Приборы, материалы и инструмент

Контрольные вопросы

1. Чем отличается структура и свойства серых и ковких чугунов?

2. Как получают высокопрочные чугуны? Указать их структуру, свой- ства и маркировку.

3. Как построена эвтектика и эвтектоид в белом чугуне?

4. Как влияет структура серого чугуна на его свойства?

5. Как влияют размеры и форма графитных включений на свойства чугунов?

6. В чем различие между белым и серым чугунами (структура, меха- нические свойства)?

7. Чем отличается структура и свойства серых и высокопрочных чугунов?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8

ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы

Ознакомиться с технологическим процессом закалки стали, изучить влияние температуры нагрева и скорости охлаждения на структуру и свойст- ва закаленной стали

 

Приборы, материалы и инструмент

Камерная печь, щипцы, набор отожженных образцов из стали 45, на- бор микрошлифов, микроскоп МИМ-7, твердомер ТШ для определения твер- дости по методу Бринелля и твердомер ТК для определения твердости по ме- тоду Роквелла.

 

Краткие теоретические сведения

Термическая (тепловая) обработка сталей является важной состав- ляющей технологического процесса изготовления стальных изделий. Ее цель – создание требуемых механических и физико-химических свойств, необходи- мых при эксплуатации стальных изделий различного назначения, а также по- вышение технологичности заготовок при изготовлении из них изделий.

К предварительной и промежуточной термической обработке загото- вок относят различные виды отжига. Окончательной термической обработ- кой деталей машин из углеродистых и низколегированных сталей чаще всего являются закалка и отпуск. Они позволяют значительно повысить все меха- нические свойства сталей, важнейшими из которых являются предел текуче- сти и предел выносливости. Чем выше значение пределов текучести и вынос- ливости, тем выше могут быть принятые значения допускаемых напряжений, тем меньше будет масса деталей машин и масса самих машин.

Качеством окончательной термической обработки режущих инстру- ментов, штампов, калибров определяется их износостойкость, твердость, предел упругости, размероустойчивость, от чего зависит производительность труда станочников, штамповщиков, слесарей.

Закалка – операция термической обработки, включающая нагрев ста- ли выше температуры фазового превращения, выдержку при этой температу- ре и ускоренное охлаждение, в результате чего формируется неравновесная структура, упрочняющая сталь.

В процессе ускоренного охлаждения при превращении γ-твердого раствора в α-твердый раствор углерод остается в твердом растворе, заметно искажая кристаллическую решетку α-Fe. Поэтому структура закаленной ста- ли – мартенсит – является пересыщенным твердым раствором внедрения уг-

лерода в α-Fe и имеет тетрагональную кристаллическую решетку, где отно- шение ребер с/а > 1 (рис. 8.1).

 

Fe

 

Рис. 8.1. Превращения кристаллической ре- шетки при закалке: а – кристаллическая ячейка аустенита; б – кристаллическая ячейка

мартенсита                                                          б

Повышение содержания углерода в аустените увеличивает искажение пространственной решетки мартенсита. Это является важнейшим фактором его высокой твердости. Структура мартенсита и схема его зарисовки показа- ны на рис. 8.2.

Для углеродистых доэвтектоидных сталей (например, марки 45) выбира- ется такая температура нагрева, при которой возможен перевод всех структур- ных составляющих стали в аустенит, т. е. выше соответствующей точки Ас₃, лежащей на линий GS диаграммы состояния железо–углерод.

 

а                                              б                                               в

Рис. 8.2. Структура мартенсита: а – мелкоигольчатый; б – крупноигольчатый;

в – схема зарисовки мартенсита и остаточного аустенита

 

Температура закалки углеродистых конструкционных (доэвтектоид- ных) сталей назначается по диаграмме состояния железо–углерод согласно формуле

Т = Ас₃ + (30÷50) °С,

где Т – температура закалки.

 

Рис. 8.3. Оптимальный интервал за- калочных температур углеродистой стали на участке диаграммы Fe–Fe₃C

 

 

Перегрев стали должен быть минимальным. Температуру выше точ- ки Ас₃ больше чем на 30–50° поднимать не рекомендуется, чтобы зёрна ау- стенита (рис. 8.3), а следовательно, и иглы мартенсита оставались мелкими (рис. 8.2, а).

Нагрев под закалку заэвтектоидных сталей должен обеспечить полу- чение в стали двухфазного состояния: аустенит и карбиды.

Следовательно, температура нагрева для заэвтектоидных сталей должна быть выше точки Ас₁ (линия РSК), но ниже точки А_cm (линия ЕS). При последующем быстром охлаждении аустенит превращается в мартенсит, а оставшиеся нерастворённые частицы карбидной фазы дополнительно по- вышает твёрдость и износостойкость стали.

Температура закалки заэвтектоидных сталей назначается по диаграм- ме железо–углерод (см. рис. 8.3):

Т = Аc₁ + (30÷50) °С.

В случае нагрева заэвтектоидной стали (см. рис. 8.3) до температуры, лежащей выше соответствующей точки А_сm, карбиды в стали растворятся. Закалка с повышенных температур является причиной образования крупно- игольчатого мартенсита, который получается в результате охлаждения круп- ных зерен аустенита, а это в свою очередь повышает хрупкость стали.

Время выдержки образца в печи при нагреве под закалку выбирают из расчёта 1 мин на 1 мм диаметра образца.

Для закалки доэвтектоидной и эвтектоидной сталей необходимо вы- полнить три условия:

– нагреть сталь до аустенитного состояния;

– выдержать при температуре нагрева определенное время;

– охладить со скоростью, не менее критической. Тогда аустенит пре- вратится в мартенсит (рис. 8.4).

На диаграмму изотермического распада переохлажденного аустенита накладываются кривые непрерывного охлаждения: V₁, V₂, V₃, V₄ (рис. 8.4). Диа- грамма представлена двумя линиями в виде буквы С. Слева от С-образных кри- вых находится область переохлажденного аустенита. Левая кривая – начало превращения аустенита в феррито-цементитную смесь, а правая – конец это- го превращения.

При охлаждении со скоростями V₁, V₂ и V₃ получают пластинчатые феррито-цементитные смеси, перлит, сорбит и троостит.

Ниже температуры М_н начинается бездиффузионное превращение ау- стенита в мартенсит (рис. 8.4). При температуре М_к образование мартенсита заканчивается.

Мартенситное превращение протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от М_н до М_к со скоростью выше критической, на- пример, при закалке стали в воде (V₄).

Критической скоростью закалки (V_кр) называют скорость охлаждения, при которой аустенит превращается только в мартенсит.

Углерод в значительной степени снижает температуру начала и конца мартенситного превращения, уже при содержании углерода 0,5 % конец мар- тенситного превращения М_к лежит в области отрицательных температур. По- скольку обычно закалка стали заканчивается при комнатной температуре, то в стали с таким содержанием углерода мартенситное превращение не дохо- дит до конца и наряду с мартенситом сталь после закалки содержит и неко- торое количество аустенита, который называется аустенитом остаточным (просматривается в виде светлых полей (рис. 8.2) между мартенситными иг- лами закаленной стали).

           ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 8 ЗАКАЛКА УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ