Реферат: Методические указания к выполнению лабораторной работы №12 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей
Утверждаю
Ректор университета
__________________А.В.Лагерев
«____»____________2008 г.
МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
И ТЕХНОЛОГИЯ конструкционных МЕТАЛЛОВ
ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ СТАЛЕЙ ПОСЛЕ
ПОВЕРХНОСТНЫХ МЕТОДОВ УПРОЧНЕНИЯ
(ЗАКАЛКИ ТВЧ, ЦЕМЕНТАЦИИ, АЗОТИРОВАНИЯ)
Методические указания
к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов
очной и заочной форм обучения
всех специальностей
2-е изд., перераб. и доп.
Брянск 2008
УКД 669.01
Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей –
2-е изд., перераб. и доп. - Брянск: БГТУ, 2008. – 18 с.
Разработали:
В.П.Мельников
канд. техн. наук, доц.,
С.В.Давыдов
д-р. техн. наук, проф.
^ Рекомендовано кафедрой «Технология металлов и металловедение» БГТУ (протокол № 6 от 30.10.07 г.)
Печатается по изданию: Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к лабораторной работе № 12 для студентов дневной и заочной форм обучения всех специальностей. – Брянск: БИТМ, 1990. – 13 с.
^ ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы – ознакомиться с методами поверхностного упрочнения и их влиянием на надежность и долговечность работы деталей.
Задачи работы - изучить микроструктуру и твердость поверхностных слоев и сердцевины стальных деталей после закалки ТВЧ, цементации и азотирования. Ознакомиться с методами определения глубины слоя закалки, цементации и азотирования.
Продолжительность работы – 4 часа.
^ Необходимое оборудование и материалы
1. Металлографический микроскоп для изучения микроструктуры и измерения глубины слоя.
2. Макротемплеты и микрошлифы от деталей, подвергнутых:
- закалке ТВЧ (обр.№1 и №2);
- цементации, закалке и низкотемпературному отпуску (обр. № 3...6);
- закалке, высокотемпературному отпуску и азотированию (обр. № 7…8);
3. Образцы с указанием марки стали.
^ ЗАДАНИЕ И ПОРЯДОК РАБОТЫ
1. Провести макро- и микроанализ шлифов коллекции образцов от деталей, подвергнутых закалке ТВЧ, цементации и азотированию. Изучить и зарисовать микроструктуру.
2. Определить глубину поверхностных слоев (после цементации и азотирования по микроструктуре; после закалки ТВЧ по микроструктуре и микротвердости по Виккерсу).
За глубину слоя цементации принимают расстояние от поверхности до полуперлитной зоны (50 % перлита + 50 % феррита). В этой зоне концентрация углерода ~ 0,4 %.
Глубина закаленного при ТВЧ слоя определяется либо по макро-структуре, либо измерением твердости по Виккерсу (или микротведости). Во втором случае за глубину закаленного слоя принимают расстояние от поверхности до полумартенситной структуры (50 % мартенсита + 50 % троостита).
3. Замерить твёрдость поверхностных слоев и сердцевины (после закалки ТВЧ и цементации на приборе Роквела, после азотирования на приборе Виккерса).
Составить отчет, в котором:
-описать особенности каждого способа, излагая кратко, четко и по существу изучаемого вопроса.
-привести данные результатов измерений твёрдости и глубин слоев (табл.1);
Таблица 1
Технологические параметры упрочненной поверхности
№
образца
Вид поверхностной обработки
^ Марка
стали
Глубина
слоя, мм
Твердость
Поверхности
Сердцевины
HB
HRC (HV)
HB
HRC (HV)
- сопоставить твердость поверхностных слоев и сердцевин и дать сравнительный анализ;
- изучить, зарисовать и описать микроструктуру поверхностных слоев и сердцевин;
- привести данные о рекомендуемых глубинах закалки ТВЧ, цементации, азотирования, концентрациях: насыщения углеродом при цементации в практике;
- объяснить, за счет чего увеличивается надежность и долговечность работы деталей в каждом случае;
- указать условия целесообразности применения того или иного вида обработки, марки применяемых сталей.
^ Техника безопасности
При выполнении лабораторной работы студенты проходят инструктаж по технике безопасности, который проводит преподаватель, ведущий учебное занятие, с соответствующей записью в журнале по технике безопасности.
^ КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ЗАКАЛКЕ ТВЧ,
ЦЕМЕНТАЦИИ, АЗОТИРОВАНИИ
Общая часть
в практике рабочая поверхность многих контактирующих в работе друг с другом деталей истирается (изнашивается), либо работает с большими контактными нагрузками1 (рис.1). В ряде случаев между контактирующими поверхностями деталей (сопряженными парами) кроме истирания возможно адгезионное схватывание (сваривание), что приводит к образованию задиров (вырывов металла) на рабочей поверхности.
Рис.1. Примеры условий работы контактирующих деталей:
а - истирание (износ) поверхностей и изгиб зубьев шестерен;
б - работа с контактными нагрузками (обкатка ролика по кулачной шайбе);
в - истирание (износ) и адгезионное схватывание взаимнотрущихся
поверхностей плунжерной пары
Это ведет к нарушению (ухудшению) условий работы деталей пар (рис.1в). Одновременно с этим сердцевина2 деталей может воспринимать циклические, переменные и ударные нагрузки, а в некоторых случаях работать еще и на срез1.
Для обеспечения нормальной (надежной) работы деталей сопряженных пар такого типа, кроме высокой твердости, износостойкости контактной прочности или задиростойкости2 поверхностных слоев, необходимо, чтобы сердцевина деталей во многих случаях обладала пластичностью и особенно ударной вязкостью. В таких условиях обычно работают поршневые пальцы, всевозможные шестерни, втулки и ролики приводных цепей, распредвалы и др.
К обработкам, позволяющим существенно изменять свойства поверхностных слоев, сохраняя пластичной и вязкой сердцевину деталей, относятся различные виды химико-термических обработок (цементация, азотирование и др.) и поверхностных закалок (например, закалка ТВЧ).
^ Поверхностная закалка ТВЧ3
Поверхностная закалка при нагревании токами высокой частоты осуществляется на специальных установках ТВЧ. При этом способе металлическая деталь 1 (рис.2) помещается в концентрированное переменное электромагнитное поле, создаваемое индуктором 2, вследствие чего в поверхностном слое детали возбуждаются (индуктируются) высокой плотности вихревые токи4, тепловая энергия которых почти вся выделяется в этом же слое и вызывает его нагрев.
Изменяя силу тока, можно получить любую скорость нагрева, температуру и глубину прогрева. После нагрева поверхностного слоя деталь 1 перемещается в спрейер 3 (душирующее устройство) для интенсивного охлаждения5.
Рекомендуемые глубины закаленных слоев:
1,5...3 мм - детали, работающие на истирание (износ), усталость;
4...5 мм - детали, работающие в условиях смятия (продавливающих нагрузок), а в ряде случаев еще и с последующей перешлифовкой;
10...15 мм - детали, работающие с большими контактными нагрузками.
На рис.3 дан пример макроструктуры стальной детали с поверхностно закаленным слоем.
Рис.2. Индукционный нагрев: а - схема индукционного нагрева; б – закалка; I – закалка при одновременном нагреве всей поверхности; II – закалка при непрерывно-последовательном нагреве; 1 – деталь; 2 – индуктор; 3 – спрейер;
4 – силовые линии электромагнитного поля
Рис.3. Макроструктура зуба шестерни (а) и зубьев звездочки (б) после ТВЧ-закалки. Темные участки - закаленный слой после травления
Детали, подвергаемые поверхностной закалке, чаще всего изготовляют из обычной среднеуглеродистой стали с содержанием углерода 0,4…0,5%. При меньшем содержании углерода трудно получить высокую твердость. При большой концентрации углерода стали склонны к образованию трещин и хрупкому разрушению в эксплуатации. При правильной конструкции закалочного устройства, обеспечивающего равномерное охлаждение, закалка ТВЧ позволяет закаливать стали с любым содержанием углерода (до 1,0…1,2%) без трещин. Поверхностный слой стали имеет структуру из очень мелкоигольчатого мартенсита (рис.4) и отличается твердостью на 2...4 HRC выше, чем после закалки с печного нагрева.
Твердость, близкую к максимально достижимой, можно получить уже при содержании углерода в стали около 0,6 %.
а
б
Рис.4. Микроструктура поверхностного слоя зуба шестерни после ТВЧ-закалки, х200, травление ниталем: а – мелкоигольчатый мартенсит;
б – троосто-сорбит
В табл.2 приведен пример поверхностной твердости некоторых сталей после закалки ТВЧ.
Таблица 2
Твердость сталей после закалки ТВЧ
^ Марка стали
НRC до отпуска
Марка стали
HRC до отпуска
35
50... 55
35Г2
53... 58
45
55... 60
45Г2
56… 61
50
57. . .62
50Г
57… 62
65Г
59... 63
40ХНМ
55... 60
У8
60. . .64
ШХ15(~1%C)
62... 64
45Х
50... 61
40ХН
55…60
Цементация
Цементация - процесс диффузионного насыщения углеродом при температуре 880. . .930 °С поверхности деталей из железа или малоуглеродистых (до 0,З5% С)1 сталей. Стали могут содержать и легирующие элементы (хром, никель, молибден, вольфрам, титан).
Производится цементация в специальных цементационных печах в среде углеродосодержащих газов. Глубина насыщения (слоя) для мелких деталей обычно составляет 0,1...0,3 мм, в остальных случаях - от 0,5 до 2,5 мм (наиболее часто 0,6...1,2мм).
На работоспособность цементируемой детали большое (часто решающее) влияние оказывает концентрация углерода в насыщенном слое; при 0,6...0,6% обеспечивается максимальное сопротивление хрупкому разрушению; усталостная прочность при изгибе достигает максимальных значений при 0,8...1,05%, а максимальные значения контактной выносливости получаются при содержании углерода в пределах 1,0...1,25%.
Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по своей толщине – она снижается от поверхности по направлению к сердцевине детали. В связи с этим изменяется по сечению цементованного слоя и микроструктура, как после медленного охлаждения с температуры цементации, так и после последующей термической обработки. На рис. 5 показано изменение микроструктуры по сечению цементованного слоя при насыщении его поверхностной зоны углеродом свыше 0,8%.
Микроструктура науглероженного слоя у поверхности соответствует строению заэвтектоидной стали (П+ЦII), в которой вторичный цементит наблюдается в виде сетки по границам перлитных колоний (рис.5, а). С понижением углерода до 0,8% микроструктура (рис.5, б) соответствует эвтектоидной стали (П). За эвтектоидной зоной следует доэвтектоидная структура, переходящая в структуру исходной стали, содержащей феррит и перлит (рис.5, в).
а)
б)
В) в)
Рис.5. Структура цементованного слоя углеродистой стали 15, х100,
травление ниталем: а – заэвтектоидная (П+ЦII); б – эвтектоидная (П);
в-доэвтектоидная (Ф+П)
Для получения в поверхностном слое высокой твердости (57... 63HRC) изделия после цементации подвергают закалке с низкотемпературным отпуском. На рис.6 показана микроструктура цементованного слоя после термической обработки.
а)
б)
в)
Рис.6. Структура цементованного слоя после термообработки, х50, травление ниталем: а – мелкоигольчатый мартенсит (М+Аост), х500; б – крупноигольчатый мартенсит или троостомартенсит (М+Тр), х500;
в - основная структура (П+Ф), х500
В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мелкоигольчатого мартенсита (рис.6, а) с небольшими изолированными участками остаточного аустенита1. При содержании углерода свыше 0,8 % микроструктура содержит еще карбиды (цементит). Карбиды (цементит) в форме сетки по границам зерен резко увеличивают хрупкость. Недопустимы в значительном количестве и изолированные включения карбидов, так как они также снижают вязкость цементованной стали, особенно в углах и торцах деталей.
Под мелкоигольчатым мартенситом располагается зона троостомартенсита (рис.6, б), плавно переходящая в основную структуру, состоящую из феррита и перлита (рис.6, в). Для улучшения вязкости сердцевины деталей рекомендуется применять стали с мелким наследственным зерном (6…8 баллов).
Подобная микроструктура дает возможность судить о глубине цементирования, т.е. насколько далеко от поверхности простирается зона науглероженного металла. За эффективную толщину цементированного слоя принимают расстояние от поверхности детали до половины переходной зоны (зона Ф+П, на рис.6, в), где структура соответствует стали, содержащей 0,4…0,45%С, что соответствует твердости 50НRС.
Глубина цементации – наиболее важная характеристика производственного процесса. Она определяется по излому, микроструктуре или путем химического анализа стружки, послойно снимаемой с упрочненной поверхности детали.
В тяжелонагруженных деталях1, работающих в сложных условиях весьма важное значение имеет и твердость сердцевины, для обеспечения наилучшей работоспособности и надежности. Твердость сердцевины таких деталей должна выдерживаться в пределах 29...43 HRC (такую твердость в сердцевине получают в легированных сталях) и иметь микроструктуру из низкоуглеродистого мартенсита или нижнего бейнита2.
В заключение приведена характеристика некоторых реально применяемых марок цементуемых сталей:
при средних нагрузках - стали 20, 15Х,20Х,15ХР,18ХГН,20ХФ (среднепрочные с пределом прочности порядка 700 МПа; ударная вязкость свыше 60 Дж/см2);
при повышенных нагрузках - стали 12Х2Н4А, 20ХН3А, 20Х2Н4А (с прочностью ~ 950…1150 МПа);
при больших статических и ударных нагрузках - стали 18ХН4МА, 18Х2Н4ВА (высокий комплекс механических свойств: предел прочности 1000...1200 МПа, ударная вязкость больше 60 Дж/см2).
Азотирование
Азотирование (нитрирование) - диффузионное насыщение поверхности деталей азотом при температуре 500.. .520 °С.
Детали, подлежащие азотированию с указанными ранее целями, изготовляют обязательно из сталей, легированных: Cr-Ni, Cr-Mo, Cr-Ni-W, Cr-Ni-Mo,Cr-Mo-Al и др. легирующие элементы повышают твердость азотированного слоя (особенно алюминий). До азотирования детали еще в заготовках подвергают термическому улучшению: закалке и высокотемпературному отпуску на сорбит.
Азотирование проводят в специализированных печах в потоке аммиака NH3.После азотирования термическая обработка не требуется, так как высокая твердость поверхностного слоя обеспечивается непосредственно в процессе азотирования и последующего медленного охлаждения1. Твердость азотированного слоя в зависимости от марки стали колеблется в пределах 1000... 1300 НV2 (твердость поверхностного слоя после цементации 706... 830 НV). Глубина слоя - 0,25...0,45мм (в отдельных случаях до 0,8 мм). Микроструктура азотированного слоя (рис.7), если азотирование проводилось при температура ниже 591С, состоит из , и фаз3.
В процессе азотирования и последующем медленном охлаждении образуются еще зародыши нитридов, полностью когерентные с окружающей -фазой.
А
а б
Рис.7. Структура азотированного слоя (по стрелке А) с нитридной корочкой, х100 (а) и х250 (б)
Однако -фаза обладает чрезвычайно высокой (большой) хрупкостью. Поэтому в процессе азотирования стремятся не допускать образования -фазы.
^ Сопоставление рассмотренных способов
поверхностного упрочнения
При всех методах поверхностного упрочнения в поверхностных слоях создаются благоприятные остаточные напряжения сжатия1 (до 300...600 МПа, а в случае азотирования до 1000 МПа и более), которые существенно повышают усталостную прочность деталей2, уменьшают их чувствительность к концентраторам напряжений и увеличивают контактную прочность.
Детали после закалки ТВЧ обладают высокой статической и усталостной прочностью, высокой износостойкостью, контактной прочностью и малой чувствительностью к концентраторам напряжений. Но чаще всего закалку ТВЧ производят для увеличения износостойкости.
В сравнении со сквозной закалкой с печного нагрева при закалке ТВЧ отсутствуют явления окисления и обезуглероживания поверхности при нагреве. Закалка ТВЧ с успехом применяется вместо цементации, сквозной закалки с отпуском, так как позволяет снизить стоимость термической обработки, повысить производительность, получить значительную экономию легирующих элементов. Однако при закалке ТВЧ внешняя форма деталей имеет важнейшее значение. У многих деталей внешняя форма такова, что исключает возможность применить к ним такую закалку.
Назначение цементации деталей с последующей термической обработкой - придать их поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости или предел выносливости (усталостной прочности) при изгибе и кручении. Однако себестоимость упрочнения цементацией примерно в 2,5…3 раза выше по сравнению с закалкой ТВЧ.
Азотирование следует использовать для деталей, испытывающих высокие циклические нагрузки при умеренных контактных напряжениях и работающих в условиях трения скольжения (или абразивного износа), а также в случаях, когда требуется низкая склонность к задирам.
Положительное влияние азотирования тем сильнее, чем меньше размеры поперечного сечения деталей и больше в ней концентраторов напряжений. Контактная усталостная прочность у азотированных сталей ниже, чем цементованных, но выше, чем у сталей после закалки ТВЧ. Толщина азотированного слоя деталей, работающих с контактными нагрузками, должна быть не менее 0,45...0,5 мм. Износостойкость азотированного слоя в 1,5…4 раза выше износостойкости закаленных высокоуглеродистых сталей, а также цементованного слоя.
При азотировании практически отсутствуют объемные изменения и коробление деталей.
Недостатки азотирования - высокая хрупкость и малая толщина слоя, необходимо изготавлять детали из легированных сталей, длительность процесса наибольшая.
^ КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Назовите варианты возможных условий работы сопряженных пар деталей.
2. Какими свойствами должны обладать поверхностные слои и сердцевина деталей в каждом случае для обеспечения нормальной (надежной) работы?
3. Назовите виды обработки, позволяющие существенно изменять свойства поверхностных слоев.
4 . Как нагревается деталь при закалке ТВЧ?
5. Рекомендуемые глубины закаленных слоев в зависимости от условий работы деталей.
6. При каком содержании углерода в стали можно достичь твердости, близкой к максимальной?
7. Одинаковы ли твердость и микроструктура стали в поверхностном слое после закалки с печного нагрева и нагрева ТВЧ?
8. Какой процесс называют цементацией и какие конструкционные стали (указать содержание углерода) следует использовать для данного процесса?
9. Из каких соображений устанавливается величина концентрации углерода в насыщенном слое? Какова при этом микроструктура цементированного слоя после окончательной термической обработки?
10. В каких пределах может изменяться глубина слоя цементации?
11. Какой термической обработке подвергают цементирование детали, и с какой целью?
12. Каким образом можно улучшить вязкость сердцевины деталей?
13. Назовите рекомендуемые соотношения твердости поверхностного слоя и сердцевины в случае применения легированных сталей.
14. Какой процесс называют азотированием? Какие стали рекомендуется применять?
15. Назовите микроструктуру, уровень твердости и глубину азотированного слоя?
16. Какой термической обработке подвергают детали, назначаемые на азотирование?
17. За счет чего улучшается работоспособность деталей после закалки ТВЧ, цементации и азотирования?
18. Когда целесообразно применять закалку ТВЧ, цементацию и азотирование?
19. При какой обработке себестоимость упрочнения деталей ниже?
20. Какие достоинства и недостатки характерны для цементации и азотирования?
^ СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Солнцев, Ю.П. Материаловедение: учеб. для вузов/ Ю.П.Солнцев, Е.И.Пряхин: под ред Ю.П.Солнцева. – 4-е изд. перераб. и доп. – СП.б.: Химиздат, 2007. – 784 с.
Арзамасов, Б.М. Материаловедение: учеб. для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.Н. Макарова, Г.Г. Мухин [и др.]: под общ. ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стер. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003. – 648 с.
Лахтин, Ю.М. Материаловедение / Ю.М.Лахтин. – М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.
Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. – М.: Металлургия, 1986.- 544 с.
Лахтин, Ю.Н. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.Н. Лахтин. – М.: Металлургия, 1984.- 321с.
Термическая обработка в машиностроении: справочник / под ред. Ю.М.Лахтина, А.Г.Рахштадта. – М.: Машиностроение, 1980.- 783 с.
Методика исследования микротвердости поверхностных слоев металла. – Брянск: БИТМ, 1984.-11 с.
Материаловедение, материаловедение и технология конструкционных материалов. Изучение микроструктуры сталей после поверхностного упрочнения (закалка ТВЧ, цементация, азотирование): методические указания к выполнению лабораторной работы № 12 для студентов очной и заочной форм обучения всех специальностей
Мельников Валентин Павлович
Давыдов Сергей Васильевич
^ Научный редактор С.В.Давыдов
Редактор издательства Л.И.Афонина
Компьютерный набор Д.А.Ковтуненко
Иллюстрации В.П.Мельников, С.В.Давыдов
^ Темплан 2008 г., п.98
Подписано в печать 01.11.07. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Офсетная печать. Усл. печ.л. 1,04. Уч.-изд.л. 1,04. Тираж 40 экз. Заказ . Бесплатно.
Брянский государственный технический университет.
241035, Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ. 58-82-49.
Лаборатория оперативной полиграфии БГТУ, ул. Институтская, 16.
1 В этом случае условия работы нарушаются вследствие смятия, разрушения рабочей поверхности деталей.
2 Сердцевина - материал детали под упрочненным слоем, не затронутый ни химическим воздействием, ни закалкой.
1 При недостаточной пластичности и вязкости материала возможны поломки (разрушения) деталей.
2 Низким адгезионным схватыванием.
3 ТВЧ - токи высокой частоты.
4 Той же частоты, что и в индукторе.
5 Со скоростью большей критической скорости закалки стали
1 Надо помнить, что хрупкость цементованных деталей в целом, изготовленных из среднеуглеродистых сталей (0,3...0,35%), возрастает с уменьшением сечения деталей и усложнением конфигурации (особенно при отрицательных температурах).
1 Содержание остаточного аустенита в цементованном слое не должно превышать 15...20 %, так как значительно снижается прочность и др. эксплуатационные свойства цементованной детали.
1 Например зубчатые колеса и шестерни.
2 Недопустимы выделения структурно свободного феррита - резко снижается усталостная прочность, а также ударная вязкость.
1 Поэтому детали практически не имеют коробления и деформаций, что позволяет применять азотирование в точном машиностроении (например, при изготовлении шестерен с зацеплением сложной формы).
2 Твердость по Виккерсу.
3 -фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe2-3N(4.55-11%N); -фаза – твердый раствор на базе нитрида Fe4N(5,3-5,7% N); -фаза - твердый раствор азота в -железе при 20оС – 0,004%N, при 590оС-0,11%N.
1 Напряжения 1 рода.
2 Прочность азотированного слоя составляет 0,1 прочности сердцевины. Увеличение предела выносливости (усталостной прочности) деталей в целом объясняют образованием в поверхностном (азотированном) слое остаточных напряжений сжатия, достигающих до уровня 1000 МПа, а в некоторых случаях и более.
еще рефераты
Еще работы по разное
Реферат по разное
Методические указания Методические указания по написанию курсовых работ Кафедра
17 Сентября 2013
Реферат по разное
Методические указания по комплексному изучению курса «экономическая теория»
17 Сентября 2013
Реферат по разное
Заочное отделение
17 Сентября 2013
Реферат по разное
Методические указания для студентов экономических специальностей Черкесск, 2011
17 Сентября 2013