1129

Влияние углерода на твердость термически обработанных сталей

Лабораторная работа

Производство и промышленные технологии

Зависимость между содержанием углерода в стали и ее твердостью после отжига и закалки. Влияние углерода на структуру и свойства отожженных сталей. Количество остаточного аустенита при закалке сталей при увеличении содержания углерода

Русский

2013-01-06

175 KB

64 чел.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.

Влияние углерода на твердость термически обработанных сталей

Цель работы. Установить зависимость между содержанием углерода в стали и ее твердостью после отжига и закалки.

ОБЩИЕ ПОЛОНЕНИЯ

Механические свойства сталей, в том числе и твердость, зависят от их внутреннего строения. Строение углеродистой стали прежде всего зависит от ее химического состава, который в основном характеризуется содержаниям углерода. При постоянном составе стали ее структурное состояние может быть изменено термической обработкой.

Из существующих видов термической обработки отжиг, с одной стороны, и закалка -с другой, дают наиболее резкое отличие в структуре и свойствах стали. В результате отжига сталь приобретает структуру, близкую к равновесной, прочностные свойства углеродистой стали при этом отличается сравнительно низким уровнем, а пластические - повышенным. Закалка, наоборот, дает крайне неравновесную структуру, высокие значения прочностных свойств и низкие - пластических.

Влияние углерода на структуру и свойства отожженных сталей

Ранее были изучены структуры чистых железоуглеродистых сплавов. Технические стали отличатся от чистых железоуглеродистых сплавов тем что содержат, кроме железа и углерода, еще ряд элементов примесей неизбежно попадающих в стали в связи с условием производства (плавки).

Если содержание примесей не превышает количества, указанного в ГОСТ 380-88, то их влияние на свойства сталей незначительно. Следовательно, структура и свойства технических сталей могут характеризоваться почти так же, как и чистых двойных сплавов, то есть в полном соответствии с диаграммой состояния железо - углерод. В соответствии с диаграммой состояния после отжига в равновесном состоянии структура стали представляет собой смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода. Ясно, что свойства медленно охлажденных (отожженных) сталей будут определяться прежде всего свойствами и количеством составляющих фаз. Основной (преобладающей) фазой в сталях является феррит. Механические свойства феррита характеризуются следующими величинами:

Предел прочности при растяжении, МПа 250

Предел текучести при растяжении, МПа 120

Относительное удлинение, % 50

Относительное сужение, % 85

Твердость, НВ 80

Эти показатели могут, изменяться в некоторых пределах, так как на свойства феррита влияет ряд факторов (например, увеличение размеров зерен понижает твердость, а увеличение содержания примесей повышает твердость).

Цементит твердый (НВ - 800) и хрупкий. С изменением содержания углерода изменяется структура стали.

Структура технически чистого железа, содержащего до 0,006 %С, состоит только из феррита, что и определяет его низкие прочностные свойства. Технически чистое железо, содержащее 0,007 - 0, 02 , наряду с ферритом имеет в структуре небольшое (не более 0,29 %) количество цементита третичного, располагающегося в виде сравнительно крупных включений по границам ферритных зерен. Цементит третичный при таком его расположении оказывает незначительное влияние на прочностные свойства, несколько повышая их.

В структуре железоуглеродистых сплавов, содержащих свыше 0,02%С, появляется двухфазная структурная составляющая - перлит. Механические свойства перлита, в частности твердость, определяются количественным соотношением присутствующих в нем феррита (88%) и цементита (12%), так и формой и дисперсностью частичек цементита. Поэтому прочность перлита может изменяться от 550 МПа для крупнопластинчатого до 820 МПа для тонкопластинчатого, а твердость от НВ = 160 ед. до НВ = 250 ед.

Для, заэвтэктоидных сталей (углерода свыше 0,8э %), структура которых, кроме пластинчатого перлита, содержит цементит вторичный, наблюдается дальнейшее повышение твердости. Однако другая прочностная характеристика - предел прочности, достигнув наибольшего значения при 0,8 - 0,9%, при более высоких содержаниях углерода понижается. Это обусловлено наличием большого количества хрупкой цементитной фазы, а также тем, что часть ее (цементит вторичный) расположена в виде сплошной оболочки по границам зерен. В результате этого снижается сопротивление отрыву и предел прочности.

Пластические свойства сталей (относительное удлинение и относительное сужение, ударная вязкость) по мере увеличения содержания углерода в стали непрерывно понижаются.

ВЛИЯНИЕ УГЛЕРОДА НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЗАКАЛЕННЫХ СТАЛЕЙ

Основная цель, преследуемая при закалке углеродистых сталей, - получение высоких прочностных свойств. Достигается эта цель за счет получения высокопрочной твердой мартенситной фазы, образующейся из аустенита при быстром охлаждении, то есть при мартенситном. превращении.

Мартенситное превращение в чистом железе и в безуглеродистых сплавах способно привести к повышению прочностных свойств по сравнению с отожженным состоянием. Так по сравнению с обычной ферритной структурой твердость железа а результате мартенситного превращения возрастает с 60 до 200 НV а предел прочности -с 200 до 900 МПа. Высокая твердость мартенсита объясняется повышенной плотностью дефектов в его решетке: двойниковых прослоек и дислокаций.

При закалке сталей достигается значительно большее упрочнение, чем в безуглеродистых железных сплавах, причем эффект закалки повышается с увеличением содержания углерода. Это можно объяснить следующим образом.

При мартенситном превращении в сталях весь углерод, растворенный в аустените остается в твердом растворе. Мартенсит - пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе. Сохранение углерода в твердом растворе при мартенситном превращении вызывает искажение решетки, поэтому мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку, в которой один период С больше другого – А. Тетрагональность прямопропорциональна содержанию углерода. Большей пластичностью обладают более симметричные решетки, так как в них больше плоскостей легкого скольжения. Твердость же определяется сопротивлением внедрению в тело индентора, что связано с пластичностью.

Очень большое влияние на твердость мартенсита оказывает фазовый наклеп, возникающий при закалке стали. Природа фазового наклепа заключается в следующем. Мартенсит по сравнению с другими фазовыми составляющими стали и особенно аустенитом имеет наибольший удельный объем. Поскольку рост мартенситных кристаллов протекает с увеличением объема, то окружающий аустенит и мартенситные пластины подвергаются сильному наклепу. Этот наклеп называется фазовым, так как он связан с фазовым превращением.

С увеличением содержания углерода в стали удельный объем мартенсита возрастает значительно интенсивнее, чем удельный объем аустенита.

Необходимо помнить, что в зависимости от температуры нагрева закалку называют полной и неполной. При полной закалке сталь переводят в однофазное состояние, то есть нагревают выше критической температуры Ac3, при неполной закалке сталь нагревают до межкритических температур - между Ас1 и Ac3.

При быстром охлаждении в процессе закалки не весь аустенит успевает превратиться в мартенсит. Остается какая то его часть – остаточный аустенит, приводящий к снижению твердости и прочности. Количество остаточного аустенита прямопропорциоанально количеству углерода в стали.

Таким образом, углерод оказывает существенное влияние на структуру и свойства как отожженных, так и закаленных сталей.

ВОПРОСЫ ДОЯ САМОПОДГОТОВКИ

  1.  Что называется ферритом, аустенитом, мартенситом?
  2.  Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в α - железе?
  3.  Как изменяется количество остаточного аустенита при закалке сталей при увеличении содержания углерода?
  4.  Какая температура нагрева является оптимальной для закалки доэвтектоидной стали?
  5.  Какая температура нагрева является оптимальной для закалки заэвтектоидной стали?
  6.  Какой кристаллической решеткой обладает феррит?
  7.  Какой кристаллической решеткой обладает аустенит?
  8.  Какой кристаллической решеткой обладает мартенсит углеродистой стали?
  9.  Что из себя представляет структура закаленной стали?
  10.  При какой скорости охлаждения стали в ней возможно образование остаточного аустенита?
  11.  При какой скорости охлаждения углеродистой стали в ней возможно образование мартенсита?

  1.  С каким содержанием углерода сталь дает максимальную твердость после закалки в воде?
  2.  Какой метод замера макротвердости пригоден для стали, закаленной на мартенсит?
  3.  Какое содержание углерода в стали не дает остаточного аустенита при закалке?
  4.  Каким видом термической обработки можно уменьшить количество остаточного аустенита в закаленной стали при сохранении мартенситной структуры?

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

  1.  Отожженные образцы сталей с различным содержанием углерода зачистить с двух торцов на абразивном камне, после чего произвести измерение твердости на приборе Роквелла.
  2.  Часть образцов с различным содержанием углерода нагреть и выдержать в течение 15 минут в электрических: муфельных печах при температуре выше Ас3 с1) на 30 - 50°с. После выдержки образцы закалить в воде.
  3.  Все закаленные образцы зачистить с торцов на абразивном круге и произвести измерение твердости на приборе Роквелла.
  4.  Полученные результаты измерений твердости занести в таблицу.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

84289. Понятие об иммунитете. Виды иммунитета. Вакцины и сыворотки 29.58 KB
  Виды иммунитета. Вакцины и сыворотки Иммунитет – невосприимчивость макроорганизма к инфекционным заболеваниям и чужеродным антигенам. Иммунитет может быть инфекционный и неинфекционный.
84290. Пищевые отравления: токсикоинфекции и интоксикации. Характеристика возбудителей пищевых отравлений 62.5 KB
  Пищевые токсикоинфекции – отравления, возникающие при приеме пищи, содержащей большое количество живых токсигенных бактерий. Возбудители токсикоинфекций образуют эндотоксины, прочно связанные с клеткой, которые при жизни микроорганизма в окружающую среду не выделяются
84291. Микробиологический контроль качества пищевых продуктов 36.74 KB
  Важнейшими характеристиками пищевых продуктов является их безопасность и микробиологическая стойкость. Для оценки качества пищевых продуктов пользуются количественными и качественными микробиологическими показателями. Поэтому при санитарной оценке продуктов пользуются косвенными методами позволяющими определить уровень загрязнения продукта выделениями человека уровень фекального загрязнения.
84292. Биосфера и распространение микроорганизмов в природе. Влияние на окружающую среду антропогенных факторов 33.94 KB
  Местообитание. В пределах экосистемы для каждого микроорганизма можно описать его местообитание. В рамках определенной экосистемы микрооганизм имеет как правило только одноединственное местообитание хотя некоторые микроорганизмы могут иметь несколько таких мест каждое в отдельной экосистеме. Иными словами местообитание – это адрес данного организма.
84293. Микрофлора почвы. Ее роль в инфицировании пищевых продуктов. Санитарная оценка почвы 33.3 KB
  Санитарная оценка почвы Почва – благоприятная среда для обитания и размножения различных микроорганизмов. В состав микробных биоценозов почвы входят бактерии грибы простейшие и бактериофаги. Микроорганизмы почвы участвуют в круговороте веществ в природе минерализации органических отбросов самоочищении почвы.
84294. Микрофлора воздуха. Оценка качества воздуха по микробиологическим показателям. Методы очистки и дезинфекции воздуха 32.84 KB
  Оценка качества воздуха по микробиологическим показателям. Методы очистки и дезинфекции воздуха Воздух является неблагоприятной средой для развития микроорганизмов что обусловлено недостатком питательных веществ и влаги а также бактерицидным действием солнечных лучей. Поэтому количественный и видовой состав микрофлоры воздуха зависит от ряда факторов: климатических метеорологических сезонных общего санитарного состояния местности и др.
84295. Микрофлора воды. Санитарная оценка воды по микробиологическим показателям. Способы очистки и дезинфекции воды 38.11 KB
  Санитарная оценка воды по микробиологическим показателям. Способы очистки и дезинфекции воды Вода является благоприятной средой для развития многих микроорганизмов. В состав микрофлоры воды входят сапрофиты: флуоресцирующие бактерии микрококки реже встречаются бактерии рода Bcillus.
84296. Предмет и задачи микробиологии. Основные свойства микроорганизмов 36.14 KB
  Основные свойства микроорганизмов Микробиология от греч. mikros – малый bios – жизнь logos – учение – наука изучающая мир мельчайших живых существ – микроорганизмов и процессы вызываемые микроорганизмами. Микробиология изучает морфологию микроорганизмов закономерности их развития и процессы которые они вызывают в среде обитания а также их роль в природе и хозяйственной деятельности человека. К миру микроорганизмов относятся бактерии дрожжи микроскопические плесневые грибы.
84297. Исторический очерк развития микробиологии. Перспективы развития и достижения современной микробиологии в народном хозяйстве, пищевой промышленности 41.75 KB
  Перспективы развития и достижения современной микробиологии в народном хозяйстве пищевой промышленности Процессы вызываемые микроорганизмами люди знали и использовали с незапамятных времен. В истории микробиологии можно выделить три периода: морфологический физиологический и современный. Морфологический период развития микробиологии связан с именем голландского ученого Антония ван Левенгука 16321723 который в конце XVII века с помощью изготовленного им самим микроскопа дающего увеличение в 300 раз открыл мир микробов.