Цель работы: изучение теории и практики термической обработки конструкционных сталей, ознакомление с одним из видов термической обработки – отпуском - и его влиянием на структуру и свойства углеродистых конструкционных сталей.
Краткие сведения из теории.
Структура стали, образующаяся в результате закалки метастабильна, т.е. термодинамически неустойчива. При нагревании стали после закалки увеличивается подвижность атомов, что обусловливает прохождение процессов, изменяющих структуру сталей в направлении к более равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали:
1) сильной перенасыщенностью a-твердого раствора внедрения углеродом - мартенсита;
2) повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки - дислокацией, малоугловых и высокоугловых границ;
3) присутствием в сталях, содержащих свыше 0,5%С, некоторого количества остаточного аустенита.
Термическую обработку, заключающуюся в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ac1, называют отпуском.
Распад мартенсита с выделением карбидов - главный процесс при отпуске сталей. Распад мартенсита в зависимости от температуры и продолжительности отпуска проходит через стадии предвыделения, выделения, промежуточных метастабильных карбидов, образования цементита и коагуляции.
При отпуске в закаленной стали происходит четыре превращения.
Первое превращение при отпуске - зарождение карбидов. При температуре отпуска до 1500 С происходит перераспределение углерода в мартенсите. При этом образуются участки с содержанием углерода, значительно превышающим среднее количество его в решетке мартенсита. В этих участках образуются зародыши карбидной фазы, отличной от цемента, которые имеют вид пластин толщиной в несколько атомных слоев. Кристаллическая решетка карбида когерентно связана с решеткой мартенсита, т.е. поверхности раздела между решеткой мартенсита и карбидов пока отсутствует. Соотношение параметров решетки (с/а) мартенсита стремится к единице.
Таким образом, в результате первого превращения при отпуске (первая стадия отпуска) содержание углерода в разных участках мартенситных кристаллов оказывается очень неравномерным. Подобный мартенсит называют мартенситом отпуска.
Второе превращение при отпуске происходит в интервале температур 200...3000 С и характеризует обособлением (отделением) мелких карбидов от кристаллической решетки мартенсита, а остаточный аустенит, содержащийся в закаленных сталях, превращается в мартенсит отпуска.
Третье превращение при отпуске происходит при температуре 300-4000С. Оно сопровождается почти полным выделением углерода из твердого раствора в виде цементита Fe3C, что сопровождается снятием внутренних напряжений, уменьшением объема стали.
Таким образом, в результате указанных выше превращений образуется высокодисперсная феррито-цементитная смесь (размер пластинок цементита составляет 3х10-5 мм), называемая трооститом отпуска.
Четвертое превращение при отпуске - коагуляция карбидов, которое начинает осуществляться при температуре выше 400 0С. Коагуляция одних карбидных частиц происходит за счет других более мелких. При температурах 550...6000 С размеры частиц цементита в феррите имеют размеры 10х10-3 мм. Подобная структура называется сорбитом. При отпуске стали несколько выше 6500 С образуется структура зернистого перлита с размером цементных частиц 30 х10-3 мм.
Основным отличием структур троостита и сорбита отпуска от тростита и сорбита закалки является сфероидальная форма частиц цемента в структурах отпущенной стали, в то время как у структур после распада аустенита форма цементных частиц пластинчатая.
Порядок выполнения работы.
1.Получить образец конструкционной стали.
2.Записать химсостав стали.
3.Зная номер образца, подвергнуть его соответствующей термической обработке по режиму, указанному в табл. 1.
Таблица 1
№ | Марка стали | Исходная структура | Исходная твердость HRB | Температура нагрева под закалку 0С | Охлаждающая среда | Твердость после закалки | Температура отпуска 0С | Условия охлаждения | |
HRB | HRC | ||||||||
А3+(30-50) | Масло | На спокойном воздухе | |||||||
4.Нанести на образец расчетную длину в 30 мм с помощью двух неглубоких рисок. Измерить штангенциркулем диаметр образца и рассчитать начальную площадь поперечного сечения образца.
5. Подвергнуть образец разрушению на разрывной машине с записью диаграммы растяжения.
6. При испытании образцов необходимо записать максимальное значение растягивающей нагрузки Р и по ней рассчитать масштаб нагрузки.
7. По диаграмме растяжения рассчитать:
- РП - нагрузку, соответствующую пределу пропорциональности;
-РТ - нагрузку, соответствующую пределу текучести;
-РВ – нагрузку, соответствующую пределу прочности.
8. Рассчитать предел прочности.
,
9. Рассчитать предел текучести.
,
10. Рассчитать относительное удлинение.
где l0 - расчетная длина, равная 30 мм; l1 - конечная расчетная длина, измеренная на разрушенном образце.
11. Рассчитать относительное сужение.
где F0 - исходная площадь сечения образца, мм2; F1 - площадь поперечного сечения образца в месте его разрушения, мм2;
12. Определить твердость образца по Роквеллу. Полученные характеристики механических свойств внести в табл. 2.
Содержание отчета.
1. Сформулировать цель работы, кратко описать марку исследуемой стали, дать эскиз образца до и после разрушения, указать тип машины, используемой для испытания.
2. Представить твердость закаленных и отпущенных образцов в табл. 1.
Таблица 2
Влияние температур отпуска на структуру и механические свойства конструкционной стали
№ | Температура отпуска 0С | Твердость после отпуска | Предел прочности,sв, МПа | Предел текучести, sт, МПа | Относительное удлинение, d% | Относительное сужение,y% | Структура после отпуска | |
HRC | HRB | |||||||
3. Определить и рассчитать механические свойства, использовав диаграмму растяжения, записать их в таблицу 2.
4. Проанализировать изменение структуры закаленной стали с изменением механических свойств ее при отпуске.
Контрольные вопросы.
1. Объясните назначение отпуска стали.
2. каким образом можно отличить мартенсит закалки от мартенсита отпуска?
3. Какие превращения происходят в структуре закаленной стали при отпуске?
4. Расскажите, в чем состоит процесс термической обработки, называемый улучшением и для какой цели его приводят?
5. Чем отличаются структуры, полученные в результате отпуска закаленной стали от подобных структур, образующихся при распаде аустенита?
6. Имеет ли значение скорость охлаждения при отпуске углеродистых сталей с точки зрения образующегося фазового состава и структуры?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 11