Режимы термической обработки цементуемых сталей

Материаловедение

Методические указания к лабораторным работам

для студентов специальностей

170100, 170300, 090600, 090700, 090800

Санкт-Петербург

УДК 620.22:622.002.5

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ: Методические указания к лабораторным работам. / Санкт-Петербургский горный ин-т. Сост.: А.Е.Корчемкин, Ю.П.Бойцов. СПб, 2004, 31 стр.

Рассмотрены вопросы измерения твердости металлов, анализа диаграммы состояния железо-цементит, микроструктуры сталей и чугунов, термической обработки сталей, выбора материала, вида и режима термической обработки для заданной детали. Содержатся сведения, необходимые для выполнения лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение».

Методические указания предназначены для студентов специальностей 170100 «Горные машины и оборудование», 170300 «Металлургические машины и оборудование», 090600 «Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений», 090800 «Бурение нефтяных и газовых скважин», 090700 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ».

Табл. 8 . Ил.6 .

Научный редактор доц. А.Е.Корчемкин

ã Санкт-Петербургский горный

институт им. Г.В. Плеханова, 2004 г.

Работа 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ МЕТАЛЛОВ

Цель работы: ознакомиться с методами измерения твердости по Бринеллю, Виккерсу, освоить измерения твердости по Роквеллу.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается во вдавливании стального шарика диаметром D = 10; 5; 2,5 мм в образец под действием нагрузки Р = 1875; 7500; 30000 Н в течение 10 с для стали и чугуна; для цветных металлов - 30 с; измерении диаметра отпечатка d [мм] лупой после снятия нагрузки. Идентичность результатов измерения твердости при разных диаметрах шарика обеспечивает закон подобия Р/D² = K = соnst. Число твердости НВ определяют отношением нагрузки Р к площади сферической поверхности отпечатка F по формуле:

.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Сущность метода заключается во вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального шарика d=1,588мм в образец под действием нагрузки, приложенной перпендикулярно поверхности образца.

Алмазный конус применяют для испытания твердых металлов, шарик – мягких. Наконечник вдавливают двумя последовательными нагрузками – предварительной, равной Р=100Н, и основной, которая в сумме с предварительной составляет 1000 Н для шарика (шкала В), 1500 Н для алмазного конуса (шкала С) и 600Н для алмазного конуса при испытаниях очень твердых и тонких материалов (шкала А).

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Число твердости – величина, обратная глубине вдавливания. Твердость по Роквеллу обозначается: HRA – при испытании алмазным конусом при нагрузке 600 Н, HRC – то же при нагрузке 1500 Н и HRB – при испытании стальным шариком при нагрузке 1000 Н. Значение твердости считывается по шкале в относительных единицах в диапазоне значений от 0 до 100.

Для работы предоставляются твердомер Роквелла и набор образцов стали и цветных сплавов. Техника выполнения измерений демонстрируется преподавателем. Для каждого образца производится не менее трех измерений. Результаты измерений рекомендуется оформить в виде протокола испытаний (табл.1). Твердость по Роквеллу обозначается цифрами, характеризующими величину твердости, и буквами, характеризующими шкалу, например: 85 HRB, 45 HRC. Числа твердости по Роквеллу перевести (см. приложение) в числа твердости по Бринеллю НВ и заполнить соответствующую графу табл.1

Таблица 1

Протокол испытаний

Материал образца и толщина	Тип наконеч-ника	Нагрузка, Н	Шкала	Твердость по Роквеллу	Твердость по Бринеллю, НВ
							среднее

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

Сущность метода заключается во вдавливании четырехгранной алмазной пирамиды с углом a = 136° в образец под действием нагрузки Р = 10¸1000 Н, приложенной перпендикулярно поверхности образца, и измерении длины диагонали отпечатка d после снятия нагрузки. Число твердости определяют как отношение нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка F по формуле: HV = P/F = 1,8544 P/d² .

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРЕДЕЛА ПРОЧНОСТИ

ПО ЗНАЧЕНИЯМ ЧИСЕЛ ТВЕРДОСТИ

Между пределом прочности и числом твердости НВ существует зависимость: для стали с твердостью 1200¸1750 НВ s_в=3,3 НВ; при 1750¸4500 НВ s_в=3,4 НВ; для наклепанной латуни s_в=3,9 НВ. Вычислить предел прочности s_в [МПа] металла испытанных образцов и заполнить табл .2.

Таблица 2

Протокол испытаний

Материал образца	Твердость по результатам измерений	Твердость в переводе на НВ	Пересчетная формула на прочность	Предел прочности s в, МПа

Задание и содержание отчета. Дать краткое описание приборов, последовательность выполнения работы,произвести измерения твердости по Роквеллу и заполнить табл.1 и табл.2.

Работа 2.АНАЛИЗ ДИАГРАММЫ СОСТОЯНИЯ

«ЖЕЛЕЗО-ЦЕМЕНТИТ»

Цель работы: научиться проводить анализ диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов, изучить свойства фаз и структурных составляющих, научиться строить кривые охлаждения и нагрева сплавов, определять составы фаз и их количественное соотношение.

На диаграмме состояния железо-цементит Fe – Fe₃C (рис.1б) приведен фазовый состав и структура сплавов с концентрацией углерода от чистого Fe (0% C) до цементита Fe₃C (6,67% C). В интервале концентраций 0¸2,14% C находятся стали; 2,14¸6,67 % C – чугуны. Диаграмма на рис.1б приведена в упрощенном варианте, а именно, исключена перитектическая реакция, обусловленная высокотемпературной модификацией Fe a(d). Линии диаграммы фиксируют начало и конец того или иного превращения. Каждая область включает одну или две фазы, которые образуют структурные составляющие. Любая точка диаграммы показывает химический состав, температуру, фазовый состав и структуру сплава.

В системе железо – цементит присутствуют фазы: жидкая и твердая (феррит, аустенит и цементит). Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения углерода в Fe_a c предельной растворимостью 0,02% С (точка P). Феррит мягкий, пластичный с недостаточно прочной структурой и со свойствами: s_в=250 МПа; s_0,2=120 МПа; d=50%; y=80%; НВ 800¸900 МПа. Аустенит (А) – твердый раствор внедрения углерода в Fe_g; занимает область АЕSG; имеет предельную растворимость углерода 2,14% (точка Е). Аустенит немагнитен; обладает высокой пластичностью и низкой прочностью. Цементит (Ц) – это химическое соединение Fe₃C – карбид железа. В цементите содержится 6,67% С, ему отвечает ордината DFKL. Цементит обладает очень низкой пластичностью и высокой твердостью до HV 1000.

Области жидкой фазы, феррита и аустенита однофазные, остальные – двухфазные. Структурное состояние сплавов может быть более сложным, чем фазовое. Так, в стали с содержанием углерода 0,8% (точка S) при температуре 727°С образуется эвтектоидная смесь феррита (Ф) и цементита (Ц), названная перлитом (П). Соответственно, сталь с содержанием углерода 0,8% является эвтектоидной и имеет структуру перлита (П); стали с содержанием С < 0,8% - доэвтектоидные со структурой перлита (П) и феррита (Ф); стали с содержанием углерода от 0,8% до 2,14% - заэвтектоидные со структурой П + Ц.

Чугун с содержанием углерода 4,3% (точка C) кристаллизуется при 1147°С с образованием эвтектической смеси ледебурит (Л). Ледебурит в интервале температур 1147¸727°С состоит из А + Ц (Л = А + Ц); при 727°С аустенит превращается в перлит (П); ниже 727°С ледебурит - это смесь П + Ц (Л = П + Ц). Превращение аустенита (727°С) в перлит (П) названо эвтектоидной реакцией. Чугун с содержанием С = 4,3% является эвтектическим, имеет структуру ледебурита (Л); с содержанием углерода от 2,14% до 4,3% - доэвтектическим, имеет в интервале температур 1147¸727°С структуру (А + Ц + Л), ниже 727°С (П + Ц + Л); с содержанием углерода от 4,3% до 6,67% - заэвтектическим, имеет структуру Л + Ц ( П+Ц ).

Превращения в сталях. Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении стали состава I из жидкого состояния в твердое. Проводим на диаграмме (рис. 1б) вертикаль, соответствующую составу I (заэвтектоидная сталь). При пересечении линии ликвидус ACD при температуре t₁ начинается первичная кристаллизация – выделяются кристаллы аустенита А; завершается кристаллизация при пересечении линии солидус AECF при температуре t₂; в результате в интервале температур t₁¸t₂ состояние сплава Ж + А. Таким образом, первичная кристаллизация сталей заканчивается образованием аустенита.

В интервале температур t₂¸t₃ сохраняется структура аустенита, никаких превращений не происходит. В интервале температур t₃¸t₄ вследствие уменьшения растворимости углерода (от 2,14 до 0,8%) в аустените по линии ЕS из аустенита выделяется цементит; структура - аустенит плюс цементит (А + Ц). При 727°С содержание углерода в аустените снижается до 0,8% (точки S на диаграмме) и в интервале времени t₄¸t₄¹ происходит эвтектоидная реакция: А превращается в П (на кривой охлаждения рис.1а - горизонталь). Ниже 727°С структура П + Ц остается без изменений.

Для эвтектоидной стали (С = 0,8%) при температуре до 727°С сохраняется структура аустенита, а при температуре 727°С происходит эвтектоидная реакция – аустенит превращается в перлит; ниже 727°С структура П остается без изменений.

Для доэвтектоидных сталей (С < 0,8%) в интервале между линиями GS – PS происходит изменение кристаллической решетки железа Fe_g в Fe_a: аустенит превращается в феррит (А®Ф). Содержание углерода в аустените и феррите повышается.

Процессы, происходящие при охлаждении (®) и нагреве () обратимы (_®). При нагреве стали состава I структура сплава до температуры 727°С представляет собой ( П + Ц), при 727 °С (АП) и структура в интервале температур t₄¸t₃ ( А + Ц) ; при повышении температуры от t₄ до t₃ цементит распадается, а образовавшийся углерод растворяется в аустените; при температуре t₃ содержание углерода в аустените соответствует составу сплава I; в интервале температур t₃–t₂ изменений не происходит; в интервале температур t₂¸t₁ происходит плавление (Ж А) и выше температуры t₁ сохраняется жидкое агрегатное состояние.

Превращения в чугунах. Рассмотрим превращения, которые происходят при охлаждении чугуна состава II из жидкого состояния. На диаграмме (рис.1б) проводим вертикаль, соответствующую составу II. Кристаллизация начинается при температуре t₇ c выделения аустенита, в интервале t₇¸t₉ состав выделяющегося аустенита изменяется по линии солидус АЕ до состава А_Е, а состав остающейся жидкости - по линии ликвидус АС до состава Ж_С. При температуре 1147°С в интервале времени t₉ - t₉¹ происходит эвтектическая реакция, при которой жидкость превращается в ледебурит (А_Е+Ц=Л). На кривой рис.1в этому процессу соответствует горизонталь (процесс протекает при постоянной температуре). В интервале температур t₉¸t₁₁ растворимость углерода в аустените уменьшается по линии ES от 2,14 до 0,8%C и из аустенита выделяется, в том числе и входящий в ледебурит, цементит.

Структура доэвтектического сплава в интервале температур t₉¸t₁₁ (А+Ц+Л). При температуре 727°С в период времени t₁₁ - t₁₁¹ аустенит (А) по эвтектоидной реакции превращается в перлит (П), (на рис.1в этому процессу соответствует горизонталь) и структура сплава ниже температуры 727°С (линии PSK) - ( Ц+П+Л).

Для эвтектического чугуна (4,3%С) кристаллизация происходит при постоянной температуре 1147°С по эвтектической реакции и завершается образованием ледебурита (Л).

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается на линии ликвидус СD c выделения цементита Ц и завершается при 1147°C эвтектической реакцией – образованием ледебурита (Л); структура сплава после кристаллизации - (Ц+Л). При нагреве происходят обратные () процессы.

Рассмотрим, как определить структуру, фазовый состав, содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз для заданной точки диаграммы «b» (температура t_b=1030°С, содержание углерода С=2,9%). Структура сплава (А+Ц+Л), так как ледебурит (Л) – это смесь аустенита (А) и цементита (Ц), то фазовый состав сплава – это (А+Ц). Содержание углерода в аустените соответствует проекции точки «a» на ось концентрации примерно 1,6%; в цементите – проекции точки «c» - 6,67%. По правилу отрезков количество аустенита соответствует отрезку «bc», а цементита отрезку «ab». Принимая ось концентраций за масштаб, получим, что отрезок «ac», соответствующий всему объему, пропорционален 6,67-1,6=5,09; отрезок «bc», отвечающий количеству аустенита, пропорционален 6,67-2,9 = 3,79; отрезок «ab», для количества цементита, пропорционален 2,9–1,6 = 1,3.

Количество аустенита можно определить как 3,79/5,09 » 0,75 » 75%, количество цементита -1,3/5,09 » 0,25 » 25%.

Задание и содержание отчета

1. Вычертить диаграмму железо – цементит с указанием температур фазовых превращений, содержания углерода для характерных точек, фаз и структурных составляющих областей диаграммы.

2. Построить кривую охлаждения или нагрева для сплава, указанного преподавателем, описать происходящие при охлаждении (нагреве) превращения.

3. Для заданной температурной точки определить структуру, фазовый состав, содержание углерода в фазах и количественное соотношение фаз.

4. Отчет по работе оформить в соответствии с требованиями, установленными в СПГГИ к аналогичным работам, т.е. в компьютерном варианте.

5. Защита лабораторной работы осуществляется в устной форме.

Работа 3. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель работы: получить навыки в проведении микроструктурного анализа углеродистых сталей.

В работе изучается микроструктура стали в равновесном состоянии. По диаграмме Fe – Fe₃C углеродистые стали состоят из двух фаз: феррита (Ф) и цементита (Ц), являющихся самостоятельными структурными составляющими и образующих механическую смесь перлит (П). По структуре стали делят на: доэвтектоидные (С < 0,8%), эвтектоидные (С = 0,8%) и заэвтектоидные (0,8 < С < 2,14%). Сплавы при содержании С до 0,02% называют техническим железом, его структура представлена в виде светлых полиэдрических зерен Ф.

В структуре доэвтектоидных сталей наблюдаем светлые зерна Ф и темные П, причем, чем больше в стали углерода, тем больше в ней перлита. По структуре доэвтектоидной стали можно приблизительно определить содержание в ней углерода. Оцениваем на глаз площадь, занятую перлитом П, и подсчитываем содержание углерода по формуле С = 0,8×П/ 100%.

Микроструктура эвтектоидной стали перлит (П) пластинчатый или зернистый. Под микроскопом в структуре пластинчатого П видны пластинки цементита (Ц) с расположенными между ними полосками феррита (Ф). У зернистого перлита, получаемого сфероидизирующим отжигом, зерна Ц располагаются на светлом поле Ф. В заэвтектоидной стали цементит Ц расположен в виде сетки по границам темных зерен П, с увеличением содержания углерода сетка становится массивной и сплошной.

Задание и содержание отчета.

1. Для работы предоставляются: оптический микроскоп, альбом микроструктур и набор микрошлифов. Сопоставляя микроструктуру шлифа с фотографиями микроструктур, определить вид структурных составляющих – Ф, П, Ц. На рис.1 представлено техническое железо, доэвтектоидная, эвтектоидная и заэвтектоидная сталь. Для доэвтектоидных сталей определить на глаз площадь, занятую перлитом (П).

2. Для каждого образца схематично изобразить структуру с указанием структурных составляющих, используя рис.1.

3. Определить ориентировочно содержание углерода. Для доэвтектоидной стали рассчитать по формуле: С_фФ +С_пП, где С_ф, С_п – содержание углерода в феррите и перлите; для технического железа, эвтектоидной стали, заэвтектоидной стали с тонкой сеткой цементита, заэвтектоидной стали с массивной сеткой цементита -принять содержание углерода соответственно 0,02; 0,8; 1,0; 1,2% С. По содержанию углерода определить марку стали.

Доэвтектоидные стали маркируют по содержанию углерода в сотых долях процента, (сталь 20, сталь 30); эвтектоидные и заэвтектоидные стали – в десятых долях процента (У7,..У13).

4. Определить механические свойства: НВ, s_в, s_0,2, d, y, КСU, используя рис.2, и сделать выводы о зависимости свойств от содержания углерода и присутствующих фаз – феррита и цементита.

Работа 4. МИКРОСТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ ЧУГУНОВ

Цель работы: получить навыки в проведении микроструктурного анализа чугунов.

Чугуны – это сплавы железа Fe с углеродом С (2,14£С£6,67%), имеющие примеси Si до 4,3%, Mn до 2%, P до 1,2%, S до 0,02%. Углерод в чугуне может находиться в виде цементита (Fe₃C) или графита (Г), или в виде цементита и графита одновременно. Чугун, в котором весь углерод находится в виде цементита, называют белым. Чугуны, в которых основная часть углерода находится в виде графита, в зависимости от формы графита делят на группы: серый – пластинчатая, высокопрочный – шаровидная, ковкий – хлопьевидная форма графита. В этих чугунах в виде Fe₃C находится не более 0,8% С (содержание С в перлите). Поэтому по структуре чугун, кроме белого, можно рассматривать как сталь (металлическая основа чугуна), испещренную большим количеством включений графита. Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы и от количества и формы графита (рис.1).

Белые чугуны. В соответствии с диаграммой Fe – Fe₃C, в зависимости от содержания С и структуры различают белые чугуны: доэвтектические (2,14-4,3% С) со структурой перлит, ледебурит и цементит; эвтектические (4,3% С) со структурой ледебурит (Л) и заэвтектические со структурой (Л+Ц) (рис. 1). Белый чугун получают в условиях литья низкокремнистого (0,5-0,8% Si) быстрым охлаждением отливки. Чаще всего используется белый чугун состава 2,8-3,6 % C; 0,5-0,8% Si; 0,4-0,6% Mn.

Рис.1. Схематичное изображение

структур белого чугуна:

доэвтектического (а) ,

эвтектического (б), эаэвтектического (в);

1-ледебурит-Л,

2-цементит Ц,

3-перлит -П.

Серые чугуны. Для обеспечения первичной кристаллизации графита и получения в отливке структуры серого чугуна применяют составы с повышенным содержанием кремния (1,4-2,9% Si) и медленное охлаждение сплава (рис.2а). Серые чугуны по структуре можно разделить на группы: ферритный, структура которого феррит и крупнопластинчатый графит, например, марки СЧ10, СЧ15; ферритно-перлитный со структурой феррит, перлит и пластинчатый графит, марки СЧ25; перлитный, структура которого - перлит с мелкими завихренными графитными включениями, марки СЧ30, СЧ35 .

Высокопрочный чугун. Высокопрочный чугун получают присадкой в чугун 0,02-0,08% Mg в виде лигатуры; графит в процессе кристаллизации принимает шаровидную форму.

Чугун марки ВЧ38-17 имеет ферритную металлическую основу; марки ВЧ50-7 - ферритно-перлитную; марки ВЧ120-2 - перлитную (рис.2,в).

Ковкий чугун. Ковким называют чугун с хлопьевидной формой графита, полученный из белого доэвтектического чугуна в результате графитизирующего отжига. В зависимости от режима отжига, получают ковкий чугун: марки КЧ35-10 с ферритной металлической основой; марки КЧ45-7 с ферритно-перлитной; марки КЧ80-1,5 – с перлитной металлической основой (рис.2,б).

Механические свойства и состав некоторых марок серого, высокопрочного и ковкого чугунов приведены в табл.1.

Таблица 1

Химический состав и механические свойства чугунов

Марка чугуна	sв раст, МПа	s0,2, МПа	sизг, МПа	d %	НВ	С,%	Si,%	Mn,%
CЧ10		-		-		3,6	2,4	0,7
СЧ25		-		-		3,3	1,8	0,8
СЧ35		-		-		2,9	1,6	0,9
ВЧ38-17			-			3,2	1,5	0,4
ВЧ50-7			-			3,2	1,4	0,5
ВЧ1200-2			-			3,2	1,2	0,6
КЧ35-10		-	-			2,6	1,2	0,6
КЧ45-7		-	-			2,7	1,1	0,6
КЧ80-1,5		-	-	1,5		2,8	0,9	0,6

Задание и содержание отчета

1. Для работы предоставляются: оптический микроскоп, набор микрошлифов и альбом микроструктур.

2.Сопоставляя микроструктуру шлифа с фотографиями микроструктур, необходимо определить к какому типу чугуна относится данный шлиф. Для белого чугуна - установить структурные составляющие и вид чугуна – доэвтектический, эвтектический, заэвтектический. Для серого, высокопрочного, ковкого чугунов - установить вид графитовых включений и структуру металлической основы.

3. Для каждого из шлифов, используя рис.1 и рис.2, зарисовать структуру, используя табл.1, - указать тип и предполагаемую марку чугуна, свойства и химический состав.

Работа 5. НОРМАЛИЗАЦИЯ, ЗАКАЛКА И

ОТПУСК СТАЛИ

Цель работы: научиться назначать режимы термической обработки для заданной марки стали и освоить ее технологию, установить зависимость твердости стали от вида и режима термической обработки.

Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры А_с3 +50° (А_с3-линия GS , рис.1), заэвтектоидной стали – до температуры А_ст +50° (А_ст – линия SE, рис.1); последующей выдержке для прогрева садки (партии деталей) и завершения фазовых превращений; охлаждении на воздухе.

Закалка заключается в нагреве доэвтектоидной стали выше А_с3 на 30-50° , заэвтектоидной стали - выше А_с1 (А_с1 = 727°С, линия SK рис.1); выдержке для прогрева садки и завершения фазовых превращений; последующем охлаждении со скоростью выше критической (в воде, в водных растворах солей, в масле).

Указанные виды термической обработки основаны на фазовой перекристаллизации. При нагреве выше температуры А_с3 или А_ст образуется аустенит ( рис.1).

Превращения при охлаждении зависят от скорости охлаждения. На рис.2 представлена диаграмма, показывающая влияние скорости охлаждения на температуру распада аустенита и на образование структур при охлаждении углеродистой эвтектоидной стали (0,8% С). Линия V₁, характеризующая медленное охлаждение (охлаждение с печью при отжиге), пересечет

t, C

G

0 0,02 0,8 1,6 % C

Рис.1. Диаграмма «железо–цементит» для сталей

линии диаграммы (С-образные кривые) в точках а₁, в₁. При температурах а₁-б₁ в интервал времени а₁-в₁ произойдет превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь – крупнопластинчатый перлит П.

При более быстром охлаждении V₂ (охлаждение на спокойном воздухе – нормализация) превращение аустенита в ферритно-цементитную смесь происходит при более низкой температуре а₂-в₂. В результате образуется дисперсная ферритно-цементитная смесь – сорбит (С). Скорости охлаждения V₃ (в струе воздуха) соответствуют точки а₃-в₃; аустенит превращается в высокодисперсную ферритно-цементитную смесь - тростит (Т).

Образуются при распаде переохлажденного аустенита П, С, Т – структуры с одинаковой природой Ф+Ц, отличающиеся только степенью дисперности; с увеличением степени дисперсности смеси Ф+Ц возрастает твердость и прочность стали. Рассмотренные превращения относятся к эвтектоидной стали.

Для доэвтектоидных сталей распаду аустенита на П, С, Т предшествует выделение Ф, для заэвтектоидных – Ц. При охлаждении со скоростью выше критической Vк (V₄) распад А в П не происходит, аустенит переохлаждается до М_н и в интервале температур М_н – М_к превращается в мартенсит (М) – пересыщенный твердый раствор углерода в Fe_a .

Заэвтектоидные стали нагревают под закалку выше А_с1, но ниже А_ст, структура при этом - А+Ц. При быстром охлаждени окончательная структура - М+Ц. Так как твердость цементита выше, чем у мартенсита, то при такой закалке, называемой неполной, достигается более высокая твердость инструментальных сталей.

727

t

Рис.2. Изотермическое превращение аустенита эвтектоидной стали

Отпуск стали заключается в нагреве закаленной стали ниже А_с1 (727°С - линия, PSK рис.1), выдержке и последующем охлаждении. Отпуск – окончательная термическая обработка, в результате которой сталь получает требуемые свойства, при этом частично или полностью снимаются внутренние напряжения, возникшие при закалке. Свойства стали зависят от температуры отпуска. Различают три вида отпуска.

Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250°С; мартенсит закалки превращается в отпущенный мартенсит, снижаются закалочные макронапряжения при сохранении твердости. Закаленная инструментальная сталь (0,7-1,3% С) после низкого отпуска имеет твердость 58-63 HRC.

Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при температуре 350-500°С; структура после отпуска - троостит, твердость 40-50 HRC. Среднему отпуску подвергают рессоры и пружины из углеродистых сталей марок 65-80; У7А-У12А.

Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 550-680°С; сталь при этом, приобретает структуру сорбита отпуска. Твердость закаленной стали снижается до 250-350 НВ, прочность уменьшается в 1,5-2 раза, пластичность и вязкость увеличиваются в несколько раз, внутренние напряжения снимаются полностью. Закалка с высоким отпуском называется улучшением. Улучшенная сталь имеет оптимальное сочетание прочности, пластичности, вязкости. Улучшению подвергают изделия из конструкционных сталей.

Задание и содержание отчета. Для работы предоставляются: термические печи с термопарой и потенциометром, твердомер Роквелла, образцы углеродистых сталей, емкости с водой и маслом, щипцы.

Для каждого образца:

1. Подготовить образцы для измерения твердости - зачистить поверхность наждачной бумагой.

2. Измерить твердость, результаты занести в графу 3 табл.1.

3. Назначить для заданных марок сталей температуры нагрева при нормализации, закалке и отпуске, установив заданные температуры на потенциометрах.

4. Используя клещи, загрузить в печи образцы: в одну из печей для каждой марки стали по одному образцу для нормализации, по два образца доэвтектоидной стали для закалки в масле и в воде; в другую печь - четыре образца заэвтектоидной стали для закалки в масле и в воде. Включить печи.

5. Выдержать образцы в печи заданное время, принимая время выдержки 2,0 мин на 1 мм сечения образца (отсчет времени начинать с момента восстановления температуры печи). Образцы считаются прогретыми по сечению, если их цвет совпадает с цветом стенок печи.

6. По окончанию нагрева выгрузить образцы из печи, используя клещи. Образцы, подвергаемые нормализации, охлаждать на воздухе. Из четырех образцов каждой марки стали, подвергаемых закалке, один охлаждать в масле, три- в воде. Образцы перенести в бак с охладителем немедленно и в охладителе интенсивно перемешивать. При выгрузке образцов следить за тем, чтобы температура печи на была ниже установленной.

7. После охлаждения образцов зачистить их торцевые поверхности до металлического блеска и произвести измерения твердости по Роквеллу. Результаты измерений занести в табл.1.

8. Закаленные в воде образцы подвергнуть низкому, среднему и высокому отпуску. Для этого установить на потенциометрах печей температуры 200, 400, 600°С. В каждую из печей загрузить по одному закаленному в воде каждой марки стали образцу и включить печи. По достижении заданных температур выдержать образцы в печи при 200°С – 60 мин, 400°С – 45 мин, 600°С – 30 мин. Выключить печи, выгрузить образцы и охладить на воздухе.

9. После охлаждения зачистить торцевые поверхности образцов, определить твердость по Роквеллу, значения твердости перевести в твердость по НВ и занести в табл.1.

10. Завершить заполнение табл.1.

11. В отчете должна быть представлена полностью завершенная табл.1 и построенные по данным табл.1 зависимости:

- твердости НВ от содержания углерода в стали в исходном состоянии и при каждом виде термической обработки;

- твердости НВ, для каждой марки стали, от скорости охлаждения из аустенитного состояния, принимая следующие значения скорости охлаждения [градус/с]: 0,05 - при охлаждении с печью; 3 - на спокойном воздухе; 50 - в масле; 200 - в воде.

- твердости НВ (для каждой марки стали) - от температуры отпуска.

Таблица 1

Протокол испытаний

12. На основе построенных зависимостей сделать выводы о зависимостях:

- твердости стали от содержания углерода, независимо от вида термической обработки (от структурного состояния),

- твердости стали от скорости охлаждения,

- твердости закаленной стали от температуры отпуска;

- о причинах изменения механических свойств стали в результате термической обработки.

Работа 6. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЕТАЛЕЙ

Цель работы: научиться выбирать материал деталей, исходя из анализа условий работы детали в изделии, учитывая:

- характер и величину действующей на деталь нагрузки;

- температуру и коррозионное воздействие среды;

- степень и вид изнашивания: под действием сил трения, абразивное, усталостное и др.

Основные марки конструкционных материалов стандартизованы, т.е. поставляются с гарантированными свойствами. При расчете деталей на прочность определяют рабочие напряжения [σ]_доп. Примем, [σ]_доп £ s_0,2/1,6 или [s]_доп £ s_в./ 2,4.

Учитывая условия эксплуатации деталей и встречающиеся на практике виды разрушений и износа, можно наметить несколько групп деталей, характеризуемых определенными условиями работы

Детали группы 1: зубчатые колеса, вал-шестерни, шлицевые валы, звездочки, распределительные валы, кулачки, пальцы и т.п.

Материал должен обладать высокой твердостью и износостойкостью поверхностного слоя при достаточно прочной и вязкой сердцевине. Такие свойства обеспечивают цементуемые низкоуглеродистые и легированные стали ( табл.1 и табл.2):

· низкоуглеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной применяют для малонагруженных деталей: марки сталей 10, 15, 20, 25, 15Г, 25Г;

· низкоуглеродистые легированные стали со слабоупрочняемой сердцевиной применяют для средненагруженных деталей: марки сталей 15Х, 20Х, 15ХФ;

· низкоуглеродистые легированные стали с сильноупрочняемой сердцевиной применяют для тяжелонагруженных деталей: марки сталей 18ХГТ, 12ХН3А, 18Х2Н4МА.

Оптимальная глубина цементованного слоя для большинства деталей горных машин 1,0-1,4 мм. Рекомендуется газовая цементация при температуре 930-950°С; время цементации зависит от глубины цементованного слоя (скорость цементации 0,1 мм/ч).

Нитроцементация проводится при температур 820-860°С со скоростью 0,15 мм/ч; глубина слоя 0,2-0,8 мм.

Таблица 1

Свойства цементуемых сталей после цементации,

Закалки и низкого отпуска

Марка стали	Механические свойства	Прокали-ваемость, Dкр, мм
σв	σ0,2	σ-1	δ	Ψ	твердость
сердцевины	поверх-ности
МПа	%	НВ, МПа	HRC	вода/масло
							56-62	5-10/ -
							54-62	12-10/ -
20Х							54-62	- /8-20
18ХГТ								30/20-40
12ХН3А							56-62	80/70
18Х2Н4МА							58-62	100/95

Режимы термической обработки после цементации приведены в табл. 2.

Детали группы 2: валы, оси, шпиндели, коленчатые валы, штоки, шатуны, храповики, плунжеры, гильзы цилиндров, червяки и т.п. Материал должен иметь высокий предел выносливости, значительную (желательно сквозную) прокаливаемость, достаточную ударную вязкость, для некоторых поверхностей высокую износостойкость. Такие свойства обеспечивают улучшаемые среднеуглеродистые и легированные стали при обеспечении требуемой прокаливаемости, мелкого зерна и отсутствии отпускной хрупкости (табл.3).

Для деталей, работающих в основном на изгиб и кручение, необходима прокаливаемость D_кр³0,25D_детали; для деталей, работающих на растяжение, требуется однородность свойств по всему сечению, что обеспечивает сквозная прокаливаемость D_кр=D_детали.

Таблица 2

Режимы термической обработки цементуемых сталей

После цементации

Марка стали	Термическая обработка
вид *	температура, °С	среда охлаждения
	З		вода
О		воздух
	З		вода
О		воздух
20Х	З		масло
О		воздух
18ХГТ	З		масло
О		воздух
12ХН3А**	О		воздух
З		масло
О		воздух
18Х2Н4МА**	О		воздух
З		масло
О		воздух

* Вид термической обработки: З-закалка, О-отпуск.

** Стали 12ХН3А, 18Х2Н4МА после цементации подвергаются промежуточному высокому отпуску для снижения количества остаточного аустенита в цементованном слое. Сталь 18Х2Н4МА имеет порог хладноломкости –80^оС.

Среднеуглеродистые стали марок с 30 по 55 имеют низкую прокаливаемость, поэтому целесообразны для деталей (валы, оси и т.п.), испытывающих в основном напряжения изгиба и кручения, с сечением до 30мм и для деталей, работающих на растяжение, сжатие (шатуны, ответственные болты и т.п.), с сечением до 12мм. Работоспособность подобных деталей определяется σ_-1, что обеспечивается термической обработкой - улучшением.

Для изготовления более крупных деталей, работающих при невысоких циклических и контактных нагрузках, используют стали марок 40, 45, 50 после нормализации и поверхностной индукционной закалки с нагревом ТВЧ тех мест, которые должны иметь высокую твердость поверхности (HRC 40-58) и сопротивление износу (шейки коленчатых валов, кулачки, зубъя шестерен и т.п.).

Среднеуглеродистые (0,3-0,5% С) легированные стали имеют большую прокаливаемость, чем углеродистые.

Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х относятся к дешевым конструкционным сталям, прокаливаются на глубину 15-25мм, применяются для деталей небольшого сечения, а из-за невысокой вязкости рекомендуются для деталей, работающих без значительных нагрузок.

Хромокремнемарганцевые стали 30ХГСА, 35ХГСА (хромансили) - дешевые стали, сочетающие хорошие технологические и механические свойства, прокаливаются в сечениях 30-40 мм. Их широко применяют в автомобилестроении: валы, детали рулевого управления, сварные конструкции.

Хромоникелевые стали 40ХН, 45ХН, 50ХН обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 40-50 мм, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Хромоникельмолибденовые стали 40ХНМА, 40ХН2МА, 38ХНМА, 38ХН3МФА относятся к глубокопрокаливающимся сталям, применяются для изготовления деталей с поперечным сечением 100 мм и более, предназначены для деталей наиболее ответственного назначения - тяжелонагруженные детали компрессорных машин, редукторов.

В массовом производстве для повышения долговечности осей, валов, пальцев, зубчатых колес, звездочек используют закалку с индукционным нагревом ТВЧ на толщину закаленного слоя 1-3 мм с твердостью 45-56 HRC. Однако метод поверхностной закалки малоэффективен для деталей сложной формы. В местах обрыва закаленного слоя, не охватывающего галтели, выточки и другие концентраторы, возникают высокие остаточные напряжения растяжения, снижающие выносливость. Этого недостатка нет при химико-термической обработке, обеспечивающей равномерное упрочнение, высокую выносливость и износостойкость.

Среднеуглеродистые легированные стали азотируют на глубину 0,3-0,6 мм в среде аммиака при 480-520°С. Выдержка определяется глубиной слоя; скорость азотирования 0,01 мм/ч; охлаждение с печью до 100-150°С. До азотирования детали подвергают улучшению и чистовой механической обработке, после азотирования детали только шлифуют или полируют.

Недостатки азотирования, в сравнении с цементацией, - большая длительность процесса и значительно меньшее сопротивление контактной усталости. Контактная выносливость – важнейший фактор определяющий ресурс работы зубчатых передач. Кроме того, азотированные зубья хуже переносят перегрузки, ударные, пиковые и вибрационные нагрузки.

Вместо азотирования может быть применена нитроцементация, особенно для нешлифуемых деталей. Нитроцементацию выполняют в среде природного газа и аммиака при температуре 850°С с закалкой и низким отпуском.

Высокую эффективность обеспечивает комбинированное упрочнение – закалка ТВЧ и поверхностное пластическое деформирование (ППД).

Таблица 3

Термическая обработка и механические свойства

улучшаемых сталей

Марки стали	Термическая обработка	Механические свойства
Закалка, °С; среда	Отпуск, °С; среда	σв	σ0,2	σ-1	НВ
МПа
	850; вода	550; вода, масло
	850; то же	550; то же
40Х	860; масло	500; то же
50Х	830; то же	520; то же
40ХН	820; то же	550; то же
30ХГСА	880; то же	540; то же
40ХНМА	850; то же	620; то же
38ХН3МА	850; то же	600; воздух

Продолжение табл.3

Марки стали	Механические свойства	Хладно-ломкость, °С	Прокалива-емость, Dкр, мм
δ	ψ	KCU
%	МДж/м2
			1,8	-20
			1,4	-20
40Х			0,6	-40
50Х			0,4	-35
40ХН			0,7	-60
30ХГСА			0,5	-20
40ХНМА			0,8	-80
38ХН3МА			0,8	-90

Детали группы 3: рессоры, пружины. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов применяют рессорно-пружинные стали, имеющие высокие пределы упругости σ_упр (текучести σ_0,2), выносливости σ_-1 и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с содержанием углерода 0,5-0,7% С, подвергаемые закалке в масле от 830-880°С и среднему отпуску при 450-480°С на структуру тростит. Детали должны иметь однородную структуру по всему сечению, поэтому необходима сквозная прокаливаемость (табл.4).

Углеродистые стали 60, 65, 70, 60Г, 65Г, 70Г имеют низкую релаксационную стойкость и прокаливаемость. Дешевые кремнистые стали 55С2, 60С2, 70С3А применяются для пружин и рессор толщиной до 18 мм. Стали 50ХФА, 50ХГФА предназначены для рессор легковых автомобилей. Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до 50 и 80 мм и применяются для крупных тяжелонагруженных и особо ответственных пружин и рессор.

Таблица 4