Твердость закаленной стали у12 измеряют методом

Примеры решений задач по материаловедению

Исходная структура среднеуглеродистой конструкционной стали 40 до нагрева под закалку – перлит + феррит.

Критические точки для стали 40: А_С1=730ºС, А_С3=790ºС.

При нагреве до 700ºС в стали 40 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. Например, после нормализации: σ_Т=36 кгс/мм 2 , σ_В=61 кгс/мм 2 , δ=16%, ψ=40%, НВ≈180.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки А_с3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Нагрев и выдержка стали 40 при температуре выше 850ºС приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали.

Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У12 до нагрева под закалку – перлит + карбиды.

Критические точки для стали У12: А_С1=730ºС, А_С3=820ºС.

При нагреве до 700ºС в стали У12 не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру – перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.

Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет А_С1+(30÷50º), т.е. для У12 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У12.

Нагрев и выдержка стали У12 при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки.

Опишите виды твердых растворов. Приведите примеры.

Твердыми растворами называют фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы других (или другого) компонентов располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, со-стоящий из двух или нескольких компонентов, имеет один тип решетки и представляет собой одну фазу.

Существуют твердые растворы внедрения и твердые растворы замещения. При образовании твердых растворов внедрения атомы растворенного компонента B размещаются между атомами растворителя A в его кристаллической решетке. При образовании твердых растворов замещения атомы растворенного компонента B замещают часть атомов растворителя (компонент A) в его кристаллической решетке.

Рисунок 1 – Твердые растворы: а – замещения, б – внедрения

Поскольку размеры растворенных атомов отличаются от размеров атомов растворителя, то образование твердого раствора сопровождается искажением кристаллической решетки растворителя.

Рисунок 2 – Искажения кристаллической решетки в твердых растворах замещения:

а – атом растворенного компонента больше атома растворителя
б – атом растворенного компонента меньше атома растворителя

Твердые растворы замещения могут быть с ограниченной и неограниченной растворимостью. В твердых растворах с ограниченной растворимостью концентрация растворенного компонента возможна до определенных пределов.

В твердых растворах с неограниченной растворимостью возможна любая концентрация растворенного компонента (от 0 до 100 %). Твердые растворы с неограниченной растворимостью образуются при соблюдении следующих условий: 1) у компонентов должны быть однотипные кристаллические решетки; 2) различие в атомных радиусах компонентов не должно превышать для сплавов на основе железа 9%, а для сплавов на основе меди 15%; 3) компоненты должны обладать близостью физико-химических свойств. Однако соблюдение этих свойств не всегда приводит к образованию твердых растворов замещения с неограниченной растворимостью. На практике, как правило, образуются твердые растворы с ограниченной растворимостью.

Твердые растворы внедрения могут быть только с ограниченной концентрации, поскольку число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки.

Твердые растворы замещения с неограниченной растворимостью на основе компонентов: Ag и Au, Ni и Cu, Mo и W, V и Ti, и т.д.

Твердые растворы замещения с ограниченной растворимостью на основе компонентов: Al и Cu, Cu и Zn, и т.д.

Твердые растворы внедрения: при растворении в металлах неметаллических элементов, как углерод, бор, азот и кислород. Например: Fe и С.

Дайте определение твердости. Какими методами измеряют твердость металлов и сплавов? Опишите их.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рисунке 3.

Рисунок 3 — Схемы определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рисунок 3 а).

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – P=30D 2 , литой бронзы и латуни – P=10D 2 , алюминия и других очень мягких металлов – P=2,5D 2 .

Продолжительность выдержки : для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / τ, НВ 5/250/30 – 80.

Метод Роквелла

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рисунок 3 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка P (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁, в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P.
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (таблица 1)

Таблица 1 — Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рисунок 3 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136°.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 кгс:

Метод царапания

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Вычертите диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 2,2% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора выделяются кристаллы твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате которого образуется твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3% до 6,67% углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3% образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических – аустенит+ледебурит, эвтектических – ледебурит и заэвтектических – цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точка Q), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

а) б)

Рисунок 4: а-диаграмма железо-цементит, б-кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,2% углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

где С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,2% С, называется доэвтектический чугун. Его структура при комнатной температуре – Перлит + Цементит + Ледебурит.

Твердость металлов

Машиностроительные детали и механизмы, а также инструменты, предназначенные для их обработки, обладают набором механических характеристик. Немалую роль среди характеристик играет твердость. Твердость металлов наглядно показывает:

• износостойкость металла;
• возможность обработки резанием, шлифованием;
• сопротивляемость местному давлению;
• способность резать другой материал и прочие.

На практике доказано, что большинство механических свойств металлов напрямую зависят от их твердости.

Понятие твердости

Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).

Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.

После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.

В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.

Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.

Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов. Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.

Прилагаемая нагрузка может прилагаться:

Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.

На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.

Единицы измерения твердости

Каждый способов измерения сопротивления металла к пластической деформации имеет свою методику его проведения, а также единицы измерения.

Измерение твердости мягких металлов производится методом Бринелля. Данному способу подвергаются цветные металлы (медь, алюминий, магний, свинец, олово) и сплавы на их основе, чугуны (за исключением белого) и отожженные стали.

Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием закаленного, отполированного шарика из шарикоподшипниковой стали ШХ15. Окружность шарика зависит от испытуемого материала. Для твердых материалов – все виды сталей и чугунов – 10 мм, для более мягких – 1 – 2 — 2,5 — 5 мм. Необходимая нагрузка, прилагаемая к шарику:

• сплавы железа – 30 кгс/мм2;
• медь и никель – 10 кгс/мм2;
• алюминий и магний – 5 кгс/мм2.

Единица измерения твердости – это числовое значение и следующий за ними числовой индекс HB. Например, 200 НВ.

Твердость по Роквеллу определяется посредством разницы приложенных нагрузок к детали. Вначале прикладывается предварительная нагрузка, а затем общая, при которой происходит внедрение индентора в образец и выдержка.

В испытуемый образец внедряется пирамида (конус) из алмаза или шарик из карбида вольфрама (каленой стали). После снятия нагрузки производится замер глубины отпечатка.

Единица измерения твердости – это условные единицы. Принято считать, что единица — это величина осевого перемещения конуса, равная 2 мкм. Обозначение твердости маркируется тремя буквами HR (А, В, С) и числовым значением. Третья буква в маркировке обозначает шкалу.

Методика отображает тип индентора и прилагаемую к нему нагрузку.

Твердость закаленной стали у12 измеряют методом

Маркировка инструментальных сталей. Углеродистые инструментальные стали маркируют буквой «У» (углеродистая); следующая за ней цифра ( У7, У8, У10 и т.д.) показывает среднее содержание углерода в десятых долях процента. Буква «А» в конце (У10А) указывает, что сталь высококачественная. Стали для режущего инструмента

Стали для режущего инструмента после закалки и низкого отпуска должны иметь высокую твердость в режущей кромке (HRC62-68), значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется повышенной скоростью. Углеродистые инструментальные стали У8 (У8А), У10(У10А), У11 (У11А), У12 (У12А) и У13 (У13А) вследствие мало устойчивости переохлажденного аустенита имеют небольшую прокаливаемость, и поэтому эти стали применяют для инструментов небольших размеров. Для режущего инструмента (фрезы, зенкеры, сверла, спиральные пилы, шаберы, ножовки ручные, напильники, бритвы, острый хирургический инструмент) обычно применяют заэвтектоидные стали (У10, У11, У12 и У13), у которых после термической обработки структура — мартенсит и карбиды. Деревообрабатывающий инструмент, зубила, кернеры, бородки, отвертки топоры изготовляют из сталей У7 и У8, имеющих после термообработки трооститную структуру.

Сталь углеродистая инструментальная качественная

«Если клинок понадобится тебе лишь раз,
ты должен носить его всю жизнь» Конфуций.

Магазин ножей ТОП-10.
15 лет успешной работы.
8 (495) 227-95-00

В вашей корзине:

Ножи по рубрикам

Ножи по марке стали

Инструмент для заточки

Лента для гриндера VSM

Лента для гриндера БАЗ

Лента для гриндера 3M

Производители ножей Россия

Производители ножей зарубежные

Сталь У8 , описание свойств и режим закалки , термообработка

Расшифровка марки стали У8: буква У говорит о том, что перед нами инструментальная качественная нелегированная сталь, в которой присутствует углерод в среднем количестве 0,8%.

Инструмент из стали У8 и его термообработка: молотки слесарные изготовляют из сталей У7 и У8. Закалке подвергаются боёк и хвост. Нагрев лучше всего вести в соляной или свинцовой ванне. При нагреве молотка в камерной печи сначала закаливают боёк, а потом хвост, после чего попеременно охлаждают до полного потемнения средней части. Для окончательного охлаждения молоток переносят в масло. Отпускают при 260-340° в течение 30-40 мин. Твёрдость Rc = 49 -56. Проверяют твёрдость на приборе РВ.

Для изготовления пневматического инструмента применяют сталь У8 или У7. Закалке подвергают рабочую хвостовую часть. Следует избегать нагрева пневматического инструмента полностью, поэтому лучше всего производить нагрев в соляных или свинцовых ваннах. Рабочую часть закаливают в воде с переносом в масло, а хвостовую часть в масле. После этого инструмент отпускают в зависимости от требуемой твёрдости рабочей части, а именно: зубила, крейцмейсели, пробойники, чеканы и насечки отпускают при 240-270° с выдержкой 30 — 40 мин. Требуемая твёрдость Rc = 56-59.

Обжимки, поддержки, бойки и выколотки отпускают при 270-300° в течение 30-40 мин. Требуемая твёрдость Rc = 53-56. Определяют твёрдость тарированным напильником. Нередки случаи, когда пневматический инструмент в месте перехода с меньшего диаметра на больший во время работы ломается, причём структура излома на глубину 5-8 мм по окружности весьма мелкозернистая, а глубже крупнозернистая. Основной причиной поломок является недостаточная чистота поверхности в местах переходов (риски, царапины и пр.).

Долота станочные изготовляют из сталей У8, У9, 65Х. Место перехода от тонкой части долота к толстой, а также стенки отверстия в полом долоте должны быть закалены на небольшую твёрдость. При несоблюдении этого возможно отгибание долота или поломка его во время работы. Получение небольшой твёрдости переходной части достигается прерывистой закалкой в воде для сплошных долот из углеродистой стали или же полной закалкой с последующим отпуском в соляной ванне до серого цвета побежалости для всех других долот. Хвостовую часть не закаливают. Долота сплошные отпускают при температуре 260-280°, а полые при 320-360°; выдерживают 20-30 мин. Требуемая твёрдость для оплошных долот Rc = 56-58, а для полых Rc = 50-52.

Стамески и долота плотничьи и столярные изготовляют из этих же сталей. Нагрев под закалку производят в печах-ваннах на длину 60-80 мм. При нагреве в камерных печах инструмент замачивают на длину 60-80 мм. Хвостовую часть не закаливают. Отпускают при температуре 250-300° в течение 20-40 мин. Требуемая твёрдость Rc = 53-58.

Комбинированные плоскогубцы и кусачки изготовляют из сталей У7 и У8. Термической обработке их подвергают в собранном виде с раскрытыми губками, калят только рабочую часть — в кусачках губки на длину 8-10 мм, а в комбинированных плоскогубцах губки на длину, включая прорези у шарнира. Охлаждают в масле или керосине при энергичном помешивании. Отпуск производят при температуре 220-300° в течение 30-40 мин. Твёрдость Rc = 52-60. Твёрдость контролируют на приборе РВ или тарированным напильником, а также путём откусывания стальной проволоки диаметром 2 мм.

Клейма изготовляют из вышеупомянутых сталей, закаливают с последующим отпуском при температуре 220-250°. Хвостовик отпускают путём нагрева в свинцовой ванне до серого цвета побежалости. Требуемая твёрдость рабочей части Rc =54-58.

Марка стали У12 представляет собой углеродистую инструментальную сталь. Преимущественно из неё изготавливают режущие инструменты, предназначенные для эксплуатирования в условиях низкой рабочей скорости, когда не происходит нагревание режущей кромки. К примеру, ручные метчики, надфили, машинные метчики, мелкоразмерные развёртки, плашки для крупов и прочее. Кроме того сталь У12 отлично подходит для изготовления измерительных инструментов несложной конфигурации, например, гладки калибры и скобы.

Буква «У», указанная в маркировке данной инструментальной стали, значит, что сплав принадлежит к классу углеродистых металлов. Основной показатель для таких материалов – содержание углерода в процентах, которое также обязательно имеется в маркировке. После буквы «У» ставится число, обозначающее углеродное содержание в сотых процента. В результате, расшифровать маркировку «У12» можно следующим образом: эта сталь является углеродистой и в ней содержится порядка 1,2 процента углерода. Поскольку в конце не стоит буква «А», металл относится к классу качественных материалов.

Сталь У12 не применяется для сварных конструкций, но при работе с этим сплавом можно использовать котактно-точечную сварку. К положительным характеристикам металла можно отнести его нечувствительность по отношению к флокенам (то есть при обработке не образуются внутренние трещины), а также неплохую шлифуемость. Данный сплав можно подвергать ковке при начальной температуре 1100С, и конечных показателях температуры – 750С. Охлаждать стальные изделия необходимо на воздухе.

Способы термической обработки углеродистой стали У12.

Отжиг такой стали производится за счет нагрева до 770С, затем сплав постепенно охлаждают. В результате подобной термической обработки, микроструктура материала немного изменяется, а именно: в аустените сохраняется довольно много включений цементита, не растворившихся во время нагревания. Они играют роль кристаллизационных центров в процессе охлаждения (распада аустенитов). После отжига образуется структура сфероида (либо зернистого перлита), обладающая пониженными показаниями твёрдости, за счет этого обрабатываемость стали резанием улучшается.

Подобная структура является идеальной для закалки Стали У12, поскольку существенно сокращается склонность к увеличению аустенитного зерна, а также уменьшается оптимальная температура закалки стали У12. Все это снижает риск растрескивания металла, увеличивается его вязкость и прочность. Главным элементом, который определяет хорошую износостойкость углеродистых инструментальных сталей, выступает именно углерод, поскольку его твердость, то есть и износостойкость инструментов, после проведения термической обработки зависит от углеродного содержания в мартенсите. Присутствие легирующих компонентов сильно сказывается на прокаливаемости стали и на увеличении стабильности мартенсита во время нагрева закаленной стали.

При каких температурах обрабатывается сталь У12. Закалка инструментальных сталей.

В отожженном, то есть исходном состоянии, инструментальная сталь У12 имеет зернистую структуру перлита. В структуру этого материала дополнительно входит вторичный цементит. Такая сталь обладает низкой твердостью, а потому отлично обрабатывается резанием. Закалка стали У12 должна производиться при температуре, превышающей верхнюю критическую точку. В таком случае металл получит мартенситную структуру. Закалка осуществляется в воде либо в водных соляных растворах. После проведения закалки инструментальную сталь нужно подвергнуть низкому отпуску, температура которого составляет 150 – 170С. Благодаря этому металл утратит значительное количество закалочных напряжений и сохранит высокую твердость.

Так как углеродистой стали У12 присуща низкая прокаливаемость, из нее изготавливают преимущественно инструменты небольшой толщины, как ножовочные полотна, напильники и хирургический инструмент. Данный металл применяется в роли режущего инструмента лишь при резании материалов, обладающих низкой твердостью, поскольку, если нагрев превысит 200С, твердость стали резко понижается.

Как измеряется твердость закаленной инструментальной стали У12.

Твердость закаленной стали У12 измеряют методом Роквелла. Посредством значений, полученных в ходе измерений, можно определить основные свойства испытуемого металла. Твёрдость по Роквелла вычисляется следующим образом:

1. в образец материала, который исследуется, вдавливают алмазный конус, с углом при вершине в 120 градусов;
2. далее измеряется глубина образовавшегося вдавливания;
3. также вместо конуса можно использовать специальный стальной шарик, его диаметр составляет 1,5875 миллиметров.

Опубликована: 06.06.2014 · Просмотров: [14436]

Твердость металлов. Таблица твердости металлов

Для того чтобы детали и механизмы служили длительно и надежно, материалы, из которых они изготовлены, должны соответствовать необходимым условиям работы. Именно поэтому важно контролировать допустимые значения их основных механических показателей. К механическим свойствам относятся твердость, прочность, ударная вязкость, пластичность. Твердость металлов — первичная конструкционная характеристика.

Понятие

Твердость металлов и сплавов — это свойство материала создавать сопротивление при проникновении в его поверхностные слои иного тела, которое не деформируется и не разрушается при сопутствующих нагрузках (индентора). Определяют с целью:

• получения информации о допустимых конструкционных особенностях и о возможностях эксплуатации;
• анализа состояния под действием времени;
• контроля результатов температурной обработки.

От этого показателя частично зависят прочность и устойчивость поверхности к старению. Исследуют как исходный материал, так и уже готовые детали.

Варианты исследования

Показателем является величина, которая называется числом твердости. Существуют различные методы измерения твердости металлов. Наиболее точные исследования заключаются в использовании различных видов вычисления, инденторов и соответствующих твердомеров:

1. Бринелля: суть работы аппарата – вдавливание шарика в исследуемый металл или сплав, вычисление диаметра отпечатка и последующее математическое вычисление механического параметра.
2. Роквелла: используются шарик или алмазный конусный наконечник. Значение отображается на шкале или определяется расчётно.
3. Виккерса: наиболее точное измерение твердости металла с применением алмазного пирамидального наконечника.

Для определения параметрических соответствий между показателями разных способов измерения для одного и того же материала существуют специальные формулы и таблицы.

Факторы, определяющие вариант измерения

В лабораторных условиях, при наличии необходимого ассортимента оборудования, выбор способа исследования осуществляется в зависимости от определенных характеристик заготовки.

1. Ориентировочное значение механического параметра. Для конструкционных сталей и материалов с небольшой твердостью до 450-650 НВ применяют метод Бринелля; для инструментальных, легированных сталей и других сплавов – Роквелла; для твердосплавов – Виккерса.
2. Размеры испытуемого образца. Особо маленькие и тонкие детали обследуются с помощью твердомера Виккерса.
3. Толщина металла в месте замера, в частности, цементированного или азотированного слоя.

Все требования и соответствия задокументированы ГОСТом.

Особенности методики Бринелля

Испытания на твердость металлов и сплавов с помощью твердомера Бринелля проводятся со следующими особенностями:

1. Индентор – шарик из легированной стали или из карбидо-вольфрамового сплава диаметром 1, 2, 2,5, 5 или 10 мм (гост 3722-81).
2. Продолжительность статического вдавливания: для чугуна и стали – 10-15 с., для цветных сплавов – 30, также возможна длительность в 60 с., а в некоторых случаях – 120 и 180 с.
3. Граничное значение механического параметра: 450 НВ при измерении стальным шариком; 650 НВ при использовании твердосплава.
4. Возможные нагрузки. С помощью входящих в комплект грузов корректируется фактическая сила деформации на испытуемый образец. Их минимальные допустимые значения: 153,2, 187,5, 250 Н; максимальные – 9807, 14710, 29420 Н (гост 23677-79).

С помощью формул, в зависимости от диаметра выбранного шарика и от испытуемого материала, можно вычислить соответствующее допустимое усилие вдавливания.

Математическое вычисление нагрузки

Сталь, сплавы никеля и титана

Медь и медные сплавы

5D 2 , 10D 2 , 30D 2

Легкие металлы и сплавы

2,5D 2 , 5D 2 , 10D 2 , 15D 2

400HB10/1500/20, где 400HB – твердость металла по Бринеллю; 10 – диаметр шарика, 10 мм; 1500 – статическая нагрузка, 1500 кгс; 20 – период осуществления вдавливания, 20 с.

Для установления точных цифр рационально исследовать один и тот же образец в нескольких местах, а общий результат определять путем нахождения среднего значения из полученных.

Определение твердости по методу Бринелля

Процесс исследования протекает в следующей последовательности:

1. Проверка детали на соответствие требованиям (ГОСТ 9012-59, гост 2789).
2. Проверка исправности аппарата.
3. Выбор необходимого шарика, определение возможного усилия, установка грузов для его формирования, периода вдавливания.
4. Запуск твердомера и деформация образца.
5. Измерение диаметра углубления.
6. Эмпирическое вычисление.

где F – нагрузка, кгс или Н; A – площадь отпечатка, мм 2 .

где D – диаметр шарика, мм; h – глубина отпечатка, мм.

Твердость металлов, измеренная этим способом, имеет эмпирическую связь с вычислением параметров прочности. Метод точен, особенно для мягких сплавов. Является основополагающим в системах определения значений этого механического свойства.

Особенности методики Роквелла

Этот способ измерения был изобретен в 20-х годах XX века, более автоматизирован, чем предыдущий. Применяется для более твердых материалов. Основные его характеристики (ГОСТ 9013-59; гост 23677-79):

1. Наличие первичной нагрузки в 10 кгс.
2. Период выдержки: 10-60 с.
3. Граничные значения возможных показателей: HRA: 20-88; HRB: 20-100; HRC: 20-70.
4. Число визуализируется на циферблате твердомера, также может рассчитываться арифметически.
5. Шкалы и инденторы. Известно 11 различных шкал в зависимости от типа индентора и предельно-допустимой статической нагрузки. Наиболее распространённые в использовании: А, В и С.

А: алмазный конусный наконечник, угол при вершине 120˚, общая допустимая сила статического влияния – 60 кгс, HRA; исследуются тонкие изделия, в основном прокат.

С: также алмазный конус, рассчитанный на максимальное усилие 150 кгс, HRC, применим для твердых и закаленных материалов.

В: шарик размером 1,588 мм, изготовленный из закаленной стали или из твердого карбидо-вольфрамового сплава, нагрузка – 100 кгс, HRB, используется для оценки твердости отожжённых изделий.

Шарикообразный наконечник (1,588 мм) применим для шкал Роквелла B, F, G. Также существуют шкалы E, H, K, для которых используется шарик диаметром 3,175 мм (ГОСТ 9013-59).

Количество проб, проделанных с помощью твердомера Роквелла на одной площади, ограничивается размером детали. Допускается повторная проба на расстоянии 3-4 диаметра от предыдущего места деформации. Толщина испытуемого изделия также регламентируется. Она должна быть не меньше увеличенной в 10 раз глубины внедрения наконечника.

50HRC – твердость металла по Роквеллу, измерена с помощью алмазного наконечника, ее число равно 50.

План исследования по методу Роквелла

Измерение твердости металла более упрощено, нежели для способа Бринелля.

1. Оценка размеров и характеристик поверхности детали.
2. Проверка исправности аппарата.
3. Определение типа наконечника и допустимой нагрузки.
4. Установка образца.
5. Осуществление первичного усилия на материал, величиной в 10 кгс.
6. Осуществление полного соответствующего усилия.
7. Чтение полученного числа на шкале циферблата.

Также возможен математический расчет с целью точного определения механического параметра.

При условии использования алмазного конуса с нагрузкой 60 или 150 кгс:

при совершении испытания с помощью шарика под усилием 100 кгс:

где h – глубина внедрения индентора при первичном усилии 10 кгс; H – глубина внедрения индентора при полной нагрузке; 0,002 – коэффициент, регламентирующий величину перемещения наконечника при изменении числа твердости на 1 единицу.

Метод Роквелла является простым, но недостаточно точным. В то же время он позволяет измерять показатели механического свойства для твердых металлов и сплавов.

Характеристики методики Виккерса

Определение твердости металлов по данному способу наиболее просто и точно. Работа твердомера основана на вдавливании в образец алмазного пирамидального наконечника.

1. Индентор: алмазная пирамида с углом при вершине 136°.
2. Предельно допустимая нагрузка: для легированного чугуна и стали — 5-100 кгс; для медных сплавов — 2,5-50 кгс; для алюминия и сплавов на его основе — 1-100 кгс.
3. Период выдержки статической нагрузки: от 10 до 15 с.
4. Испытуемые материалы: сталь и цветные металлы с твердостью более 450-500 НВ, в том числе изделия после химико-термической обработки.

где 700HV – число твердости по Виккерсу; 20 – нагрузка, 20 кгс; 15 – период статического усилия, 15 с.

Последовательность исследования Виккерса

Порядок действий предельно упрощен.

1. Проверка образца и аппаратуры. Особое внимание уделяется поверхности детали.
2. Выбор допустимого усилия.
3. Установка испытуемого материала.
4. Запуск твердомера в работу.
5. Чтение результата на циферблате.

Математический расчет по этому способу выглядит следующим образом:

где F – нагрузка, кгс; d – среднее значение длин диагоналей отпечатка, мм.

Он позволяет измерять высокую твердость металлов, тонких и небольших деталей, при этом предоставляя высокую точность результата.

Способы перехода между шкалами

Определив диаметр отпечатка с помощью специального оборудования, можно с помощью таблиц определить твердость. Таблица твердости металлов – проверенный помощник в вычислении данного механического параметра. Так, если известно значение по Бринеллю, можно легко определить соответствующее число Виккерса или Роквелла.

РГР — Термическая обработка стали У12 — файл 1.doc

Доступные файлы (1):

Смотрите также:
• РГР — Химико-термическая обработка деталей[ расчетно-графическая работа ]
• Инструментальные стали[ документ ]
• Термическая и химико — термическая обработка металлов[ лабораторная работа ]
• Презентация к лекции термическая обработка металлов[ реферат ]
• Металлические конструкции БНТУ[ лекция ]
• Доклад — Термическая обработка стали[ реферат ]
• по материаловедению и ТКМ[ лекция ]
• Термическая обработка сталей[ реферат ]
• по ХТО[ лекция ]
• Контрольная работа. Вариант 35[ документ ]
• Ответы на тест[ документ ]
• Металловедение и термическая обработка металлов[ лабораторная работа ]

ДЕТАЛЬ МЕТЧИК. СТАЛЬ У12 — ЗАЭВТЕКТОИДНАЯ СТАЛЬ. СОДЕРЖАНИЕ УГЛЕРОДА В % СОСТАВЛЯЕТ: 1.15-1.24

Термичес кую обработку стали можно определить как процесс те­плового воздействия на сталь, направленный на изменение ее струк­туры и свойств.

Термическую обработку можно разделить на несколько основных видов, исходя из сущности происходящих в металле процессов. Таки-ми основными видами являются: отжиг, закалка и отпуск.
1.ОТЖИГ.( Неполный отжиг)

Отжигом называют процесс термической обработки, при кото­ром сталь сначала нагревают до определенной температуры, выдер­живают при этой температуре, а затем медленно охлаждают вместе с печью.
Неполный отжиг применяется для заэвтектоидной стали, нагрев при этом ведут выше Ас₁, но ниже Ас_cm. При этих температурах в структуре сохраняется вторичный цементит. Во время выдержки при указанных температу­рах происходит сфероидизация пластинчатых выделений цементита.

Отжиг и нормализация чаще всего являются предварительными операциями термической обработки, осуществляемыми в целях уст­ранения дефектов предыдущих операций (литья, ковки и др.) либо подготовки структуры для последующей обработки резанием или за­калки.

tот = Ас₁:А _cm +(30 — 50), °С охлаждение протекает вместе

tот =730+40=770 °С с печью

Заэвтектоидные стали нагревают выше А_с1 с тем, чтобы сохранить в структуре твердые включения вторичного цементита, которые за время выдержки успевают приобрести округлую форму. Структура заэвтектоидной стали после неполной закалки состоит из мартенсита, вторичного цементита и остаточного аустенита.

^ 770 °С

Заэвтектоидные стали нагреваются при закалке до температуры:

Закалка(охлаждение) производится в воду. Водные растворы едкого натра или поваренной соли обладают большей охлаждающей способ­ностью.

Вслед за закалкой стальные изделия обычно подвергают отпуску, поскольку в закаленном состоянии сталь слишком тверда и хрупка и находится в напряженном состоянии.

При отпуске закаленную на мартенсит сталь нагревают до темпе­ратуры ниже 727 °С. Основное превращение при отпуске стали — рас­пад мартенсита.

для стали У12 используется низкий отпуск (150 – 250 °С)

При низком отпуске в результате частичного распада мартенсита закалки образуется мартенсит отпуска, в котором наблюдается пере-распределение углерода с начальным образованием карбидов. При этом практически не снижается твердость и износостойкость, но сни-мается часть закалочных напряжений и снижается хрупкость.

Низкий отпуск применяется для режущих инструментов и деталей, подвергну-тых поверхностной закалке, а также цементированных деталей. в нашем случае это метчик(Температура отпуска=210°С)

мартенсит

Для низкого отпуска детали выдерживают в течение определенного времени обычно в масляных или соляных ваннах

охлаждение производится в воду или масло

Задание №3. Используя диаграмму состояния железо — карбид железа, укажите температуру закалки стали У12, опишите происходящие в процессе закалки превращения и получаемую структуру. Какой дополнительной обработке необходимо подвергать закаленную сталь У12 для устранения остаточного аустенита?

Закалка — термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения. После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправным. Режимы закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию. Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные(сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этот чрезмерно быстрое охлаждение приводит в появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую.

Выбор температуры закалки.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50 выше точки Ас3. В том случае сталь с исходной структурой перлит-феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температуры, соответствующих межкритическому интервалу (Ас1-Ас3), не принимают. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранявшегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температур выше Ас3. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ас1. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита.

После охлаждения структура стали состоит изз мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ас1 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик. Для многрих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические очки Ас1 и Ас3 (на 150-250), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированной аустенита. Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

При комнатной температуре сталь У12 имеет структуру цементита и перлита. До температуры Ас1 сохраняется исходная структура. При температурах Ас1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8 %. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените. Увеличение температуры выше точки Ась вызывает рост зерна аустенита. Критические точки для стали У12:Ас1=730;Асм=820. Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70 градусов выше точки Ас1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей мартенсит с цементитом небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждающая среда при закалке- индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалке изделия подвергают низкому отпуску.