Лабораторна робота № 3
Цілі:
1.Изучить теоретичні основи термічної обробки сталі
2.Ізучіть СТО і її застосування на практиці.
Термічна обробка стали
1.Теоретические основи ТО.
А. Загальні відомості.
Термічною обробкою називається сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження твердих металевих сплавів, з метою отримання заданих властивостей за рахунок зміни внутрішньої будови і структури.
ТО-термічна обробка.
Так як основними чинниками будь-якого виду ТО є температура і час, то режим ТО зазвичай представляється графіком в координатах t - τ, де t - температура; τ - час.
Кут нахилу характеризує швидкість нагріву чи охолодження. Постійна швидкість нагріву чи охолодження зображується на графіку прямою лінією з певним кутом нахилу. У результаті ТО в сплавах відбуваються структурні зміни. Після ТО металеві сплави можуть знаходитися в стані рівноваги (стабільному) і нерівноважному (метастабільні) стані.
Б. Види ТО стали
СТО - власне-термічна обробка (передбачає тільки температурний вплив на метал).
ТМО-термомеханічна обробка сталі (передбачає зміну структури металу за рахунок як термічного, так і деформаційного впливу).
ХТО-хіміко-термічна обробка сталі (у результаті взаємодії з навколишнім середовищем при нагріванні змінюється склад поверхневого шару металу і відбувається його насичення різними хімічними елементами).
2.СТО
Включає: відпал, нормалізацію, загартування, відпустка і старіння.
А. Відпал.
Складається в нагріванні до певної температури з наступною витримкою і повільним охолоджуванням в печі для отримання рівноважної, менш твердої структури, вільної від залишкових напружень.
Відпал I роду: не пов'язаний з фазовими перетвореннями у твердому стані. Залежно від призначення розрізняють такі види відпалу Iрода: дифузний, рекрісталлізаціонний і відпал для зняття внутрішніх напружень.
Дифузійний відпал, або гомогенізація, є різновидом відпалу, який застосовується з метою усунення в легованої сталі (як і в інших сплавах) дендритной ліквації.
При дифузійному відпалі з метою інтенсифікації дифузійних процесів сталь нагрівається до 1000-1100 ° С і піддається тривалій витримці (18-24 год). Для усунення грубозернистої після гомогенізації проводиться звичайний відпал, або нормалізація.
Рекрісталлізаціонний відпал. Цей вид отжига проводиться з метою усунення наклепу холодного деформованого металу. Нагадаємо, що наклепанной метал дуже твердий і крихкий, його кристалічна решітка внаслідок високої щільності дислокацій і наявності великого числа інших дефектів (вакансій, переміщених в міжвузля атомів), а також з-за спотворень і великих внутрішніх напружень знаходиться в нерівноважному стані, володіючи великим запасом надлишкової вільної енергії. У сильно наклепанной металі через злиття дислокацій в місцях їх скупчення спостерігаються небезпечні дефекти - зародки тріщин.
Отже, в ряді випадків наклеп доводиться усувати. Для цього потрібно нагрів, стимулюючий дифузійні процеси. Наклеп можна усунути, застосовуючи вже розглянутий звичайний відпал. Однак рекрісталлізаціонний відпал через значно більш низької температури і набагато меншою тривалості його проведення при практично однакових результати більш кращий.
Температура нагрівання при цьому виді відпалу вибирається на 150-250 ° С вище температури рекристалізації (Г р) оброблюваного сплаву. Це найменша температура, необхідна для протікання в наклепанной металі процесів, які повертають йому вихідні (до деформації) значення характеристик механічних та інших властивостей.
Рекрісталлізаціонний відпал вуглецевої сталі здійснюється при температурі нагріву в межах 600-700 ° С.
Самостійна робота: відпал для зняття внутрішніх напружень.
Нормалізація. Особливостями режиму цього виду термообробки є температура нагріву і охолодження на спокійному повітрі. Ці особливості обумовлені специфічними цілями нормалізації. Стосовно до доевтектоїдних сталей, особливо низьковуглецевих (0,05-0,25% С), нормалізація за більш короткий час і при більшій простоті режиму охолодження дозволяє отримати ті ж результати, що і при відпалі, тобто досить ефективне подрібнення зерна у литих і кованих заготовок.
Так як охолодження на повітрі забезпечує більш високу ступінь переохолодження аустеніту, ніж при відпалі, то продукти його розпаду виявляються більш дисперсними. Внаслідок цього нормалізацією можна отримати більш сприятливу дрібнозернисту структуру сталі, що володіє підвищеними властивостями міцності.
У ряді випадків, коли від матеріалу вироби не потрібно підвищених міцнісних властивостей, нормалізація замінює загартування. Особливо це стосується деталей з низьковуглецевої сталі, для яких застосування гарту виключається з-за дуже високої критичної швидкості гартування.
При нормалізації заевтектоідних сталей з-за прискореного виділення з аустеніту надлишкового (вторинного) цементиту небажана цементітную сітка навколо перлітним зерен не утворюється. У зв'язку з цим однією з цілей нормалізації є руйнування згаданої сітки у заевтектоідних сталей.
Загартування. Історично склалося поняття «гарт» передбачає таку термообробку, при якій сталь набуває нерівноважну структуру, що перш за все виражається у підвищенні твердості сталі. У зв'язку з цим до гартування можна віднести термообробку на сорбіт, тростит, бейніт і мартенсит (самостійна робота студента). Ступінь нерівноважності продуктів гарту з збільшенням швидкості охолодження підвищується і зростає від сорбіту до мартенситу.
Загартовування на мартенсит прийнято вважати істинної загартуванням. Найважливішою перевагою істинної гарту є можливість одержання з мартенситу за рахунок подальшого відпуску продуктів з такими цінними комплексами властивостей, які іншими видами термообробки отримати неможливо.
Критична швидкість загартування має дуже важливе значення. Від неї залежить таке технологічне властивість стали, як прокаливаемость, тобто здатність загартовуватися на певну глибину.
Таким чином, введенням в сталь вуглецю і легуючих елементів можна підвищити прокаливаемость.
Прокаливаемость прийнято оцінювати за допомогою спеціальних циліндричних зразків по глибині залягання в них полумартенсітного шару при охолодженні торця нагрітого зразка струменем холодної води.
Оскільки зміна швидкості охолодження від поверхні в глиб деталі залежить від температури і роду охолоджуючої середовища, то при оцінці прокаливаемости слід враховувати й ці чинники.
Однією з цілей легування конструкційних сталей є зменшення критичної швидкості гартування і отримання наскрізний прокаливаемости виготовлених з них деталей при загартуванню не тільки у воді, але і в більш структурно-фазового складу. Інтенсивність і результат цих перетворень залежать від температури відпустки.
У першу групу входять ріжучий і міряльний інструменти, а також штампи для холодної штампування. Від їх матеріалу потрібні висока твердість (понад 58 HRC) і хоча б невеликий запас в'язкості.
Другу групу складають пружини, ресори та інші вироби, від матеріалу яких потрібно поєднання високої межі пружності з задовільною в'язкістю.
Третя група виробів включає більшість деталей машин, що випробовують статичні і особливо динамічні або циклічні навантаження. При тривалій експлуатації виробів від їх матеріалу потрібно поєднання задовільних міцнісних властивостей з максимальними показниками в'язкості.
Способи загартування стилі. Вибір способу охолодження нагрітої під загартування сталевої деталі залежить від її форми і розмірів і хімічного складу сталі.
Чим складніше форма і більше перетин деталі, тим вище напруги, що виникають при загартуванню, і більше небезпека утворення тріщин. Чим більше вміст вуглецю в сталі, тим більші об'ємні зміни протікають при перетворенні, тим більше небезпека деформації і тріщин, тим ретельніше має бути вибір способу охолодження при гартуванні.
Ідеальна крива охолодження повинна характеризуватися максимальною швидкістю на початку охолодження при проходженні інтервалу найменшої стійкості аустеніту і мінімальною швидкістю в кінці охолодження при мартенситних перетворенні
Найбільш простий спосіб загартування - це загартування в одному охолоджувачі, при якому нагріта деталь занурюється в охолоджуючу рідину і лишається там до повного охолодження. Недоліком цього способу є виникнення значних внутрішніх напружень. Для вуглецевих сталей перетином більше 5 мм гартівних середовищем є вода, для деталей менших розмірів і легованих сталей - масло.
Для зменшення внутрішніх напружень застосовується гарт у двох середовищах, при якій деталь спочатку охолоджують у воді до 300-400 ° С, а потім для остаточного охолодження переносить в масло. Недоліком цього способу є трудність регулювання витримки деталей в нерпи охолоджуючої рідини.
Точне регулювання часу витримки деталі у першій охолоджуючої рідини досягається при ступінчастій загартуванню. При цьому способі деталь швидко охолоджується зануренням в соляну ванну з температурою, трохи перевищує (на 30-50 0) температуру мартенситного перетворення даної сталі витримується при цій температурі до досягнення однакової температури по всьому перетину, після чого охолоджується на повітрі. Мартенситне перетворення відбувається при повільному охолодженні на повітрі, що різко знижує внутрішні напруги і можливість викривлення.
Відпустка.
Отже, в залежності від температури нагріву існує три види відпустки: низькотемпературний (низький), середньотемпературна (середній) і високотемпературний (високий).
Відпустка має на меті не просто усунути внутрішні напруги в загартованої сталі. Він є засобом додання стали необхідного комплексу властивостей. І ще дуже важливо мати на увазі: при збільшенні температури відпустки зростає ступінь дифузійного розпаду мартенситу на ферритно-цементітную суміш, що обумовлює зменшення міцнісних властивостей сталі і підвищення її в'язкості.
Таким чином, при нагріванні і витримці створюються умови для протікання дифузійних процесів в пересиченої вуглецем ОЦК решітці мартенситу, що перетворилася на тетрагональную.
Низькотемпературний (низький) відпустка проводиться при 150-180 ° С, а для легованих сталей - до 250 ° С. У цьому випадку при низької інтенсивності дифузійних процесів в мартенсит відбувається тільки початкова стадія до його переходу в рівноважний стан.
При низькій відпустці мартенсит лише частково звільняється від пересищающіх його грати атомів вуглецю. Тому основу мартенситу відпустки складає все ще пересичений твердий розчин вуглецю в a-Fe.
Самостійна робота: відпускна крихкість I, II роду і способи її усунення.
Підсумки ТО:
Відпал: нагрів до певної температури з наступною витримкою і повільним охолоджуванням в печі.
Нормалізація: нагрів до аустенітного стану.
Загартування: нагрівання вище температур фазових перетворень, витримці і охолодженні з високою швидкістю.
Відпустка: нагрівання нижче критичної точки і наступним охолодженням.
Поліпшення: загартування з високим відпусткою (поліпшує загальний комплекс механічних властивостей, найбільш ефективна ТО для конструкційних сталей).
Завдання:
призначити термообробку деталей машин:
-Зубчастих коліс;
-Навантаженим валів;
-Шпонках.
(У відповідності з кресленнями деталей машин).
Цілі:
1.Изучить теоретичні основи термічної обробки сталі
2.Ізучіть СТО і її застосування на практиці.
Термічна обробка стали
1.Теоретические основи ТО.
А. Загальні відомості.
Термічною обробкою називається сукупність операцій нагріву, витримки та охолодження твердих металевих сплавів, з метою отримання заданих властивостей за рахунок зміни внутрішньої будови і структури.
ТО-термічна обробка.
Так як основними чинниками будь-якого виду ТО є температура і час, то режим ТО зазвичай представляється графіком в координатах t - τ, де t - температура; τ - час.
Кут нахилу характеризує швидкість нагріву чи охолодження. Постійна швидкість нагріву чи охолодження зображується на графіку прямою лінією з певним кутом нахилу. У результаті ТО в сплавах відбуваються структурні зміни. Після ТО металеві сплави можуть знаходитися в стані рівноваги (стабільному) і нерівноважному (метастабільні) стані.
Б. Види ТО стали
СТО - власне-термічна обробка (передбачає тільки температурний вплив на метал).
ТМО-термомеханічна обробка сталі (передбачає зміну структури металу за рахунок як термічного, так і деформаційного впливу).
ХТО-хіміко-термічна обробка сталі (у результаті взаємодії з навколишнім середовищем при нагріванні змінюється склад поверхневого шару металу і відбувається його насичення різними хімічними елементами).
2.СТО
Включає: відпал, нормалізацію, загартування, відпустка і старіння.
А. Відпал.
Складається в нагріванні до певної температури з наступною витримкою і повільним охолоджуванням в печі для отримання рівноважної, менш твердої структури, вільної від залишкових напружень.
Відпал I роду: не пов'язаний з фазовими перетвореннями у твердому стані. Залежно від призначення розрізняють такі види відпалу Iрода: дифузний, рекрісталлізаціонний і відпал для зняття внутрішніх напружень.
Дифузійний відпал, або гомогенізація, є різновидом відпалу, який застосовується з метою усунення в легованої сталі (як і в інших сплавах) дендритной ліквації.
При дифузійному відпалі з метою інтенсифікації дифузійних процесів сталь нагрівається до 1000-1100 ° С і піддається тривалій витримці (18-24 год). Для усунення грубозернистої після гомогенізації проводиться звичайний відпал, або нормалізація.
Рекрісталлізаціонний відпал. Цей вид отжига проводиться з метою усунення наклепу холодного деформованого металу. Нагадаємо, що наклепанной метал дуже твердий і крихкий, його кристалічна решітка внаслідок високої щільності дислокацій і наявності великого числа інших дефектів (вакансій, переміщених в міжвузля атомів), а також з-за спотворень і великих внутрішніх напружень знаходиться в нерівноважному стані, володіючи великим запасом надлишкової вільної енергії. У сильно наклепанной металі через злиття дислокацій в місцях їх скупчення спостерігаються небезпечні дефекти - зародки тріщин.
Отже, в ряді випадків наклеп доводиться усувати. Для цього потрібно нагрів, стимулюючий дифузійні процеси. Наклеп можна усунути, застосовуючи вже розглянутий звичайний відпал. Однак рекрісталлізаціонний відпал через значно більш низької температури і набагато меншою тривалості його проведення при практично однакових результати більш кращий.
Температура нагрівання при цьому виді відпалу вибирається на 150-250 ° С вище температури рекристалізації (Г р) оброблюваного сплаву. Це найменша температура, необхідна для протікання в наклепанной металі процесів, які повертають йому вихідні (до деформації) значення характеристик механічних та інших властивостей.
Рекрісталлізаціонний відпал вуглецевої сталі здійснюється при температурі нагріву в межах 600-700 ° С.
Самостійна робота: відпал для зняття внутрішніх напружень.
Нормалізація. Особливостями режиму цього виду термообробки є температура нагріву і охолодження на спокійному повітрі. Ці особливості обумовлені специфічними цілями нормалізації. Стосовно до доевтектоїдних сталей, особливо низьковуглецевих (0,05-0,25% С), нормалізація за більш короткий час і при більшій простоті режиму охолодження дозволяє отримати ті ж результати, що і при відпалі, тобто досить ефективне подрібнення зерна у литих і кованих заготовок.
Так як охолодження на повітрі забезпечує більш високу ступінь переохолодження аустеніту, ніж при відпалі, то продукти його розпаду виявляються більш дисперсними. Внаслідок цього нормалізацією можна отримати більш сприятливу дрібнозернисту структуру сталі, що володіє підвищеними властивостями міцності.
У ряді випадків, коли від матеріалу вироби не потрібно підвищених міцнісних властивостей, нормалізація замінює загартування. Особливо це стосується деталей з низьковуглецевої сталі, для яких застосування гарту виключається з-за дуже високої критичної швидкості гартування.
При нормалізації заевтектоідних сталей з-за прискореного виділення з аустеніту надлишкового (вторинного) цементиту небажана цементітную сітка навколо перлітним зерен не утворюється. У зв'язку з цим однією з цілей нормалізації є руйнування згаданої сітки у заевтектоідних сталей.
Загартування. Історично склалося поняття «гарт» передбачає таку термообробку, при якій сталь набуває нерівноважну структуру, що перш за все виражається у підвищенні твердості сталі. У зв'язку з цим до гартування можна віднести термообробку на сорбіт, тростит, бейніт і мартенсит (самостійна робота студента). Ступінь нерівноважності продуктів гарту з збільшенням швидкості охолодження підвищується і зростає від сорбіту до мартенситу.
Загартовування на мартенсит прийнято вважати істинної загартуванням. Найважливішою перевагою істинної гарту є можливість одержання з мартенситу за рахунок подальшого відпуску продуктів з такими цінними комплексами властивостей, які іншими видами термообробки отримати неможливо.
Критична швидкість загартування має дуже важливе значення. Від неї залежить таке технологічне властивість стали, як прокаливаемость, тобто здатність загартовуватися на певну глибину.
Таким чином, введенням в сталь вуглецю і легуючих елементів можна підвищити прокаливаемость.
Прокаливаемость прийнято оцінювати за допомогою спеціальних циліндричних зразків по глибині залягання в них полумартенсітного шару при охолодженні торця нагрітого зразка струменем холодної води.
Оскільки зміна швидкості охолодження від поверхні в глиб деталі залежить від температури і роду охолоджуючої середовища, то при оцінці прокаливаемости слід враховувати й ці чинники.
Однією з цілей легування конструкційних сталей є зменшення критичної швидкості гартування і отримання наскрізний прокаливаемости виготовлених з них деталей при загартуванню не тільки у воді, але і в більш структурно-фазового складу. Інтенсивність і результат цих перетворень залежать від температури відпустки.
У першу групу входять ріжучий і міряльний інструменти, а також штампи для холодної штампування. Від їх матеріалу потрібні висока твердість (понад 58 HRC) і хоча б невеликий запас в'язкості.
Другу групу складають пружини, ресори та інші вироби, від матеріалу яких потрібно поєднання високої межі пружності з задовільною в'язкістю.
Третя група виробів включає більшість деталей машин, що випробовують статичні і особливо динамічні або циклічні навантаження. При тривалій експлуатації виробів від їх матеріалу потрібно поєднання задовільних міцнісних властивостей з максимальними показниками в'язкості.
Способи загартування стилі. Вибір способу охолодження нагрітої під загартування сталевої деталі залежить від її форми і розмірів і хімічного складу сталі.
Чим складніше форма і більше перетин деталі, тим вище напруги, що виникають при загартуванню, і більше небезпека утворення тріщин. Чим більше вміст вуглецю в сталі, тим більші об'ємні зміни протікають при перетворенні, тим більше небезпека деформації і тріщин, тим ретельніше має бути вибір способу охолодження при гартуванні.
Ідеальна крива охолодження повинна характеризуватися максимальною швидкістю на початку охолодження при проходженні інтервалу найменшої стійкості аустеніту і мінімальною швидкістю в кінці охолодження при мартенситних перетворенні
Найбільш простий спосіб загартування - це загартування в одному охолоджувачі, при якому нагріта деталь занурюється в охолоджуючу рідину і лишається там до повного охолодження. Недоліком цього способу є виникнення значних внутрішніх напружень. Для вуглецевих сталей перетином більше
Для зменшення внутрішніх напружень застосовується гарт у двох середовищах, при якій деталь спочатку охолоджують у воді до 300-400 ° С, а потім для остаточного охолодження переносить в масло. Недоліком цього способу є трудність регулювання витримки деталей в нерпи охолоджуючої рідини.
Точне регулювання часу витримки деталі у першій охолоджуючої рідини досягається при ступінчастій загартуванню. При цьому способі деталь швидко охолоджується зануренням в соляну ванну з температурою, трохи перевищує (на 30-50 0) температуру мартенситного перетворення даної сталі витримується при цій температурі до досягнення однакової температури по всьому перетину, після чого охолоджується на повітрі. Мартенситне перетворення відбувається при повільному охолодженні на повітрі, що різко знижує внутрішні напруги і можливість викривлення.
Відпустка.
Отже, в залежності від температури нагріву існує три види відпустки: низькотемпературний (низький), середньотемпературна (середній) і високотемпературний (високий).
Відпустка має на меті не просто усунути внутрішні напруги в загартованої сталі. Він є засобом додання стали необхідного комплексу властивостей. І ще дуже важливо мати на увазі: при збільшенні температури відпустки зростає ступінь дифузійного розпаду мартенситу на ферритно-цементітную суміш, що обумовлює зменшення міцнісних властивостей сталі і підвищення її в'язкості.
Таким чином, при нагріванні і витримці створюються умови для протікання дифузійних процесів в пересиченої вуглецем ОЦК решітці мартенситу, що перетворилася на тетрагональную.
Низькотемпературний (низький) відпустка проводиться при 150-180 ° С, а для легованих сталей - до 250 ° С. У цьому випадку при низької інтенсивності дифузійних процесів в мартенсит відбувається тільки початкова стадія до його переходу в рівноважний стан.
При низькій відпустці мартенсит лише частково звільняється від пересищающіх його грати атомів вуглецю. Тому основу мартенситу відпустки складає все ще пересичений твердий розчин вуглецю в a-Fe.
Самостійна робота: відпускна крихкість I, II роду і способи її усунення.
Підсумки ТО:
Відпал: нагрів до певної температури з наступною витримкою і повільним охолоджуванням в печі.
Нормалізація: нагрів до аустенітного стану.
Загартування: нагрівання вище температур фазових перетворень, витримці і охолодженні з високою швидкістю.
Відпустка: нагрівання нижче критичної точки і наступним охолодженням.
Поліпшення: загартування з високим відпусткою (поліпшує загальний комплекс механічних властивостей, найбільш ефективна ТО для конструкційних сталей).
Завдання:
призначити термообробку деталей машин:
-Зубчастих коліс;
-Навантаженим валів;
-Шпонках.
(У відповідності з кресленнями деталей машин).