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

70 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

45928. Способы базирования заготовок с базами в виде отверстий 74.04 KB
  Базирование в отверстие или на палец рекомендуется использовать для заготовок с базами обработанными не грубее 9 квалитета. Этот способ применяется для заготовок с базами обработанными не грубее 7 квалитета.
45929. Способы базирования заготовок с базами в виде наружных цилиндрических поверхностей 87.91 KB
  Длину контакта заготовки с опорным элементом приспособления принимается равным или больше 15 диаметры базы. В пределах mx диаметрального зазора Smx в соединении заготовка приспособление возможно смещение оси базы относительно оси опорного элемента. Наибольшее смещение определяет погрешность базирования оси базы. ƸБ=Smx=TTn∆=Dmxdmin Т допуск на диаметр базы заготовки Tn допуск на диаметр опорного элемента приспособления ∆ гарантированный зазор в соединении Dmx наибольший предельный диаметр отверстия dmin наименьший предельный диаметр...
45930. Способы установки в приспособлении заготовок корпусных деталей 11.35 KB
  При L D 4 где L длина обрабатываемой заготовки D ее диаметр заготовки закрепляют в патроне при 4 L D 10 в центрах или в патроне с поджимом задним центром при L D 10 в центрах или в патроне и центре задней бабки и с поддержкой люнетом. Самой распространенной является установка обрабатываемой заготовки в центрах станка. Заготовку обрабатывают в центрах если необходимо обеспечить концентричность обрабатываемых поверхностей при переустановке заготовки на станке если последующая обработка выполняется на шлифовальном станке и тоже в...
45931. Типы зажимных устройств приспособлений. Краткая характеристика по составу, типу производства 12.18 KB
  По составу зажимные устройства делят на группы. 1Зажимные устройства состоящие из силового механизма и привода который обеспечивает перемещение контактного элемента и создаёт исходное усилие преобразуемое силовым механизмом в зажимное усилие. 2Зажимные устройства в котором силовой механизм приводится в действие рабочим прилагающим исходное усилие на орпеделёное плечё.Такие зажимные устройства с ручным приводом.
45932. Правила определения силы зажима заготовок в приспособлении 2.1 MB
  Для этого составляют расчетную схему где изображают все действующие силы и моменты резания зажимного усилия реакции опор и силы трения в местах контакта заготовки с опорными элементами и зажимными устройствами. По этому уравнению выводят формулу для расчета силы зажима Пример: расчетная схема на фрезерные операции. условий применительно к которым рассчитывались силы и моменты резания то их надо увеличить введением коэффициента запаса надежности закрепления согласно требованиям безопасности.
45933. Приводы зажимных устройств 1.73 MB
  Недостатки: незначительная плавность перемещения рабочих органов особенно при переменой нагрузке; низкое давление воздуха 04 мПа обуславливающие большие размеры приводов для приложения значительных усилий. на всех производственных участках подаётся воздушная среда давлением до 1МПа. Пневмоприводы рассчитываются на прочность при Р=06мПа а исходное усилие определяется при р=04МПа. Испытания их осуществляют при р не менее 09МПа.
45934. Цели, принципы, функции и основные задачи стандартизации 16.4 KB
  В соответствии с Федеральным Законом О техническом регулировании стандартизация осуществляется в целях: повышения уровня безопасности жизни или здоровья граждан имущества физических или юридических лиц государственного или муниципального имущества экологической безопасности безопасности жизни или здоровья животных и растений и содействия соблюдению требований технических регламентов; повышения уровня безопасности объектов с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; обеспечения...
45935. Основные понятия в области метрологии. Метрология. Измерение. Погрешности измерения. Средство измерения. Единство измерений. Проверка средств измерений 18.03 KB
  Единство измерений. Проверка средств измерений.Рассматривает общие теоретические проблемы разработка теории и проблем измерений физических величин их единиц методов измерений.Устанавливает обязательные технические и юридические требования по применению единиц физической величины методов и средств измерений.
45936. Погрешности средств измерений. Систематическая погрешность средств измерений. Случайная погрешность средств измерений. Абсолютная, относительная погрешность. Точность средств измерений. Класс точности средств измерений 12.85 KB
  Погрешности средств измерений. Систематическая погрешность средств измерений. Случайная погрешность средств измерений. Точность средств измерений.