П-10 (Выбор материала и технологии термической обработки)

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования «Московский государственный технический университет имени Н.Э.

Баумана»

(национальный исследовательский университет)

(МГТУ им. Н.Э. Баумана)

Факультет Машиностроительные технологии

Кафедра Материаловедение

Домашнее задание №1

Студент Купреев В.С.

Группа РК4-52

Преподаватель Алексеева Мария Сергеевна подпись

Москва 2020

ЗАДАНИЕ № П-10

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, обеспечивающий _0,2 1600 МПа,  . 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.

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.

П оследующее 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.

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 упрочнения 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.

1. ГОСТ 14959-79. Рессорно-пружинные стали.

2. Химический состав, %

3. Применение:

для изготовления крупных высоконагруженных пружин и рессор ответственного назначения.

4. Влияние легирующих элементов.

Кремний и марганец:

Сильно упрочняют и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки - влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется прежде всего в уменьшении критической скорости охлаждения и повышение прокаливаемости.

Хром:

Предупреждает обезуглероживание пружин при нагреве под закалку, делает сталь стойкой против коррозии и окисления, уменьшает склонность к ломкому разрушению. Хромистая сталь имеет повышенную стойкость против отпускания. Хром повышает дозакаливание стали, способствует получению высокой и равномерной твердости, обеспечивает повышенную износоустойчивость.

5. Свойства упругих элементов могут быть повышены путем поверхностного наклепа в 1,5 - 2 раза (обдувка дробью).

6. Технологические свойства:

1) Свариваемость: не применяется для сварных конструкций.

2) Флокеночувствительность:   не чувствительна.

3) Не склонна к отпускной хрупкости;

4) Заменитель: 60С2ХФА, 60С2Н2А.

Список использованной литературы

1. Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд. перераб. и доп.

М.: Металлургия, 1982.400 с.

2. Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

3. Марочник сталей и сплавов, под ред. Сорокина В.Г. М.:

Машиностроение, 1989 г. 640с.