6 из стали одного химического состава и № 7-12 – другого), записать клейма.
  2. Назначить режимы отжига, нормализации, закалки и отпусков (прил. 1).
  3. Загрузить в предварительно нагретую печь обр. № 1 и 7 – на отжиг; обр. № 2 и 8 – на нормализацию; обр. № 3-6 и 9-12 – на закалку, выдержать в печи и охладить по режимам соответственно виду термической обработки.
  4. Образцы № 4 и 10 подвергнуть отпуску при температуре 200оС, образцы № 5 и 11 – при 400оС и образцы № 6 и 12 – при 600оС. Время выдержки не менее 50 минут, охлаждение после отпуска на воздухе.
  5. Начать предварительное оформление отчета.


Второе занятие (2 часа).

1. Зачистить на шлифовальной бумаге с грубым зерном торцы образцов и измерить твердость:

- образцов № 1,2,7,8 – на твердомере Бринелля;

- образцов № 3-6 и 9-12 – на твердомере Роквелла.

Результаты занести в отчет.

2. Провести предварительную шлифовку (вручную) образцов на шлифовальных бумагах различной зернистости и отполировать на полировальном станке поверхность шлифов.

3. Промыть и высушить фильтровальной бумагой шлифы после полировки.

4. Протравить шлифы в реактиве, повторно промыть и высушить.

5. Изучить и зарисовать в отчете микроструктуры образцов.


2.4. Содержание отчета


При составлении отчета необходимо:

- сформулировать цель и задачи работы;

- дать краткое изложение теории термической обработки и характеристику различных видов термообработок;

- перечислить необходимое оборудование и материалы, использованные при выполнении работы;

- кратко описать методику выполнения работы;

- привести результаты экспериментов в табл. 1 и 2 нижеприведенных форм;

- описать превращения, происходящие при отжиге, нормализации и отпуске сталей;

- привести рисунки микроструктур исследованных сталей после различных видов термической обработки; проанализировать микроструктуры и описать их различие;

- сравнить твердость сталей после отжига, нормализации, закалки и закалки с отпуском. Построить график зависимостей твердости закаленных сталей от температуры отпуска (рис. 3): для образцов № 3 и 9 температуру отпуска считать равной +20оС;





HRC

40


20


0 200 400 600 оС


Рис.3. Зависимость твердости закаленных сталей

от температуры отпуска


- отчет закончить выводами.

  1. Выполнение индивидуальных заданий


Задания выдаются преподавателем (тексты заданий приведены в работах [4] и [5].

Решение заданий привести в отчете по лабораторной работе.

  1. Защита лабораторной работы


Защита работы проводится в форме собеседования с преподавателем. Излагаемую информацию при необходимости иллюстрировать графиками и рисунками.

Перед защитой необходимо проработать теоретические положения по теме работы и быть готовыми к ответу на вопросы, приведенные ниже.

Таблица 1

Высокотемпературные виды термических обработок

№ образца
Исходная твердость, НВ
Вид термической обработки
Режимы
Твердость
Микроструктура

Температура нагрева t,оС
Время нагрева и выдержки τ, мин
Охлаждающая среда
НВ
HRC






























Таблица 2

Низкотемпературные обработки

№ образца
Вид отпуска
Режимы отпуска
Твердость, HRC
Микроструктура

Температура t,оС
Время выдержки τ, мин
Охлаждающая среда
























  1. Вопросы Для самоподготовки

к выполнению и защите лабораторной работы


Теория термической обработки

  1. Что понимают под термической обработкой?
  2. Распад переохлажденного аустенита в изотермических условиях и при непрерывном охлаждении с различными скоростями. В каких координатах строятся термокинетические диаграммы?
  3. В чем различие между перлитом, сорбитом, трооститом и бейнитом в строении и по свойствам? Что понимают под мартенситом? Каковы его свойства в сравнении с другими структурными составляющими, образующимися при распаде переохлажденного аустенита?
  4. В чем заключается влияние углерода на температуру начала и конца мартенситного превращения?
  5. Что понимают под критической скоростью закалки? От чего она зависит?
  6. Превращение мартенсита (закалки) и остаточного аустенита при нагреве закаленной стали. Чем отличается мартенсит отпуска от мартенсита закалки? В чем отличие строения сорбита и троостита отпуска от одноименных структур, образующихся при распаде переохлажденного аустенита?


Технология термической обработки стали

  1. Какие операции термических обработок называют отжигом, нормализацией, закалкой и отпуском? Каковы условия охлаждения при этом?
  2. Какие параметры характеризуют режим любой термической обработки? От каких факторов зависят? Как выбирается температура нагрева, время нагрева и выдержки для термической обработки?
  3. После какой термической обработки достигается наиболее высокая твердость?
  4. Закалка при непрерывном охлаждении, прерывистая, ступенчатая и изотермическая. Требования к охлаждающим средам. Охлаждающие среды.
  5. Что такое закаливаемость и прокаливаемость сталей? Перечислите основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на эти характеристики. Какова связь между прокаливаемостью и критической скоростью закалки?
  6. Назовите виды отпуска закаленных сталей.


Дополнительные вопросы к защите лабораторной работы

  1. Перечислите возможные продукты распада переохлажденного аустенита при охлаждении со скоростями меньше и больше критической.
  2. В каких случаях изделия подвергаются отжигу, нормализации или закалке?
  3. Какими структурными дефектами сопровождается нагрев изделий значительно выше верхних критических температур? При какой температуре начинается интенсивный рост аустенитного зерна наследственно мелкозернистой стали?
  4. Как отражается перегрев сталей на свойствах термообработанных изделий?
  5. Почему полный отжиг не применяется для заэвтектоидных сталей?
  6. Для изделий из каких сталей отжиг можно заменить нормализацией? Почему?
  7. Какими характеристиками оцениваются результаты закалки сталей?
  8. Почему закалка не может быть окончательной термической обработкой?
  9. Почему доэвтектоидные стали рекомендуют подвергать полной закалке, а заэвтектоидные – неполной?
  10. Чем определяется выбор охлаждающей среды при закалке?
  11. Какой способ закалки позволяет иметь в изделиях наименьшие внутренние остаточные напряжения и величину деформации?
  12. Какую микроструктуру принимают за закаленную? Как регулируется глубина закаленного слоя в реальных изделиях?
  13. От чего зависит количество остаточного аустенита в закаленных сталях? Будет ли в структуре закаленной углеродистой стали с 0,5% углерода остаточный аустенит? Почему?
  14. С какой целью производится тот или иной вид отпуска закаленных сталей? Как изменяется твердость закаленной стали в зависимости от температуры отпуска?
  15. Что понимают под термическим улучшением? Когда оно применяется? Какова микроструктура стали? Какие свойства стали приобретают оптимальные значения?
  16. Какая микроструктура обеспечивает наибольшую твердость стали?
  17. Какие термические обработки обеспечивают наиболее высокую пластичность?
  18. Какой термической обработкой можно повысить предел упругости стали?
  19. Какая термическая обработка обеспечивает высокую износостойкость, а какая – предел выносливости?
  20. В чем причина высокой восприимчивости сталей к термической обработке?
  21. Назовите основные фазовые превращения при термической обработке стали.
  22. В чем заключаются принципиальные отличия в условиях охлаждения при получении равновесных и неравновесных микроструктур?


Список рекомендуемой литературы

  1. Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.
  2. Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов: учеб. для вузов / Ю.М.Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993.- 448с.
  3. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
  4. Мельников, В.П. Материаловедение. Термическая и химико-термическая обработки: сб. инд. заданий /В.П.Мельников – Брянск: БГТУ,1996.– 11с.
  5. Мельников, В.П. Материаловедение. Термическая обработка: индивидуальные задания /В.П.Мельников. – Брянск: БИТМ, 1989. – 9 с.

Приложение


Справочные данные


Таблица 1

Критические температуры сталей

Марка стали
Критические точки, оС
Марка стали
Критические точки, оС

АС1
АС3
АС1
АС3
АСсm

20

25

30

35

40

45

50

55
735

735

730

730

730

730

725

725
850

835

820

810

790

755

760

755
60

У7

У8

У9

У10

У12
725

730

730

740

730

730
750

770

765

-

-

-
-

-

-

760

800

820


Таблица 2

Интенсивность охлаждения изделий в охлаждающих средах

Охлаждающая среда
Скорость охлаждения в интервале

температур ( о/сек)

500…600оС
200…300оС

Вода при + 18о

+ 26о

+ 50о

+ 74о

Масло (20…200оС)

Раствор NaCl в воде при + 18оС

Спокойный воздух
600

500

100

30

150


1100

3
270

270

270

200

30


300

1



Таблица 3

Твердость и микроструктура некоторых сталей в зависимости

от термообработки

Марка стали
Термообработка
Микроструктура
Твердость
Примечание

НВ
HRC

45
Отжиг

Нормализация

Закалка

Закалка и отпуск 200оС

Закалка и отпуск 400оС

Закалка и отпуск 600оС
Феррит и перлит

Феррит и перлит

Мартенсит закалки

Мартенсит отпуска


Троостит отпуска


Сорбит отпуска
~179

~197

-

-


-
-

-

~56

~52


~42


~27
Диаметр

образца

10 мм.

Охлаждение при

закалке

в воде

У8
Отжиг


Нормализация


Закалка


Закалка и

отпуск 200оС


Закалка и

отпуск 600оС
Перлит пластинчатый

Перлит пластинчатый сорбитизированный


Мартенсит закалки


Мартенсит отпуска


Сорбит отпуска
~230


~270


-


-


-
-


-


~63


~60


~30
Ø =10мм.

Охлаждение при закалке в воде. После закалки кроме мартенсита имеется остаточный аустенит, который обнаруживается только спецметодами исследования



Материаловедение. Материаловедение и технология конструкционных материалов и другие совмещенные дисциплины. Исследование влияния термической обработки на микроструктуру и механические свойства некоторых углеродистых конструкционных и инструментальных сталей: методические указания к выполнению лабораторной работы № 6 для студентов всех форм обучения всех специальностей.


Мельников Валентин Павлович


Научный редактор С.В. Давыдов

Редактор издательства Л.И. Афонина

Компьютерный набор А.И. Жуков

Иллюстрации В.П.Мельников


Темплан 2008 г., п 165


Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,93. Тираж 50 экз. Заказ . Бесплатно.


Брянский государственный технический университет.

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.