Последовательность выполнения и обработка экспериментальных данных.

Практическая часть работы выполняется в следующем порядке:

1. Группе студентов до 3-4 человек преподаватель указывает номер выполняемого задания. Текст задания каждый студент записывает себе в отчет.

2. В соответствии с заданием преподаватель назначает марку стали, определяется ее структурный класс.

3. Определяется по заданию вид термической обработки: закалка, отжиг, закалка с отпуском.

4. Далее переходят к назначению режимов термической обработки: температуры нагрева, времени нагрева и выдержки, охлаждающей среды. Некоторые показатели режима в зависимости от конкретного задания указываются преподавателем.

Температура нагрева подсчитывается по формулам, приведенным в табл. 10. Численные значения температур фазовых превращений Aс₁ и Aс₃ принимаются по данным таблице 11. При этом вычисляют два численных значения температуры: минимальное t_min и максимальное t_max. Эти значения температуры характеризуют оптимальный интервал температуры нагрева. Фактическая величина температуры в печи должна находиться в этом интервале (не ниже t_min).

 

Пример. Закалка стали У12 (Aс1=730°С):	tmin = 730 + 70 = 800°С;
	tmax = 730 + 100 = 830°С.

 

 

Таблица 10 - Температуры нагрева и охлаждающие среды при термической обработке стали

Вид термической обработки стали	Температура нагрева, ºС		Типовая охлаждающая среда
	Стали доэвтектоидные (менее 0,8% С)	Стали эвтектоидные и заэвтектоидные (от 0,7…0,8 до 2,14%)
Отжиг	t отж = t Ас3 + +(30…50°С)	t отж = t Ас1 + +(30…70°С)	С печью
Нормализационный отжиг	t н.о. = t Ас3 + +(50…80°С)	t н.о. = t Ас m +  +(30…50°С)	На спокойном воздухе
Закалка	t зак = t Ас3 + +(30…50°С)	t зак = t Ас1 + +(70…100°С)	Углеродистые стали – в воде, легированные – в масле
Отпуск закаленной стали	Ниже Ас1 (в зависимости от заданных свойств при 160…650°С)		Для большинства сталей – на воздухе

 

Таблица 11 - Температуры критических точек Ас₁, Ас₃,Асm некоторых сталей

Марка стали	30	35	40	45	50	40Х	45Г2	35ХГСА	60С2
Ас1, °С Ас3, °С	735 812	730 802	727 788	725 770	750 760	743 762	711 765	750 830	750 820
Марка стали	У7	У8	У10	У12	ШХ15	9ХС	ХВГ	Х12М
Ас1, °С Асm, °С	730 -	730 -	730 800	730 820	750 900	770 870	750 940	810 -

 

Время нагрева образцов до заданной температуры вычисляют по следующей эмпирической зависимости:

,

где Д - диаметр или толщина образца мм.

Время выдержки при заданной температуре tв = 0,2 tн, мин. Общее время от загрузки образцов в рабочую камеру печи до их выгрузки из печи составляет сумму времени нагрева и выдержки:

Пример. Диаметр образца равен 12 мм:

t_н = 1,5 ×12 = 18 мин; t_в= 0,2 × 18 = 3,6 мин; t= 18,0 + 3,6 = 21,6 мин.

Охлаждающая среда при термической обработке стали назначается по таблице 10.

Студенты получают у лаборанта образцы стали заданной марки и зачищают их от заусенцев на заточном станке (точиле). Далее лаборант измеряет твердость образцов до термообработки методом Роквелла по шкале НRВ. Полученное число твердости переводится по таблице в шкалу НВ. Величину твердости записывают в таблицу.

После этого образцы с помощью щипцов загружаются в печь под руководством лаборанта. Предварительно печь отключается от электрической сети. После загрузки образцов в печь дверца закрывается, и печь включается в электрическую сеть. По истечении времени нагрева и выдержки печь отключается от электрической сети, образцы с помощью щипцов быстро выгружаются из печи и помещаются в заданную охлаждающую среду.

После завершения охлаждения образцы зачищаются на заточном станке (точиле) и лаборант измеряет твердость в зависимости от вида термической обработки по шкале НRС или HRB. Полученные числа твердости переводятся по таблице в шкалу НВ. Величины твердости записывают в таблицу. Форма таблицы для записи результатов термической обработки по всему заданию дана ниже:

Влияние термической обработки на твердость стали

Марка стали. Вид термообработки (т.о.)	Режим термообработки			Твердость стали
	t, ºС	t, мин	Среда охлаждения	до т.о.		после т.о.
				НRB	НВ	НRB	НRС	НВ

 

В работе несколько человек студентов выполняют одно из практических заданий по термической обработке сталей с заданным содержанием углерода. На небольших образцах сталей в лабораторных условиях имитируется реальная термическая обработка заготовок, деталей машин и инструментов. Практические задания даны ниже.

 

ЗАДАНИЕ 1. Изучение влияния охлаждающей среды (скорости охлаждения) на твердость стали.

Четыре образца углеродистой стали заданной марки нагреть, выдержать и охладить: первый образец в воде (полная закалка), второй - в минеральном масле (частичная закалка), третий - на воздухе (нормализационный отжиг), четвертый - в печи (полный отжиг). Измерить твердость образцов до и после термической обработки.

 

Таблица 12 - Скорость охлаждения в различных средах

Охлаждающая среда	вода	масло	воздух	с печью
Примерная скорость охлаждения, градусов /с	600	100	1	0,05

 

По полученным данным строится график зависимости твердости стали от скорости охлаждения. Сделать выводы: после каких видов термической обработки достигается максимальная и минимальная твердость стали; - о влиянии скорости охлаждения на твердость стали.

 

ЗАДАНИЕ 2. Изучение влияния закалки на твердость стали с различным содержанием углерода.

Для нескольких образцов углеродистых сталей разных марок проводится закалка. Измеряется твердость образцов до и после закалки.

По полученным данным строятся два графика зависимости твердости от содержания углерода (до закалки для сталей марок У7, У8, У10 и после закалки для всех изученных сталей). Сделать выводы: - о влиянии закалки одной марки стали на твердость и о влиянии содержания углерода на твердость закаленной стали.

 

ЗАДАНИЕ 3. Изучение влияния температуры отпуска на твердость закаленной стали.

Три образца стали одной марки подвергнуть закалке. Измерить твердость каждого образца до и после закалки.

Провести отпуск закаленных образцов при температуре: первого—200°С, второго - 400°С, третьего - 600°С. Время нагрева и выдержки 30 мин. Измерить твердость после отпуска.

По полученным данным построить график зависимости твердости от температуры отпуска. Сделать выводы: - о влиянии температуры отпуска закаленной стали на твердость; -после отпуска при какой температуре достигается наиболее высокая и наименьшая твердость исследуемой стали.

 

По полученным данным на доске проводят построение графиков зависимостей твердости НВ от изменяемых факторов: содержания углерода в стали; скорости охлаждения при термической обработке; температуры отпуска закаленных образцов. Для этого каждый студент отмечает в соответствующих координатах экспериментальные точки.

Далее студенты по заданиям формулируют выводы, которые записываются в отчет. Выводы в отчете каждого студента приводятся по всем трем заданиям.

 

СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3. Теоретические положения: понятие термической обработки, типовые виды предварительной и окончательной термической обработки конструкционных сталей, графики термической обработки.

4. Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по термической обработке, марка стали, вид термической обработки, выбор режима термической обработки, таблица результатов по всему заданию. Три графика зависимости твердости от изучаемых факторов по всем заданиям.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

1. Понятие термической обработки.

2. Какие основные виды термической обработки применяются в машиностроении?

3. Какое влияние оказывают полный отжиг и полная закалка с отпуском на механические свойства конструкционной стали?

4. Какие печи применяются для термической обработки в лаборатории материаловедения?

5. Для каких целей применяются потенциометры?

6. Понятие твердости материалов.

7. Как определяется температура нагрева при закалке и отжиге?

8. Какая охлаждающая среда применяется в случае нормализационного отжига?

 

 

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

Основная:

Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов: учеб. для студентов машиностр. спец. вузов / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюшин; под ред. Г.П. Фетисова. – 3-е изд., испр. и доп. – М.: Высш. шк., 2005. 862 с.

Дополнительная:

Арзамасов, Б.Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов[и др.]; под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 7-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. 648 с.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЗАЧЕТУ

 

1. Строение металлических материалов.

2. Классификация сталей по содержанию углерода.

3. Полиморфные превращения в металлических материалах. Строение металлического слитка.

4. Механические свойства материалов. Упругая и пластическая деформация.

5. Вязкое и хрупкое разрушение. Пути повышения прочности металлических материалов.

6. Классификация и маркировка легированных сталей.

7. Виды термической обработки. Отпускная хрупкость стали.

8. Методы поверхностного упрочнения металлических материалов.

9. Причины возникновения внутренних напряжений при закалке. Каким способом можно предохранить изделие от образования закалочных трещин?

10. Как и почему при пластической деформации изменяются механические свойства металлов?

11. Для чего применяют отжиг после холодной пластической деформации? Выбор режима отжига.

12. Что такое ликвация? Виды ликвации и причины ее возникновения.

13. Укажите, какой вид термической обработки необходимо применять к сплавам, имеющим структуру твердого раствора, для устранения ликвации.

14. Как изменяются механические и другие свойства при нагреве наклепанного металла?

15. Используя диаграмму состояния железо-карбид железа и кривую изменения твердости в зависимости от температуры отпуска, назначьте для углеродистой стали 40 температуру закалки и температуру отпуска, необходимые для обеспечения твердости НB400. Опишите превращения, которые совершились в стали в процессе закалки и отпуска, и полученную после термической обработки структуру.

16. Опишите физическую сущность процесса поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты. Укажите достоинства и недостатки этого метода термической обработки.

17. Точечные несовершенства кристаллического строения.

18. Линейные несовершенства кристаллического строения. Как они влияют на свойства металлов и сплавов?

19. Как изменяется строение и свойства в процессе отдыха (возврата) предварительно наклепанного металла?

20. Требуется произвести поверхностное упрочнение изделий из стали 20. Назначьте вид обработки, опишите технологию, происходящие в стали превращения, структуру и свойства.

21. В чем состоит отличие обычной закалки от ступенчатой и изотермической? Каковы преимущества и недостатки каждого из этих видов закалки?

22. Объясните различие между холодной и горячей пластической деформацией.

23. Процессы ВТМО и НТМО. Объясните с позиций теории дислокаций, почему эти процессы приводят к получению высокой прочности стали. Какими преимуществами и недостатками обладает вариант низкотемпературной термомеханической обработки по сравнению с высокотемпературной термомеханической обработкой?

24. Как изменяются строение и свойства при нагреве предварительно деформированного металла?

25. Что такое твердый раствор замещения? Приведите пример.

26. Как изменяются эксплуатационные характеристики деталей после поверхностного наклепа (дробеструйной обработки) и почему?

27. Сталь 40 подвергалась закалке от температур 750 и 840ºС. Опишите превращения, происходящие при данных режимах закалки. Укажите, какие образуются структуры, и объясните причины получения разных структур. Какой режим закалки следует рекомендовать?

28. Опишите условия образования неограниченных твердых растворов.

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение: Учебник / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Альянс, 2013. – 528 с.

2. Материаловедение и технология материалов: Учебник / Г.П. Фетисов [и др.]; Под ред. Г.П. Фетисова. – М.:Юрайт, 2014. – 768 с.

3. Материаловедение. Выбор марки стали машиностроительного изделия с применением базы данных и компьютерных технологий: Учебно-метод. пособие по курсу «Материаловедение» / НГТУ им.Р.Е. Алексеева,; Сост.: И.М. Мальцев [и др.]. – Н.Новгород: Изд-во НГТУ, 2013. – 56 с.

4. Марочник сталей и сплавов / Сост.: А.С.Зубченко [и др.]; Под ред. А.С.Зубченко. – М.: Машиностроение, 2011. – 783 с.

5. Основы материаловедения и конструкционные материалы; Уч.пособие; НГТУ, 2006.

 

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение…………………………………………………………………..	3
	Методические указания к выполнению контрольных работ………..…	4
	Вопросы к контрольной работе №1……………………………………..	5
	Вопросы к контрольной работе №2……………………………………..	12
	Таблица распределения вопросов для выполнения контрольной работы №1………………………………………………………………...	24
	Таблица распределения вопросов для выполнения контрольной работы №2………………………………………………………………...	26
	Приложение 1. Пример выполнения задания по анализу фазовых превращений в двойных сплавах с неограниченной растворимостью компонентов в жидком и твердом состояниях…………………………	28
	Приложение 2. Пример анализа кривой охлаждения железоуглеродистых сплавов……………………………………………	30
	Приложение 3. Двойные диаграммы состояния для различных систем..........................................................................................................	33
	Приложение 4. Лабораторная работа №1. Микроструктура сталей и чугунов в равновесном состоянии………………………………………	36
	Приложение 5. Лабораторная работа №2. Влияние условий термической обработки на свойства стали……………………………..	51
	Вопросы для подготовки к зачету……………………………………….	59
	Список использованной литературы……………………………………	62

 

[1] Для анализа превращений в железоуглеродистых сплавах необходимо использовать упрощенный вариант диаграммы состояния железо – карбид железа (рисунок 4).

[2] Относительные единицы: за 1.0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали.

[3] Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 95 % мартенсита и 5 % троостита.

[4] Стали могут быть использованы для изготовления деталей с еще большим поперечным размером. Следует иметь в виду, что в этом случае изделия получают пониженные по сравнению с табличными значениями механических свойств в связи с недостаточной прокаливаемостью по сечению деталей большого поперечного диаметра.