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)

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ П-2

ПО ДИСЦИПЛИНЕ

«ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ»

Студент:

Группа:

Преподаватель: Гресс М.А.

Москва, 2020

Задание

Для изготовления рессор и пружин широко используются наиболее дешевые углеродистые, кремниевые или марганцовистые стали.

1. Выберите сталь для винтовой цилиндрической пружины из прутка диаметром 25 мм. Укажите и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающий значение предела текучести не менее 1100 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. Привести основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, 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 изготовления упругих элементов общего назначения, в том числе и для торсионного вала, применяют легированные рессорно-пружинные стали. 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 при достаточных уровнях пластичности и сопротивления 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 (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 в стали. К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения 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 упругие элементы приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350...520 °С) на троостит отпуска. Применение находит также изотермическая закалка на нижний бейнит. В настоящее время применение находят следующие кремнистые стали: 50С2, 55С2, 60С2А, 70С3А. Выбираем сталь 70С3А, которая относится к широко используемым дешевым сталям для изготовления упругих элементов сечением от 20 мм. Она обладает высокими пределом упругости и выносливости, она также вязкая и пластичная.

Термообработка

По заданию необходимо подобрать режим термической обработки обеспечивающий предел текучести не менее 1100 МПа. Этого можно достичь, применив термическую обработку, состоящую в закалке и среднем отпуске. По данным ГОСТ 14959-79 температура закалки для стали 70С3А составляет 850℃ (Ас3=780℃). В качестве охлаждающей среды используется масло. Такая среда охлаждения обеспечивает необходимую прокаливаемость стали 70С3А. Дальнейший отпуск назначается при температуре 470℃. В результате формирования структуры троостита после отпуска сталь получает высокие усталостные характеристики.

Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Для этого сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твёрдом состоянии (для стали 70C3А Ас3=780℃), после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Отпуск — нагрев закалённых сталей до температур, не превышающих Ас1 (для стали 70С3А Ас1=765℃). Зависимость механических свойств от температуры отпуска приведена на графиках, где σ_0,2 — предел текучести условный (МПа), σ_в — временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении), (МПа), δ₅ — относительное удлинение после разрыва (%), KCU — ударная вязкость (Дж/см²), HRC-твердость стали.

Рис. 1. Зависимость механических свойств от температуры стали 70С3А

Рис. 2. Зависимость механических свойств от температуры стали 70С3А

Рис. 3. Режим термообработки стали 70С3А

Выбранный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств (минимальные значения):

σ_0,2>1220 МПа;

σ_в>1690 МПа;

δ₅>6%;

KCU>37 Дж/см²;

HRC>49.

Структурные превращения при термической обработке

Сталь 70C3А относится к сталям перлитного класса. Критические точки стали: Ас1=765℃, Ас3=780℃. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.(рис. 4).

Рис. 4. Схема структурных превращений в стали при нагреве

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

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 70С3А при нагреве. Исходная равновесная структура стали после отжига или нормализации: Ф + П. При обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас₁, после которой перлит превращается в аустенит. Его зёрна зарождаются на границах фаз феррита и цементита. При этом происходит полиморфный переход Fe_α→Fe_γ и растворение цементита в аустените.

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

Дальнейший нагрев от Ас₁ до 850 °С приводит к фазовой перекристаллизации структурно свободного феррита в аустенит.

Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна стали. При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита и возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Итоговая схема превращений: П(Ф+Ц) до Ас₁ → Ф+Ц+А → А+Ц → А неоднородный → А гомогенный.

Изменение структуры стали при закалке в масло.

При непрерывном охлаждении стали с Vохл > Vкр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью в интервале температур Мн...Мк. В результате закалки стали 70С3А ее структура может иметь кроме мартенсита некоторое количество остаточного аустенита, так как при закалке не достигается температура конца мартенситного превращения, которая находится значительно ниже комнатной температуры.

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 последующего отпуска.

Превращения в закалённой стали при среднем отпуске (420℃).

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-карбида. 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…300 °С и состоит из следующих этапов:

1. превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2. распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщения уменьшается до 0,15…0,2 %, начинается превращение ε-карбида в Fe₃C – цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3. снижение остаточных напряжений;

4. некоторое увеличение объема, связанное с переходом А_ост→ М_отп.

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

В стали 70С3А после полной закалки в масле и среднего отпуска при 470 °С образуется структура троостита отпуска.

Основные сведения о стали 70С3А.

1. ГОСТ 14959-79. Сталь конструкционная рессорно-пружинная.

2. Химический состав, % по массе.

   C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	Fe
   0.66-0.74	2.4-2.8	0.6-0.9	до 0,25	до 0,025	до 0,025	до 0,3	до 0,2	⁓95

3. Применение: тяжело нагруженные пружины ответственного назначения.

4. Влияние легирующих элементов.

Кремний — повышает устойчивость феррита при высоких температурах, то есть такая сталь обладает хорошими электромагнитными свойствами.

Марганец — способствует повышению твердости и прочности, обеспечивает высокую вязкость сталей.

1. Заменители: нет.

2. Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций.

3. Флокеночувствительность: чувствительна.

4. Склонность к отпускной хрупкости: малосклонна.

Литература

1. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/search/

2. Материаловедение. Учебное пособие (курс лекций) для бакалавров направления «Техническая физика». Ю.А. Курганова, Р.С. Фахуртдинов.

3. Выбор материала и технологии термической обработки. А.А. Зябрев, Г.Г. Мухин, Р.С. Фахуртдинов.

8