И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СТАЛИ. 6.1 Цель работы: Изучить влияние различных видов термической обработки на структуру и механические свойства конструкционной стали марки 45

6.1 Цель работы: Изучить влияние различных видов термической обработки на структуру и механические свойства конструкционной стали марки 45. Ознакомиться с методикой определения механических свойств: твердости, предела прочности и ударной вязкости (HB, s_В, КСИ).

6.2 Задание

6.2.1 На основании литературных источников [1, 2] изучить режимы термообработки углеродистых сталей, название, особенности и свойства получаемых при этом микроструктур.

6.2.2 Образцы из стали 45 подвергнуть полной закалке и отпуску при различных температурах, а также нормализации.

6.2.3 Определить механические свойства: (HB, s_В, КСИ) образцов из стали 45, подвергнутых различным видам термической обработки. Результаты занести в таблицу.

6.2.4 Изучить микроструктуру образцов стали 45 после различных видов термической обработки и зарисовать в таблице 6.1.

6.2.5 Построить графики зависимостей твердости (НВ), предела прочности (s_В) и ударной вязкости (КСИ) после различных видов отпуска.

6.2.6 По результатам исследований (рис.6.2) сделать вывод о влиянии температуры отпуска на механические свойства стали 45.

6.2.7 Определить характер (вид) излома ударных образцов стали 45, подвергнутых различным видам термической обработки.

6.2.8 Ответить на индивидуальный вопрос

6.2.9 Составить отчет.

6.3 Основные положения

Сталь 45 является углеродистой качественной конструкционной сталью. Ее химический состав: 0,42-0,50%С; 0,17-0,37% Si; 0,5-0,8% Mn; 0,04 P; 0,04% S. Применяется в машиностроении в состоянии улучшения.

Улучшение – вид термической обработки, заключающийся в закалке доэвтектоидной стали и последующего высокого отпуска.

Сталь 45 подвергается нормализации в целях снижения твердости для улучшения обрабатываемости резанием, снятия остаточных напряжений и измельчения величины зерна и повышения вязкости.

Нормализация – вид термической обработки, состоящий в нагреве стали выше А_с1, А_сm+(20-30 С), выдержке для получения однородного аустенита и охлаждении на воздухе. Структура стали 45 после нормализации состоит из феррита и перлита.

Закалка – вид термической обработки, состоящий в нагреве стали выше температуры А_с3, А_с+(20-30 С), выдержке при этой температуре для получения однородного аустенита и охлаждение со скоростью выше критической скорости закалки.

Сталь 45 при закалке охлаждается в воде. Структура после закалки – мартенсит.

Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe, обладает высокой твердостью (60 – 65 НR_C).

Отпуск – вид термической обработки, при которой закаленную сталь нагревают до температуры ниже А_с1, выдерживают при этой температуре и охлаждают на воздухе. Отпуск снижает остаточные напряжения в стали, создает структуру, обеспечивающую необходимые механические свойства. В зависимости от температуры отпуск различают: низкий (t =150 -250⁰С), при котором получают структуру мартенсит отпуска; средний (t= =350 - 500 ⁰С), структура – троостит отпуска; высокий (t =500 – 650 ⁰С), структура – сорбит отпуска.

Твердость – механическая характеристика материала, под которой понимается сопротивление проникновению в него постороннего предмета. Существует несколько методов определения твердости. Наиболее распространенными являются метод Бринеля (НВ), метод Роквелла (HR), метод Виккерса (HV).

По методу Бринеля в испытуемое тело под действием силы Р вдавливается шарик диаметром 10 мм. Твердость определяется по диаметру отпечатка по формулам или по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка; чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость. Метод Бринеля применяется для мягких материалов (сталь < 450 НВ); (цветные металлы < 200 НВ).

По методу Роквелла в испытуемое тело под действием силы Р внедряется стальной шарик d=1,5875 мм (шкала В) или наконечники в виде конуса с углом у вершины 120⁰ (шкала А и С). Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм.

По шале А и С определяют твердость материалов с высокой твердостью (> 450 НВ). По шкале В – мягкие материалы (< 450 НВ).

По методу Виккерса в испытуемое тело под действием силы Р вдавливается алмазный наконечник, имеющий форму четырехгранной пирамиды, измерив диагональ отпечатка, судят о твердости (HV). Метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Предел прочности - напряжение, испытываемое сталью при растяжении в момент максимальной нагрузки (P), отнесенной к первоначальному сечению образца (F₀). Предел прочности определяется по формуле:

, МПа. (6.1)

Между пределом прочности и числом твердости НВ существует следующая зависимость для стали s_В=0,34 НВ для медных сплавов s_В=0,45НВ, для алюминиевых сплавов s_В =0,35 НВ.

Ударная вязкость – работа, затраченная на излом надрезанного образца, отнесенная к единице площади сечения образца в месте излома и имеет размерность (МДж/м²).

Образцы для испытания на ударную вязкость (рис.6.1) имеют квадратное сечение 10х10 мм, длиной 55 мм с надрезом по середине глубиной 2 мм и закруглением в глубине надреза R=1мм.

Ударная вязкость - определяется по формуле:

МДж/м²,

где А – работа, затраченная на излом образца, МДж; F₀ - площадь сечения образца в месте надреза, м².

а б

Рис.6.1. Образцы и схема маятникового копра для испытания на ударную вязкость:

а - схема работы маятникового копра;

б – образцы для испытания на ударную вязкость

6.4 Порядок выполнения работы

Для выполнения работы студентам предоставляются 5 образцов из стали 45 для испытания на ударный изгиб. Образцы подвергают различным видам термической обработки: закалке (820 ⁰С), нормализации (820 ⁰С), отпуску: низкому (200 ⁰С), среднему (400 ⁰С) и высокому (600 ⁰С). Пользуясь альбомом микроструктур, студенты изучают микроструктуры, получаемые после различных видов термической обработки стали и зарисовывают их в таблице 6.1.

Размеры образцов предварительно замеряют, определяют ширину и толщину в месте надреза и площадь поперечного сечения в месте надреза.

В зависимости от вида термической обработки определяют твердость образцов по Роквеллу, предварительно зачистив их поверхности: образцы 1 и 3 – по шкале С (HR_C), образцы 2,4,5 – по шкале В (HR_B).

Пользуясь таблицей твердости переводят твердость образцов по Роквеллу в единицы твердости по Бринелю. Подсчет предела прочности (s_В) стали 45 определяют из соотношения:

s_В = 0,34НВ

Для определения ударной вязкости образцов из стали 45 их подвергают разрушению на маятниковом копре (рис.6.2). При испытании на удар определяют по шкале работу А (МДж) разрушения образца и по выше приведенной формуле определяют ударную вязкость

По излому разрушенного образца определяют его вид (хрупкий, хрупко-вязкий, вязкий).

Все полученные результаты записываются в таблицу специального отчетного бланка (таблица 6.1). По полученным результатам строят графики зависимости твердости (НВ), предел прочности s_В (МПа) и ударной вязкости КСИ (МДж/м²) от температуры отпуска стали 45 и делается вывод о влиянии термической обработки на механические свойства стали 45.

Таблица 6.1

Результаты исследования стали 45

№ образца
Материал	Ст.45	Ст.45	Ст.45	Ст.45	Ст.45
Термообработка	Нормализация с 8200 С, воздух	Закалка с 8200 С, вода	Закалка с 8200 С, вода, отпуск 2000 С	Закалка с 8200 С, вода, отпуск 4000 С	Закалка с 8200 С, вода, отпуск 6000 С
Микроструктура
Описание микоструктуры
Образец	Ширина, м
Толщина в надрезе, м
Площадь сечения, м2
Твердость по Роквеллу	HRB
HRC
Твердость по Бринеллю, НВ
Предел прочности sВ, МПа
Работа затраченная на излом образца А, МДж
Ударная вязкость КСИ, МДж/м2
Вид излома

6.5 Отчет о работе

6.5.1 Название работы, цель и задание.

6.5.2 Таблица с результатами исследований и графики зависимости механических характеристик от температуры отпуска.

6.5.3 Название и особенности структур при различных видах и режимах термообработки.

6.5.4 Зарисовки просмотренных микроструктур с описанием структурных составляющих.

6.5.5 Выводы о влиянии термической обработки на механические свойства стали 45.

6.5.6 Ответ на индивидуальный вопрос.

6.6 Контрольные вопросы

1. Указать оптимальные режимы термообработки, получаемую при этом структуру и твердость следующих марок углеродистых сталей: сталь 35, сталь 55, сталь Ст 3, сталь У8, сталь У12.

2. Указать влияние температуры отпуска на структуру и свойства углеродистой стали.

3. Назовите факторы, влияющие на структуру и свойства при закалке углеродистой стали.

4. Почему при нормализации углеродистой стали получается мелкозернистая структура?

5. При каких условиях нагрева и охлаждения в доэвтектоидных сталях образуется структура троосто-сорбит?

6. Какие режимы термообработки обеспечивают получение структуры отпущенного мартенсита? В чем отличие мартенсита отпуска от мартенсита закалки?

7. Обосновать применение неполной закалки для заэвтектоидных сталей.

8. Описать и зарисовать схематически структуру заэвтектоидной стали (2%С) после закалки и среднего отпуска.

9. Каким способом надо измерять твердость листовой мягкой стали толщиной 1 мм?

10. Опишите процессы, происходящие при отпуске закаленной стали.

11. Что такое отжиг, нормализация, закалка и отпуск?

12. Какие структуры получаются при охлаждении аустенита с различными скоростями?

13. Какие бывают виды отпуска? Какие структуры получаются в результате отпуска?

14. С какой температуры производят нормализацию заэвтектоидных сталей и почему?

15. Что такое улучшение стали?

16. С какой температуры закаливаются доэвтектоидные и заэвтектоидные стали?

Лабораторная работа №7.