Упрочнение углеродистых конструкционных и инструментальных сталей термической (химико-термической) обработкой

Тема: Упрочнение углеродистых конструкционных и инструментальных сталей термической (химико-термической) обработкой

Введение

Материаловедение изучает закономерности, определяющие строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки, и является одной из основных дисциплин, определяющих подготовки инженеров-машиностроителей.

Несмотря на все более широкое использование неметаллических материалов, металлы и сплавы останутся и в ближайшем будущем основным конструкционным и инструментальным материалом. В последнее время широкое применение нашли композиционные материалы на основе металлов, полимеров и керамики.

Теория термической обработки является частью металловедения. Главное в металловедении это учение о связи между строением и технически важными свойствами металлов и сплавов. при нагреве их охлаждении изменяется структура металлического материала, что обусловливаем изменение механических, физических и химических свойств и влияет на его повеление при обработке и эксплуатации.

1. Расшифруйте марку стали У12, укажите температуру критических точек, химический состав, механические и технологические свойства, виды поставки и назначение стали Сталь У11 ГОСТ 1435–90 — углеродистая инструментальная сталь. Цифра показывает содержание углерода в десятых долях (1,1%).

Температура критических точек, °С

Химический состав

Механические свойства

Технологические свойства

Виды поставки — сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 1435–74, ГОСТ 2590–71, ГОСТ 2591–71, ГОСТ 2879–69. Калиброванный пруток ГОСТ 1435–74, ГОСТ 7417–75, ГОСТ 8559–75, ГОСТ 8560–78. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 1435–74, ГОСТ 14 955–77. Лента ГОСТ 2283–79, ГОСТ 10 234–77, ГОСТ 21 997;76. Полоса ГОСТ 103–76, ГОСТ 4405–75. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1435–74, ГОСТ 4405–75, ГОСТ 1133–71.

Назначение — инструмент, который работает в условиях, не вызывающих разогрева рабочей кромки: зубила, долота, бородки, молотки, лезвия ножниц для резки металла, топоры, колуны, стамески, плоскогубцы комбинированные, кувалды.

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe₃C и нанесите вертикальную линию, соответствующую содержанию углерода в стали Рисунок 1 Диаграмма состояния системы железо-цементит

Линия АВСD — линия ликвидус, линия AHJECF — солидус. Точка, А соответствует температуре плавления железа (1 536?С), точка D — температура плавления цементита (1 252?С). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

В системе Fe-Fe₃C на разных ярусах происходят эвтектичекое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при температуре 1 147?С происходит эвтектическое превращение: Ж_С — А_Е + Ц_F. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом.

Ледебурит (Л) — механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода.

По линии PSK при температуре 727? С происходит эвтектоидное превращение: А_С — Ф_Р + Ц_К, в результате которого из аустенита, содержащего 0,8% углерода, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкого, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом.

Перлит (П) — механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленном шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название — перлит. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Аустенит, входящий в состав ледебурита, при температуре 727? С также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже температуры 727? С ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

3. Опишите структурные превращения при нагреве и охлаждении стали Рисунок 2 Кривая охлаждения с содержанием углерода 1,2%

углеродистая сталь термическая обработка В сплаве с содержание углерода 1% образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1−2. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается, и от точки 2 до точки 3 структурных изменений не происходит, аустенит просто охлаждается. При охлаждении в диапазоне температур между точками 3−4 из кристаллической решетки аустенита выделяется избыточный углерод с образованием вторичного цементита ЦII. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии ES. На линии PSK при температуре 727? С происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит. Поэтому при комнатной температуре структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита. Такой сплав называется углеродистой заэвтектоидной сталью.

4. Выбрать способ термической (химико-термической) обработки стали для получения твердости поверхностного слоя более 60 НRC

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых сталей — температура А_с1 + (30−50 °С), т. е. до температуры 750? С.

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита твёрже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твёрдость, чем при полной закалке.

5. Вычертите график термической (химико-термичекой) обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали или инструмента Отжиг инструментальной углеродистой стали (У10—У12) проводится с непрерывным охлаждением, изотермический, маятниковый, по режимам, приведенным на рис. 3, а, б и в.

Выдержка при температуре отжига и изотермическая выдержка при 680—700oC составляет 1—2 ч. При маятниковом отжиге выдержка на каждой ступени 0,5—1 ч. Структура после отжига — зернистый перлит.

Перед повторной закалкой, а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием и снятия наклепа после холодной пластической деформации производится низкотемпературный отжиг (рис. 3, г) с выдержкой 2 — 3 ч.

Для устранения цементной сетки и измельчения зерна применяется нормализация (рис. 3, д).

Для получения повышенной чистоты поверхности (при нарезании резьбы и т. п.) применяют улучшение (рис. 3, е).

Рисунок 3 Графики рекомендуемых режимов предварительной термической обработки сталей У10, У11 и У12

а — отжиг с непрерывным охлаждением; б — изотермический отжиг; в — маятниковый отжиг; г — низкотемпературный отжиг; д — нормализация; е — улучшение

6. Опишите предполагаемую структуру стали после термической (химико-термической) обработки Структура сталей, содержащих больше 0,8% углерода, состоит из зерен перлита и зерен цементита.

Рисунок 4 Микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в ее структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна перлита превращаются в зерна аустенита. Это превращение заключается в том, что пластинчатые зерна цементита, которые образовали как бы каркас внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого были заключены пластинчатые зерна цементита, а однородное зерно твердого раствора углерода в железе. Превращение зерен перлита в зерна аустенита происходит в углеродистой стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень важная для теории и практики термической обработки температура называется нижней критической температурой.

При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе. Наконец, при какой-то температуре зерен феррита не останется вовсе — структура металла будет состоять из одних зерен аустенита. Та температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения зерен феррита в зернах аустенита, называется верхней критической температурой.

1 Арзамасов Б. Н., Макарова В. И., Музова Г. Г. материаловедение: Учебник для вузов — 3-е издание. М.: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана, 2002.

2 Материаловедение и технология металлов. Фетисов Г. Л., Картман М. Г. М.: Высшая школа, 2000.

3 Справочник по конструкционным материалам. Справочник./ Б. Н. Арзамасов и др.: Под ред. Б. М. Арзамасова. — М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2005.

4 Углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380−94).

5 Сталь конструкционная (ГОСТ 1414−75).

6 Углеродистая качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050−88).

7 Инструментальная углеродистая сталь (ГОСТ 1435−90).

8 Сталь низкоуглеродистая качественная (ГОСТ 9045−80).