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 τ_н до требуемой температуры t_mp.н, временем выдержки τ_в и временем охлаждения τ_о (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…50 ^o _50…70о

τ_н τ_в τ_о С Ay

911^o t_тр.н. AC_cm

AC_{3 50…70}^o

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

(А_Сз и А_Ссм – верхние кри-

тические температуры;

А_С – 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…50^оС выше А_С3)^**, заэвтектоидные стали – неполному (нагрев на 50…70^оС выше А_С1)^***.

 

I.2. Нормализация

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

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 +20^оС;

 

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