Материаловедение. Материаловедение

Утверждаю

Ректор университета

________________А.В.Лагерев

«____»___________2008 г.

Материаловедение. Материаловедение

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 τн до требуемой температуры tmp.н, временем выдержки τв и временем охлаждения τо (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…50o 50…70о

τн τв τо С Ay

911o tтр.н. ACcm

AC3 50…70o

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

(АСз и АСсм – верхние кри-

тические температуры;

АС – 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…50оС выше АС3)**, заэвтектоидные стали – неполному (нагрев на 50…70оС выше АС1)***.

I.2. Нормализация

Нормализацией называют вид термической обработки, включающей нагрев выше верхних критических точек доэвтектоидных сталей на 30…50оС, заэвтектоидных – 50…70оС (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…50оС для доэвтектоидных и на 50…70оС для заэвтектоидных сталей выше верхних критических температур) и неполную (нагрев на 30…50оС или на 50…70оС соответственно выше нижней критической температуры АсI).

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.

И СОДЕРЖАНИЮ ОТЧЕТА

Техника безопасности

1. Не разрешается касаться электропроводки руками, вскрывать защитный кожух терморегулятора на электропечах, находящихся под напряжением.

2. Электропечи включать и выключать рубильниками.

3. Образцы закладывать в печи и извлекать из них только клещами.

4. Запрещается снимать защитный кожух полировального станка при вращении диска.

Содержание отчета

При составлении отчета необходимо:

- сформулировать цель и задачи работы;

- дать краткое изложение теории термической обработки и характеристику различных видов термообработок;

- перечислить необходимое оборудование и материалы, использованные при выполнении работы;

- кратко описать методику выполнения работы;

- привести результаты экспериментов в табл. 1 и 2 нижеприведенных форм;

- описать превращения, происходящие при отжиге, нормализации и отпуске сталей;

- привести рисунки микроструктур исследованных сталей после различных видов термической обработки; проанализировать микроструктуры и описать их различие;

- сравнить твердость сталей после отжига, нормализации, закалки и закалки с отпуском. Построить график зависимостей твердости закаленных сталей от температуры отпуска (рис. 3): для образцов № 3 и 9 температуру отпуска считать равной +20оС;


HRC

0 200 400 600 оС

Рис.3. Зависимость твердости закаленных сталей

от температуры отпуска

- отчет закончить выводами.

Защита лабораторной работы

Защита работы проводится в форме собеседования с преподавателем. Излагаемую информацию при необходимости иллюстрировать графиками и рисунками.

Перед защитой необходимо проработать теоретические положения по теме работы и быть готовыми к ответу на вопросы, приведенные ниже.


Таблица 1

Высокотемпературные виды термических обработок

№ образца Исходная твердость, НВ Вид термической обработки Режимы Твердость Микроструктура
Температура нагрева t,оС Время нагрева и выдержки τ, мин Охлаждающая среда НВ HRC

Таблица 2

Низкотемпературные обработки

№ образца Вид отпуска Режимы отпуска Твердость, HRC Микроструктура
Температура t,оС Время выдержки τ, мин Охлаждающая среда


5. Вопросы Для самоподготовки

Список рекомендуемой литературы

1. Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.

2. Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов: учеб. для вузов / Ю.М.Лахтин. – 4-е изд. – М.: Металлургия, 1993.- 448с.

3. Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение,1990. - 528 с.

4. Мельников, В.П. Материаловедение. Термическая и химико-термическая обработки: сб. инд. заданий /В.П.Мельников – Брянск: БГТУ,1996.– 11с.

5. Мельников, В.П. Материаловедение. Термическая обработка: индивидуальные задания /В.П.Мельников. – Брянск: БИТМ, 1989. – 9 с.

Приложение

Справочные данные

Таблица 1

Критические температуры сталей

Марка стали Критические точки, оС Марка стали Критические точки, оС
АС1 АС3 АС1 АС3 АСсm
У7 У8 У9 У10 У12 - - - - - -

Таблица 2

Интенсивность охлаждения изделий в охлаждающих средах

Охлаждающая среда Скорость охлаждения в интервале температур ( о/сек)
500…600оС 200…300оС
Вода при + 18о + 26о + 50о + 74о Масло (20…200оС) Раствор NaCl в воде при + 18оС Спокойный воздух

Таблица 3

Твердость и микроструктура некоторых сталей в зависимости

от термообработки

Марка стали Термообработка Микроструктура Твердость Примечание
НВ HRC
Отжиг Нормализация Закалка Закалка и отпуск 200оС Закалка и отпуск 400оС Закалка и отпуск 600оС Феррит и перлит Феррит и перлит Мартенсит закалки Мартенсит отпуска Троостит отпуска Сорбит отпуска ~179 ~197 - - - - - ~56 ~52 ~42 ~27 Диаметр образца 10 мм. Охлаждение при закалке в воде
У8 Отжиг Нормализация Закалка Закалка и отпуск 200оС Закалка и отпуск 600оС Перлит пластинчатый Перлит пластинчатый сорбитизированный Мартенсит закалки Мартенсит отпуска Сорбит отпуска ~230 ~270 - - - - - ~63 ~60 ~30 Ø =10мм. Охлаждение при закалке в воде. После закалки кроме мартенсита имеется остаточный аустенит, который обнаруживается только спецметодами исследования

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.

Мельников Валентин Павлович

Научный редактор С.В. Давыдов

Редактор издательства Л.И. Афонина

Компьютерный набор А.И. Жуков

Иллюстрации В.П.Мельников

Темплан 2008 г., п 165

Подписано в печать . Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 0,93. Уч.-изд.л. 0,93. Тираж 50 экз. Заказ . Бесплатно.

Брянский государственный технический университет.

241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.

Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.

Утверждаю

Ректор университета

________________А.В.Лагерев

«____»___________2008 г.

Материаловедение. Материаловедение


matrichnij-analiz-deyatelnosti-firmi.html
matrichnij-podhod-pri-formirovanii-eksportnogo-assortimenta.html
    PR.RU™