П-10 (Выбор материала и технологии термической обработки)

Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Домашнее задание

по курсу

Материаловедение

Студент: Воюшина Т.А.

Группа: Э 9-42

Преподаватель: Сафонова

Москва 2005г.

Задание № П10

Для аккумулирования энергии при заводе часовых механизмов используются плоские спиральные пружины, изготовленные из тонкой ленты сталей: У8А – У12А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА,70С2ХА.

1. Подберите марку легированной стали для пружин часовых механизмов, изготовленных из ленты толщиной 0,6 мм. Укажите и обоснуйте режим термической обработки, обеспечивающей σ_0,2 ≥1600 МПА, δ ≥ 5 %.Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева ,времени выдержки, среды охлаждения.

2. Опишите структурные превращения, происходящие встали на всех стадиях термической обработке.

3. Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Отчет

Особенности работы деталей типа упругих элементов состоят в том, что в них используют в основном упругие свойства стали и не допускают возникновение пластической деформации при нагрузке (статической, динамической, ударной). В связи с этим стали должны иметь большое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью (структура мартенсита по всему сечению детали после закалки). Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода О,5...0,7%, которые для улучшения свойств прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легируют кремнием (1,5...2,8%), марганцем (0,6...1,2 %), хромом (0,2...1,2 %), ванадием (0,1...0,2 %), вольфрамом (0,8...1,2 %), никелем (1,4...1,7 %).

В настоящее время для аккумулирования энергии при заводе часовых механизмов используются плоские спиральные пружины, изготовленные из тонкой ленты сталей: У8А – У12А, 60С2А, 60С2ХА, 60С2ХФА, 65С2ВА,70С2ХА. Выбираем сталь 60С2ХА, которая относится к широко используемым дешевым сталям для изготовления упругих элементов сечением до 0.6 мм. Эта сталь обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.

Рис. 1. Режим термической обработки стали 60С2ХА

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 6ОС2ХА - сталь перлитного класса. Критические точки стали: А₁=765 10 ⁰С, А₃=780 10 ^оС. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры.

При нагреве до температуры 765С структура сплава остается постоянной – перлит. Как только пройдена точка А_с1 на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает А_с3 , то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 850 – 870 С мы получили однофазную структуру = аустенит, при этом при повышении температуры после 850 – 870 С зерно растет.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Изменения структуры стали при закалки в масло. При непрерывном охлаждении в стали с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000...7000 м/с) в интервале температур М_н...М_к. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры М_н и М_к понижаются (точки М_н и М_к изменяют свое положение на графике). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек М_Н и М_к. Например введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2ХА весь аустенит полностью переходит в мартенсит.(стр.169 график)

Рис.2 Зависимость температуры термодинамического равновесия аустенита и мартенсита t₀ и температур М_н и М_к от содержания углерода в стали

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышение твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (400-420 ^оС).

Нагрев закаленной стали до температуры А₁ принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2ХА после закалки состоит из мартенсита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80 ^оС диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200 ^оС и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом -раствора и когерентных с ним частиц -карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного -карбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200...260 ^оС (300 ^оС) и состоит из следующих этапов:

1) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15...0,2%, начинается преобразование -карбида в - цементит и его обособление, разрыв когерентности;

2) снижение остаточных напряжений;

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300...400 ^оС. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 ^оС активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250 ^оС) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска

350...500 ^оС – трооститом отпуска; после высокого отпуска 500...600 ^оС – сорбитом отпуска.

В стали 60С2ХА после полной закалки в масле и среднего отпуска при 400-420 ^оС образуется структура троостита отпуска.

Помимо закалки и отпуска для упочнения пружин применяют изотермическую закалку на нижний бейнит – обычно при 280 - 350 ^оС. После изотермической закалки у стали повышаются пластичность, вязкость, и уменьшается склонность к хрупкому разрушению. Поэтому для пружин, подвергнутых изотермической закалке, допустима более высокая твердость – до HRC 50 – 52, чем после обычной закалки отпуска. После изотермической закалки предел упругости и релаксационная стойкость ниже, чем после обычной закалки и отпуска. Они могут быть повышены путем дополнительного отпуска при температуре предшествующей изотермической выдержки при закалке.

Сталь 60С2ХА. Основные данные.

Общие сведения

Температура критических точек