Материал: Упрочнение углеродистых конструкционных и инструментальных сталей термической (химико-термической) обработкой

Ас₁

Ас_m

A_r1

M_н

730

800

700

210

Содержание, %

C

Mn

Si

S

P

Cr

Ni

Cu

Не более

1,16-1,23

0,17 -0,33

0,17-0,33

0,028

0,030

0,20

0,25

0,25

Термообработка, состояние поставки

s_B, МПа

d₅, %

Лента холоднокатаная отожженная

0,1-1,5

650

1,5-4,0

Лента холоднокатаная нагатованная

Класс прочности Н1

0,1-4,0

750-900

Класс прочности Н2

0,1-4,0

900-1050

Класс прочности Н3

0,1-4,0

1050-1200

Лента холоднокатаная отожженная высшей категории качества

0,1-4,0

650

Температура ковки

Начала 1180, конца 800. Охлаждение заготовок сечением до 100 мм на воздухе, 101-300 мм - в яме

Свариваемость

не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость резанием

В отожженном состоянии при НВ 187 и sB = 620 МПа Ku тв.спл. = 1.2, Ku б.ст. = 1.1

Склонность к отпускной способности

не склонна

Флокеночувствительность

не чувствительна

Шлифуемость

хорошая

Назначение - инструмент, который работает в условиях, не вызывающих разогрева рабочей кромки: зубила, долота, бородки, молотки, лезвия ножниц для резки металла, топоры, колуны, стамески, плоскогубцы комбинированные, кувалды.

. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe₃C и нанесите вертикальную линию, соответствующую содержанию углерода в стали

Рисунок 1 Диаграмма состояния системы железо-цементит

Линия АВСD - линия ликвидус, линия AHJECF - солидус. Точка А соответствует температуре плавления железа (1 536ºС), точка D - температура плавления цементита (1 252ºС). Точки N и G соответствуют температурам полиморфного превращения железа.

В системе Fe-Fe₃C на разных ярусах происходят эвтектичекое и эвтектоидное превращения. По линии ECF при температуре 1 147ºС происходит эвтектическое превращение: Ж_С ↔ А_Е + Ц_F. Образующаяся эвтектика называется ледебуритом.

Ледебурит (Л) - механическая смесь аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода.

По линии PSK при температуре 727ºС происходит эвтектоидное превращение: А_С ↔ Ф_Р + Ц_К, в результате которого из аустенита, содержащего 0,8% углерода, образуется механическая смесь феррита и цементита. Эвтектоидное превращение происходит аналогично кристаллизации эвтектики, но не из жидкого, а из твердого раствора. Образующийся эвтектоид называется перлитом.

Перлит (П) - механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит состоит из пластинок цементита в ферритной основе, на травленном шлифе имеет блеск перламутра, отсюда и название - перлит. Зерно перлита состоит из параллельных пластинок цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Аустенит, входящий в состав ледебурита, при температуре 727ºС также испытывает эвтектоидное превращение. Поэтому ниже температуры 727ºС ледебурит состоит из механической смеси перлита и цементита.

3. Опишите структурные превращения при нагреве и охлаждении стали

Рисунок 2 Кривая охлаждения с содержанием углерода 1,2 %

углеродистая сталь термическая обработка

В сплаве с содержание углерода 1 % образование кристаллов аустенита происходит в интервале температур 1-2. В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается, и от точки 2 до точки 3 структурных изменений не происходит, аустенит просто охлаждается. При охлаждении в диапазоне температур между точками 3-4 из кристаллической решетки аустенита выделяется избыточный углерод с образованием вторичного цементита ЦII. При этом содержание углерода в аустените изменяется по линии ES. На линии PSK при температуре 727ºС происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит превращается в перлит. Поэтому при комнатной температуре структура сплава состоит из перлита и вторичного цементита. Такой сплав называется углеродистой заэвтектоидной сталью.

4. Выбрать способ термической (химико-термической) обработки стали для получения твердости поверхностного слоя более 60 НRC

Заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке. Оптимальная температура нагрева углеродистых сталей - температура А_с1 + (30-50 °С), т.е. до температуры 750ºС.

После закалки заэвтектоидная сталь приобретает структуру, состоящую из мартенсита и цементита. Кристаллы цементита твёрже кристаллов мартенсита, поэтому при неполной закалке заэвтектоидные стали имеют более высокую твёрдость, чем при полной закалке.

. Вычертите график термической (химико-термичекой) обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали или инструмента

Отжиг инструментальной углеродистой стали (У10-У12) проводится с непрерывным охлаждением, изотермический, маятниковый, по режимам, приведенным на рис.3, а, б и в.

Выдержка при температуре отжига и изотермическая выдержка при 680-700oC составляет 1-2 ч. При маятниковом отжиге выдержка на каждой ступени 0,5-1 ч. Структура после отжига - зернистый перлит.

Перед повторной закалкой, а также для снятия внутренних напряжений от обработки резанием и снятия наклепа после холодной пластической деформации производится низкотемпературный отжиг (рис. 3, г) с выдержкой 2 - 3 ч.

Для устранения цементной сетки и измельчения зерна применяется нормализация (рис. 3, д).

Для получения повышенной чистоты поверхности (при нарезании резьбы и т.п.) применяют улучшение (рис. 3, е).

Рисунок 3 Графики рекомендуемых режимов предварительной термической обработки сталей У10, У11 и У12

а - отжиг с непрерывным охлаждением; б - изотермический отжиг; в - маятниковый отжиг; г - низкотемпературный отжиг; д - нормализация; е - улучшение

6. Опишите предполагаемую структуру стали после термической (химико-термической) обработки

Структура сталей, содержащих больше 0,8% углерода, состоит из зерен перлита и зерен цементита.

Рисунок 4 Микроструктура заэвтектоидной углеродистой стали

При нагреве углеродистой стали любой марки никаких изменений в ее структуре не происходит до температуры 720°. При температуре 720° в стали происходит первое очень глубокое изменение структуры: зерна перлита превращаются в зерна аустенита. Это превращение заключается в том, что пластинчатые зерна цементита, которые образовали как бы каркас внутри зерна перлита, растворяются в окружающем их железе и равномерно по нему распределяются. Получившееся из зерна перлита зерно аустенита представляет собой уже не сложное зерно чистого железа, внутри которого были заключены пластинчатые зерна цементита, а однородное зерно твердого раствора углерода в железе. Превращение зерен перлита в зерна аустенита происходит в углеродистой стали всех марок, когда температура металла достигает 720°. Эта очень важная для теории и практики термической обработки температура называется нижней критической температурой.

При нагреве углеродистых сталей выше 720° зерна аустенита будут увеличиваться, а зерна феррита уменьшаться, потому что зерна аустенита будут постепенно поглощать зерна феррита и растворять их в себе. Наконец, при какой-то температуре зерен феррита не останется вовсе - структура металла будет состоять из одних зерен аустенита. Та температура, при которой заканчивается полностью процесс растворения зерен феррита в зернах аустенита, называется верхней критической температурой.

Список литературы

1 Арзамасов Б.Н., Макарова В.И., Музова Г.Г. материаловедение: Учебник для вузов - 3-е издание. М.: Изд-во МГТУ им. И. Э. Баумана, 2002.

Материаловедение и технология металлов. Фетисов Г.Л., Картман М.Г. М.: Высшая школа, 2000.

Справочник по конструкционным материалам. Справочник./ Б.Н. Арзамасов и др.: Под ред. Б. М. Арзамасова. - М.: изд-во МГТУ им. Баумана, 2005.

Углеродистая сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-94).

Сталь конструкционная (ГОСТ 1414-75).

Углеродистая качественная конструкционная сталь (ГОСТ 1050-88).

Инструментальная углеродистая сталь (ГОСТ 1435-90).

Сталь низкоуглеродистая качественная (ГОСТ 9045-80).