Раздел «термическая обработка стали»

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

ОМСК 2014

Министерство транспорта Российской Федерации

Федеральное агентство железнодорожного транспорта

Омский государственный университет путей сообщения

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

Утверждено редакционно-издательским советом университета

В качестве методических указаний к лабораторным работам

для студентов 1-го – 3-го курсов

Омск 2014

УДК 620.22 (075.8)

ББК 34.651я73

Р25

Материаловедение. Раздел «Термическая обработка стали»: Методические указания к лабораторным работам / А. А. Рауба, А. А. Ражковский,
С. В. Петроченко, Т. Г. Бунькова; Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2014. 35 с.

В методических указаниях представлены четыре лабораторные работы, в которых рассмотрены основные вопросы термической обработки стали, фазовые и структурные превращения в стали при ее нагреве и охлаждении.

Предназначены для студентов 1-го – 3-го курсов, изучающих дисциплины «Материаловедение», «Материаловедение и технология конструкционных материалов» и «Технология конструкционных материалов» очной и заочной форм обучения.

Библиогр.: 2 назв. Рис. 13. Табл. 1.

Рецензенты: доктор техн. наук, профессор А. П. Моргунов;

доктор техн. наук. профессор А. В. Бородин.

__________________________________

путей сообщения, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение……………………………………………………………………...
Лабораторная работа 1. Фазовые превращения в стали при нагреве
1.1. Краткие теоретические сведения…………………………………...
1.2. Порядок выполнения работы ………………………………………
1.3. Содержание отчета ………………………………………………….
1.4. Вопросы для самоконтроля ………………………………………...
Лабораторная работа 2. Фазовые и структурные превращения в стали при охлаждении……………………………………………………………...
2.1. Краткие теоретические сведения …………………………………..
2.2. Порядок выполнения работы ………………………………………
2.3. Содержание отчета ……………………………….…………………
2.4. Вопросы для самоконтроля ………………………………………...
Лабораторная работа 3. Отжиг и нормализация стали…………………
3.1. Краткие теоретические сведения…………………………………...
3.2. Порядок выполнения работы……………………………………….
3.3. Содержание отчета…………………………………………………..
3.4. Вопросы для самоконтроля…………………………………………
Лабораторная работа 4. Закалка и отпуск стали………………………..
4.1. Краткие теоретические сведения…………………………………...
4.2. Порядок выполнения работы……………………………………….
4.3. Содержание отчета…………………………………………………..
4.4. Вопросы для самоконтроля…………………………………………
Библиографический список………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Термической обработкой называется технологический процесс, включающий в себя нагрев стали до определенной температуры, выдержку при этой температуре и охлаждение с определенной скоростью. Применяется термическая обработка для получения материала с заданными свойствами путем изменения его фазового состава и перераспределения компонентов, размеров и формы кристаллических зерен, вида дефектов, их количества и распределения. К термической обработке относятся отжиг, закалка, отпуск, старение. Цель термической обработки стали – изменение ее структуры, обеспечивающее заданные свойства с сохранением формы и размеров детали.

Термическая обработка вызывает изменения в структуре материала в том случае, если в сплаве происходят превращения, вызванные полиморфизмом, диффузией компонентов или изменением растворимости одного компонента в другом. Часто эти процессы могут происходить одновременно и оказывать существенное влияние на структуру и свойства материалов.

Режим любой термической обработки сплава можно представить графически в координатах «температура – время». Причем в большинстве случаев решающая роль в получении заданной структуры и определенных свойств принадлежит скорости охлаждения.

Термическая обработка сплавов может быть предварительной или окончательной. Предварительной обработке подвергают в основном заготовки (поковки, отливки) для улучшения обрабатываемости резанием, снижения твердости, исправления дефектов структуры и т. д., окончательной обработке – в основном готовые детали для получения свойств, необходимых в эксплуатации. Термическая обработка может быть простой и состоять из одной операции, например, отжига или нормализации, и сложной, состоящей из нескольких операций, например, из отжига, закалки и отпуска.

Термической обработкой можно изменять свойства одного и того же сплава в широких пределах. Это позволяет за счет увеличения прочности и твердости без существенного снижения пластичности повысить допустимые напряжения в материалах, таким образом уменьшить размеры и массу деталей машин при сохранении или повышении их эксплуатационной надежности и долговечности.

В методических указаниях рассмотрены основные вопросы термической обработки стали, фазовые и структурные превращения в стали при ее нагреве и охлаждении.

Лабораторная работа 1

ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ В СТАЛИ ПРИ НАГРЕВЕ

Цель работы: изучить фазовые превращения в перлите при его перекристаллизации в аустенит и процесс роста зерна аустенита при нагреве. Получить практические навыки определения действительного размера зерна по эталонам ГОСТ 5639-82, выбора рациональной температуры нагрева углеродистой стали в зависимости от содержания в ней углерода и в проведении нормализации образцов из перегретого металла; оценить влияние размера зерна на свойства стали.

Порядок выполнения работы

1) Изучить процесс превращения перлита в аустенит и образования начального зерна.

2) Определить балл (номер) зернистости по предложенной структуре стали, используя эталоны ГОСТ 5639-82. Сделать заключение о возможности перегрева стали или о ее отсутствии.

3) Для заданной марки стали предложить режим термической обработки для устранения крупнозернистой структуры стали (привести график).

Содержание отчета

1) Краткое описание процесса перлитно-аустенитного превращения и образования начального зерна.

2) Понятие о размере действительного зерна и определение его по структуре с использованием эталонов ГОСТ 5639-82.

3) Графики термической обработки перегретой стали.

Вопросы для самоконтроля

1) Как идет перекристаллизация перлита в аустенит при нагреве стали?

2) Как определяется температура полной перекристаллизации в аустенит при нагреве доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной стали?

3) Что называется начальным и действительным зерном стали?

4) Как определяется размер зерна по ГОСТ 5639-82?

5) Что называется перегревом и пережогом стали?

6) Какая структура стали называется видманштеттовой?

7) Какой термической обработкой исправляется перегрев доэвтектоидной и заэвтектоидной стали?

8) Как размер зерна стали влияет на ее механические свойства?

9) Чем структура пережженной стали отличается от перегретой стали? Можно ли исправить структуру такой стали, если нет, то почему?

Лабораторная работа 2

ПРИ ОХЛАЖДЕНИИ

Цель работы: получить практические навыки проведения термической обработки образцов из углеродистой стали с охлаждением в различных средах (вода, минеральное масло, воздух); изучить механизм диффузионного и бездиффузионного превращения аустенита при охлаждении стали.

Порядок выполнения работы

1) Изучить особенности изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, превращение аустенита при непрерывном охлаждении, влияние скорости охлаждения на структуру и свойства углеродистой стали.

2) Провести исследования на образцах, прошедших нагрев до аустенитного состояния и охлажденных с печью, на воздухе, в воде и масле.

3) После охлаждения зачистить образцы и замерить их твердость по Рок-веллу. По результатам измерения твердости определить (ориентировочно) структуру стали. Провести обсуждение результатов эксперимента.

Содержание отчета

1) Диаграмма изотермического превращения аустенита эвтектоидной стали, на которой должны быть указаны (вектором) условия охлаждения для получения перлита, сорбита, троостита, бейнита и мертенсита.

2) Описание условий образования структуры (перлита, сорбита и т. д.) с указанием температуры переохлаждения аустенита для получения данной структуры.

3) Заполненная таблица (приведена ниже) с результатами измерения твердости стали.

4) График зависимости твердости стали от скорости (указать условия) охлаждения из аустенитного состояния в координатах «твердость – скорость охлаждения (охладитель)».

5) Выводы.

Твердость продуктов превращения переохлажденного аустенита

Твердость	Структура тру к т У Р
перлит	сорбит	троостит	бейнит	мартенсит
НВ HRC

Вопросы для самоконтроля

1) Какие области и линии имеются на диаграмме изотермического превращения аустенита?

2) В чем заключается механизм перлитного превращения? Его особенности.

3) Какие факторы влияют на образование различных структур (перлита, сорбита, троостита, мартенсита) при непрерывном охлаждении?

4) Чем перлит, сорбит и троостит отличаются друг от друга?

5) В чем заключается природа мартенситного превращения? Его особенности. Как обеспечить образование мартенситной структуры?

6) Что такое критическая скорость охлаждения и как она определяется?

7) В чем заключается природа промежуточного (бейнитного) превращения? Его особенности.

8) В чем заключаются особенности превращения аустенита при непрерывном охлаждении?

Лабораторная работа 3

ОТЖИГ И НОРМАЛИЗАЦИЯ СТАЛИ

Цель работы: ознакомиться с двумя операциями термообработки –отжигом и нормализацией; изучить назначение, режимы и особенности проведения указанных операций, и устройство лабораторной нагревательной печи.

Порядок выполнения работы

1) Изучить назначение каждого вида отжига и режимы его проведения.

2) Подвергнуть неполному отжигу на зернистый перлит и нормализации образцы для испытаний на ударный изгиб из стали марок У8 или У10 с исходной структурой пластинчатого перлита.

3) Произвести ударные испытания образцов с исходной структурой и образцов после отжига и нормализации; замерить их твердость.

4) Сравнить результаты испытаний, сделать выводы и обсудить их.

Содержание отчета

1) График в координатах «температура – время», на котором для каждого вида отжига должны быть указаны его назначение, температурный режим и структура (исходная, после нагрева и выдержки и после охлаждения).

2) Описание операции нормализации для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали.

3) Краткое описание влияние отжига и нормализации на структуру и свойства стали образцов для ударных испытаний.

Вопросы для самоконтроля

1) Какая операция называется отжигом? Каково общее назначение отжига? Какие виды отжига проводятся при температуре ниже фазовых превращений? Назначение каждого вида отжига.

2) В чем принципиальное отличие полного отжига от изотермического?

3) Какие виды отжига связаны со сферидизацией карбидных фаз?

4) Какой вид отжига имеет три названия?

5) Какая операция называется нормализацией? Назначение нормализации для доэвтектоидной и заэвтектоидной стали.

Лабораторная работа 4

ЗАКАЛКА И ОТПУСК СТАЛИ

Цель работы: изучить назначение, виды, способы, режимы закалки углеродистой стали, виды и назначение отпуска, применяемого после закалки. Ознакомиться с оборудованием и оснасткой, применяемыми для термической обработки (муфельная нагревательная печь, установка для индукционного нагрева УНН 012-20Р, закалочные баки, твердомеры ТШ и ТК).

Порядок выполнения работы

1) Провести закалку шести предварительно нагретых и выдержанных в печи образцов для проведения испытаний на ударный изгиб из стали 40 или 45.

2) Один образец охладить на воздухе (нормализация), другой – в масле, четыре образца охладить в воде (закалка).

3) Провести отпуск трех закаленных образцов. Температура отпуска – 180, 400, 600 °С; продолжительность выдержки – 30 мин.

4) Провести ударные испытания и замерить твердость образцов по
Роквеллу.

5) Сравнить значения ударной вязкости и твердости стали после различных режимов термообработки; обсудить результаты испытаний.

6) Изучить процессы, происходящие в закаленной стали при различных видах отпуска, их влияние на структуру и свойства стали.

7) Обсудить результаты испытаний.

Содержание отчета

1) График в координатах «температура – время», на котором должны быть указаны режимы основных способов закалки. Краткое описание особенности каждого режима закалки и указание его назначения.

2) Графические зависимости изменения механических свойств стали от скорости охлаждения образцов после нагрева от температуры выше фазовых превращений. Определение структуры стали по значению твердости.

3) Краткое описание и указание назначения трех видов отпуска закаленной стали (низкого, среднего, высокого), получаемых структуры и свойств.

4) График зависимости изменения свойств стали после различных видов отпуска в координатах «свойства – температура отпуска».

5) Заключение по результатам выполненной работы.

Вопросы для самоконтроля

1) Что называется закалкой?

2) Какие способы закалки существуют?

3) В чем различие полной и неполной закалки?

4) Почему изделия при закалке коробятся и в них появляются трещины?

5) Что понимают под закаливаемостью и прокаливаемостью стали?

6) Какие преимущества и недостатки имеет закалка в одном охладителе, в двух охладителях, ступенчатая, изотермическая и с самоотпуском?

7) Что называется отпуском? Его виды и их назначение.

8) Какие превращения происходят в закаленной стали при нагреве?

9) Какое явление называется отпускной хрупкостью? Как предупредить «охрупчивание» легированных сталей в результате проведения отпуска?

10) Какая термическая обработка обеспечивает максимальные твердость и прочность стали (указать структуру), каковы режимы ее проведения, для каких изделий она используется?

11) Для каких деталей рекомендуются полная закалка и средний отпуск? Какие структуру и свойства приобретает сталь после этой термической обработки? Каковы режимы термической обработки?

12) Для каких деталей рекомендуется полная закалка и высокий отпуск? Какие структуру и свойства приобретает сталь после этой термической обработки? Каковы режимы термической обработки?

13) Для какой стали рекомендуются неполная закалка и низкий отпуск? Какие структуру и свойства приобретает сталь после этой термической обработки? Каковы режимы термической обработки?

14) С какой целью проводится искусственное старение, для каких изделий, при каких режимах?

Библиографический список

1. Бычков Г. В. Материаловедение: Конспект лекций / Г. В. Бычков,
А. А. Ражковский, А. В. Смольянинов / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2005. Ч. 1. 57 с.

2. Солнцев Ю. П. Материаловедение: Учебник / Ю. П. Солнцев,
Е. И. Пряхин. СПб : Химиздат, 2007. 784 с.

Учебное издание

РАУБА Александр Александрович, РАЖКОВСКИЙ Александр Алексеевич,

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич, БУНЬКОВА Тамара Геннадьевна

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ «ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ»

_________________________

Редактор Н. А. Майорова

***

Подписано в печать .10.2014. Формат 60 ´ 84 ¹/₁₆.

Тираж 250 экз. Заказ .

Редакционно-издательский отдел ОмГУПСа