Как влияет температура нагрева при отпуске на твердость изделий из углеродистой стали
Опубликовано: 17.09.2024
1 Федеральное агентство по образованию Томский государственный архитектурно-строительный университет Лесотехнический институт Влияние температуры нагрева при закалке и отпуске на механические свойства стали Методические указания к лабораторной работе Составитель В. П. Першин Томск 2009
2 Влияние температуры нагрева при закалке и отпуске на механические свойства стали: методические указания / Сост. В.П. Першин. Томск: Изд-во Том. гос. архит.-строит. ун-та, с. Рецензент доцент Т.Ю. Малеткина Редактор Е.Ю. Глотова Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Материаловедение» для студентов специальностей , , , и всех форм обучения. Печатаются по решению методического семинара кафедры общего материаловедения и технологии композиционных материалов 2 от Утверждены и введены в действие проректором по учебной работе В.В. Дзюбо с до Подписано в печать. Формат 60 90/16. Бумага офсет. Гарнитура Таймс. Уч.-изд. л. 0,7. Тираж 200 экз. Заказ Изд-во ТГАСУ, , г. Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал-макета в ООП ТГАСУ , г. Томск, ул. Партизанская, 15.
3 ВВЕДЕНИЕ Качество и эксплуатационная надежность изделий определяются свойствами их элементов деталей. Конструкционные свойства деталей в свою очередь связаны с характеристиками материалов, из которых они изготовлены, такими, как статическая и динамическая прочность, сопротивление хрупкому разрушению, износостойкость, усталостная прочность и целый ряд других. Высоким требованиям лишь в редких случаях могут отвечать неупрочненные материалы. Основная часть конструкционных элементов нуждается в упрочнении путем термической обработки. Главная цель термообработки заключается в получении необходимых свойств материала деталей. Затраты на термическую обработку, как правило, незначительны (не превышают 2 10 % от полной себестоимости детали), а техникоэкономические показатели могут положительно измениться в несколько раз. Одним из наиболее широко применяемых способов термического упрочнения сталей является закалка с необходимым последующим отпуском. 1. ЗАКАЛКА СТАЛИ Процесс, включающий нагрев стали до температур выше фазовых превращений, выдержку при этой температуре и быстрое охлаждение со скоростью выше критической, называется закалкой. Закалку стали проводят с целью повышения прочности и твердости. В результате закалки из аустенита нагрева при быстром охлаждении образуется метастабильная структура мартенсит, представляющая пересыщенный твердый раствор углерода в искаженном Fe железе, имеющем тетрагональную кристаллическую решетку (см. рис. 1). Содержание углерода в мартенсите такое же, как и в исходном твердом растворе угле- 3
4 рода в Fe γ. Мартенсит это ориентированная игольчатая структура, имеющая твердость от HRC 30 до HRC 65, и с повышением содержания углерода его прочность и твердость увеличиваются. Fe C a>b 4 Рис. 1. Кристаллическое строение мартенсита Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева под закалку. Если температура нагрева стали будет ниже Ас 1 (точка 1, рис. 2), то не произойдет фазовых изменений и практически твердость не повысится. При нагреве доэвтектоидной стали выше Ас 1 (точка 2, рис. 2) получаются структуры феррит и аустенит. В результате быстрого охлаждения аустенит превращается в мартенсит, и сталь получает структуру феррит + мартенсит. Феррит, сохранившийся при нагреве до точки 2, останется при охлаждении без структурных превращений. Частичное образование мартенсита повысит твердость доэвтектоидной стали. Такая закалка называется неполной. В практике термообработки доэвтектоидных конструкционных сталей такая закалка не применяется, так как присутствие структурно-свободного феррита ухудшает необходимый комплекс механических свойств, в частности, резко падает сопротивление усталостному разрушению.
5 Рис. 2. Диаграмма состояния Fe Fe3C 5
6 Повышение твердости в результате закалки будет продолжаться до тех пор, пока сталь не нагреют выше Ас 3 (на о С, точка 3, рис. 2). При таком нагреве получают только структуру аустенита, а в результате быстрого охлаждения мартенсита (см. атлас структур). Закалка от такой температуры называется полной и применяется при термообработке конструкционных доэвтектоидных сталей. Нагрев доэвтектоидной стали выше Ас 3 более чем на 50 о С вреден, т. к. приводит к излишнему росту зерен аустенита и к образованию после быстрого охлаждения более хрупкого крупноигольчатого мартенсита. Таким образом, доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, т. е. нагревают выше Ас 3 на о С. Твердость доэвтектоидных закаленных сталей прямо определяется содержанием в них углерода (см. рис. 3). HRC Рис. 3. Твердость стали в зависимости от содержания углерода и температуры закалки: 1 закалка и низкий отпуск; 2 закалка C,% 6
7 Инструмент из заэвтектоидных сталей обоснованно подвергают неполной закалке, и заэвтектоидная сталь при нагреве выше Ас 1 приобретает структуру аустенита и цементита. Если после закалки доэвтектоидная и эвтектоидная сталь имеет структуру мартенсита, то заэвтектоидная мартенсита и цементита (см. атлас структур), кроме того, в структуре этих сталей будет присутствовать небольшое количество остаточного аустенита. Твердость закаленных заэвтектоидных сталей значительно больше, чем у доэвтектоидных сталей (см. рис. 3). Если заэвтектоидную сталь нагреть для закалки выше Ас m, то в ее структуре после охлаждения будет наблюдаться крупноигольчатый мартенсит с повышенным количеством остаточного аустенита. Присутствие остаточного аустенита в структуре стали снижает ее твердость, именно поэтому заэвтектоидные стали и подвергают неполной закалке, т. е. нагревают выше температуры Ас 1 на о С. Время нагрева под закалку зависит от конструкции нагревательного устройства. При нагреве в электрических воздушных печах скорость нагрева составляет 0,8 1 мин на 1 мм толщины сечения. После достижения заданной температуры нагрева следует выдержка до полного прогрева изделия по сечению, необходимая для завершения всех фазовых превращений и выравнивания состава аустенита по объему. Время выдержки часто принимают равным 1/5 от времени нагрева. После нагрева и выдержки для получения из аустенита структуры пересыщенного твердого раствора углерода в железе мартенсита требуется интенсивное охлаждение. Необходимую скорость охлаждения определяют на основе диаграммы распада аустенита при его охлаждении. Вид диаграммы индивидуален для каждой стали и определяется ее составом, т. е. содержанием углерода и других химических элементов. На рис. 4 представлена диаграмма распада аустенита для углеродистой стали У8. Необходимая скорость охлаждения V зак при закалке этой стали должна быть больше, чем V кр, что исключает появление феррито-цементитных смесей различной дисперсности, кроме 7
8 необходимого мартенсита закалки. Охлаждение со скоростью V 1 вызовет превращение лишь части аустенита в мартенсит, а оставшаяся часть претерпит превращение в очень мелкую ферритно-цементитную смесь (троостит). Охлаждение со скоростью V 2 исключает возможность мартенситного превращения и приводит к образованию лишь более грубых ферритноцементитных смесей (перлит). Для углеродистых сталей необходимо интенсивное охлаждение в воде. Время (ln ) Рис. 4. Наложение кривых охлаждения на диаграмму изотермического распада аустенита в стали У8: А r1 температура превращения А (Ф+Ц); М н температура начала превращения А М; М К температура конца превращения А М; А аустенит, М мартенсит закалки, А ост остаточный аустенит Иной вид диаграммы имеют легированные стали, для них характерна значительная задержка процесса распада аустенита. В этом случае для получения структуры мартенсита применяют 8
9 менее интенсивно охлаждающие среды, например, минеральное масло. При таком охлаждении уровень нежелательных остаточных внутренних напряжений значительно снижается. 2. ОТПУСК СТАЛИ В результате правильно проведенной закалки получается структура мартенсита, которая имеет высокую прочность и твердость, но низкие показатели пластичности и вязкости. Для получения необходимого сочетания прочности, вязкости и пластичности закаленные изделия подвергают отпуску. Отпуск должен сразу же следовать после закалки, что позволяет уменьшить уровень внутренних напряжений и избежать появления трещин. Отпуск заключается в нагреве стали до температуры ниже начала фазовых превращений, т.е. ниже точки Ас 1 с последующей выдержкой и охлаждением. Напряжения в закаленных изделиях снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. В зависимости от температуры нагрева и получаемых свойств различают несколько видов отпуска. Низкотемпературный (низкий) отпуск осуществляется при температурах до t н 250 о С. При этом отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения углерода в виде неустойчивых карбидов ( карбид). Кристаллическая решетка такого карбида когерентно связана с решеткой мартенсита. Наличие такой связи не вызывает снижения твердости стали, тогда как внутренние напряжения уменьшаются. После низкотемпературного отпуска мартенсит закалки превращается в мартенсит отпуска, имеющий повышенную ударную вязкость, пластичность при сохранении высокой твердости. Такой вид отпуска, как правило, применяют при изготовлении инструмента из высокоуглеродистых сталей, когда высокие эксплуатационные качества достигаются в случае сохранения высокой твердости. У конструкционных доэвтектоидных сталей достигаются максимальные по- 9
10 казатели прочности, но они не всегда могут обеспечить необходимый уровень надежности. Среднетемпературный (средний) отпуск проводят при температурах нагрева о С. При температуре нагрева выше 300 о С и последующей выдержке усиливаются диффузные процессы, образуется устойчивый карбид Fe 3 C (цементит), который отделяется от решетки твердого раствора. Образование цементита и его укрупнение сопровождается снижением твердости и повышением вязкости и пластичности. В результате среднетемпературного отпуска образуется высокодисперсная смесь феррита и цементита, имеющая зернистое строение цементита. Эта структура называется трооститом отпуска. Из-за высокой дисперсности (диаметр частиц цементита составляет в среднем мм) отдельно взятые частицы можно наблюдать лишь при больших увеличениях (10 20 тыс. раз) с использованием электронного микроскопа. Твердость троостита отпуска для среднеуглеродистых сталей составляет HRC Структура троостита обеспечивает наилучшее сочетание свойств, необходимых при изготовлении различных упругих элементов: пружин, рессор. Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при температурах о С. При этом происходит полное снятие внутренних напряжений и укрупнение частиц цементита, образуется структура, которая называется сорбит отпуска. Сорбит отпуска состоит из ферритной основы, пронизанной частицами цементита. Диаметр частиц цементита в среднем составляет см. Твердость сорбита для среднеуглеродистых конструкционных сталей обычно составляет до HRC 30. Структура сорбита обеспечивает наилучший комплекс механических характеристик, необходимый для большинства деталей машин, изготовленных из этих конструкционных сталей. Прежде всего это сочетание достаточно большой прочности при высоких значениях вязкости и пластичности. Закалка с последующим высоким отпуском носит название «улучшение стали». 10
11 Время нагрева и выдержки при отпуске составляет обычно 1 2 часа. Скорость охлаждения после отпуска должна быть невысокой, что позволяет уменьшить уровень объемных остаточных напряжений. 3. ОБОРУДОВАНИЕ 1. Электропечь СНОЛ-1,6.2,0.0,8/9. 2. Термопара с гальванометром гр. ХА. 3. Твердомер ТК. 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Ознакомиться с данными методическими указаниями. 2. Пользуясь материалами данных методических указаний и диаграммой Fe Fe 3 C (рис. 2), выбрать необходимую температуру нагрева под закалку доэвтектоидных сталей: сталь 20 и сталь 40; эвтектоидной стали У8 и заэвтектоидной У12. Назвать структуру, полученную в результате закалки, и определить твердость, пользуясь рис. 3. Полученные данные внести в табл. П Пользуясь материалами табл. П. 2, указать структуру, полученную при нагреве под закалку для стали 40 при температурах 700 о С, 750 о С и 850 о С. Полученные данные внести в табл. П Произвести нагрев в СНОЛ-1,6.2,0.0,8/9.2 под закалку при t н =850 о С образцов стали в количестве 4 штук. 5. Определить время выдержки и нагрева для данных образцов. 6. Закалить при охлаждении в воду (t н =20 о С). 7. Измерить твердость HRC образца после закалки. 8. Произвести отпуск закаленных образцов при температурах t о =200 о С, t о =400 о С, t о =600 о С. 9. Замерить твердость HRC образцов после отпуска. 10. Необходимые данные внести в таблицу П
12 11. Построить графическую зависимость между температурой нагрева при отпуске и полученной твердостью (рис. 5). Рис. 5. График зависимости между температурой отпуска при закалке стали и ее твердостью 5. СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЕТА 1. Дать определение закалки и отпуска стали. 2. Заполнить табл. П Заполнить табл. П Привести график t отп HRC. 6. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 1. Назначение закалки. 2. Виды закалок. 3. Выбор температур нагрева для закалки доэвтектоидных, эвтектоидных и заэвтектоидных сталей. 4. Определение структур закалок для названных сталей. 5. Назначение отпуска стали. 6. Виды отпуска стали. 7. Структуры отпуска стали. 12
13 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Материаловедение: учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]. Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, с. 2. Ржевская, С.В. Материаловедение: учебник / С.В. Ржевская. М.: Изд-во МГГУ, с. 13
1. Изучить влияние температуры нагрева при различных видах отпуска на структуру и механические свойства закаленной углеродистой стали.
2. Ознакомится с различными видами отпуска закаленной углеродистой стали.
3. Освоить технологию проведения различных видов отпуска закаленной углеродистой стали и методов оценки их качества.
4. Научиться анализировать структуру и свойства закаленной углеродистой стали после отпуска.
1. Провести закалку образцов из отожженной углеродистой стали.
2. Образцы из закаленной углеродистой стали подвергнуть отпуску при различных температурах.
3. Измерить стандартными методами твердость углеродистой стали после отпуска.
4. Провести анализ результатов исследований по отпуску закаленных углеродистых сталей с объяснением характера полученных зависимостей.
Оборудование, приборы, инструменты:
Оборудование для проведения различных видов термической обработки стали включает: электрическую камерную печь периодического действия с электромеханической системой регулирования температуры; передвижные закалочные сдвоенные баки с водой и маслом; клещи, защитные очки.
Для очистки от окалины и выравнивания поверхности образцов применяется наждачный круг.
Для оценки свойств стали и качества термообработки производится измерение твердости по методу Бринеля на приборе ТШ2 и по методу Роквелла на приборе ТК2.
Проведение испытаний:
Исследования проводятся на стали 45, в количестве 12 штук, подвергаются закалке по следующему режиму:
· Температура максимального нагрева 850 °С;
· Охлаждение в воде.
Технология проведения отпуска образцов из закаленных сталей включает:
· Выдержка в печи при каждой заданной температуре отпуска в течение 30 минут;
· Охлаждение образцов на воздухе и в воде.
Операция нагрева и выдержки образцов при максимальной температуре осуществляется в электропечах, охлаждение образцов производится в закалочном баке с водой и в специальном поддоне на воздухе.
Охлажденные образцы зачищают с обоих торцов на наждачном круге для снятия окалины и получения плоскопараллельных поверхностей.
По данным измерений строится график зависимости твердости стали по Бринеллю от температуры отпуска для двух способов охлаждения: на воздухе и в воде.
Протокол термической обработки закаленной углеродистой стали:
Температура,°С
D отпечатка, мм
Вывод/Основные сведения:
Целью отпуска является получение более равновесной, необходимой структуры стали с требуемыми механическими свойствами и низкими внутренними напряжениями.
Отпуском называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве закаленной стали до температур, лежащих ниже критической точки Ас1, в выдержке стали при заданной температуре и последующем охлаждении на воздухе
В машиностроении при термообработке закаленных сталей применяются три вида отпуска: низкотемпературный (низкий), среднетемпературный (средний), высокотемпературный (высокий).
Образовавшаяся структура называется отпущенным мартенситом, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией углерода и наличием пластинчатых карбидных частиц, когерентно связанных с решеткой мартенсита.
Низкий отпуск обеспечивает твердость порядка 60HRC и высокую износостойкость поверхностных слоев стали; при этом имеет место частичное снижение внутренних остаточных напряжений, повышение ударной вязкости, что уменьшает склонность стали к хрупкому разрушению.
Последующий нагрев до максимальных температур этого вида отпуска приводит к росту частиц цементита и изменению их формы (начало процесса коагуляции и сфероидизации). Одновременно начиная с 400 °С начинается укрепление пластинок феррита.
В результате среднего отпуска структура закаленной стали будет представлять мелкодисперсную смесь феррита и цементита, которая называется троостит отпуска.
Средний отпуск применяют для деталей, работающих в режиме изменяющихся нагрузок: рессоры, пружины, торсионы, штампы.
Высокий отпуск обеспечивает одновременно значительную пластичность конструкционной стали при повышенной, по сравнению с нормализацией и отжигом, прочности. Поэтому термическую обработку, состоящую из закалки и последующего высокого отпуска, называет улучшением, которому подвергают среднеуглеродистые стали для уменьшения чувствительности к концентраторам напряжений, снижение температуры хладноломкости.
Для структур среднего и высокого отпуска (троостит, сорбит), с округлой зернистой формой цементита, характерна повышенная вязкость при почти одинаковой прочности с подобными структурами, которые сформировались в результате распада переохлажденного аустенита и имеют пластинчатую форму цементита.
В заключении следует отметить, что отпуск является единственным окончательным видом термообработки закаленной стали, температурные интервалы которого, обуславливая особенности превращения мартенсита и остаточного аустенита при нагреве, создают в материале комплекс свойств практической целенаправленности. Существующие зависимости между температурами отпуска и механическими свойствами углеродистых сталей приведена на рисунке.
А) Ранее выделившиеся кристаллы богаче тугоплавким компонентам. В) Состав кристаллов меняется от компонента А до В, С) Отличия нет. D) Ранее выделившиеся кристаллы богаче легкоплавким компонентом.
№ 135. Чем отличаются кристаллы, образующиеся при данной температуре от выделившихся ранее, при неравновесной кристаллизации сплава системы с непрерывным рядом твердых растворов?
А) Ранее выделившиеся кристаллы богаче тугоплавким компонентом.
B) Ранее выделившиеся кристаллы богаче легкоплавким компонентом.
С) В процессе кристаллизации состав кристаллов меняется от чистого компонента А до В. D) Отличия нет.
№ 136. Какие сплавы системы А-В (рис. 44) могут быть закалены?
А) Любой сплав. В) Сплавы, лежащие между Е и Ь.С) Ни один из сплавов. D) Сплавы, лежащие между а и Е.
№ 137. Как называется склонность (или отсутствие таковой) аустенитного зерна к росту?
А) Отпускная хрупкость. В) Наследственная или природная зернистость.
C) Аустенизация. D) Действительная зернистость.
№ 138. Какие из перечисленных в ответах технологические процессы следует проводить с учетом наследственной зернистости?
А) Холодная обработка давлением. В) Литье в песчаные формы. С) Высокий отпуск
D) Закалка, отжиг.
№ 139. Металлографический анализ наследственно мелкозернистой стали показал, что размер ее зерна находится в пределах 0,05 . 0,08 мм. Какое зерно имеется в виду?
А) Действительное. В) Начальное. С) Наследственное. D) Исходное.
№ 140. Чем объясняется, что троостит обладает большей твердостью, чем сорбит?
А) Форма цементитных частиц в троостите отличается от формы частиц в сорбите. В) В троостите меньше термические напряжения, чем в сорбите.
C) Троостит содержит больше (по массе) цементитных частиц, чем сорбит.
D) В троостите цементитные частицы более дисперсны, чем в
Сорбите.
ЛЬ 141. Какую кристаллическую решетку имеет мартенсит?
А) Кубическую. В) ГПУ. С) Тетрагональную.
№ 142. Какая из скоростей охлаждения, нанесенных на диаграмму изотермического распада аустенита (рис. 45), критическая?
№ 143. Как называется структура, представляющая собой пересыщенный твердый раствор углерода в
А-железе?
А) Мартенсит. В) Цементит. С) Феррит. D) Аустенит.
№ 144. Какую скорость охлаждения при закалке называют критической?
А) Максимальную скорость охлаждения, при которой еще протекает распад аустенита на структуры перлитного типа.
В)Минимальную скорость охлаждения, необходимую для получения мартенситной структуры.
С) Минимальную скорость охлаждения, необходимую для фиксации аустенитной структуры.
D) Минимальную скорость охлаждения, необходимую для закалки изделия по всему сечению.
№ 145. Каковы основные признаки мартенситного превращения?
А) Диффузионный механизм превращения и четкая зависимость температуры превращения от скорости охлаждения сплава.
В) Зависимость полноты превращения от температуры аустенизации и малые искажения в кристаллической решетке.
С) Слабовыражеиная зависимость температуры превращения от состава сплава и малые напряжения в структуре.
D) Бездиффузионный механизм превращения и ориентированная структура.
№ 146. Принимая во внимание сдвиговый механизм образования мартенсита, назовите вдоль какой плоскости кристалла аустенита должен произойти сдвиг?
А) (110). В) (111).С) (100). D) (101).
№ 147. Как влияет скорость охлаждения при закалке на температуру начала мартенситного превращения?
А) Чем выше скорость охлаждения, тем ниже температура.
В) Температура начала мартенситного превращения не зависит от скорости охлаждения.
С) Чем выше скорость охлаждения, тем выше температура.
D) Зависимость температуры начала мартенситного превращения от скорости охлаждения неоднозначна.
№ 148. От чего зависит количество остаточного аустенита?
А)_От температуры точек начала и конца мартенситного превращения.
В) От скорости нагрева при аустенизации.
С) От однородности исходного аустенита.
D) От скорости охлаждения сплава в области изгиба С-образных кривых.
№ 149. Какой температуре (каким температурам) отвечают критические точки А3 железоуглеродистых сплавов?
В) 727 . 1147 °С (в зависимости от содержания углерода).
С) 727 . 911 °С (в зависимости от содержания углерода).
№ 150. Что означает точка Ас3?.
А) Температурную точку начала распада мартенсита. В) Температурную точку начала превращения аустенита в мартенсит.
С) Температуру критической точки перехода перлита в аустенит при неравновесном нагреве
D) Температуру критической точки, выше которой при неравновесном нагреве доэвтектоидные стали приобретают аустенитную структуру.
№ 151. На какой линии диаграммы состояния Fe-C расположены критические точки Ат?
A) PSK. В) SE.С) ECF. D) GS.
№ 152. Как называется термическая обработка стали, состоящая в нагреве ее выше А3 или Ат, выдержке и последующем быстром охлаждении?
А) Истинная закалка. В) Полная закалка.
С) Неполная закалка.
№ 153. Какой структурный состав приобретет доэвтектоидная сталь после закалки от температуры выше Ас1, но ниже Ас3?
А)Мартенсит + феррит.
В) Перлит + вторичный цементит.
С) Мартенсит + + вторичный цементит.
D) Феррит + перлит.
№ 154. От какой температуры (t) проводят закалку углеродистых заэвтектоидных сталей?
А) От t на 30 . 50 °С выше Ат.
В) От t на 30 . 50 °С ниже линии ECF диа
граммы Fe-C.
С) От t на 30 . 50 "С выше эвтектической.
D) От t на 30 . 50 °Свыше А1.
№ 155. Почему для доэвтектоидных сталей (в отличие от заэвтектоидных) не применяют неполную закалку?
А) Образуется мартенсит с малой степенью пересыщения углеродом.
В) Образуются структуры немартенситного типа (сорбит, троостит).
С) Изделие прокаливается на недостаточную глубину. D) В структуре, наряду с мартенситом, остаются включения феррита.
№ 156. Какова температура закалки стали 50
(сталь содержит 0,5 % углерода)?
А) 600 . 620 °С. В) 810 . 830 °С. С) 740 . 760 °С.
№ 157. Какова температура закалки стали У12 (сталь содержит 1,2 % углерода)?
А) 760 . 780 °С. В) 600 . 620 °С. С) 1030 . 1050 °С. D) 820 . 840 °С.
№ 158. Сколько процентов углерода содержится в мартенсите закаленной стали марки 45 (сталь содержит 0,45 % углерода)?
А) 0,45 %. В) 2,14 %. С) 0,02 %. D) 0,80 %.
№ 159. Что такое закаливаемость?
А) Глубина проникновения закаленной зоны.
В) Процесс образования мартенсита.
С) Способность металла быстро прогреваться на всю глубину.
D) Способность металла повышать твердость при закалке.
№ 160. В чем состоит отличие сталей У10 и У12 (содержание углерода 1,0 и 1,2 % соответственно), закаленных от температуры 760 °С?
А) В структуре сплава У12 больше вторичного цементита.
С) Мартенсит сплава У12 содержит больше углерода. D) Мартенсит сплава У10 дисперснее, чем У12.
№ 161. Как влияет большинство легирующих элементов на мартенситное превращение?
А) Не влияют на превращение.
В) Сдвигают точки начала и конца превращения к более высоким температурам.
С) Сдвигают точки начала и конца превращения к более низким температурам.
D) Сужают температурный интервал превращения.
№ 162. Какова концентрация углерода в мартенсите закаленной стали марки У12 (сталь содержит 1,2 % углерода)?
0,02 % . В)
№ 163. Что называют критическим диаметром?
А) Диаметр изделия, при закалке которого в центре обеспечивается критическая скорость закалки.
В) Максимальный диаметр изделия, принимающего сквозную закалку.
С) Диаметр изделия, при закалке которого в центре образуется полумартенситная структура.
D) Максимальный диаметр изделия, прокаливающегося насквозь при охлаждении в данной закалочной среде.
№164. Как зависит прокаливаемость стали от интенсивности охлаждения при закалке?
А) Взаимосвязь между интенсивностью охлаждения и прокаливаемостью
неоднозначна. В) Чем интенсивнее охлаждение, тем меньше прокаливаемость.
С) Прокаливаемость не зависит от интенсивности охлаждения.
D)Чем интенсивнее охлаждение, тем больше прокаливаемость.
№ 165. Расположите образцы стали, закаленные в воде, в масле и на воздухе, по степени убывания глубины закаленного слоя, если образец, закаленный в воде, насквозь не прокалился.
А) В масле - на воздухе - в воде.
В) На воздухе - в масле - в воде.
С) В масле - в воде - на воздухе.
D) В воде - в масле - на воздухе.
№ 166. В чем состоит значение сквозной прокаливаемости сталей?
Сквозное прокаливание обеспечивает.
А) повышение твердости термообработанного изделия, однако при этом ударная вязкость в сердцевине ниже, чем в наружных слоях
В)получение после термообработки зернистых структур во всем объеме изделия и высоких однородных по сечению механических свойств.
С) получение одинаковой твердости по сечению изделия.
D) сокращение количества остаточного аустенита, что приводит к повышению механических свойств стали.
№ 167. Как зависит твердость полумартенситной структуры доэвтектоидной стали от концентрации углерода?
А) Чем больше углерода, тем больше твердость.
В) Чем больше углерода, тем меньше твердость.
С) Зависимость неоднозначна. Твердость полумартенситной структуры определяется также характером термообработки.
D) Твердость не зависит от концентрации углерода.
№ 168. Как влияют большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, на прокаливаемость стали?
А) Увеличивают прокаливаемость.
В) Уменьшают прокаливаемость.
C) Не влияют на прокаливаемость.
D) Влияние неоднозначно. Велика зависи
мость от режимов отпуска.
№ 169. У сплава А критическая скорость закалки больше, чем у сплава Б. У какого сплава больше критический диаметр?
Б)У сплава Б.
С) Зависимость между критической скоростью закалки и критическим диаметром неоднозначна.
D) Критический диаметр не зависит от критической скорости закалки.
№ 170. На рис. 46 представлены С-образные кривые двух марок стали (А и Б). У какой из них меньше прокаливаемость?
В) По С-образным кривым нельзя судить о прокаливаемости.
D) Исходных данных недостаточно. Нужны сведения о закалочной среде.
№ 171. Чем достигается сквозная прокаливаемость крупных деталей?
А) Многократной закалкой. В) Применением при закалке быстродействующих охладителей. С) Обработкой после закалки холодом.
D) Применением для их изготовления легированных сталей.
№ 172. Как называется термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали ниже A1 выдержке и последующем охлаждении?
А) Отжиг. В) Аустенизация. С) Отпуск. D) Нормализация.
№ 173. При каком виде отпуска закаленное изделие приобретает наибольшую пластичность?
А) При низком отпуске.
В) При высоком отпуске.
С) Пластичность стали является ее природной характеристикой и не зависит от вида отпуска.
D) При среднем отпуске.
№ 174. При каком виде термической обработки доэвтектоидных сталей возникают зернистые структуры?
А) При изотермической закалке.
В) При закалке со скоростью выше критической.
С) При полном отжиге.
D) При отпуске на сорбит, или троостит.
№ 175. Как влияет температура нагрева при отпуске на твердость изделий из углеродистой стали?
А) Влияние температуры отпуска на твердость неоднозначно.
В) Чем выше температура нагрева, тем выше твердость.
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250° С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переходит в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6 – 1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость 58 – 63 HRC, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.
Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию, цианирование. Реже низкий отпуск применяют для среднеуглеродистых сталей (0,3 – 0,45 % С). Продолжительность отпуска составляет обычно 1 – 2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.
Среднетемпературный (средний) отпуск выполняют при 350 – 500° С и применяют главным образом для пружин и рессор, а также для штампов. Такой отпуск обеспечивает высокие пределы упругости и выносливости и релаксационную стойкость. Структура стали после среднего отпуска – тростит отпуска; твердость стали 40 – 50 HRC. Температуру отпуска надо выбирать таким образом, чтобы не вызвать необратимой отпускной хрупкости.
Охлаждение после отпуска при 400 – 450° С следует проводить в воде, что способствует образованию на поверхности сжимающих остаточных напряжений, которые увеличивают предел выносливости пружин.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 – 680° С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Рис.101. Влияние температуры отпуска на механические свойства конструкционных улучшаемых сталей
Влияние термической обработки на механические свойства стали с 0,45 % С
(табл. 6). Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3 – 0,5 % С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования по пределу выносливости и ударной вязкости. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости. Трещиностойкость К1с после, улучшения – 250 – 350 МПа·м1/2.
Отпуск при 550 – 600° С в течение 1 – 2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Длительность высокого отпуска составляет 1 – 6 ч в зависимости от габарита изделий. Изменение механических свойств по мере повышения температуры отпуска приведено на рис. 101.
ДЕФЕКТЫ, ВОЗНИКАЮЩИЕ ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ СТАЛИ
К наиболее распространенным дефектам, которые могут возникнуть при закалке стали, относят трещины в изделии – внутренние или наружные.
Трещины. Трещины образуются при закалке в тех случаях, когда внутренние растягивающие напряжения, возникающие в результате мартенситного превращения, превышают сопротивление стали разрушению. Трещины образуются при температурах ниже точки Мн, чаще после охлаждения. Склонность к образованию трещин возрастает с увеличением в стали содержания углерода, повышением температуры нагрева под закалку и увеличением скорости охлаждения в температурном интервале мартенситного превращения.
Другой причиной образования трещин является наличие в изделии концентраторов напряжений (резкое изменение сечения изделия или местные вырезки, углубления, выступы и т. д.).
Трещины – неисправимый дефект. Для предупреждения их образования рекомендуется: при конструировании изделий избегать резких выступов, заостренных углов, резких переходов от толстых сечений к тонким и т. д.; закалка от возможно более низких температур для деталей, прокаливающихся полностью; медленное охлаждение в мартенситном интервале температур, достигаемое ступенчатой закалкой; изотермическая закалка и выполнение отпуска немедленно после закалки.
Деформация и коробление. Деформация, т. е. изменение размеров и формы изделий, происходит при термической обработке в результате термических и структурных напряжений под действием неоднородных объемных изменений, вызванных неравномерным охлаждением и фазовыми превращениями.
Несимметричную деформацию изделий в практике часто называют короблением (поводкой). Оно наблюдается при неравномерном и чрезмерно высоком нагреве под закалку, неправильном положении детали при погружении в закалочную среду и высокой скорости охлаждения в мартенситном интервале температур. Исключение этих причин значительно уменьшает коробление.
Коробление труднее устранить в длинных и тонких изделиях. Для уменьшения его такие детали охлаждают при закалке в зажатом состоянии (в штампах, прессах и приспособлениях). В момент протекания мартенситного превращения сталь разупрочняется.
Размеры изделия после закалки даже при отсутствии коробления не совпадают с исходными значениями. Вызываемую этими изменениями деформацию можно уменьшить подбором соответствующего состава стали и условий термической обработки.
ЗАКАЛКА С ИНДУКЦИОННЫМ НАГРЕВОМ
При поверхностной закалке на некоторую (заданную) глубину закаливается только поверхностный слой, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной.
Основное назначение поверхностной закалки: повышение твердости, износостойкости и предела выносливости обрабатываемого изделия. Сердцевина остается вязкой и воспринимает ударные нагрузки. В практике более часто применяют поверхностную закалку с индукционным нагревом током высокой частоты (ТВЧ).
Индукционный нагрев происходит вследствие теплового действия тока, индуктируемого в изделии, помещенном в переменное магнитное поле.
Глубина закалки примерно равна глубине нагрева до температуры выше критической точки Ac3, глубинные слои детали нагреваются ниже температур критических точек и при охлаждении не упрочняются. При необходимости повышения прочности сердцевины перед поверхностной закалкой деталь подвергают нормализации.
Выбор оптимальной толщины упрочняемого слоя определяется условиями работы детали. Когда изделие работает только на износ или в условиях усталости, толщину закаленного слоя чаще принимают 1,5 – 3 мм, в условиях высоких контактных нагрузок и возможной перешлифовки – 4 – 5 мм. В случае особо больших контактных нагрузок, например для валков холодной прокатки, толщина закаленного слоя достигает 10 – 15 мм и выше.
Обычно считают, что площадь сечения закаленного слоя должна быть не более 20 % всего сечения. Для зубчатых колес толщина слоя составляет 0,2 – 0,28 от их модуля.
После закалки с индукционным нагревом изделия повергают низкому отпуску при 160 – 200° С, нередко и самоотпуску.
Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4 – 0,5 % С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50 – 60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.
Особенно эффективен этот метод для серийного и массового производства. В то же время он экономически нерентабелен для закалки единичных деталей, для каждой из которых требуется изготовить собственный индуктор и подобрать режим обработки. Закалка с индукционного нагрева находит широкое применение в промышленности. Например, многие детали автомобилей и тракторов подвергают индукционной закалке.
ЗАКАЛКА С ГАЗОПЛАЗМЕННЫМ НАГРЕВОМ
Этот способ закалки применяют для крупных изделий (прокатных валков, валов и т.д.). Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим высокую температуру (2400 – 3150° С). Вследствие подвода значительного количества теплоты поверхность изделия быстро нагревается до температуры закалки, тогда как сердцевина детали не успевает нагреться. Последующее быстрое охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя. В качестве горючего применяют ацетилен, светильный и природный газы, а также керосин. Для нагрева используют щелевые горелки (имеющие одно отверстие в форме щели) и многопламенные.
Толщина закаленного слоя обычно 2 – 4 мм, а его твердость для стали с 0,45 – 0,5 % С составляет 50 – 56 HRC. В тонком поверхностном слое образуется мартенсит, а в нижележащих слоях тростит + мартенсит. Газопламенная закалка вызывает меньшие деформации, чем объемная закалка. Процесс газопламенной закалки можно автоматизировать и включить в общий поток механической обработки. Для крупных деталей этот способ закалки часто более рентабелен, чем закалка с индукционным нагревом.
ПОВЕРХНОСТНАЯ ЗАКАЛКА ПРИ НАГРЕВЕ ЛАЗЕРОМ
Лазеры – это генераторы света (квантовые генераторы оптического диапазона). В основу их работы положено усиление электромагнитных колебаний с помощью индукционного излучения атомов (молекул). Лазерное излучение монохроматично, распространяется очень узким пучком и характеризуется чрезвычайно высокой концентрацией энергии. Для промышленных целей применяют наиболее часто СО2-лазеры непрерывно-волнового типа мощностью 0,5 – 5кВт.
Применение лазеров для термической обработки основано на трансформации световой энергии в тепловую.
Под воздействием лазерного излучения за короткий промежуток времени (10-3 – 10-7 с) поверхность детали из стали или чугуна нагревается до очень высоких температур. Распространение теплоты в глубь металла осуществляется путем теплопроводности. После прекращения действия лазерного излучения происходит закалка нагретых участков благодаря интенсивному отводу теплоты вглубь металла (самозакалка). Скорость охлаждения составляет 103 – 105 ° С/с.
Нагрев лазером для термической обработки осуществляется удельной мощности 103 – 104 Вт/см2
. Для снижения отражательной способности поверхности металла и, следовательно, повышения эффективности лазерного нагрева на поверхность наносят пленки сульфитов (Fe2S3), фосфатов Mg3(PO4)2, Zn3(PO4)2, а также сажи, коллоидный раствор углерода в ацетоне и другие неметаллы и краски. Нагрев может осуществляться лазерами импульсного и непрерывного излечения. Лазеры непрерывного излучения более производительны и обеспечивают равномерность упрочнения.
Лазерную обработку успешно применяют для поверхностного упрочнения отливок из перлитного серого, ковкого и высокопрочного чугунов. Благодаря оплавлению поверхности и образованию ледебуритной эвтектики (отбел чугуна) и мартенситного подслоя твердость на поверхности достигает 750 – 900 НВ. Частичное оплавление ухудшает чистоту поверхности. При отсутствии оплавления твердость после нагрева лазером повышается в результате закалки тонкого поверхностного слоя.
Лазерная закалка – перспективный метод упрочнения сложных изделий, долговечность которых лимитируется износостойкостью и сопротивлением усталости, когда их закалка другими методами затруднена.
Состояние закаленной детали характеризуется очень сильной неравновесной структурой. Это связано с увеличением концентрации углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов в кристаллической структуре, внутренних напряжениях, структуре и нагреве. По этой причине закаленная сталь обладает высокой прочностью и твердостью, но в то же время запас вязкости практически равен нулю.
- Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход закаленной стали из неравновесной структуры в более устойчивую структуру может происходить естественным образом со временем под воздействием температуры окружающей среды или внешних нагрузок. Этот переход сдерживается изменениями объема, поэтому такая ситуация неприемлема для точных деталей и измерительных инструментов. По этой причине дополнительная термообработка (отпуск) всегда выполняется для отверждения детали.
Отпуск является окончательной работой по термообработке стали, и его целью является получение определенного набора механических свойств и полное или частичное устранение закалочного напряжения.
В практике термообработки используются три вида отпуска.
Низкое, среднее, высокое и искусственное старение. Все эти типы общих схем включают нагрев продукта, выдержку при данной температуре и охлаждение.
В результате отпуска, в зависимости от температуры нагрева, нестабильная структура закаленного мартенсита в результате диффузионного перераспределения углерода превращается в более стабильный структурированный мартенсит, троостит, сорбит и перлит. , Стальные изделия приобретают свойства, которые определяют их поведение в процессе эксплуатации в процессе отпуска. Температура отпуска определяется требованиями к механическим свойствам детали.
Низкотемпературный (низкотемпературный) отпуск проводят при нагревании до 150-200 ° С. Низкий отпуск немного уменьшает внутреннее напряжение. Твердость остается высокой (58 … 62 HRC). Стальная структура после низкотемпературного отпуска состоит из отпущенного мартенсита на основе твердого раствора, перенасыщенного углеродом α-Fe.
В отпущенном мартенсите число охрупчиванных трехцентровых ковалентных связей Fe-C-Fe уменьшается, а деформация решетки и остаточное внутреннее напряжение частично устраняются. Кроме того, плотность дислокаций несколько уменьшается, оставаясь на уровне 1011-1012 см-2.
- Таким образом, при низком отпуске закаленный мартенсит обладает более благоприятным набором механических свойств (высокий уровень твердости и небольшой запас вязкости и пластичности).
Этот тип закалки в основном используется для режущих и измерительных инструментов, изделий с поверхностной закалкой, цементирования и нитрокарбонизации.
Из-за сложных механических свойств мягкого мартенситного отпуска, для мягких легированных стальных деталей рекомендуется низкая температура.
Среднетемпературный (средний) отпуск проводится при температуре 350-470 ° С и в основном используется для пружин, пружин и пресс-форм. Это нагревание приводит к распаду мартенсита на смесь феррита и цементита. Из-за недостаточной прочности диффузионного процесса обожженный троостит представлен в виде мелких частиц и определяет более высокую вязкость по сравнению с твердосплавным трооститом.
- В отпущенном троостите деформация ковалентной связи Fe-C-Fe и ОЦК-решетки α-Fe практически исключена, плотность дислокаций снижена до 109–1010 см – 2, а уровень остаточных напряжений снижен. Закаленные фазы троостита и дислокационные решетки обеспечивают набор благоприятных механических свойств для пружин, пружин и аналогичных изделий.
Структура закаленного троостита имеет высокий предел упругости, а твердость составляет 40-50 HRC. Охлаждение после отпуска при 400-450 ° С рекомендуется в воде. Это создает остаточное сжимающее напряжение в поверхностном слое и повышает долговечность детали.
Сталь с концентрацией 0,4% С сначала гасили в воде при 860 ° С, а затем отпускали при температуре 350 ° С. В результате гашения мартенсит, полученный полным гашением, превращается в закаленный троостит, структура которого состоит из дисперсных частиц феррита и цементита, и эти частицы настолько малы, что практически различимы даже при максимальном увеличении микроскопа. Я не могу Ориентация мартенсита в виде иглоподобных структур, сохранившихся на русте в отпуске, отличает его от гашения трестита.
Характер хрупкости. Закалка охрупчиванием называется снижением вязкости стали после отпуска в определенном температурном диапазоне. Существует два типа свойств отпуска.
Наблюдается в интервале температур 2.500-600ºC. Это второй тип характера хрупкий или обратимый.
Первый тип уязвимости характерен для простой углеродистой стали, содержащей 0,3-0,6% С. Появляется при отпуске в интервале температур 250-350ºС. Причиной его появления является выделение карбидов по границам зерен. Это вызывает уязвимость границы и, следовательно, уязвимость всей части.
При повышении температуры отпуска мартенсит разлагается по всему объему детали, и структура соответствующим образом выравнивается, увеличивая вязкость. Поэтому, когда сталь в состоянии первого хрупкого нагрева нагревается до высокой температуры, ее вязкость восстанавливается и повторного нагрева после охлаждения в диапазоне температур хрупкого отпуска 250-350ºС больше не происходит. Поэтому такой характер хрупкости называется необратимым.
- Второй тип уязвимости характерен для среднеуглеродистой стали, содержащей легирующие элементы. Mn; Кр.
- Кроме того, эта хрупкость при отпуске проявляется только при медленном охлаждении при высоких температурах отпуска.
- Если деталь быстро охлаждается на воздухе или в воде, второй тип уязвимости не появляется.
- Если сталь уже имеет хрупкость при отпуске типа 2, ее необходимо разогреть до температуры отпуска и быстро охладить, чтобы удалить ее.
- Вязкость восстановится, но при повторном нагревании и медленном охлаждении вновь появится хрупкость.
- Поэтому такие уязвимости называются обратимыми.
Наличие примесей, особенно фосфора, увеличивает тенденцию стали уменьшать хрупкость второго типа. Поэтому, чтобы сделать сталь нечувствительной ко второму типу отпуска, необходимо сначала уменьшить количество вредных примесей, особенно фосфора, а затем добавить к стали молибден или вольфрам.
Изучу , оценю , оплатите , через 2-3 дня всё будет на «4» или «5» !
Образовательный сайт для студентов и школьников
Копирование материалов сайта возможно только с указанием активной ссылки «www.9219603113.com» в качестве источника.
© Фирмаль Людмила Анатольевна — официальный сайт преподавателя математического факультета Дальневосточного государственного физико-технического института
Читайте также: