Методика проведения лабораторной работы по теме «Термическая обработка углеродистых сталей»

№96-1,

педагогические науки

В данной статье рассматриваются вопросы методики проведения лабораторной работы по дисциплине "Материаловедение и технология материалов" по теме "Термическая обработка углеродистых сталей". В статье подробно описывается экспериментальная часть лабораторной работы.

Похожие материалы

Известно, что лабораторный практикум является важным элементом учебного процесса в учебном заведении с техническим уклоном. В ходе проведения данного вида занятия курсанты и студенты сталкиваются с самостоятельной практической деятельностью в конкретной области науки. Лабораторная работа по теме «Термическая обработка углеродистых сталей» позволит обучающимся лучше усвоить программный материал по дисциплине «Материаловедение и технология материалов», увидеть связь теории и практики, изучить технологию термической обработки железоуглеродистых сплавов. Данное занятие потребует от обучающихся проявления инициативы, наблюдательности, самостоятельности в принимаемых решениях и логического рассуждения. Лабораторная работа по данной теме должна проводится в объеме не менее 4-х академических часов и двумя преподавателями. Целями лабораторной работы являются:

  1. Ознакомление курсантов и студентов со структурными превращениями, происходящими в углеродистых сталях после термической обработки и изменением их физико-механических свойств.
  2. Углубление и закрепление знаний по теоретическому курсу дисциплины «Материаловедение и технология материалов».
  3. Приобретение обучающимися навыков в научной постановке эксперимента и анализе полученных результатов.
  4. Приобретение навыков работы с лабораторным оборудованием: высокотемпературными печами, металлографическими микроскопами, твердомерами.
  5. Формирование у курсантов и студентов первичных навыков организации, планирования и проведения научных экспериментов.

В начале занятия в первую очередь проводится инструктаж (под роспись в журнале инструктажа) по охране труда на рабочем месте при проведении занятий в лаборатории «Материаловедения», инструктаж по охране труда при работе с высокотемпературными печами и твердомерами, а также инструктаж по правилам пожарной безопасности. Так как такого рода лаборатории обязательно должны быть оснащены огнетушителем и медицинской аптечкой, то каждый обучающийся должен знать о их месте нахождения.

Далее следует теоретическая часть занятия, в которой преподавателем доводится до обучающихся методика проведения различных видов термической обработки сталей. Затем учебная группа делится на несколько бригад.

Далее второй преподаватель перемещается с одной из бригад к месту проведения экспериментов, проводит эксперименты, руководит сбором данных. Порядок проведения экспериментальной части по теме «Термическая обработка углеродистых сталей» следующий:

1. С помощью твердомера ТК-2 необходимо определить среднее значение твердости (HRA) в партии образцов отожженной стали.

Перед измерением твёрдости торцевые плоские поверхности каждого образца зачистить напильником, затем — на шлифовальной бумаге с целью удаления твердой окисной плёнки.

2. Определить температуру нагрева Тн, ºС для проведения нормализации и закалки предложенной стали. Для определения температуры нагрева сначала с помощью микроанализа (для неизвестной марки стали) или справочника (для известной марки стали) определить процентное содержание углерода, а затем по диаграмме «Fe — Fe3C» — необходимую температуру нагрева.

3. Определить время нагрева и выдержки — τнв, мин. Для углеродистых сталей время нагрева τн определяют из расчета: 1 минута — на каждый миллиметр диаметра (толщины) изделия, а время τв выдержки берут как 0,2 от времени нагрева.

4. В электропечь, нагретую до температуры Тн, ºС, заложить образцы стали и выдержать время τнв, мин.

При укладке образцов в электропечь следует учитывать, что температура вблизи дверцы может быть ниже той, что показывает гальванометр. Поэтому образцы следует размещать рядом с горячим спаем термопары.

5. Произвести охлаждение образцов с различной скоростью.

Подгруппа делится на 5 бригад (по 2 человека) и каждая производит охлаждение с использованием охладителей, указанных в табл. 1.

Для проведения нормализации нагретый образец вынуть из печи и установить на термостойкую подставку и охладить на спокойном воздухе.

Для проведения закалки взять образец клещами за цилиндрическую поверхность, быстрым движением извлечь из печи и окунуть в охлаждающую жидкость. В процессе охлаждения необходимо энергично перемещать образец в жидкости с целью разрушения «паровой рубашки» на поверхности образца, замедляющей скорость охлаждения.

6. Зачистив торцы на шлифовальной бумаге, определить значение твердости поверхностного слоя у каждого образца (среднее из двух — трёх измерений).

7. По опытным данным построить графическую зависимость твердости стали от вида охлаждающей среды (табл. 1). При этом первой экспериментальной точке на графике должно соответствовать значение исходной твердости отожженной стали.

8. С помощью микроскопа «АльтаМиМетВар.2» изучить и в отчете схематично изобразить микроструктуру термообработанных сталей.

9. С помощью твердомера ТК-2 уточнить среднее значение твердости (HRA) в партии образцов стали, закаленной на мартенсит.

Таблица 1. Среда и соответствующая скорость охлаждения для получения заданной микроструктуры

Охлаждающая среда

Vохл,

ºС/с

Количество образцов

Твердость

HRA

Микроструктура

1. Воздух (нормализация)

1

1

Экспериментальные
данные

Феррит + перлит

(мелкозернистая)

2. Вода (100ºС)

60

1

Сорбит закалки

3. Масло минеральное

150

1

Троостит закалки

4. Вода (20ºС)

600

2

Мартенсит закалки

(крупноигольчатый)

5. Вода подсоленная (10 % р-р — NaCl)

1100

3

Мартенсит закалки

(мелкоигольчатый)

10. Для трёх-четырех образцов произвести низкий и средний отпуск по цветам побежалости.

Отпуск по цветам побежалости основан на том, что на зачищенной поверхности образцов закаленной стали, нагретой до температур 200 — 300 ºС, образуется оксидная пленка, интерферирующая свет и, вследствие чего, воспринимается различно «окрашенной». Цвета на поверхности образца постепенно сменяют друг друга («бегут») по мере повышения температуры отпуска и соответствующего увеличения толщины оксидной пленки. При этом, каждому цвету побежалости соответствует определенная температура отпуска (табл. 2.).

Для проведения отпуска по цветам побежалости образцы закаленной стали установить на плоскую поверхность заранее нагретого докрасна (≈ 600 ºС) стального бруска (своеобразного теплогенератора). Наблюдением за изменением цвета зачищенной поверхности образцов определить температуру отпуска. При появлении соответствующих цветов побежалости образцы быстро охладить в воде комнатной температуры, что позволит зафиксировать образующуюся при этом структуру отпуска.

11. Для одного-двух образцов закаленной стали провести высокий отпуск посредством нагрева в печи при температуре 500 — 650 ºС, непродолжительной выдержки (3-5 мин) и последующего охлаждения с любой скоростью.

12. Определить среднее из 3 значений твердости каждого образца отпущенной стали. Полученные результаты занести в таблицу по прилагаемой форме (табл. 3).

Таблица 2. Соответствие цветов побежалости температуре и виду отпуска

Цвет побежалости

Температура отпуска, ºС

Вид отпуска

1. Светло-желтый

220

Низкий

2. Тёмно-желтый

240

Низкий

3. Тёмно-коричневый

265

Низкий

4. Фиолетовый

285

Низкий

5. Синий

300

Средний

6. Светло-голубой

320

Средний

7. Серый

330

Средний

Примечание: Свыше 500ºС металл приобретает цвета каления.

Таблица 3. Таблица опытных данных

Цвет побежалости

Тотпуска, ºС

Вид
отпуска

Твердость, HRA

Микроструктура

13. Используя опытные данные, построить график изменения твердости закаленной стали в зависимости от температуры отпуска. При этом — первой экспериментальной точке на графике должно соответствовать исходное значение твердости закаленной на мартенсит стали. Образец построения осей координат и выбор масштаба представлены на рис. 1.

Оси координат для построения зависимости твёрдости стали от температуры отпуска
Рисунок 1. Оси координат для построения зависимости твёрдости стали от температуры отпуска

Далее обучающиеся должны обработать опытные данные, оформить отчет по лабораторной работе, придерживаясь следующего плана:

  1. Название и цель лабораторной работы.
  2. Оснащение.
  3. Таблица опытных данных при проведении отжига, нормализации и закалки.
  4. Эскизы микроструктур отожженной, нормализованной и закаленной на сорбит, троостит, мартенсит сталей.
  5. Графическая зависимость твердости после упрочняющих и разупрочняющих методов термической обработки стали.
  6. Таблица опытных данных при проведении отпуска.
  7. Кривая изменения твердости стали в зависимости от отпуска.
  8. Выводы по проделанной работе.

Список литературы

  1. Гуляев А.П. Металловедение. — М.: Металлургия, 1986. — 542 с.: ил.
  2. Лахтин Ю.М. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1993. — 448 с.