Задание:

Для пружин, испытывающих динамические и знакопеременные нагрузки при повышенных температурах используют сложнолегированные стали.

  1. Выберите сталь для изготовления клапанной пружины автомобильного двигателя, рабочая температура которой может повышаться до 300 укажите и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки, обеспечивающий значение твердости HRC 43-47. Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек сталей, 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 ГОСТ’у, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделия, механические свойства после выбранного режима т.о., технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.


Выбор марки стали:

Для изготовления упругих элементов общего назначения 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 высокий модуль упругости, ограничивающий упругие деформации, большое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при сохранении достаточных пластичных свойств и сопротивляемости хрупкому разрушению. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.

Так же для удовлетворения условиям эксплуатации необходимо выбрать сталь, работающую при высоких температурах( до 300).

Всем данным требованиям лучше всего удовлетворяет сталь 50ХФА(заменитель: 60С2А и 50ХГФА), которая обладает необходимой теплостойкостью и соответствующими механическими свойствами после правильно выбранного режима термической обработки.


Термическая обработка.

Для данного вида стали наиболее эффективным способом получения нужных свойств является закалка и средний отпуск на тростит отпуска

.


Выбираем температуру закалки и среду охлаждения: закалка до 850(охладитель – минеральное масло), отпуск – 450. Из таблицы 1 следует, что выбранный режим удовлетворяет эксплутационным условиям(достаточный уровень пластичности и высокий предел упругости, соответствие заданному интервалу значений твердости).



(табл.1)


Получаем необходимый график термообработки:

Структурные превращения при термической обработке:

Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры. Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 50ХФА при нагреве исходной равновесной структуры Ф + П. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1 (752 оС для стали 50ХФА). 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 и растворение цементита в аустените.

В общем виде получаем:


Для получения однородного аустенита необходимо полное растворение цементита ( на диаграмме показано как изотермическое превращение при T=850 ).

Очевидно, что в ходе перекристаллизации и все термической обработки зерна измельчаются, что ведет к повышению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

При непрерывном охлаждении в стали (закалка в масле) со скоростью охлаждения большей критической аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью в интервале температур Мн...Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются (точки Мн и Мк изменяют свое положение на графике. Введение легирующих элементов также изменяет положение точек МН и Мк. Например, введение кремния их повышает.) Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку

В результате закалки в структуре стали 50ХФА кроме мартенсита имеется некоторое количество остаточного аустенита. Это явление отрицательно для стали , т.к. наличие неоднородностей уменьшают пластичность, ведет к охрупчению и большим остаточным напряжениям, для побочных эффектов требуется проведение дополнительно последующего отпуска.


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 и состоит из следующих этапов:

1) превращение остаточного аустенита по механизму бейнитной реакции;

2) продолжение распада отпущенного мартенсита: уменьшается степень его пересыщенности , начинается преобразование -карбида в - цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) 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 сфероидизации и коагуляции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

В результатье после полной термической обработки ввиде закалки в масле и среднего отпуска при 470 оС для стали 50ХФА образуется структура троостита отпуска.

Сталь 50ХФА:

Применение: тяжелонагруженные ответственные детали, к которым предъявляются требования высокой усталостной прочности, пружины, работающие при температуре до 300°С и другие детали.

Химический состав в % материала 50ХФА (по ГОСТ 14959-79)

C

Si

Mn

Ni

S

P

Cr

V

Cu

0.46 - 0.54

0.17 - 0.37

0.5 - 0.8

до   0.25

до   0.025

до   0.025

0.8 - 1.1

0.1 - 0.2

до   0.2


Физические свойства материала 50ХФА .

T

E 10- 5

10 6

C

R 10 9

Град

МПа

1/Град

Вт/(м·град)

кг/м3

Дж/(кг·град)

Ом·м

20

2.18

 

40

7800

 

320

100

2.15

11.7

39

7780

490

 

200

2.1

12.2

38

7750

505

 

300

2

12.9

37

7720

510

 

500

1.78

14

33

7650

560

 

600

1.6

14.4

31

7610

580

 

T

E 10- 5

10 6

C

R 10

Влияние легирующих элементов:

Марганец и кремний вводятся в процессе выплавки стали для раскисления, они являются технологическими примесями. Марганец вводят в сталь до 2 %. Он распределяется между ферритом и цементитом. Марганец заметно повышает предел текучести, порог хладноломкости, прокаливаемость стали, но делает сталь чувствительной к перегреву. В связи с этим для измельчения зерна с марганцем в сталь вводят карбидообразующие элементы. Марганец повышает прочность, не снижая пластичности стали. Кремний является не карбидообразующим элементом, и его количество в стали ограничивают до 2%. Он значительно повышает прокаливаемость и релаксационную стойкость стали, при содержании более 1% снижает вязкость, пластичность и повышает порог хладноломкости.


Случайные файлы

Файл
7732-1.rtf
130414.rtf
33128.rtf
92043.rtf
141084.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.