І термокінетична діаграма з даними швидкості охолодження

при гартуванні (б)

 

Температура нагрівання для гартування заевтектоїдної сталі визначається за емпіричною формулою:

При нагріванні до температури вище Ac₁ структура цієї сталі складається з аустеніту і збереженого в деякій кількості вторинного цементиту. Після охолодження структура сталі складається з мартенситу і часток вторинного цементиту, що не розчинилися і мають високу твердість. Присутність цементиту збільшує твердість і зносостійкість загартованої сталі. Верхня межа температури гартування для більшості заевтектоїдних сталей обмежена, тому що надмірне підвищення температури вище Ас₁ пов'язане з ростом зерна. Це призводить до зниження міцності й опору крихкому руйнуванню. Нагрівання заевтектоїдної сталі до температур вище критичної точки A_cm (лінія SЕ) призводить до розчинення вторинного цементиту в аустеніті, укрупнення зерна, збільшення гартівних напруг і зневуглецьовування поверхні сталі.

При нагріванні в електричних і полум'яних печах виріб, що нагрівається, взаємодіє з окислювальною атмосферою, і на поверхні сталі утворюється оксидний або зневуглецьований шар, що призводить до втрат металу, погіршення стану поверхні і втрати твердості, зносостійкості й опору втомі. Тому для запобігання окислюванню й зневуглецьовуванню виробів в робочий простір печі вводять захисне газове середовище (контрольовану атмосферу).

Як гартівні середовища застосовують воду, водні розчини солей і лугів, мастила мінеральні, водно-повітряні і водно-мастильні суміші, розплавлені солі і розплавлені легкоплавкі метали.

Розрізняють гартування в одному охолоджувачі (безперервне), переривчасте (у двох середовищах), із самовідпусканням, ступінчасте, ізотермічне поверхневе (з індукційним або газополум’яним нагріванням) та ін. Найбільш широко застосовується гартування в одному охолоджувачі.

Визначивши температуру і тривалість нагрівання, щипцями слід по черзі укласти зразки на середину розігрітої печі: зразок діаметром 40мм – для нормалізації і два зразки діаметром 20...25 мм – для гартування (один – у мастилі, другий – у воді). При цьому дверцята печі необхідно швидко закрити, щоб уникнути охолодження. Після досягнення розрахункової температури нагрівання необхідно плавним поворотом ручки терморегулятора печі проти годинникової стрілки установити положення, що відповідає цій температурі на момент розриву електричного кола. Якщо температура в печі піднімається вище розрахункової, необхідно відкрити дверцята печі і, стежачи за показниками потенціометра, встановити необхідну температуру. Четвертий зразок діаметром 70мм у піч завантажувати не слід. Він знаходиться у відпаленому стані (для економії часу). Швидкість охолодження при відпалі 0,05 °С/с. Твердість відпаленої Сталі 45 необхідно вимірювати на пресі Бринелля і занести до протоколу (див. табл. 3.1).

Після закінчення розрахункового часу нагрівання зразки по одному витягують з печі і охолоджують: діаметром 10мм – на “спокійному” повітрі (покласти на керамічну плитку; швидкість охолодження при нормалізації складає ~ 3 °С/с), а діаметром 20мм – один – у воду, а другий – в мастило. Витягаючи зразки з печі, необхідно швидко закривати дверцята печі, щоб уникнути остигання зразків, які ще залишилися в ній. Якщо температура зразків понизиться в порівнянні з розрахунковою (нижче Ac₃), можуть утворитися зерна фериту, а гартування зразків вийде неповним, сталь буде мати знижену твердість і міцність. Тому гартування зразків варто робити від розрахункової температури нагрівання.

При виконанні процесів гартування необхідно дотримуватися таких основних вимог:

– При внесенні нагрітих зразків у гартівне середовище (воду або масло) їх варто швидко пересувати, а не кидати на дно гартівної ванни. Це необхідно для підвищення інтенсивності охолодження і рівномірного гартування зразків по всьому перерізу, тобто для запобігання утворення повітряних або мастильних “сорочок” навколо них.

– Від швидкості охолодження залежить характер структур, що утворяться. Швидкість охолодження впливає на температуру перетворення аустеніту. Чим більше швидкість охолодження, тим при більш низькій температурі починається розпад аустеніту і тим більш дисперсною виявляється структура, що утворюється.

Після остигання зразки варто зачистити з обох боків на шліфувальному крузі або шкірці для зняття зневуглецьованого шару (окалини) і випробувати на твердість. Твердість відпаленого і нормалізованого зразків вимірюють на пресі Бринелля, загартованих в мастилі або воді – на пресі Роквелла. При цьому будьте уважні, щоб загартовані зразки випадково не потрапили для дослідів на прес Бринелля. Отримані значення твердості зразків занести до протоколу (див. табл. 3.1) і представити у вигляді графіка (рис. 3.4). При цьому за допомогою таблиць необхідно перевести одиниці твердості по Бринеллю в одиниці твердості по Роквеллу (шкала С) і навпаки.

 

Твердість, НВ

Швидкість охолодження, ºС/с

Рисунок 3.4 – Залежність твердості Сталі 45 від швидкості охолодження

За даними твердості зразків необхідно приблизно розшифрувати структуру сталі після термічної обробки. Для цього слід керуватися такими даними. Твердість НВ 190 і менше відповідає феритно-перлітній структурі; НВ 190...230 – перлітній; НВ 230...270 – сорбітоподібного перліту; НB 270...350 – сорбітній; НВ 350...450 – трооститній і HB 500...600 – мартенситній. При цьому потрібно пам'ятати, що гартування сприймають тільки сталі з масовою часткою вуглецю 0,3 % і більше. Низьковуглецеві сталі з масовою часткою вуглецю менше 0,25 % загартуванню не підлягають.

 

Зміст протоколу

1. Назва роботи.

2. Мета робота.

3. Прилади та матеріали

4. Описати методику і режими термічної обробки сталі. Накреслити в координатах “час – температура” схеми нормалізації і гартування сталі.

5. Вказати масову частку вуглецю в сталі, критичні точки, температуру нагрівання, час нагрівання і витримки, охолоджуючі середовища.

6. Занести експериментальні дані по твердості до таблиці 3.1, вказавши передбачувані структури сталі після відповідних видів термічної обробки, побудувати графік залежності твердості від швидкості охолодження (див. рис. 3.4).

7. Висновки по роботі.

Питання для самоперевірки

1. Що таке сталь, яким чином вуглець впливає на структуру та властивості сталей після відпалювання?

2. Яким чином класифікують вуглецеві сталі в залежності від структури в стані рівноваги?

3. Класифікація вуглецевих сталей за призначенням. Маркування вуглецевих конструкційних та інструментальних сталей.

4. Критичні точки при термічній обробці сталі та їх фізична сутність.

5. Гартування. Вибір оптимальних температур гартування. Вплив легуючих елементів.

6. Повне та неповне гартування, їх застосування для різних сталей.

7. Вплив легуючих елементів на ріст зерна аустеніту. Спадкові крупно- та дрібно- зернисті сталі.

8. Діаграма ізотермічного перетворення аустеніту сталі У8.

9. Перлітне перетворення. Перліт, сорбіт, троостит, їх властивості.

10. Мартенситне перетворення. Будова та властивості мартенситу гартування.

Рекомендована література

1. Бялік О.М., Черненко В.С., Писаренко В.М., Москаленко Ю.Н. Металознавство. – К.: Політехніка, 2008.- 384 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – M.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

3. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение / Методы анализа, лабораторные роботы и задачи. – M.: Металлургия, 1989. – 456 с.

 

 

 

Лабораторна робота № 4