Лабораторная работа № 13

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК УГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ

МЕТОДОМ ПРОБНЫХ ЗАКАЛОК

Цель работы

Экспериментальное определение критических точек углеродистой стали методом пробных закалок.

 

Критическими точками называют температурные начала и концы превращений, протекающие в сплавах при нагреве или охлаждении. Для углеродистых сталей, являющихся сплавами железа с различными элементами, среди которых углерод является основной добавкой, и поэтому часто называемых железоуглеродистыми сплавами, наиболее важными критическими точками, определяющими режимы нагрева под различные виды термической обработки (отжиг, закалка, нормализация) или под горячую обработку давлением, являются открытые Д.К. Черновым точки А1 и А3 (буква А - начальная буква латинского слова arret - остановка, индексы 1 и 3 - номера критических точек).

Для того, чтобы отличить критическую точку при нагреве от критической точки при охлаждении, рядом с буквой А ставят букву с или r (начальные буквы французских слов нагревание и охлаждение соответственно).

Указанные критические точки А1 и А3 соответствуют фазовым превращениям в твердом состоянии, основой которых служит полиморфные или аллотропическое превращение железа.

Положение этих точек для сталей характеризуется линиями диаграммы состояния железо-цементит (рис. 1). На линии PSK(727 °С) лежат нижние критические точки, обозначаемые А, а на линии GS (727-911 °С) – верхние, обозначаемые А3.

В процессе нагрева эвтектоидной стали, содержащей 0, 8% углерода (рис. 1), полное превращение перлита в аустенит происходит при постоянной температуре (727 °С). Для доэвтектоидных сталей, содержащих менее 0, 8% углерода и имеющих структуру феррита и перлита, при нагреве до 727 °С перлит превращается в аустенит.

*Перлит – механическая смесь феррита (твердый раствор углерода в
α -железе) и цементита (химическое соединение Fe₃C).

**Аустенит – твердый раствор углерода в φ -железе.

При повышении температуры выше критической точки Ас, (линия PSK на рис. 1) феррит растворяется в аустените.

 

Рис. 1. «Стальной» участок диаграммы состояния железо-цементит

 

При достижении температуры, соответствующей критической точке Ас∼ этот процесс заканчивается и при температурах выше Ас; структура стали состоит из аустенита.

Для заэвтектоидных сталей, содержащих более 0, 8% углерода (до 2, 14%) и имеющих структуру перлита и цементита (рис. 1), при нагреве до 727°С перлит превращается в аустенит. Дальнейшее повышение температуры между точками, лежащими на линиях PSK и ES сопровождается растворением цементита в аустените. При температурах выше критической точки Аc _m (линия ЕS на диаграмме) структура стали состоит из одного аустенита.

При медленном охлаждении рассмотренные процессы и превращения протекают в обратной последовательности.

В настоящей работе для определения критических точек применяется метод пробных закалок при различных температурах и замером твердости, являющейся структурно чувствительным свойством.

Критические точки Ас₁, и Ас₃ доэвтектоидной стали, например стали 45 (сплав I, рис. 1) определяют следующим образом. Несколько образцов нагревают до различных температур, причем нижняя температура нагрева должна быть заведомо ниже предполагаемой точки Ас₁, а верхняя - заведомо выше предполагаемой точки Ас₃. Все образцы охлаждают в воде (закаливают) и затем измеряют ихтвердость на твердомере Роквелла.

В исходном состоянии микроструктура образцов стали 45 состоит из перлита и феррита. Нагрев до температуры ниже критической точки А r ₁, не приводит к изменению структуры и, следовательно, при охлаждении в воде исходная структура не изменяется. Таким образом, твердость образцов, нагреваемых под закалку до температур ниже А r ₁, не зависит от температуры нагрева.

Состоящая из аустенита и феррита структура образцов, нагретых до температур, лежащих между точками Ас₁, и Ас₃, после охлаждения в воде (скорость выше критической скорости охлаждения) будет состоять из очень твердого мартенсита (пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе) и феррита, имеющего значительно меньшую твердость.

Подобный режим нагрева и охлаждения называется неполной закалкой, твердость после которой будет выше, чем после нагрева до температур ниже точки Ас.

Относительное количество феррита и мартенсита после охлаждения в воде изменяется в зависимости от температуры нагрева под закалку в интервале температур Ас, Асд. Чем ниже эта температура, т.е. чем меньше превышает она точку Ас, тем меньше аустенита и больше феррита в структуре образцов, а после охлаждения меньше мартенсита и больше феррита, и, следовательно, тем ниже твердость (рис. 2).

 

Рис. 2. Зависимость твердости от температуры нагрева под закалку (схема)

 

Мезоструктура образцов, нагретых выше верхней критической точки Ас₃, представляет собой аустенит, а после закалки – мартенсит. Твердость этих образцов максимальна и практически не зависит от температуры нагрева (если температура перегрева над Ас₃ не слишком высока).

После измерения твердости всех образцов на твердомере Роквелла строят график зависимости твердости HRA от температуры нагрева под закалку (рис. 2). По вертикали откладывают твердость закаленных образцов, а по горизонтали – температуры нагрева под закалку. Полученная зависимость позволяет определить критические точки Ас₁, и Ас₃. Точке Ас, соответствует температура, от которой начинает повышаться твердость закаленных образцов, а в точке Ас₁ – температура, при которой достигается максимальная твердость после закалки.

 

Порядок выполнения работы

 

Для проведения работы студентов разбивают на четыре бригады, каждой из которых выдают по три образца из стали 45 и указывают температуры нагрева под пробную закалку: первой бригаде – 680, 720, и 730 °С; второй – 750, 770 и 790 °С; третьей – 800, 815, 830 °С; четвертой – 840, 860 и 900 °С.

Каждой бригаде предоставляются муфельная электрическая печь сопротивления, термопара с гальванометром, щипцы, бачок с водой и твердомер Роквелла.

Для выполнения работы необходимо:

1. Установить в печи нижнюю из трех заданных температур, регулируя температуру при помощи трансформатора или реостата;

2. Загрузить все три образца в печь и выдержать их при температуре нагрева первого образца (самой низкой) в течение 10 мин. Далее закалить один из образцов так, как указано в п. 3. После этого повысить температуру печи до температуры закалки второго образца, выдержать образцы в печи в течение 7 мин. и закалить один из двух оставшихся образцов, далее повысить температуру до температуры нагрева третьего образца, выдержать образец в течение 5 мин, и закалить его;

3. Закалку производить следующим образом: взять образец щипцами, быстро опустить в воду и охладить, энергично перемещая его в воде;

4. Зачистить образцы с двух сторон до металлического блеска и измерить твердость на приборе Роквелла, вдавливая конус из твердого сплава под нагрузкой 600 Н. Расстояние отпечатка от края образца или от другого отпечатка должно быть не менее 2, 5 мм. Средний из трех измерений результат записать на доске;

5. На основании работы всех бригад заполнить второй и третий столбцы таблицы п. 4 отчета;

6. По полученным всеми бригадами данным построить в п. 5 отчета график зависимости твердости от температуры нагрева под закалку;

7. По графику определить критические точки Ас и Ас₃.

8. По положению критических точек Ас, и Аса определить микро- структуры образцов после закалки с разных температур.

 

Контрольные вопросы

 

1. Какие критические точки процесса превращения сталей открыты Д.И. Черновым?

2. Что такое перлит?

3. Что такое аустенит и феррит?

4. Какую структуру имеют доэвтектоидные стали?

5. Какую структуру имеют заэвтектоидные стали?

6. Какой метод применяется для определения критических точек?

7. Какие температуры соответствуют критическим точкам на диаграмме Fe–C?

8. Что такое Ac₁, Ac₂, Ac₃ и A r ₁, A r ₂, A r ₃?

9. Как определяется твердость по Бриннелю, Роквеллу, Виккерсу?

10.Как производят закалку?

 

Литература

 

1. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. Учебник для ВУЗов. 3-е изд. М.: Металлургия, 1983.

2. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / Под ред. Б.Н. Арзамасова М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002.

3. Лабораторный практикум по материаловедению. М.: Изд-во МЭИ, 1998.