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

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

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 14955-77. Лента ГОСТ 2283-79, ГОСТ 10234-77, ГОСТ 21997-76. 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.

Список литературы

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).

Размещено на Allbest.ru