Вязкость стали.

Задачи работы:

Ознакомиться с оборудованием для проведения отпуска и определения ударной вязкости.,уяснить влияние различных режимов отпуска на свойства закаленной стали.

Теоретические сведения:

Закаленная на мартенсит сталь,имея высокую твердость,характеризуется низкими ударной вязкостью,пластичностью и пределом упругости,высокими внутренними напряжениями и поэтому мало пригодна для использования.

При отпуске изменяется структура закаленной стали (как результат диффузионных процессов) и ее свойства: повышаются ударная вязкость,предел упругости,пластичность,снижаются внутренние напряжения и твердость.Отпущенная сталь по сравнению с неотпущенной менее напряжена и хрупка.В зависимости от температуры нагрева различают следующие виды отпуска: низкий,средний и высокий.

Низкий отпуск-закаленные изделия нагревают и выдерживают в течение заданного времени в интервале температур 150-200ºС.Структура закаленной стали до отпуска состоит из тетрагонального мартенсита или тетрагонального мартенсита и остаточного аустенита,причем остаточный аустенит характерен для высокоуглеродистых сталей.В процессе низкого отпуска атомы углерода диффундируют из решетки тетрагонального мартенсита и образуют высокодисперсный карбид железа.Концентрация углерода в решетке мартенсита постепенно снижается,что приводит к снижению тетрагональности мартенсита.При этом образуется отпущенный мартенсит,представляющий собой совокупность перенасыщенного твердого раствора углерода в α-железе и высокодисперсного не отделившегося от него карбида железа.Такая структура обеспечивает почти ту же твердость и износостойкость,как и после закалки,но при этом снижаются остаточные напряжения,повышается ударная вязкость и пластичность.Низкотемпературному отпуску подвергают режущий и измерительный инструмент,а также детали машин.

Средний отпуск-закаленные изделия нагревают и выдерживают в течение определенного времени при температурах 350-500ºС.В указанном интервале температур завершается диффузионное превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит,карбиды полностью обособляются от решетки мартенсита,укрупняется карбидно-ферритная смесь и наблюдается дальнейшее снижение твердости.Завершается диффузия углерода из мартенсита и уменьшаются остаточные напряжения.Структура среднеотпущенной стали состоит из троостита отпуска,представляющего собой очень мелкодисперсную смесь феррита с цементитом.В результате среднего отпуска сталь приобретает повышенную прочность и упругость при твердости НВ450-500.Среднему отпуску подвергают закаленные изделия,которые должны иметь максимальные упругие свойства при относительно высокой твердости: пружины,рессоры,ударный инструмент-зубила,штампы и др.

Высокий отпуск- закаленные изделия нагреваются в течение заданного времени в интервале температур 500-650ºС.Процесс сопровождается укрупнением и округлением цементитных частиц в ферритной основе.В результате высокого отпуска получается структура,называемая сорбитом отпуска.Высокому отпуску подвергают детали,испытывающие ударные и знакопеременные нагрузки:шатуны двигателей,полуоси,оси автомобилей и тракторов,болты,пальцы,валы и многие другие детали.Закалку с последующим высоким отпуском часто называют улучшением стали.

Время выдержки при отпуске зависит от температуры отпуска и размера деталей.Оно должно быть достаточным для завершения процессов диффузии в закаленной стали.В противном случае эффективность отпуска понижается.Время выдержки при отпуске особенно легированных сталей несколько больше времени выдержки при нагреве под закалку.При низких температурах выдержка больше,чем при высоких.Охлаждение углеродистых сталей после отпуска можно проводить с любой скоростью,поскольку оно не вызывает в стали каких-либо дополнительных структурных превращений.Однако чрезмерно быстрое охлаждение может вызвать образование термических напряжений (особенно в деталях сложной формы).Поэтому обычно охлаждение производят на воздухе.

Под ударной вязкостью понимается работа,затраченная при динамическом разрушении образца с надрезом и отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза.Значение ударной вязкости определяют по формуле

ан=А/F

где А-работа,затраченная на разрушение образца,кгс*м

F-площадь поперечного сечения образца,см²

Так как многие детали машин,изготовленные из стали,работают в условиях значительных динамических и ударных нагрузок,то ударная вязкость является важнейшей характеристикой стали.Испытания на ударную вязкость проводятся на маятниковом копре.Маятник поднимают на некоторую высоту h1 и закрепляют в этом положении защелкой.Затем ставят образец,надрезом в сторону,противоположную удару бойка.При освобождении защелки маятник падает,разрушает образец и поднимается на высоту h2.Работа,затраченная на разрушение образца,равна

А=(h1-h2)G

где G-масса маятника,кг

На приборе значение работы определяется по шкале.Ударная вязкость стали зависит от конструкции детали,качества поверхности,химического состава стали и ее макро и микроструктуры.Наличие в деталях резких переходов в сечении,надрезов,выточек,вырезок и т.д. вызывает концентрацию в них напряжений,что значительно снижает ударную вязкость стали.Ударная вязкость уменьшается также при наличии на поверхности деталей рисок,царапин,следов механической обработки и других дефектов.У металлов и сплавов,имеющих волокнистое строение,получившееся в результате обработки металлов давлением,ударная вязкость образцов с поперечным волокном составляет 50-60% от ударной вязкости образцов с продольным волокном.Различный химический состав стали и разные виды примененной термической или химико-термической обработки также значительно изменяют значение ударной вязкости.

Порядок выполнения работы:

1.Определить по справочным данным режим термической обработки (закалки и отпуска ) образцов из стали 40 и У8.Замерить площадь сечения образцов в месте надреза.

2.Провести закалку образцов и их отпуск (низкий,средний,высокий).

3.Измерить твердость образцов на приборе Роквелла и ударную вязкость на маятниковом копре.

Содержание отчета:

В отчет необходимо включить описание видов отпуска,превращения при них,получаемые механические свойства отпущенной стали и цель применения отпуска.,протокол опытных данных.,график изменения твердости и ударной вязкости в зависимости от температуры отпуска.В выводах необходимо указать,как влияет температура отпуска на твердость и ударную вязкость сталей 40 и У8,объяснить причины их изменения в процессе отпуска.

Котрольные вопросы:

1.Что называется отпуском?

2.Какие существуют виды отпуска?

3.Как производят и на что влияет средний отпуск?

4.Что такое ударная вязкость и как ее определяют?