Зябрев А.А., Мухин Г.Г., Фахуртдинов Р.С. Выбор материала и технологии термической обработки деталей и инструментов (2011) (1257619), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Например,для колец подшипника качения непригодна сталь ШХ15, если подшипник подвергается коррозионному воздействию промышленныхсред. В данном случае оптимальной сталью является коррозионностойкая сталь 95Х18. Необходимо указать конечные результатытермического упрочнения (механические свойства стали, твердостьповерхностного слоя), по справочной литературе найти значениетемпературы нагрева под закалку, отпуск, значение температурыхимико-термической обработки, указать охлаждающие среды.
Руководствуясь размерами детали (инструмента) и данными из справочной литературы, указать время выдержки при основных опера7циях термической обработки (например, при цементации для достижения определенной глубины упрочненного слоя, при нагревепод закалку, при отпуске).В отчете должны быть подробно изложены теоретические аспекты термического упрочнения — необходимо привести описаниефазовых превращений, происходящие на всех этапах термическойобработки стали или сплава. Следует объяснить, какие структурыполучаются после каждого этапа термической и химико-термической обработки и показать взаимосвязь механических свойств сталиили сплава с их структурным состоянием. Необходимо обратитьвнимание на структуры, получаемые закалкой, средним или высоким отпуском, а также на связь структуры с сопротивлением ударным и знакопеременным нагрузкам.В отчете приводят график (схему) термического упрочнения,построенный в координатах температура — время.
На этой схемедля сталей необходимо показать расположение критических точекА1, Аз(Аст), Мн, Мк по отношению к температуре нагрева, температуре помещения (20…25 С), температуре охлаждения, если применяется обработка холодом.Кроме того, в отчете должны быть представлены основныеданные, характеризующие материал: химический состав в соответствии с ГОСТ РФ, свойства, применение, преимущества и недостатки, а также дано описание дефектов, которые возникают при нарушениях выбранного варианта термического упрочнения.ЗАЩИТА ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯВыполненное домашнее задание принимает преподавательконсультант в сроки, соответствующие графику учебных занятий.Защита домашнего задания проводится в устной форме, при этомстудент должен продемонстрировать понимание сущности фазовыхпревращений, происходящих на каждом этапе термической обработки.
При защите домашнего задания необходимо обосновать выбор материала для детали (или инструмента), если это требуется позаданию, и выбор термической обработки детали, дать описаниезависимости механических свойств от режима упрочнения и получаемых структур.8ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ДОМАШНЕГО ЗАДАНИЯЗаданиеДля изготовления различных упругих элементов, конструкций(рессоры, пружины, амортизаторы), от которых требуются высокиепределы упругости (текучести) и выносливости при достаточнойвязкости и пластичности, применяют различные по составу рессорно-пружинные стали.1. Подберите марку кремнистой стали для изготовления торсионного вала с максимальным диаметром 18 мм; объясните выбор.Укажите режим термической обработки вала. Постройте графиктермической обработки в координатах температура — время.2. Опишите структурные превращения, происходящие на всехэтапах термической обработки стали.3. Приведите основные данные, характеризующие выбраннуюсталь (укажите номер ГОСТа, химический состав, свойства, областьприменения, влияние легирующих элементов).ОтчетДля изготовления упругих элементов общего назначения, в томчисле и для торсионного вала, применяют легированные рессорнопружинные стали.Особенности работы деталей типа упругих элементов состоят втом, что в них используют в основном упругие свойства стали и недопускают возникновения пластической деформации при нагрузке(статической динамической, ударной).
В связи с этим стали должныиметь большое сопротивление малым пластическим деформациям,т. е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости придостаточных уровнях пластичности и сопротивления хрупкому разрушению. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.Для выполнения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостьюи сквозной прокаливаемостью (структура мартенсита по всему сечению детали после закалки). Наличие в структуре стали феррита,9продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижаетупругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зернав 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 приобретаютпосле двух вариантов термической обработки: закалка и среднийотпуск (350…520 С) на троостит отпуска (рис.
1, а). Применениенаходит также изотермическая закалка на нижний бейнит (рис. 1, б).ttA3A3A1A1ПCTВ.Б.Н.Б.350-520 °CMЗакалкаСреднийотпуск TотпМнН.Б.+АM3абРис. 1. Режимы термической обработки рессорно-пружинных сталей:а — двойная термическая обработка на троостит отпуска (Тотп); б — изотермическая закалка на нижний бейнит в смеси с непревращенным аустенитом (Н.Б + А)В настоящее время применение находят следующие стали:50С2, 55С2, 60С2А, 70С3А. Выбираем сталь 60С2А, которая относится к широко используемым дешевым сталям для изготовленияупругих элементов сечением до 18 мм.
Эта сталь обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические свойства. Для уст10ранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.Примем первый вариант термической обработки (см. рис. 1, а):закалку и средний отпуск. По данным ГОСТ 14959–79, температуразакалки для стали 60С2А составляет 870 С ( A C3 = 820 С). В каче-стве охлаждающей среды выбираем масло. Такая среда охлажденияобеспечивает необходимую прокаливаемость торсионного валадиаметром 18 мм и в отличие от воды формирует более низкий уровень термических напряжений.
Последующий отпуск назначаемпри температуре 470 С (выше интервала температур необратимойотпускной хрупкости). Получаемая структура троостита отпуска(мелкодисперсная ферритоцементитная смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при НRС == 35…45 (рис. 2), при этом 0,2 / в > 0,85.,МПа2400в0,218000,010,051200,%406000200,% HRC4KCU,МДж/м20,320 KCU200300HRC60402000,10400 t,°CРис. 2. Зависимость механических свойств стали 60С2А от температурыотпускаВыбранный режим термической обработки (рис. 3) обеспечивает получение следующих механических свойств стали 60С2А (минимальные значения):11σ0,2 > 1200 МПа; δ > 6 %;σв > 1300 МПа; ψ > 25 %;НВ ≈ 390…480 (НRС ≈ 40…50).Снижение температуры отпуска до значения 420 С повышаетпредел прочности (σв) до 1850 МПа, условный предел текучести —до 1600 МПа, условный предел упругости (σ0,01) — до 1450 МПапри относительном удлинении 4 %, относительном сужении 45 %,ударной вязкости 0,2 МДж/м2.t870 °CП- АA3(820 °C)A1(750 °C)470 °C, 1чСреднийотпускA- MводаMHФ+ПРис.
3. Режим термической обработки стали 60С2АПосле изотермической закалки (см. рис. 1, б) с выдержкой притемпературе 290 С σв = 2100 МПа, σ0,2 = 1745 МПа, σ0,01 == 1535 МПа, δ = 11 %, ψ = 40 %, КCU = 0,5 МДж/м2.Структурные превращения при термической обработке.Сталь 60С2А относится к сталям перлитного класса. Критическиетемпературы стали: A C1 = 750 ± 10 С, A C3 = 820 ± 10 С. Стальподвергают полной закалке (см. рис. 3), при этом ее нагревают дообразования однородной мелкозернистой аустенитной структуры(рис. 4).12Aсmt,°CA3А+ЦIIФ+А750 °CS'SПФ+П0A1(727 °C)0,60,8П+ЦIIC,%Рис. 4.
Схема проведения полной закалки стали 60С2АПоследующее охлаждение в масле со скоростью Vохл большей,чем критическая скорость Vкр (наименьшая скорость охлаждения,при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2А принагреве. Исходная равновесная структура стали после отжига илинормализации: Ф + П. На практике при обычных скоростях нагрева(электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое илизернистое строение до температуры A C1 = 750 С для стали 60С2А.При температуре A C1 в стали происходит превращение перлита ваустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном награницах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Feα → Feγ и растворениецементита в аустените.Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью,чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержкастали при температуре закалки для полного растворения цементитаи получения гомогенного аустенита (рис.
5).Дальнейший нагрев от температуры A C1 до температуры870 С приводит к фазовой перекристаллизации структурносвободного феррита в аустенит.13АААЦЦФРис. 5. Схема структурных превращений в стали 60С2А при нагревеФазовая перекристаллизация приводит к измельчению зернастали. При этом чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + Ц)и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктовего распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к повышению пластичности, вязкости, уменьшениючувствительности к концентраторам напряжений.Изменение структуры стали 60С2А при закалке в масло.При непрерывном охлаждении в стали 60С2А со скоростью охлаждения большей, чем критическая скорость (Vохл > Vкр), аустенит превращается в мартенсит.
Мартенситное превращение развивается всталях с высокой скоростью (~1000…7000 м/с) в интервале температур Мн...Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличениемсодержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются,координаты температур Мн и Мк изменяют свое положение на графике (рис. 6). Введение легирующих элементов также изменяет положение координат температур Мн и Мк. Например, введение кремния повышает температуры мартенситного превращения. В результате закалки стали 60С2А ее структура может иметь кромемартенсита некоторое количество остаточного аустенита, так какпри закалке не достигается температура конца мартенситного превращения, находящаяся значительно ниже комнатной температуры.Полученный мартенсит представляет собой пересыщенныйтвердый раствор углерода в α-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку.
Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.14t, С500AMH250MKA- M00,6 0,9 1,2C,%Рис. 6. Влияние концентрации углерода С на температуру начала Мни конца Мк мартенситного превращенияОбразование 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 закаленной стали 60С2А при среднем отпуске (470 С). Нагрев закаленной стали до температуры, не превышающей A C1 , принято называть отпуском.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
