На головну

 Частина 2 |  У першій частині лабораторного практикуму містяться основні теоретичні положення і методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з курсу «Матеріалознавство». |  Вуглецевої сталі в рівноважному стані |  Лабораторна робота № 9. Вивчення залежності між структурою і властивостями чавунів |  Мета роботи: вивчення основ теорії та технології гарту сталей. |  термопластичні полімери |  композиційні матеріали |  Пластмаси з волокнистими наповнювачами. |  Композиційні матеріали з газоподібними наповнювачами |  Завдання по роботі |

Завдання по роботі

  1.  I. Вказівки до самостійної роботи з навчальними посібниками
  2.  I. При роботі в положенні сидячи
  3.  IV Скласти звіт про виконану роботу
  4.  L Завдання для самоконтролю.
  5.  SWOT-аналіз - це аналіз існуючих проблем і труднощів в роботі підприємства, його конкурентних переваг і недоліків, а також можливостей і загроз зовнішнього середовища.
  6.  V. Завдання на рахунок (КА) - оцінка рівня розвитку практіческогоматематіческого мислення. Субтест складається з 20 арифметичних завдань. Час решенетя - 10 хв.
  7.  БЕЗПЕКА ПРИ РОБОТІ НА металообробне обладнання

1. Вивчити і описати основні перетворення при відпустці.

2. Намалювати схему і описати процеси, що забезпечують протікання другого перетворення при відпустці.

3. Виміряти вихідну твердість загартованих зразків зі сталі 40 і зробити їх відпуск при різних температурах.

4. Визначити твердість зразків після відпустки і пояснити вплив відпустки на цей параметр. Результати експериментів звести в таблицю 11.1 і зробити відповідні висновки.

Таблиця 11.1 - Вплив температури відпустки на твердість і мікроструктуру стали 40

 Температура відпустки, оС  Твердість, HRC  Мікроструктура
 без відпустки    

12 Лабораторна робота № 12. Вивчення залежності між структурою і властивостями стали після різних видів термічної обробки

Мета роботи: Вивчення методики призначення режимів термічної обробки і основних фазових перетворень, що протікають в сталях при відпалі, нормалізації, загартуванню та відпустці.

термічною обробкою називають технологічні процеси, що складаються з нагрівання та охолодження металевих виробів з метою зміни їх структури і властивостей. При термічній обробці стали протікають фазові перетворення. Вони викликані тим, що внаслідок мінливих умов (температури) новий стан виявляється більш стійким, ніж старе, так як володіє меншим запасом вільної енергії. Характер фазових перетворень залежить від швидкості охолодження. Перетворення, які відбуваються при повільному охолодженні, близькі до рівноважних; описуються діаграмою «залізо-цементит». Діаграма є також основою для вивчення термічної обробки. Вона вказує яким видам термічної обробки може бути підданий сплав і до яких температур потрібно виробляти нагрів. Ділянка діаграми «залізо-цементит», необхідний для термічної обробки стали, представлений на малюнку 12.1.

%
 
 
0С
%
 

Малюнок 12.1 - «Сталевий» ділянку діаграми «залізо-цементит»

Наведемо загальноприйняті позначення критичних точок, необхідних для термічної обробки стали. Критичні точки позначаються літерою А. Точка А1 лежить на лінії РSК і відповідає перетворенню аустенит - перліт. точка А3 лежить на лінії GSЕ і відповідає початку випадання або закінчення розчинення фериту в доевтектоїдних сталях або цементиту вторинного в заевтектоідних сталях. Щоб відрізнити критичну точку при нагріванні від критичної точки при охолодженні, після літери А ставлять букви «с» і «r», відповідно (Аc1, Аr1, Аc3, Аr3). крапку Аc3 для заевтектоідной стали часто позначають як точку Асm.

Основними видами термічної обробки сталі є отжиг першого роду, отжиг другого роду, гарт, відпустка.

Відпал першого роду. Відмітна особливість відпалу першого роду від відпалу другого роду полягає в тому, що його проведення не обумовлено фазовими перетвореннями. Основними параметрами відпалу першого роду є температура нагріву і час витримки при цій температурі. Швидкості нагріву і охолодження при цьому мають другорядне значення. Відпал першого роду частково або повністю усуває відхилення від рівноважного стану, наявні в стали після лиття, обробки тиском, зварювання в інших технологічних операціях. Залежно від того, які відхилення від рівноважного стану усуваються, розрізняють Гомогенізаціонний, рекрісталлізаціонний и зменшує напруги.

Гомогенізаціонний отжиг призначений для усунення дендритних ліквації в литої сталі. При цьому сталь піддається тривалій витримці (до 48 годин) при 1000 оС. При високій температурі рухливість атомів в кристалічній решітці висока і з плином часу за рахунок процесів дифузії відбувається поступове вирівнювання хімічного складу. Однак усереднення хімічного складу відбувається в межах одного зерна, тобто усувається в основному дендритная ізоляція. Після гомогенізації метал має підвищену пластичність і легко піддається пластичної деформації.

Відпал рекристалізації. Холодна пластична деформація викликає зміна структури металу і його властивостей. Сдвиговая деформація викликає збільшення щільності дефектів кристалічної решітки, таких як вакансії, дислокації. Освіта пористої структури відбувається зі зміною форми зерен, вони сплющуються, витягуються в напрямку головної деформації. Всі ці процеси ведуть до того, що міцність металу поступово збільшується, пластичність падає, тобто виникає наклеп або нагартовка. Подальша деформація такого металу неможлива, тому що відбувається його руйнування. Для зняття ефекту зміцнення застосовують відпал рекристалізації, тобто нагрів металу до температур вище початку кристалізації, витримку з подальшим повільним охолодженням. Температура відпалу на 100-200 оЗ вище температури рекристалізації, яка визначається з виразу Трічок = 0,4 ? Тпл.

Тривалість такого відпалу залежить від розмірів деталі і в середньому становить від 0,5 до 2 годин. В процесі рекристаллизационного відпалу відбувається утворення зародків нових зерен і подальше зростання цих зародків. Поступово старі деформовані зерна зникають. Кількість дефектів в кристалічній решітці зменшується, наклеп усувається, і метал повертається в початковий стан.

Відпал рекристалізації може застосовуватися як попередня, проміжна, так і як остаточна термообробка. Як попередня термообробка він застосовується перед холодної деформацією, якщо початковий стан металу неравновесное і має якусь ступінь зміцнення. Як проміжна операція рекрісталлізаціонний відпал застосовується між операціями холодної деформації, якщо сумарна ступінь деформації занадто велика і запасів пластичності металу бракує. Як остаточний вид відпалу його застосовують в тому випадку, якщо споживач вимагає поставки напівфабрикатів в максимально пластичному стані.

Відпал для зняття внутрішніх напружень. Внутрішні напруги в металі можуть виникати в результаті різних видів обробки. Це можуть бути термічні напруги, що утворилися в результаті нерівномірного нагрівання, різної швидкості охолодження окремих частин деталі після гарячої деформації, лиття, зварювання, шліфування і різання. Можуть бути структурними, тобто з'явилися в результаті структурних перетворень, що відбуваються всередині деталі в різних місцях з різною швидкістю. Внутрішні напруги в металі можуть досягати великої величини і, складаючись з робітниками, тобто що виникають при роботі, можуть несподівано перевищувати межу міцності і приводити до руйнування. Цей відпал проводиться при температурах нижче температури рекристалізації: tвіджи= 0,2-0,3Тпл. Підвищена температура полегшує ковзання дислокацій і, під дією внутрішніх напружень, відбувається їх перерозподіл, тобто з місць з підвищеним рівнем внутрішніх напружень дислокації переміщаються в області зі зниженим рівнем. Відбувається як би розрядка внутрішньої напруги. При нормальній температурі цей процес буде тривати протягом декількох років. Збільшення температури різко збільшує швидкість розрядки, і тривалість такого відпалу становить кілька годин.

Відпал другого роду.При відпалі другого роду сталь нагрівається на 30-50 оЗ вище критичних точок Аc1 або Аc3 з подальшим повільним охолодженням, як правило, разом з піччю. На діаграмі ізотермічного перетворення аустеніту (рисунок 12.2) швидкість охолодження при відпалі відповідає кривої V1.

Залежно від температури нагріву стали розрізняють повний и неповний отжиг. При повному відпалі нагрів ведеться на 30-500 вище точки Ас3, При неповному - в область межкрітіческіх температур (Ас1 нагріву <Ас3).

t

Малюнок 12.2 - Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту евтектоїдной стали

Основними цілями відпалу є, перекристалізація сталі і усунення внутрішніх напружень. Повний відпал призводить до повної перекристалізації (всі складові вихідної структури при температурі нагріву переходять в аустеніт). При неповному відпалі перекристаллизацию відчуває тільки перліт; ферит в доевтектоїдної стали і цементит вторинний в заевтектоідной стали перекрісталлізовивают частково. Відпал призводить до зниження твердості, підвищення пластичності і отримання однорідної дрібнозернистої структури. При повільному охолодженні стали, нагрітої в аустенитную область, все фазові перетворення відбуваються відповідно до діаграмою «залізо-цементит». Доевтектоїдних сталь після відпалу має структуру перліту і фериту, заевтектоідних - перліту і цементиту вторинного. Для доевтектоїдних сталей, як правило, проводиться повний відпал, Для заевтектоідних - неповний.

На структуру стали впливає температура відпалу. Відпал при температурах, значно перевищують Ас3, Призводить до перегріву стали. У перегрітої сталі в порівнянні зі сталлю, отожженной при нормальній температурі, величина, форма і розташування зерен, які мають бути. Так, при нагріванні доевтектоїдних стали з 0,4% С до 1000 оЗ (нормальний отжиг проводиться при 860 оС) зерна аустеніту виростають до значних розмірів. В результаті цього при охолодженні утворюються великі зерна перліту, а ферит виділяється у вигляді великих голок (пластин) всередині перліту по певних кристалографічних площинах (рисунок 12.3). Така структура носить назву відманштетовий. Сталь з відманштетовий структурою має низьку ударну в'язкість. Перегріту грубозернисту сталь можна виправити шляхом нормального відпалу. Відманштетовий структура характерна також для литої сталі, для зварних швів, для кованої сталі, якщо кування закінчилася при високій температурі.

а) - при 860 оЗ (правильний режим); б) - при 1000 оЗ (перегрів)

Малюнок 12. 3 - Мікроструктура доевтектоїдних стали 45 після відпалу

При неповному відпалі заевтектоідних сталей нагрів проводиться на 30-50 оЗ вище Ас1. Так як в заевтектоідних сталях кількість цементиту вторинного в порівнянні з перлітом відносно невелике, при неповному відпалі вони відчувають практично повну перекристаллизацию. Нерастворившиеся при нагріванні частинки цементиту вторинного (присутні в структурі в невеликій кількості) є центрами кристалізації для цементиту, що утворюється при подальшому охолодженні нижче точки Ас1 в результаті евтектоїдного розпаду аустеніту. В цьому випадку цементит приймає зернисту форму. Такий відпал часто називають Сфероідізірующій. В результаті Сфероідізірующій відпалу утворюється зернистий перліт (рисунок 12.4). Зміна форми включень цементиту дозволяє підвищувати в'язкість сталі; полегшує процес обробки різанням. Така структура стали є ідеальної перед загартуванням.

Якщо нагрів виробляти значно вище Ас1, То утворюється пластинчастий перліт.

У заводській практиці з метою економії часу і отримання більш стабільних результатів все більшого поширення набуває так званий ізотермічний отжиг. В цьому випадку сталь, нагріта вище критичних точок Ас1 або Ас3, Охолоджується з будь-якою швидкістю до температури, що лежить на 50-100 оC нижче рівноважної точки А1, І при цій температурі витримується протягом часу, необхідного для повного розпаду аустеніту. Так як перетворення А®П йде при постійній температурі і в повному обсязі деталі одночасно, такий спосіб відпалу дозволяє отримати рівномірну структуру по всьому об'єму деталі. Такий вид відпалу застосовується для великогабаритних деталей відповідального призначення. Надалі охолодження до кімнатної температури ведеться з будь-якою швидкістю.

Різновидом відпалу є нормалізація. Відмінність нормалізації від відпалу полягає в тому, що охолодження проводиться на повітрі. Після нормалізації середньовуглецеві стали мають той же фазовий склад, що і після відпалу, однак дисперсність фаз в цьому випадку вище (малюнок 12.5), замість перліту утворюється структура близька до сорбіту. Це призводить до підвищення твердості і міцності матеріалу.

 Малюнок 12.4 - Мікроструктура зернистого перліту заевтектоідной стали  Малюнок 12.5 - Мікроструктура доевтектоїдних стали 45 після нормалізації

Нормалізація є дешевшою термічною обробкою, ніж отжиг. Для низьковуглецевих сталей (С <0,3%) різниця в структурі і властивостях матеріалів, підданих відпалу і нормалізації, невелика. Ці стали рекомендується під сумнів не відпалу, а нормалізації. Для середньовуглецевих сталей, що містять 0,3-0,5% вуглецю, відмінність у властивостях нормализованной і отожженной сталей більш значно. В цьому випадку нормалізація не може замінити отжиг. Для цих сталей нормалізацією часто замінюють більш дорогу операцію - поліпшення, що складається в подвійній обробці, що включає загартування і високий відпустку.

Загартування. Закалкойназивается такий вид термічної обробки, який полягає в нагріванні на 30-50 оЗ вище точки Ас3 або Ас1, Витримці для завершення фазових перетворень і подальшому охолодженні зі швидкістю, як правило, вище критичної Vк (Див. Рисунок 12.2). При охолодженні зі швидкістю, вищою за критичну, аустеніт переохолоджується нижче температури точки Мн, При якій атоми заліза і вуглецю практично втрачають диффузионную рухливість, і відбувається бездіффузіонному перебудова гранецентрированной решітки аустеніту в тетрагональную об'ємно-центровану грати мартенситу. При цьому весь вуглець залишається в твердому розчині Fеg(С) ® Fеa(С). Таким чином, мартенсит є пересиченим твердим розчином вуглецю в a-залізі.

Залежно від температури нагрівання розрізняють повну і неповну загартування. Доевтектоїдних стали піддають повної загартуванню. Оптимальним є нагрів на 30-50 оЗ вище точки Ас3. В якості охолоджуючої середовища для вуглецевих сталей застосовують воду. В результаті такої обробки виходить структура мартенситу з невеликою кількістю залишкового аустеніту. Мартенсит має голчасті будову. Розмір голок мартенситу визначається величиною вихідного зерна аустеніту. Чим більше зерно аустеніту, тим крупніше розмір голок утворився мартенситу. При нормальній загартуванню утворюється мелкоігольчатий мартенсит (рисунок 12.6, а).

а) - гарт з 860 оЗ (правильний режим) б) - гарт від 1000 оЗ (перегрів)

Малюнок 12.6 - Мікроструктура стали 45 після повної гарту

Якщо сталь нагрівати під загартування до температур, які значно перевищують точку Ас3, А потім охолодити у воді, то вийде структура крупнозернистого мартенситу (рисунок 12.6, б). У доевтектоїдної стали (0,4% вуглецю) структура крупнозернистого мартенситу утворюється при нагріванні до 1000 оС. Нормальна температура гарту цієї стали дорівнює 860 oС. Сталь зі структурою крупноігольчатого мартенситу володіє підвищеною крихкістю.

При швидкості охолодження сталі, менше критичної, наприклад, V2, V3 (Див. Рисунок 12.2), аустеніт розпадається з утворенням суміші частинок фериту і цементиту, званої сорбітом або троостита. Ці структури відрізняються один від одного величиною зерен (ступенем дисперсності) цементиту. Найбільш дисперсная структура у троостита. Феррітоцементітние суміші, що утворюються при охолодженні аустеніту, мають пластинчасту будову.

При швидкості охолодження, що дорівнює V4 (Див. Рисунок 12.2), структура стали складатиметься з троостита і мартенситу. Як випливає з діаграми, в цьому випадку при охолодженні нижче точки а1 аустенит частково перетворюється в троостіт. Що залишився аустенит нижче точки в1 перетвориться в мартенсит. При загартуванню в маслі сталь 40 буде мати структуру, що складається з троостита і мартенситу. Металографічні троостіт виявляється у вигляді темних ділянок по межах зерен, світлі ділянки являють собою мартенсит.

У разі нагрівання під неповну загартування (вище Ас1, Але нижче Ас3) Доевтектоїдних сталь має структуру аустеніту і фериту, а заевтектоідних - аустеніту і цементиту вторинного. При охолодженні зі швидкістю більше критичної аустеніт перетворюється в мартенсит, а ферит в доевтектоїдної стали і цементит вторинний в заевтектоідной не зазнавав фазових перетворень. Кількість надлишкових фаз (фериту або цементиту) залежить від температури загартування. Чим ближче температура нагріву до точки Ас3, Тим менше в структурі загартованої сталі надлишкових фаз.

Заевтектоідние стали піддаються неповної загартуванню. Наявність в структурі загартованих заевтектоідних сталей вторинного цементиту підвищує твердість і зносостійкість інструменту, що виготовляється з цих сталей. При повному загартування заевтектоідних сталей в результаті більш високого нагріву сталь отримує структуру крупноігольчатого мартенситу з підвищеним вмістом аустеніту залишкового. Механічні властивості при цьому знижуються. Неповна гарт для доевтектоїдних сталей не рекомендується, так наявний в цьому випадку поряд з мартенситом ферит призводить до зниження твердості і міцності матеріалу.

Висока твердість і міцність мартенситу пояснюється викривленням решітки внаслідок утворення пересичені твердого розчину. Внаслідок утворення великої кількості дефектів кристалічної будови пластична деформація загартованої сталі скрутна і вона схильна до крихкого руйнування.

відпустка.Після гарту сталь піддають відпустці. Під відпусткою розуміється сукупність операцій, які полягають в нагріванні загартованої сталі до температури нижче критичної точки Ас1, Витримці і охолодженні до кімнатної температури. Практичними цілями відпустки є зменшення гартівних напруг, отримання потрібного комплексу механічних властивостей (міцності, пластичності і в'язкості).

Відпустка призводить до зниження твердості, міцності і підвищення пластичності. Причому вплив на зазначені властивості тим більше, чим вище температура відпустки.

Залежно від температури нагрівання розрізняють три різновиди відпустки: низький, середній и високий.

низький відпустку проводять шляхом нагрівання загартованої сталі до 200 оС. При цьому утворюється структура мартенситу відпущеного. Відпущений мартенсит є пересичений розчин вуглецю в a-залізі і когерентно пов'язаного з ним e-карбіду. Мікроструктури відпущеного мартенситу і мартенситу гарту приблизно однакові (див. Рисунок 12.6, а). Низький відпустку частково знімає внутрішню напругу і дещо підвищує в'язкість. Твердість при низькому відпустці практично не знижується. Така відпустка найбільш часто застосовується при термічній обробці інструментальних сталей і виробів після цементації.

при середньому відпустці нагрів загартованої сталі виробляється до температур 350-450 о С, при цьому утворюється структура троостита відпустки (рисунок 12.7а). Троостит відпустки складається з дисперсних частинок фериту і цементиту. Сталь зі структурою троостита відпустки має високу межу пружності. Тому середній відпустку зазвичай застосовують при термічній обробці ресор і пружин. Зазвичай відпустки в інтервалі температур 300-350 оЗ уникають, що пов'язано з появою відпускної крихкості I роду.

а) б)

Малюнок 12.7 - Мікроструктура троостита (а) і сорбіту (б) відпустки

при високому відпустці нагрів загартованої сталі виробляється до температур 500-650 оС; утворюється структура - сорбіт відпустки, що представляє собою суміш укрупнених частинок фериту і цементиту округлої форми (рисунок 12.7б). Сорбіт відпустки має гарне поєднання властивостей: міцність, пластичність і в'язкість. Твердість сорбіту становить 300-350 НВ. Загартування сталі з подальшим високим відпуском на сорбіт називається термічного поліпшення. Ця обробка рекомендується для середньовуглецевих конструкційних сталей.

Контрольні питання

1. Дати визначення термічній обробці, відпалу 1-го роду, відпалу 2-го роду загартуванню, відпуску.

2. Описати різновиди відпалу 1-го роду, вказати їх режими і призначення.

3. Описати різновиди відпалу 2-го роду, вказати їх режими і призначення

4.. Вказати переваги нормалізації і ізотермічного відпалу.

5. Дати визначення загартуванню, повної і неповної, вказати область їх застосування.

6. Дати визначення відпустці, вказати види відпустки і область їх застосування.

7. Дати визначення утворюється при відпустці структурам, вказати їх властивості та області застосування.



 Завдання по роботі |  Завдання по роботі
© um.co.ua - учбові матеріали та реферати