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.

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 τ_н до требуемой температуры t_mp.н, временем выдержки τ_в и временем охлаждения τ_о (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…50^o _50…70о

τ_н τ_в τ_о С Ay

911^o t_тр.н. AC_cm

AC_{3 50…70}^o

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

(А_Сз и А_Ссм – верхние кри-

тические температуры;

А_С – 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.

I.I. 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…50^оС выше А_С3)^**, заэвтектоидные стали – неполному (нагрев на 50…70^оС выше А_С1)^***.

I.2. Нормализация

Нормализацией называют вид термической обработки, включающей нагрев выше верхних критических точек доэвтектоидных сталей на 30…50^оС, заэвтектоидных – 50…70^оС (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%.

I.3. 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…50^оС для доэвтектоидных и на 50…70^оС для заэвтектоидных сталей выше верхних критических температур) и неполную (нагрев на 30…50^оС или на 50…70^оС соответственно выше нижней критической температуры Ас_I).

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.