Термическая обработка конструкционных сталей

 

Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин и конструкций, испытывающих при работе высокие механические напряжения и ударные нагрузки. Для обеспечения эксплуатационной надежности и долговечности деталей эти стали должны обладать наилучшим сочетанием достаточно высоких прочностных (σ_в, σ_0,2) и пластических свойств (δ, ψ), включая необходимый уровень вязкости. Требуемое сочетание свойств обеспечивается в сталях, содержащих 0,3…0,5 % С, после закалки с высоким отпуском.

Для выполнения лабораторной работы необходимы образцы из углеродистой (марок 45, 40, 35) и легированной (марок 40Х, 30ХГС и т. п.)
сталей, электропечь для закалки (840…860 °С), две электропечи для отпуска (нагретые на 250 и 500 °С), твердомеры Бринелля и Роквелла, шлифовальная шкурка средней зернистости, закалочные емкости с водой и маслом.

Порядок выполнения работы

 

1. Нагреть образцы из предложенных преподавателем двух марок стали (одна – углеродистая, вторая – легированная) до закалочных темпе-ратур (860…840 °С). Время нагрева оценивается из расчета 1 мин на 1 мм толщины или диаметра образцов.

2. По одному образцу из каждой исследуемой стали охладить на воздухе, в масле, в воде.

3. Зачистить торцевые поверхности образцов шлифовальной шкуркой.

 

Таблица 5.1

 

Марка стали	Содержание основных элементов	Температура закалки, °С	Среда охлаждения	HRC, HB	Температура отпуска, °С	HRC, HB
Углеродистая		840…860	Вода
Масло
Воздух		–
Легированная		840…860	Вода
Масло
Воздух		–

 

 

 

 

4. Измерить твердость образцов после всех вариантов охлаждения (по Бринеллю – после охлаждения на воздухе, по Роквеллу – после охлажде-ния в масле и в воде).

5. Выполнить отпуск образцов, закаленных в масле и в воде, при температурах 250 и 500 °С в течение 30…45 мин и охладить на воздухе.

6. Измерить твердость отпущенных образцов по Роквеллу.

7. Оформить рабочую таблицу 5.1 и построить графики изменения твердости.

 

Термическая обработка инструментальных

Углеродистых сталей

 

Инструментальные углеродистые стали предназначены для изготовления режущих (напильников, метчиков, разверток, стамесок и т. п.) и штамповых (матриц, пуансонов, накатников и т. п.) инструментов.

Требуемые эксплуатационные свойства, такие, как способность длительное время сохранять остроту режущих кромок, высокую прочность, твердость, износостойкость, обеспечиваются высоким содержанием углерода в стали (0,7…1,2 % С) и термической обработкой, заключающейся в закалке на максимальную твердость (свыше HRC 60) с последующим низким отпуском (150…200 °С). Низкий отпуск сохраняет высокую твердость закаленной стали и несколько повышает ее вязкость за счет уменьшения внутренних закалочных напряжений.

Углеродистые инструментальные стали обозначаются марками У7, У8, У9, У10, У11 и У12, где цифры обозначают содержание углерода в десятых долях процента. Из-за отсутствия специальных легирующих элементов эти стали не обладают теплостойкостью, т. е. они не способны сохранять высокую твердость после разогрева свыше 200 °С. Поэтому их используют для изготовления преимущественно ручного инструмента, работающего при небольших скоростях резания без существенного разогрева. При повышенных скоростях резания, например, на токарных и сверлильных станках, инструмент разогревается, теряет твердость, его последующая перезаточка бесполезна и для таких условий работы следует переходить на более теплостойкие легированные инструментальные стали вплоть до быстрорежущих, которые допускают разогрев инструмента до 500 – 600 °С.

Для выполнения лабораторной работы необходимы образцы из углеродистых инструментальных сталей (марок У7, У8, У10), электропечи для закалки и отпуска, закалочные емкости с водой, твердомер Роквелла, шлифовальная шкурка средней зернистости.

Порядок выполнения работы

1. Нагреть образцы до закалочных температур (для стали марок У7, У8 – 800…820 °С; для У10, У12 – 780…800 °С) в течение 20…30 мин (для образцов диаметром или толщиной 20…30 мм).

2. Охладить образцы в воде при интенсивном покачивании.

3. Зачистить торцовые поверхности образцов шлифовальной шкуркой

4. Измерить твердость образцов на приборе Роквелла (HRC).

5. Выполнить отпуск образцов при температурах 150 и 300 °С в тече-ние 1 ч и охладить образцы на воздухе. Измерить твердость.

6. Оформить табл. 2 и построить графики изменения твердости.

 

Таблица 5.2

 

Марка стали	Содержание основных элементов	Температура закалки, °С	Среда охлаждения	HRC	Температура отпуска, °С	HRC

 

 

HRC 70

Без 100 200 300 400 500 отп.   Температура отпуска, °С

 

 

Контрольные вопросы

 

 

1. Какую операцию термической обработки следует использовать для максимального разупрочнения (смягчения) стали перед обработкой резанием, гибкой, штамповкой?

2. Как следует выбирать режимы отжига стали (температуру нагрева, способ охлаждения)?

3. В каких случаях и с какой целью следует применять нормализацию стали? Каковы особенности выбора режимов нормализации?

4. В чем различие операций отжига, нормализации, закалки?

5. Какая операция термической обработки обеспечивает наибольшую твердость, прочность и износостойкость стали и как ее следует выполнять?

6. Почему закаленную сталь необходимо обязательно подвергать отпуску?

7. Укажите режимы и назначение низкого отпуска.

8. Укажите режимы и назначение среднего отпуска.

9. Укажите режимы и назначение высокого отпуска.

10. Назовите возможные причины заниженной твердости стали после закалки.

11. Расскажите о диаграмме фазового состояния углеродистой стали (в зависимости от процентного содержания в ней углерода) от ее температуры в процессе термообработки.

12. Что означают термины аустенит, перлит, цементит, феррит и что из себя они представляют при визуальном наблюдении?

13. Расскажите о диаграмме изменения механических свойств закаленной стали (на примере стали марки 45) в зависимости от температуры отпуска.

14. Чем отличаются друг от друга термические обработки углеродистых, конструкционных и инструментальных сталей?

15. Расскажите о линиях равновесного состояния на диаграммах состояний металлов.

 

Лабораторная работа 6

 

МАГНИТНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ МАГНИТОПОРОШКОВЫМ МЕТОДОМ

 

Общие сведения

 

1

В основу магнитного порошкового контроля положен принцип создания в ферромагнитных материалах магнитного потока, образующего поля рассеивания над дефектами (рис. 6.1). Поля рассеивания образуют местную полюсность на поверхности детали, ограниченную контуром дефекта. При посыпке детали магнитным порошком или погружении его в жидкость со взвешенными в ней частицами магнитного порошка местная полюсность вызывает интенсивное осаждение порошка по контуру дефекта.

2

 

Рис. 6.1. Поля рассеивания над дефектом:

1 – наружный щелевидный дефект; 2 – внутренние дефекты

 

	1

	а		б

 

Рис. 6.2. Полюсное намагничивание:

а – электромагнитом; б – в соленоиде;

1 – выявляемые дефекты; 2 – деталь

Магнитным методом выявляют поверхностные и подповерхностные дефекты на глубине до 6 мм, усталостные, термические и шлифовочные трещины, волосовины, закаты и дефекты сварных швов (непровары, поры и др.). Контроль детали производят в присутствии намагничивающего поля и на остаточной намагниченности, причем намагничивают целиком всю деталь или по участкам.

Для создания направленного магнитного потока применяют следующие способы намагничивания:

1) полюсное – при котором деталь приобретает явно выраженные магнитные полюсы, осуществляемые: а) постоянным магнитом или электромагнитом со стальным сердечником (рис. 6.2, а); б) помещением детали в соленоид или прокладыванием по нему шины (рис. 6.2, б);

2) циркулярное – при котором магнитные линии замыкаются внутри самой детали и она не имеет явных полюсов, осуществляемое:
а) пропусканием тока через деталь (чисто циркулярное) (рис. 6.3, а);
б) пропусканием тока через проводники внутри полой детали (тороидное) (рис. 6.3, б);

3) комбинированное – осуществляемое пропусканием тока через деталь, помещенную между полюсами электромагнита (рис. 6.4).

1 2 1

а б

Рис. 6.3. Циркулярное намагничивание пропусканием тока:

а – через деталь; б – через проводник (тороидное); 1 – выявляемые дефекты; 2 – деталь

	1 2 3

Рис. 6.4. Комбинированное намагничивание:

1 – деталь; 2 – выявляемые дефекты; 3 – прокладка из диэлектрика