ПЗ ОП 04 Материаловедение

                            ГБПОУ «Чебаркульский профессиональный техникум»

                                          Методические указания

                         к выполнению практических и лабораторных  работ

                                  по  дисциплине ОП.04 Материаловедение

                           для специальности 150412 Обработка металлов давлением

                                                                                  2016 г.

                                                  Пояснительная записка

Методические указания к выполнению практических работ обучающимися по дисциплине ОП.04

Материаловедение предназначены для обучающихся по специальности 150412 Обработка металлов давлением.

Цель методических указаний: оказание помощи обучающимся в выполнении практических и лабораторных работ по дисциплине ОП.04 Материаловедение.

Настоящие методические указания содержат работы, которые позволят обучающимся самостоятельно овладеть фундаментальными знаниями, профессиональными умениями и навыками деятельности по дисциплине , опытом творческой и исследовательской деятельности и направлены на формирование   знаний и умений.

В результате выполнения практических и лабораторных  работ обучающиеся должны

уметь:

- распознавать и классифицировать конструкционные и сырьевые материалы по внешнему виду, происхождению, свойствам;

- определять виды конструкционных материалов;

- выбирать материалы для конструкций по их назначению и условиям эксплуатации;

- проводить исследования и испытания материалов.

знать:

- закономерности процессов кристаллизации и структурообразования металлов и сплавов, основы их термообработки, способы защиты металлов от коррозии;

- классификацию и способы получения композиционных материалов;

- принципы выбора конструкционных материалов для применения в производстве;

- строение и свойства металлов, методы их использования;

- классификацию материалов, металлов и сплавов, их области применения.

Описание каждой практической и лабораторной работы содержит: тему, цели работы, задания, основной теоретический материал, порядок выполнения работы, формы контроля. Для получения дополнительной, более подробной информации по изучаемым вопросам, приведено учебно-методическое и информационное обеспечение.

 Тематический план практических и лабораторных  работ по дисциплине

                                        ОП.04  Материаловедение

Название практической или лабораторной  работы	Количество часов
Лабораторная работа № 1 Определение твердости металлов методами Роквелла и Бринелля	4
Лабораторная  работа № 2 Микроанализ железоуглеродистых сплавов применяемых в кузнечно-прессовом призводстве	2
Лабораторная  работа № 3 Закалка и отпуск углеродистой стали	4
Практическая работа № 1 Выбор вида и режимов термической обработки для различных материалов и выявление влияния режимов термообработки на структуру и свойства слали	4
Лабораторная работа № 4 Структура, свойства и применение чугунов	2
Практическая работа № 2 Определение структуры сталей и их свойств	4
Практическая работа № 3 Расшифровка марок легированных сталей	4
Итого	24 часов

                                                        Лабораторная работа № 1

Тема : Определение твердости металлов методами Роквелла и Бринелля

Цель: Ознакомиться с основными методами определения твердости

Оборудование: Прессы Роквелла и Бринелля

                                                      Ход работы

1.      Ознакомиться с оборудованием по определению твердости металлов и методическими рекомендациями

Метод измерения твердости по Бринеллю регламентирован ГОСТ 9012.

При определении твердости этим методом стальной шарик определенного диаметра D вдавливают в тестируемый образец под действием нагрузки Р, приложенной перпендикулярно к поверхности образца, в течение определенного времени (Рис. 1). После снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка d. Число твердости по Бринеллю обозначается буквами НВ, и его определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка F.

Для удобства имеются таблицы чисел твердости по Бринеллю и зависимости от диаметра шарика D, диаметра отпечатка d и нагрузки Р.

  

Рис. 1. Схема измерения твердости по Бринеллю

В качестве инденторов используют полированные (Ra < 0,04 мкм) шарики из стали ШХ15 с номинальными диаметрами D = 1; 2; 2,5; 5 и 10 мм, последние считаются более предпочтительными, как обеспечивающие большую точность измерения твердости (особенно при измерении твердости чугуна или крупнозернистых сплавов).

Минимально допустимая толщина образца для корректного измерения твердости НВ должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка h.

Испытания проводят при комнатной температуре в отсутствие вибраций и ударов. Время выдержки под нагрузкой т для черных металлов составляет 10...15 с, а для цветных металлов и сплавов от 10 до 180 с. Нагрузку на индентор выбирают с учетом соотношения К = Р/D²:

Металлы и сплавы                                               К, кгс/мм²

Сталь, чугун и другие высокопрочные сплавы ………....30

Медь, никель и их сплавы........................................10

Алюминий, магний и их сплавы................................ 5

Например, при испытании сталей и чугунов при диаметре шарика D = 10 мм нагрузка должна быть 3000 кгс, а время выдержки под нагрузкой 10...15 с. Число твердости в этом случае обозначается цифрами со стоящим после них символом НВ (например, 250 НВ). Иногда после букв НВ указывают условия испытаний - НВ D/P/τ,например: 250 НВ 5/750/25 - твердость по Бринеллю 250, полученная при диаметре шарика D = 5 мм, нагрузкеР = 750 кгс и времени выдержки под нагрузкой т = 25 с.

Измерение твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для стали с твердостью более 450 НВ, а для цветных металлов более 200 НВ.

Твердомер Роквелла, машина для определения относительной глубины проникновения, был изобретён уроженцами штата Коннектикут Хью М. Роквеллом (1890—1957) и Стэнли П. Роквеллом (1886—1940). Потребность в этой машине была вызвана необходимостью быстрого определения эффектов термообработки на обоймах стальных подшипников. 

Шкалы твёрдости по Роквеллу

Циферблат прибора для проверки твёрдости по Роквеллу

Существует 11 шкал определения твердости по методу Роквелла (A; B; C; D; E; F; G; H; K; N; T), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка»^[6]. Наиболее широко используются два типа инденторов: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закалённой стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 60, 100 и 150 кгс. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (10 кгс) нагрузки.

Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR, к которому добавляется буква, указывающая на шкалу, по которой проводились испытания (HRA, HRB, HRC).

Наиболее широко используемые шкалы твёрдости по Роквеллу
Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60
В	Шарик диаметром 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закалённой стали)	100
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150

Формулы для определения твёрдости

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось меньшее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0,002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0,2 мм, или 0,2/0,002 = 100 делений, при испытании шариком — 0,26 мм, или 0,26/0,002 = 130 делений. Таким образом, формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

·         При измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

{\displaystyle {\mbox{HR}}=100-{\frac {H-h}{0,002}}}

Разность {\displaystyle H-h} представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

·         При измерении по шкале B (HRB):

{\displaystyle {\mbox{HR}}=130-{\frac {H-h}{0,002}}}

Факторы, влияющие на точность измерения

·         Важным фактором является толщина образца. Не допускается проверка образцов с толщиной менее десятикратной глубины проникновения наконечника

·         Ограничивается минимальное расстояние между отпечатками (3 диаметра между центрами ближайших отпечатков)

·         Недопущение параллакса при считывании результатов с циферблата

Сравнение шкал твёрдости

Простота метода Роквелла (главным образом, отсутствие необходимости измерять диаметр отпечатка) привела к его широкому применению в промышленности для проверки твёрдости. Также не требуется высокая чистота измеряемой поверхности (например, методы Бринелля и Виккерса включают замер отпечатка с помощью микроскопа и требуют полировку поверхности). К недостатку метода Роквелла относится меньшая точность по сравнению с методами Бринелля и Виккерса. Существует корреляция между значениями твёрдости, измеренной разными методами (см. рисунок — перевод единиц твёрдости HRB в твёрдость по методу Бринелля для алюминиевых сплавов). Зависимость носит нелинейный характер. Имеются нормативные документы, где приведено сравнение значений твёрдости, измеренной разными методами (например, ASTM E-140).

Проведение испытания

Метод Роквелла.

·         Выбрать подходящую для проверяемого материала шкалу (А, В или С)

·         Установить соответствующий индентор и нагрузку

·         Перед тем, как начать проверку, надо сделать два неучитываемых отпечатка, чтобы проверить правильность посадки наконечника и стола

·         Установить эталонный блок на столик прибора

·         Приложить предварительную нагрузку в 10 кгс, обнулить шкалу

·         Приложить основную нагрузку и дождаться до приложения максимального усилия

·         Снять нагрузку

·         Прочесть на циферблате по соответствующей шкале значение твёрдости (цифровой прибор показывает на экране значение твёрдости)

·         Порядок действий при проверке твёрдости испытуемого образца такой же, как и на эталонном блоке. Допускается делать по одному измерению на образце при проверке массовой продукции

 По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                              Лабораторная работа № 2

Тема : Микроанализ железоуглеродистых сплавов применяемых в кузнечно-прессовом производстве

Цель: Изучить классификацию, микроструктуру, свойства и назначение сталей и чугунов.

Оборудование : тетради, ручки, методический материал.

                                                         Ход работы

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

В машиностроении используются детали из заготовок, полученных способами обработки давлением или литьем. Широкое применение имеют стали и чугуны. Стали являются деформируемым материалом, иногда применяется стальное литье. Чугуны представляют собой, как прави­ло, литейные материалы.  Примеры использования этих материалов даны ниже. Легковой автомобиль среднего класса массой 1000…1100 кг имеет детали из разных сталей, составляющие 57…60 % его массы (США, Западная Европа). В станкостроении общая масса чугунных деталей равна в среднем 70…80 % от массы металлорежу­щего станка.

Основу химического состава сталей и чугунов составляет железо с добавками углерода менее 2,14 % (стали) или более 2,14 % (чугуны).  У многих марок этих материалов дополнительно содержатся легирующие химические элементы (хром, кремний, марганец, никель, молибден и др.). Перечень основных видов сталей и чугунов по государственным стандартам приведен в табл. 3 и 4. В машиностроении преиму­щественно применяются конструкционные            стали и отливки из чугунов, используемые для изготовления деталей машин и различных сооруже­ний, и инструментальные стали для металлорежущих, штамповых, из­мерительных и других инструментов.

При изучении строения и определении качества металлических ма­териалов в материаловедении широко используется микроструктурный анализ.

Микроанализ - изучение строения поверхностей  шлифо­ванных, полированных и протравленных образцов - микрошлифов с по­мощью металлографических оптических микроскопов при увеличениях обычно от ´100 до ´1000.

Наблюдаемое при этом строение поверхности шлифа называется                        микроструктурой. Микроструктура разных по химичес­кому составу материалов и после их различной обработки отличается по размеру, геометрической форме, цвету, взаимному расположению отдельных структурных составляющих

Микроанализ основан на использовании законов отражения и пог­лощения световых лучей от поверхности непрозрачных металлических материалов (рис. 3). Полированная металлическая поверхность от­ражает направленные на нее перпендикулярно световые лучи и видна в окуляр микроскопа как светлая. При наличии в материале неметалли­ческих составляющих структуры они видны как темные, так как погло­щают световые лучи.

Стали, получаемые кислородно - конверторным, электросталеплавиль-ным и другими способами, содержат неметаллические  включения. Это химические соединения металлов (железа, алюминия, и др.) с неметаллами (серой,  кислородом, азотом и др.).

Таблица 3. Перечень основных разновидностей сталей по государственным стандартам

№№ ГОСТа

Наименование стандарта

380-88 535-88 1050-88 1414-75Е 1435-90 4543-71 5632-72 5950-73 14959-79 19265-73

Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. Прокат сортовой и фасонный из стали углеродистой обыкновенного качества. Общие технические условия. Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия Стали высоколегированные и сплавы коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные. Марки. Прутки и полосы из инструментальной легированной стали. Технические условия Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия. Прутки и полосы из быстрорежущей стали. Технические условия.

Таблица 4. Перечень основных разновидностей чугунов по государственным стандартам

№№ ГОСТа	Наименование стандарта
1215-79 1412-85 1585-85 7293-85 7769-82 28394-89	Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия. Чугун с пластинчатым графитом для отливок. Марки. Чугун антифрикционный для отливок. Марки. Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки. Чугун с вермикулярным графитом для отливок. Марки.

Рис. 3. Схема отражения световых лучей от поверхности полированного (а) и подвергнутого травлению (б) микрошлифа.

Основными видами неметаллических включений в стали по                       ГОСТ 1778-70 являются оксиды, сульфиды, силикаты, нитриды и карбонитриды (MnS, SiO₂, TiN, nFeO × mMnO × pSiO₂  и др.). Оксиды и нитриды являются хрупкими и при прокатке стали располагаются в виде строчек или рассредоточенных точечных частиц. Пластичные сульфиды получают форму продолговатых линз. Силикаты имеют сложный  химический состав и могут быть пластичными или хрупкими.

После травления шлифа химическим реактивом различные структур­ные составляющие материала растворяются в разной степени, т.е. возникает некоторый рельеф поверхности (наличие  выступающих и углубленных участков). На отдельных участках этого рельефа световые лучи отражаются в разной степени и участки поверхности шлифа видны в окуляр как светлые и темные различных оттенков.

Данные о фазовом строении и структуре материалов в равновесном состоянии получают из приведенных в учебниках и справочниках диа­грамм состояния. Такие диаграммы состояния в координатах «темпера­тура - химический состав» содержат информацию о фазах (первичных составляющих микроструктуры), имеющихся в отдельных областях диа­грамм, разделенных сплошными линиями. Эти данные относятся к рав­новесному состоянию сплавов. Применительно к сталям и чугунам диаграмма состояния железо – углерод             дана на рис. 4.

 

Метастабильная диаграмма состояния железо-углерод относится к случаю полной растворимости компонентов в жидком состоянии выше линии ликвидуса ABCD и ограниченной растворимости углерода в железе в твердом состоянии. У железа наблюдаются два полиморфных превращения:

                                      t_G                                                  t_N

                             Fe_g       Fe_a           ;             Fe_a   Fe_g  

Железо модификаций a и g  имеет соответственно кристаллические решетки объемоцентрированного куба (ОЦК) и гранецентрированного куба (ГЦК). В связи с наличием у железа полиморфных превращений на диаграмме состояния железо-углерод образуются три области твердых растворов углерода в железе:

- область NJESGN твердого раствора g (аустенита А), т.е. раствора углерода в Fe_a  (ГЦК);

-  две области   QPGQ и  AHNA твердого раствора a  (феррита   Ф), т.е. раствора углерода в  Fe_a  (ОЦК).

В правой части метастабильной диаграммы состояния железо-углерод имеется узкая область DFKLD твердого раствора небольшого количества железа в химическом соединении Fe₃C, т.е. цементита Ц.

Следовательно, в сплавах метастабильной диаграммы состояния железо-углерод существуют следующие фазы: жидкий раствор углерода в железе, феррит, аустенит, цементит. Остальные области диаграммы состояния, ограниченные сплошными линиями, являются двухфазными, т.е. состоят из тех или иных двух фаз.

На диаграмме состояния имеются также горизонтальные линии трехфазных равновесий при постоянных температурах, где в равновесном состоянии существуют по три фазы:

   ·   линия HJB перитектического превращения:                                                         

                                                   ^t_HJB            

                                 Жв + Фн                       А_J

·   линия ECF эвтектического превращения:

                                 ^t_ECF            

                                 Жc                 е (Ае + Ц_F)  (эвтектика-ледебурит Л)

·   линия PSK эвтектоидного превращения:

                                         ^t_PSК            

                                А_S                  е (Фр + Ц_К) (эвтектоид - перлит П)

В сплавах железо – углерод - кремний в зависимости от количества углерода и кремния, численной величины скорости охлаждения существовуют две разновидности диаграммы состояния железо-углерод: метастабильная (железо-цементит) и стабильная (железо - графит).

У сталей и чугунов в равновесном состоянии имеются следующие фазы:

         Жидкий раствор  (Ж) на основе железа.

         Феррит (Ф)- твердый раствор углерода и легирующих элементов в железе Fе_a с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (ОЦК). Феррит имеет твердость НВ 80-90, пластичен (относитель­ное удлинение 50 %). 

Аустенит (А) - твердый раствор углерода и легирующих элемен­тов в железе Fe_g с кристаллической решеткой гранецентрированного куба (ГЦК).

Цементит (Ц) - раствор небольшого количества железа в карбиде железа Fe₃C.

Образуются также и более сложные структурные составляющие из двух  фаз, наблюдаемые в микроструктуре:

Перлит (П) в виде темных (коричневых) участков, состоящий из ферритной основы и кристаллов цементита пластинчатой формы (пластинчатый перлит). Он образуется при медленном охлаждении в сталях и чугунах в результате следующего фазового превращения аустенита: 

                                                    ^t_psk            

                                             А                      Ф + Ц (П)

Особой термической обработкой может быть получен зернистый перлит, состоящий из феррита и частиц цементита в форме мелких зерен.

Ледебурит (Л) в виде пестрых бело-темных участков, состоящий из белого цементита -основы и темного перлита в виде округлых или удлиненных частиц (ниже 727°С). Выше температуры 727°С этот леде­бурит состоит из цементита и аустенита :

                                                   ^t_ecf            

                                           Ж                      А + Ц (Л)

Многочисленные стали разных марок, отличающиеся химическим составом, по микроструктуре в равновесном состоянии разделяются на шесть основных структурных классов (табл. 5). Представление о структурных классах чугунов дает табл. 6 и структурная диаграмма на рис. 5. Формы включений графита показаны на рис. 6.

Рис. 5. Структурная диаграмма чугунов (толщина стенки отливки постоянная)

 

Рис. 6. Характерные геометрические формы включений графита в конструкционных чугунах (без травления шлифов): а - пластинчатая, б - шаровидная, в – вермикулярная, г - хлопьевидная (компактная).

Таблица 2.3. Структурные классы сталей в равновесном состоянии

Структурный класс стали	Химический состав		Микро-структура	Типовое применение в машиностроении
	Углерод С	Типичные легирующие элементы
Доэвтектоидные стали	Ср<С<Сs	Cr, Mn, Ni и др.	Феррит +            перлит	Конструкционные стали
Эвтектоидные стали	C= Сs	Cr, W, V             и др.	Перлит	Инструментальные стали
Заэвтектоидные стали	Сs<C<CE	Cr	Перлит и             карбиды               вторичные	Инструментальные стали
Стали карбидного             (ледебуритного) класса	CE<C<2,14%	Хром, вольфрам (до 6…12 %)	Перлит, карбиды первичные и вторичные	Инструментальные стали
Стали            аустенитного           класса	Десятые      доли % и              менее	Никель, марганец (до 13…20 %)	Аустенит           легированный	Коррозионно- стойкие стали. Жаропрочные стали
Стали               ферритного класса		Кремний, хром	Феррит          легированный	Электротехнические стали. Кислотостойкие стали

Таблица 6. Типичные структурные классы чугунов

Структурный класс чугуна	Микроструктура
Белые чугуны: -          доэвтектические (СЕ<C<CС) -          эвтектический (С= CС) -          заэвтектические (CС <C<CF)	Ледебурит, перлит и карбиды вторичные Ледебурит Ледебурит и карбиды первичные
Половинчатые чугуны	Ледебурит, перлит, вторичный цементит и графит
Чугуны с пластинчатым графитом ЧПГ	Перлит и графит; феррит, перлит и графит
Чугуны с шаровидным графитом ВЧШГ	Перлит и графит; перлит, феррит и графит; бейнит и графит
Чугуны с вермикулярным графитом ЧВГ	Перлит, феррит, графит вермикулярный, до 20…30 % графита шаровидного
Чугуны с хлопьевидным (компактным) графитом ЧХГ	Феррит и графит; перлит и графит

Сведения о характерных механических свойствах углеродистых сталей и конструкционных чугунов приведены в табл. 7.

Таблица 7. Механические свойства сталей и чугунов                                                       (без упрочняющей термической обработки)

Наименование материала	Механические свойства
	предел прочности при растяже­нии, МПа	относительное удлинение, %
Углеродистые конструкционные стали	321…676	2…15
Конструкционные чугуны: -          с пластинчатым графитом ЧПГ -          с вермикулярным графитом ЧВГ -          с хлопьевидным графитом ЧХГ -          с шаровидным графитом ВЧШГ	100…440 300…450 300…630 350…1000	0,2…1,1 2,0…6,0 2,0…12,0 2,0…17,0

1.      МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

В работе используются металлографические микроскопы и коллекции микрошлифов. Микроскопы выпускаются различной конструкции. Основны­ми их частями являются: основание, корпус, предметный столик для установки микрошлифа, механизмы грубой фокусировки с макровинтом и микроподачи с микровинтом для точной наводки на фокус, оптическая система, осветитель.

Способность оптической системы микроскопа изображать раздельно две точки (разрешающая способность d, мкм) определяется по формуле:

d = l / 2А ; (А = n sin (a/2)),

где l - длина волны световых лучей, мкм; n - показатель преломления световых лучей средой, находящейся между поверхностью микрошлифа и объективом микроскопа;  a- отверстный угол объектива; А - числовая апертура микроскопа (обычно А= 0,17…1,25). При А = 1,25 и  l= 0,55 мкм для видимых лучей спектра микроскоп позволяет видеть структурные  составляющие размером d = 0,2 мкм.

2.      ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ

Практическая часть работы заключается в изучении микроструктуры сталей и чугунов, как правило, при увеличении микроскопа  х100, а в некоторых случаях до х600. Студентам предоставляются лабораторные коллекции микрошлифов, подготовленные для исследований.

Предварительно студенты знакомятся с устройством и работой микроскопа под руководством преподавателя и лаборанта. Для рассмотрения микроструктуры шлиф, запрессованный в пластилин на стеклян­ной пластинке, устанавливается на предметный столик микроскопа. После включения источника света проводится наводка на фокус сна­чала с помощью макровинта, а затем более точно микровинтом. Далее изучается микроструктура шлифов типовых сплавов, описание которых дано в табл. 8. С помощью описания, схем микроструктур (рис. 7)   и находящихся в лаборатории фотографий устанавливают, какие структурные составляющие имеет каждый образец, наименование, состав и структурный класс.

Более подробная оценка микроструктуры сталей, проводится по сле-
дующему государственному стандарту: ГОСТ 8233. Сталь. Эталоны микроструктуры.

Путем сравнения микроструктуры изучаемой стали со шкалами структур ГОСТ, определяется количественная характеристика или номер балла по соответствующему признаку. Применительно к равновесному состоянию сплава использование ГОСТ 8233 позволяет определить процентное соотношение между ферритом и перлитом в доэвтектоидных сталях, соотношение количества пластинчатого и зернистого перлита, дисперсность пластинчатого и зернистого пер­лита. Для оценки неметаллических включений и различных видов неодно­родности микроструктуры в сталях имеются отдельные государственные стандарты: ГОСТ 1763-68, ГОСТ 1778-70, ГОСТ 5640-68.

Классификация чугунных отливок по микроструктуре металлической основы и графитовым включениям ведется по следующему государствен­ному стандарту: ГОСТ 3443-87. Отливки из чугуна с различной формой графита. Методы определения структуры.

Имея количественные данные в процентах о площади, занимаемой в шлифе сплава различными структурными составляющими (П - перлит, Ц - цементит, Л - ледебурит, Г - графит), можно выполнить расчет примерного количества .углерода в сталях и чугунах по следующей общей формуле:

С= 0,8П +6,67Ц +4,3Л / 100 + 30Г /100, %

В доэвтектических белых чугунах для определения соотношения между П и Ц принято: если П + Ц₂ = 100 %, то количество П составля­ет 80 %, а цементита вторичного 20 %  ( П = 4Ц₂)

Вычисления по приведенной формуле действительны для сплавов, находящихся в равновесном состоянии.

Примеры вычислений:

Сталь доэвтектоидная: 40 % П; 60 % Ф: С = 0,8 × 40/100 = 0,32 %.

Сталь заэвтектоидная: 88% П; 12 % Ц₂:С = 0,8 × 88/100 +6,67 ×12/100 = 1,50 %.

Чугун ЧПГ: 30 % П; 58 % Ф; 12 % Г: С = 0,8 × 30/100 + 30 × I2/100) =3,84 %.

Чугун белый доэвтектический: 40% Л; 60 % (П+Ц₂), то есть 48% П и 12% Ц₂:

С=0,8 × 48/100 + 6,67 × 12/100 + 4,3 × 40/100 = 2,9 %.

Чугун белый заэвтектический: 60 %Ц₁; 40 % Л:

С = 6,67 × 60/100 + 4,3 × 40/100=5,7 %.

Таблица 8. Перечень микрошлифов сталей и чугунов из лабораторных коллекций (типовые примеры)

№№  микрошлифа	Материал	Химический состав, %		Структурный класс	Описание      микроструктуры
		углерод    С	другие компоненты
1	2	3	4	5	6
УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ
1.	Углеродистая качественная конструкционная сталь 20,                                 ГОСТ 1050-88	0,20	-	Доэвтектоидная сталь	Светлые зерна феррита и темные участки перлита
3.	Инструментальная нелегированная сталь У8,  ГОСТ 1435-90	0,80	-	Эвтектоидная сталь	Перлит пластинчатый
4.	Инструментальная нелегированная сталь У8, ГОСТ 1435-90,            после отжига	0,80	-	Эвтектоидная сталь	Перлит зернистый
5.	Инструментальная нелегированная сталь У10, ГОСТ 1435-90	1,00	-	Заэвтектоидная сталь	Темные участки перлита и светлая тонкая сетка вторичного цементита
КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ С СТРУКТУРНЫМИ                                        НЕОДНОРОДНОСТЯМИ
7.	Сталь конструкционная после перегрева	0,40	-	Доэвтектоидная сталь	Крупные темные участки перлита и светлая широкая сетка феррита

                                                                                                    Продолжение табл. 8.

8.	Сталь конструкционная с полосчатостью феррито-перлитной структуры	0,25	-	Доэвтектоидная сталь	Перлит и феррит расположены в виде чередующихся полос.
9.	Сталь инструментальная с обезуглероживанием поверхностного слоя	0,80	-	Эвтектоидная сталь	Перлит в сердцевине, феррит и перлит в поверхностном слое
ОБРАЗЕЦ СТАЛИ С НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ВКЛЮЧЕНИЯМИ
10.	Сталь с неметаллическими включениями (полированный шлиф без травления)	данных нет	-	-	Темные неметаллические включения, вытянутые по направлению деформации
ЛЕГИРОВАННЫЕ СТАЛИ
34.	Легированная конструкционная сталь 40Х,                             ГОСТ 4543-71	0,40	0,8…1,1 Cr	Доэвтектоидная сталь	Темные участки перлита и светлый феррит
38.	Инструментальная легированная сталь Х12,                             ГОСТ 5950-73	2,0	11,5…13,0 Cr	Сталь          карбидного класса	Перлит мелкозернистый, крупные белые первичные карбиды и более мелкие вторичные карбиды
39.	Коррозионностойкая сталь 12Х17,                 ГОСТ 5632-72	менее 0,12	16…18 Cr	Сталь ферритного класса	Светлые зерна легированного феррита
40.	Коррозионностойкая сталь 12Х18Н10Т,          ГОСТ 5632-72	менее 0,12	17…19 Cr; 9…11 Ni; не более      0,5 Ti	Сталь    аустенитного класса	Светлые зерна легированного аустенита

                                                                                                    Продолжение табл. 8.

ЧУГУНЫ
12.	Белый заэвтектический чугун	5,1	данных нет	Чугун белый	Темно-белые участки ледебурита и светлые пластины первичного             цементита
14.	Чугун ЧПГ марки СЧ15, ГОСТ 1412-85	3,4	2,2Si ; 0,7 Mn	Чугун с пластинчатым графитом	Темный перлит, светлый феррит и тонкие черные пластины            графита
16.	Чугун ЧХГ марки КЧ30-6,ГОСТ 1215-79	2,7	1,2Si ; 0,5 Mn	Чугун с хлопьевидным графитом	Светлые зерна феррита и темный хлопьевидный (компактный) графит
18.	Чугун ВЧШГ марки ВЧ 60, ГОСТ 7293-85	3,5	2,1Si ; 0,6 Mn	Чугун с шаровидным графитом	Темный перлит, светлый феррит и черный       шаровидный графит

 
 

                Рис. 7. Схемы микроструктур сталей и чугунов

 

Продолжение рис. 7.

 

                                                    СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который должен содержать следующие разделы:

1.Цель работы.

2.Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3.Теоретические положения: понятие о микроанализе и микрострук­туре.   Характеристика фаз и структурных составляющих сталей и чугунов. Перечисление структурных классов сталей и чугунов.

4.Методика проведения работы и полученные результаты. Зарисовка схем микроструктур всех изученных сплавов, наименование и марка материала, составляющие структуры, химический состав.

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний студентами по вопросам для самопроверки.

Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.

ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ И САМОПРОВЕРКИ

1.Понятие микроанализа и микроструктуры материалов.

2.Какие основные части имеет металлографический микроскоп?

3.В какой последовательности проводится рассмотрение микрошлифа и изучение микроструктуры?

4.Что понимается под числовой апертурой микроскопа?

5.Из каких химических элементов (компонентов) состоят стали и чугуны?

6.Что представляют собой феррит, цементит, перлит, ледебурит?

7.Какие структурные классы имеют стали и чугуны?

8.Какую геометрическую форму имеют включения графита в чугунах

ЧПГ, ВЧШГ, ЧХГ, ЧВГ?

9.  Применение и механические свойства сталей и чугунов.

                                     Практическая  работа № 1

Тема : Определение видов термообработки для различных материалов и выявление влияния режимов термообработки на структуру и свойства стали

Цель: Выбор вида и режимов термообработки для различных материалов и выявление влияния режимов термообработки на структуру и свойства стали

                                       Ход работы

Термическая обработка - процесс обработки изделий из технических материалов путем теплового воздействия (нагрева и охлаждения) с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении.

Термическую обработку применяют как окончательную для получения заданных механических, физических, эксплуатационных свойств деталей машин, а также промежуточную (предварительную) с целью улучшения технологических свойств (обрабатываемости режущими инструментами, обрабатываемости давлением и др.).

 Основными видами предварительной термической обработки заготовок из конструкционных сталей в машиностроении являются нормализационный или полный отжиг. Для их проведения заготовки нагревают в случае использования конструкционных доэвтектоидных сталей выше темпера­туры фазового превращения t_АСз на 30…50°С и получают структуру аустенита. После некоторой выдержки при температуре нагрева проводят охлаждение на воздухе (нормализационный отжиг) или вместе с  печью (полный отжиг), получая структуру из феррита и перлита.

Предварительная термическая обработка снижает твердость стали и улучшает обрабатываемость резанием. За показатель обрабатываемости при резании принимается обычно численное значение скорости резанием при точении резцами из быстро­режущей стали на токарном станке, которой соответствует стойкость резцов 60 минут (время между двумя переточками режущей кромки инст­румента).

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ЗАВОД

¯

Сортовой прокат

¯

МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ ЗАВОД

¯

           Изготовление заготовок деталей машин обработкой

           давлением (горячей штамповкой и др.)

¯

          Заготовка детали

¯

       Предварительная термическая обработка заготовок

¯

       Механическая обработка резанием на металлорежущих станках

         ¯ 

          Детали машин

¯

       Упрочняющая термическая обработка деталей

¯

          Доводочные операции обработки (при необходимости)

¯

         Сборка машины

¯

          Машина (изделие)

Рис. 8. Типовая укрупненная схема обработки и изготовления объемных    деталей машин на машиностроительном заводе

При содержании углерода в конструкционных углеродистых и низколегированных сталях менее 0,5 % проводят обычно для заготовок нормализационный отжиг, а для сталей, имеющих более 0,5 % углерода – полный отжиг.

Типовая окончательная термическая обработка деталей машин и ин­струментов состоит из двух операций: 1 - закалки с получением на этапе охлаждения с большой скоростью (для углеродистых сталей в воде и других средах) из аустенита структуры мартенсита (А®М); 2 - отпуска закаленной стали с нагревом до температуры не выше температуры фазового превращения Ас₁. Применение термической обработки значительно изменяет механические свойства стали. Схемы основных видов термической обработки для конструкционных доэвтектоидных сталей представлены на рис. 9.

Данные о механических свойствах конструкционных среднеуглеродис-тых (улучшаемых) сталей различного химического состава после закал­ки и высокого отпуска приведены в табл. 9.

Рис. 9. Схемы термической обработки конструкционных сталей

Таблица 9. Механические свойства некоторых типовых конструкционных среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска

Марка стали	Опто­вая  ценах)	Критический          диаметр, ммхх)	Для деталей с                 поперечным размером, ммххх)	Механические свойства
				s0,2, МПа	sВ, МПа
45	1,0	12	15…20	490	730
40Х	1,2	15	25…35	800	900
40ХН	1,6	25	50…75	800	1000
40ХН2МА	2,1	100	75…100	950	1050
38ХНЗМФА	2,6	100	100…200	1070	1150

Примечания:                                                         

х) Относительные единицы: за 1.0 принята оптовая цена углеродистой  качественной стали.

хх) Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре  микроструктуры из 95 % мартенсита и 5 % троостита.

ххх) Стали могут быть использованы для изготовления деталей с еще большим поперечным размером. Следует иметь в виду, что в этом случае изделия получают пониженные по сравнению с табличными значениями механических свойств в связи с недостаточной прокаливаемостью по сечению деталей большого поперечного диаметра.

1.      МАТЕРИАЛЬНО – ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

В работе используются лабораторные электрические печи, автомати­ческие потенциометры для регулирования температуры нагрева в печи, бачки с водой и маслом для охлаждения, заточный станок (точило) для зачистки образцов от заусенцев и окалины, твердомеры, щипцы для загрузки образцов в печь и выгрузки, образцы сталей разных марок, линейка для измерения размеров образцов или штангенциркуль.

Работа выполняется в лаборатории термической обработки. Для нагрева образцов применяются электрические лабораторные камерные или муфельные печи. Примером камерной печи является печь СНОЛ-1.6.2. 5. I/II-М1^Х)  мощностью 3 кВт. Рабочая камера, в которой проводится нагрев, выполнена из жаростойкой керамики. Нагреватель­ные элементы в виде спиралей расположены в углублениях по боковым стенкам, на поду и в своде печи. Для предохранения спиралей от повреждений и расположения нагреваемых образцов имеется на поду печи плоская керамическая плитка. С целью измерения температуры в рабочую зону печи вставляется термопара. Рабочая камера печи спе­реди закрывается крышкой. Максимальная температура в рабочей зоне составляет 1100°С. Печь снабжена милливольтметром типа МП-64-02.

Для точного измерения и автоматического поддержания заданной температуры применен особый прибор - автоматический электромехани­ческий                  потенциометр  типа КСП4, к которому с помощью электрических проводов присоединена термопара. Прибор может автоматически записывать данные о температуре в печи на ленточную бумажную диаграмму в прямоугольных координатах.

Рис. 10. Схема установки для проведения термической обработки:

1 – печь; 2 – шкаф с потенциометрами; 3 – бачки с охлаждающими

жидкостями.

Рядом с печами располагаются на подставке бачки с водой и мине­ральным маслом. Бачки имеют "корзинки" с отверстиями, посредством которых образцы после завершения охлаждения вынимаются из охлаж­дающей среды. Схема установки для термической обработки показана на рис. 10.

Оценка механических свойств образцов проводится в данной работе по численному значению твердости. Твердость - свойство материала оказывать сопротивление пласти­ческой деформации при вдавливании под постоянной нагрузкой в плос­кую поверхность материала шарика из закаленной твердой стали, ал­мазного конуса или пирамиды. Имеются различные методы измерения твердости: метод Бриннеля, Роквелла, Виккерса и др.

3. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТЬ ВЫПОЛНЕНИЯ И ОБРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

Практическая часть работы выполняется в следующем порядке:

1. Группе студентов до 3-4 человек преподаватель указывает номер выполняемого задания. Текст задания каждый студент записывает себе в отчет.

2. В соответствии с заданием преподаватель назначает марку стали, определяется ее структурный класс.

3. Определяется по заданию вид термической обработки: закалка, отжиг, закалка с отпуском.     

4. Далее переходят к назначению режимов термической обработки:
температуры нагрева, времени нагрева и выдержки, охлаждающей среды. Некоторые показатели режима в зависимости от конкретного зада­ния указываются преподавателем.

Температура нагрева подсчитывается по формулам, приведенным в табл. 10. Численные значения температур фазовых превращений Aс₁ и Aс₃ принимаются по данным табл. 11. При этом вычисляют два численных значения температуры: минимальное t_min и максимальное  t_max.  Эти значения температуры характеризуют оптимальный интер­вал температуры нагрева. Фактическая величина температуры в печи должна находиться в этом интервале (не ниже  t_min).

Пример. Закалка стали У12 (Aс₁=730°С): t_min = 730 + 70 = 800°С;

                                                                       t_max = 730 + 100 = 830°С.

Таблица 10. Температуры нагрева и охлаждающие среды при термической обработке стали

Вид термической обработки стали	Температура нагрева, 0 С		Типовая                      охлаждающая среда
	Стали                       доэвтектоидные                         (менее 0,8 %С)	Стали эвтектоидные и заэвтектоидные (от 0,7…0,8 до 2,14%)
Отжиг	tотж = tАс3 +               +(30…50 °С)	tотж = tАс1 +               +(30…70 °С)	С печью
Нормализационный отжиг	tн.о. = tАс3 +               +(50…80 °С)	tн.о. = tАсm +               +(30…50 °С)	На спокойном воздухе
Закалка	tзак = tАс3 +               +(30…50 °С)	tзак = tАс1 +               +(70…100 °С)	Углеродистые стали – в воде, легированные – в масле
Отпуск закаленной стали	Ниже Ас1 (в зависимости от заданных свойств при 160…650 0С)		Для большинства сталей – на воздухе

Таблица 11. Температуры критических точек Ас₁, Ас₃ , Асm  некоторых           сталей

Марка        стали	30	35	40	45	50	40Х	45Г2	35ХГСА	60С2
Ас1 , 0 С Ас3 , 0 С	735 812	730 802	727 788	725 770	750 760	743 762	711 765	750 830	750 820
Марка стали	У7	У8	У10		У12	ШХ15	9ХС	ХВГ	Х12М
Ас1 , 0 С Асm , 0 С	730 -	730 -	730 800		730 820	750 900	770 870	750 940	810 -

Время нагрева образцов до заданной температуры вычисляют по следующей эмпирической зависимости:  t_н = 1,5 Д , мин,

где Д - диаметр или толщина образца  мм.

Время выдержки при заданной температуре t_в =  0,2 t_н , мин. Общее время от загрузки образцов в рабочую камеру печи до их выгрузки из печи составляет сумму времени нагрева и выдержки:

t = t_н + t_в

Пример.     Диаметр образца равен 12 мм:         

t_н = 1,5 × 12 = 18 мин;  t_в = 0,2 × 18 = 3,6 мин; t=  18,0 + 3,6 = 21,6 мин.

Охлаждающая среда при термической обработке стали назначается по табл.10.

 Студенты получают у лаборанта образцы стали заданной марки и зачищают их от заусенцев на заточном станке (точиле). Далее лаборант измеряет твердость образцов до термообра­ботки методом Роквелла по шкале НRВ. Полученное число твердости переводится по таблице в шкалу НВ. Величину твердости записывают в таблицу.

После этого образцы с помощью щипцов загружаются в печь под ру­ководством лаборанта. Предварительно печь отключается от электри­ческой сети. После загрузки образцов в печь дверца закрывается, и печь включается в электрическую сеть. По истечений времени нагрева и выдержки печь отключается от электрической сети, образцы с по­мощью щипцов быстро выгружаются из печи и помещаются в заданную охлаждающую среду.

После завершения охлаждения образцы зачищаются на заточном станке (точиле) и лаборант измеряет твердость в зависимости от ви­да термической обработки по шкале НRС или HRB. Полученные числа твердости переводятся по таблице в шкалу НВ. Величины твердости записывают в таблицу. Форма таблицы для записи результатов термической обработки по всему заданию дана ниже:

Влияние термической обработки на твердость стали

Марка                стали. Вид термообработки (т.о.)	Режим                     термообработки			Твердость стали
	t, 0С	t, мин	Среда охлаждения	до т.о.		после т.о.
				НRB	НВ	НRB	НRС	НВ

В работе несколько человек студентов выполняют одно из практи­ческих заданий по термической обработке сталей с заданным содер­жанием углерода. На небольших образцах сталей в лабораторных усло­виях имитируется реальная термическая обработка заготовок, деталей машин и инструментов. Практические задания даны ниже.

ЗАДАНИЕ 1. Изучение влияния охлаждающей среды (скорости                  охлаждения) на твердость стали.

 Четыре образца углеродистой стали заданной марки нагреть, выдержать и охладить: первый образец в воде (полная закалка), второй - в минеральном масле (частичная закалка), третий - на воздухе (нормализационный отжиг), четвертый - в печи (полный отжиг). Измерить твердость образцов до и после термической обработки.

Таблица 12. Скорость охлаждения в различных средах

Охлаждающая среда	вода	масло	воздух	с печью
Примерная скорость охлаждения, градусов /с	600	100	1	0,05

По полученным данным строится график зависимости твердости стали от скорости охлаждения. Сделать выводы: после каких видов терми­ческой обработки достигается максимальная и минимальная твердость стали; - о влиянии скорости охлаждения на твердость стали.

ЗАДАНИЕ 2. Изучение влияния закалки на твердость стали с различным                содержанием  углерода.

Для нескольких образцов углеродис­тых сталей разных марок проводится закалка. Измеряется твердость образцов до и после закалки.

По полученным данным строятся два графика зависимости твердос­ти от содержания углерода (до закалки для сталей марок У7, У8, У10 и после закалки для всех изученных сталей). Сделать выводы: -о влия­нии закалки одной марки стали на твердость и о влиянии содержания углерода на твердость закаленной стали.

ЗАДАНИЕ 3. Изучение влияния температуры отпуска на твер­дость закаленной стали .

 Три образца стали одной марки подвергнуть закалке. Измерить твердость каждого образца до и после закалки.

Провести отпуск закаленных образцов при температуре: первого—200°С, второго - 400°С, третьего - 600°С. Время нагрева и выдержки 30 мин. Измерить твердость после отпуска.

По полученным данным построить график зависимости твердости от температуры отпуска. Сделать выводы: -о влиянии температуры отпуска закаленной стали на твердость;  -после отпуска при какой температу­ре достигается наиболее высокая и наименьшая твердость исследуемой стали.

 По полученным данным на доске проводят пост­роение графиков зависимостей твердости НВ от изменяемых факторов: содержания углерода в стали; скорости охлаждения при термической обработке; температуры отпуска закаленных образцов. Для этого каж­дый студент отмечает в соответствующих координатах эксперименталь­ные точки.

Далее студенты по заданиям формулируют выводы, которые записываются в отчет. Выводы в отчете каждого студента приводятся по всем трем заданиям.

                              СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

 Итоги проведенной работы оформляют в отчете, который  должен содержать следующие разделы:

1. Цель работы.

2. Оборудование, приборы и материалы, использованные при выполнении работы.

3. Теоретические положения: понятие термической обработки, ти­повые виды предварительной и окончательной термической обработки конструкционных сталей, графики термической обработки.

4. Методика проведения работы и полученные результаты. Задание по термической обработке, марка стали, вид термической обработки, выбор режима термической обработки, таблица результатов по всему заданию. Три графика зависимости твердости от изучаемых факторов по всем заданиям.

5.  Выводы по работе.

В конце занятия преподаватель путем устного опроса проверяет усвоение знаний по вопросам для самопроверки. Оформленные отчеты проверяются и подписываются преподавателем.

 ВОПРОСЫ ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К РАБОТЕ                                                    

И САМОПРОВЕРКИ

1.  Понятие термической обработки.

2. Какие основные виды термической обработки применяются в машиностроении?

3. Какое влияние оказывают полный отжиг и полная закалка с от­пуском на механические свойства конструкционной стали?

4. Какие печи применяются для термической обработки в лаборатории материаловедения?

5. Для каких целей применяются потенциометры?

6. Понятие твердости материалов.

7. Как определяется температура нагрева при закалке и отжиге?

8.      Какая охлаждающая среда применяется в случае нормализацион-
ного отжига?     

                                                   Лабораторная работа № 3

Тема : Закалка и отпуск углеродистой стали

1.      Цель: Изучить теоретические основы выбора температуры закалки углеродистых сталей.

2.      Изучить влияние среды охлаждения (скорости охлаждения) на твердость стали при закалке.

3.      Установить влияние содержания углерода в стали на результаты закалки.

Оборудование  и  материалы  для  выполнения  работы

1.      Нагревательные печи с автоматическими приборами для регулирования температуры.

2.      Баки с различными охлаждающими средами (вода, масло).

3.      Твердомеры Роквелла с алмазными наконечниками.

4.      Образцы углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

Порядок  выполнения  лабораторной  работы

1.      Перед выполнением лабораторной работы необходимо ознакомиться с основными теоретическими положениями.

2.      Выполнить в соответствии с заданием экспериментальную часть.

3.      Провести анализ полученных результатов и сделать необходимые выводы по результатам работы всей подгруппы.

Основные  положения

Цель любого процесса термической обработки заключается в том, чтобы нагревом до определенной температуры, выдержкой и последующим охлаждением с определенной скоростью вызвать желаемое изменение структуры металла или сплава и, соответственно, изменение свойств. Следовательно, основными факторами воздействия при термической обработке являются температура, время выдержки и скорость последующего охлаждения.

В практике машиностроения различают первичную и вторичную термическую обработки. Назначение первичной термической обработки заключается в подготовке структуры к последующим операциям механической и окончательной термической обработки. К этому виду обработки относятся различные виды отжига и нормализации. Назначение вторичной (окончательной) обработки – получение необходимых эксплуатационных свойств деталей и изделий. К окончательной термической обработке относятся закалка и отпуск.

Цель закалки конструкционных и инструментальных сталей – достижение высокой прочности и высокой твердости. Сущность закалки заключается в получении пересыщенного твердого раствора. Пересыщение твердого раствора вызывает искажения кристаллической решетки, которые приводят к большим напряжениям и появлению дислокаций, компенсирующих эти искажения. Большие напряжения и высокая плотность дислокаций затрудняют пластическую деформацию и повышают прочность и твердость стали.

Закалка применима к сплавам, в которых могут образовываться ограниченные твердые растворы. При нагреве таких сплавов увеличивается растворимость компонентов. Если охлаждать сплав с большой скоростью, не оставляя времени на диффузию, то в процессе охлаждения выделение избыточных атомов растворенного компонента не произойдет. Тогда при комнатных температурах зафиксируется пересыщенный твердый раствор. Еще большее пересыщение может быть получено в сплавах, которые испытывают полиморфные превращения при нагреве и охлаждении. Наибольший эффект при закалке наблюдается в железо-углеродистых сплавах – сталях. Аустенит (твердый раствор углерода в g-железе) может растворить углерода в сотни раз больше, чем феррит (твердый раствор углерода в a-железе). Поэтому, если нагревать сталь до температур перестройки решетки и охлаждать, не давая углероду возможности выделяться из аустенита, то при обратной перестройке решетки возникает очень большое пересыщение железа углеродом. Такое пересыщение вызывает значительное изменение свойств.

Скорость охлаждения, при которой углерод не успевает выделяться из твердого раствора, называется критической скоростью охлаждения. Она может быть определена по диаграмме изотермического превращения переохлажденного аустенита для каждой стали. Геометрически это касательная к кривой начала превращения аустенита в феррито-карбидную смесь.

На рис. 1 представлена диаграмма изотермического превращения (или
С-образная диаграмма) для стали с 0,8 % углерода.

Для углеродистых сталей время до начала распада аустенита очень мало (t_инк = 0,5¸1,0 с), и критическая скорость достигается только при охлаждении в воде или в водных растворах солей

При очень малой скорости охлаждения (V₁) аустенит будет превращаться в перлит (грубая смесь кристаллов феррита и цементита). С увеличением скорости охлаждения (V₂ и V₃) число центров зарождения феррита и цементита увеличивается и размеры кристаллов этих фаз уменьшаются. Более дисперсные (мелкозернистые) структуры – сорбит, троостит – имеют более высокую твердость, чем перлит. При скорости охлаждения больше V_кр превращение аустенита в смесь феррита и цементита произойти не может, так как скорость диффузии углерода при температурах ниже 200 °С очень мала. Однако
g-решетка должна перестроиться в a-решетку, обладающую меньшим запасом энергии при низких температурах. Образуется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Решетка железа сильно искажается, становится тетрагональной, а не кубической. Возникает большое количество дислокаций и других дефектов. Поэтому сплав имеет высокую твердость и прочность, но очень низкую пластичность. Такая структура носит название мартенсит.

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита эвтектоидной стали

Можно сказать, что закалка стали – это термическая операция получения структуры мартенсита, пересыщенного твердого раствора углерода в a-железе.

Основным фактором, определяющим твердость и прочность мартенсита, являются искажения кристаллической решетки a-железа, вызванные внедренными атомами углерода. Чем больше содержание углерода в мартенсите, тем больше тетрагональность решетки и выше твердость мартенсита (рис. 2).

Исходными условиями выбора температуры закалки являются требуемые свойства, которые должна обеспечить закаленная сталь.

Конструкционная сталь (<0,8 % С) применяется для изготовления деталей машин, механизмов и различного рода конструкций. Стали должны после закалки обладать высокими прочностными свойствами, особенно высокой усталостной прочностью, т.к. детали машин и механизмов испытывают сложные знакопеременные нагружения.

На рис. 3 представлена левая (так называемая «стальная» часть диаграммы железо-цементит). С помощью диаграммы проследим за превращениями, происходящими при нагреве сталей.

При нагреве выше линии PSK (или критической температуры Ас₁), но ниже GS (критическая температура Ас₃) структура стали будет состоять из зерен аустенита и феррита.

Рис. 2. Твердость мартенсита в зависимости от содержания углерода

Рис. 3. «Стальная» часть диаграммы Fe-Fe₃C

При последующем охлаждении со скоростью, равной или больше критической, аустенит превратится в мартенсит, а феррит превращений не испытывает. После такой закалки структура будет состоять из очень твердых кристаллов мартенсита и мягких, пластичных кристаллов феррита. Отсюда низкая твердость и прочность, а главное – низкая усталостная (циклическая) прочность стали. Следовательно, такая закалка не обеспечит высокие эксплуатационные свойства конструкционных сталей.

Если при закалке нагреть доэвтектоидную сталь выше линии GS (Ac₃), то произойдет превращение феррита и перлита в аустенит. Последующее охлаждение с критической скоростью позволит получить однородный мартенсит, характеризующийся высокой прочностью и значительной усталостной прочностью.

Большое влияние на свойства стали после закалки оказывает температура нагрева и время выдержки при этой температуре. Чем выше температура нагрева и длительнее выдержка при этой температуре, тем интенсивнее происходит рост аустенитных зерен. Рост зерна при нагреве вызывается стремлением сплава к уменьшению поверхностной энергии зерен. Из крупнозернистого аустенита после охлаждения получатся крупные кристаллы мартенсита (крупноигольчатый мартенсит). Это приведет к высокой хрупкости стали.

Следовательно, для доэвтектоидных (конструкционных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₃ (линии GS), однако это превышение не должно быть большим.

Для получения оптимальных свойств после закалки необходимо производить нагрев до температуры, определяемой эмпирической формулой:

t _{зак. доэвт.} = Ас₃ + (30 ¸ 50) °С.

Все заэвтектоидные стали – инструментальные. Материалы, идущие на изготовление инструментов (особенно режущих), должны обеспечивать высокие твердость и износостойкость, высокую прочность. Эти свойства получают часто в ущерб пластичности стали, в противном случае инструмент не будет обладать высокими режущими свойствами.

При нагреве выше линии SK (Ас₁) превращение претерпевает лишь перлит (рис. 3), а цементит не успевает раствориться в аустените. После нагрева до этих температур структура стали – аустенит и цементит. При охлаждении со скоростью больше критической получается структура, состоящая из твердых и износостойких кристаллов мартенсита и кристаллов цементита, имеющих еще большую твердость и износостойкость. Нагрев до более высоких температур не приведет к повышению твердости; но резко увеличится размер зерен аустенита (т.к. растворение кристаллов цементита уже не будет сдерживать их рост), что отрицательно скажется на механических свойствах.

Следовательно, для заэвтектоидных (инструментальных) сталей температура закалки должна быть выше точки Ас₁ (линии SK).

Нагрев под закалку инструментальных сталей осуществляется до температур:

t _{зак. заэвт.} = Ас₁ + (30 ¸ 50) °С.

Область оптимальных температур нагрева сталей под закалку представлена на рис. 3.

Методические  указания  по  выполнению  работы

Студенты получают образцы различных марок углеродистых сталей. Для группы студентов в 2-3 человека преподаватель указывает конкретные марки стали для проведения экспериментов (ВСт3; 10; 45; У8; У12).

Студенты определяют содержание углерода в стали по обозначению марки. Зная содержание углерода, выбирают по диаграмме состояния системы «железо-цементит» оптимальную температуру закалки для данной стали.

Исходя из температуры нагрева и размеров образцов, студентам необходимо выбрать время нагрева образцов в печи.

Время нагрева стали под закалку складывается из времени прогрева образца до заданной температуры и времени выдержки при температуре закалки. Длительность выдержки при температуре закалки определяется временем, необходимым для превращения исходной структуры в аустенит. Общее время нагрева под закалку можно определить по данным табл. 1, в которой приведены нормы нагрева стали при термической обработке в лабораторных электрических печах.

Таблица 1

Темпера-тура нагрева, °С	Форма детали
	Круг	Квадрат	Пластина
	Продолжительность нагрева в минутах
	На 1 мм диаметра                        На 1 мм толщины
600	2,0	3,0	4,0
700	1,5	2,2	3,0
800	1,0	1,5	2,0
900	0,8	1,2	1,6
1000	0,4	0,6	0,8

Скорость охлаждения, обеспечивающая получение структуры мартенсита, определяется экспериментально. Наиболее распространенными охлаждающими средами в термических цехах являются вода и водные растворы солей и щелочей, минеральные масла, возможно применение в качестве охлаждающей среды воздуха (спокойного или циркулирующего). Охлаждая образцы, нагретые до температур закалки в различных средах, определяют оптимальную среду охлаждения. Образцы, получившие в результате нагрева и охлаждения структуру мартенсита (твердость для стали с данным содержанием углерода соответствует значению на рис. 2), являются закаленными. Образцы же, не получившие максимально возможной твердости для данной стали, закаленными считать нельзя.

Кроме того, в ходе данной лабораторной работы готовятся закаленные образцы для проведения следующей лабораторной работы – «Отпуск закаленной углеродистой стали». Производится закалка 3-4 образцов одной марки стали, которые будут подвергнуты на следующем занятии отпуску при различных температурах.

Все сведения о результатах проведенного эксперимента сводятся в таблицу 2.

Таблица 2

№ п/п	Марка стали	Режим закалки			Твердость, НRС	Структура
		Темпе-ратура нагрева, °С	Время нагрева, мин.	Среда охлаждения, °С/c

По результатам работы студенты подгруппы строят следующие графики:

а) зависимость твердости стали от скорости охлаждения (принимая скорость охлаждения: в воде – 600 °С/с, в масле – 150 °С/с, на воздухе –
30 °С/с);

б) зависимость твердости закаленной стали от содержания углерода.

Содержание  отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткие сведения о выборе оптимальных температур закалки и скорости охлаждения углеродистых сталей.

3. Таблица с данными по твердости сталей до и после термообработки, графики по результатам работы.

4. Выводы по проделанной работе.

Контрольные  вопросы

1. В каком температурном интервале образуется сорбит при изотермическом превращении аустенита?

2. К чему приводит повышение температуры нагрева доэвтектоидной стали под закалку от (Ас₁ + 50°) до (Ас₃ + 50°)?

3. Какую решетку имеет мартенсит после закалки?

4. С какой целью проводят закалку стали?

5. Чем отличается перлит эвтектоидной стали от сорбита?

6. От чего зависит степень дисперсности (размер зерна) продуктов перлитного превращения?

7. Почему мартенсит имеет тетрагональную решетку?

8. По какому механизму превращения образуется структура троостит?

9. От чего зависит температура нагрева стали под закалку?

10. В чем основное отличие мартенсита от аустенита, из которого он образовался?

11. Чем отличается структура стали У12 после закалки от температуры немного выше Ас₁ от структуры этой же стали после закалки от температуры выше Ас₃?

12. Чем отличается сорбит от троостита?

13. Как влияет повышение содержания углерода в доэвтектоидной стали на температуру нагрева стали под закалку?

14. Что является обязательным результатом закалки?

15. Каков механизм перлитного превращения?

16. От чего зависит закаливаемость стали (твердость стали после закалки)?

17. Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе?

18. Как изменяются свойства закаленной стали при увеличении содержания углерода до 0,8 %?

19. Чем объясняется высокая твердость и прочность закаленной стали?

20. Объясните, почему для конструкционных сталей не применяют закалку от температур несколько выше Ас₁.

21. Почему при закалке необходимо охлаждать сталь со скоростью выше критической?

22. Что такое критическая скорость охлаждения?

23. Что представляет собой С-образная диаграмма?

24. Чем объясняется устойчивость и неустойчивость аустенита в различных температурных интервалах?

25. Чем отличается мартенситное превращение от перлитного?

26. По какому механизму образуется мартенсит?

Как было установлено закаленные стали имеют высокие твердость и прочность, но очень низкие пластические свойства. То есть, сталь в закаленном состоянии очень хрупка и ненадежна в эксплуатации. Причиной высокой твердости и хрупкости является пересыщение твердого раствора на основе a-Fe углеродом и возникающие из-за этого огромные внутренние напряжения. Для устранения этого недостатка применяют следующую операцию термообработки – отпуск. Отпуск – это нагрев закаленной стали ниже критических температур с целью уменьшения внутренних напряжений и придания стали необходимых эксплуатационных свойств.

Пересыщенный твердый раствор углерода в a-Fe (мартенсит) обладает большим запасом свободной энергии, и поэтому не является стабильным. Следовательно, в закаленной стали должны протекать процессы, приводящие систему к более устойчивому состоянию, т. е. углерод должен выделяться из решетки мартенсита. Эти процессы идут и при комнатной температуре, но с бесконечно малой скоростью. При нагреве закаленной стали скорость диффузии увеличивается, и чем выше температура, тем выше подвижность атомов углерода. Таким образом, происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием равновесных фаз: карбидов и феррита. Рассмотрим последовательно этапы распада мартенсита при нагреве.

При нагреве до 80 °С скорость распада мартенсита ввиду малой подвижности атомов настолько мала, что заметных изменений в строении закаленной стали не наблюдается даже с применением весьма точных методов исследования.

При более высоких температурах нагрева (до 160-180 °С) происходит выделение углерода из решетки мартенсита и образование очень мелких карбидов, связанных с мартенситом. Уменьшение концентрации углерода в твердом растворе снижает напряжения, поэтому твердость и хрупкость несколько уменьшаются. Однако образующиеся очень мелкие карбиды оказывают сопротивление движению дислокаций под действием приложенных нагрузок, поэтому прочность почти не снижается.

Процесс распада мартенсита завершается при нагреве до температур
300-350 °С. Чем выше температура, тем более интенсивно происходит распад, так как скорость диффузии углерода возрастает. Мартенсит превращается в мягкий феррит, карбиды немного укрупняются, однако все еще остаются мелкими и являются препятствием для движения дислокаций. Сталь с такой структурой имеет высокие прочностные и пластические характеристики, особенно высокий предел упругости.

При температурах выше 450-500 °С идет процесс укрупнения частиц карбидов, они приобретают округлую форму. Первый процесс называется коагуляцией, второй – сфероидизацией. Структура будет состоять из зерен феррита и крупных, сферической формы, карбидов. Сталь обладает высокой вязкостью и высокими пластическими свойствами при достаточной прочности.

В зависимости от процессов, происходящих при отпуске, и от изменений структуры и свойств (рис. 1) различают три вида отпуска:

1) низкотемпературный отпуск – от 160 до 200 °С;

2) среднетемпературный отпуск – от 350 до 450 °С;

3) высокотемпературный отпуск – от 500 до 600 °С.

Низкий (низкотемпературный) отпуск применяется для деталей, от которых требуются высокие твердость и износостойкость. Низкий отпуск назначается для уменьшения внутренних напряжений, повышения вязкости и пластичности стали без заметного снижения твердости. Этот отпуск применяется, в основном, для режущих и мерительных инструментов. При таком отпуске получается структура, состоящая из менее напряженного, чем после закалки, мартенсита и очень мелких карбидов. Такая структура называется мартенсит отпуска.

Средний (среднетемпературный) отпуск применяется для изделий, от которых требуется высокие упругие свойства. Мелкие кристаллы цементита игольчатой формы, образующиеся при таком отпуске, являются большим препятствием для дислокаций, что обеспечивает высокую прочность и упругость стали. В результате резко уменьшается хрупкость, снижается предел прочности, но сильно повышается предел упругости. Структура, получаемая при среднем отпуске, называется троостит отпуска. Такому отпуску подвергают пружины, рессоры, торсионы и другие детали, которые работают при знакопеременных нагрузках и должны быстро восстанавливать свою форму после деформации. Обычно для изготовления упругих элементов используют стали с содержанием углерода от 0,5 до 0,7 %, как углеродистые, так и легированные. Эти конструкционные стали выделены в особую группу рессорно-пружинных сталей.

Высокий (высокотемпературный) отпуск применяют для ответственных деталей машин, испытывающих при эксплуатации сложные виды нагружения: статические, ударные и знакопеременные нагрузки. Структура после высокого отпуска состоит из феррита и довольно крупных кристаллов цементита округлой формы и называется сорбит отпуска. Высокий отпуск обеспечивает полное снятие напряжений и дает наилучшее сочетание прочности, пластичности и ударной вязкости.

Рис. 1. Влияние температуры отпуска на механические свойства

закаленной углеродистой стали

Закалка в сочетании с высоким отпуском носит название улучшение. Такому виду обработки подвергается особая группа конструкционных сталей, носящая название улучшаемые стали. Они могут быть углеродистыми и легированными, содержание углерода от 0,3 до 0,5 %. Улучшение конструкционных сталей позволяет повысить конструктивную прочность, т. е. понизить чувствительность к надрезам и перекосам, к переходам от одного сечения детали к другому, к изменению размеров детали и т. д.

Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной углеродистой стали представлено на рис. 1.

В табл. 1 приведены данные о влиянии термической обработки на механические свойства конструкционной углеродистой стали с 0,45 % углерода в отожженном состоянии, а также после закалки и отпуска при 300 °С (средний отпуск) и при 600° С (высокий отпуск).

Таблица 1

Термическая обработка	Механические свойства
	sВ, МПа	s0,2, МПа	d, %	Y, %	КСU, Дж/см2
Отжиг при 850 °С	650	450	20	6	60
Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 300 °С	1080	890	10	52	75
Закалка с 850 °С в воде и отпуск при 600 °С	750	520	17	68	160

Данные табл. 1 говорят о том, что сталь в улучшенном состоянии имеет более высокие характеристики прочности (s_в и s_0,2), пластичности (d, Y) и вязкости (КСU) по сравнению со сталью в отожженном состоянии. Отсюда и возникло название «улучшение» – механические характеристики стали улучшаются.

Кроме того, из табл. 1 видно, что после среднетемпературного отпуска закаленная конструкционная сталь приобретает весьма высокие предел прочности (s_в) и условный предел текучести (s_0,2) при хороших характеристиках пластичности (d, Y) и ударной вязкости (КСU).

Методические  указания  по  выполнению  работы

1.      Закаленные в ходе предыдущей лабораторной работы («Закалка углеродистой стали») образцы различных марок углеродистых сталей подвергнуть отпуску при температурах 200, 400 и 600 °С.

2.      Исходной структурой стали перед отпуском должен быть мартенсит, поэтому отпускать необходимо только закаленные в воде образцы.

3.      Время отпуска принять равным 0,5 часа. Охлаждение после отпуска производить на воздухе.

4.      Замерить твердость образцов после отпуска на приборе Роквелла, результаты внести в таблицу 2.

5.      По результатам замеров построить графики зависимости твердости НRС от температуры отпуска для всех исследованных сталей.

6.      Сделать выводы.

Таблица 2

№ п/п

Марка стали

Твердость после закалки, НRС

t отпуска, °C

Время нагрева и выдержкиt, мин.

Твердость после отпуска, НRС

Структура

Содержание  отчета

1. Название и цель работы.

2. Краткие сведения о выборе оптимальных температур закалки и скорости охлаждения углеродистых сталей.

3. Таблица с данными по твердости сталей до и после термообработки, графики по результатам работы.

4.      Краткие сведения о превращениях при нагреве в закаленной углеродистой стали.

5.      Таблица с данными по режимам отпуска, твердости и структуре исследуемых сталей до и после отпуска.

6.      Графики изменения твердости закаленной стали в зависимости от температуры отпуска.

7.      Выводы по работе.

Контрольные  вопросы

1. В каком температурном интервале образуется сорбит при изотермическом превращении аустенита?

2. К чему приводит повышение температуры нагрева доэвтектоидной стали под закалку от (Ас₁ + 50°) до (Ас₃ + 50°)?

3. Какую решетку имеет мартенсит после закалки?

4. С какой целью проводят закалку стали?

5. Чем отличается перлит эвтектоидной стали от сорбита?

6. От чего зависит степень дисперсности (размер зерна) продуктов перлитного превращения?

7. Почему мартенсит имеет тетрагональную решетку?

8. По какому механизму превращения образуется структура троостит?

9. От чего зависит температура нагрева стали под закалку?

10. В чем основное отличие мартенсита от аустенита, из которого он образовался?

11. Чем отличается структура стали У12 после закалки от температуры немного выше Ас₁ от структуры этой же стали после закалки от температуры выше Ас₃?

12. Чем отличается сорбит от троостита?

13. Как влияет повышение содержания углерода в доэвтектоидной стали на температуру нагрева стали под закалку?

14. Что является обязательным результатом закалки?

15. Каков механизм перлитного превращения?

16. От чего зависит закаливаемость стали (твердость стали после закалки)?

17. Как называется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе?

18. Как изменяются свойства закаленной стали при увеличении содержания углерода до 0,8 %?

19. Чем объясняется высокая твердость и прочность закаленной стали?

20. Объясните, почему для конструкционных сталей не применяют закалку от температур несколько выше Ас₁.

21. Почему при закалке необходимо охлаждать сталь со скоростью выше критической?

22. Что такое критическая скорость охлаждения?

23. Что представляет собой С-образная диаграмма?

24. Чем объясняется устойчивость и неустойчивость аустенита в различных температурных интервалах?

25. Чем отличается мартенситное превращение от перлитного?

26. По какому механизму образуется мартенсит?

27.  Что такое термическая операция «отпуск»?

28.  После какого вида термической обработки производится отпуск?

29.  С какой целью проводится отпуск?

30.  К каким видам изделий применяется низкотемпературный отпуск?

31.  К каким видам изделий применяется среднетемпературный отпуск?

32.  К каким видам изделий применяется высокотемпературный отпуск?

33.  Какие процессы протекают при отпуске до 200 °С?

34.  Какие процессы протекают при отпуске до 400 °С?

35.  Какие процессы протекают при отпуске до 600°С?

36.  Что представляет собой структура мартенсит отпуска?

37.  Что такое троостит отпуска?

38.  Что такое сорбит отпуска?

39.  В каком температурном интервале отпуска наиболее интенсивно протекают процессы сфероидизации и коагуляции цементита?

40.  С каким процессом при отпуске связано уменьшение напряжений в стали?

41.  Как изменяются свойства закаленной стали при повышении температуры отпуска?

42.  Какой основной процесс происходит при отпуске?

43.  Чем отличается сорбит отпуска от троостита отпуска?

44.  Какая структура образуется при отпуске до 200 °С?

45.  Какая структура образуется при отпуске до 400 °С?

46.  Какая структура образуется при отпуске до 600 °С?

47.  Как изменяется прочность стали s_в при отпуске до 600 °С?

48.  Как изменяется предел текучести s_0,2 при отпуске до 400 °С?

49.  Как изменяются характеристики пластичности d и Y при отпуске до температуры 600 °С?

50.  Какую операцию необходимо выполнить, если при отпуске получены более низкие твердость HRC и прочность s_в, чем требовалось?

51.  Какую операцию необходимо выполнить, если при отпуске получили более высокие твердость HRC и прочность s_в, чем требовалось?

52.  Какую температуру отпуска выбрать для изделий, от которых требуются высокие упругие свойства?

53.  Какую температуру отпуска надо выбрать для изделий, от которых требуются высокие твердость и износостойкость?

54.  Что произойдет в структуре стали, если после отпуска при 600 °С произвести дополнительный отпуск при 200 °С?

                                                   Лабораторная работа № 4

Тема : Структура , свойства и применение чугунов

Цель: Изучить основные разновидности чугунов, их строение, свойства и маркировку.

2. Познакомиться с основами выбора марки чугуна для изготовления деталей машин, изделий.

Оборудование  и  материалы  для  выполнения  работы

1. Металлографические шлифы чугунов.

2. Металлографические микроскопы ММУ-3, МИМ-7 и т.п.

Порядок  выполнения  работы

1.      Прочитайте внимательно основные сведения по теме работы и разберитесь с классификацией чугунов, их строением, свойствами, областью применения каждой группы материалов.

2.      Изучите чугунную часть диаграммы железо-углерод.

3.      Изучите под микроскопом металлографические шлифы чугунов и зарисуйте их структуры. На рисунках обозначьте все структурные составляющие и определите, к какой группе относится каждый из изучаемых образцов чугуна.

4.      Выполните 1-2 задания, данные преподавателем, по выбору материала для изготовления изделий.

Основные  положения

Чугун – это железоуглеродистый сплав с содержанием углерода от 2,14 до 6 %. Кроме этих элементов, в чугуне содержится еще ряд примесей (кремний, марганец, сера, фосфор и др.). С целью улучшения свойств в чугуны могут вводиться легирующие элементы, такие как хром, никель, медь и др.

Чугун, по сравнению со сталью, имеет как преимущества, так и недостатки. Положительными свойствами этого материала являются: хорошие литейные свойства (более низкая, чем у стали, температура плавления, меньшая усадка, хорошая жидкотекучесть), хорошая обрабатываемость резанием (кроме одной разновидности – белого чугуна), достаточно высокая работоспособность в условиях трения, способность гасить вибрации, небольшая стоимость.

Недостатком чугуна являются его низкие пластические свойства и ударная вязкость, что препятствует использованию чугуна для изготовления деталей, работающих при значительных динамических, ударных нагрузках, и делает невозможным в большинстве случаев использование обработки давлением (ковки, штамповки, прокатки и т. д.) для изготовления чугунных изделий.

По структуре различают чугуны, в которых углерод находится в виде химического соединения с железом Fe₃С – цементита, и чугуны, в которых углерод, в основном, находится в свободном состоянии, в виде графита.

Первая разновидность называется белым чугуном. Структура белых чугунов описывается чугунной частью диаграммы железо-углерод (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма железо-углерод:

Ж – жидкий раствор; А – аустенит (твердый раствор углерода в g-Fe);

Ц – цементит (Fe₃С); Ф – феррит (твердый раствор углерода в a-Fe);

П – перлит (эвтектоидная смесь феррита и цементита);

Л – ледебурит (эвтектическая смесь аустенита и цементита,

ниже линии PSK – смесь перлита и цементита)

Согласно диаграмме, существует три разновидности белых чугунов: доэвтектический со структурой перлит, ледебурит и вторичный цементит, эвтектический со структурой ледебурит и заэвтектический со структурой ледебурит и первичный цементит (рис. 2).

П                 Л	Л = П + ЦII	ЦI              Л

Рис. 2.

Получают белый чугун при ускоренном охлаждении в процессе отливки деталей, заготовок. Способствует также получению этой разновидности чугуна повышенное содержание в нем хрома, марганца. Структура белого чугуна определяет его механические свойства: это твердый хрупкий материал, имеющий предел прочности при растяжении s_в = 100-400 МПа (10-40 кг/мм²), твердость НВ 300-700 и относительное удлинение d = 0,1-0,2 %. Вследствие низкой пластичности, белый чугун применяется очень редко, в основном, для изделий, работающих в условиях абразивного и гидроабразивного износа, когда его повышенная хрупкость не играет решающей роли.

В ряде случаев изготавливают детали с так называемой отбеленной поверхностью. Их поверхностный слой представляет собой белый чугун и имеет повышенную твердость и износостойкость, а сердцевина имеет структуру другой разновидности чугуна (с наличием графита), что обеспечивает необходимый комплекс механических свойств. Примерами таких изделий с отбеленной поверхностью являются валки для холодной прокатки металла, шары для шаровых мельниц.

Чугуны, в которых углерод находится в свободном виде, классифицируют по форме графитовых включений:

1.      Серый чугун. В нем содержится графит в виде пластинчатых включений.

2.      Ковкий чугун с хлопьевидными включениями графита.

3.      Высокопрочный чугун, в котором графит имеет шаровидную форму.

Металлическая основа этих чугунов может быть перлитной, ферритной или феррито-перлитной. Схематические структуры рассматриваемых чугунов показаны на рис. 3.

Рис. 3.

Поскольку графитовые включения отрицательно сказываются на механических свойствах металла, особенно на пластичности, то чем менее разветвленную форму они имеют, тем меньше их отрицательное влияние. Самая неудачная, с точки зрения механических свойств, форма графита – пластинчатая (пластичность при этом самая низкая), а наиболее благоприятная – шаровидная форма включений, обеспечивающая максимальную пластичность (рис. 3). Это связано с тем, что графитовые включения играют роль трещин, пустот в чугуне и являются концентраторами напряжений. Чем более компактную форму имеют эти включения, тем более «мягкий» получается концентратор напряжений и тем меньше снижение механических свойств металла за счет графита.

Серый чугун получают при медленном охлаждении металла при литье изделий, а также при повышенном содержании кремния, углерода. Обозначается он буквами СЧ, после которых ставится цифра, показывающая предел прочности при растяжении s_в в кг/мм² (ГОСТ 1412-85). Например, СЧ12 (s_в = 12 кг/мм²). Применяется серый чугун для изготовления слабонагруженных деталей, работающих в легких условиях. Например, корпуса редукторов, насосов, электродвигателей, различные крышки, отопительные батареи и т.п.

Ковкий чугун получают из белого чугуна путем специального отжига. Это длительная термическая обработка, при которой белый чугун медленно нагревается до температур 950-1000 °С и после определенной выдержки медленно охлаждается. При таком отжиге происходит графитизация цементита белого чугуна с образованием хлопьевидных включений графита. Обозначается ковкий чугун буквами КЧ, после которых следуют цифры, показывающие предел прочности при растяжении s_в в кг/мм² – первая цифра, и относительное удлинение d в % – вторая цифра (ГОСТ 1215 в редакции 1992 г.). Например, КЧ30-6 (s_в = 30 кг/мм², d = 6 %). Применяется этот чугун для изготовления деталей, работающих в более тяжелых условиях по сравнению с деталями из серого чугуна ‑ при повышенных нагрузках, при знакопеременных и небольших ударных нагрузках. Например, картеры редукторов, коробок передач автомобилей, кронштейны рессор, различные крюки, фланцы и т.п.

Высокопрочный чугун получают путем модифицирования его при выплавке магнием или церием в количестве 0,05 %. Модификаторы способствуют формированию шаровидных включений графита. Обозначаются высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрой, показывающей предел прочности при растяжении s_в (ГОСТ 7293-85). Например, ВЧ 40 (d_в = 40 кг/мм²). Применяется высокопрочный чугун для изготовления ответственных деталей, работающих в довольно сложных условиях при повышенном нагружении. Например, коленчатые и распределительные валы легковых автомобилей, прокатные валки, корпуса турбин, детали кузнечно-прессового оборудования и др.

Представляет интерес использование чугунов для деталей, работающих в специфических условиях (агрессивные среды, высокие температуры и др.). Для этого в чугуны вводят легирующие элементы, способствующие повышению необходимых свойств. Такие чугуны называют легированными или чугунами специального назначения. Они дешевле легированных сталей и вследствие лучших литейных свойств оказываются предпочтительнее для получения отливок.

Таблица 1

Марки  и  механические  свойства  чугунов

Марка чугуна	sв, МПа (кг/мм2)	d, %	НВ
СЧ10 СЧ15 СЧ20 СЧ35	100 (10) 150 (15) 200 (20) 350 (35)	– – – –	190 210 230 275
КЧ 30-6 КЧ 35-10 КЧ 45-7 КЧ 60-3	300 (30) 350 (35) 450 (45) 600 (60)	6 10 7 3	100-163 100-163 150-207 200-269
ВЧ 35 ВЧ 40 ВЧ 50 ВЧ 70	350 (35) 400 (40) 500 (50) 700 (70)	22 15 7 2	140-170 140-202 153-245 228-302

Примечание: Для серых чугунов толщина стенки отливки 15 мм, для ковких чугунов размер отливки 16 мм.

Содержание  отчета

1.      Название и цель работы.

2.      Краткая характеристика основных видов чугунов, особенности их строения и свойств.

3.      Диаграмма железо-углерод с подробным рассмотрением ее чугунной части.

4.      Рисунки структур чугунов, изученных под микроскопом, с подробными пояснениями структурных составляющих и типа чугуна.

5.      Выбор материала для изделий по заданиям, данным преподавателем, с подробными пояснениями, анализом.

Задания  по  выбору  материала  для  деталей

1. Выберите материал для изготовления дроби для дробеструйных аппаратов очистки деталей. Дробь при работе аппарата не должна деформироваться и должна иметь высокую твердость и износостойкость. Опишите структуру выбранного материала.

2. Корпуса редукторов изготавливают из чугуна методом литья с последующей обработкой резанием. Материал должен обладать прочностью
s_в = 500 МПа, относительным удлинением 1,5 % и иметь твердость НВ230. Выберите и обоснуйте марку чугуна, расшифруйте ее и поясните структуру.

3. Почему белые чугуны ограниченно применяются в машиностроении? Дайте подробное пояснение. Какие разновидности белых чугунов существуют, и какова их структура?

4. Произошла поломка коленчатого вала дизельного двигателя. После исследования микроструктуры было дано заключение, что структура данного сплава состоит из зерен перлита с включениями пластинчатого графита. По техническим условиям данный материал должен обладать s_в ³ 650 МПа,
d ³ 2 %, НВ ³ 220-300. Из какого материала был изготовлен коленчатый вал? Из-за чего произошла поломка, и что Вы рекомендуете для предотвращения разрушения вала в дальнейшем?

5. Выберите материал для корпуса небольшого электродвигателя. Условия работы легкие, нагрузки небольшие. Корпус отливается с последующей обработкой резанием. Расшифруйте марку чугуна и поясните его структуру.

6. Выберите материал для изготовления отопительных батарей. Способ их изготовления – литье. Расшифруйте выбранную марку и поясните структуру.

                                          Практическая  работа № 2

Тема : Определение структуры сталей и их свойств

Цель: Определение структуры стали по диаграмме состояния с содержанием углерода более 0,8% С.

                                                Ход  работы

Микроструктура инструментальной углеродистой стали.

Рассмотрим стали, содержащие более 0,8% С. Их применяют для изготовления разнообразного инструмента (преимущественно слесарного) и называют инструментальными.

Рис. 5. Часть диаграммы состояния железо-углерод: А — аустенит; Ф — феррит; П — перлит; Ц — цементит

Возьмем, например, образец из стали, в которой содержится 1% С. На диаграмме состояния (см. рис. 5) этому содержанию углерода соответствует точка L. Нагреем до расплавления такой образец и затем проследим за структурными превращениями, которые будут происходить при охлаждении. Когда температура будет ниже точки 1', из жидкого расплава начнут выделяться кристаллы аустенита. Затвердевание полностью закончится, когда температура станет ниже точки 2'. Теперь весь углерод, имеющийся в стали (1%), будет находиться в аустените в виде твердого раствора. С понижением температуры растворимость углерода будет снижаться, и при температуре ниже точки 3' часть углерода, которая уже не может оставаться в твердом растворе, будет выделяться в виде химического соединения — цементита. По мере выделения цементита процентное содержание углерода в остающемся еще аустените будет понижаться.

Диаграмма построена экспериментально так, что линия SE показывает уменьшение содержания углерода в аустените по мере снижения температуры. Когда температура снизится до точки 4', т. е. до линии PSK (727°С), содержание углерода в оставшемся аустените будет равно 0,8% (точка S). Теперь при дальнейшем снижении температуры из аустенита будут одновременно выделяться кристаллы феррита и цементита, и образуется структура перлита точно так же, как это было в предыдущем примере со сталью 45. Различие будет лишь в том, что в первом случае кроме перлита в структуре был еще феррит, а во втором — наряду с перлитом будет ранее выделившийся цементит. Это различие, однако, существенно сказывается на свойствах. В сталях, содержащих менее 0,8%) С, феррит, залегая между кристаллами перлита, повышает пластичность стали, снижая в то же время твердость и прочность. В сталях же, содержащих более 0,8% С, цементит, располагающийся в виде тонких прослоек по границам перлитных участков, повышает прочность и твердость, но снижает пластичность. Это обусловливает повышенную хрупкость высокоуглеродистых сталей. На рис. 8 показана структура стали, содержащей более 0,8% С.

Рис. 8. Микроструктура инструментальной углеродистой стали: светлая каемка по границам зерен — цементит; остальное — перлит

Таким образом с повышением содержания углерода в конструкционных сталях увеличивается объем, занимаемый перлитом, что повышает прочность и твердость. В инструментальных же сталях основной объем всегда занят перлитом, а с повышением содержания углерода увеличивается количество твердого, но хрупкого цементита, и это приводит к повышению твердости и хрупкости стали.

Однако в таком состоянии до проведения термической обработки сталь не обладает достаточно высокой твердостью и прочностью и потому не пригодна для изготовления ответственных деталей и инструмента. Для получения стали с наибольшей прочностью и твердостью необходима термическая обработка — закалка. 

Контрольные вопросы:

Почему же после закалки сталь приобретает такие свойства? Какие превращения происходят при этом в ней? Какую структуру она приобретает после закалки?

По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.

                                            Практическая работа № 3

Тема : Расшифровка марок легированных сталей.

Цель: Научиться расшифровывать марки сталей

Оборудование : тетради, ручки, раздаточный материал.

                                                        Ход  работы

Обучающимся в ходе работы раздаются карточки с марками сталей.

По окончанию работы результаты предъявить преподавателю для просмотра и выставления оценки.