Лабораторно - практическая работа Закалка и отпуск стали

Цель работы: Изучение влияния закалки и отпуска на механические свойства сталей.

Краткие теоретические сведения: Для того, чтобы повысить механические свойства стали, производится ее закалка с последующим отпуском. Термообработка (закалка) заключается в том, что сталь нагревают до определенной температуры, благодаря чему изменяется структура металла. Это позволяет повысить прочность, износостойкость и хладоломкость (то есть, способность металла не ломаться и не трескаться при холодной обработке).
Скорость и температура нагрева, а также время выдержки при данной температуре и скорость охлаждения, определяют режимы выполнения работы. После завершения данного процесса конструкционные стали становятся более прочными, а инструментальные - твердыми и износостойкими. Закаленная сталь становится по своей структуре мартенситом.
В зависимости от химического состава выбирается температура нагрева для закаливания. Доэвтектоидные разновидности нагревают до температуры выше точки АС3 на 30-50 градусов и позволяют получать материал однородного аустенита, который охлаждают со скоростью, превышающей скорость закалки. В результате этого сталь превращается в мартенсит, а закалка носит название «полной». Если доэвтектоидную сталь нагревать до критической температуры АС1 - АС3, то мартенсит может сохранить в своей структуре феррит, который снизит ее твердость.
Заэвтектоидная разновидность нагревается выше АС1 на 20-300 С, это называется «неполной закалкой». Цементит сохраняется в процессе нагрева и охлаждения, что способствует повышению твердости (цементит тверже мартенсита).
После нагрева состав требуется быстро охладить при температуре 650-550 С (при данной температуре аустенит менее устойчив), чтобы получить структуру мартенсита. В том случае, когда аустенит превращается в мартенсит при температуре ниже 240 С, применяется замедленное превращение, при котором внутренне напряжение выравнивается, а твердость мартенсита сохраняется. Для того чтобы термообработка прошла успешно, необходимо правильно подобрать закаливающую среду.
Чаще всего закалка стали проводится в воде, 5-10 % растворе едкого натра, масле или же поваренной соли. Углеродистые стали закаливают в воде с температурой 180 С, а легированные - в минеральном масле.

Способы закалки бывают следующие:

• Закалка в одной среде (охладителе). При этом способе нагретую до определенной температуры заготовку помещают в закалочную среду, где она находится до полного охлаждения. Этот способ применяют для простых деталей из углеродистой и легированной сталей;
• Закалка в 2-х средах (прерывистая). Детали быстро охлаждают в воде, а затем медленно в масле. Применяют для высокоуглеродистых сталей;
• Закалка струйчатая. Определенная часть детали интенсивно обрызгивается струей воды. Она производится на установках ТВЧ и в индукторах;
• Закалка ступенчатая. Закалка производится в среде, температура которой выше, чем мартенситная точка данного типа материала. Деталь, охлаждаемая и выдерживаемая в закаливающей среде, приобретает одинаковую температуру во всех точках сечения. Далее деталь медленно охлаждается и происходит процесс превращения аустенита в мартенсит;
• Закалка изотермическая. При таком способе деталь выдерживается в закаливающей среде время, при котором происходит изотермическое превращение аустенита в мартенсит, чем и отличается от ступенчатой закалки.

После того, как материал подвергли закаливанию, производится его отпуск. Отпуском стали называется техпроцесс, при котором закаленный на мартенсит металл подвергается мартенситному распаду или рекристаллизации. Отпуск производится с целью придания стали высокой пластичности и снижения хрупкости с сохранением прочности. Он заключается в нагреве детали до температуры от 150-260 до 370-650 С, после чего производится медленное остывание.

Он может быть следующих видов:
• низкотемпературный, проводимый до 250 С для деталей из низколегированных и углеродистых сталей. Все металлорежущие и измерительные инструменты подвергаются низкотемпературному отпуску;
• среднетемпературный, проводится при температуре 350-500 С. Его проводят для пружин, штампов и рессор. После отпуска детали охлаждают в воде. Такой способ значительно увеличивает срок службы пружин;
• высокотемпературный. Он проводится при температурах в 500-680 С и дает возможность для сохранения высокой прочности, вязкости, а также пластичности. Применяется для валов и зубчатых колес.

Оборудование: Муфельная печь, твердомер, напильники, тиски, образцы для закаливания.

Порядок выполнения работы:

1. Определите твёрдость образцов до закалки.

2. По таблице 1 выберите температуру нагрева для каждого образца.

3. Нагрейте образцы до указанной температуры и выдержите их в печи до выравнивания температуры печи и образца.

4. Охладите деталь в воде.

5. Измерьте твёрдость по Роквеллу.

6. Произведите отпуск образца в соответствии с данными таблицы 1.

7. Заполните таблицу 2.

Таблица 1

Марка стали

Температура нагрева

для закалки

Охлаждающая среда

Темпера отпуска

Твёрдость HRC

после закалки

30

850…890

вода

300…400

50…41

400…500

41…31

500…600

31…23

45

810…840

вода

200…300

54-55

300…400

50-41

400…500

41-31

У8

770…800

вода

160…200

61-63

200…300

61-63

300..400

37-46

Таблица 2

Образец

Марка

стали

Твёрдость

HRC до

закалки

Температура

нагрева, С.

Время нагрева мин.

Способ охлаждения

Твёрдость

HRC после

закалки

Температура

Отпуска С.

Твёрдость

HRC после

отпуска

Предполагаемая структура.

1

У8

2

45

3

30