Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 4

 

  Главная      Учебники - Разные     Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение»

 

поиск по сайту            правообладателям  

 

 

 

 

 

 

 



 

содержание   ..  2  3  4  5   ..

 

 

Лабораторный практикум по дисциплине «Материаловедение» - часть 4

 

 

52
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Цель работы: провести исследование зависимости механических
свойств углеродистых сталей от термической обработки.
Краткие теоретические сведения
Термической обработкой называется процесс, состоящий в нагреве
стали до определенной температуры, выдержке при этой температуре и
последующем охлаждении с определенной скоростью. При этом
происходит изменение структуры металла, а отсюда и его свойств при
неизменном химическом составе. Основные параметры режима
термообработки
-
температура
нагрева,
скорость
нагрева,
продолжительность выдержки при температуре нагрева и скорость
охлаждения.
Термическая обработка стали основана на том, что неустойчивая при
низких температурах структура аустенита распадается в зависимости от
скорости охлаждения сплава и превращается в структуры, обладающие
различными свойствами. Продуктами распада аустенита могут быть
мартенсит, троостит, сорбит и перлит.
Интервалы температур для термообработки углеродистых сталей
определяется с помощью диаграммы состояния «железо-углерод» (рисунок
6.1), руководствуясь процентным содержанием углерода.
а)
б)
Рисунок 6.1- Зоны (интервалы температур) нагрева сталей для
термической обработки:
53
а - для отжига и нормализации; б - для закалки и отпуска
1 - полный отжиг; 2 - неполный отжиг; 3 - диффузионный отжиг;
4 - рекристаллизационный отжиг; 5 - нормализация
Основными видами термической обработки являются отжиг,
нормализация, закалка и отпуск.
Цель отжига - снижение твердости, изменение формы и размера
зерна, выравнивание химического состава, снятие внутренних напряжений.
При отжиге производится нагрев стали до определенной температуры,
выдержке при этой температуре и медленном охлаждении
(вместе с
печью). Существуют различные виды отжига: полный, неполный,
диффузионный, рекристаллизационный. Температура нагрева стали для
ряда видов отжига связаны с положением линий диаграммы «железо-
углерод» (рис. 6.1).
Нормализация заключается в нагревании стали до температуры на
30...50°С выше линии GSE, выдержке при этой температуре и охлаждении
на спокойном воздухе со скоростью большей, чем при отжиге. При таком
нагревании сталь приобретает структуру аустенита, а при охлаждении на
спокойном воздухе образуется более тонкая, чем при отжиге, перлитная
структура - сорбит. В результате нормализации уменьшаются внутренние
напряжения, однако твердость стали остается выше, чем после других
видов отжига.
Цель закалки - повышение твердости и прочности стали -достигается
нагреванием стали до температуры на 30...50°С выше линии GSK (рис.
6.1), выдержкой при этой температуре и последующим резким
охлаждением. На практике для охлаждения углеродистых сталей
применяют воду, а для легированных сталей - минеральные масла. При
этом у стали образуется структура мартенсит. Кристаллическая решетка
железа перенасыщается атомами углерода, которые искажают ее. Это
ведет к увеличению прочности и твердости стали.
При расчете продолжительности нагрева детали под термическую
обработку можно руководствоваться данными таблицы
6.1.
Продолжительность выдержки принимают чаще всего равной 1/5 от общей
продолжительности нагрева.
54
Таблица 6.1 - Продолжительность нагрева деталей под термическую
обработку в зависимости от типа нагревательного устройства
Тип
Продолжительность нагрева (сек.)
Температура
нагревательного
на 1 мм диаметра изделия из стали
нагрева, 0С
устройства
углеродистой
легированной
770-820
60-65
60-65
Электропечь
820-880
50-55
70-75
Пламенная печь
800-900
60-70
65-80
770-820
12-14
18-20
Соляная ванна
820-880
10-12
16-18
Способность стали закаливаться на мартенсит называется
закаливаемостью. Стали с низким содержанием углерода (менее 0,3%)
практически не закаливаются.
Прокаливаемостью называется глубина проникновения закаленной
зоны. Отсутствие сквозной прокаливаемости объясняется тем, что при
охлаждении сердцевина остывает медленнее, чем поверхность.
Прокаливаемость характеризует критический диаметр, т.е. максимальный
диаметр детали цилиндрического сечения, которая прокаливается
насквозь.
Однако закалка, обеспечивая получение высокой твердости, со-
провождается возникновением внутренних напряжений и резким
снижением пластичности и ударной вязкости стали. Это может привести к
хрупкому разрушению детали при воздействии эксплуатационных
нагрузок.Для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластич-
ности и ударной вязкости стали после закалки применяют другой вид
термической обработки
- отпуск, который заключается в нагревании
закаленной стали до температуры, не превышающей линию PSK (рисунок
6.1) выдержке при этой температуре и последующем охлаждении.
При отпуске закаленной стали на мартенсит в ней происходят
превращения, приводящие к распаду мартенсита. Чем выше температура
отпуска, тем активнее углерод переходит из пересыщенного раствора в
пластинки цементита. По мере выхода углерода происходит уменьшение
55
искажения кристаллической решетки мартенсита и снижение внутренних
напряжений. При этом пластичность стали повышается, а твердость и
хрупкость понижаются.
В зависимости от температуры различают три вида отпуска: низкий,
средний, высокий.
Низкий отпуск производится при температуре
150...250°С. При
низком отпуске происходит небольшое выделение углерода из мартенсита.
Поэтому твердость стали снижается незначительно. Структуру,
образующуюся в результате низкого отпуска, называют мартенситом
отпуска или отпущенным мартенситом. Низкому отпуску подвергается
режущий и измерительный инструмент, штампы для холодной штамповки,
а также детали, которые должны обладать высокой износостойкостью.
Таблица 6.2 - Характеристика равновесных и неравновесных структур
сталей
Структура
Вид
металла в
Состав и строение
термической
Свойства
результате
структуры
обработки
термообработки
Отжиг
Перлит и феррит
Перлит - механическая
Зависят от количества
(нормализация)
смесь феррита и
феррита и перлита
цементита.
Феррит - твердый
раствор углерода в α -
железе.
Закалка
Мартенсит
Перенасыщенный
Отличается высокой
раствор углерода в α -
твердостью 60-64 HRC,
железе, полученный в
которая зависит от
результате
содержания в нем
бездиффузионного
углерода.
превращения
аустенита.
Кристаллическая
решетка
тетрогональной формы.
Низкий отпуск
Мартенсит
В мартенсите отпуска
Отличается высокой
отпуска
тетрагональная форма
твердостью (HRC 60-64)
решетки железа
и прочностью. За счет
переходит в
снижения напряженности
кубическую.
решетки повышается
Значительных
предел упругости и
изменений в структуре
ударная вязкость
56
нет.
металла.
Средний
Троостит
Троостит - тончайшая
Отличается повышенной
отпуск
механическая смесь
твердостью (HRC 40-50),
феррита и цементита
высоким пределом
упругости и хорошей
износостойкостью.
Высокий
Сорбит
Сорбит - тонкая
Отличается высоким
отпуск
механическая смесь
пределом прочности и
феррита и цементита
текучести при
достаточной ударной
вязкости; твердость (HRC
30-40) зависит от
химического состава
стали, температуры и
продолжительности
отпуска.
Средний отпуск производится при температуре 350... 450 °С. При
такой температуре мартенсит распадается с образованием троостита
отпуска. При среднем отпуске цементит образуется не в виде пластинок, а
в виде мельчайших зерен, что способствует повышению вязкости стали.
Среднему отпуску подвергаются изделия, которые должны обладать
высокой упругостью и достаточным запасом вязкости (рессоры, пружины
и др.).
Высокий отпуск производится при температуре
500...650°С. В
процессе высокого отпуска продуктом распада мартенсита является сорбит
отпуска, представляющий собой более крупные зерна феррита и
цементита, чем у троостита отпуска. В результате происходит полное
устранение остаточных напряжений, и сталь приобретает хорошие
пластичность и вязкость при достаточно высокой прочности. Такой отпуск
предназначен для деталей ответственного назначения, которые
испытывают в процессе эксплуатации ударные и знакопеременные
нагрузки.
Двойную термическую обработку, включающую в себя закалку и
последующий высокий отпуск называют термическим улучшением,
поскольку улучшается весь комплекс механических свойств стали.
В таблице
6.2
приведена характеристика равновесных и
неравновесных структур стали.
57
Цвета каления стали и соответствующая им температура
(0С)
представлены в таблице 6.3.
Таблица
6.3
- Цвета каления стали и соответствующая им
температура
Цвет
Температура
Цвет
Температура
Темно-коричневый
550
Ярко-красный
900
Желто-
Коричнево-красный
630
940
красный
Темно-красный
680
Желтый
1000
Темно-вишневый
740
Светло-желтый
1100
Вишневый
770
Желто-белый
1200
Ярко-вишневый
800
Белый
1300
Светло-красный
850
Цвета побежалости и соответствующая им температура
(0С)
представлены в таблице 6.4.
Таблица 6.4 - Цвета побежалости и соответствующая им температура
Цвет
Температура
Цвет
Температура
Пурпурно-
Светло-желтый
220
275
красный
Соломенно-желтый
240
Фиолетовый
285
Темно-желтый
250
Синий
295
Коричневый
255
Светло-синий
315
Коричнево-красный
265
Серо-зеленый
330
Порядок выполнения работы
Подобрать 3 образца из отожженной стали и определить их твердость
HB (HRC) в исходном состоянии. Пользуясь диаграммой состояния
железо-углерод, выбрать температуру закалки для обрабатываемой стали.
Определить время нагрева образцов в печи на основании приведенных
выше данных. Загрузить образцы в нагревательную печь и выдержать
необходимое время. Вынуть образцы из печи и охладить в заданной
охлаждающей жидкости. Зачистить торец образца и определить его
твердость. Произвести низкий, средний и высокий отпуск образцов и
определить их твердость.
Результаты испытаний внести в протокол.
Протокол результатов испытаний
58
Режим термической обработки
Твердость
Вид
Структура
время
время
термичес.
температура
охлажд.
после
нагрева,
выдержки,
HB
HRC
обработки
нагрева, 0С
среда
термообработки
мин
мин
Закалка
Низкий
отпуск
Средний
отпуск
Высокий
отпуск
Содержание отчета
1.
Наименование и цель работы.
2.
Оборудование и материалы.
3.
Краткие теоретические сведения.
4.
Зоны
(интервалы температур) нагрева сталей
для
термической
обработки.
5.
Протокол результатов испытаний.
6.
Выводы.
Вопросы к зачету
1.
Термообработка стали, ее основные виды.
2.
Режимы термообработки.
3.
Отжиг и нормализация.
4.
Структура и твердость стали после отжига, нормализации.
5.
Закалка. Выбор параметров режима закалки.
6.
Структура закаленной стали и причина ее высокой твердости.
7.
Прокаливаемость и закаливаемость стали.
8.
Отпуск, виды отпуска.
9.
Структура и твердость закаленной стали после отпуска
(низкого,
среднего и высокого).
Отчет по лабораторной работе №6
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
Цель работы _____________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
59
Термообработка стали, ее основные виды.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Режимы термообработки.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Отжиг и нормализация.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Структура и твердость стали после отжига, нормализации.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Закалка. Выбор параметров режима закалки.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Структура закаленной стали и причина ее высокой твердости.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Прокаливаемость и закаливаемость стали.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
60
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Отпуск, виды отпуска.
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Структура и твердость закаленной стали после отпуска (низкого, среднего
и высокого).
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Вывод __________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
________________________________________________________________
Дата выполнения работы_____________ Ф.И.О. студента_______________
61
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №7
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СТАЛЕЙ И
ЧУГУНОВ
Цель работы: изучить микроструктуру углеродистых сталей и чугунов в
равновесном состоянии. Освоить маркировку углеродистых сталей и
чугунов.
Краткие теоретические сведения
К углеродистым сталям относятся сплавы железа с углеродом с
массовой долей углерода от 0,02 до 2,14 %. Основными компонентами
углеродистых сталей являются железо и углерод.
Железо является полиморфным металлом, имеющим разные
кристаллические решетки в различных температурных интервалах. При
температурах ниже
910
°С, железо существует в α
-модификации,
кристаллическое строение которой представляет собой объемно-
центрированную кубическую решетку. Эта аллотропическая модификация
железа называется α -железом. В интервале температур от 910 °С до 1392
°С существует γ -железо с гранецентрированной кубической решеткой.
Углерод является неметаллическим элементом, обладающим
полиморфизмом. В природе встречается в виде графита и алмаза. В
углеродистых сталях эти компоненты взаимодействуют, образуя, и
зависимости от их количественного соотношения и температуры, разные
фазы, представляющие собой однородные части сплава. Это
взаимодействие заключается том, что углерод может растворяться как в
жидком (расплавленном) железе, так и в различных его модификациях в
твердом состоянии. Кроме того, он может образовывать с железом
химическое соединение. Таким образом, в углеродистых сталях различают
следующие фазы: жидкий сплав (Ж), твердые растворы - феррит (Ф) и
аустенит (А) и химическое соединение цементит (Ц).
62
Рисунок 7.1 - Фрагмент диаграммы состояния “железо-цементит”:
а) фазовая; б) структурная.
Феррит - твердый раствор внедрения углерода в α -железе. Имеет
объемно-центрированную кубическую решетку и содержит при
нормальной температуре менее
0,006
% углерода. У феррита низкие
твердость и прочность, высокие пластичность и ударная вязкость.
Аустенит - твердый раствор внедрения углерода в γ -железе, при
нормальной температуре в углеродистых сталях в равновесном состоянии
не существует.
Цементит - химическое соединение железа с углеродом, карбид
железа Fе3C. Он обладает сложной кристаллической решеткой, содержит
6,67 % углерода. Для цементита характерна высокая твердость и очень
низкая пластичность.
Согласно фазовой диаграмме "железо - цементит" (рисунок 7.1а)
углеродистые стали при нормальной температуре состоят из двух фаз:
феррита и цементита. Равновесные структуры углеродистых сталей
указываются на структурной диаграмме "железо - цементит" (рисунок
7.1б).
По сопоставлению с эвтектоидным составом углеродистые стали
подразделяются на: доэвтектоидные, эвтектоидную и заэвтектоидные.
Эвтектоидная сталь содержит 0,8 % С и имеет перлитную структуру
(рисунок 7.2б) - эвтектоидная смесь феррита и цементита. Перлит любой
углеродистой стали содержит 0,8 % С. Строение перлита таково, что
дисперсные частицы цементита равномерно расположены в ферритной
основе.
63
Доэвтектоидные стали содержат от
0,02 до
0,8
% С и имеют
ферритно-перлитную структуру (рисунок 7.2а). Здесь светлые зерна - это
феррит, а темные участки представляют собой перлит, являющийся
двухфазной структурной составляющей, состоящей из пластинок феррита
и цементита.
Заэвтектоидные стали содержат углерода от 0,8 до 2,14 % и имеют
структуру, которая состоит из перлита и цементита (рисунок 7.2в).
Структурно-свободный цементит (цементит вторичный) в объеме
медленно охлажденной стали располагается вокруг перлитных зерен и
металлографически это проявляется в виде цементитной сетки. Такое
расположение вторичного цементита способствует повышению хрупкости
и снижению вследствие этого, прочности. Поэтому от цементитной сетки
избавляются путем отжига на зернистый перлит, добиваясь более
равномерного распределения зерен цементита в стали.
В углеродистой стали кроме основных компонентов
(железа и
углерода) присутствует ряд примесей Мn, Si, S, P и др. Допустимые
количества примесей в сталях регламентируются соответствующими
стандартами. Примеси оказывают влияние на механические и
технологические свойства стали. Так, например, Мп и Si повышают
твердость и прочность, Р придает стали хладноломкость - хрупкость при
нормальной и пониженных температурах, а S
- горячеломкость
(красноломкость)
- хрупкость при температурах горячей обработки
давлением.
64
Рисунок 7.2 - Микроструктура углеродистых сталей:
а) доэвтектоидной; б) эвтектоидной; в) эаэвтектоидной
(слева - схематическое изображение).
По назначению и качеству углеродистые стали классифицируются
следующим образом:
1. Стали конструкционные углеродистые обыкновенного качества
содержат вредных примесей: серы до 0,05 %, а фосфора до 0,04 % (ГОСТ
380-94). Эти стали маркируются Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп и т.д. до Cт6.
Если после марки стоят буквы "кп" - это означает, что сталь кипящая,
полностью нераскисленная (раскисляют только ферромарганцем). Если
"сп" - сталь спокойная, получаемая полным раскисленнем (раскисляют
ферромарганцем, ферросилицием и алюминием). Если "пс"
- сталь
65
полуспокойная промежуточного типа. Стали углеродистые обыкновенного
качества широко применяются в строительстве. Из ряда марок
изготавливают детали машиностроения.
2. Стали конструкционные углеродистые качественные (ГОСТ 1050-
88).
К сталям этой группы предъявляют более высокие требования
относительно состава: меньшее содержание серы (менее 0,04 %) и фосфора
(менее
0,035
%). Они маркируются двузначными цифрами,
обозначающими среднюю массовую долю углерода в стали в сотых долях
процента. Например, сталь
30
- углеродистая конструкционная
качественная сталь со средней массовой долей углерода
0,3
%.
Качественные конструкционные углеродистые стали широко применяются
во всех отраслях машиностроения.
3.
Стали углеродистые инструментальные качественные и
высококачественные (ГОСТ 1435-90).
Эти стали маркируются буквой У и следующей за ней цифрой,
показывающей среднюю массовую долю углерода в десятых долях
процента. Например, сталь У10
- инструментальная углеродистая
качественная сталь со средней массовой долей углерода 1 %. Если в конце
марки стоит буква "А", это означает, что сталь высококачественная, т.е.
содержит меньше вредных примесей (серы менее 0,018 % и фосфора менее
0,025 %). Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, ножовки,
напильники и т.п.) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11,
У12, У13). Деревообрабатывающий инструмент, зубила, отвертки, топоры
и т. п. изготавливают из сталей У7 и У8.
К чугунам относятся сплавы железа с углеродом, содержащие более
2,14
%С. Практическое применение находят чугуны с содержанием
углерода до 4 - 4,5 %. При большем количестве углерода, механические
свойства существенно ухудшаются.
Промышленные чугуны не являются двойными сплавами, а содержат
кроме Fe и С, такие же примеси, как и углеродистые стали Мn, Si, S, P и
др. Однако в чугунах этих примесей больше и их влияние иное, чем в
сталях. Если весь имеющийся в чугуне углерод находится в химически
66
связанном состоянии, в виде карбида железа (F3C - цементит), то такой
чугун называется белым. Чугуны, в которых весь углерод или большая
часть, находится в свободном состоянии в виде графитных включений той
или иной формы, называются графитизированными.
Микроскопический анализ белых чугунов проводят, используя
диаграмму состояния Fe - Fe3С (рисунок 7.3). Из-за присутствия большого
количества цементита белый чугун обладает высокой твердостью (HB =
4500 - 5500 МПа), хрупок и практически не поддастся обработке резанием.
Поэтому белый чугун имеет ограниченное применение, как
конструкционный материал.
Обычной структурной составляющей белых чугунов является
ледебурит. Ледебуритом называют смесь аустенита и цементита,
образующуюся по эвтектической реакции при переохлаждении жидкости
состава точки С (4,3 % углерода) ниже температуры 1147 °C.
Чугун, содержащий
4,3
(точка С), называется белым
эвтектическим чугуном. Левее точки С находятся доэвтектические, а
правее - заэвтектические белые чугуны. В доэвтектических белых чугунах
из жидкой фазы кристаллизуется аустенит, затем эвтектика - ледебурит.
При охлаждении чугуна в интервале температур от 1147 °С до 727
°С аустенит обедняется углеродом, его состав изменяется по линии ЕS и
выделяется вторичный цементит. При небольшом переохлаждении ниже
727 °С аутенит состава точки S по эвтектоидной реакции распадается на
перлит (Ф + Ц)
Вторичный цементит, выделяющийся по границам зерен аустенита,
сливается с цементитом ледебурита. Под микроскопом трудно различить
включения вторичного цементита.
Таким образом, при комнатной температуре в доэвтектических
белых чугунах находятся три структурные составляющие
- перлит,
ледебурит и вторичный цементит (рисунок 7.4).
67
Рисунок 7.3. Структурная диаграмма состояния системы железо-
цементит (в упрощенном виде)
Рисунок 7.4 - Микроструктура белых чугунов
(слева схематическое изображение):
а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический
68
Эвтектический белый чугун при комнатной температуре состоит из
одной структурной составляющей
- ледебурита. Последний, в свою
очередь, состоит из перлита и цементита и называется ледебуритом
превращенным.
В заэвтектических белых чугунах из жидкости кристаллизуется
первичный цементит в виде плоских игл, затем образуется ледебурит.
При комнатной температуре эаэвтектический белый чугун содержит
две структурные составляющие: первичный цементит и ледебурит.
Фазовый состав белых чугунов при комнатной температуре такой же, как в
углеродистых сталях в равновесном состоянии, все они состоят из феррита
и цементита.
В зависимости от формы графитных включений различают серые,
высокопрочные, ковкие чугуны и чугуны с вермикулярным графитом.
Серые чугуны получают при меньшей скорости охлаждения
отливок, чем белые. Они содержат 1 - 3 %Si - обладающего сильным
графитизирующим действием.
Серый чугун широко применяется в машиностроении. Он хорошо
обрабатывается режущим инструментом. Из него производят станины
станков, блоки цилиндров, фундаментные рамы, цилиндровые втулки,
поршни и т.д.
Серые чугуны маркируются буквами СЧ и далее следует величина
предела прочности при растяжении (в кгс/мм2), например СЧ 15, CЧ 20, СЧ
35 (ГОСТ 1412-85).
Графит в сером чугуне наблюдается в виде темных включении на
светлом фоне нетравленного шлифа. По нетравленному шлифу оценивают
форму и дисперсность графита, от которых в сильной степени зависят
механические свойства серого чугуна.
Серые чугуны подразделяют по микроструктуре металлической
основы в зависимости от полноты графитизации. Степень или полноту
графитизации оценивают по количеству свободно выделившегося
(несвязанного) углерода.
Если графитизация в твердом состоянии прошла полностью, то
чугун содержит две структурные составляющие - графит и феррит. Такой

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  2  3  4  5   ..