Сталь ее виды и свойства термическая обработка стали

Обновлено: 19.05.2024

Цели урока : сформировать новые понятия о видах и свойствах сталей, научить расшифровке марок сталей, обучить приемам термической обработки сталей; воспитывать бережное и рациональное отношение к материалу; развитие мышления и воображения.

Организационный момент.

Приветствие учителя, контроль посещаемости, проверка готовности учащихся к уроку, назначение дежурных по мастерской.

- Вспомните, что такое сталь? (сплав железа с углеродом с содержанием последнего до 2 %).

- Какие изделия могут быть изготовлены из стали?

- Какие виды обработки стальных поверхностей вы знаете?

- Какие инструменты применяются для обработки стали?

1) Виды сталей (углеродистые, легированные, конструкционные, инструментальные и специальные).

2) Маркировка сталей.

3) Свойства сталей (доклад учащегося).

4) Термическая обработка стали.

5) Демонстрация приемов термической обработки стали.

Сталь. Виды сталей . (Рассказ учителя иллюстрируется демонстрацией образцов стали)

Углеродистые стали – это сплавы железа с углеродом, в состав которых входят некоторые обычные примеси. Углерод придает стали твердость, но увеличивает хрупкость и снижает пластичность.

Легированные стали – это сплавы, в которые, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Слово «легирование» произошло от немецкого слова, означающего «сплавлять», а последнее, в свою очередь, было образовано от латинского – «связываю, соединяю». Добавление их в сталь во время плавки изменяет её свойства. Одни элементы повышают твердость и прочность, другие – упругость, третьи повышают коррозийную стойкость стали, улучшают другие полезные свойства и качества.

По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные с особыми свойствами.

Конструкционные стали применяются для изготовления различных металлических конструкций, деталей механизмов и машин и т.д. Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественной.

Сталь обыкновенного качества обладает невысокой прочностью и применяется для изготовления болтов, шайб, мягкой проволоки, заклепок и др.

Качественная углеродистая сталь более прочная, и из неё изготовляют зубчатые колеса, шкивы и другие детали машин.

Все стали маркируются, то есть имеют условные обозначения, которые показывают вид стали, её состав, свойства и т.д. (Предлагается учащимся изучить таблицу «Маркировка и применение сталей и твердых сплавов».)

Конструкционная углеродистая сталь обыкновенного качества маркируется буквами «Ст.» и порядковым номером от 0 до7. Например, Ст.0, Ст.1 и т.д. Чем выше номер стали, тем больше в ней содержание углерода и прочность. Качественная углеродистая сталь обозначается цифрами, указывающими содержание углерода в сотых долях процента. Например, «Сталь 45» - сталь, содержащая 0.45% углерода. Более подробно по марке стали можно определить её состав и свойства, пользуясь специальным справочником.

Инструментальные углеродистые стали тоже подразделяются на качественные и высококачественные.

Инструментальные стали отличаются от конструкционных большей твердостью и прочностью. Они применяются для изготовления режущего и контрольно-измерительного инструмента.

Специальные стали – это стали с особыми свойствами: нержавеющие, износостойкие и т.д.

Маркировки сталей.

Широко и разнообразно применение легированных сталей. Конструкционные и инструментальные легированные стали маркируются сочетанием цифр и букв. Цифры, стоящие в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента для конструкционных сталей и в десятых долях для инструментальных сталей. Если цифры отсутствуют то содержание углерода составляет около 1%. Легирующие элементы, входящие в состав стали, обозначаются буквами русского алфавита: хром- Х, никель – Н, вольфрам – В, марганец – Г, ванадий – Ф, алюминий – Ю. (разъяснение свойств легирующих добавок). Цифры после букв указывают среднее содержание этих элементов в процентах. Если цифры отсутствуют, то содержание элемента около 1%. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. Выполнение упражнений по расшифровке марок сталей: 12Х2Н4А; ХВГ; Р6М5; Р18.

Марку стали визуально определить практически невозможно. Поэтому приблизительно марку можно установить по её применению или по так называемой «искровой пробе». Она основана на свойстве стали при шлифовании на корундовом камне образовывать искры. По количеству, цвету и силе искры можно приблизительно определить марку стали.

Демонстрация учителем искрения сталей и определение учащимися марки стали по таблице «Искровая проба стали».

Свойства сталей.

Свойства сталей можно изменять при помощи теплового воздействия – термической обработки, заключающейся в нагреве, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении.

Основные иды термической обработки сталей – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Они имеют различные назначения и отличаются друг от друга режимами термообработки, то есть температурой нагрева, временем выдержки при этой температуре и скоростью охлаждения. Изменение свойств стали в процессе термообработки при различных режимах зависит от содержания в ней углерода. Выбор температуры нагрева производят по специальной диаграмме.

При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает её хрупкость. Закалка целесообразна для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.

Хрупкость стали после закалки можно уменьшить при помощи отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей заготовки до температуры ниже температуры закалки и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает её обрабатываемость.

При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают. Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.

Термическая обработка стали.

Термическую обработку стали на промышленных предприятиях производят рабочие - термисты, которые хорошо знают внутреннее строение металлов, их физические и технологические свойства, режимы термообработки. Для термической обработки сталей применяют специальное оборудование, состоящее из нагревательных устройств, охлаждающих приспособлений, приборов для контроля теплового режима и результатов термообработки и различных инструментов и приспособлений.

В школьных мастерских термическую обработку стали производят с помощью небольшой муфельной печи. Температуру нагрева определяют приближенно по таблице цветов каления и побежалости. Для охлаждения изделий в процессе термообработки используют воду и машинное масло, которые наливают в специальные анны. Для обработки также потребуются клещи, молоток и напильник.

Приемы выполнения основных операций термообработки.

Основные приемы термообработки мы выполним на примере образца стали У7.

Для стали У7 температура термообработки составляет примерно 770-790 градусов. Образец помещают в печь и выдерживают его в ней из расчета 1,5 - 2 минуты на 1 мм его диаметра. Для нашего образца это время составит 15 - 20 минут.

По истечении времени печь отключают и дают ей остыть вместе с образцом. Затем образец достают из печи и проверяют качество отжига пробой напильником.

Для проведения закалки этого образца его опять помещают в печь с той же температурой, что и при отжиге, и выдерживают 15-20 минут, но охлаждают его с большей скоростью. Качество закалки проверяют пробой напильником.

Нормализацию и отпуск проводят уже для закалённой детали с целью снятия внутренних напряжений и уменьшения хрупкости. Охлаждение детали для данных процессов выполняют на воздухе.

Время выдержки образцов в печи используется для записей в тетрадях.

Во время проведения опытов необходимо соблюдать правила техники безопасности при работе с муфельной печью, термической обработке и напильником.

Выполнение практической работы.

«Приемы термической обработки стали».

Организация рабочего места.

Для выполнения работы понадобится муфельная печь, бачки с охлажденными жидкостями (маслом, одой), закалочные клещи, напильник, тиски, комплект стальных образцов.

1. закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по ней несколько раз напильником, сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали;

2. поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до 800 С, и выдержите его 15 – 20 мин. Температуру нагрева образца определите по таблице «Цвета побежалости и каления и соответствующие им температуры»;

3. опустите раскаленный образец в воду или масло;

4. закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником, сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали;

5. поместите образец в печь, нагретую до температуры 400…550 С, и выдержите 15…20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе;

6. опилите образец тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.

Правила техники безопасности с напильником и при термической обработке (приведены ранее).

Учащиеся выполняют задания 1 и 6 каждый на своем рабочем месте. Задания 2 – 5 выполняет учитель. Текущие наблюдения учителя, контроль понимания учащимися нового материала, ответы на возникающие вопросы работы, проверка правильности выполнения заданий.

Сталь её виды и свойства. Термическая обработка сталей.

Раздел : Технология обработки металла.

Тема урока : Сталь её виды и свойства. Термическая обработка сталей.

Цели : образовательная : познакомить учащихся с видами и свойствами стали, дать общее представление о термической обработке стали;

воспитательная : воспитывать у учащихся навыки рационального и ответственного использования материалов;

развивающая : способствовать развитию логического мышления.

Тип урока : Комбинированный .

Методы обучения : рассказ, беседа, инструктаж.

1. Организационный момент .

Объявление темы урока: Сталь её виды и свойства. Термическая обработка стали ( ученикам записать дату и тему урока в тетрадь).

Объявление цели урока.

2. Повторение материала изученного на предыдущем занятии (по вопросам).

1.Что называют сортовым прокатом?

2.Что такое профиль проката?

3. Где применяется сталь в народном хозяйстве?

3.Объяснение нового материала .

Сталь занимает особое место среди металлов и сплавов. Она служит материальной основой для практически всех отраслей техники и производства. В зависимости от состава стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом в состав которых входят некоторые обычные примеси. Углерод придаёт стали твёрдость, но увеличивает хрупкость и снижает пластичность. Легированные стали- сплавы, в которые, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.) Добавление их в сталь во время плавки изменяет её свойства. Одни элементы повышают твёрдость и прочность, другие - упругость, третьи повышают коррозийную стойкость стали, улучшают другие полезные свойства и качества. По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления различных металлических конструкций, деталей механизмов и машин. Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная. Сталь обыкновенного качества обладает невысокой прочностью и применяется для изготовления болтов, шайб, мягкой проволоки, заклёпок. Качественная углеродистая сталь более прочная, и из неё изготовляют зубчатые колёса, шкивы и другие детали машин. Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия - термической обработки (термообработки), заключающейся в нагреве, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении. Основные виды термической обработки сталей – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. При закалке металл нагревают до определённой температуры (до-800С), выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле. Закалка повышает твердость, и прочность стали, но вместе с тем повышается и её хрупкость. Отпуск - представляет собой нагрев остывшей закалённой детали до определённой температуры (400-500С) с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Отпуск повышает пластичность стали, что улучшает её обрабатываемость. Отжиг - состоит из нагрева стали до температур, определяемых целью отжига, выдержки при этих температурах с последующим медленным охлаждением. Отжиг резко снижает твёрдость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается. Нормализация- разновидность отжига, только охлаждение происходит на воздухе. Цель нормализации - снятие внутренних напряжений в металле, повышение прочности стали.

Спросить, понятен ли учащимся новый материал? При положительном ответе - проверить усвоение нового материала, при отрицательном - ответить на вопросы.

4. Проверка усвоения нового материала (по вопросам).

1.В зависимости от состава, на какие виды делятся стали?

2.Что является основными видами термической обработки?

3. Что такое закалка?

5.Практическая работа по художественному выпиливанию.

1. Выполнение работ связанных с завершающим этапом изготовления поделок.

2. Напомнить правила техники безопасности при выпиливании из фанеры.

3. Самостоятельная работа учащихся.

6. Подведение итогов занятия .

1. Контроль выполненной работы.

2. Разборка допущенных учащимися ошибок.

3. Оценка выполненной работы.

4. Сдача дежурным инструмента.

Курс повышения квалификации

Основы общей и педагогической психологии в деятельности педагога образовательного учреждения

Дистанционное обучение как современный формат преподавания

«Домашнее обучение. Лайфхаки для родителей»

Краткое описание документа:

Раздел : Технология обработки металла.

Тема урока : Сталь её виды и свойства. Термическая обработка сталей.

воспитательная : воспитывать у учащихся навыки рационального и ответственного использования материалов;

развивающая : способствовать развитию логического мышления.

Тип урока : Комбинированный .

Методы обучения : рассказ, беседа, инструктаж.

1. Организационный момент .

Объявление цели урока.

2. Повторение материала изученного на предыдущем занятии (по вопросам).

3.Объяснение нового материала .

Сталь занимает особое место среди металлов и сплавов. Она служит материальной основой для практически всех отраслей техники и производства. В зависимости от состава стали подразделяются на углеродистые и легированные. Углеродистые стали - это сплавы железа с углеродом в состав которых входят некоторые обычные примеси. Углерод придаёт стали твёрдость, но увеличивает хрупкость и снижает пластичность. Легированные стали - сплавы, в которые, кроме железа, углерода и обычных примесей, входят так называемые легирующие элементы (хром, никель, вольфрам и др.) Добавление их в сталь во время плавки изменяет её свойства. Одни элементы повышают твёрдость и прочность, другие - упругость, третьи повышают коррозийную стойкость стали, улучшают другие полезные свойства и качества. По назначению стали делят на конструкционные, инструментальные и специальные с особыми свойствами. Конструкционные стали применяются для изготовления различных металлических конструкций, деталей механизмов и машин. Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная. Сталь обыкновенного качества обладает невысокой прочностью и применяется для изготовления болтов, шайб, мягкой проволоки, заклёпок. Качественная углеродистая сталь более прочная, и из неё изготовляют зубчатые колёса, шкивы и другие детали машин. Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия - термической обработки (термообработки), заключающейся в нагреве, выдержке при температуре нагрева и последующем охлаждении. Основные виды термической обработки сталей – отжиг, нормализация, закалка и отпуск. При закалке металл нагревают до определённой температуры (до-800С), выдерживают при этой температуре, а затем быстро охлаждают в воде, масле. Закалка повышает твердость, и прочность стали, но вместе с тем повышается и её хрупкость. Отпуск - представляет собой нагрев остывшей закалённой детали до определённой температуры (400-500С) с последующим охлаждением в воде или на воздухе. Отпуск повышает пластичность стали, что улучшает её обрабатываемость. Отжиг - состоит из нагрева стали до температур, определяемых целью отжига, выдержки при этих температурах с последующим медленным охлаждением. Отжиг резко снижает твёрдость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается. Нормализация- разновидность отжига, только охлаждение происходит на воздухе. Цель нормализации - снятие внутренних напряжений в металле, повышение прочности стали.

4. Проверка усвоения нового материала (по вопросам).

5.Практическая работа по художественному выпиливанию.

Структура стали после закалки и отпуска

Сталь в обычном виде – довольно мягкий и податливый к обработке металл. Особая прочность некоторым маркам (это так называемые стали обыкновенного качества, производимые согласно требованиям ГОСТ 380) и не требуется: тех показателей, что были получены после выплавки, вполне хватает, например, канализационным люкам или оградительным решёткам. Но есть категории сталей – конструкционные и инструментальные, которым изначальных прочностных показателей мало. Их надлежит подвергать термической обработке. Основным её видом считается закалка.

Микроструктура стали 45 после отжига и закалки

Закалка: сущность операции

Как известно, любая сталь представляет собой твёрдый раствор углерода в основной структуре α-железа. При этом марка определяет процентное содержание углерода (например, марка «сталь 65» означает, что в её составе содержится 0,65% С, сталь У13 содержит около 1,3% С, и так далее). Однако этот элемент – довольно химически активный, поэтому в процессе выплавки (при 1600…2000 °С) он активно связывается железом, образуя в результате цементит Fe₃C. Всё остальное представляет собой феррит – достаточно мягкую структурную составляющую. Большое количество феррита в малоуглеродистых сталях обуславливает их повышенную пластичность, причём даже в холодном состоянии. Это не касается сталей:

легированных (они производятся согласно требованиям ГОСТ 4543);
подшипниковых по ГОСТ 801;
рессорно-пружинных по ГОСТ 2052 и ГОСТ 14959;
всех типов инструментальных, как легированных, так и нелегированных.

Чтобы понять эффективность закалки, необходимо обратиться к структуре стали после выплавки и последующей горячей прокатки на необходимый профиль – полосу, пруток или специальный профиль (уголок, швеллер и т.п.).

Любая сталь имеет кристаллическую структуру, которую составляет бесконечное множество кристаллов. Если лить сталь с последующим охлаждением расплава, то эти кристаллы превращаются в многогранные образования, называемые зёрнами. Поскольку при этом происходит активное насыщение кислородом, между смежными кристаллами возникают пустоты, которые в процессе охлаждения слитка постепенно заполняются серой, фосфором и прочими легкоплавкими неметаллическими включениями. Это не только снижает пластичность (фосфор и сера – весьма хрупкие химические элементы), но и способствует появлению весьма грубых скоплений зёрен, что делает металл неравномерным по своей плотности. Обрабатывать такие изделия невозможно – слиток начнёт раскалываться. Поэтому сразу после выплавки выполняется прокатка, в ходе которой исходные дефекты залечиваются, и структура становится более однородной. Соответственно, увеличивается плотность, а также исчезают поверхностные трещины.

Температура заготовки в зависимости от цвета при нагреве

Пластическая деформация положительно влияет только на макроструктуру. За изменение микроструктуры отвечает закалка – совокупность технологических методов термической обработки, суть которых состоит в увеличении прочностных показателей стали. Смысл закалки заключается в том, чтобы зафиксировать ряд высокотемпературных составляющих микроструктуры (придающих стали стойкость) для обычных условий эксплуатации изделий. Соответственно, сталь, не изменяя своего химического состава, резко повысит уровень своих некоторых механических характеристик:

предела временного сопротивления σ_в, МПа;
предела текучести σ_т, МПа;
предела усталости σ_и, МПа;
твёрдости по Бринеллю HB или Роквеллу НRC.

При этом некоторые показатели – в частности, ударная вязкость, относительное удлинение, – после закалки становятся ниже. Если это критично с точки зрения последующей эксплуатационной стойкости детали (а в большинстве случаев так и происходит), то правильно после её закалки выполнить ряд дополнительных операций: отпуск, старение и др.

Температурные изменения в структуре

Закалка проводится весьма часто для продукции, изготовленной из качественных конструкционных сталей, содержащих более 0,4% С, и практически всегда – для конструкционных легированных сталей, поскольку именно для них обычно и предъявляются повышенные прочностные требования.

Выбор режима закалки зависит от предназначения детали. Наиболее распространены следующие технологии:

Термообработка малоуглеродистых конструкционных сталей (менее 0,2% С), для которых необходимо сочетание поверхностной твёрдости с достаточно вязкой сердцевиной. В этом случае сначала выполняют цементацию — насыщение поверхности дополнительным количеством углерода, а уже потом сталь закаливают;
Термообработка среднеуглеродистых сталей с 0,3…0,6% С. Они применяются для производства ответственных машиностроительных изделий сложной формы, которые работают в условиях знакопеременных нагрузок. Нормализация всегда выполняется после закалки;
Химико-термическая обработка, которая выполняется относительно высоколегированных сталей, где глубинные слои могут оставаться вязкими. Основные варианты исполнения такой обработки – цианирование, нитридирование, сульфурирование – производятся также после закалки.

3 формы кристаллов железа в сверхвысокоуглеродистой стали

Все конструкционные стали относятся к виду доэвтектоидных: процентное содержание углерода в них не превышает 0,8%. В структуре стали после закалки в зависисмотси от условий нагрева имеются следующие составляющие:

В диапазоне температур до 723 °С – феррит и перлит (перлит представляет собой механическую смесь феррита и цементита, куда подмешиваются и карбиды легирующих элементов).
Выше этой температуры и до 850…900 °С– смесь феррита с аустенитом, причём область устойчивого существования структуры зависит от процента углерода, и постепенно снижается от диапазона 950…723 °С до 0.
Ниже этой температурной линии структура является уже чисто аустенитной.

Для отображения динамики структурных изменений в конструкционных сталях при их нагреве широко применяется известная диаграмма «железо-углерод», по которой устанавливают режимы закалки и последующего отпуска. Часто тут же приводятся и фотографии структурных составляющих.

Режимы закалки

Поскольку при закалке растут не только прочностные характеристики, но и хрупкость, технология правильного ведения процесса состоит в том, чтобы, с одной стороны, зафиксировать так можно большее количество остающегося аустенита, а другой стороны, снизить негативные проявления таких изменений. Особенно это важно для деталей сложной формы, где уже имеются концентраторы напряжений.

Задача решается ускоренным охлаждением деталей, нагретых выше температуры аустенитного превращения на 30…50 °С, с последующим отпуском. В качестве охлаждающей среды используется вода или масло, а итогом такого охлаждения является появление в микроструктуре мартенсита – пересыщенного твёрдого раствора углерода в железе. Мартенсит — значительно более твердая структура, с иным типом кристаллической решётки и игольчатой структурой кристаллов. Он считается так называемой метастабильной фазой, которая в обычных условиях существовать не может.

Закалка подразделяется на следующие виды:

Изотермическую, при которой выполняется непрерывное охлаждение в масле, либо в расплавах солей хлоридов бария и натрия. В результате аустенитное превращение протекает полностью, а в закалённом продукте исключаются трещинообразование и коробление. Изотермическая закалка и отпуск обязательны для конструкций сложной формы и значительных габаритных размеров.
Ступенчатую, при которой после закалки в ванне до окончания мартенситного превращения и выравнивания температурных перепадов по всему сечению, продукцию извлекают из закалочной ёмкости, и в дальнейшем охлаждают уже на спокойном воздухе.
Сквозную, применяемую для деталей небольших размеров. В результате получается наивысшая равномерность механических свойств.

Три вида отпуска после закалки

Особенности закалки инструментальных сталей заключаются в том, что они работают при гораздо повышенных эксплуатационных нагрузках: например, для тяжелонагруженного инструмента они достигают 3000…3500 МПа. Поэтому крайне важно обеспечить удовлетворительное сочетание всех прочностных параметров. Принципиальным отличием всех режимов закалки инструментальных сталей является обязательность отпуска непосредственно после закалки.

Наилучший результат дают следующие режимы закалки:

Изотермическая.
Закалка с самопроизвольным отпуском, при которой нагретую деталь кратковременно извлекают из охлаждающей среды (масла), очищают от образовавшейся плёнки окислов, после чего вновь опускают в масляную ванну.
Чистая, при которой нагрев ведут в печах с контролируемой атмосферой, свободной от окислов.
Светлая, когда продукция нагревается в щелочных расплавах.

Нагрев под закалку проводят преимущественно в электропечах или в газовых печах, атмосфера которых содержит инертный газ. Так обеспечивается качество и полнота мартенситного превращения, исключаются неравномерность свойств и поверхностные дефекты.

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали позволяет придать изделиям, деталям и заготовкам требуемые качества и характеристики. В зависимости от того, на каком этапе в технологическом процессе изготовления проводилась термическая обработка, у заготовок повышается обрабатываемость, с деталей снимаются остаточные напряжения, а у деталей повышаются эксплуатационные качества.

Технология термической обработки стали – это совокупность процессов: нагревания, выдерживания и охлаждения с целью изменения внутренней структуры металла или сплава. При этом химический состав не изменяется.

Так, молекулярная решетка углеродистой стали при температуре не более 910°С представляет из себя куб объемно-центрированный. При нагревании свыше 910°С до 1400°С решетка принимает форму гране-центрированного куба. Дальнейший нагрев превращает куб в объемно-центрированный.

Термическая обработка стали

Сущность термической обработки сталей – это изменение размера зерна внутренней структуры стали. Строгое соблюдение температурного режима, времени и скорости на всех этапах, которые напрямую зависят от количества углерода, легирующих элементов и примесей, снижающих качество материала. Во время нагрева происходят структурные изменения, которые при охлаждении протекают в обратной последовательности. На рисунке видно, какие превращения происходят во время термической обработки.

Изменение структуры металла при термообработке

Назначение термической обработки

Термическая обработка стали проводится при температурах, приближенных к критическим точкам . Здесь происходит:

вторичная кристаллизация сплава;
переход гамма железа в состояние альфа железа;
переход крупных частиц в пластинки.

Внутренняя структура двухфазной смеси напрямую влияет на эксплуатационные качества и легкость обработки.

Образование структур в зависимости от интенсивности охлаждения

Основное назначение термической обработки — это придание сталям:

В готовых изделиях:
1. прочности;
2. износостойкости;
3. коррозионностойкость;
4. термостойкости.

В заготовках:
1. снятие внутренних напряжений после
  - литья;
  - штамповки (горячей, холодной);
  - глубокой вытяжки;
  Термическая обработка применяется к следующим типам сталей:
  1. Углеродистым и легированным.
  2. С различным содержанием углерода, от низкоуглеродистых 0,25% до высокоуглеродистых 0,7%.
  3. Конструкционным, специальным, инструментальным.
  4. Любого качества.
  Классификация и виды термообработки
  
  Основополагающими параметрами, влияющими на качество термообработки являются:
  - время нагревания (скорость);
  - температура нагревания;
  - длительность выдерживания при заданной температуре;
  - время охлаждения (интенсивность).
  Изменяя данные режимы можно получить несколько видов термообработки.
  
  Виды термической обработки стали:
  - Отжиг
    1. I – рода:
      - гомогенизация;
      - рекристаллизация;
      - изотермический;
      - снятие внутренних и остаточных напряжений;
      - полный;
      - неполный;
      - Закалка;
      - Отпуск:
        
        низкий;
        
        средний;
        
        высокий.
      - Нормализация.
      Температура нагрева стали при термообработке
      
      Отпуск
      
      Отпуск в машиностроении используется для уменьшения силы внутренних напряжений, которые появляются во время закалки. Высокая твердость делает изделия хрупкими, поэтому отпуском добиваются увеличения ударной вязкости и снижения жесткости и хрупкости стали.
      
      1. Отпуск низкий
      
      Для низкого отпуска характерна внутренняя структура мартенсита, которая, не снижая твердости повышает вязкость. Данной термообработке подвергаются измерительный и режущий инструмент. Режимы обработки:
      - Нагревание до температуры – от 150°С, но не выше 250°С;
      - выдерживание — полтора часа;
      - остывание – воздух, масло.
      2. Средний отпуск
      
      Для среднего отпуска преобразование мартенсита в тростит. Твердость снижается до 400 НВ. Вязкость возрастает. Данному отпуску подвергаются детали, работающие со значительными упругими нагрузками. Режимы обработки:
      - нагревание до температуры – от 340°С, но не выше 500°С;
      - охлаждение – воздух.
      3. Высокий отпуск
      
      При высоком отпуске кристаллизуется сорбит, который ликвидирует напряжения в кристаллической решетке. Изготавливаются ответственные детали, обладающие прочностью, пластичностью, вязкостью.
      
      Нагревание до температуры – от 450°С, но не выше 650°С.
      
      Отжиг
      
      Применение отжига позволяет получить однородную внутреннюю структуру без напряжений кристаллической решетки. Процесс проводят в следующей последовательности:
      - нагревание до температуры чуть выше критической точки в зависимости от марки стали;
      - выдержка с постоянным поддержанием температуры;
      - медленное охлаждение (обычно остывание происходит совместно с печью).
      1. Гомогенизация
      
      Гомогенизация, по-иному отжиг диффузионный, восстанавливает неоднородную ликвацию отливок. Режимы обработки:
      
      2. Рекристаллизация
      
      Рекристаллизация, по-иному низкий отжиг, используется после обработки пластическим деформированием, которое вызывает упрочнение за счет изменения формы зерна (наклеп). Режимы обработки:
      - нагревание до температуры – выше точки кристаллизации на 100°С-200°С;
      - выдерживание — ½ — 2 часа;
      - остывание – медленное.
      3. Изотермический отжиг
      
      Изотермическому отжигу подвергаются легированные стали, для того чтобы произошел распад аустенита. Режимы термообработки:
      - нагревание до температуры – на 20°С — 30°С выше точки ;
      - выдерживание;
      - остывание:
        
        быстрое – не ниже 630°С;
        
        медленное – при положительных температурах.
        
        4. Отжиг для устранения напряжений
        
        Снятие внутренних и остаточных напряжений отжигом используется после сварочных работ, литья, механической обработки. С наложением рабочих нагрузок детали подвергаются разрушению. Режимы обработки:
        
        нагревание до температуры – 727°С;
        
        выдерживание – до 20 часов при температуре 600°С — 700°С;
        
        остывание — медленное.
        
        5. Отжиг полный
        
        Отжиг полный позволяет получить внутреннюю структуру с мелким зерном, в составе которой феррит с перлитом. Полный отжиг используют для литых, кованных и штампованных заготовок, которые будут в дальнейшем обрабатываться резанием и подвергаться закалке.
        
        Полный отжиг стали
        
        температура нагрева – на 30°С-50°С выше точки ;
        
        выдержка;
        
        охлаждение до 500°С:
        
        сталь углеродистая – снижение температуры за час не более 150°С;
        
        сталь легированная – снижение температуры за час не более 50°С.
        
        6. Неполный отжиг
        
        При неполном отжиге пластинчатый или грубый перлит преобразуется в ферритно-цементитную зернистую структуру, что необходимо для швов, полученных электродуговой сваркой, а также инструментальные стали и стальные детали, подвергшиеся таким методам обработки, температура которых не провоцирует рост зерна внутренней структуры.
        
        нагревание до температуры – выше точки или , выше 700°С на 40°С — 50°С;
        
        выдерживание – порядка 20 часов;
        
        охлаждение — медленное.
        
        Закалка
        
        Закалку сталей применяют для:
        
        Повышения:
        
        твердости;
        
        прочности;
        
        износоустойчивости;
        
        предела упругости;
        
        Снижения:
        
        пластичности;
        
        модуля сдвига;
        
        предела на сжатие.
        
        Суть закалки – это максимально быстрое охлаждение прогретой насквозь детали в различных средах. Каление производится с полиморфными изменениями и без них. Полиморфные изменения возможны только в тех сталях, в которых присутствуют элементы способные к преобразованию.
        
        Такой сплав подвергается нагреву до той температуры, при которой кристаллическая решетка полиморфного элемента терпит изменения, за счет чего увеличивается растворяемость легирующих материалов. При снижении температуры решетка изменяет структуру из-за избытка легирующего элемента и принимает игольчатую структуру.
        
        Невозможность полиморфных изменений при калении обусловлено ограниченной растворимостью одного компонента в другом при быстрой скорости охлаждения. Для диффузии мало времени. В итоге получается раствор с избытком нерастворенного компонента (метастабильтный).
        
        Для увеличения скорости охлаждения стали используются такие среды как:
        
        вода;
        
        соляные растворы на основе воды;
        
        техническое масло;
        
        инертные газы.
        
        Сравнивая скоростной режим охлаждения стальных изделий на воздухе, то охлаждение в воде с 600°С происходит в шесть раз быстрее, а с 200°С в масле в 28 раз. Растворенные соли повышают закаливающую способность. Недостатком использования воды считается появление трещин в местах образования мартенсита. Техническое масло используется для закалки легирующих сплавов, но оно пригорает к поверхности.
        
        Металлы, использующиеся при изготовлении изделий медицинской направленности не должны иметь пленки из оксидов, поэтому охлаждение происходит в среде разряженного воздуха.
        
        Чтобы полностью избавиться от аустенита, из-за которого у стали наблюдается высокая хрупкость, изделия подвергаются дополнительному охлаждению при температурах от — 40°С и до -100°С в специальной камере. Также можно использовать углекислую кислоту в смеси с ацетоном. Такая обработка повышает точность деталей, их твердость, магнитные свойства.
        
        Если деталям не требуется объемная термообработка, проводится каление только поверхностного слоя на установках ТВЧ (токами высокой частоты). При этом глубина термообработки составляет от 1 мм до 10 мм, а охлаждение происходит на воздухе. В итоге поверхностный слой становится износоустойчивым, а середина вязкая.
        
        Процесс закалки предполагает прогревание и выдержку стальных изделий при температуре, достигающей порядка 900°С. При такой температуре стали с содержанием углерода до 0,7% имеют структуру мартенсита, который при последующей термообработке перейдет в требуемую структуру с появлением нужных качеств.
        
        Нормализация
        
        Нормализация формирует структуру с мелким зерном. Для низкоуглеродистых сталей — это структура феррит-перлит, для легированных – сорбитоподобная. Получаемая твердость не превышает 300 НВ. Нормализации подвергаются горячекатаные стали. При этом у них увеличивается:
        
        сопротивление излому;
        
        производительность обработки;
        
        прочность;
        
        вязкость.
        
        Процесс нормализации стали
        
        происходит нагрев до температуры – на 30°С-50°С выше точки ;
        
        выдерживание в данном температурном коридоре;
        
        охлаждение – на открытом воздухе.
        
        Преимущества термообработки
        
        Термообработка стали – это технологический процесс, который стал обязательным этапом получения комплектов деталей из стали и сплавов с заданными качествами. Этого позволяет добиться большое разнообразие режимов и способов термического воздействия. Термообработку используют не только применительно к сталям, но и к цветным металлам и сплавам на их основе.
        
        Стали без термообработки используются лишь для возведения металлоконструкций и изготовления неответственных деталей, срок службы которых невелик. К ним не предъявляются дополнительные требования. Повседневная же эксплуатация наоборот диктует ужесточение требований, именно поэтому применение термообработки предпочтительно.
        
        В термически необработанных сталях абразивный износ высок и пропорционален собственной твердости, которая зависит от состава химических элементов. Так, незакаленные матрицы штампов хорошо сочетаются при работе с калеными пуансонами.
        
        § 16. Классификация сталей. Термическая обработка сталей
        
        Как вам уже известно, сталь — это сплав железа с углеродом и другими химическими элементами. По химическому составу стали подразделяются на углеродистые и легированные. По применению — на конструкционные и инструментальные (табл. 3).
        
        Таблица 3.
        
        Классификация сталей
        
        В углеродистой стали содержится 0,4. 2% углерода. Углерод повышает твердость стали, но увеличивает ее хрупкость и снижает пластичность.
        
        Конструкционная углеродистая сталь бывает обыкновенного качества и качественная.
        
        Сталь обыкновенного качества обозначается буквами Ст и цифрами от 0 до 6, т. е. Ст0, Ст1 и т. д. Цифры показывают порядковый номер марки стали. Чем больше цифра, тем выше содержание углерода и прочность стали. Из стали обыкновенного качества изготовляют строительные конструкции, гайки, болты, заклепки, трубы, листовой прокат и др.
        
        Углеродистая качественная сталь отличается повышенной прочностью. Она обозначается двумя цифрами, например: 05, 10, 20, 45 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в сотых долях. Из этой стали производят зубчатые колеса, валы, оси, шкивы и др.
        
        Инструментальная углеродистая сталь обладает большей прочностью и твердостью, чем конструкционная, и применяется для изготовления молотков, зубил, ножниц по металлу, ножовочных полотен, напильников и др. Она обозначается У10, У11, У12 и т. д. Цифры показывают содержание углерода в десятых долях.
        
        Для придания стали определенных свойств в нее во время выплавки добавляют различные химические элементы (хром, никель, вольфрам и др.). Одни элементы повышают прочность и твердость, другие — упругость, третьи — коррозионную стойкость стали (т. е. сопротивляемость стали, например, воздействию воздуха и появлению ржавчины) и т. д. Стали, в которых есть эти элементы, называются легированными. Легирующие добавки в сталях обозначают буквами: X — хром, В — вольфрам, Н — никель, Г — марганец, Ф — ванадий, М — молибден и т. д. Например, в стали 40Х содержится 0,4 % углерода и 1 % хрома.
        
        Легированные конструкционные стали применяют для изготовления рессор, пружин, шестерен и др., а легированные инструментальные — для изготовления режущих инструментов: сверл, плашек, метчиков и пр.
        
        Свойства сталей можно изменять с помощью теплового воздействия — термической обработки (термообработки). Она заключается в нагреве заготовки до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Температура нагрева зависит от вида термообработки и марки стали.
        
        Основные виды термообработки — закалка, отпуск, отжиг.
        
        При закалке металл нагревают, а затем быстро охлаждают в воде, масле, водных растворах солей. Закалка увеличивает твердость и прочность стали, но вместе с тем повышает и ее хрупкость. Закалка целесообразна только для сталей с содержанием углерода более 0,3 %.
        
        Хрупкость стали после закалки можно уменьшить с помощью отпуска. Отпуск представляет собой нагрев остывшей закаленной детали до определенной температуры (обычно ниже температуры закалки) и последующее охлаждение в воде или на воздухе. Помимо хрупкости отпуск снижает и твердость стали, что улучшает ее обрабатываемость.
        
        При отжиге заготовку нагревают до определенной температуры, выдерживают при этой температуре и медленно, часто вместе с печью, охлаждают (в этом главное отличие от закалки). Отжиг резко снижает твердость стали, она становится мягче и лучше обрабатывается.
        
        Проводить рассмотренные выше виды термообработки можно в школьных мастерских, пользуясь муфельными печами небольшого размера. Температуру закалки можно контролировать по цветам свечения разогретого металла (цветам каления). Этот цвет зависит от температуры, до которой нагрета заготовка. Чем выше температура, тем светлее становится металл (рис. 58, а).
        
        Рис. 58. Зависимость цвета заготовки от температуры нагрева: а — цвета каления; б — цвета побежалости
        
        Температуру отпуска можно контролировать по цветам побежалости (рис. 58, б). Цвета побежалости — радужная окраска, возникающая на чистой поверхности нагретой стали. Например, если при нагреве поверхность заготовки приобрела темно-синий оттенок, значит, она нагрета до температуры примерно 300 °С.
        
        На предприятиях термическую обработку материалов выполняют робочие-термисты. Термист должен разбираться в свойствах металлов, хорошо знать режимы термообработки различных сплавов, умело пользоваться термическими печами, строго соблюдать правила безопасной работы.
        
        Практическая работа № 17
        
        Ознакомление с термической обработкой стали
        
        Закрепите в тисках образец из незакаленной стали (например, с содержанием углерода 0,6%) и проведите по нему несколько раз напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости незакаленной стали.
        
        Поместите образец в электрическую (муфельную) печь, нагретую до температуры 800 °С, и выдержите его 15—20 мин. Температуру нагрева образца определите по рисунку 58.
        
        Опустите раскаленный образец в воду или масло.
        
        Закрепите образец в тисках и попытайтесь обработать его напильником. Сделайте вывод об обрабатываемости закаленной стали.
        
        Поместите образец в печь, нагретую до температуры 400. 550 °С, и выдержите 15—20 мин, после чего охладите в воде или на воздухе.
        
        Опилите образец в тисках и сделайте вывод о его обрабатываемости после отпуска.
        
        Новые слова и понятия
        
        Углеродистая сталь, легированная сталь, инструментальная сталь, термическая обработка, закалка, отпуск, отжиг, термист.
        
        Читайте также:
        
        
        Стальные лисы мамонты югры статистика
        
        Сталь 25 расшифровка стали
        
        Стальной стержень находится под действием продольной силы
        
        Какие требования предъявляются к болтам применяемым для монтажных соединений стальных конструкций
        
        Масса стального бруска 9 кг