Данные об исходном состоянии перегретых образцов

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 =…

А_С3 =…

Размеры и форма образцов …

Микроструктура ( 240) перегретой стали, образец 1:

 

Зарисовать микроструктуру, указать

структурные составляющие, описать

размер и форму составляющих.

 

 

Твёрдость … HRB, т.е. … HB

Термическая обработка перегретых образцов

 

Данные по термической обработке образцов занести в таблицу 6.1.

 

Таблица 6.1 – Термическая обработка перегретых образцов

№ обр.	Вид термообработки	ТН, ^оС	Время нагрева τн,^1 мин.	Время выдержки τв^2, мин.	Охлаждающая среда
					с печью   с печью   с печью   с печью   на воздухе
^1время нагрева tн выбирают из расчёта 1 мин. на 1 мм минимального сечения образца; ^2 время выдержки tв выбирают из расчёта tв = 0,5 tн

 

Результаты эксперимента

 

6.4.3.1 Построить графики термической обработки, зарисовать микроструктуру образцов (рисунок 6.3). Описать структуру, объяснить видимые изменения с точки зрения фазовых превращений, протекающих в стали при нагреве и охлаждении.

Образец № 2   Тн = 680 ^оС

Образец № 3   Тн = 740 ^оС

Образец № 4   Тн = 820 ^оС

Образец № 5   Тн = 920 ^оС

Образец № 6   Тн = 820 ^оС

 

Рисунок 6.3 – Графики термообработки образцов

 

6.4.3.2 Твердость термически обработанных образцов занести в таблицу 6.2.

 

Таблица 6.2 – Твёрдость термически обработанных образцов

№ образца
HRB
HB

 

 

Анализ полученных результатов и выводы

 

Для каждого графика описать структуру и объяснить её изменение или неизменность по отношению к исходному образцу с точки зрения превращений, протекающих при нагреве и охлаждении. Указать, какая структура получается в нагретом состоянии и что даёт охлаждение. Обратите внимание на положение температуры нагрева относительно критических точек.

На основании полученных результатов сделайте вывод, какие виды термической обработки исправляют структуру перегретой стали.

 

6.5 Контрольные вопросы

 

1. Какую сталь называют перегретой?

2. Какие причины приводят к перегреву стали?

3. Какие превращения протекают в доэвтектоидной стали при нагреве выше точки А_С1?

4. Какие превращения протекают при нагреве доэвтектоидной стали в интервале температур А_С1 – А_С3?

5. Какой вид термической обработки называют отжигом, нормализацией?

6. Какие виды отжига применяют для исправления структуры перегретой стали?

7. Исправляет ли нормализация перегрев стали?

 

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 7

ВЫБОР ТЕМПЕРАТУРЫ НАГРЕВА ДЛЯ ЗАКАЛКИ СТАЛИ

Цель работы: изучить закалку стали, научиться выбирать температуру нагрева в зависимости от структурной группы стали, приобрести навыки практической работы с термическим оборудованием и приборами.

Теоретические сведения

 

Закалкой называют процесс термической обработки стали, заключающийся в нагреве до температуры выше критических точек А_С3 или А_С1, выдержке и быстром охлаждении (в воде, масле или других жидких средах) со скоростью больше критической. Цель закалки – повысить твердость стали за счет образования мартенситной структуры. Нагрев выше критических точек необходим, чтобы получить аустенит, а быстрое охлаждение – чтобы аустенит превратился в мартенсит (фазовые превращения, протекающие в сталях при нагреве и охлаждении, описаны в п. 6.1.1).

Закалка может быть полной и неполной. Полной является закалка на мартенситную структуру, а неполной – закалка на мартенсит и избыточную структуру (феррит или цементит). Результат закалки зависит от температуры нагрева. В свою очередь, температуру нагрева выбирают в зависимости от структурной группы стали (рисунок 7.1).

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке:

 

Т_н = А_С3 + (30…50) ^оС.

 

При таком нагреве ферритно-перлитная структура полностью перейдет в аустенит, который при быстром охлаждении превратится в мартенсит:

 

 

Твердость стали – максимальная.

Нагрев выше точки А_С1, но ниже А_С3 (точка в на ординате I) приведет к неполной закалке, так как перлит превратится в аустенит, а избыточный феррит не изменится. Поэтому после охлаждения, кроме мартенсита, в структуре сохранится избыточный феррит:

 

 

Так как твердость феррита меньше твердости мартенсита, он снижает твердость закалённой стали.

содержание углерода, %

а – график термической обработки доэвтектоидной стали; б – нижний левый угол диаграммы «железо – цементит» (схема); в – график термической обработки заэвтектоидной стали.   Рисунок 7.1 – Диаграмма состояния «железо – цементит» и формирование структуры при закалке от различных температур

Нагрев ниже точки А_С1, например до точки а на ординате I сплава (см. рисунок 7.1), не обеспечит образования аустенита, следовательно, после охлаждения не будет и мартенсита. Закалка вообще не полу-чится:

 

Заэвтектоидные стали (ордината II на диаграмме «железо – цементит» – рисунок 7.1), наоборот, подвергают неполной закалке:

 

Т_н = А_С1 + (30...50), ^оС.

 

В заэвтектоидной стали исходная структура – перлит и цементит вторичный. При нагреве выше точки А_С1 (точка е на ординате II) только перлит перейдет в аустенит, а цементит вторичный останется. Причем в аустените будет растворено около 0,8 % С. При охлаждении аустенит перейдет в мартенсит, а цементит вторичный останется:

 

 

Так как твердость цементита выше твердости мартенсита, его присутствие не только не снизит твердости закалённой стали, но и повысит ее износостойкость.

Нагрев заэвтектоидной стали до температуры выше критической точки А_ст (точка f на ординате II) приведёт не только к переходу перлита в аустенит, но и к растворению в нем цементита вторичного, повышению в аустените углерода и снижению мартенситных точек. Поэтому при охлаждении аустенит не весь перейдёт в мартенсит. В структуре останется более 10 % остаточного аустенита, что снизит твёрдость закалённой стали:

 

 

Нагрев ниже точки A_С1 (точка d на ординате II), как и в случае с доэвтектоидной сталью, не приведет к образованию аустенита, следовательно, не будет и мартенсита.

На рисунке 7.1 область закалочных температур заштрихована. Итак, для доэвтектоидной стали

 

Т_н = а_С3 +(30...50), °С – полная закалка,

 

а для эаэвтектоидной стали

 

Т_н = а_С1 +(30...50), °С – неполная закалка.

Материалы и принадлежности

 

· Образцы углеродистой стали в отожженном состоянии - 4 шт. (марки 40, 45 или У12, У13).

· Лабораторные печи (680, 740, 820, 920 °С).

· Приспособления для загрузки (выгрузки) образцов в печь.

· Закалочный бак с холодной водой.

· Наждак.

· Твердомер ТК с шариком и алмазным наконечником.

· Микроскопы 200...300.

· Коллекция микрошлифов (пять образцов).

 

Порядок выполнения работы

 

7.3.1 Получить образцы для работы и ознакомиться с маркой стали, химическим составом, критическими точками (приложение А). Измерить и записать размеры образцов и их твердость на приборе Роквелла по шкале B (HRB). Посмотреть и зарисовать микроструктуру ис­ходного образца (отожженного).

7.3.2 Подсчитать время нагрева (t_н) и время выдержки (t_в) образцов в печи. Время нагрева подсчитывается из расчёта одна минута на 1 мм минимального сечения образца, а время выдержки t_в = 0,5 t_н. Общее время нахождения образца в печи t = t_н + t_в.

Загрузить образцы (по одному) в печь с температурой 680, 740, 820, 920 °С, выдержать t минут, а затем быстро перенести в бак с холодной водой. Охладить в воде в течение 10…12 с, всё время перемещая образец, чтобы сбить паровую рубашку.

Закалённые образцы зачистить на наждаке до металлического блеска.

7.3.3 Измерить твёрдость закалённых образцов на приборе Роквелла. Образец, закалённый с 680 °С, – по шкале B (HRB), остальные – по шкале C (HRC). На каждом образце сделать по два накола, а среднее значение перевести в твёрдость по Бринеллю (HB).

Получить коллекцию микрошлифов термически обработанных образцов, изучить их структуру, зарисовать в кругах диаметром 35 – 40 мм или квадратах со стороною 30 – 35 мм (отдельные структурные составляющие указываются стрелками, а справа от микроструктуры дается описание видимого в микроскоп изображения).

Оформление отчета

 

Исходное состояние образцов

 

Марка стали …

Химический состав …

Критические точки А_С1 = …

А_С3 = …

Структурная группа…

Форма и размеры образцов …

Исходное состояние – отожженное.

Микроструктура ( 240) в исходном состоянии:

Образец № 1

Зарисовать, указать структурные составляющие.

 

Твёрдость в отожжённом состоянии:

…HRB, что соответствует твёрдости

…HB (по Бринеллю).

 

 

7.4.2 Термическая обработка (закалка) образцов

Время нагрева: t_н.

Время выдержки: t_в = 0,5 t_н.

Общее время: t = t_н + t_в.

 

Температура нагрева:

 

образец № 2 – 680 °С;

образец № 3 – 740 °С;

образец № 4 – 820 °С;

образец № 5 – 920 °С.

 

Охлаждающая среда – вода.

Результаты эксперимента

 

7.4.3.1 Значения твердости образцов после закалки занести в таблицу 7.1.

 

Таблица 7.1 – Твёрдость после закалки

№ обр.	Тн , °С	Твёрдость	Микро-структура
по Роквеллу	по Бринеллю HB
			ср.
		HRB HRC HRC HRC

 

7.4.3.2 Построить графики термообработки, зарисовать микроструктуру закаленных образцов (рисунок 7.2).

 

Образец № 2: ТН = 680 °С	Образец № 3: ТН = 740 °С
Образец № 4: ТН = 820 °С	Образец № 5: ТН = 920 °С

Рисунок 7.2 – Графики термообработки

и микроструктуры закаленных образцов

7.4.3.3 Анализ полученных результатов.

Для каждого образца указать, какие превращения протекают при нагреве, что даёт охлаждение, какая структура с какой твердостью получилась и, с этой точки зрения, получилась или нет закалка.

 

7.4.3.4 Выводы.

Сделать выводы, как выбрать температуру нагрева для закалки стали заданной группы.

 

Т_н = …

 

 

7.5 Контрольные вопросы

 

1. Дайте определение основных структурных составляющих стали: феррита, перлита, аустенита, мартенсита.

2. Какую температуру называют критической точкой a_С1, А_С3, А_cm?

3. Какое превращение протекает при нагреве стали выше
точки A_С1, в интервале температур a_С1 – А_С3?

4. В каком состоянии находится сталь ваше точки а_С3 (А_cm)?

5. Какой вид термической обработки называют закалкой, полной закалкой, неполной закалкой?

6. Как выбрать температуру нагрева для закалки доэвтектоидной стали, заэвтектоидной стали?

 

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 8

 

ВЫБОР СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИИЯ

(ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ) ДЛЯ ЗАКАЛКИ