Влияние условий термической обработки на свойства стали

Нижегородский государственный технический университет

Отчет по практической работе

«Влияние условий термической обработки на свойства стали»

Выполнил: Елагин А.В.

Группа 03-ММ      

Проверил: Пырялов Л.А.

г. Н. Новгород

2005г.

Цель работы: Изучить влияние температурно-временных условий нагрева и режимов охлаждения при термической обработке на свойства стали.

1. Описание лабораторной установки, приборов и оборудования

В работе используются лабораторные электрические печи, автоматические потенциометры для регулирования температуры нагрева в печи, бачки с водой и маслом для охлаждения, заточный станок (точило) для зачистки образцов от заусенцев и окалины, твердомеры, щипцы для загрузки образцов в печь и выгрузки, образцы сталей разных марок, линейка для измерения размеров образцов или штангенциркуль.

Для нагрева образцов применяются электрические лабораторные камерные или муфельные печи. Примером камерной печи является печь СНОЛ-1.6.2.5.1/11-М1х) мощностью 3 кВт. Рабочая камера, в которой проводится нагрев, выполнена из жаростойкой керамики. Нагреватель­ные элементы в виде спиралей расположены в углублениях по боковым стенкам, на полу и в своде печи. Для предохранения спиралей от повреждений и расположения нагреваемых образцов имеется на полу печи плоская керамическая плитка. С целью измерения температуры в рабочую зону печи вставляется термопара. Рабочая камера печи спе­реди закрывается крышкой. Максимальная температура в рабочей зоне составляет 1100°С. Печь снабжена милливольтметром типа МР-64-02.

Для точного измерения и автоматического поддержания заданной температуры применен особый прибор - автоматический электромехани­ческий потенциометр типа КСП4, к которому с помощью электрических проводов присоединена термопара. Прибор может

X)Примечание:

С - электрический вид нагрева; Н - камерная печь по конструкции; О -.среда: окислительная атмосфера; Л - лабораторная печь.

Рис.1. Схема установки для проведения термической обработки: 1 - печь; 2 - шкаф с потенциометрами; 3 - бачки с охлаждающими жидкостями

автоматически записывать данные о температуре в печи на ленточную бумажную диаграмму в прямоугольных координатах.

Рядом с печами располагаются на подставке бачки с водой и минеральным маслом. Бачки имеют "корзинки" с отверстиями, посредством которых образцы после завершения охлаждения вынимаются из охлаждающей среды. Схема установки для термической обработки показана на рис.1.

Оценка механических свойств образцов проводится в данной работе по численному значению твердости.

Твердость - свойство материала оказывать сопротивление пласти­ческой; деформации при вдавливании под постоянной нагрузкой в плос­кую поверхность материала шарика из закаленной твердой стали, ал­мазного конуса или пирамиды. Имеются различные методы измерения твёрдости: метод Бриннеля, Роквелла, Виккереа и др.

В работе проводится измерение твердости образцов методом Роквелла, когда величина твердости определяется по глубине проникно­вения шарика или конуса в поверхность материала. Численное значе­ние твердости в условных единицах видно на шкале прибора-твердомера.

До проведения термической обработки образцов твердость опреде­ляется путем вдавливания закаленного стального шарика диаметром 1,568 мм при нагрузкой 980 Н (100 кгс) в поверхность, образца. Полу­чаемое число твердости обозначается HRB.

В случае закаленных образцов проводится вдавливание алмазного конуса под нагрузкой 1470 Н (150 кгс). Число твердости получило обозначение HRC. За стандартное число твердости металлических материалов обычно принимают твердость по Бринеллю НВ. Для получения сравнимых вели­чин твердости после различных видов термической обработка получен­ные численные значения твердости HRB и НRС переводят в единую шкалу НВ с использованием имеющейся в лаборатории термической об­работки переводкой таблицы (смотри приложение 5).

Методы испытаний других механических свойств материалов (преде­ла прочности, предела текучести, ударной вязкости и др.) изучаются на лабораторных занятиях по курсу "Механика деформируемого тела».

2.Краткие сведения из теории

Металлопродукция с металлургических предприятий поступает на машиностроительные заводы обычно в виде различного проката, поко­вок, в литом состоянии. Из них изготовляют заготовки деталей машин, которые подвергают предварительной термической обработке. Последующей механической обработкой резанием получают детали заданной гео­метрической формы и размеров. Эти детали далее проходят упрочняющую термическую обработку и, в случае сложных машин, направляются на сборку отдельных частей машины, а из сборочных единиц собирается сама машина. Схема обработки и изготовления на машиностроительных заводах объемных деталей машин (рычаги, коленчатые валы и шатуны двигателей внутреннего сгорания, зубчатые колеса и др.) из деформи­руемых металлических материалов представлена на рис.2. Как видно, в процессе изготовления деталей машин два раза проводится термичес­кая обработка.

Термическая обработка - процесс обработки изделий из технических материалов путем теплового воздействия (нагрева и охлаждения) с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическую обработку применяют как окончательную для получения заданных механических, физических, эксплуатационных свойств деталей машин, а также промежуточную (предварительную) с целью улучшения технологических свойств (обрабатываемости режущими инструментами, обрабатываемости давлением и др.).

Основными видами предварительной термической обработки заготовок из конструкционных сталей в машиностроении являются нормализационный или полный отжиг. Для их проведения заготовки нагревают в случае использования конструкционных доэвтектоидных сталей выше темпера­туры фазового превращения Ас3 на 30-50°С и получают структуру аустенита. После некоторой выдержки при температуре нагрева проводят охлаждение на воздухе (нормализационный отжиг) или вместе с печью (полный отжиг), получая структуру из феррита и перлита.

МЕТАЛЛУРШЧЕСКИЙ ЗАВОД



Сортовой прокат



МАШИНОСТРСИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД



Изготовление заготовок деталей машин обработкой

давлением (горячей штамповкой и др.)



Заготовка детали



Предварительная термическая обработка заготовок



Механическая обработка резанием г изготовление деталей машин



Упрочняющая термическая обработка деталей



Доводочные операции обработки (при необходимости)



Сборка машины



Машина

Рис.2. Типовая схема обработки и изготовления деталей машин на машиностроительном заводе

Предварительная термическая обработка снижает твердость стали и улучшает обрабатываемость резанием.

За показатель обрабатываемости при резании принимается обычно численное значение скорости резания при точении резцами из быстро-режушей стали на токарном станке, которой соответствует стойкость резцов 60 минут (время между двумя переточками режущей кромки инст­румента). Пример данных об обрабатываемости резанием заготовок из сталей с разным содержанием углерода после полного (1) и нормализационного (2) отжига для одного из вариантов обработки резцами на токарном металлорежущем станке приведен на рис.3. Как видно, ско­рость резания (показатель обрабатываемости) снижается с увеличением содержания углерода в стали. Принято в промышленных условиях при содержании углерода в конструкционных углеродистых и низколегированных сталях менее 0,5% проводить для заготовок нормализационный отжиг, а для сталей, имеющих более 0,5% углерода, -полный отжиг.

Типовая окончательная термическая обработка деталей машин и ин­струментов состоит из двух операций: 1 - закалки с получением на этапе охлаждения с большой скоростью (для углеродистых сталей в воде и других средах) из аустенита структуры мартенсита (АМ); 2 - отпуска закаленной стали с нагревом до температуры не выше температуры фазового превращения Ас1.

Рис.3. Зависимость скорости резания (обрабатываемости) при заданной стойкости от содержания углерода в стали: 1 - полный отжиг; 2 - нормализационный отжиг

Данные о влиянии полного отжига, закалки и отпуска конструк­ционной стали марки 40 (0,40% углерода) на механические свойства приведены в табл.1 (диаметр термообрабатываемых образцов 12 мм).

Таблица 1

Механические свойства стали 40 после термической обработки (диаметр 12 мм)

Примечание

В - предел прочности при растяжении; 0,2 - предел текучести; - относительное удлинение; KCU - ударная вязкость; (1 МПа = I06 Па; 1 Па = 1 Н/м2 (Па - паскаль, Н - ньютон, МПа - мегапаскаль)).

Рис.4 Схемы термической обработки конструкционных сталей (обозначения даны в тексте)

Как видно, применение термической обработки значительно изменяет механические свойства стали. Схемы основных видов термической обработки для конструкционных доэвтектоидных сталей представлены на рис.4: 1 - нормализационный отжиг; 2 - полный отжиг; 3 - пол­ная закалка; 4 - отпуск закаленной стали (Ас1 и АС3 - температуры фазовых превращений в стали для равновесного состояния).

Данные о механических свойствах конструкционных среднеуглеродистых (улучшаемых) сталей различного химического состава после закал­ки и высокого отпуска приведены в табл. 2 .

Таблица 2

Механические свойства некоторых типовых конструкционных среднеуглеродистых отелей после закалки и высокого отпуска при температуре 540-600°С