Оборудование, инструменты и материалы для выполнения работы
Микроскопы МИМ-7, МИМ-8, коллекция микрошлифов углеродистых конструкционных и инструментальных сталей и чугунов, альбомы с фотографиями микроструктур.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с методическим пособием. Под микроскопом МИМ-7 при увеличении в 100 раз последовательно изучите все шлифы из коллекции. Для изучения строения перлита (сталь У8), а также белого чугуна используйте увеличение в 500 раз (микроскоп МИМ-8). Зарисуйте микроструктуры сплавов.
2. Отчеты по лабораторной работе представить в виде таблиц 2.1 и 2.2. При составлении отчетов используйте таблицы 2.3–2.7.
3. Для подготовки к защите лабораторной работы рекомендуется ответить на контрольные вопросы.
Таблица 2.1
Структура, свойства и назначение углеродистых сталей
| Наименование, марка стали | Химический состав | Микроструктура | Механические свойства | Назначение стали | |
| Рисунок | Название | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Таблица 2.2
Структура, свойства и назначение чугунов
| Наименование, марка чугуна | Химический состав, модификатор | Микроструктура | Механические свойства | Назначение чугуна | |
| Рисунок | Название | ||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
Контрольные вопросы
1. Какие сплавы называют сталями и чугунами?
2. Как классифицируют стали и чугуны по структуре?
3. Назовите и охарактеризуйте структурные составляющие доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной стали.
|
|
|
4. Перечислите классы качества углеродистых сталей. Какой признак является основным в классификации по качеству?
5. Перечислите структурные пороки сталей. Как они формируются?
6. Какие сплавы называют белыми чугунами?
7. Какие формы графита встречаются в чугунах?
8. Что такое модификатор? Для чего применяется модификатор в чугунах?
9. Как получают высокопрочные чугуны?
10.
|
Таблица 2.3
Химический состав, механические свойства углеродистых сталей в нормализованном состоянии
ГОСТ 1050-88
| Марка стали | Содержание углерода, % | Механические свойства | |||||
| Предел текучести s0,2, МПа | Прочность на растяжение sВ, МПа | Относительное сужение y, % | Относительное удлинение d, % | Ударная вязкость KCU, МДж/м2 | Твердость НВ (не более), МПа | ||
| 05кп | £0,06 | 175 | 255 | 77 | 35 | - | 1110÷1310 |
| 08 | 0,05-0,12 | 200 | 330 | 60 | 33 | - | 1310 |
| 10 | 0,07-0,14 | 210 | 340 | 55 | 31 | - | 1430 |
 15
| 0,12-0,19 | 230 | 380 | 55 | 27 | - | 1490 |
| 20 | 0,17-0,24 | 250 | 420 | 55 | 25 | - | 1630 |
| 25 | 0,22-0,30 | 280 | 460 | 50 | 23 | 0,9 | 1700 |
| 30 | 0,27-0,35 | 300 | 500 | 50 | 21 | 0,8 | 1790 |
| 35 | 0,32-0,40 | 320 | 540 | 45 | 20 | 0,7 | 2070 |
| 40 | 0,37-0,45 | 340 | 580 | 45 | 19 | 0,6 | 2170 |
| 45 | 0,42-0,50 | 360 | 610 | 40 | 16 | 0,5 | 2290 |
| 50 | 0,47-0,55 | 380 | 640 | 40 | 14 | 0,4 | 2410 |
| 55 | 0,52-0,60 | 390 | 660 | 35 | 13 | - | 2550 |
| 58 | 0,55-0,63 | 314 | 598 | 28 | 12 | - | 2550 |
| 60 | 0,57-0,65 | 410 | 690 | 35 | 12 | - | 2550 |
|
|
|
Таблица 2.4
Назначение углеродистых конструкционных сталей
| Марка стали | Назначение |
| 05 кп | Детали, изготавливаемые холодной штамповкой |
| 08 | Для деталей, изготавливаемых очень сложной холодной штамповкой |
| 10 | Цементируемые, цианируемые детали: втулки, ушки, держатели и др., не требующие высокой прочности сердцевины |
| 15 | Цементируемые и цианируемые детали: болты, гайки, винты, ключи |
| 20 | В котло-турбостроении – крепежные изделия, трубы для нагревателей, коллекторы, трубопроводы |
| 25 | Оси, валы, муфты, болты, шайбы, фланцы и др. |
| 30 | Детали, не испытывающие больших напряжений. Тяги, серьги, оси, звездочки, диски, ободы, гайки, шайбы. |
| 35 | Шатуны, шестерни, оси, валы, штоки, подвески, диски |
 40
| Детали повышенной прочности: валики, втулки, бандажи, фрикционные диски, шестерни |
| 45 | Коленчатые и распределительные валы, шестерни, шпиндели и др. детали, от которых требуется повышенная прочность |
| 50 | Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры |
| 55 | Зубчатые колеса, штоки, бандажи, венцы, прокатные валки, тяжелонагруженные валы, малонагруженные пружины и рессоры, пальцы звеньев гусениц, муфты сцепления коробок передач |
| 58 | Детали с тонкими сечениями упрочняемых элементов: шестерни среднего модуля, втулки, пластины и др.; детали, к которым предъявляются требования высокой износостойкости при вязкой сердцевине, работающие при больших скоростях и средних удельных давлениях |
| 60 | Прокатные валки, эксцентрики, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы, цельнокатанные колеса вагонов, диски сцепления, регулировочные шайбы, регулировочные прокладки |
| 65 | Рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость |
|
|
|
Таблица 2.5
Сталь углеродистая инструментальная. ГОСТ 1435-90. Химический состав, твердость, назначение
| Марка стали | Содержание углерода, % | Твердость (НВ) после отжига, МПа | Назначение | |||
| У7 | 0,66÷0,73 | 1870 | Для изготовления режущих и ударных инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки или рабочей части | Зубила, долота, молотки, топоры, колуны
| ||
| У7А | ||||||
| У8 | 0,76÷0,83 | 1870 | Слесарный инструмент, пилы, зубила для камня | |||
| У8А | ||||||
 У9
| 0,86÷0,93 | 1920 | Инструмент, требующий твердости и некоторой вязкости: столярный, слесарно-монтажный; штемпели, кернеры | |||
| У9А | ||||||
| У10 | 0,96÷1,03 | 2070 | Инструмент, работающий без больших ударных нагрузок (метчики, рашпили, надфили, пилы для обработки древесины, матрицы для холодной штамповки) | |||
| У10А | ||||||
| У12 | 1,16÷1,23 | 2120 | Измерительный инструмент простой формы (гладкие калибры, скобы гладкие регулируемые), хирургический инструмент | |||
| У12А | ||||||
| У13А | 0,66÷0,73 | 2170 | Резцы по твердым материалам, граверный инструмент, бритвы | |||
Таблица 2.6
Химический состав, механические свойства чугунов
| Марка чугуна | Массовая доля элементов, % | Механические свойства | |||||||
| С | Si | Mn | P | S | sB, МПа | s0,2, МПа | d, % | НВ, МПа | |
| СЧ15 | 3,5÷3,7 | 2,0÷2,4 | 0,5÷0,8 | 0,2 | 0,15 | 150 | - | до 0,5 | 1430÷2290 |
| СЧ35 | 2,9÷3,0 | 1,0÷1,1 | 0,7÷1,1 | 0,2 | 0,12 | 350 | - | до 0,5 | 1850÷2550 |
| ВЧ40 | 3,2÷3,8 | 1,9÷2,9 | 0,2÷0,7 | 0,1 | 0,02 | 400 | 250 | 15 | 1400÷2020 |
| ВЧ45 | 450 | 310 | 10 | 1400÷2550 | |||||
| ВЧ50 | 500 | 320 | 7 | 1530÷2450 | |||||
| КЧ35-10 | 2,5÷2,8 | 1,1÷1,3 | 0,3÷0,6 | 0,12 | 0,20 | 350 | - | 10 | 1000÷1630 |
Таблица 2.7
Применение чугунов
| Марка чугуна | Применение |
| СЧ 15 | Для изготовления слабо- и средненагруженных деталей: крышки, фланцы, маховики; корпуса редукторов, подшипников, тормозные барабаны, диски сцепления и др. |
| СЧ 35 | Детали, работающие в условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распределительные валы и пр. |
| ВЧ 40, ВЧ 45, ВЧ 50 | Для массивных отливок ответственного назначения, обладающих высокой усталостной прочностью, работающих при переменных нагрузках: прокатные валки, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, лопатки, распределительные и коленчатые валы, поршни, шестерни |
| КЧ35-10 | Детали, работающие при высоких динамических и статических нагрузках: картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы и др. |
Лабораторная работа 3
Термическая обработка сталей
Цель работы: ознакомиться с теорией и практикой термической обработки, установить зависимость механических свойств закаленной стали от режима термической обработки.
Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путем теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении. Это воздействие может сочетаться с химическим, деформационным, магнитным и другими видами воздействия. Термообработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов, деталей машин; применяется как промежуточная стадия для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и т.д.) и как окончательная операция для придания металлу (сплаву) комплекса механических, физических, химических свойств, которая обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственней конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.
Среди видов термической обработки сталей выделяют отжиг, нормализацию, закалку, отпуск.
В железоуглеродистых сплавах температуры наиболее важных превращений при нагреве – критические точки – обозначаются буквами АС с соответствующими индексами: АС1 – температура эвтектоидного превращения (линия PSK); АС3 – температура полиморфного a«g превращения (линия GS); АС4 – температура полиморфного g«d превращения (линия NI); Асm – температура выделения цементита вторичного из аустенита (линия SE).
Отжигом называют вид термической обработки, обеспечивающий получение равновесной структуры. Конструкционные доэвтектоидные стали подвергаются полному (перекристаллизационному) отжигу: их нагревают до температуры выше критической точки Ас3 на 30÷50 °С, охлаждают медленно (с печью) со скоростью 100÷200 градусов/час. В результате отжига снимаются внутренние напряжения, устраняются пороки (например, строчечность, видманштеттов феррит) – получается равновесная феррито-перлитная структура, снижается твёрдость и повышается пластичность и вязкость. Неполный отжиг (нагрев выше АС1, но ниже АС3) для доэвтектоидных сталей применяется ограниченно, он проводится для смягчения сталей перед обработкой резанием.
Для заэвтектоидных сталей используется неполный отжиг с нагревом до 740÷780 °С и последующим медленным охлаждением. Образуется структура зернистого перлита (сферодита), поэтому отжиг называют сфероидизирующим. Такая сталь обладает наименьшей твердостью, легче обрабатывается резанием. Сфероидизирующий отжиг применяется для углеродистых и легированных инструментальных и шарикоподшипниковых сталей.
|
Закалкой сталей называют вид термической обработки, состоящей из нагрева сталей до температуры на 30÷50 °С выше критической точки Ас1 для инструментальной стали или Ас3 для конструкционной, выдержки при этой температуре и последующего быстрого охлаждения со скоростью выше критической (в воде, растворах солей, полимеров или в других средах). В результате закалки повышается твердость и прочность сталей, но снижается пластичность.
Возможность упрочнения сталей путем термической обработки обусловлена наличием фазовых превращений в твердом состоянии: охлаждая аустенит с различными скоростями и обеспечивая тем самым различную степень переохлаждения, можно получить продукты распада аустенита, резко отличающиеся по строению и свойствам (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Диаграмма изотермического распада аустенита эвтектоидной стали
|
Таблица 3.1
Характеристики перлитных структур
| Название микроструктуры | Межпластинчатое расстояние, мкм | Твердость по Бринеллю НВ, МПа |
| перлит | 0,6÷1,0 | 1800÷2500 |
| сорбит | 0,25÷0,3 | 2500÷3500 |
| тростит | 0,1÷0,15 | 3500÷4500 |
При значительных скоростях охлаждения аустенит переохлаждается до более низких температур, при которых происходит бездиффузионное превращение с образованием мартенситной структуры. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в a-железе, он имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Степень тетрагональности мартенсита (отношение периодов кристаллической решетки с/а) возрастает с увеличением содержания углерода в стали. Характерной особенностью мартенсита являются его высокая твердость и прочность, которые возрастают с увеличением содержания углерода в сталях. Так, твердость мартенсита стали с 0,6÷0,7% С составляет 65 HRC, а прочность на разрыв 2600÷2700 МПа.
Превращение аустенита в мартенсит происходит в интервале температур. На рис. 3.1 линии Мн и Мк показывают температуры начала и окончания мартенситного превращения. Минимальная скорость охлаждения, достаточная для превращения аустенита в мартенсит, называется критической скоростью охлаждения (Vкр).
Охлаждающие среды в значительной мере изменяют скорость охлаждения при закалке, следовательно, и структуру стали. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей и солей (для закалки углеродистых и низколегированных сталей), масла (для закалки легированных сталей).
Структура доэвтектоидной стали, получаемая после правильной закалки, будет представлять собой мартенсит.
|
В закаленных сталях, имеющих точку Мк ниже 20 °С (стали, содержащие свыше 0,5% С) в структуре присутствует остаточный аустенит, количество которого увеличивается с увеличением содержания углерода в сталях. При большом количестве остаточного аустенита (более 30%) его можно наблюдать в виде светлых полей между иглами мартенсита.
При перегреве конструкционной стали значительно выше критической точки Ас3 (на 100÷150 °С), происходит рост зерна аустенита. После закалки в воде получается структура крупноигольчатого мартенсита, который по механическим свойствам уступает мартенситу мелкоигольчатому. Оптимальные температуры нагрева сталей под закалку приведены на рис. 3.2.
Закалка стали сопровождается существенным увеличением объема (0,3÷0,9%), что в условиях высокой скорости и неодновременности превращения по объему закаливаемого изделия вызывает появление значительных внутренних напряжений, которые могут привести к короблению изделий и образованию трещин. Оставшиеся внутренние напряжения могут вызвать деформацию изделий с течением времени в условиях эксплуатации. Поэтому закаленные детали машин или инструмент всегда подвергают отпуску.
Рис. 3.2. Температурный интервал закалки сталей
Отпуск – вид термической обработки закаленной стали, состоящий в нагреве ее до температур, меньших Ас1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на воздухе.
Отпуск проводится с целью уменьшения закалочных напряжений, снижения твердости, повышения пластичности и вязкости, получения более устойчивых структур.
Основным превращением при отпуске является распад мартенсита – выделение пересыщающего углерода в виде мелких кристалликов карбида железа. Частичный распад мартенсита происходит в закаленной стали даже в процессе вылеживания при комнатной температуре, однако с повышением температуры процесс ускоряется и достигает более полного развития. Мартенсит, обедненный углеродом в процессе отпуска, называется отпущенным.
|
В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий, средний, высокий.
· Низким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 150÷200 °С с последующим охлаждением на воздухе. Образующаяся структура – отпущенный мартенсит. Снижения твердости такой отпуск практически не вызывает. Этот вид отпуска рекомендуется при термической обработке инструментальных сталей и цементованных деталей.
· Средним отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 350÷450°С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает некоторое снижение твердости. Образующаяся структура – троостит отпуска. Этот вид отпуска рекомендуется для термической обработки рессор, пружин и штампов.
· Высоким отпуском называют нагрев закаленной стали до температур 500÷650 °С с последующим охлаждением на воздухе. Такой отпуск вызывает значительное снижение твердости закаленной стали, образующаяся структура – сорбит отпуска. Эта структура обеспечивает хорошее сочетание свойств – достаточной прочности, вязкости и пластичности.
Закалка стали с последующим высоким отпуском на сорбит носит название термического улучшения. Улучшение рекомендуется для среднеуглеродистых конструкционных сталей.
Оборудование, инструменты и материалы для выполнения работы
Для выполнения работы потребуются муфельные электропечи, твердомер ТК-2М с шариковым и алмазным наконечниками, шлифовальные шкурки, термопары с гальванометрами, бачки с охлаждающими жидкостями, щипцы для закладки образцов в печь, образцы стали с содержанием углерода 0,4÷0,6% в количестве 7 штук, коллекция микрошлифов неравновесных структур.
Дата добавления: 2019-07-17; просмотров: 251; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!