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

68670. Повышение эффективности деятельности туристической фирмы (на примере туристического агенства ООО «Альпана») 2.32 MB
  Цель исследования - на основе исследования современных тенденций развития туристского рынка в Украине разработать конкретные предложения по повышению эффективности деятельности ООО «Альпана» с целью ее экономического роста. Для достижения поставленной цели предполагается решение следующих основных задач...
68671. Развитие творческого потенциала младших школьников на уроке математики 142 KB
  Приобрести вычислительные навыки значит для каждого случая знать какие операции и в каком порядке следует выполнять чтобы найти результат арифметического действия и выполнять эти операции достаточно быстро. Приобрести вычислительные навыки значит для каждого случая знать какие операции и в каком...
68672. Анализ работы контакторной панели троллейбуса ЗиУ-682Г. Устройство и компоновка контакторной панели троллейбуса ЗиУ-682Г 572.5 KB
  Контакторы и реле, обеспечивающие коммутацию силовых цепей, управление подвижным составом и защиту электрооборудования, для удобства монтажа, облегчения ремонта и сокращения проводки группируют по изоляционным панелям и ящикам. Изоляционные панели унифицированы и поставляются заводом-изготовителем комплектом.
68675. Технического обслуживания локомотива ТО-2 134.57 KB
  При ТО-2 не реже одного раза в двое суток проверяют состояние основного оборудования и ходовых частей электровоза и устраняют выявленные при осмотре неисправности. Кроме того, выполняют работы, записанные локомотивными бригадами в журнале технического состояния электровоза...
68676. Анализ предметной области и разработка технического задания для разработки распределенной информационной системы «Магазин компьютерной техники» 452 KB
  Анализ предметной области это первый шаг этапа системного анализа с которого начинается разработка программной системы. Концептуальная модель применяется для структурирования предметной области с учетом информационных интересов пользователей системы.