ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА УГЛЕРОДА НА ТВЕРДОСТЬ ЗАКАЛЕННОЙ УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

Цель работы

1. Освоить методику выбора режимов и технологии проведения закалки углеродистых сталей с различным содержанием углерода.

2. Исследовать влияние количества углерода на твердость до и после закалки.

Приборы, материалы и инструменты

1. Муфельная печь, клещи.

2. Закалочные ванны с водой.

3. Твердомер Роквелла.

4. Образцы углеродистой стали с различным содержанием углерода (например: сталь 20, сталь 45, У10).

Краткие теоретические сведения

Закалка – это термическая обработка, при которой главным процессом является формирование неравновесной структуры во время ускоренного охлаждения. Углеродистые стали подвержены закалке с полиморфным превращением, когда главным процессом является мартенситное превращение высокотемпературной фазы (аустенита). Поэтому закалку углеродистых сталей называют закалкой на мартенсит.

Мартенсит – это пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α - железо. Мартенситное превращение протекает при быстром охлаждении углеродистой стали от температуры аустенизации со скоростью не ниже критической скорости (V_кр.). Такую скорость охлаждения может обеспечить, например, охлаждение стали в воде. При этом весь углерод, ранее растворенный в решетке аустенита, остается в решетке α –железа. Так как количество углерода в решетке мартенсита много больше, чем в равновесном состоянии (0, 006 %), она искажена и приобретает тетрагональную форму (рис. 19.1).

Рисунок 19.1 – Схема кристаллической решетки мартенсита

Чем больше в стали углерода, тем больше искажена решетка мартенсита и тем выше его твердость. Поэтому мартенсит в высокоуглеродистых сталях может иметь очень высокую твердость (до 65 НRC). Как уже отмечалось в предыдущей работе, высокая твердость мартенсита обусловлена, во-первых, искажениями кристаллической решетки и, соответственно, большими внутренними напряжениями; во-вторых, возникновением фазового наклепа вследствие увеличения объема при превращении аустенита в мартенсит.

Мартенситные превращения начинаются при некоторой температуре М_Н (начало мартенситных превращений) и заканчивается при температуре М_К (конец мартенситных превращений). Положение точек М_Н и М_К не зависит от скорости охлаждения, но зависит от содержания углерода в стали (рис. 19.2). Если содержание углерода в стали превышает 0, 6-0, 7 %, то М_К лежит в области отрицательных температур. Это значит, что после полного охлаждения стали в ее структуре, помимо мартенсита, будет присутствовать остаточный аустенит, понижающий твердость закаленной стали. В этом случае, чтобы получить максимальное количество мартенсита, необходимо после закалки в воде сделать еще и обработку холодом.

Рисунок 19.2 – Влияние содержания углерода в стали на температуру начала М_Н и конца М_К мартенситного превращения

Таким образом, следует различать твердость закаленной стали и твердость кристаллов мартенсита, так как в закаленных сталях (в основном в заэвтектоидных сталях) имеется остаточный аустенит.

С увеличением количества углерода до 0, 5-0, 6 %, твердость кристаллов мартенсита увеличивается, а при дальнейшем увеличении количества углерода практически не изменяется (рис. 19.3). Твердость углеродистой стали, закаленной на мартенсит, с увеличением содержания углерода в стали проходит через максимум при концентрации около 0, 9 % С, а затем снижается (рис. 19.4) из-за увеличения объемной доли мягкого остаточного аустенита.

Способность стали к повышению твердости при закалке называется закаливаемостью. Закаливаемость характеризуется максимальной твердостью, которая может быть получена на поверхности изделия после закалки. Как уже отмечалось, значение твердости углеродистой стали зависит от содержания углерода.

Рисунок 19.3 – Зависимость твердости кристаллов мартенсита от содержания в них углерода и легирующих элементов: 1 – углеродистая сталь, 2 – легированная сталь

Рисунок 19.4 – Зависимость твердости закаленной углеродистой стали от содержания в ней углерода

Задание

1. Получить у лаборанта образцы стали с различным содержанием углерода для проведения закалки.

2. Определить температуру нагрева исследуемых сталей, используя рисунок 19.5.

3. Определить время выдержки образцов, используя таблицу 19.1.

4. Провести закалку образцов из исследуемых сталей в воде.

5. Определить твердость стали в образцах до закалки (после нормализации) и после закалки.

6. Результаты экспериментов представить в виде протокола испытания (табл. 19.2).

7. Построить график зависимости твердости закаленных сталей (HRC) от количества углерода в сталях до и после закалки.

8. Написать вывод о влиянии количества углерода на твердость углеродистой стали до и после закалки.

9. Написать отчет о проведенном исследовании в соответствии с п.п. 2-8.

Рисунок 19.5 – Левая нижняя часть диаграммы Fe-C. Оптимальный интервал температур для нагрева стали под закалку

Таблица 19.1 – Продолжительность нагрева образцов (в минутах) на 1 мм их диаметра или толщины

Температура нагрева, °С	Форма изделия
Круг	Квадрат	Пластина
	2, 0 1, 5 1, 0 0, 8 0, 4	3, 0 2, 2 1, 5 1, 2 0, 6	4, 0 3, 0 2, 0 1, 6 0, 8

Таблица 19.2 – Протокол испытаний

Марка сталей	Количество углерода, %	Твердость стали до закалки (HRC)	Температура нагрева, °С	Время выдержки, мин	Охлаждающая среда	Твердость стали после закалки (HRC)

Контрольные вопросы

1. Как влияет количество углерода на твердость стали до закалки (после нормализации)? Укажите структуру исследуемых сталей до закалки.

2. Какую термическую обработку называют закалкой?

3. Какому виду закалки подвержены углеродистые стали?

4. Как влияет количество углерода в стали на твердость мартенситных кристаллов и твердость стали?

5. Что понимают под закаливаемостью стали?

6. Как выбрать температуру нагрева углеродистой стали под закалку?

7. От чего зависит продолжительность нагрева стальных изделий при закалке?

8. Что понимают под критической скоростью охлаждения стали (V_кр)?

9. Почему в структуре закаленной стали наблюдается аустенит остаточный?

Лабораторная работа 20

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78