МД2 (Выбор материала и технологии термической обработки)

Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции

и ордена Трудового Красного Знамени

государственный технический университет имени Н. Э. Баумана

Домашнее задание по курсу материаловедения

Выполнил:

Проверил: Пахомова С. А.

2019 г.

Задание МД-2. Пользуясь марочником сталей и сплавов, выбрать марку стали для изготовления шлицевого вала привода рулевого управления автомобиля(рис. 1.2). Производство автомобилей крупносерийное.

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания: основные размеры шлицевого вала, твердость шлицевой поверхности HRC в указанных пределах, предел текучести сердцевины

(не менее).

Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку шлицевого вала, которая обеспечит его работоспособность в предлагаемых условиях.

Исходные данные(вариант в):

D = 55 мм

L = 800 мм

HRC = 50-56

=920 Мпа

В улучшенном состоянии из марки 40ХФА изготавливают шлицевые валы, штоки, установочные винты, траверсы, валы экскаваторов и другие детали, работающие при температуре до 400°С.

1. Режим термической обработки.

Для изготовления валов, траверс, зубчатых колёс применяют легированные стали. Особенности работы деталей типа вал состоят в том, что в них используют, в основном, твердость 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 при достаточных пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. 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. К группе таких сталей относятся стали перлитного класса с содержанием углерода 0,5..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%).

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350...520 °С) на троостит отпуска. Применение находит также изотермическая закалка на нижний бейнит.

Сталь 40ХФА обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере. Примем первый вариант термической обработки: закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали составляет 880 °С (А_с3 - 800 °С).

Температура закалки для сталей большинства марок определяется положением критических точек А₁ и А₃.

Для углеродистых сталей температуру закалки можно определить по диаграмме железо - углерод .Обычно для доэвтектоидной стали она должна быть на 30 - 50 °С выше Ас_3.

_{Интервал закалочных температур углеродистой стали}

_{При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1 но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита,который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной.}

В качестве охлаждающей среды выбираем масло.

Последующий отпуск назначаем при температуре 550..570 °С. Температурный режим, в условиях которого возможен полный отпуск - выше 500° С и ниже точки А_с1- нижнего предела интервала превращений. Таким образом, интервал температур находится в пределах 500 - 600° С, для легированных сталей - до 700° С.

Основная цель обработки металла методом высокого отпуска - придание ему максимальной вязкости в условиях сохранения достаточных упругости и предела прочности металла. В процессе проведения высокого отпуска сталь приобретает наивыгоднейшее сочетание механических свойств с вязкостью и пластичностью. Также, при условии медленного охлаждения, практически полностью устраняются внутренние напряжения металла, возникающие после закалки. Используется для снятия напряжений после правки. Отпускная хрупкость наступает при 500° С, поэтому берем температуру чуть выше.

Вода обеспечит высокую скорость охлаждения и обезопасит от отпускной хрупкости(см. рис.).

Получаемая структура сорбита отпуска (мелкодисперсная ферритоцементитная смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при HRC= 35..45. Указанный режим термический обработки обеспечивает получение следующих свойств:

_0.2 > 880-1100 МПа, _в > 960-1160 МПа; ₅> 15-19%, >61%.

НВ330-340 после отпуска при 560 °С (HRC =34).

рис. 1

Для повышения HRC проведем ТВЧ и низкий отпуск. Доэвтектоидные стали нагревают немного выше температуры фазового превращения перлита и феррита в аустенит. Это происходит в интервале 800-850°С. Затем заготовку быстро охлаждают.

После охлаждения на поверхности металла остаются высокие сжимающие напряжения, которые повышают эксплуатационные свойства детали. Внутренние напряжения между поверхностным слоем и сердцевиной необходимо устранить. Это делается с помощью низкотемпературного отпуска – выдержкой при температуре около 200°С(150 или 250°С во избежание отпускной хрупкости) в печи. Чтобы избежать появления на поверхности микротрещин, нужно свести к минимуму время между закалкой и отпуском.

Микроструктура доэвтектоидной стали: Феррит(светлые участки) и перлит(тёмные).

2. Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 40ХФА - сталь перлитного класса. Критические точки стали: Ас₁ = 760 ± 10°С, А_с3 = 800 ± 10°С. Сталь подвергают полной закалке (см. рис. 1), при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры (рис. 2).

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

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 40ХФА, при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Aс₁ (760°С для стали 40ХФА). 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_->Fe_ и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

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. 2

Из рис. 5 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали.

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. Изменения структуры стали при закалке в масло. При непрерывном охлаждении в стали с υ₀ > υ_кр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью(~1000..7000 м/с) в интервале температур Мн .. Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются (точки Мн и Мк изменяют свое положение на графике (см. рис. 6)). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк . Например, введение кремния их повышает. В результате закалки стали 40ХФА ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита(пренебрежимо малое, т. к. закалка проходила при оптимальной температуре).

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

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 (560 °С). Нагрев закаленной стали до температуры A_с1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 40ХФА после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

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

2) Снижение остаточных напряжений;

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.

При резком остывании после ТВЧ сорбит на поверхности превращается в мартенсит, который обладает высокой твердостью и прочностью. Малое время выдержки позволяет получить мелкозернистый сорбит и мелкоигольчатый мартенсит, зерна не успевают вырасти и остаются маленькими. Такая структура обладает высокой твердостью и одновременно низкой хрупкостью.

Структура стали после низкого отпуска представляет собой мартенсит отпуска на поверхности и сорбит отпуска в сердцевине.

3. Сталь 40ХФА. Основные данные.

1. ГОСТ 4543-71.

2. Химический состав. %.

3. Применение. В улучшенном состоянии - шлицевые валы, штоки, установочные винты, траверсы, валы экскаваторов и др. детали, работающие при температуре до 400°С; после закалки и низкого отпуска - червячные валы и другие детали повышенной износостойкости.