Московский Государственный Технический Университет им. Н.Э.Баумана














Домашнее задание по материаловедению

Задание № П-12











Выполнила:

Студентка руппы

СМ12-51 Заяц О.

Проверил:

Горничев А.А.




Москва, 2008

Задание № П-12


1.Выберите легированную сталь для изготовления ответственной пружины из прутка диаметром 50мм. Пружина испытывает значительные динамические нагрузки. Укажите и обоснуйте оптимальный режим термической обработки, обеспечивающий 1600 МПа, 6%. 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.Приведите основные сведения об 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 и недостатки.






















Отчёт

Особенности упругих элементов состоят в том, что в них используют в основном упругие свойства стали и не допускают возникновения пластической деформации при всех видах нагрузки. В связи с этим стали должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, высоким пределом выносливости при достаточной пластичности и вязкости. 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 после закалки). Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада и остаточного аустенита снижает упругие свойства стали. Так же сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размеров зерна в стали.

Легированные рессорно-пружинные стали (ГОСТ 14959-79) относятся к перлитному классу и содержат 0.5...0.7% углерода С. Основными легирующими элементами в них являются кремний Si (1-3%), марганец Mn (~1%), а в сталях более ответственного назначения – хром Cr (~1%), ванадий V (~0.15%) и никель Ni ( 1.7%). Легирование (за исключением Si и Mn) мало влияет на предел упругости – главную характеристику этих типов сталей, более существенно оно проявляется в повышении прокаливаемости, релаксационной стойкости, предела выносливости. В связи с этим легированные стали предназначены для больших по размеру упругих элементов и обеспечивают их более длительную и надёжную работу.

Стали 60С2ХА и 60С2Н2А прокаливаются в сечениях соответственно до 50 и 80 мм. и применяются для крупных тяжёлонагруженных и особо ответственных пружин и рессор. Сталь 60С2Н2А используется для изготовления деталей, работающих в условиях значительных динамических нагрузок, что отвечает условиям эксплуатации в задании и поэтому мы выберем именно эту марку стали.

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после закалки и среднего отпуска (на троостит отпуска). По данным ГОСТ 14959-79 температура закалки для стали 60С2Н2А составляет 870°С. В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Завершающим этапом термической обработки является отпуск при температуре 380°С на воздухе длительностью 2 часа. Предложенный вариант термической обработки обеспечивает структуру троостита отпуска (мелкозернистая ферритоцементитная смесь) и следующие эксплутационные характеристики: =1780 МПа; =1920 МПа; =6%; =40%.

Режим термической обработки стали 60С2Н2А

Механические свойства стали 60С2Н2А в зависимости от температуры отпуска

t отпуска, °С

, МПа

, МПа

, %

, %

380

1780

1920

6

40

400

1690

1760

6

41

420

1530

1640

7

41

440

1390

1490

8

42

460

1360

1440

8

41

480

1230

1340

9

40

500

1210

1300

10

41

520

1100

1170

12

43


Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 60С2Н2А относится к сталям перлитного класса. Критические точки стали: (765 10°С), (780 10°С). Сталь подвергают полной закалке, при этом её нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующие охлаждение в масле со скоростью, больше критической (наименьшая скорость охлаждения при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2Н2А при нагревании исходной равновесной структуры П(Ф+Ц). При нагреве в электропечи под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры (765°С).При температуре в стали начинает происходить превращение перлита в аустенит. Зёрна аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита, при этом параллельно протекают 2 процесса: полиморфные переход и растворение цементита в аустените. При этом образование зёрен аустенита протекает со скоростью большей, чем растворение цементита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Общую схему превращения можно представить так:

П+Ф Ф + Ц +А А+Ц

При этом нужно отметить, что чем выше дисперсность структуры исходного перлита и чем выше скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно возрастает дисперсность структуры продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада в свою очередь приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменение структуры стали при закалке в масле.

При непрерывном охлаждении стали с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (~1000…7000 м/c), в интервале температур и . При этом нужно учитывать, что увеличение концентрации углерода понижает температуру начала и конца мартенситного превращения. Легирующие элементы так же влияют на эту температуру, в частности кремний её повышает. В результате закалки стали 60С2Н2А, как видно из графика, её структура может кроме мартенсита иметь некоторое количество остаточного аустенита.

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный раствор углерода в α-железе. Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твёрдости и прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует дополнительного последующего отпуска.

Превращения в закалённой стали при среднем отпуске (380°С).

Нагрев закалённой стали до температуры называется отпуском. Отпуск обеспечивает получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2Н2А после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательно превращения, протекающие в закалённой стали при повышении температуры. До 80°С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита происходит медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне температур 80…200°С и приводит к формированию структуры мартенсита отпуска – смеси пересыщенного раствора углерода в α-железе и когерентных с ним частиц ε-карбида. В ходе этого процесса снижаются остаточные напряжения и уменьшается удельный объём.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…300°С и состоит из следующих этапов:

1)Превращение остаточного аустенита в мартенсит отпуска.

2)Распад отпущенного мартенсита: степень его пресыщенности углеродом снижается до 0.15…0.20% и начинается преобразование ε-карбида в цементит, его дальнейшее обособление и как следствие разрыв когерентности .

3)Снижение остаточных напряжений.

4)Небольшое увеличении объёма, связанное с переходом .

Третье превращение при отпуске происходит в интервале температур 300…400°С, при этом заканчивается процесс карбидообразования и распад отпущенного мартенсита. Формируется феррито-карбидная смесь и существенно снижаются остаточные напряжения.

Структуру стали после среднего отпуска называют трооститом отпуска. Троостит представляет собой игольчатую структуру феррита, вдоль игл которого расположены выделившиеся из твердого раствора карбиды. Такая структура обладает малым запасом вязкости, но зато высоким пределом упругости.






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.