Главная / Материаловедение / Термическая обработка конструкционных строительных сталей

Термическая обработка конструкционных строительных сталей

Цель работы — знакомство с технологией термических обработок сталей (закалка, отпуск, нормализация), наиболее широко используемых в строительстве. Исследование свойств сталей до и после термической обработки.

Термическая обработка — один из способов улучшения механических свойств сталей путем изменением их строения. Последовательно осуществляемые закалка и отпуск, повышают механическую прочность и твердость и сохраняют достаточную вязкость конструкционных сталей. Некоторые конструкционные стали подвергают одному виду термической обработки — нормализации, чем также достигается увеличение твердости и прочности.

Общим в технологии выполнения термических обработок является:

Нагревание до соответствующей температуры (выше или ниже какой-либо критической точки диаграммы Fе+С);

Выдержка при выбранной температуре, обеспечивающая формирование необходимого фазового состояния по всему сечению изделия;

Охлаждение по определенному режиму со скоростью, способствующей образованию требуемой структуры.

Закалка доэвтектоидных сталей, в основном применяющихся в качестве конструкционных строительных, заключается в нагреве выше критической точки А3 на 30…50 °С (рис. 7; сталь приобретает однофазную аустенитную структуру), в выдержке при этой температуре и быстром охлаждении. Время выдержки при нагреве зависит от размеров закаливаемой стали (табл. 1) и ее качества. Чем больше углерода и легирующих элементов содержит сталь, тем дольше ее нужно нагревать.

Рис. 7.

Скорость охлаждения стали определяется в основном требованиями, предъявляемыми к ее свойствам и структуре. Регулировать скорость охлаждения можно подбором различных сред с разной охлаждающей способностью (табл. 2) и изменением температуры данной среды.

Таблица 1

Температура нагрева

В электропечи, °С

Продолжительность нагрева образца с сечением в виде,

(минут на 1 мм)

 

 

Прямоугольника

Квадрата

Круга

 

 

600

3,0

2,2

1,5

 

 

800

2,0

1,5

1,0

 

900

1,6

1,2

0,8

 

1000

0,8

0,6

0,4

Таблица 2

Наименование

Охладителя

Температура

Охладителя, °С

Скорость охлаждения, °С/c

При 650…500

При 300…200

Вода

18

600

270

Вода

50

100

270

10% раствор масла в воде

18

1200

300

Минеральное масло

18

150

30

Необходимо обеспечить, с одной стороны, большую скорость охлаждения стали в пределах 650–500 °С во избежание распада аустенита на перлит, с другой — несколько замедлить охлаждение стали в области температур 200–300 °С, когда образуется мартенсит — перенасыщенный твердый раствор углерода в -Fе, твердый (НВ=600–700) и хрупкий. Поэтому при закалке охлаждение стали производят либо в одной среде — воде, либо в двух — сначала в быстро охлаждающей (воде), затем в медленно действующей (масле). При охлаждении в жидкой среде изделие непрерывно перемещают, в этом случае не образуется оболочка из пара, затрудняющая отвод тепла от металла.

При нормализации доэвтектоидные стали нагревают, как при закалке, на 30…50 °С выше АС3, выдерживают при этой температуре и затем охлаждают на воздухе. Сталь приобретает мелкозернистую феррито-перлитную структуру.

Отпуск стали — сочетание нагрева изделия до температур, меньших критической точки АС4 (см. рис. 7), выдержки и охлаждения на воздухе. В зависимости от температуры нагрева различают три вида отпуска: низкий (150–200 °С), средний (300–400 °С) и высокий (500–600 °С).

Конструкционные строительные стали подвергают высокому отпуску, при котором послезакалочная структура мартенсита и остаточного аустенита переходит в более устойчивое состояние (феррито-цементитную смесь — мелкодисперсный перлит), называемое сорбитом отпуска. Сорбитная структура дает наилучшее сочетание прочности и пластичности.

Порядок выполнения работы

Для исследования используют по три образца из углеродистой и низколегированной конструкционных сталей.

1. Замерить штангенциркулем сечения образцов, результаты замеров записать в ведомость (табл. 3).

Таблица 3

Номер образца

Марка стали

Сечение,

мм

Вид термической обработки

Температура нагрева, °С

Время

Выдержки

Охлаждающая среда

2. Испытать и измерить твердомером Бринелля твердость стальных образцов в трех точках.

3. Назначить режимы нормализации, закалки и отпуска и записать их в ведомость (табл. 3). По содержанию углерода в сталях определить температуры нагрева при нормализации, закалке и отпуске с помощью диаграммы на рис. 1 и показать их на диаграмме Fе+С. Продолжительность нагрева образцов установить, используя данные табл. 1.

4. Произвести нормализацию и закалку стальных образцов. Образцы разместить на подставке на расстоянии один от другого не менее половины длины грани (диаметра) образца. Подставку поместить в печь под концом термопары.

По одному образцу из каждой стали после нагрева охладить на воздухе, поместив на асбестовую пластину, то есть нормализовать; другие образцы охладить в масле и воде.

5. Подвергнуть высокому отпуску образцы, закаленные в воде и масле. Охлаждение образцов после нагрева можно производить в течение первых 5 мин. на воздухе, а затем для ускорения работы — в воде.

6. Очистить одну из поверхностей образцов, свободную от отпечатков, от окалины и испытать на твердость по методу Бринелля.

8. Определить по числу твердости стали в каждый момент опыта предел прочности и соответствующее упрочнение (табл. 4).

9. Построить график зависимости твердости НВ от скорости охлаждения, принимая скорость охлаждения на воздухе равной 30 °С/с, в масле — 150 °С/с, в воде — 600 °С/с.

Таблица 4

Номер образца

Марка стали

Число твердости, кН/см2

Предел прочности, кН/см2

Упрочнение,

[(σu)н(о) – σu] / σu

До термической

Обработки, НВ

После нормализации

И закалки, НВн(з)

После отпуска,

НВо

До термической

Обработки,

σu = 0,34 HB

После нормализации, (σu)н(з) = 0,34 HB н(з)

После отпуска,

(σu)о = 0,34 HB о

10. Уточнить класс нормализованной и закаленной отпущенной стали (С235, С245, С255, С275, С285, С345, С375, С390 и т. д.). Определить класс стали по ее пределу прочности, предел прочности должен быть не меньше цифрового значения предела прочности в обозначении класса стали.

11. Исследовать под микроскопом и зарисовать структуры нормализованной, закаленной и отпущенной сталей. Указать, какое изменение в строении повлияло на увеличение твердости и прочности термически обработанной стали.

Содержание отчета

Отчет по лабораторной работе должен содержать: эскиз образцов для испытания; диаграмму с температурами нагрева сталей при нормализации, закалке и отпуске; ведомости режимов термической обработки и испытания образцов на твердость; график зависимости твердости стали от скорости охлаждения ее при термической обработке; уточненный класс термически обработанной стали; структуры нормализованной, закаленной и отпущенной сталей и их отличие от необработанной стали.

Контрольные вопросы

1. Что такое термическая обработка стали?

2. Что означают критические температуры при нагреве и охлаждении железа?

3. Что происходит в железе при температурах, соответствующих критическим точкам Ас2, Ас3, Ас4?

4. Как называют линии на диаграмме, соответствующие переходу сплава из одного состояния в другое?

5. Какова структура сталей до термической обработки?

6. Какие виды термической обработки необходимы для улучшения механических свойств конструкционных сталей?

7. Каковы структуры малоуглеродистой и низколегированной сталей после термической обработки?

8. Как влияет повышение содержания углерода в сталях на температуру, соответствующую критической точке Ас1, Ас3 ?

9. Что называют отжигом, нормализацией, закалкой, низким, средним и высоким отпуском, цементацией?

10. Что такое сорбит закалки, игольчатый троостит, троостит закалки, мартенсит, прокаливаемость?