Лабораторная работа №4 на тему: "Основные виды термической обработки углеродистых сталей"

№ n/n	Твердость до т/о (HRC)	t, ⁰C	t, мин	Охлаждающая среда (вид т/о)	Твердость после т/о (HRC)	Предполагаемая структура
				на воздухе (нормализация)		Тростит
				в масле (закалка)		Бейнит
				в воде (закалка)		Мартенсит

Охлаждение:

В масле 25 сек;

В воде 15 сек;

На воздухе 20 мин.

Ответы на контрольные вопросы:

1) Процесс тепловой обработки металлических изделий целью, которого является изменение структуры и свойств в заданном направлении.

2)Отжиг, нормализация, закалка, старение, улучшение.

3) Обработка холодом состоит в погружении на некоторое время закаленных деталей в среду, имеющую температуру ниже нуля. После этого детали вынимают на воздух.

Выдержку при обработке холодом определяют временем, необходимым для полного охлаждения всей детали и выравнивания температур по сечению. Охлаждение изделия до отрицательных температур производят в смеси твердой углекислоты (сухой лед) со спиртом, дающей охлаждение до —78,5° либо в жидком азоте (—196°). Обработка холодом применяется для сталей, в которых после закалки сохранилсяостаточный аустенит (углеродистая сталь с содержанием больше 0,6% С, легированная инструментальная сталь).

4)Старение стали — изменение свойств материала (стали), протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Такие процессы происходят главным образом в низкоуглеродистых сталях (менее 0,25 % С). При старении за счёт скопления атомов углерода на дислокациях или выделения избыточных фаз и феррита(карбидов, нитридов) повышаются прочность, порог хладноломкости и снижается сопротивление хрупкому разрушению. Склонность стали к старению снижается при легировании её алюминием, титаном или ванадием.
5) Таким образом, по мере увеличения скорости непрерывного охлаждения (рис. 8) сужается интервал температур перлитного распада аустенита, а малая диффузионная подвижность атомов предопределяет большую степень дисперсности продуктов распада, т.е. уменьшает толщину пластинок феррита и цементита (рис. 9). Соответственно образуются структуры сорбита и троостита с большей прочностью, чем у перлита. А охлаждение с критической скоростью при закалке с охлаждением в воде превращает аустенит в прочный, очень хрупкий мартенсит.

6)Это время, в течение которого температура выдержки металла остается постоянной.

7) При неполной закалке нагрев стали осуществляется выше линии РSК(точка Ac1), но ниже линии GSE. При этом в доэвтектоидных сталях образуется структура аустенит + феррит, а в заэвтектоидных - аустенит + цементит. В таком случае даже охлаждение с очень высокой скоростью не может обеспечить чисто мартенситной структуры, так как избыточные фазы (феррит или цементит) сохраняются в структуре без изменений, В результате в доэвтектоидных сталях получается структура мартенсит + феррит, а в заэвтектоидных – мартенсит + цементит.

8) Итак, для доэвтектоидных сталей способ проведения отжига на мелкое зерно (который часто называют размельчающим отжито м) заключается в следующем:

1) нагрев стали до температур, немного превышающих точку Лс3;

2) выдержка до полного перехода всей структуры в аустенит;

3) охлаждение.

9) Нормализация (франц. normalisation — упорядочение, от normal — правильный, положенный), вид термической обработки стали, заключающийся в нагреве её выше верхней критической точки, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении на спокойном воздухе. Цель Н. — придание металлу однородной мелкозернистой структуры (не достигнутой при предыдущих процессах — литье, ковке или прокатке) и как следствие — повышение его механических свойств (пластичности и ударной вязкости).

10) Виды отпуска сталей.

1) низкий – нагрев детали до температуры 150 – 200 град, образуется структура – мартенсит отпуска. Твердость остается неизменной – 60 – 64 HRC. Снижаются закалочные напряжения, повышается предел прочности и текучести. Низкий отпуск применяется для обработки – режущих инструментов, штампы, подшипники, детали после закалки ТВЧ, цементованные детали.

2) средний – нагрев детали до температуры 350 – 400 град, образуется структура – троостит отпуска. Снижается твердость до 40 – 48 HRC, а также предел прочности. Сильно повышается предел упругости, выносливости. Средний отпуск применяется для обработки – пружин, рессор.
3) высокий – нагрев детали до температуры 500 – 650 град, образуется структура – сорбит отпуска. Снижается твердость до 30 HRC, предел прочности и упругости. Возрастает пластичность и ударная вязкость. Применяется для большинства деталей машин. Закалка + высокий отпуск – улучшение.

Вывод:

Термическая обработка - это нагрев материала до определенной температуры, выдержки и последующим охлаждение с различной скоростью, с целью изменения структуры и свойств.

Согласно таблице экспериментально было показано максимальное возрастание твердости у образца №3(таблица) при охлаждении в воде. Это объясняется образуемой структурой стали – мартенсит, который обладает наибольшей твердостью и хрупкостью. Мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в ОЦК решетке, образующийся в результате бездиффузионного распада аустенита, вследствие быстрой скорости охлаждения (V_кр;V₅).

Лабораторная работа №5 на тему: "Испытание материалов на ударную вязкость"

№	Материал образца	Температура ⁰С	Ширина, В	Высота, Н	Глубина, h	Площадь поперечного сечения S, см²	Работа удара, кДж	Ударная вязкость КС, Дж/см²
	Ст3					0,5	24,5
	Ст45					0,6	29,4	62,5
	40х					0,6	39,2	46,8
	30хГСА					0,6	29,4	62,5
	М2					0,5	9,8

Ответы на контрольные вопросы:

1) Работа удара - ударная вязкость, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца вместе концентратора при разрушении образца с концентратором посередине одним ударом маятникова копора.

2) Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

3) Испытания на ударную вязкость или ударный изгиб (КС) проводятся для оценки надежности и работоспособности материалов в условиях динамического нагружения и их склонности к хрупкому разрушению, которые, в свою очередь, зависят от скорости изменения нагрузки и “мягкости” напряженного состояния. Поскольку вязкость (в том числе ударная) является интегральной характеристикой, зависящей одновременно от прочности и пластичности, то она более резко реагирует на изменения структурного состояния материалов, чем другие свойства, что особенно ярко проявляется при пониженных температурах.

4) Параметром KCV оценивается пригодность материалов для сосудов давления, трубопроводов и других конструкций повышенной надежности. Параметр KCT характеризует работу развития трещины при ударном изгибе и оценивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Он учитывается при выборе металлов и сплавов для конструкций особо ответственного назначения (летательные аппараты, роторы турбин и т. п.)

5) Форма надреза стандартных образцов может быть в виде U, V, T Согласно ГОСТ 9454-78 в качестве основного используется образец с U-образным надрезом, но в отдельных случаях применяются также образцы и с другой формой надрезов.V-образный выполняется с углом при вершине 45⁰ и радиусом закругления 0,25 мм, а роль T-образного надреза играет созданная на специальном приборе усталостная трещина.

6) Например, КСТ+100 150/3/7,5 - с концентратором в виде Т, t=+100 ⁰C, максимальная энергия 150, глубина - 3 мм, ширина 7,5мм.

7) В соответствии с этим при записи ударной вязкости (КС) в ее обозначение вводится третья буква, указывающая вид надреза – KCU, KCV, KCT.

8) Если испытание проводится при комнатной температуре t=(20 10 0C), то температура в обозначении не проставляется.

Алгоритм опыта:

1. Замеряют ширину и толщину образца, изготовленных из одного материала, штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Устанавливают образец 8 на опоры 7 так, чтобы удар пришелся по его широкой стороне (рис.3, а). Поднимают маятник в верхнее исходное положение и закрепляют защелкой 6. Устанавливают стрелку 4 шкалы на ноль.

2. Освобождают маятник от защелки 6, который, падая вниз, разрушит образец 8. Рассчитывают величину работы, затраченной на разрушение образца.

3. Вычисляют удельную ударную вязкость по формуле (1). Опыт повторяют еще для двух - трех образцов.

4. Проводят обработку результатов опыта.

10) Копер состоит из чугунной станины в виде массивной плиты (2) с двумя вертикальными колоннами (3). В верхней части колонн на горизонтальной оси подвешен укрепленный в шарикоподшипниках маятник с грузом в виде стального плоского диска с вырезом (5), в котором закреплен стальной закаленный нож, служащий бойком при испытании. Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры (10), на которые помещают испытываемый образец (11). Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень (12), который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие при помощи педали (1). Перед испытанием маятник поднимают на исходную высоту и удерживают его в этом положении защелкой (6). В копре МК-ЗОА эта высота зависит от того, в каком положении установлена защелка подъемной рамы (7) в храповике. При испытании образца маятник освобождается от защелки (6), падая, ударяет образец, разрушает его и взлетает на некоторый угол, которым и определяется работа, затраченная на разрушение образца. В копре на оси маятника жестко закреплен поводок (9). При прямом и обратном движении маятника поводок увлекает за собой соответственно одну или другую стрелку шкалы (13) и оставляет их в положении, фиксирующем нож, служащий бойком при испытании (рис. 5). Внизу на уровне вертикально висящего маятника к колоннам станины прикреплены две стальные закаленные опоры (10), на которые помещают испытываемый образец (11). Под опорами между колоннами проходит тормозной ремень (12), который, прижимаясь к маятнику, качающемуся после удара, вызывает его торможение. Тормозной ремень приводится в действие педалью (1).

Вывод: Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Так как ударная вязкость зависит от содержания углерода в сплавах. То в железоуглеродистых сплавах при увеличении содержания С, увеличивается количество достаточно твердой и хрупкой фазы цементита (Fe3C). Чем выше количество цементита тем хрупче материал и соответственно KCU.