Термообработка стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ВЫКСУНСКИЙ ФИЛИАЛ

ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО АВТОНОМНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

(Выксунский филиал НИТУ «МИСиС»)

КАФЕДРА ОМД

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

по дисциплине Материаловедение

на тему: Термообработка стали

Студент(ка) Е.В. Лаврова

Преподаватель В.И. Вдовина

Выкса 2020

Содержание

1. Наследственная зернистость

2. Нормализация низкоуглеродистых сталей, её температурный режим

3. Критический диаметр. От чего зависит его размер

4.Критическая скорость закалки. Как она располагается на диаграмме изотермического превращения аустенита

5. Сущность и назначение поверхностной закалки, её виды

6. Назначить вид и режим термической обработки для детали из стали 18ХГТ с целью получения на поверхности слоя с твердость HRС 61-64 с глубиной 0,8-1,0мм с твердостью сердцевины HRC 35-45. Обосновать выбор

7. Для каких сталей и с какой целью применяется низкий отпуск

8. Сталь 45 закалена от температур 740°С и 810°С. Выбрать оптимальный режим нагрева под закалку и объяснить почему

Список использованных источников

1. Наследственная зернистость

Образующиеся при нагреве выше критической точки Ас1 из зерен перлита зерна новой структуры - аустенита - получаются мелкими и называются начальными зернами аустенита. При повышении температуры происходит рост зерен и тем в большей степени, чем выше температура нагрева. Но склонность к росту зерен с повышением температуры у сталей различная. Стали, раскисленные в процессе выплавки кремнием (ферросилицием) и марганцем (ферромарганцем), обладают склонностью к непрерывному росту зерна с повышением температуры. Такие стали называют наследственно крупнозернистыми. Стали, раскисленные в процессе выплавки дополнительно алюминием, ванадием или титаном, не обнаруживают роста зерна при нагреве до значительно более высоких температур (900-950° С). Такие стали называют наследственно мелкозернистыми (рис.1).

Под наследственной зернистостью подразумевается склонность аустенитного зерна к росту при повышении температуры.

При нагреве наследственно мелкозернистых сталей выше определенной температуры наблюдается резкий рост зерна, и размер зерна получается даже большим, чем у наследственно крупнозернистых сталей, нагретых до той же температуры. Такое поведение наследственно мелкозернистых сталей при нагреве объясняется тем, что присутствующий в них алюминий образует окислы Al₂O₃ и нитриды A1N, а ванадий и титан, кроме окислов V₂O₅, TiO₂ и нитридов VN, TiN, образуют еще и карбиды VC, TiC. Все эти соединения в виде мелких включений располагаются по границам зерен и механически препятствуют их росту при нагреве. При определенной температуре нагрева происходит растворение включений в аустените, препятствия, тормозившие рост зерен, устраняются, и зерна начинают расти очень быстро. От величины зерна аустенита, образующегося при нагреве, зависит величина зерна продуктов распада аустенита. Если зерно аустенита мелкое, то и продукты распада аустенита получаются мелкими.

Зерно стали, которое наблюдается при данной температуре в микроскоп, называется действительным. От размера действительного зерна зависят механические свойства стали, главным образом вязкость, значительно понижающаяся с увеличением размера зерна.

Размер наследственного зерна оказывает влияние на технологические свойства стали. Если, например, сталь наследственно мелкозернистая, следовательно, ее можно нагревать до высокой температуры и выдерживать длительное время, не опасаясь роста зерна.

Рисунок 1. Схема роста зерна в наследственно-мелкозернистой и в наследственно-крупнозернистой стали

2. Нормализация низкоуглеродистых сталей, её температурный режим

Нормализационный отжиг (нормализация). Нормализацией называют

Нормализацией называется процесс термической обработки - нагрев до температуры выше Ас3 для доэвтектоидной или Acm для заэвтектоидной стали с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Нормализация применяется для разных сталей, а также отливок. К тому же данной операции подвергают для измельчения структуры материала сварные швы.

Заэвтектоидные стали следует нормализовать при температуре на 30-50°С выше линии Аcm. В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит, сорбит и троостит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига. Время выдержки определяет степень гомогенизации структуры. Нормативным показателем считают час выдержки на 25 мм толщины.

При нагреве до температуры нормализации низкоуглеродистых сталей происходят те же процессы, что и при полном отжиге, т. е. измельчение зерен.

Но, кроме того, вследствие охлаждения, более быстрого, чем при отжиге, и получающегося при этом переохлаждения строение перлита получается более тонким (дисперсным), а его количество большим. Механические свойства при этом оказываются более высокими (повышенная прочность и твердость), чем при более медленном охлаждении (при отжиге).

Нормализация по сравнению с полным и неполным отжигом - более экономичная операция, так как не требует охлаждения вместе с печью. В связи с указанными преимуществами нормализация получила широкое применение вместо полного отжига низкоуглеродистых и даже среднеуглеродистых сталей.

Нормализация применяется также для устранения цементитной сетки в заэвтектоидных сталях. При нагреве заэвтектоидной стали с цементитной сеткой выше критической точки Acm образуется структура аустенита (рис.2). Если после такого нагрева при медленном охлаждении (при отжиге) цементит выделяется в виде сетки, то ускоренное охлаждение на воздухе (нормализация) препятствует выделению цементита по границам зерен и образуется мелкая феррито-цементитная смесь.

Рисунок 2.Оптимальные температуры нагрева при различных видах термообработки

3. Критический диаметр. От чего зависит его размер

термообработка сталь закалка

Прокаливаемость важнейшая характеристика стали, определяющая выбор марки стали в зависимости от размеров закаливаемой заготовки.

Закаливаемость стали характеризует твердость правильно закаленной стали и измеряется в единицах твердости. Чем больше содержание в стали углерода, тем больше искажения решетки мартенсита и выше твердость. Легирующие элементы на закаливаемость влияют слабо.

Прокаливаемость - это способность стали получать закаленный слой определенной глубины. Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали (рис.3).

Рисунок 3. Твердость полумартенситной зоны углеродистой стали

Для характеристики прокаливаемости стали в справочниках приводят величину критического диаметра. Критический диаметр - называют максимальный диаметр детали или заготовки при котором полумартенситная зона образуется в самом центре. Эта величина определяет размер сечения детали, прокаливающегося насквозь. Чем больше прокаливаемость стали, тем лучше. Углеродистая сталь при охлаждении в воде имеет критический диаметр всего 10-15 мм.

Определение критического диаметра для изделий простой формы (шар, цилиндр, параллепипед) может быть проведено с достаточно высокой точностью с помощью специальной номограммы (рис.4). Исходной физической характеристикой является расстояние до полумартенситной зоны, полученное экспериментально в результате торцевой закалки. Эта величина откладывается на шкале сверху номограммы. От этой точки опускается перпендикуляр до линии идеального охлаждения и из нее проводится горизонтальная линия до пересечения с линией охлаждения в воде, в масле, или на воздухе. А из этих точек опускаются перпендикуляры до шкал тела определенной формы расположенных внизу номограммы.

Рис. 4 Определение критического диаметра по данным торцевой закалки

4. Критическая скорость закалки. Как она располагается на диаграмме изотермического превращения аустенита

При закалке на мартенсит сталь должна охлаждаться с закалочной температуры так, чтобы аустенит, не успев претерпеть распад на ферритокарбидную смесь, переохладился ниже точки Мн. Для этого скорость охлаждения изделия должна быть выше критической.

Критическая скорость охлаждения (критическая скорость закалки) -- минимальная скорость охлаждения стали из высокотемпературного состояния, необходимая для подавления диффузионного распада аустенита при температуре его минимальной устойчивости с образованием феррито-цементитной смеси и обеспечения возможности переохлаждения аустенита до Мн и превращения его в мартенсит. Величина критической скорости закалки уменьшается с увеличением содержания легирующих элементов (за исключением Со). Наиболее сильно критическая скорость закалки снижается при одновременном введении нескольких легирующих элементов. Мелкозернистая сталь, содержащая 0,4 % С, 1,5 % Mn и 1,0% Cr, имеет критическую скорость закалки около 40°С/с. У многих высоколегированных сталей критическая скорость закалки 5-20 К/с. Нерастворимые частицы в аустените (например, карбидов) уменьшают устойчивость аустенита и повышают критическую скорость закалки.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 5. Диаграмма изотермического превращения аустенита с нанесенными на нее кривыми охлаждения

При небольшой скорости охлаждения V₁ превращение аустенита произойдет при высоких температурах с образованием перлита (рис.5), при скорости V₂ - при более низких температурах образуется сорбит. Для получения наиболее твердой структуры (мартенсита) нужна большая скорость охлаждения, чтобы аустенит в процессе охлаждения не успел превратиться в интервале минимальной устойчивости V_3. При охлаждении со скорость V₄ только часть объема стали успеет превратиться в троостит, и в смешенную трооститно-мартенситную структуру. Vкр - критическая скорость при которой в структуре получается только мартенсит.

5. Сущность и назначение поверхностной закалки, её виды

Поверхностной закалкой называют процесс термической обработки, представляющий собой нагрев поверхностного слоя стали до температуры выше Ас3 для доэвтектоидной и Ас1 для заэвтектоидной стали и последующее охлаждение с целью получения в поверхностном слое структуры мартенсита.

Поверхностную закалку применяют обычно для повышения износостойкости деталей при сохранении высокого сопротивления динамическим нагрузкам, в связи с высокой пластичностью сердцевины, и роста усталостной прочности. Поверхностная закалка происходит очень быстро и поэтому на поверхности детали не образуется окалины. Так как при этом нагревается и охлаждается поверхностный слой стали, коробление детали незначительное.

Наиболее часто поверхностную закалку применяют при нагреве токами высокой частоты и реже закалку при нагреве пламенем газовой горелки.

Поверхностная закалка при нагреве токами высокой частоты. Нагрев токами высокой частоты (т. в. ч.) является наиболее производительным и прогрессивным способом. При нагреве т. в. ч. можно закаливать детали разнообразных конфигураций, полностью автоматизировать процесс закалки.

Сущность нагрева т. в. ч. заключается в следующем. Если в переменное электромагнитное поле поместить замкнутый проводник электрического тока, то в проводнике возникают переменные, так называемые вихревые токи. Характерным является распределение тока по сечению проводника. Если постоянный ток распределяется при прохождении по проводнику равномерно по всему сечению, то распределение переменного тока по сечению проводника неравномерно. Плотность протекающего переменного тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника. Такое неравномерное распределение переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Вследствие поверхностного эффекта проводник нагревается на определенную глубину от поверхности. Схема нагрева т. в. ч. приведена на рис. 6

Рисунок 6. Схема нагрева т. в. ч с машинным генератором

1 - генератор в.ч., 2 - двигатель, 3- трансформатор, 4 - индуктор, 5 - деталь, 6 - конденсаторы.

Нагрев т. в. ч. принципиально отличается от других способов нагрева - тепло возникает в самой детали, а при нагреве в печах, соляных ваннах и газовым пламенем тепло распространяется от поверхности к сердцевине путем теплопроводности.

В связи с большой скоростью нагрева (в течение нескольких секунд) для завершения всех превращений в стали необходима температура, значительно (на 100-200° С) превышающая нормальную температуру закалки при нагреве в печах. Но в связи с отсутствием выдержки при температуре закалки такая высокая температура не вызывает роста зерна стали.

По сравнению с обычной закалкой сталь, закаленная при нагреве т. в. ч., имеет следующие преимущества: более мелкая микроструктура, более высокая твердость, более высокая износостойкость, более высокая прочность при относительно меньшем понижении вязкости, более высокий предел выносливости.

Закалку деталей значительной длины проводят непрерывно-последовательным способом. Деталь устанавливают в центрах и для равномерности нагрева непрерывно вращают с определенной скоростью. Закалка происходит при вертикальном перемещении детали сверху вниз. При таком перемещении в магнитное поле индуктора последовательно поступает один участок детали за другим и нагревается до температуры закалки. Под индуктором расположено охлаждающее устройство, представляющее собой согнутую кольцом трубку с многочисленными отверстиями на внутренней поверхности, через которые на нагретые участки детали поступает вода в виде душа.

Таким образом, непрерывно-последовательно нагревается и охлаждается вся поверхность детали. Если необходимо закалить отдельные части детали, то целесообразно применять способ последовательной закалки.

Поверхностная закалка при нагреве пламенем. При этом способе закалки нагрев поверхности детали осуществляют пламенем. Наиболее часто используют ацетилено-кислородное пламя, температура которого 3150° С.

6. Назначить вид и режим термической обработки для детали из стали 18ХГТ с целью получения на поверхности слоя с твердость HRС 61-64 с глубиной 0,8-1,0 мм с твердостью сердцевины HRC 35-45. Обосновать выбор

Для некоторых деталей при эксплуатации необходима высокая твердость и износостойкость поверхности в сочетании с хорошей вязкостью в сердцевине. Это касается деталей, работающих в условиях износа с одновременным действием динамических нагрузок (например, шестерни, пальцы, скрепляющие звенья трака гусеничных машин). В таких случаях подвергают упрочнению не всю деталь, а только тонкий (несколько мм) поверхностный слой. Поверхностная закалка - это нагрев до закалочных температур только поверхностного слоя детали с последующим быстрым охлаждением и образованием мартенситной структуры только в этом слое. Осуществляют такую закалку быстрым нагревом поверхности, при котором сердцевина не успевает прогреваться за счет теплопроводности. При таком нагреве температура по сечению детали резко падает от поверхности к центру. 18ХГТ - хромомарганцевая сталь содержит 0,18% углерода, до 1% хрома, марганца. Эта марка стали относится к группе легированных конструкционных сталей, это детали, из которых наряду с повышенной прочностью и износостойкостью требуется наличие пружинящих свойств. Хромистые стали с низким содержанием углерода подвергают цементации с последующей термической обработкой. Детали из такой стали рекомендуется подвергать газовой цементации при 930°С. Деталь после цементации подвергаются непосредственной закалке с подстуживанием от 930° до 840 - 850°С без охлаждения до комнатной температуры и последующего нагрева для закалки. После закалки с подстуживанием производится низкий отпуск. После цементации и закалки получается твердая и износоустойчивая поверхность и повышенная по сравнению с углеродистой сталью прочностью сердцевины. Такая технология химико-термической обработки для условий массового производства является наиболее рациональной, ибо при закалке без повторного нагрева достигается значительное уменьшение деформации закаливаемых изделий.

7. Для каких сталей и с какой целью применяется низкий отпуск

Отпуском называют процесс термической обработки - нагрев закаленной

Закаленная сталь очень твердая, но она хрупкая, у нее низкая пластичность и большие внутренние напряжения. В таком состоянии изделие не работоспособно, не надежно в эксплуатации. Поэтому для уменьшения внутренних напряжений и повышения пластичности после закалки всегда следует еще одна операция термической обработки, которая называется отпуск.

Отпуск - заключительная термическая операция, состоящая в нагреве закаленного сплава ниже температуры фазового превращения (для углеродистой стали это ниже температуры Ас1 (727° С)), выдержке и охлаждении на воздухе.

В зависимости от температуры отпуск делят на низкий, средний и высокий.

Низкий отпуск - нагрев стали до температуры 250° С и охлаждение для получения мартенсита отпуска и частичного снятия внутренних напряжений. Низкий отпуск обычно проводят в масляных ваннах. Низкий отпуск углеродистой стали проводят при температуре 150-2000С. При этом из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.

Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий. Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска или мартенсит отпуска и вторичный цементит. Закалке и низкому отпуску подвергают режущий и мерительный инструмент, а так же изделия, которые должны обладать высокой твердостью и износостойкостью (например, штампы для холодной штамповки или валки прокатных станов). Закалке и низкому отпуску подвергают стали с 0,7 - 1,3 %С.

8. Сталь 45 закалена от температур 740°С и 810°С. Выбрать оптимальный режим нагрева под закалку и объяснить почему

В стали 45 содержится 0,45% углерода, она является доэвтектойдной.

Повышенная прочность стали 45 достигается с помощью различных приемов термической обработки. Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Температура точки Ас3 для стали45 составляет 755°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3 (неполная закалка), то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 740°С (ниже точки Ас3) структура стали 45 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для полной закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под полную закалку, таким образом, составляет 800-840°С. Структура стали 45 при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит (рис.7).

Рисунок 7. Фрагмент диаграммы состояния железо-углерод

Список использованных источников

Б.А. Кузьмин, А.И. Самохоцкий, Т.Н. Кузнецова «Металлургия, металловедение и конструкционные материалы» Высшая школа, М., 1977.

Размещено на Allbest.ru