Термическая обработка
Лабораторная работа
Термическая обработка
В ходе лабораторной работы использовались обработки из сталей 15, 35 и У12.
Сталь 15
.Марка: 15
.Класс: Сталь конструкционная углеродистая качественная
.Использование в промышленности: болты, винты, крюки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой пластичности и работающие при температуре от -40 до 450°С; после ХТО-рычаги, кулачки, гайки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и невысокой прочности сердцевины.
.Термообработка: Состояние поставки
.Температура ковки:°С: начала 1300, конца 700. Охлаждение на воздухе
.Твердость материала: HB 10-1 = 149 МПа
.Температура критических точек: Ac1 = 735, Ac3(Acm) = 860, Ar3(Arcm) = 840, Ar1 = 685
.Свариваемость материала: без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС.
.Флокеночувствительность: не чувствительна.
.Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.
.Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 143 Кυ тв. спл=1,8
12.Расшифровка марки 15: обозначение 15 свидетельствует о том, что в конструкционной стали содержится 0,15% углерода, а остальные примеси очень незначительны.
Сталь 35.
.Марка 35
.Класс: Сталь конструкционная углеродистая качественная
.Использование в промышленности: детали невысокой прочности, испытывающие небольшие напряжения: оси, цилиндры, коленчатые валы, шатуны, шпиндели, звездочки, тяги, ободы, траверсы, валы, бандажи, диски и другие детали.
.Термообработка: Нормализация
.Температура ковки,°С: начала 1280, конца 750. Заготовки сечением до 800 мм охлаждаются на воздухе.
.Твердость материала: HB 10-1 = 163 МПа
.Температура критических точек: Ac1 = 730, Ac3(Acm) = 810, Ar3(Arcm) = 796, Ar1 = 680, Mn = 360
.Свариваемость материала: ограниченно свариваемая. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, ЭШС. Рекомендуется подогрев и последующая термообработка. КТС без ограничений.
.Флокеночувствительность: не чувствительна.
.Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.
.Обрабатываемость резанием: в горячекатанном состоянии при HB 144-156 и σв=510 МПа, Кυ б.ст=1,3
12.Расшифровка марки 35: обозначение 35 свидетельствует о том, что в конструкционной стали содержится 0,35% углерода, а остальные примеси очень незначительны.
Сталь У12
.Марка: У12
.Класс: Сталь инструментальная углеродистая
.Использование в промышленности: режущие инструменты, работающие в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки: метчики ручные, метчики машинные мелкоразмерные, плашки для круппов, развертки мелкоразмерные, надфили, измерительный инструмент простой формы: гладкие калибры, скобы.
.Твердость материала: HB 10-1 = 207 МПа
.Температура критических точек: Ac1 = 730, Ac3(Acm) = 820, Ar1 = 700, Mn = 200
.Температура ковки,°С: начала 1100, конца 750. Охлаждение замедленное на воздухе.
.Обрабатываемость резанием: в отожженом состоянии при HB 207, Кυ тв. спл=1,0 и Кυ б.ст=0,9
.Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций. Способ сварки КСТ
.Флокеночувствительность: не чувствительна.
.Склонность к отпускной хрупкости: не склонна.
.Расшифровка марки У12: Относится к группе качественных сталей, буква У означает - что сталь углеродистая, 12 означает - среднее содержание углерода в десятых долях процента.
Термическая обработка
Термической обработкой (термообработкой) - совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения твердых сплавов с целью получения заданных свойств за счет изменения внутренней структуры.
Так как основными параметрами термической обработки являются температура и время, то любой процесс термообработки может быть представлен графиком в координатах «температура-время». Если термическая обработка состоит только из одной операции (нагрев-выдержка-охлаждение), то она называется простой, а если из нескольких операций - сложной.
Операции термической обработки
)Предварительные - отжиг, нормализация, улучшение.
Отжиг
Этот вид отжига заключается в нагревании доэвтектоидной стали вид на 30-50 ˚С выше температуры соответствующей точке А(С3) выдержана при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении. При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали.
При нагреве до температуры выше точки А(С3) на 30-50 ˚С образуется аустенит, характеризующий мелким зерном и поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура обеспечивающаяся высокую вязкость и пластичность, а также возможность достижения высоких свойств после окончательной термической обработки.
Нормализация
Нормализацией - это охлаждение после нагрева, происходящие не вместе с печью, а на воздухе.
Нормализация состоит из нагрева стали на 30-50˚C выше линии GSE, выдержки при этой температуре и последующего охлаждения на воздухе. Нормализация применяется для исправления структуры перегретой стали и горячедеформированных заготовок, выравнивания структуры сварного шва. При нормализации сталь приобретает более мелкозернистую структуру, чем после отжига. Нормализация является более экономичным термическим процессом, чем отжиг.
Выбор варианта термической обработки (отжиг или нормализация) зависит от состава стали и предшествующего технологического процесса. Например, для выравнивания химического состава слитков или крупных отливок назначается диффузионный отжиг. Для снижения твердости стали после горячей обработки (облегчения обработки резанием) выбирают полный или неполный отжиг (в зависимости от состава стали). После холодной обработки давлением для снятия наклепа и внутренних напряжений сталь подвергают рекристаллизационному отжигу.
На результат отжига и нормализации оказывают влияние температура и скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения.
Температура нагрева выбирается по диаграмме состояния Fe-Fe3C в зависимости от содержания С в стали.
При выборе скорости нагрева необходимо учитывать габариты изделия (разницу температур наружных и внутренних частей изделия), форму изделия (чем сложнее, тем более медленный нагрев), химический состав стали. С увеличением содержания углерода в стали уменьшается ее теплопроводность. При легировании стали теплопроводность также падает. Чем меньше теплопроводность, тем медленнее должен быть нагрев. Продолжительность нагрева сталей при отжиге и нормализации составляет примерно от 30 до 90 мин на каждые 25 мм изделия.
Выдержка после нагрева до заданной температуры должна обеспечить прогрев всего изделия и полное завершение всех процессов, совершающихся при нагреве стали. Время выдержки зависит от толщины изделия, исходной структуры, химического состава стали. Чем массивнее изделие и крупнее зерно исходной структуры, тем длительнее должна быть выдержка. Обычно τв составляет 20-25% от τн.
После нагрева и выдержки продолжительность охлаждения должна обеспечивать полный распад твердого раствора. Скорость охлаждения зависит от охлаждающей среды и размеров изделия. Охлаждение должно быть равномерным и медленным до 400-500 ˚C. При этом углеродистые стали охлаждают со скоростью 100-200 ˚C, в 1 ч, а легированные 20-60 ˚C в 1 ч; дальнейшее охлаждение проводится на воздухе.
Улучшение
Термическое улучшение металла (термообработка) - это двойная термическая обработка железоуглеродистых сплавов, заключающаяся в закалке на мартенсит с последующим высоким отпуском (при Т=550…650°C).
В результате закалки сталь обычно приобретает микроструктуру мартенсита (с некоторым количеством остаточного аустенита). Иногда в стали после закалки может получаться структура сорбита, троостита или бейнита. Так как мартенсит обладает высокой твёрдостью и прочностью, имеет низкую пластичность, то механическая обработка его затруднена, к тому же вероятно разрушение из-за хрупкости. В процессе термического улучшения стали отпуск приводит к распаду мартенсита закалки и образованию сорбита отпуска, вследствие чего уменьшаются внутренние напряжения в стали. В результате термообработки - улучшения - повышаются пластичность и ударная вязкость стали, при этом прочность и твёрдость металла сохраняют хорошие показатели.
Основным свойством улучшаемых сталей является прокаливаемость, которая зависит от химического состава стали. Изделие должно полностью прокаливаться насквозь. Стали с малой способностью к сквозному улучшению пригодны для изделий с небольшим поперечным сечением. Другое важное свойство улучшаемых сталей - предел текучести (после улучшения стали), требования к которому предъявляются в зависимости от марки стали и диаметра изделия.
Термическая обработка. Улучшаемые стали поставляются потребителю в горячекатанном или нормализованном состоянии. После механической обработки до окончательных размеров и получения деталей проводятся улучшение сталей или поверхностная закалка.
)Окончательные - закалка, отпуск.
Закалка
Закалка - нагрев стали до температур выше фазовых превращений с последующим быстрым охлаждением со скоростью выше критической.
Цель закалки - придать стали большую твердость. После закалки сталь приобретает неравновесную метастабильную структуру и обладает высокой прочностью, твердостью, износостойкостью и повышенной хрупкостью. Закалка не является окончательным видом термической обработки.
Для устранения избыточных напряжений и повышенной хрупкости сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.
Отпуск
Отпуск - нагрев закаленной стали до температур ниже фазовых превращений с последующим охлаждением. В результате отпуска структура стали переходит к более равновесному состоянию, твердость снижается, а пластичность повышается.
С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.
Самопроизвольный отпуск закаленных сталей при незначительном нагреве или без него, наблюдающийся с течением времени называют старением.
Низкий отпуск при температуре (150 - 250°С)
Низкий отпуск ослабляет остаточные напряжения и уменьшает хрупкость деталей, которые должны обладать высокой твердостью (НВ = 600).
Низкому отпуску подвергаются преимущественно детали, не испытывающие ударных нагрузок, например режущие инструменты: сверла, метчики и др.
Средний отпуск при температуре (300 - 450°С)
Средний отпуск повышает вязкость деталей при сохранении достаточной твердости (НВ = 400).
Среднему отпуску подвергаются главным образом детали, испытывающие ударные нагрузки, например, зубила, молотки, пружины, рессорные листы и т.д.
Высокий отпуск при температуре (500 - 700°С)
Высокий отпуск придает деталям высокую вязкость при сохранении достаточной твердости (HB = 300).
Высокому отпуску подвергаются такие детали машин, которые работают при больших напряжениях и ударах: зубчатые колеса, валы, шатуны и т.д.
Для выбранных сталей в качестве предварительной термической обработки была выбрана нормализация.
В качестве окончательной термической обработки - закалка, низкий, средний и высокий отпуск.
Как выбирать и почему
Основным превращением, происходящим при отпуске является распад мартенсита закалки на феррито-карбидную смесь.
С повышением температуры отпуска увеличивается диффузионная подвижность атомов и, как следствие этого, увеличивается скорость и полнота процесса распада мартенсита. Кроме температуры на превращении при отпуске оказывает влияние время выдержки при температуре нагрева. Однако определяющее воздействие оказывает температура отпуска.
При низком отпуске в результате частичного распада мартенсита закалки образуется мартенсит отпуска, в котором наблюдается перераспределение углерода с начальным образованием карбидов. При этом практически не снижается твердость и износостойкость, но снимается часть закалочных напряжений и снижается хрупкость
Средний отпуск приводит к завершению распада мартенсита на мелкодисперсную феррито-цементитную смесь, называемую трооститом отпуска. При этом сохраняются высокие упругие свойства и происходит дальнейшее (относительно низкого отпуска) снятие закалочных напряжений.
В результате высокого отпуска происходит коагуляция (укрупнение) цементитных частиц и, образующаяся при этом феррито-цементитная смесь с более крупными, чем у троостита отпуска, цементитными частицами называется сорбитом отпуска. Эта структура обладает хорошим сочетанием прочности и пластичности.
Для достижения этих свойств температуру отпуска необходимо назначать, исходя из следующих закономерностей: при повышении температуры отпуска понижаются твердость и прочность и повышаются пластичность и ударная вязкость сталей.
Режимы термической обработки представлены в таблице 1.
Таблица 1 Состав стали и режимы термической обработки(ТО)
СтальСодержание углеродаА1 ˚СА3/Ат ˚СРежим ТОНорм. ˚СЗакален. ˚СТ-раСр. охл.Т-раСр. охл.150,15727870900Вз.920Вд.350,35727850880Вз.900Вд.У121,2727860757Вз.777Вд.
Достигаемая твердость при различных операциях термической обработки представлена в таблице 2.
Твердость после отпуска - таблицы 3.
Таблица 2 Твердость стали разных видов после ТО (HRC)
СтальОтжиг (исх.)Норм-яЗакалка1510103035131659У12172665
Таблица 3 - Твердость после отпуска
СтальОтпускПри t = 200 ˚CПри t = 400 ˚CПри t = 600 ˚C1527222135523925У12645041
Вывод
механический сталь отжиг закалка
По экспериментальным данным и построенным графикам влияние температуры отпуска на твердость закаленной стали, можно сказать, что с увеличением температуры отпуска, твердость, а так же другие показатели прочности не дает. Это будет происходить из-за укрепления карбидных частиц и объединение углеродом a-твердого раствора.