МОСКОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Э. Баумана















Домашнее задание по курсу ”Материаловедение”

Вариант Д-25







Студент: Баженов И.А.

Группа: Э7-41

Преподаватель: Симонов В.И.














Москва

2014г.



Задание №Д-25

Ответственные валы изготавливают из улучшаемых легируемых сталей (40ХФА, 40ХМФА, 45 ХФ, 38ХН3МФА и др.) упрочненные азотированием.

  1. Выберите сталь для изготовления коленчатого вала двигателя диаметром шейки 30мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и ХТО, обеспечивающие: механические свойства сердцевины σ0.2≥930 Мпа, δ≥13%, толщину слоя 0,35-0,45 мм. Постройте график термообработки, включающий предварительную термическую обработку и азотирование в координатах температура-время, с указанием температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения. Опишите процесс азотирования, указав его значение, преимущества и недостатки.

  2. Опишите структурные превращения, происходящие в детали на всех этапах термической обработки. Укажите структуру и твердость стали на поверхности и в сердцевине вала после упрочнения.

  3. Приведите основные сведения об этом сплаве: химический состав по ГОСТу, область применения, механические и технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки.

Отчет.

Особенности работы деталей типа оси состоят в том, что в них используют прочность и сопротивление усталости стали. В связи с этим стали должны иметь большой запас прочности и высокий предел выносливости.

Среднеуглеродистые стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска (500-650˚С) на структуру сорбита. Улучшение этих сталей в отличие от

нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этих сталях, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах.

В соответствии с заданием необходимо подобрать улучшаемую сталь. Выбираем сталь 50ХН. Эта сталь относится к хромоникелевым сплавам, которые обеспечивают высокий комплекс механических свойств в деталях сечением 30-50мм. Из-за присутствия никеля в этой стали, в отличие от хромистых, имеют более высокий температурный запас вязкости и меньшую склонность к хрупкому разрушению.

Как видно из вышеприведенной таблицы, для обеспечения необходимых по условию задачи механических свойств требуется назначить термическую обработку – улучшение, при температуре закалки с охлаждением в масле 800˚С и высоком отпуске при 500 ˚С.

Хромоникелевые стали хорошо прокаливаемы и вал с диаметром шейки 30 мм при температуре закалки 800 ˚С прокалится насквозь.

t

А+Ц 800 оС А

Ас3 (755 оС)


Ас1 (735 оС)


масло

500 оС

Мн

воздух

Высокий

отпуск


Ф+П Тотп


Рис. 1



Закалка.

На практике при обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1. При нагреве до Ас1 (735С.) никаких превращений не происходит. При температуре Ас1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Зерна аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются 2 процесса: полиморфный переход Fe Fe 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. Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом чем выше дисперсность структуры перлита (Ф+Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно возрастает дисперсность продуктов его распада, что приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентрации напряжений.

При охлаждении в условиях vохл>vкрит будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fe и остаточный аустенит (А). Кристаллы мартенсита М, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали(5000м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита (см рис. 2).

Свойства мартенсита сталей зависят от растворенного в нем углерода.

Мартенсит имеет очень высокую твердость вплоть до HRC 60, для среднеуглеродистых сталей.




Отпуск.


Для придания стали требуемых эксплуатационных свойств, после закалки всегда проводят отпуск. При отпуске снижается уровень напряженного состояния (в, НВ,, КСV).

В нашем случае для изготовления деталей используется хромистая сталь 50ХН, которая склонна к отпускной хрупкости. При развитии хрупкости II рода после отпуска при 500 С0 , при этом надо учитывать, что отпуск при более высокой температуре приходилось бы проводить с охлаждением в воде. происходит сильное уменьшение ударной вязкости и повышение порога хладноломкости. В стали уменьшается работа зарождения трещины и особенно ее распространения. Появление хрупкости II рода наиболее вероятно связано с диффузией растворенных атомов некоторых элементов к границе зерна и насыщением поверхностных слоев зерна и этими элементами без выделения избыточных мелкодисперсных фаз. Особенно значительное влияние оказывает обогащение пограничных зон фосфором, снижающим работу образования межзеренных трещин, что приводит к развитию отпускной хрупкости. Легирующие элементы, например хром, повышают содержание фосфора в приграничных объемах.

Нагрев закаленной стали до температуры, не превышающей А1, называют отпуском. В результате закалки был получен мартенсит с некоторым количеством остаточного аустенита.

При отпуске происходит несколько процессов. Основной – распад мартенсита, состоящий из выделения углерода в виде карбидов. Кроме того, распадается остаточный аустенит, совершаются карбидное превращение и коагуляция карбидов, уменьшаются несовершенства кристаллического строения α-твердого раствора и остаточные напряжения.

Фазовые превращения при отпуске принято разделять на три превращения в зависимости от изменения удельного объема стали. В сталях, не содержащих легирующих элементов, первое превращение происходит в интервале температур 80 - 200 °С, второе при 200 – 260 °С, третье при 260 – 380 °С. Введение легирующих элементов может повышать температуры II и III превращений, уменьшать скорость коагуляции карбидов и влияют на карбидные превращения при отпуске.

Первое превращение:

Из мартенсита выделяется часть углерода в виде метастабильного ε-карбида, имеющего гексагональную решетку и химический состав, близкий к Fe2C. Дисперсные кристаллы ε-карбида когерентны с решеткой мартенсита. Обеднение твердого раствора углеродом происходит неравномерно: наряду с участками мартенсита, обедненного углеродом (вблизи карбидов) сохраняются участки с исходным содержанием углерода. Перове превращение идет с очень малой скоростью и без нагрева.

Содержание углерода в мартенсите в интервале температур первого превращения зависит от исходного количества углерода, тогда как при более высоком нагреве оно определяется лишь температурой.

Второе превращение:

Одновременно происходит несколько процессов: продолжается распад мартенсита, распадается остаточный аустенит и начинается карбидное превращение. Распад мартенсита распространяется на весь объём, концентрационная неоднородность твёрдого раствора исчезает; в мартенсите остаётся около 0,2 % растворённого углерода. Распад остаточного аустенита происходит по механизму бейнитной реакции: образуется смесь кристаллов низкоуглеродистого мартенсита и дисперсных карбидов. При температурах около 250 °С начинается ε-карбида в цементит; при этом когерентность решеток твёрдого раствора и карбида нарушается.

Если в закалённой стали было много остаточного аустенита, то уменьшение плотности при распаде будет большим, чем её увеличение, вследствие выделения углерода из мартенсита. В этом случае длина закалённого образца возрастает.

Третье превращение:

Завершаются распад мартенсита и карбидное превращение. Из мартенсита выделяется весь пересыщенный углерод в виде карбидов, тетрагональность решётки α-твердого раствора устраняется – мартенсит переходит в феррит. После отпуска при 380-400° С в структуре стали обнаруживается только карбид цементитного типа. Оба указанные процесса вызывают увеличение плотности стали – длина образца уменьшается.

Ферритно-карбидная смесь, образовавшаяся в конце третьего превращения, весьма дисперсна и имеет примерно такую же плотность, как тростит (её называют трооститом отпуска). Структуру стали, образовавшуюся при температурах первого и второго превращений, называют отпущенным мартенситом.

При более высоких нагревах в углеродистых сталях происходят изменения структуры, не связанные с фазовыми превращениями: изменяются форма, размер карбидов и структура феррита.






Чтобы не видеть здесь видео-рекламу достаточно стать зарегистрированным пользователем.
Чтобы не видеть никакую рекламу на сайте, нужно стать VIP-пользователем.
Это можно сделать совершенно бесплатно. Читайте подробности тут.