Главная страница
Навигация по странице:

  • Сущность структурных изменений вы стали при термической обработке

  • Характеристика основных структур, получаемых при термообработке, и их свойства Мартенсит

  • Троостит, сорбит, перлит

  • Основные операции термической обработки

  • 5-Закалка. Работа 5. Термическая обработка углеродистой стали цель работы



    НазваниеРабота 5. Термическая обработка углеродистой стали цель работы
    Анкор5-Закалка.doc
    Дата07.05.2017
    Размер94 Kb.
    Формат файлаdoc
    Имя файла5-Закалка.doc
    ТипДокументы
    #8726

    Работа №5. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ
    Цель работы. Усвоение основных положений теории термической обработки металлов и сплавов. Изучение влияния скорости охлаждения на структуру и механические свойства стали при его термообработке: закалке, отпуске, нормализации и отпуске. Освоение экспериментального оборудования по термической обработке металла.

    Общие сведения. Диаграмма состояния показывает фазовый состав сплавов в зависимости от температуры и концентрации компонентов. Она позволяет качественно характеризовать многие физико-химические, механические и технологические свойства сплавов, определить, при каких условиях можно получить ту или иную желаемую структуру с определенным комплексом свойств. Диаграммы состояния определяются по кривым охлаждения сплавов в условиях равновесия, т.е. при бесконечно медленных скоростях изменения температуры..

    Однако практика термической обработки сталкивается с неравновесными процессами. При этом одними из важнейших становятся временной фактор и направление изменения температуры металла. Нагревая до определенной температуры, и затем охлаждая стальные детали и изделия, можно изменить структуру стали (не меняя химического состава) и тем самым получить различные комплексы свойств, требующиеся для работы различных деталей.

    Термической обработкой называются процессы, связанные с нагревом и охлаждением, вызывающие изменение внутреннего строения, и в связи с этим изменения физических, механических и других свойств.

    Основными видами термообработки являются закалка, отжиг, нормализация и отпуск.

    Сущность структурных изменений вы стали при термической обработке
    Термическая обработка – это сначала нагрев до 800-900С, затем или быстрое или медленное охлаждение, результат – твердая закаленная структура в первом случае или мягкая легкообрабатываемая структура во втором. Почему это происходит?

    Во-первых, из-за полиморфизма у железа (т.е. существования разных типов кристаллических решеток при разных температурах), во-вторых, из-за того, что изменения в точности по диаграмме состояния могут происходить только при медленном изменении температуры. При быстром охлаждении образуются структуры, которых нет на равновесной диаграмме состояния.


    Рис. 1. Равновесная (метастабильная) диаграмма состояния системы Fe+C.

    При нагреве выше линии GSE сталь полностью переходит в аустенитное состояние с ГЦК- кристаллической решеткой. При достаточно медленном охлаждении ниже GSE происходит перлитное превращение по диффузному механизму (с перемещением атомов различных элементов) – аустенит распадается на феррит (ОЦК – решетка) и цементит (химическое соединение Fe3C), а также сложную пластинчатую структуру из феррита и цементита – перлит согласно равновесной диаграмме состояния (рис.1).

    Необходимо учитывать, что предельное содержание углерода в феррите не превышает 0,02%, тогда как в аустените может раствориться весь углерод (в стали содержание углерода до 2,14%). При резком изменении температуры атомы углерода не успевают уйти с места расположения в аустенитном растворе, в котором они были, в то время как железо стремится перекристаллизоваться в ОЦК решетку феррита. Излишнее количество углерода препятствует этому, что вызывает большие напряжения внутри сплава. Возрастание напряжения приводит к корпоративному сдвигу (движению всей плоскости кристалла) в решетке. Это мартенситное превращение. Образуется деформированная ОЦК- решетка мартенсита, которую можно рассматривать как ОЦТ (объемноцентрированную тригональную – с углами, не равными 90º).

    Мартенсит ( М ) – пересыщенный твердый раствор углерода в феррите. Мартенсит – очень твердая и прочная структура. Получение мартенсита – цель закалки. Однако мартенсит обладает небольшой вязкостью, т.е. достаточно хрупок.




    Рис.2. Диаграмма изотермического распада аустенита.

    Здесь Ас1 – критическая температура (температура рекристаллизации, т.е. 727ºС);

    Кривая С I – начало распада аустенита;

    Кривая С II– конец распада аустенита

    Мн– начало мартенситного превращения.

    V1 ,V2, V5 – кривые охлаждения с различными скоростями, самое медленное V1..
    При различных скоростях охлаждения из одной и той же стали в результате получаются разные структуры с разными свойствами (рис.2). При медленном охлаждении V1.. – грубопластинчатый перлит, при более быстром V2 – тонкопластинчатый перлит. При увеличении скорости охлаждения получаются структуры такой же пластинчатой « + карбид железа» природы, но с более тонкими пластинами и меньшей зернистостью: сорбит и троостит. Если кривая охлаждения пересекает С-I, но не доходит до С-II (на рис. V3.), то получается промежуточная игольчатая структура – бейнит.

    При скорости охлаждения V4 - линия идет касательно С-кривой - II. Здесь V4 критическая скорость закалки Vкр,. При скоростях охлаждения выше Vкр получается мартенсит, т.е. критическая скорость закалки – это минимальная скорость охлаждения, когда еще можно достичь закалки. Если охлаждение происходит медленнее, то реализуется диффузионный механизм перлитного превращения аустенита.
    Характеристика основных структур, получаемых при термообработке,

    и их свойства

    Мартенсит (сокращенно М) - пересыщенный твердый раствор углерода в альфа-железе (  -Fe) той же концентрации, что и у исходного аустенита.

    Мартенсит - структура твердая, хрупкая, напряженная, неустойчивая. Твердость мартенсита возрастает с увеличением в нем содержания углерода,

    например: при С = 0,1% твердость М HRC 30 (HB 286);

    при C = 0,7%, М HRC 65 (HB 671).

    Мартенсит имеет наибольший удельный объем (т.е. наименьшую плотность), зависящий от содержания углерода (максимальный у эвтектоидной стали). Увеличение удельного объема вызывает внутренние напряжения, приводящие к деформациям или даже разрушению (закалочным деформациям и трещинам).
    Троостит, сорбит, перлит (Т, С и П) - образующиеся из аустенита структуры, являются феррито - цементитными (Ф+Ц) смесями, имеющими сходное пластинчатое строение. Эти структуры отличаются друг от друга степенью дисперсности (измельченностью) пластинок цементита и феррита. Более тонкое строение (дисперсность) у троостита, более грубое - у перлита. Увеличение дисперсности повышает прочностные характеристики и твердость, но уменьшает пластические свойства стали.

    Твердость троостита Т 350 - 500 НВ;

    Твердость сорбита С 250 - 350 НВ;

    Твердость перлита П 150 - 250 НВ;

    В сталях на практике не бывает четкой границы между этими структурами.
    Основные операции термической обработки

    Термическая обработка (сокращенно ТО) подразделяется на предварительную и окончательную.

    Предварительная обработка - отжиг и нормализация, применяется часто при подготовке структуры стали для последующей обработки (давлением, резанием и т.д.)

    В качестве окончательной обработки применяют, как правило, закалку с последующим отпуском.

    Иногда отжиг и, чаще, нормализация могут быть окончательной операцией, если эти операции дают нужные механические свойства по условиям работы детали.

    Режим любой ТО можно представить схематически в координатах “температура (T) - время ( t )” (рис.4).
    Рис. 3. Температуры нагрева при термической обработке стали

    Для большинства марок стали численное значение температуры нагрева Tн определяется положением критических точек Aс1 (т.е. по линии PSK) и Aс3 (линия GS) :

    для доэвтектоидных сталей Tн = Aс3 + (30 …50);

    для заэвтектоидных сталей Tн = Aс1+ (30 …50)

    Нагрев ниже A с3 для доэвтектоидных сталей нежелателен, т.к. сохраняется часть феррита.

    Для заэвтектоидных сталей целесообразен нагрев ниже Aст (линия SЕ), т.к. при этом сохраняется цементит, повышающий твердость и износостойкость стали. Нагрев выше Aст , являясь менее экономичным, дает после закалки крупноигольчатый мартенсит без цементита, с повышенным количеством остаточного аустенита - структуры менее твердой, но хрупкую за счет грубой структуры мартенсита.
    T Закалка, отжиг или

    нормализация

    Тн

    Aс1 , Aс3 или Aст Отпуск:

    Tвыс высокий

    Tср средний



    Тниз низкий



    t , время

    Структуры: М Т С П М структуры отпуска
    Рис.4. Схема термической обработки

    Tн - температура нагрева стали для закалки, отжига или нормализации;

    Tвыс ,Tср ,Tниз - температуры нагрева закаленной стали для отпуска.
    Нагрев производится обычно в газовой среде (атмосфера печи), реже в расплавленных солях, металлах.

    Продолжительность нагрева складывается из времени нагрева детали до нужной температуры и времени выдержки .

    Время выдержки зависит от многих факторов. Обычно для углеродистой стали это время исчисляется по максимальному сечению детали: 1 - 1,5 мин/мм по размеру наибольшего сечения. Например, если продолговатая деталь имеет толщину в самом большом поперечном сечении 10 мм, то его нужно прогревать 10 - 15 мин.

    Отжиг - термическая операция, заключающаяся в нагреве металла до температур выше линии GSK в диаграмме системы "железо-углерод" ( то есть выше Ас1), обеспечивающих нужные превращения, выдержке при этих температурах и медленном охлаждении (обычно вместе с печью или в песке). После отжига получаются равновесные структуры: Ф+П; П; П+ Ц. В зависимости от температуры нагрева отжиг имеет несколько разновидностей, применяющихся при определенных условиях. Полный отжиг достигается нагревом выше верхних критических температур, при неполном отжиге деталь нагревают выше нижних критических температур.

    Нормализация - термическая операция, заключающаяся в нагреве стали выше линий GS и SE, выдержке при этих температурах и охлаждение на воздухе. Назначение нормализации:

    а) для доэвтектоидных сталей - получение однородной мелкозернистой структуры (иногда вместо отжига в малоуглеродистых сталях);

    б) в заэвтектоидных сталях - уничтожение вредной цементитной сетки.

    Закалка - термическая операция, заключающаяся в нагреве стали до температур выше линии GSK, выдержке при этих температурах и охлаждении со скоростью, обеспечивающей получение мартенсита..

    Минимальная скорость охлаждения, необходимая для переохлаждения аустенита до мартенситного превращения, называется критической скоростью закалки.

    При охлаждении со скоростью ниже критической образуются ферритно-цементитные смеси.
    НВ

    700

    М а р т е н с и т

    600

    Т р о о с т о м а р т е н с и т

    закалки отпуска

    500

    Т р о о с т и т

    закалки отпуска

    400

    С о р б и т

    закалки отпуска

    300

    П е р л и т




    200

    Способ охлаждения Температуры нагрева для отпуска

    печь песок воздух масло вода 200 300 400 500 600 700С



    Рис.5. Диаграмма закономерностей процессов закалки и отпуска

    .
    Скорость охлаждения обеспечивается определенной охлаждающей средой. В качестве закалочных сред обычно применяют воду, водные растворы солей, щелочей, минеральные масла. Углеродистые стали чаще закаливают в воде.

    Назначение закалки - получение высокой твердости.

    Отпуск - термическая операция, заключающаяся в нагреве закаленной стали до температур ниже линии PSK, выдержке при этих температурах и охлаждении.

    Назначение отпуска - снятие внутренних напряжений и получение необходимых свойств путем изменения структуры (повышение пластичности и вязкости).

    Отпуск имеет важное практическое значение. Именно в процессе отпуска стальные изделия приобретают свойства, определяющие их поведение в эксплуатации. Температура отпуска обусловливается требованиями механических свойств детали.

    Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят с нагревом до 250С. Цель - снижение внутренних напряжений. Мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска. Высокая твердость и износостойкость сохраняются. Сохраняется также низкая ударная вязкость. Данному отпуску подвергается металлорежущий инструмент.

    Среднетемпературный (средний) отпуск проводится при температурах 350-500С. Структура мартенсита переходит в троостит отпуска. Такой отпуск обеспечивает наиболее высокий предел упругости и несколько повышает вязкость. Такой отпуск применяется для рессор, пружин, а также инструмента, испытывающего ударные нагрузки.

    Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при температуре 500-680С. Структура мартенсита закалки переходит в сорбит отпуска. После такого отпуска почти полностью снимаются внутренние напряжения, значительно повышается ударная вязкость. Прочность и твердость при этом снижаются, но остаются более высокими, чем при нормализации. Высокий отпуск создает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали.

    ТО, состоящая из закалки и высокого отпуска, называется улучшением.

    Продолжительность отпуска зависит от конкретных изделий. Обычно в течение 1,5 часов напряжения снижаются до минимальной величины, соответствующей данной температуре отпуска. Некоторым изделиям (измерительный инструмент) делают более продолжительный отпуск.

    ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ


    1. Приготовить 4 образца углеродистой стали, зачистить напильником; отшлифовать.

    2. Подготовить таблицу:

    Таблица 1



    образца

    Температура

    нагрева, ТС

    Время выдержки, мин

    Среда

    охлаждения

    Твердость

    HRC

    1







    вода




    2







    масло




    3







    воздух




    4







    песок




    3. Приготовить ванны для охлаждения:

    вода и масло должны иметь уровень, обеспечивающий слой жидкости поверх образцов не менее 1 см;

    подготовить место для воздушного охлаждения, положить керамическую плитку - поддон;

    приготовить клещи (пинцет) и палочку для перемешивания воды;

    1. Включить электропечь Laborterm S3. Поставить программу прогрева печи на 850С и пусть печь держит эту температуру 30 минут.

    Для этого во-первых необходимо нажать на нужные кнопки на графическом дисплее, потом ввести на цифровых клавишах требуемое значение величины:

    задать температуру нагрева :

    нажать на кнопочку у “ Т1 “, заморгает зеленая лампочка у нажатой вами клавиши;


    tС

    T4
    T3
    T2
    T1

    время в мин
    time time time time time time time time time time

    start 1a 1b 2a 2b 3a 3b 4a 4b 4c
    затем набрать на цифровом индикаторе “ 850”, индикатор покажет “ 850”.

    задать время выдержки печи на температуре нагрева

    нажать кнопочку у “time 1b”, заморгает лампочка у “time 1b”;

    набрать на цифровом индикаторе “ 30” , индикатор покажет “00 30”.

    нажать на кнопку “ENTER”

    нажать на кнопку “START”.

    Загорится ровным светом лампочка у “time 1а”, это означает, что печь начала нагреваться с максимальной скоростью до заданной вами температуры.( Если бы задали “time 1а”- время нагрева, то печь старалась бы выдержать определенную скорость нагревания). Цифровой индикатор начинает показывать температуру в камере.

    При достижении заданной температуры загорится ровным светом лампочка у “time +-1b”, и после времени выдержки (здесь 30 минут) печь отключится ( или начнет отрабатывать заданную вами температуру “Т2” за указанное по “time 2а” время).

    5. При достижении рабочей температуры печи, используя средства индивидуальной защиты, открыть дверцу и поместить образцы в печь, закрыть дверцу;

    6. При достижении срока нагрева, определяемого по эмпирической зависимости: 1-1,5 мин на каждый мм по наибольшему сечению материала, вынуть их из печи и как можно быстрее поместить их в приготовленные ванны;

    Воду нужно перемешивать приготовленной заранее палочкой.

    7. Образцы высушить, почистить, отшлифовать.

    8. Определить твердость HRC каждого образца, результаты занести в табл.1.

    9. Сделать анализ результатов работы.

    10. Подготовить отчет по работе.

    11. Подготовиться к коллоквиуму и сдать работу.

    Контрольные вопросы. 1. Влияние энергетических факторов на переструктурирование в металле при термообработке; 2. Влияние температуры на концентрацию зародышей кристаллообразования; 3. Диффузионный механизм переструктурирования металлов; 4. Диаграмма состояния железо-карбид железа; 5. Закаливаемые стали. 6. Диаграммы изотермического распада аустенита; 7. Перлитное, аустенитное и мартенситное превращение; 8. Структуры закалки и отпуска; 9.. Влияние термической обработки на свойства стали; 10. Влияние скорости охлаждения на структуру стали; 11.Технология закалки, отжига, нормализации и отпуска.

    РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА


    1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986.- 544 с.

    2. Лахтин .Материаловедение. - М.:Высшая школа, 1987.- 480 с.
    написать администратору сайта