Zadanie_D-10 (Выбор материала и технологии термической обработки)

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

(национальный исследовательский университет)» (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

ФАКУЛЬТЕТ МТ

КАФЕДРА МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ (МТ-8)

Д-10

Студент

Группа

Задание Д-10

Для изготовления нагруженных болтов применяются легированные стали после объемного упрочнения.

1. Выберите легированную сталь для изготовления ответственного болта диаметром 36 мм. Назначьте и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающий: . Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения

2. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки

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.

Выбор стали.

Для поставленного задания выбрана конструкционная легированная сталь марки 30ХН2МА.

Назначение: оси, валы, шестерни, звездочки, коленвалы, шатуны, ответственные болты, шпильки, диски и другие ответственные детали, работающие в сложных условиях нагружения при нормальных, пониженных и повышенных температурах.

Вид поставки: сотовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 103-76. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 1133-71, ГОСТ 8479-70.

Термическая обработка.

Если нагрев производится в соляных ваннах, то скорость нагрева рекомендуется 0,5 мин. на 1 мм сечения, если деталь нагревают в электрических печах, то время нагрева рекомендуется 1,5-2 мин. на 1 мм сечения образца. Продолжительность выдержки обычно рекомендуют 25% общего времени нагрева. Соответственно в течение 18 минут для нагрева в соляной ванне, 5 минут выдержки; 72 минуты для нагрева в электрической печи, 18 минут выдержки.

Для данной стали можно провести нормализацию. Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе. Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно, по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности. Нормализация при температуре 860С в течение 1.5 часов из расчета час выдержки на 25 мм толщины.

Легированные конструкционные стали после нормализации приобретают высокую твердость, затрудняющую последующую обработку.

Высокий отпуск при температуре 680С в течение 1 часа, охлаждающая среда – вода. Такая термическая обработка обеспечивает не только размельчение зерна с улучшением механических качеств стали, но и освобождает изделия от внутренних напряжений. Так обрабатывают, например, валы для турбин и двигателей внутреннего сгорания, турбинные диски, некоторые стальные отливки ответственного назначения и пр.

Закалка при температуре 850С. При закалке время нагрева в печах подсчитывается из расчета 50..80 секунд на 1 мм сечения, 12..14 секунд в соляной ванне и 6..8 секунд в свинцовой ванне. Продолжительность выдержки устанавливается равной 20% от времени нагрева. Выдержка при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать роста аустенитного зерна. Для данной детали нагрев будет длиться около 5/6 часа, выдержка около 1/6 часа. Охлаждение при закалке должно быть резким для того, чтобы не допустить образования перлита, но в то же время – максимально медленным, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений, образующихся в деталях при резком охлаждении. Если скорость охлаждения стали превышает критическую скорость, то образуется мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной стали. В качестве охлаждающей среды выбираем масло.

Высокий отпуск назначаем при температуре 600-620°С. Охлаждающая среда – вода. Сочетание полной закалки и высокого отпуска называется термическим улучшением стали.

Нормализация

860С

Высокий отпуск

680С

вода

вода

масло

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 30ХН2МА относится к мартенситному классу.

Критические точки стали: Ас₁ = 730°С, А_С3 = 775°С.

Сталь нагревают до температур выше А_С3 на 30…50С; выдерживают и охлаждают на воздухе. После нормализации образуется ферритно-перлитная структура. При ускоренном охлаждении доэвтектоидной стали феррит выделяется на границах зерен аустенита, поэтому кристаллы феррита образуют сплошные или разорванную оболочки вокруг зерен аустенита – ферритную сетку. Нормализация позволяет уменьшить анизотропию свойств, вызванную в горячедеформированной стали вытянутых неметаллических включений.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали, при нагреве исходной равновесной структуры Ф + П(Ф + Ц). На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Aс₁. При температуре Ас₁, в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe_ в Fe_ и растворение цементита в аустените. Общая схема превращений:

Ф + П(Ф + Ц) → Ф + А → А

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Рис. 1. Схема структурных превращений в стали при нагреве.

При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + П) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений. При нагреве от температуры Ас₁ до температуры Ас₃ избыточный феррит растворяется в аустените. При температуре Ас₃ фазовая перекристаллизация заканчивается, и весь феррит оказывается растворенным в аустените.

Изменения структуры стали при закалке в масло.

Доэвтектоидные стали нагреваются под закалку до температур А_с3+(30…50)°С. В результате полной закалки и последующего охлаждения с критической скоростью закалки _кр образуется структура, состоящая из мелкоигольчатого мартенсита и следов остаточного аустенита.

Рис. 2. Схема образования мартенситных пластин в одном аустенитном зерне

Перегрев стали значительно выше А_с3 приводит к укрупнению зерен аустенита и увеличению его устойчивости, поэтому после закалки структура состоит из крупноигольчатого мартенсита и большого количества остаточного аустенита, что увеличивает внутренние напряжения и снижает уровень механических свойств.

При непрерывном охлаждении в стали с υ₀ > υ_кр аустенит превращается в мартенсит. Быстрое охлаждение необходимо для того, чтобы подавить возможные диффузионные процессы и образование ферритно-цементитных смесей.

Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк. Итак, при охлаждении стали со скоростью большей υ_кр, будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза, пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в . Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита.

Перестройка решётки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которые по строению одинаковы, а по параметрам близки к определённым плоскостям кристаллической решётки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия.

В процессе мартенситного γ→α – превращения, углерод остаётся в твёрдом растворе, искажая кристаллическую решётку , так как растворимость его в ниже, чем в . Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решётку.

Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем больше окажутся средние искажения пространственной решётки. Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих за счёт увеличения объёма при переходе ГЦК решётки в ОЦК решётку. На температуры Мн и Мк существенно влияют растворенные в аустените легирующие элементы. Они понижают температуры Мн и Мк.

Однако, введение кремния их повышает. В результате закалки стали ее структура может иметь кроме мартенсита и неко­торое количество остаточного аустенита. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при высоком отпуске (600 °С).

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

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

1. Превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2. Распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15..0,2%, начинается преобразование ε-карбида в Fе₃C - цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3. Снижение остаточных напряжений;

4. Некоторое увеличение объема, связанное с переходом А_ост→М_отл

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

Структуру стали после низкого отпуска (до 250°С) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска 350..500°C – трооститом отпуска; после высокого отпуска 500..600°C – сорбитом отпуска.

Основные сведения.

Химический состав:

Механические свойства:

Технологические свойства: