Материал: Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления подготовки бакалавров. Ткаченко Ю.С., Симонова Ю.Э

1. Название, цель работы.

2. Краткие сведения о сущности и методике испытаний на ударный изгиб.

3. Эскиз образца (рис. 10).

4. Перечень характеристик механических свойств, определяемых данным испытанием

5. Сериальные кривые (рис. 11).

6. Таблица с экспериментальными данными.

7. Выводы.

Лабораторная работа № 7 термическая обработка углеродистых сталей

Цель работы: ознакомление с основными видами термической обработки сталей, определение зависимости твердости сталей от вида и параметров режима термической обработки и содержания углерода.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: муфельные электропечи для отжига, закалки и отпуска образцов, прибор Роквелла, металлографический микроскоп, образцы среднеуглеродистой и высокоуглеродистой стали, емкости с охлаждающими жидкостями, щипцы.

Краткие теоретические сведения

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин и инструменты.

Основными видами термической обработки являются отжиг, закалка, отпуск и старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей.

Отжиг - термическая обработка, в результате которой металлы или сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной. Отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретного вида отжига. Скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика и лежит в пределах 30…200 °С/ч.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии - полиморфные превращения твердых растворов, распад твердого раствора по эвтектоидной реакции, переменная растворимость и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии. Затем его быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при снижении температуры.

Отпуск и старение - термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение, а термин «старение» - применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения.

Сочетание закалки с отпуском или старениемпрактически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием. При этом температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге.

Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения обычно не влияет на структуру и свойства сплавов.

На рис. 12 представлена диаграмма термических превращений. Если превращение происходит при температурах более 650…670 º С, образуется сравнительно грубая смесь кристаллов феррита и цементита с межпластиночным расстоянием 500…700 нм. Такую смесь называют перлитом (П).Превращение при температуре 640…590°С дает межпластиночное расстояние 300…400 нм, такую перлитную структуру называют сорбитом (С).

При температуре превращения 580…550°С межпластиночное расстояние уменьшается до 100-200 нм, такую структуру называют трооститом (Т).

В интервале температур промежуточного превращения аустенит распадается с образованием структур, называемых бейнитом(Б).Бейнит представляет собой двухфазную смесь кристаллов феррита и цементита. Основная особенность промежуточного превращения состоит в том, что полиморфный переход происходит по мартенситному механизму.

Рис. 12. Диаграмма термических превращений.

Бейнит,образовавшийся при температуре 400…550 °С называют верхним, он имеет перистое строение. Бейнит, образовавшийся при более низких температурах, называют нижним, он имеет пластинчатое строение.

Высокой прочностью и одновременно достаточно высокими пластичностью и вязкостью обладает нижний бейнит, а именно бейнит, полученный при температуре на 50…100 °С выше мартенситной точки М_н.

Мартенситное превращениеинтенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_н до М_к. Для получения мартенситной структуры аустенит углеродистых сталей необходимо очень быстро и непрерывно охлаждать, применяя для этого холодную (лучше соленую) воду. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование перлитных и бейнитных структур. Мартенсит представляет собой неравновесную фазу - пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в ά-железе.

Мартенсит имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Мартенсит имеет очень высокую твердость, равную или превышающую НRС_э60, при содержании углерода, которое составляет более 0,4 %. С увеличением содержания углерода возрастает хрупкость мартенсита. Мартенситное превращение в сталях сопровождается заметным увеличением объема. Весьма сильно изменяются и другие физические свойства.

Отпуск стали - заключительная операция, определяющая ее конечные свойства после закалки.

В зависимости от температуры различают:

- низкотемпературный или низкий отпуск (120…250 °С);

- среднетемпературный или средний отпуск(350…500 °С),

- высокотемпературный или высокий отпуск(500…680 °С).

Низкому отпускуподвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование или нитроцементацию. Средний отпускприменяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Высокий отпусксоздает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали. Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением. Улучшению подвергают среднеуглеродистые конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали, вследствие ее пониженной твердости, не высокая.

Порядок выполнения работы

1. Провести замер твердости у исходных отожженных образцов двух марок сталей на приборе Роквелла. За величину твердости исследуемой стали принимается средняя арифметическая трех замеров на каждом образце. Твердость измеряется только на торце цилиндрического образца.

2. Перед измерением твердости с поверхности удалить окалину абразивным кругом или абразивной бумагой. На стол установить испытуемое изделие и вращением маховика поднимать его к наконечнику до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая с погрешностью ±5 делений – на нуль шкалы индикатора. Если большая стрелка отклонилась больше чем на 5 делений относительно нулевого штриха шкалы, необходимо опустить стол и начать испытание на новом месте. Плавным нажатием включить привод механизма нагружения. После окончания цикла нагружения произвести отсчет твердости по шкале индикатора. Вращением маховика против часовой стрелки испытываемое изделие отвести от наконечника и снять со стола.

3. Выбрать по диаграмме состояния системы железо-цементит температуру нагрева стали под закалку (рис. 13).

4. Назначить продолжительность нагрева по табл. 6.

5. Провести операцию закалки. Для этого в электропечь, нагретую до выбранной температуры, заложить образцы и выдержать их там в течение рассчитанного времени. Температуру контролировать с помощью термопары.

6. Вынуть образцы из печи щипцами и быстро погрузить в емкость с жидкостью, выдержать их там до полного охлаждения. Измерить твердость закаленных образцов и внести результаты в таблицу следующей формы:

Таблица 6

Продолжительность нагрева стали в зависимости от температуры, формы и размеров детали

7. Провести отпуск стали, поместив образцы в печи, предварительно нагретые до 200, 400 и 600 ºС, и выдержав их там в течение 30 мин. Охладить образцы на воздухе.

8. Определить твердость образцов после отпуска. Результаты испытаний занести в ту же таблицу.

9. Построить график зависимости твердости от параметров режимов термической обработки для сталей с различным содержанием углерода.

10. Рассмотреть микроструктуры сталей после термической обработки.

Содержание отчета

1. Привести краткое описание термической обработки.

2. Результаты испытаний занести в таблицу.

3. Зарисовка характерных микроструктур после термической обработки.

4. График зависимости твердости от режимов термической обработки.

5. Выводы.

Лабораторная работа № 8 изучение микроструктур легированных сталей

Цель работы: изучение взаимосвязи состава и микроструктуры конструкционных и инструментальных легированных сталей.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: микроскоп МИМ-7, микроструктуры легированных сталей

Краткие теоретические сведения

Легированной сталью называется такая сталь, в которую при выплавке вводят элементы, изменяющие ее строение и свойства. Эти элементы называются легирующими. В углеродистой стали, кроме углерода, всегда содержится небольшое количество примесей: Mn ≤ 0,5 %; Si ≤ 0,4 %; Р ≤ 0,04 %; S ≤ 0,04 %.

Перечисленные примеси в указанных количествах практически не влияют на механические свойства углеродистой стали. Введение в сталь более 1 % любого из перечисленных элементов существенно сказывается на механических свойствах, и такие стали будут уже легированными. К легирующим относятся следующие элементы: Mn, Si, Cr, Ni, Mo, Ti, W, Nb, Al, Ta и др. Следовательно, легированная сталь – это многокомпонентный сплав "железо-углерод-легирующий элемент".

Маркировка и классификация легированных сталей.

Для обозначения состава легированной стали согласно государственному стандарту принято буквенно-цифровое обозначение. Буквы показывают наличие того или иного элемента. Так, например, Г обозначает марганец, С – кремний, Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Р – бор, Д – медь, Ю – алюминий, Т – титан, Ф – ванадий, К – кобальт.

Цифры, стоящие в начале марки, показывают: для конструкционных сталей – содержание углерода в сотых долях процента, для инструментальных – в десятых долях процента.

Цифры, следующие за буквами, указывают содержание соответствующего легирующего элемента, если его больше 1,5 %.

Буква А в конце марки показывает, что сталь высококачественная, т. е. серы и фосфора в ней не более чем 0,03% каждого; чистая по неметаллическим включениям; имеющая определенный номер зерна, определенную прокаливаемость и т. д.

Например, сталь 30ХГСА – высококачественная, имеет следующий состав: С = 0,3 %, Сr = 1,0 %, Mn = 1,0 %, Si = 1,0 %; сталь 9ХС – инструментальная, качественная, имеет следующий состав: С = 0,9 %, Cr = 0,95-1,25 % , Si = 1,2 - 1.6 %.

По назначению легированные стали делятся на следующие классы:

а) машиностроительные или конструкционные стали, идущие на изготовление деталей машин. Они разделяются, в свою очередь, на цементуемые, улучшаемые и пружинные;

б) инструментальные стали, идущие на изготовление различного инструмента: штампового, режущего, мерительного и др. Они делятся на углеродистые, легированные, быстрорежущие и твердые сплавы;

в) стали особого назначения. Они делятся на жаростойкие, нержавеющие, кислотостойкие, с особым коэффициентом расширения, магнитные, немагнитные и др.

По структуре легированные стали классифицируются в равновесном (отожженном) и в нормализованном состояниях.

Исходя из положения критических точек на диаграмме состояния и структуры легированные стали, также как и углеродистые стали, могут быть разделены на следующие три класса:

1. доэвтектоидные – структура: феррит и перлит;

2. заэвтектоидные – структура: перлит и вторичные карбиды;

3. ледебуритные – структура: перлит, вторичные карбиды и ледебурит.

Так как легирующие элементы смещают на диаграмме состояния критические точки Р и S влево, то в легированной стали перлит и ледебурит появляются при меньшем содержании углерода, чем в железоуглеродистых сплавах. Так, например, углеродистая сталь, содержащая 0,4 % углерода, будет доэвтектоидной; а легированная сталь при том же содержании углерода и 6,0 % вольфрама – заэвтектоидной, если же вольфрама будет 13 %, то сталь станет ледебуритной.

В зависимости от содержания в стали легирующих элементов, расширяющих α-область, на структурной диаграмме различают следующие 5 классов сталей: