Валы, траверсы, зубчатые колёса, крепёжные детали трубопроводов высокого давления изготавливают из стали 40ХФА.


  1. Укажите и обоснуйте оптимальный режим упрочняющей термической обработки вала из этой стали, обеспечивающий твёрдость в сердцевине НВ 330-340 с учетом сквозной прокаливаемости. Построить график термообработки для этой стали в координатах температура – время, с указанием температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения.

  2. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки. Перечислите возможные способы дополнительного повышения конструкционной прочности вала, изготавливаемого из этой стали.

  3. Приведите основные свойства 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, недостатки и др.


































    1. Режим термической обработки.


Сталь 40ХФА относится к конструкционным легированным сталям.

Конструкционным легированные стали-самая многочисленная группа сталей. Сталь характеризуется низким содержанием углерода - до 0,6% и сравнительно не высоким содержанием легирующих элементов - до 7-8%. Подразделяется на три подгруппы: низколегированная - до 2,5% легирующих элементов;

среднелегированная - 2,5-6,0% легирующих элементов;

высоколегированная - более 6,0% легирующих элементов.

Основную массу легированных конструкционных сталей подвергают смягчающему отжигу для облегчения обработки резанием или несложной холодной обработки давлением.

Умягчение большинства этих сталей происходит в интервале температур от 700 до 8000С.

К изделиям, для которых используются различные марки конструкционной легированной стали, относятся:

валы, шпиндели, зубчатые колёса и другие детали, к которым предъявляются требования повышенной твёрдости, износостойкости, прочности и работающие при ударных нагрузках;

диски трения, валы, шестерни, втулки подшипников, кривошипы, коленвалы дизелей и другие детали, требующие повышенной прочности и износостойкости;

оси, фланцы, пальцы, вилки, детали сварных конструкций, работающих в условиях знакопеременных нагрузок;

шестерни, валы, крепёжные детали, работающие при температуре до 450 - 500 oС;

штоки, валы экскаваторов, червячные валы, другие детали, работающие при температуре до 4000С.

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.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однород­ную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью.

При изготовлении деталей для изменения структуры и свойств стали применяют различные операции термообработки. К ним относят отжиг, закалку и отпуск.

Для доэвтектоидной стали можно применять как отжиг 1 рода, так и отжиг 2 рода. Температура рекристаллизационного отжига среднеуглеродистых сталей практически совпадает с температурой т. А1, поэтому в большинстве случаев для изменения структуры и свойств стали применяют отжиг 2 рода. Отжиг 2 рода для доэвтектоидной стали принято разделять на 4 вида:

- полный отжиг

- изотермический отжиг

- нормализация

- патентирование

Для данной стали необходимо провести нормализацию. Нормализацией называют отжиг с охлаждением детали на свободном воздухе. Условия охлаждения при нормализации позволяют получить более мелкое зерно, по сравнению с обычным отжигом. Уменьшение размера зерна вызывает увеличение прочности и твердости, при некотором снижении пластичности. Твердость материала   40ХФА   после отжига -  HB 10 -1 = 241   МПа .  

Среднеуглеродистые легированные стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения- полной закалки и высокого отпуска на структуру сорбита. 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:

1)Закалка на воздухе.

По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали составляет 850°С.Выдержка при закалке стали должна быть такой, чтобы успели пройти все структурные и фазовые превращения. Однако она не должна быть чрезмерной, чтобы не вызвать роста аустенитного зерна. Обычно ориентировочно выдержку детали принимают из расчета 1 минуту на 1 миллиметр толщины для нагрева и + 1 минута на 1 миллиметр толщины для выравнивания температуры по сечению и прохождения всех структурах и фазовых превращений. Охлаждение при закалке должно быть резким, для того, чтобы не допустить образования перлита, но в то же время – максимально медленным, чтобы уменьшить уровень внутренних напряжений, образующихся в деталях при резком охлаждении. Если скорость охлаждения стали превышает критическую скорость, то образуется в мартенсит, обеспечивающий максимальную твердость в закаленной стали. Желательно проводить охлаждение в области мартенситного превращения по возможности медленнее. В качестве охлаждающей среды выбираем масло.


2)Высокий отпуск стали.

Состояние закаленных деталей отличаются очень сильной неравновесностью структуры. Это обусловлено повышенной концентрацией углерода в твердом растворе, высокой плотностью дефектов кристаллического строения, а также внутренними напряжениями, строениями и термическими. Из-за этого закаленная сталь хотя и обладают высокой прочностью и твердостью, одновременно с этим имеет практически нулевой запас вязкости. Ударные нагрузки могут вызвать быстрое разрушение деталей. Кроме того, переход неравновесной структуры закаленной стали в более стабильную может происходить с течением времени самопроизвольно под воздействием окружающей температуры или внешних нагрузок.

Высокий отпуск применяется для деталей, в которых необходимо сочетание высокой ударной вязкости и достаточной прочности. При этом образуется сорбит. Сорбит представляет собой зёрна феррита с огромным количеством точечных и округлых выделений карбидов, равномерно распределенных по объему стали. Твердость 25-30 НRС. Отпуск назна­чаем при температуре 600°С.


. Указанный режим термический обработки обеспечивает получение следующих свойств:

0.2 > 880 МПа, в > 1000-1100 МПа; > 10%, >50%.

НВ330-340 после отпуска при 600 °С (HRC =30).


2. Структурные превращения при термической обработке.

Сталь Сталь 40ХФА относятся к мартенситному классу..

Критические точки стали: Ас1 = 760 ± 10°С, Ас3 = 800 ± 10°С. Сталь подвергают полной закалке (см. рис. 3), при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры (рис. 4).

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.

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 > υкр аустенит превращается в мартенсит.

Мартенситное превращение интенсивно протекает при непрерывном охлаждении в интервале температур от Мн до Мк.. Итак, при охлаждении стали со скоростью, большей υкр, будет образовываться мартенсит – неравновесная фаза - пересыщенный твёрдый раствор внедрения углерода в Fe. Кристаллы мартенсита, имея пластинчатую форму, растут с огромной скоростью, равной скорости звука в стали (~5000 м/с). Росту кристаллов мартенсита препятствует граница зерна аустенита или ранее образовавшаяся пластина мартенсита. Перестройка решётки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, который по строению одинаковы, а по параметрам близки к определённым плоскостям кристаллической решётки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия.


Случайные файлы

Файл
170223.rtf
149793.doc
35650.rtf
165561.rtf
163517.rtf




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.