215

Методы замера твердости металлов и их структурный анализ

Другое

Производство и промышленные технологии

Назначение легирующих элементов и их влияние на свойства стали. Краткие сведения о закалке и отпуске углеродистых сталей. Изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей закалкой и последующим отпуском.

Русский

2012-11-14

538.5 KB

171 чел.

Методы замера твердости металлов и их структурный анализ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Материаловедение»


Министерство образования РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра технологии конструкционных материалов

Методы замера твердости  металлов

и их структурный анализ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине «Материаловедение»

Составители В. И. Матюхин, Б. Г. Колмаков, М. С. Корытов

Омск

Издательство СибАДИ

2003


УДК 621.785

ББК  34.651

Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю. И. Сердюк

Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве методических  указаний  к  лабораторной  работе по дисциплине «Материаловедение» для студентов специальностей 170900, 230100, 150200, 291100, 240400, 060800, 210200, 150100, 340100, 030500.15, 072000, 180800, 101200, 240100, 330200.

Методы замера твердости  металлов и их структурный анализ: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Материаловедение» / Сост.: В. И. Матюхин, Б. Г. Колмаков, М. С. Корытов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. – 12 с.

Рассмотрены методы замера твердости металлов и области применения макро- и микроструктурного анализа металлов и сплавов.

Ил.7. Библиогр.: 2 назв.

                                                           Издательство СибАДИ, 2003


ВВЕДЕНИЕ

Методические указания разработаны в помощь студентам специальностей 170900, 230100, 150200, 291100, 240400, 060800, 210200, 150100, 340100, 030500.15, 072000, 180800, 101200, 240100, 330200 при выполнении ими лабораторной работы по материаловедению.

Цель лабораторной работы – познакомиться с методикой изготовления макро- и микрошлифов для изучения структуры, замера твердости по методам Бринелля, Роквелла и Виккерса. Изучить назначение структурного анализа металлов и сплавов и методику работы с оптическим микроскопом.

1. Методы измерения твердости металлов и сплавов

1.1. Измерение твердости по методу Бринелля

Этот метод применяют для измерения твердости металлов, твердость по Бринеллю которых меньше 450 HB [3]. Схема испытания твердости дана на рис. 1.

Рис. 1. Схема испытания твердости по методу Бринелля: 1 – стальной закаленный шарик; 2 – испытуемый образец

Сущность замера твердости: стальной закаленный шарик 1 диаметром D под действием нагрузки P вдавливается в образец 2. После снятия нагрузки P на образце остается отпечаток диаметром d, который является мерой твердости. Чем больше диаметр отпечатка, тем твердость материала меньше [1, 2]. Согласно ГОСТ 9012–59 диаметр шарика, нагрузка и выдержка под нагрузкой зависят от сплава и толщины образца.

Число твердости по Бринеллю (HB) подсчитывается как отношение нагрузки P к площади сферического отпечатка F:

,

где F – площадь поверхности отпечатка, мм2; P – нагрузка на шарик, кг.

На практике пользуются заранее составленными таблицами, указывающими число HB в зависимости от диаметра отпечатка d при постоянных значениях нагрузки P и диаметра шарика D.

Работы Н. А. Минкевича, И. А. Одинга, Н. В. Гевелинга показали, что между пределом прочности В и числом твердости HB различных материалов существуют следующие зависимости:

сталь с 12...45 HB –   В=0,35HB;

медь, латунь, бронза отожженная –   В=0,55HB;

медь, латунь, бронза наклепанная –   В=0,40HB;

алюминий и его сплавы с 20...45 HB  –   В=0,35HB.

1.2. Измерение твердости по методу Роквелла

При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120 или стальной шарик диаметром 1,588 мм [4]. За условную меру твердости применяется глубина отпечатка. Схема испытания дана на рис. 2.

Рис. 2. Схема испытаний твердости по Роквеллу:

PПР – предварительная нагрузка; PОСН – основная нагрузка

Вначале прикладывается предварительная нагрузка PПР, под действием которой индентор (алмаз, шарик) вдавливается на глубину h0. Затем прикладывается основная нагрузка PОСН, под действием которой индентор вдавливается на глубину h1.  После этого снимают основную нагрузку. Под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h0. Разность (hh0) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. Число твердости обозначается символом HR. Существуют три способа замера твердости по методу Роквелла:

а) Способ А (HRA 80, HRA 90). Нагрузка вдавливания P= PПР+PОСН=
10+50=60 кг. В качестве индентора используется алмазный конус. Способом А замеряют твердость твердых сплавов.

б) Способ B (HRB 25, HRB 50). Нагрузка вдавливания P= PПР+PОСН=
10+90=100 кг. В качестве индентора используется стальной шарик. Способом B замеряют твердость мягких материалов.

с) Способ С (HRС 30, HRС 60). Нагрузка вдавливания P= PПР+PОСН=
10+140=150 кг. В качестве индентора используется алмазный конус. Способом С замеряют твердость закаленных сталей.

Числа твердости по Роквеллу подсчитываются по формулам

HRA(HRC)=100–[(h–h0)/0,002];

HRB=130–[(h–h0)/0,002],

где 100 и 130 – предельно заданное число делений индикатора часового типа с ценой деления 0,002 мм. Значение твердости по методу Роквелла фиксируется стрелкой индикатора.

1.3. Испытание твердости по методу Виккерса

В поверхность материала вдавливается алмазная правильная четырехгранная пирамида с углом при вершине =136. После снятия нагрузки измеряется диагональ отпечатка d квадрата [5]. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки P к площади поверхности пирамидального отпечатка M:

.

Нагрузка P меняется от 1 до 120 кг.

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой. Размерность твердости не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с. Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P=10 кг, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Данным методом замеряют твердость тонких поверхностных слоев.

2. Структурный анализ металлов и сплавов

2.1. Макроструктурный анализ металлов

Макроанализ – изучение структуры металлов и сплавов при увеличении до 30 раз.

Цели макроанализа:

а) Определить макродефекты (поры, трещины, раковины и т. д.). Макродефекты недопустимы, так как они ослабляют рабочее сечение детали и являются концентраторами напряжений при знакопеременных нагрузках. Они должны быть удалены.

б) Определить величину зерна или кристалла в литом металле (рис. 3). Кристалл имеет неправильную форму в виде столба и называется еще дендритом (что значит древовидный). Зерно – округленный кристалл. Чем мельче зерно, тем выше вязкость металла и его работоспособность.

Рис. 3. Зерна и кристаллы в литом металле: 1,3 – зерна; 2 – кристаллы; 4 – раковина

в) Определить направление волокон в деформированном металле. Деформированный металл – металл, полученный в результате пластической деформации. При пластической деформации наблюдается смещение слоев металла (зерен) друг относительно друга. При этом согласно законам гидравлики неметаллические включения (оксиды, карбиды, нитриды и т. д.) оттесняются к границам течения слоев металла и располагаются вдоль границ зерен, волокон. Волокно – сильно деформированное зерно. С учетом вышесказанного в опасных сечениях детали волокна должны располагаться параллельно действующим напряжениям (рис. 4, а).

Рис. 4. Расположение волокон в деформированном металле (P – действующая нагрузка в образце): а – продольное расположение волокон; б – поперечное расположение волокон

г) Изучить излом образца. По характеру излома образца судят о характере разрушения металла. Кристаллический блестящий излом наблюдается при хрупком разрушении стали пониженной вязкости. При вязком разрушении характерен волокнистый (матовый) излом.

Объектом изучения макроструктуры служит макрошлиф, представляющий собой продольное или поперечное сечение детали и подвергнутый следующим операциям: 1) механическая вырезка образца; 2) шлифование образца шлифовальными бумагами различной зернистости или наждачным кругом; 3) травление в 4-процентном растворе HNO3 (если материал образца – углеродистая сталь или чугун); 4) промывка спиртом, сушка.

В  результате  указанных  операций  в  литом  металле  наблюдаются зерна  или  кристаллы,  а  в деформированном – направление волокон (рис. 5).

Макроанализ дает грубую оценку качества заготовки, детали. Для более качественной оценки полученной заготовки служит микроструктурный анализ сплавов.

Рис. 5. Макроструктуры поковок коленчатого вала:  а – правильное расположение

волокон;  б – неправильное расположение волокон

2.2. Микроструктурный анализ сплавов

Микроанализ – изучение структуры при увеличении свыше 50 раз. Цели микроанализа: а) определить тип структуры; б) определить величину микрозерна; в) определить микродефекты (поры, трещины, раковины и т. д.); г) по микроструктуре в углеродистых сталях определить содержание углерода.

Рис. 6. Схема отражения лучей от травленной

поверхности и полученная структура: 1 – светлое зерно;

2 – серое зерно; 3 – черное зерно

Объектом для изучения микроструктуры служит микрошлиф, представляющий часть детали (заготовки) сечением около 1 см2.

Приготовление микрошлифа происходит в следующей последовательности: а) механическая вырезка; б) шлифование; в) полирование до получения зеркальной поверхности; г) травление в 4-процентном растворе HNO3 (если образец из углеродистой стали, чугуна); д) промывка спиртом, сушка.

Цель полирования – получить поверхность с минимальной шероховатостью.

Цель травления – получить шероховатую поверхность из-за различной травимости структурных составляющих.

Структуру изучают на оптическом микроскопе в отраженном свете, так как металлы и сплавы непрозрачные. Схема отражения лучей от травленной поверхности и полученная структура приведены на рис. 6.

В окуляре микроскопа наблюдаются светлые, серые, черные зерна. Остается только расшифровать, какие это структурные составляющие.

Оптический микроскоп для изучения микроструктуры представлен на рис. 7.

Рис. 7. Общий вид микроскопа МИМ-7: 1 – основание; 2 – корпус; 3 – фотокамера; 4 – микрометрический винт; 5 – визуальный тубус с окуляром; 6 – рукоятка иллюминатора; 7 – иллюминатор; 8 – предметный столик; 9 – клеммы; 10 – винты перемещения столика; 11 – макрометрический винт; 12 – осветитель; 13 – рукоятки светофильтров; 14 – стопорное устройство осветителя; 15 – рамка с матовым стеклом

Главной частью микроскопа является оптическая система – набор линз, отражательных зеркал, призма, объектив. Микроструктуру можно наблюдать через окуляр 5. Микрошлиф кладется на предметный столик 8, под которым находится объектив. Четкость изображения микроструктуры регулируется винтами 11 и 4. Микроструктуру можно сфотографировать в фотокамере 3.

3. Порядок выполнения работы

1. По выданным макрошлифам сделать макроанализ: определить макродефекты, тип кристалла (направление волокон). Определить состояние металла (деформированный или литой металл).

2. Под микроскопом рассмотреть микроструктуру выданных микрошлифов, зарисовать, сделать микроанализ.

3. Для сталей 20, 45, 80, У12 замерить твердость по Бринеллю. Построить зависимость твердости по Бринеллю от содержания углерода в стали.

4. Замерить на прессе Роквелла твердость закаленных сталей образцов, выданных преподавателем.

Контрольные вопросы

1. Что такое макро- и микроструктурный анализ металлов?

2. Назначение макро- и микроанализа металлов.

3. Как изготовить макрошлиф и микрофлиф?

4. Как величина зерна влияет на вязкость стали?

5. Как должны быть направлены волокна по отношению к направлению действующих напряжений в опасных сечениях детали?

6. Что такое литой и деформированный металл?

7. Сущность и назначение методов Бринелля, Роквелла и Виккерса.

8. Какие параметры и показатели выступают в качестве меры твердости при ее определении методами Бринелля, Роквелла и Виккерса?

9. Какими символами обозначается твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу?


Библиографический список

1. Материаловедение и технология металлов: Учебник для студентов машиностроит. спец. вузов / Г. П. Фетисов, М. Г. Карпман, В. М. Матюнин и др.; Под ред. Г. П. Фетисова. – М.: Высшая школа, 2001. – 638 с.

2. Геллер Ю. А. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи / Ю. А. Геллер, А. Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.

3. ГОСТ 9012–59. Измерение твердости по Бринеллю.

4. ГОСТ 9013–59. Измерение твердости по Роквеллу.

5. ГОСТ 2990–75. Методика измерения твердости алмазной пирамидой (по Виккерсу).


СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................

3

1. Методы измерения твердости металлов и сплавов......................

3

1.1. Измерение твердости по методу Бринелля ............................

3

1.2. Измерение твердости по методу Роквелла.............................

4

1.3. Испытание твердости по методу Виккерса............................

5

2. Структурный анализ металлов и сплавов.....................................

5

2.1. Макроструктурный анализ металлов......................................

5

2.2. Микроструктурный анализ сплавов........................................

7

3. Порядок выполнения работы............................................................

9

Контрольные вопросы...................................................................

9

Библиографический список......................................................................

10


Учебное издание

Методы замера твердости  металлов

и их структурный анализ

Методические  указания  к лабораторной работе

по дисциплине «Материаловедение»

Составители Валентин Иванович Матюхин, Борис Григорьевич Колмаков,

Михаил Сергеевич Корытов

Редактор Н. И. Косенкова

Подписано к печати              2003.

Формат 60 х 90 1/16. Бумага ксероксная.

Гарнитура Таймс.

Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 0,75 ,   уч.-изд. л. 0,6.

Тираж 300 экз. Изд. № 37. Заказ

Цена договорная.

Издательство СибАДИ

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

––––––––––––––––––––––––––––––––––

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

644099, Омск, ул. П.Некрасова, 10


ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ И СТРУКТУРЫ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Методические указания

к лабораторной работе

по материаловедению


Министерство образования РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра технологии конструкционных материалов

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ И СТРУКТУРЫ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Методические указания к лабораторной работе

по материаловедению

Составители В. И. Матюхин, М. С. Корытов

Омск

Издательство СибАДИ

2002


УДК 621.785

ББК  34.661

Рецензент канд. техн. наук, доц. Ю. И. Сердюк

Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве методических указаний к  лабораторной  работе по материаловедению для студентов специальностей 170900, 23100, 150200, 291100.

Диаграмма состояния железо – цементит и структуры углеродистых сталей и чугунов: Методические указания к лабораторной работе по материаловедению / Сост.: В. И. Матюхин, М. С. Корытов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2002. – 13 с.

Рассмотрены структуры сталей и чугунов и их связь с диаграммой состояния железо – цементит. Показаны зависимости структур углеродистых материалов от их химического состава и температуры. Указаны области применения чугунов.

Ил. 8. Табл. 1. Библиогр.: 2 назв.

                                                           Издательство СибАДИ, 2002


Введение

Методические указания разработаны в помощь студентам специальностей 150200, 170900, 23100, 291100 при выполнении ими лабораторной работы по материаловедению.

Цель лабораторной работы – изучить диаграмму состояния Fe – Fe3C и структуры сталей и чугунов.

1. КРАТКИЕ сведения о ДИАГРАММЕ СОСТОЯНИЯ

ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ (Fe – Fe3C)

Диаграмма железо – цементит служит:

а) для определения структур сталей в равновесном состоянии в зависимости от содержания углерода и температуры;

б) определения температуры термической обработки стали;

в) определения температуры горячей обработки стали давлением;

г) определения растворимости углерода в аустените и феррите углеродистой стали;

д) определения концентраций и весового соотношения фаз в сталях и чугунах при различной температуре.

Диаграмма Fe – Fe3C приведена на рис. 1.

Рис. 1. Диаграмма состояния Fe – Fe3C

1.1. Характеристика структурных составляющих

Феррит – твердый раствор углерода в железе Fe. Твердость феррита HB 600 (МПа). Растворимость углерода в феррите переменная.

Аустенит – твердый раствор углерода в железе Fe. Твердость аустенита HB 2000 (МПа). Растворимость углерода в аустените переменная.

Цементит – химическое соединение железа с углеродом. Твердость цементита HB 8000...9000 (МПа). Цементит (Fe3C) имеет постоянное количество углерода: 6,67 % С.

Перлит – эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, которая образуется из твердого раствора аустенита. Он содержит постоянное количество углерода (0,8 % С) и имеет твердость HB 2200 (МПа).

Ледебурит – эвтектическая механическая смесь аустенита и цементита при температуре выше 727 0С или смесь перлита и цементита при температуре ниже 727 0С. Ледебурит образуется из жидкого раствора, содержащего 4,3 % С. Имеет постоянное количество углерода (4,3 % С) и твердость по Бринеллю HB 6000...7000 (МПа).

1.2. Превращения на линиях диаграммы Fe – Fe3C

Превращения на линиях диаграммы определяют путем сравнения структур выше и ниже линии, если рассматривают процесс охлаждения. Например, что происходит на линии BC при охлаждении? Из диаграммы видно, что выше линии BC структура жидкая, а ниже линии – жидкость и аустенит. Следовательно, жидкость превращается в аустенит. Рассмотрим превращения на линии PS при охлаждении. Выше линии PS структура Ау + Ф, ниже линии PS структура П + Ф. Сравнивая эти структуры, делаем вывод: на линии PS при охлаждении аустенит превращается в перлит. Аналогичным образом определяются превращения на других линиях диаграммы состояния.

На линии CD: Ж  Ц1. На линии BE: Жост  Ау. На линии ECF: Жост  Л(Ау+Ц).  На линии  PSK: Ау  П. На линии SE: Ау  Ц2. На линии PG: Ау  Ф. На линии PQ: Ф  Ц3.

Ц1, Ц2, Ц3 – цементит, который выделяется в различные температурные интервалы. Жост – остаточная жидкость (жидкий раствор углерода в железе).


1.3. Структура и фаза

Структура – картина строения металла, наблюдаемая под микроскопом.

Обозначения структур приведены на диаграмме состояния Fe – Fe3C. Например, сталь 40 при температуре 600 0С имеет структуры П + Ф. Белый чугун, содержащий 4,3 % С, при 1000 0С согласно диаграмме состояния имеет структуру ледебурит, состоящий из смеси аустенита и цементита.

Фаза – однородная часть структуры, имеющая границу раздела, при переходе через которую меняются химический состав и кристаллическая решетка.

Однородными частями структур (фазами) на диаграмме состояния Fe – Fe3C являются жидкие и твердые растворы, химические соединения (Fe3C). Перлит и ледебурит не могут быть фазами, так как они неоднородны. Фазы определяются из структуры. Примеры приведены в таблице.

Структуры и фазы

Структуры

Фазы

П (Ф + Ц)

Ф, Ц

П + Ц + Л (П + Ц)

Ф, Ц

Л (Ау + Ц)

Ау, Ц

Ау + Ф

Ау, Ф

Ж + Ц1

Ж, Ц1

1.4. Правило концентраций и отрезков

Для того, чтобы у сплава заданного состава (например, 5 % С) при заданной температуре (например, 800 0С) определить концентрацию фаз и их весовое соотношение, необходимо через точку пересечения состава сплава и температуры (точка о на рис.1) провести горизонталь влево и вправо до ближайших линий фаз на диаграмме состояния. Точки пересечения укажут концентрацию фаз, а отрезки будут обратно пропорциональны весу фаз.

В точке о структура сплава (5 %С, t = 800 0С) – ледебурит и цементит. Из структуры определяем фазы: аустенит и цементит. Для определения содержания углерода в фазе аустенита данного сплава через точку о проведем горизонталь влево до пересечения с линией SE фазы аустенита на диаграмме. Точка пересечения а укажет содержание углерода в аустените (0,9 % С). Для определения содержания углерода в цементите через точку о вправо проводим горизонталь до пересечения с линией цементита (DFK). Точка пересечения в укажет концентрацию углерода в цементите (6,67 % С).

Для определения весового соотношения фаз необходимо воспроизвести указанные отрезки (рис. 2).

Рис. 2. Отрезки для определения весовых долей фаз сплава

Соотношение величин отрезков будет обратно пропорционально соотношению весовых долей фаз. То есть, отрезок ов, прилегающий к фазе цементита, будет пропорционален весу аустенита. Отрезок ао будет пропорционален весу цементита.

.

Таким образом, вес аустенита PАу составляет 0,4 веса цементита PЦ.

2. СТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий менее 2,14 % С. Структуры сталей в равновесном состоянии даны на рис. 3.

       С<0,006 %              С<0,8 %               С=0,8 %               С>0,8 %              С>0,8 %

Рис. 3. Структуры сталей в равновесном состоянии

Имея структуру углеродистой стали, можно определить содержание углерода в ней и марку стали. Содержание углерода в стали определяется по площади перлита (в феррите мало углерода и им можно пренебречь). Так, например, сталь на рис. 3 со структурой феррита и перлита содержит по площади 30 % П и 70 % Ф. Из пропорции

100 % П – 0,8 % С

30 % П – X % С

определяем содержание углерода в стали: X = 0,24 % С.

Такое количество углерода содержится в стали 25.

Чем больше углерода в стали (до 0,8 % С), тем больше в ней перлита, меньше феррита. Перлит тверже феррита. Поэтому с увеличением углерода в стали растет ее твердость, прочность, но падает пластичность, вязкость.

3. СТРУКТУРЫ ЧУГУНОВ

Чугун – сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14 % С.

3.1. Белые чугуны

Называются так потому, что излом образца белый из-за повышенного количества в нем цементита. Структура представлена на диаграмме состояния Fe – Fe3C и зависит от содержания углерода (рис. 4).

Рис. 4. Структуры белых чугунов: а) перлит + цементит + ледебурит;

б) ледебурит; в) ледебурит + цементит

Белые чугуны получают медленным охлаждением расплава (Vохл < 10 0С/мин). Они имеют высокую твердость и в то же время низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому белые чугуны используются для получения стали, ковкого чугуна и как износостойкий материал.

3.2. Серые чугуны

Серые чугуны получили свое название из-за серого излома образца, вызванного наличием в сплаве графита. Их получают путем медленного охлаждения расплава (Vохл < 10 0С/мин). Чем больше углерода и кремния в чугуне, тем больше вероятность выделения из расплава графита. Маркируются серые чугуны: СЧ 15, СЧ 25, СЧ 40, СЧ 45. Цифры показывают предел прочности на растяжение в кгс/мм2. Структуры серых чугунов приведены на рис. 5.

Рис. 5. Структуры серых чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит

Металлическая основа серых чугунов имеет структуру: а) феррит; б) феррит и перлит; в) перлит. Неметаллическая часть состоит из графита пластинчатой формы. Из всех видов графита пластинчатая его форма обладает максимальной концентрацией напряжений, что придает серому чугуну низкую прочность, пластичность, вязкость. Поэтому из серых чугунов отливаются детали, работающие на статическую нагрузку (крышки, фланцы, корпуса редукторов, тормозные барабаны, гильзы блока цилиндров, корпуса насосов и т. д.).

Снижая механические свойства серого чугуна, графит способствует измельчению стружки при обработке резанием и оказывает смазывающее действие, что повышает износостойкость чугуна. Пластинчатый графит обеспечивает малую чувствительность серого чугуна к дефектам поверхности, поэтому усталостная прочность чугунных деталей соизмерима со стальными.

3.3. Высокопрочные чугуны

Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают, добавляя в расплав 0,02...0,08 % Mg, а также FeSi (для выделения графита из расплава) с последующим медленным охлаждением. Маркируются высокопрочные чугуны: ВЧ 38, ВЧ 42, ВЧ 50, ВЧ 60, ВЧ 80, ВЧ 120. Цифры показывают предел прочности чугуна на растяжение в кгс/мм2. Структуры высокопрочных чугунов приведены на рис. 6.

Из всех форм графита шаровидная форма создает наименьшую концентрацию напряжений. Поэтому отливки из высокопрочных чугунов обладают более высокой прочностью и при этом некоторой пластичностью. Они способны воспринимать небольшие ударные и знакопеременные нагрузки (изготовляют прокатные валки, коленчатые валы, поршни и другие детали).

Рис. 6. Структуры высокопрочных чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит

3.4. Ковкие чугуны

Ковкие чугуны не подвергаются ковке, это литейный материал. Слово «ковкий» подчеркивает повышенную пластичность и прочность ковких чугунов по сравнению с серыми чугунами. Этому способствует хлопьевидная форма графита, которая меньше влияет на механические свойства. Маркируются ковкие чугуны: КЧ 30-6, КЧ 37-12, КЧ 60-3, КЧ 80-1,5. Первая цифра  показывает  предел прочности материала в кгс/мм2, вторая – относительное  удлинение  в  процентах.  Структуры  ковких  чугунов приведены на рис. 7. Металлическая основа состоит: а) из феррита; б) феррита и перлита; в) перлита. Неметаллическая часть – графит хлопьевидной формы.

Рис. 7. Структуры ковких чугунов: а) феррит + графит;

б) феррит +перлит + графит; в) перлит + графит

Изделия из ковкого чугуна получают путем длительного отжига отливок из белого чугуна, содержащего 2,4...2,9 % С,  1,0...1,6 % Si,  0,2...1 % Mn, по следующему режиму (рис. 8).

В точке 0 структура белого чугуна: перлит + ледебурит + цементит. При нагреве отливки из белого чугуна до температуры 950...1000 0С (точка 1) структура белого чугуна будет согласно диаграмме состояния Fe – Fe3C: аустенит + ледебурит + цементит.

Рис.8. Схема получения ковкого чугуна

Цель длительной выдержки (10...15 ч) при температуре 950...1000 0С – разложить свободный цементит и цементит ледебурита на железо (аустенит) и углерод в виде графита хлопьевидной формы (первая стадия графитизации). В точке 2 структура чугуна состоит из аустенита и графита. При охлаждении, переходя критическую температуру А1, аустенит превращается в перлит, поэтому в точке 3 структура сплава: перлит + графит. Дальнейшее охлаждение сохранит данную структуру. Если охладить чугун до температуры 720...740 0С (точка 3) и сделать выдержку 25...30 ч при этой температуре, то цементит перлита распадается на железо (феррит) и углерод в форме хлопьевидного графита (вторая стадия графитизации). В точке 4 структура чугуна будет состоять из феррита и графита. Дальнейшее охлаждение отливки сохранит эту структуру. Если выдержку при температуре 720...740 0С сделать менее 25...30 ч, то часть перлита сохранится и в точке 5 отливка будет иметь структуру: перлит + феррит + графит. Дальнейшее охлаждение отливки не изменит структуру.

Хлопьевидная форма графита создает меньшую концентрацию напряжений по сравнению с пластинчатой формой, поэтому пластичность и прочность ковких чугунов выше, чем у серых чугунов. Из ковких чугунов отливают детали, воспринимающие ударные и знакопеременные нагрузки.


4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Законспектировать теоретическую часть работы.

4.2. По указанию преподавателя для сталей 08, 10, 20, 30, 50, 70, 80, У10, У12 и белых чугунов, содержащих 2,5,  3,0,  4,3,  5 и 6 % С, определить превращения в сталях и чугунах при охлаждении из расплавленного состояния до комнатной температуры. Какая структура получается после охлаждения?

4.3. По указанию преподавателя для сталей 08, 30, 80, У10, У12 при температурах 20 и 60 0С, а также для белых чугунов, содержащих 3,0,  3,5,  4,3,  5 и 6 % С, при температуре 800 0С определить структуру, фазы, концентрацию фаз и их весовое соотношение.

4.4. Зарисовать структуры сталей (см. рис. 3).

4.5. Для сталей 10, 30, 50, 80 при температуре 20 0С нарисовать (по указанию преподавателя) их структуры.

4.6. Зарисовать структуры чугунов (см. рис. 4, 5, 6, 7).

4.7. Для перлитного высокопрочного чугуна, содержащего 3,5 % С, определить, сколько углерода находится в связанном состоянии и сколько в свободном состоянии.

Библиографический список

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

2. Материаловедение / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.


СОДЕРЖАНИЕ

Введение.....................................................................................................

3

1. Краткие сведения о диаграмме состояния

железо – цементит (Fe – Fe3C)...............................................................

3

1.1. Характеристика структурных составляющих.......................

4

1.2. Превращения на линиях диаграммы Fe – Fe3C.....................

4

1.3. Структура и фаза......................................................................

5

1.4. Правило концентраций и отрезков.........................................

5

2. Структуры сталей...............................................................................

6

3. Структуры чугунов.............................................................................

7

3.1. Белые чугуны............................................................................

7

3.2. Серые чугуны............................................................................

7

3.3. Высокопрочные чугуны..........................................................

8

3.4. Ковкие чугуны.........................................................................

9

4. Порядок выполнения работы...........................................................

11

Библиографический список.....................................................................

11


Учебное издание

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЯ ЖЕЛЕЗО – ЦЕМЕНТИТ

И СТРУКТУРА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ

Методические  указания  к лабораторной работе

по материаловедению

Составители:

Валентин Иванович Матюхин,

Михаил Сергеевич Корытов

Редактор Н. И. Косенкова

Лицензия ИД № 00064 от 16. 08. 99.

Подписано к печати  15.02.2002.

Формат 60 х 90 1/16. Бумага ксероксная.

Гарнитура Таймс.

Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 0,75 ,   уч.-изд. л. 0,7.

Тираж 300 экз. Изд. № 2. Заказ

Цена договорная.

Издательство СибАДИ

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

644099, Омск, ул. П.Некрасова, 10


Изучение упрочнения деталей

из углеродистых сталей закалкой

и последующим отпуском

Методические указания к лабораторной работе

по материаловедению


Министерство образования РФ

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия

(СибАДИ)

Кафедра технологии металлов

изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей закалкой и последующим отпуском

Методические указания к лабораторной работе

по материаловедению

Составители В. И. Матюхин, М. С. Корытов

Омск

Издательство СибАДИ

2001


УДК 621.785

ББК   34.651

Рецензент канд. техн. наук, доц. П. И. Домань.

Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве методических указаний к  лабораторной  работе по материаловедению для студентов специальностей 150200, 170900, 23100, 291100.

Изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей закалкой и последующим отпуском: Методические указания к лабораторной работе по материаловедению / Сост.: В. И. Матюхин, М. С. Корытов. – Омск: Изд-во СибАДИ, 2001. – 12 с.

Рассмотрены вопросы зависимости способов упрочнения от условий работы детали. Приводится характеристика структур сталей после закалки и отпуска.

Табл.3. Ил. 4. Библиогр.: 2 назв.

                                                           Издательство СибАДИ, 2001


ВВЕДЕНИЕ

Методические указания разработаны в помощь студентам специальностей 150200, 170900, 23100, 291100 при выполнении ими лабораторной работы по материаловедению.

Цель лабораторной работы – изучить структуру углеродистых сталей в неравновесном состоянии, влияние закалки и отпуска на структуру и свойства углеродистых сталей, получить практические навыки по их проведению.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАКАЛКЕ И ОТПУСКЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

1.1. Закалка углеродистых сталей

Закалка углеродистых сталей заключается в их нагреве выше критической температуры A3 или A1, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью, равной или большей критической скорости закалки стали.

Цель закалки – предельное повышение твердости.

Закалке подвергают поршневые пальцы, коленвалы, распредвалы, валы редукторов, пружины, рессоры, режущие и измерительные инструменты и другие детали.

1.1.1. Выбор температуры закалки

Температура закалки определяется по диаграмме состояния FeFe3C и зависит от содержания углерода (рис. 1). Температура закалки доэвтектоидных сталей (C<0,8 %) – tзак = A3 + (30...50) 0С, а для заэвтектоидной стали (C>0,8 %) – tзак = A1 + (30...50) 0С. Критическая температура A1 располагается на линии PSK (727 0С), а температура A3 – на линии GS диаграммы состояния.

1.1.2. Выбор скорости охлаждения детали

Для определения скорости охлаждения детали необходимо пользоваться диаграммой распада аустенита при непрерывном охлаждении (рис.2).


Рис. 1. Температурные режимы закалки

Рис. 2. Диаграмма распада аустенита при непрерывном охлаждении для стали 80


Кривые 1 и 2 показывают соответственно начало и конец распада аустенита на феррит и цементит. Между кривыми 1 и 2 в интервалах температур А
1...t1,  t1...t2, t2...t3, t3...Mн соответственно образуются перлит, сорбит, троостит и бейнит. Они представляют пластинчатые механические смеси феррита и цементита. Толщина пластин уменьшается от перлита к бейниту. В основе распада аустенита на перлит, сорбит, троостит лежит диффузионное перераспределение углерода.

Температуры Мн  и  Мк соответствуют началу и концу распада аустенита на мартенсит.

Кривые охлаждения детали V1 V2 и V3 показывают, что после охлаждения в точках 1, 2  и 3 образуются структуры: в 1-й – перлит + сорбит + троостит + мартенсит, во 2-й – мартенсит, в 3-й – мартенсит. Кривая охлаждения V2, которая является касательной к кривой 2, в точке минимальной устойчивости аустенита называется критической скоростью закалки стали Vкр. зак . Так как  при закалке максимальную твердость получают за счет структуры мартенсита, то условие его образования (условие закалки) будет следующим: скорость охлаждения детали Vохл. дет должна быть больше или равной критической скорости закалки стали:

Vохл. дет  Vкр. зак .

Скорость охлаждения детали зависит от вида охлаждающей среды (табл. 1).

Таблица 1.  Скорость охлаждения детали (0С/с)

Охлаждающая

Интервал

среда

А1...500 0С

Мн...Мк

Вода техническая, t=20 0С

600

270

Минеральное масло

150...200

30...20

Воздух спокойный

30

10

Сплав 75 % Sn + 25 % Cd

450

50

Критическая скорость закалки стали зависит от содержания углерода (рис. 3).

Образующийся при закалке мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железе Fe и имеет тетрагональную кристаллическую решетку.

При погружении детали в охлаждающую жидкость из-за того, что температура детали выше температуры кипения охлаждающей среды, вокруг детали образуется паровая пленка, которая замедляет скорость охлаждения детали. Условие закалки при этом не выполняется. Для разрушения паровой пленки необходимо обеспечить взаимное перемещение детали и охлаждающей жидкой среды.


Рис. 3. Влияние содержания углерода в стали

на критическую скорость закалки стали

Следовательно,  чтобы  закалить  деталь  из  углеродистой стали,  необходимо  правильно определить  содержание  углерода  в  стали,  правильно  выбрать  температуру  закалки,  нагреть  до  нужной  температуры  электрическую  печь,  сделать  необходимую  выдержку,  правильно  выбрать  охлаждающую  среду  и  обеспечить  разрушение  паровой  пленки вокруг детали при погружении ее в  охлаждающую жидкость.

1.1.3. Определение структуры углеродистой стали после закалки

В  обычных  охлаждающих  средах (вода, минеральное масло) при содержании  углерода  более 0,3 % после закалки образуется мартенсит (рис. 4).

Рис. 4. Зависимость температур Мн и Мк углеродистой стали

от содержания углерода в ней

При содержании углерода в стали 0,6...0,8 % кроме мартенсита после закалки будет присутствовать аустенит остаточный (см. рис. 4).


Это связано с тем, что температура охлаждающей среды находится в интервале температур М
н...Мк стали. Так, например, сталь 60 нагревается до температуры закалки tз, при которой она имеет структуру аустенита. При охлаждении детали она проходит температуру Mн и достигает температуры воды tв. Дальнейшее охлаждение прекращается. Поэтому не весь аустенит превращается в мартенсит. Структура стали 60 после закалки в воде – мартенсит + аустенит остаточный.

Если содержание углерода в стали выше 0,8 %, то после закалки структура будет: мартенсит + аустенит остаточный + цементит. Мартенсит образовался из аустенита, так как скорость охлаждения детали выше критической скорости закалки стали. Появление аустенита остаточного связано с тем, что температура охлаждающей среды находится в интервале температур Мн...Мк стали. Цементит присутствует из-за его наличия при температуре закалки.

Твердость мартенсита в сталях с содержанием углерода выше 0,6 % находится в пределах HRC 58...65.

1.2. Отпуск углеродистых сталей

Сущность отпуска – нагрев закаленной стали до температуры ниже А1 (727 0С), выдержка и охлаждение с любой скоростью. Вид отпуска и его назначение определяются температурой нагрева.

Низкий отпуск (150...250 0С) применяется для повышения твердости и износостойкости поверхностного слоя деталей, испытывающих трение в процессе работы (зубья зубчатых колес, кулачки распредвалов, режущий и измерительный инструмент и т. д.). В процессе нагрева закаленной стали из мартенсита выделяется часть углерода в виде Fe2C. Уменьшение количества растворенного углерода снижает тетрагональность мартенсита, внутренние напряжения и твердость. Структура стали после низкого отпуска – мартенсит отпуска и карбиды.

Средний отпуск (300...500 0С) используется для получения в деталях высокого предела упругости, текучести (пружины, рессоры, мембраны и т. д.). При нем завершается распад мартенсита, из которого выделяется весь избыточный углерод. Обедненный углеродом мартенсит превращается в феррит. Образовавшаяся механическая смесь феррита и цементита имеет зернистое строение и называется трооститом отпуска. Полностью снимаются внутренние напряжения, вызванные мартенситным превращением.

Высокий отпуск (550...680 0С) служит для получения хорошего сочетания прочностных и вязкостных свойств в деталях, работающих на ударные, знакопеременные, вибрационные и циклические нагрузки (валы, зубчатые колеса, шатуны двигателей и т. д.). В указанном интервале температур ферритно-цементитная смесь троостита отпуска коагулирует с образованием более крупной зернистой феррито-цементитной смеси, называемой сорбитом отпуска. Закалку и высокий отпуск называют улучшением, а стали, подвергаемые улучшению, называются улучшаемыми. Обычно они содержат 0,3...0,5 %С (стали 30, 35, 40, 45, 50).

2. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

2.1. Изучить теоретическую часть работы, законспектировать ее.

2.2. Определить  структуру  стали  после  охлаждения  по  диаграмме распада  аустенита  при  непрерывном  охлаждении  (по  заданию  преподавателя).

2.3. Решить несколько задач на упрочнение деталей из углеродистых сталей (по указанию преподавателя):

а) упрочнить вал редуктора из стали 50,

б) упрочнить пружину из стали 75,

в) упрочнить зубья зубчатого колеса из стали 30,

г) упрочнить кулачок распредвала из стали 45,

д) упрочнить рессору из стали 80,

е) упрочнить буксирный крюк из стали 40,

ж) упрочнить сверло из стали У10А,

з) упрочнить режущую кромку токарного резца из стали У12А,

и) упрочнить коленчатый вал из стали 35,

к) упрочнить мембрану из стали 85,

л) упрочнить шарик пресса Бринелля из стали У9А,

м) упрочнить шарики шарикоподшипника из стали У11А,

н) упрочнить пружину из стали 70.

При решении задач ответить на следующие вопросы:

а) химический состав стали,

б) условия работы детали,

в) способ упрочнения детали,

г) структура стали перед нагревом,

д) температура закалки стали,

е) структура при температуре закалки,

ж) условия закалки,

з) структура стали после закалки,

и) температура отпуска детали,


к) скорость охлаждения детали при отпуске,

л) структура стали после отпуска,

м) ориентировочная твердость стали после отпуска, указать метод замера твердости.

2.4. Три образца из стали У8 нагреть в электропечи до температуры закалки и охладить каждый в воде, минеральном масле и на воздухе. Замерить твердость образцов после охлаждения и определить структуру. Заполнить данными табл. 2.

Таблица 2. Влияние скорости охлаждения детали на твердость и структуру стали

Марка

стали

Температура

закалки, 0С

Выдержка

в электро-печи, мин

Охлаждающая

среда, Vохл. дет ,

0С/с

Твердость

после

закалки

Структура

после

закалки

У8

Вода, 600

У8

Минеральное

масло, 150

У8

Воздух, 3

2.5. Закаленные образцы из стали У8 подвергнуть отпуску при температурах 200, 400 и 600 0С с охлаждением на воздухе. Замерить твердость образцов после отпуска. Определить структуру. Полученные данные занести в табл. 3.

Таблица 3. Твердость и структура стали после отпуска

Марка

стали

Температура

отпуска, 0С

Время выдержки

при отпуске, мин

Твердость стали

после отпуска

Структура

стали после

отпуска

У8

200

У8

400

У8

600

2.6. Сделать выводы по проделанным экспериментам.

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель и сущность закалки.

2. Что такое перлит, сорбит, троостит, бейнит, мартенсит?

3. Условие закалки.

4. От чего зависит скорость охлаждения детали и критическая скорость закалки стали?


5. Температура закалки стали в зависимости от содержания углерода в стали.

6. Причина возникновения паровой пленки вокруг детали при ее погружении в охлаждающую жидкость во время закалки. Как устранить паровую пленку?

7. Структура стали после закалки.

8. Цель и сущность отпуска.

9. Назначение, температура, скорость охлаждения и структура низкого отпуска.

10. Назначение, температура, скорость охлаждения и структура среднего отпуска.

11. Назначение, температура, скорость охлаждения и структура высокого отпуска.

Библиографический список

1. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.

2. Материаловедение / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.


СОДЕРЖАНИЕ

Введение.......................................................................................

3

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАКАЛКЕ И ОТПУСКЕ

УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ..................................................

3

1.1. Закалка углеродистых сталей...................................

3

1.1.1. Выбор температуры закалки.........................

3

1.1.2. Выбор скорости охлаждения детали............

3

1.1.3. Определение структуры углеродистой

стали после закалки.................................................

6

1.2. Отпуск углеродистых сталей...................................

7

2. Порядок выполнения работы..............................

8

3. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ ............................................

9

Библиографический список............................................................

10


Учебное издание

Изучение упрочнения деталей из углеродистых сталей

закалкой и последующим отпуском

Методические  указания  к лабораторной работе

по материаловедению

Составители Валентин Иванович Матюхин, Михаил Сергеевич Корытов

Редактор Т. И. Калинина

Лицензия ИД № 00064 от 16. 08. 99.

Подписано к печати            2001.

Формат 60 х 90 1/16. Бумага ксероксная.

Гарнитура Таймс.

Оперативный способ печати.

Усл. п. л. 0,75 ,   уч.-изд. л. 0,6.

Тираж 150 экз. Изд. № 18. Заказ

Цена договорная.

Издательство СибАДИ

644099, Омск, ул. П. Некрасова, 10

Отпечатано в ПЦ издательства СибАДИ

644099, Омск, ул. П.Некрасова, 10


Федеральное агентство по образованию

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ) Кафедра «Конструкционные материалы и специальные технологии»

Изучение структур легированных сталей

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Материаловедение»

Составители Ю.К. Корзунин, В.И. Матюхин

(в авторской редакции)

Омск

СибАДИ, 2008

 


УДК 621.785

ББК 34.651

Рецензент канд. техн. наук, доцент Гурдин В.И.

Работа одобрена методической комиссией факультета АТ в качестве мето- дических указаний к лабораторной работе по материаловедению для студен- тов специальностей 050501; 080111; 080500; 080502; 080502; 080801; 090105;

119500; 140501; 140607; 190201; 190205; 190500; 190601; 190603; 190701; 190702;

200503; 220301; 220501; 230102; 270102; 270105; 270105; 270106; 270109; 270113;

270114; 270115; 270201; 270205; 280202

Изучение структур легированных сталей: Методические указания к ла- бораторной работе по дисциплине «Материаловедение» / Сост. Ю.К. Корзунин, В.И. Матюхин. – Омск: СибАДИ, 2008. – 12 с.

Рассмотрены вопросы зависимости структур легированных сталей от вида термической обработки и химического состава.

Ил.: 4., Библиограф.: 3 назв.

© Составители: Ю.К. Корзунин, В.И. Матюхин

© Издательство СибАДИ, 2008


Цель работы: изучить классификацию легированных сталей, назначение легирующих элементов, термическую обработку легированных сталей и их структуру.

Предмет и содержание работы

1. Маркировка легированных сталей.

2. Назначение легирующих элементов в стали.

3. Классификация легированных сталей по назначению, их термическая обработка.

4. Структура легированных сталей после термической обработки.

1. Маркировка легированных сталей.

Марки легированных сталей обозначаются сочетанием цифр и букв, обозна- чающих легирующие элементы: Н - никель; X - хром; К - кобальт; В - вольфрам; Ф - ванадий; Ц - цирконий; М - молибден; Г - марганец; Т - титан; Ю - алюминий; Б - ниобий; Р - бор; П - фосфор; А - азот (если А внутри маркировки стали); А

- высококачественная сталь, т. е. S < 0,03 %, Р < 0,03 % (если А в конце марки- ровки стали); Д - медь; С - кремний.

Если содержание легирующего элемента превышает 1 %, то после соот- ветствующей буквы ставят число, обозначающее среднее содержание легиру- ющего элемента в процентах. Если содержание легирующего элемента в стали около 1 %, то после буквы единица не пишется. Первые две цифры в начале маркировки свидетельствуют, что эта сталь конструкционная и содержание уг- лерода в ней дается в сотых долях процента. Например, сталь 16Г2АФД. В ней содержится в среднем: C=0,16 %, Mn=2 %, N=1 %, V=l %, Cu=l %.

В инструментальных сталях первая цифра говорит о содержании угле- рода в десятых долях процента. Углерод обозначается одной цифрой, а если углерода в стали около 1 %, то единица не пишется перед буквенным обоз- начением стали. Например, стали 9ХС (С=0,9 %, Cr=l %, Si=1 %) и ХВГНА (С=1 %, Cr=1 %, W=l %, Mn=1 %, Ni=1 %, А - высококачественная сталь).

2. Назначение легирующих элементов и их влияние на свойства стали

Все легирующие элементы, растворяясь в феррите, аустените, цементите, а также образуя химические соединения (карбиды, интерметаллиды) повышают прочность стали, понижая ее пластичность.

Никель повышает одновременно прочность и вязкость стали.

Алюминий, кремний, хром и медь повышают коррозионную стойкость стали.


Алюминий, ванадий, молибден, вольфрам, титан измельчают зерно. Марганец и кремний способствуют получению крупнозернистой структуры

в стали.

Молибден и вольфрам устраняют хрупкость стали при отпуске.

Молибден, ванадий, вольфрам, титан повышают жаропрочность стали и ее красностойкость.

Никель, марганец, медь, азот являются аустенизаторами. Карбидообразующие элементы: хром, молибден, ванадий, вольфрам и др.

являются ферритизаторами.

Все легирующие элементы, за исключением кобальта, кремния и алюми- ния, увеличивают количество остаточного аустенита при закалке и уменьшают критическую скорость закалки.

3. Классификация сталей

3.1. Классификация по назначению:

а) конструкционные (15Х, 45ХН, 65С2);

б) инструментальные (Х, 9ХС, Р6М5);

в) стали с особыми физическими и химическими свойствами (жаропрочные, нержавеющие, магнитные и др.).

3.2. Классификация конструкционных сталей:

а) цементируемые (С=0,25 %): 10Х, 15ХН, 25ХР. Для обеспечения изно- состойкости поверхностного слоя осуществляют цементацию с последующей закалкой и низким отпуском. Стали упрочняются: цементация + закалка + низ-

кий отпуск. После упрочнения поверхностный слой имеет структуру: Мотп +

цементит + Ау

, а сердцевина детали – сорбит или троостит закалки. Первая

ост

структура обеспечивает необходимую износостойкость, а вторая – прочность и

вязкость при небольших ударных и знакопеременных нагрузках;

б) улучшаемые стали (С = 0,3 ... 6,5 %); 30ХГСА, 45ХН, 50ХФА. Эти стали применяются в деталях, работающих при больших ударных и знакопеременных нагрузках. Улучшение – это закалка + высокий отпуск. Упрочнение этих сталей

– закалка + высокий отпуск. Структура после упрочнения – сорбит отпуска зернистый;

в) рессорно-пружинные стали (С = 0,5 ... 0,85 %): 50С2 ... 85С2, 65Г, 50ХФА,

60С2ХФА. Детали из этих сталей работают на упругие нагрузки и поэтому уп- рочняются закалкой и средним отпуском. Структура стали после упрочнения

- тростит отпуска;

г) строительные стали (С<0,2 %): 10ХСНД, 16Г2АФД, 09Г2С. Упрочняются детали из этих сталей нормализацией или закалкой и высоким отпуском.


3.3. Классификация инструментальных сталей.

а) низколегированные (легирующих элементов менее 5 %: Х, ХВГ, 6ХС, 9ХС. Для обеспечения работоспособности инструмента требуется твердость и износостойкость, что достигается закалкой и низким отпуском. применяются эти стали при низких скоростях резания (Vрез<25 м/мин), когда рабочая повер-

хность инструмента нагревается для температуры ниже 250 0С. б) быстрорежущие стали.

Применяются при средних скоростях резания, когда рабочая поверхность инструмента нагревается до 600 °С. Марки быстрорежущих сталей: Р9, Р18, Р6М5, Р10К5Ф5, Р9М4К8 и др. Р - первая буква английского слова rapid, что значит «быстрый». Цифра после Р обозначает процент вольфрама. Например, сталь Р9М4К9 имеет химический состав по маркировке: 1 % С, 9 % W, 4 % Мо, 8 % Со.

В литом состоянии структура быстрорежущей стали Р18 состоит из леде- бурита, сорбита закалки и карбидов вольфрама, ванадия, хрома, железа. Кар- биды вольфрама и ванадия имеют крупные включения и их нельзя измельчить термообработкой.

4. Структура легированных сталей после термической обработки

В большинстве случаев легированную сталь нельзя металлографичес- ки отличить от углеродистой углеродистой стали (особенно легированную сталь перлитного класса). Она выглядит под микроскопом как углеродистая сталь с таким же содержанием углерода. Легированную сталь можно ме- таллографически отличить от углеродистой в тех случаях, когда она либо содержит много спецкарбидов, либо они имеют специфическую форму, либо в ее структуре виден аустенит при комнатной температуре. Рекомендуется изучить следующие стали:

а) конструкционная сталь 30ХГСА

Химический состав: углерод – 0,3 %, хром – 1 %, марганец – 1 %, кремний

– 1 %, железо – 96,7 %; А- высококачественная, то есть содержит пониженное количество серы и фосфора (по 0,025 %).

Класс стали в равновесном состоянии доэвтектоидный, а после охлаждения на воздухе – перлитный.

Микрошлиф 1 - после отжига (температура нагрева 880 °С).

Структура состоит из феррита и перлита (рис.1, а) и при изучении на мик- роскопе ничем не отличается от структуры углеродистой стали с таким же содержанием углерода. Но различие, однако, есть. Так, легированная сталь имеет твёрдость НВ 220, а углеродистая – НВ 180. Это различие обусловлено, в основном, легированностью феррита. Отжиг, обеспечивая стали невысокую твёрдость, необходим для улучшения обрабатываемости резанием.


а) б)

Рис. 1. Схемы структур конструкционной стали 30ХГСА:

а) (после отжига) – феррит (светлые зёрна) и перлит (тёмные зёрна),  б) (после закалки и высокого отпуска) – сорбит отпуска (дисперсные выделения карбидов на светлом фоне феррита).

Микрошлиф 2 – после термического улучшения (закалка от 880 °С в масле, отпуск при 540 °С). Структура - сорбит отпуска (рис. 1, б). Характеризуется несколько большей дисперсностью карбидов по сравнению с цементитом уг- леродистой (нелегированной) стали.

Свойства стали: предел прочности s

= 1100МПа (110 кгс/мм2); предел

текучести s

 

0,2

 = 850 МПа (85 кгс/мм2); ударная вязкость KCV = 0,5 МДж (5 кгс

· м/см2). А у нелегированной стали после такой же обработки значения этих

характеристик составляют соответственно 600, 400 и 0,5. Т.е. при одинаковой вязкости легированная сталь значительно прочнее нелегированной. Это объяс- няется легированностью феррита и большей дисперсностью карбидов. В связи с этим наиболее ответственные детали машин изготавливаются из легированных сталей с обязательным термическим улучшением.

б) инструментальная сталь ХВГ для режущего и измерительного инс-

трумента.

Химический состав: углерод – 1 %, хром – 1 %, вольфрам – 1 %, марганец

– 1 %, железо – 96 %.

Класс стали в равновесном состоянии заэвтектоидный, а после охлаждения на воздухе – перлитный.


Микрошлиф 3 – после отжига на зернистый перлит (температура нагрева

760 °С).

Структура – зернистый перлит (рис. 2, а). Состоит из феррита и карбидов округлой формы диаметром 3·10-4 мм. Более крупные выделения карбидов яв- ляются вторичными. Такая структура обеспечивает стали твёрдость НВ 250, что позволяет изготавливать инструмент резанием.

При изучении на микроскопе структура стали не отличается от структуры нелегированной стали с таким же содержанием углерода (У10) после такой же обработки, Но последняя имеет твёрдость НВ 210. Различие твёрдости сталей обусловлено, в основном, легированностью феррита и присутствием в структуре специальных карбидов.

Микрошлиф 4 – после закалки от 840 °С в масле и отпуска при 150 °С. Структура – мартенсит отпуска, весьма мелкоигольчатый (рис. 2, б) На фоне

мартенсита наблюдаются округлые включения карбидов. Такая структура обес-

печивает твёрдость стали HRC

62 - 65 и лучшую износостойкость инструментам

по сравнению со сталью У10. Это объясняется легированностью мартенсита и образованием мельчайших карбидов, которые можно наблюдать при очень больших увеличениях, например, на электронном микроскопе. Микроструктуры этих сталей после закалки и низкого отпуска похожи.

а) б) Рис. 2. Схемы структур инструментальной стали ХВГ:

а – после отжига на зернистый перлит (феррит и карбиды округлой формы, более крупные карбиды – вторичные); б – после закалки и низкого отпуска – мартенсит отпуска (мелкие игольчатые кристаллы) и карбиды вторичные (округлые включения).


в) Быстрорежущая сталь Р6М5

Химический состав: углерод – 0,85 %, вольфрам – 6 %, молибден – 5 %, хром – 4 %, ванадий – 2 %, железо – 82,15 %.

Микрошлиф 5 - после литья.

В структуре присутствует скелетообразная эвтектика (рис. 3, a). Поэтому по структуре в равновесном состоянии относится к ледебуритному классу.

Микрошлиф 6 - после ковки и отжига.

Структура состоит: из сорбита закалки и вторичных карбидов (рис. 3, б). Твёрдость стали не должка превышать НB 255, что необходимо для обеспечения обрабатываемости стали резанием. Кроме того, ковка и отжиг подготавливают внутреннее строение стали к окончательной обработке.

Микрошлиф 7 - после закалка от 1220 °С и трёхкратного отпуска при 550 °С. Структура состоит из мартенсита отпуска (весьма мелкоигольчатого), кар- бидов первичных и вторичных (рис.3, в). Особенностью мартенсита является то, что он высоколегированный. Это достигается высокой температурой нагрева закалки, при которой карбиды растворяются в аустените, повышая его легирован- ность. Однако легированность аустенита приводит к неполному превращению его в мартенсит при закалке. Непосредственно после закалки количество оста- точного аустенита составляет 30 %. Большое количество остаточного аустенита не позволяет получить нужную твёрдость. Для превращения его в мартенсит отпуска выполняется трёхкратный отпуск при 1550 0С. Твёрдость стали после

такой обработки составляет HRC

63-65. Именно высоколегированный мар-

тенсит обеспечивает стали красностойкость – сохранение твёрдости не менее

HRC

58 после четырёхчасового отпуска при температуре 620 0С.

а) б) в)

Рис. 3. Схема структур быстрорежущей стали Р6М5: а) – после литья; б) – после ковки и отжига; в) после закалки и трехкратного отпуска.


г) Износостойкая сталь 110Г13Л

Химический состав: углерод – 1,1 %, марганец – 13 %, железо – 85,9 %, Л – литейная сталь.

Класс стали аустенитный.

Микрошлиф 8 - после литья. Структура стали состоит из аустенита и кар- бидов, выделившихся по границам аустенитных зёрен (рис. 4, а) Особенностью марганцовистого аустенита является способность упрочняться. При воздейс- твии контактных нагрузок поверхность деталей наклёпывается, т.е. становится твёрдой и износостойкой. Кроме того, этот аустенит обеспечивает стали весьма высокую ударную вязкость.

Но выделения карбидов по границам зёрен снижает ударную вязкость стали. Микрошлиф 9 - после закалки от 1100 °С в воде.

При высокой температуре нагрева карбиды растворяются в аустените, а при быстром охлаждении они не успевают выделиться (рис. 4, б). Аустенитное состо- яние обеспечивает стали ударную вязкость KCV = 3 МДж/м2 (30 кгс-м/см2).

а) б) Рис. 4. Схемы структур стали 110Г13Л: а) – после литья – аустенит и карбиды (светлые включения по границам аустенитных зерен); б) – после закалки – аустенит.


5. Порядок выполнения работы

5.1. Изучить маркировку легированных сталей, назначение легирующих элементов, классификацию легированных сталей, их упрочнение.

5.2. Зарисовать схемы микроструктур легированных сталей (оборудование:

металлографический микроскоп МЕТАМ или МИМ-6)

5.3. Дать классификацию приведенных сталей по назначению. Указать спо- соб упрочнения, структуру после упрочнения.

5.4. Указать область применения приведенных сталей.

5.5. Подвергнуть термической обработке по указанию преподавателя сле- дующие детали машин:

а) вал редуктора из стали 45ХНМА;

б) пружину из стали 60С2Н2А.

в) зубчатое колесо из стали 18Х2НЧМА. г) зубчатое колесо из стали 38Х2МЮА. д) кулачок распредвала из стали 18ХГТ. е) кулачок распредвала из стали 40ХФА. ж) рессору из стали 50ХГФА.

з) буксирный крюк из стали 40ХНА. и) сверло из стали ХВСГ.

к) метчик для нарезания резьбы из стали 9ХС. л) измерительную линейку из стали 12ХН3А.

м) коленчатый вал, опорами которого являются подшипники скольжения. Материал вала - сталь 40ХНМА.

При решении задач ответить на следующие вопросы:

а) химический состав стали,

б) классификация стали по назначению, в) условия работы детали,

г) способ упрочнения детали,

д) структура стали перед нагревом, е) температура закалки стали,

ж) структура при температуре закалки, з) условия закалки,

и) структура стали после закалки, к) температура отпуска,

л) скорость охлаждения при отпуске, м) структура стали после отпуска,

н) ориентировочная твердость после отпуска, указать метод замера твердости.


6. Контрольные вопросы

1. Маркировка легирующих сталей.

2. Назначение легирующих элементов.

3. Классификация легирующих сталей по назначению.

4. Классификация конструкционных сталей.

5. Классификация инструментальных сталей.

6. Область применения, упрочнение и структура цементирующих сталей.

7. Область применения, упрочнение и структура улучшаемых сталей.

8. Область применения, упрочнение и структура рессорно-пружинных сталей.

9. Область применения, упрочнение и структура инструментальных сталей.

10. Структуры стали 30ХГСА после отжига, закалки и высокого отпуска.

11. Структуры стали ХВГ после отжига, закалки и низкого отпуска.

12. Структуры стали Р6М5 после литья, ковки и отжига; закалки и трехкратного отпуска.

Библиографический список

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение. - 5-е изд., стереотип. / Арзамасов

Б.Н., Макарова В.И., Мухин Г.Г. и др. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана,

2003. - 646 с.

2. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных матералов

/ Колесов С.Н. - М.: Высшая школа, 2004. - 518 с.

3. Материаловедение. технология конструкционных материалов. Под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стереотип. - М.: ОМЕГА-Л, 2007. - 751 с.


Содержание

1. Маркировка легированных сталей..............................................................3

2. Назначение легирующих элементов и их влияние на свойства стали.....3

3. Классификация сталей.................................................................................4

4. Структура легированных сталей после термической обработки..............5

5. Порядок выполнения работы.....................................................................10

6. Контрольные вопросы................................................................................11

Библиографический список...........................................................................11

Учебное издание

Изучение структур легированных сталей

Методические указания к лабораторной работе по дисциплине «Материаловедение»

Составители: Ю.К. Корзунин, В.И. Матюхин

Комп. дизайн и верстка: А.В. Носов

Подписано к печати .05 .2008

Формат 60х90 1/16. Бумага ксероксная. Гарнитура Таймс.

Оперативный способ печати. Усл. п.л. 1,25, уч.-изд. л. 1

Тираж 200 экз. Заказ № Цена договорная

Издательство СибАДИ

644080, Омск, пр. Мира, 5

Отпечатано в ПЦ УМО СибАДИ

644080, Омск, пр. Мира, 5

в

Э

Э

Э


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

64295. СПЕКТРАЛЬНІ ПРОЯВИ ВЗАЄМОДІЇ ІЗОХІНОЛІНОВИХ АЛКАЛОЇДІВ З ДНК 249.5 KB
  Взаємодія низькомолекулярних лігандів з ДНК має широкий спектр застосувань: медичні препарати зокрема протипухлинні та імуномодулюючі флуоресцентні зонди тощо.
64296. МЕТОДИКА ВИРОБНИЧОГО НАВЧАННЯ МАЙБУТНІХ КРАВЦІВ У ПТНЗ ЗАСОБАМИ ІНТЕГРОВАНИХ МІКРОМОДУЛІВ 269.5 KB
  Основи створення методичних систем виробничого навчання та підвищення ефективності професійної підготовки кваліфікованих робітників розроблено в працях В. Перспективним напрямком інтеграції при створенні методичних систем навчання є використання модульного та мікромодульного...
64297. ВУГЛЕПЛАСТИКИ ТРИБОТЕХНІЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ НА ОСНОВІ ФТОРОПЛАСТУ-4 ТА МОДИФІКОВАНОГО ВУГЛЕЦЕВОВОЛОКНИСТОГО НАПОВНЮВАЧА 197.5 KB
  Сучасна тенденція розвитку полімерного матеріалознавства полягає у пошуку раціональних шляхів використання відомих матеріалів шляхом модифікування їх властивостей.
64298. ОРГАНІЗАЦІЯ ДОСЛІДНИЦЬКОЇ ДІЯЛЬНОСТІ УЧНІВ З ДИЗАЙНУ У ПРОФЕСІЙНИХ НАВЧАЛЬНИХ ЗАКЛАДАХ ХУДОЖНЬОГО ПРОФІЛЮ 271.5 KB
  За нинішніх умов соціально-культурного розвитку суспільства дизайн як новий вид художньо-конструкторської професійної діяльності відіграє важливу роль у створенні цілісного естетичного середовища, підвищенні рівня конкурентоспроможності промислової продукції, предметів широкого вжитку.
64299. ВІДБІР БАСКЕТБОЛІСТІВ НА ЕТАПІ ПОЧАТКОВОЇ ПІДГОТОВКИ З УРАХУВАННЯМ ЇХ ОСОБИСТІСНИХ ОСОБЛИВОСТЕЙ 156 KB
  Матеріали стосовно особистісних особливостей баскетболістів що є значущими на етапі початкової підготовки В. Наявні критерії первинного відбору баскетболістів не повною мірою...
64300. ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОПТИЧНИХ МУЛЬТИСЕРВІСНИХ МЕРЕЖ З ВИКОРИСТАННЯМ КОДОВОГО РОЗДІЛЕННЯ КАНАЛІВ 849 KB
  Інтенсивний розвиток телекомунікаційних послуг сьогодні вимагає якісних змін і підходів до побудови телекомунікаційних мереж. Нові підходи повинні враховувати велику пропускну здатність оптичних мереж та гнучкість топологічних рішень мультисервісних мереж...
64301. ПРОДУКТИВНІСТЬ ПШЕНИЦІ ЯРОЇ ТВЕРДОЇ ЗАЛЕЖНО ВІД ЕЛЕМЕНТІВ ТЕХНОЛОГІЇ ВИРОЩУВАННЯ В ПРАВОБЕРЕЖНОМУ ЛІСОСТЕПУ УКРАЇНИ 391.5 KB
  Створення та впровадження у виробництво сортів пшениці твердої з високим рівнем генетичного потенціалу продуктивності адаптованих до конкретних ґрунтовокліматичних умов розширює перспективи виробництва зерна пшениці твердої ярої особливо...
64302. ПІДВИЩЕННЯ ЕКСПЛУАТАЦІЙНОЇ НАДІЙНОСТІ ТРУБНИХ І ШТАНГОВИХ КОЛОН ДЛЯ БУРІННЯ ТА ВИДОБУВАННЯ НАФТИ І ГАЗУ 3.89 MB
  Проблема підвищення експлуатаційної надійності трубних і штангових колон для буріння та видобування нафти та газу нерозривно пов’язана з проблемою оцінки їх навантажування. Особливістю роботи елементів трубних і штангових колон є надзвичайно складний характер навантажування...
64303. ЕКОНОМІЧНА ВЛАДА ЯК ФАКТОР РОЗПОДІЛУ ДОХОДІВ 328.5 KB
  Процес розподілу доходів є складною соціальноекономічною проблемою оскільки зачіпає інтереси всіх економічних суб'єктів. Економічне та соціальне значення проблеми розподілу доходів зумовлено впливом на рівень стимулювання продуктивної економічної поведінки макроекономічну рівновагу соціальну напруженість.