Определение критических точек в стали 40 методом пробных

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КРИТИЧЕСКИХ ТОЧЕК В СТАЛИ 40 МЕТОДОМ
ПРОБНЫХ ЗАКАЛОК
Цель работы
1. Ознакомиться с методикой определения критических точек стали по
изменению ее твердости после закалки.
Задание
1. Закалить образцы из стали 40 со следующих температур нагрева: 650,
700, 720, 740, 760. 780, 800, 820, 850° С.
2. Замерить твердость закаленных образцов.
3. Построить график изменения твердости стали 40 в зависимости от
температуры нагрева.
4. По кривой " температура - твердость” определить критические точки
АС1 и АС3 для стали 40.
Основные сведения
Критические точки, т.е. температуры фазовых превращений в сплаве,
можно определить по результатам термического анализа: по перегибам и остановкам( горизонтальным площадкам ) на кривых охлаждения.
В системе железо-цементит
критические точки впервые определил и
описал в 1868 г. русский металловед Д.К. Чернов.
На диаграмме “железо-цементит” для сталей нижним критическим точкам А1 ( или Ас1 - при нагреве ) соответствует линия PSK - превращение перли1
та в аустенит, а верхним критическим точкам А3 ( или Ас3 - при нагреве ) соответствует линия GSE – конец растворения феррита в аустените в доэвтектоидных сталях и цементита в аустените - в заэвтектоидных сталях (рис. 1).
Для определения критических точек в настоящее время применяют различные методы: пробных закалок,
дилатометрический, дифференциальный,
термический, измерения электросопротивления , из которых метод пробных
закалок является наиболее простым.
Рассмотрим сущность этого метода на примере пробных закалок образцов из стали 40. Из стали 40 изготавливают образцы диаметром 15-20 мм и высотой 15-20 мм. Образцы нагревают до различных температур, охлаждают в
воде или масле и измеряют на твердость.
Если температура нагрева образцов из стали 40 была ниже Ас1, то твердость их после охлаждения не повысится, так как не произойдет структурных
изменений, структура так и останется феррит +перлит.
При нагреве образцов выше АС1 структура будет состоять из феррита и
аустенита.
В результате быстрого охлаждения аустенит превратится в мартенсит и
структура стали будет феррит + мартенсит. Образование мартенсита повышает
твердость. Нагрев до более высоких температур вызывает увеличение твердости, так как с повышением температуры возрастает количество аустенита и
уменьшается количество феррита, а после быстрого охлаждения увеличивается
соответственно количество мартенсита. Повышение твердости будет продолжаться до тех пор, пока сталь не нагреют выше Ас3 . При таком нагреве получают структуру аустенит, а в результате быстрого охлаждения - мартенсит.
Дальнейшее повышение температуры закалки не изменит структуру стали и ее твердость в закаленном состоянии.
По результатам измерения твердости строят график зависимости температура - твердость стали (рис. 2) .
2
По точкам перегиба на построенной кривой определяют критические
температуры А1 и А3 стали 40.
Методы определения твердости
Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при местных контактных воздействиях на поверхность,
т.е. сопротивление внедрению в него постороннего тела.
Наиболее распространенными методами определения твердости являются
методы Бринелля , Роквелла и Виккерса.
В данной лабораторной работе для измерения твердости стальных образцов используются методы Бринелля и Роквелла.
Измерение твердости по Бринеллю
При определении твердости методом Бринелля в испытываемый
образец вдавливается стальной закаленный шарик . Между нагрузкой и диаметром шарика должно выдерживаться
соотношение:
Р = 30 Д2 .
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
НВ = P/F = 2P / [D (D2 - d2 )0,5 ,
где
Р - нагрузка на шарик , кГс ;
F - площадь поверхности отпечатка, мм2 ;
D - диаметр шарика , мм ;
d - диаметр отпечатка , мм.
3
Р = 2,5 Д2, Р = 10 Д2,
Т,0С
А + Ц 
А
G
I
911
S
А+Ф
727
Ф+Ц
(П + Ц )
Ф+Ц
(Ф + П) (П)
0
0,40
2,14%С
0,80
I
Рис. 1. Фрагмент диаграммы состояния железо-углерод
HB
АС3
АС1
T,oC
Рис. 2. Зависимость твердости от температуры закалки стали 40
4
Для измерения твердости стали и чугуна используют стальной шарик D =
10 мм и нагрузку Р = 3000 кГс; для меди и ее сплавов D = 10 мм и Р = 1000 кГс,
для очень мягких металлов ( алюминий, бабиты и др. ) D = 10 мм и
Р = 250
кГс.
Зная нагрузку, диаметр шарика и диаметр отпечатка, твердость по НВ
определяют по табличным данным ( таблица 1 ).
Для получения достоверных результатов при измерении твердости по
Бринеллютолщина испытуемого образца должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка .
Расстояние от центра отпечатка до края образца должна быть не менее
2,5 d , а между центрами двух соседних отпечатков - не менее 4 d.
Метод Бринелля рекомендуется применять
для металлов и сплавов,
твердость которых не превышает 4500 МПа, так как при большей твердости
будет деформироваться стальной шарик.
Таблица 1 – Таблица значений твердости, определяемой различными методами
Твердость
НВ
Диаметр
Число
отпечатка
твердости,
кг/мм2
Твердость
HRC
Шкалы
С
2,05
2,10
2,15
2,20
2,25
2,30
2,35
2,40
2,45
2,50
2,55
2,60
2,65
2,70
2,75
2,80
898
857
817
780
745
712
682
653
627
601
578
555
534
514
495
477
76
68
66
64
62
60
58
57
55
53
52
50
49
А
84
82
81
80
79
78
78
77
76
76
75
74
74
Твердость
НВ
Диаметр
Число
отпечат- твердока,
сти,
мм
кг/мм2
В
120
119
119
117
117
4,05
4,10
4,15
4,20
4,25
4,30
4,35
4,40
4,45
4,50
4,55
4,60
4,65
4,70
4,75
4,80
5
223
217
212
207
202
197
192
187
183
179
174
170
166
163
159
156
Твердость
HRC
Шкалы
С
20
18
17
16
15
13
12
10
9
8
7
6
5
3
2
1
А
61
60
60
59
59
58
58
57
57
56
56
55
55
54
53
53
В
96
96
95
94
93
92
91
90
89
88
87
86
85
84
83
82
2,85
2,90
2,95
3,00
3,05
3,10
3,15
3,20
3,25
3,30
3,35
3,40
3,45
3,50
3,55
3,60
3,65
3,70
3,75
3,80
3,85
3,90
3,95
4,00
461
444
429
415
401
398
375
363
352
341
331
321
311
302
293
285
277
269
262
255
248
241
235
229
47
46
45
44
42
41
40
38
37
36
35
34
33
32
31
30
29
28
26
25
24
23
22
21
73
73
72
72
71
71
70
69
69
68
67
67
67
66
66
65
65
64
63
63
62
62
62
61
116
115
115
114
113
112
112
110
110
109
109
108
108
107
106
105
104
103
102
102
100
99
98
97
4,85
4,90
4,95
5,00
5,05
5,10
5,15
5,20
5,25
5,30
5,35
5,40
5,45
5,50
5,55
5,60
5,65
5,70
5,75
5,80
5,85
5,90
5,95
6,00
153
149
146
143
140
137
134
131
128
126
124
121
118
116
114
112
109
107
105
103
101
99
97
95
0
52
81
80
79
78
77
76
74
73
72
71
70
69
68
67
66
65
64
62
61
60
59
58
57
56
Измерение твердости по Роквеллу
При измерении твердости методом Роквелла в образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 1200 или стальной закаленный шарик
диаметром 1,588 мм. Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов, а шарик - для мягких металлов.
Общая нагрузка Р вдавливания конуса или шарика состоит из предварительной Р0 и основной Р1. Мерой твердости по Роквеллу является глубина отпечатка, поэтому твердость по Роквеллу оценивается в условных единицах
В зависимости от используемого индентера ( конус или шарик ) и нагрузки вдавливания значение твердости указывается по одной из шкал (табл. 2 ).
6
Таблица 2
Шкала
Число
твердости
А
НРА
В
НРВ
С
НРС
Индентор
Алмазный
конус
Стальной
шарик
Нагрузка, кгс
Пределы измерения в единицах твердости
по Роквеллу
Ро
10
Р1
50
Р
60
70 - 85
10
90
100
25 - 100
10
140
150
20 - 67
Алмазный
конус
При измерении твердости по Роквеллу поверхность образца может быть
плоской или криволинейной. Радиус кривизны поверхности должен быть не
менее 15 мм.
Минимальная толщина образца должна быть не менее восьмикратной
глубины внедрения индентора после снятия основной нагрузки Р 1. При измерении твердости расстояние между центрами двух соседних отпечатков или расстояние от центра отпечатка до края образца должно быть не менее 3 мм. На
каждом образце проводят не менее трех измерений.
Методика работы
1. Образцы из стали 40 нагреваются до следующих температур: 650, 700,
720, 740, 760, 780, 800, 820, 8400С.
2. После выдержки в печи в течение 10-15 мин. при данной температуре
образцы охлаждают в воде.
3. После охлаждения в воде с торцовых поверхностей образцов удаляется
окалина наждачным кругом .
7
4. Твердость образцов, нагревавшихся до 7200 С, измеряют на твердомере Бринелля, а твердость остальных образцов - на твердомере Роквелла
5. Результаты исследования записывают в табл. 3.
Таблица 3
Температура
Твер-
нагрева
Примечания
дость
по Бринеллю, НВ по Роквеллу, HRC
Порядок оформления отчета
В отчете приводятся :
1. Цель работы и задание по ее выполнению
2. Полный химический состав стали 40.
3. Таблица 3 с результатами эксперимента.
4. График зависимости твердости стали 40 от температуры нагрева при закалках.
5. Вычерчивается часть диаграммы “железо-цементит” ( для сталей ), на которой указываются определенные в эксперименте критические температуры А1 и
А3.
8
Литература
1. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение.- М.: МИСиС, 1999, 477 с.
2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов .- М.:
Металлургия, 1993, 447 с.
9