Основные положения. Порядок выполнения лабораторной работы

Порядок выполнения лабораторной работы

Оборудование и материалы для выполнения работы

1. Нагревательные печи с автоматическими приборами регулирования температуры;

2. Твердомеры Роквелла с алмазными наконечниками;

3. Закаленные образцы углеродистых конструкционных и инструментальных сталей.

1. Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2. Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть.

3. Провести анализ полученных результатов и сделать выводы по результатам работы всей подгруппы.

Как было установлено в лабораторной работе «Закалка углеродистых сталей», закаленные стали имеют высокие твердость и прочность, но очень низкие пластические свойства. То есть, сталь в закаленном состоянии очень хрупка и ненадежна в эксплуатации. Причиной высокой твердости и хрупкости является пересыщение твердого раствора на основе a-Fe углеродом и возникающие из-за этого огромные внутренние напряжения. Для устранения этого недостатка применяют следующую операцию термообработки – отпуск.

Отпуск – это нагрев закаленной стали ниже критических температур с целью уменьшения внутренних напряжений и придания стали необходимых эксплуатационных свойств.

Пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe (мартенсит) обладает большим запасом свободной энергии, и поэтому не является стабильным. Следовательно, в закаленной стали должны протекать процессы, приводящие систему к более устойчивому состоянию, т. е. углерод должен выделяться из решетки мартенсита. Эти процессы идут и при комнатной температуре, но с бесконечно малой скоростью. При нагреве закаленной стали скорость диффузии увеличивается, и чем выше температура, тем выше подвижность атомов углерода. Таким образом, происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием равновесных фаз: карбидов и феррита. Рассмотрим последовательно этапы распада мартенсита при нагреве.

При нагреве до 80°С скорость распада мартенсита ввиду малой подвижности атомов настолько мала, что заметных изменений в строении закаленной стали не наблюдается даже с применением весьма точных методов исследования.

При более высоких температурах нагрева (до 160-180 °С) происходит перераспределение углерода решетке мартенсита и образование когерентных зон, где повышено содержание углерода. Перераспределение концентрации углерода в твердом растворе приводит к некоторому повышению ударной вязкости с сохранением практически на прежнем уровне прочностных характеристик. Эти зоны повышенной концентрации углерода оказывают существенное сопротивление движению дислокаций под действием приложенных нагрузок, поэтому прочность сохраняется. Структура – мартенсит отпуска или отпущенный мартенсит. Изменения в структуре сплава возможно определить только электронной микроскопией.

Процесс распада мартенсита начинается выше температуры М_к.
Чем выше температура нагрева, тем более интенсивно происходит распад, так как скорость диффузии углерода возрастает. При температуре 300- 350⁰С мартенсит превращается в феррит, карбиды немного укрупняются, однако все еще остаются мелкими и являются препятствием для движения дислокаций. Сталь с такой структурой имеет высокие прочностные и пластические характеристики, особенно высокий предел упругости.

Такая структура называется троститом отпуск, а сам отпуск – среднетемпературным.

При температурах 550-650°С идет процесс укрупнения частиц карбидов, они приобретают округлую форму. Первый процесс называется коагуляцией, второй – сфероидизацией. Структура будет состоять из зерен феррита и крупных, сферической формы, карбидов. Сталь обладает высокой вязкостью и высокими пластическими свойствами при достаточной прочности. Это операция – высокотемпературного отпуска. Полученная структура представляет собой сорбит отпуска.

Следовательно, в зависимости от процессов, происходящих при отпуске, и от изменений структуры и свойств (рис. 1) различают три вида отпуска:

1) низкотемпературный отпуск – от 160 до 200°С;

2) среднетемпературный отпуск – от 350 до 450°С;

3) высокотемпературный отпуск – от 550 до 650°С.

Низкий (низкотемпературный)отпуск применяется для деталей, от которых требуются высокая твердость и износостойкость. Низкий отпуск назначается для уменьшения внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности стали снижения твердости. Этот отпуск применяется, в основном, для режущих и мерительных инструментов. При таком отпуске получается структура, состоящая из менее напряженного, чем после закалки, мартенсита и очень мелких карбидов. Такая структура называется мартенсит отпуска.

Средний (среднетемпературный) отпуск применяется для изделий, от которых требуется высокие упругие свойства. Мелкие кристаллы цементита игольчатой формы, образующиеся при таком отпуске, являются большим препятствием для дислокаций, что обеспечивает высокую прочность и упругость стали. В результате резко уменьшается хрупкость, снижается предел прочности, но сильно повышается предел упругости. Структура, получаемая при среднем отпуске, называется тростит отпуска. Такому отпуску подвергают пружины, рессоры, торсионы и другие детали, которые работают при знакопеременных нагрузках и должны быстро восстанавливать свою форму после деформации. Обычно для изготовления упругих элементов используют стали с содержанием углерода от 0,5 до 0,7 %, как углеродистые, так и легированные. Эти конструкционные стали выделены в особую группу рессорно-пружинных сталей.

Высокий (высокотемпературный) отпуск применяют для ответственных деталей машин, испытывающих при эксплуатации сложные виды нагружения: статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Структура после высокого отпуска состоит из феррита и довольно крупных кристаллов цементита округлой формы и называется сорбит отпуска. Высокий отпуск обеспечивает полное снятие напряжений и дает наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.

Рис. 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства

закаленной углеродистой стали

Закалка в сочетании с высоким отпуском носит название улучшение. Такому виду обработки подвергается особая группа конструкционных сталей, носящая название улучшаемые стали. Они могут быть углеродистыми и легированными, содержание углерода от 0,3 до 0,5 %. Улучшение конструкционных сталей позволяет повысить конструктивную прочность, т. е. понизить чувствительность к надрезам и перекосам, к переходам от одного сечения детали к другому, к изменению размеров детали и т. д.

Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной углеродистой стали представлено на рис. 1.

В табл. 1 приведены данные о влиянии термической обработки на механические свойства конструкционной углеродистой стали с 0,45 % углерода в отожженном состоянии, а также после закалки и отпуска при 300 °С (средний отпуск) и при 600° С (высокий отпуск).

Таблица 1

Термическая обработка	Механические свойства
sВ, МПа	s0,2, МПа	d, %	Y, %	КСU, Дж/см^2
Отжиг при 850 °С
Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 300 °С
Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 600 °С

Данные табл. 1 говорят о том, что сталь в улучшенном состоянии имеет более высокие характеристики прочности (s_в и s_0,2), пластичности (d, Y) и вязкости (КСU) по сравнению со сталью в отожженном состоянии. Отсюда и возникло название «улучшение» – механические характеристики стали улучшаются.

Кроме того, из табл. 1 видно, что после среднетемпературного отпуска закаленная конструкционная сталь приобретает весьма высокие предел прочности (s_в) и условный предел текучести (s_0,2) при хороших характеристиках пластичности (d, Y) и ударной вязкости (КСU).

Дата добавления: 2015-05-06