Государственный технический университет им. Н.Э. Баумана




Frame1



Домашнее задание по курсу
«Материаловедение»


Вариант № П-3.















Выполнил: Кулаков И.С.

Группа: МТ6-51

Проверил: Андреев П. П.







2015

Задание № П-3


Для пружин и рессор особо ответственного назначения, работающих в условиях динамических и знакопеременных нагрузок, применяют стали 65С2ВА, 60С2ХФА, 60С2Н2А и др.

1.Укажите и обоснуйте режим термической обработки ответственной высоконагруженной рессоры, изготовленной из полосовой стали марки 60С2Н2А для получения σ0,2 ≥ 1500 МПа, δ ≥ 5%. 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 и др.




























Отчет


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 большое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350...520оС) на троостит отпуска.

По данным ГОСТ 14959-79 температура закалки для стали 60С2Н2А составляет 850оС (А3 – 780оС). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 420оС. Охлаждающая среда – воздух.

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств:

δ ≥ 5%, σ0,2 ≥ 1500МПа.

Указанный температурный режим (рис.2) отпуска (420оС) обеспечит необходимые по заданию конечные параметры стали после термообработки:


Закалка 850°С масло, отпуск:

σ0,2, МПа

σв, МПа

δ , %

ψ , %

HB

1570

1710

5

20

420-475




























t

А А

1-3 мин/мм сеч А3 (780оС)

А1 (765оС)


масло 12-15 мин/мм сеч

Мн воздух

Средний

отпуск


Ф+П M Т


Режим термической обработки стали 60С2Н2А


Ac1

Ac3

Мн

Мк

765

780

290

0


Структурные превращения при термической обработке.


Сталь 60С2Н2А - сталь перлитного класса. Критические точки стали: А1=765100С, А3=78010оС. 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 60С2Н2А 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 А1 (765оС для стали 60С2Н2А). При температуре А1 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.

Представим общую схему превращения:

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получение 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. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалке в масле. При непрерывном охлаждении в стали с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000...7000 м/с) 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 (рис.6). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек МН и Мк. Например введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2Н2А ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышение твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (470оС).

Нагрев закаленной стали до температуры А1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2Н2А после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры.

Структуру стали после среднего отпуска при 350...500оС называют трооститом отпуска.

При этих температурах из мартенсита выделяется избыточный углерод, который, взаимодействуя с железом, образует цементит с размером зерен 107 – 106 см. Таким образом, получается структура троостит отпуска. Она отличается от троостита закалки формой зерен цементита. В троостите отпуска зерна цементита шарообразные ( глобулярные), в троостите закалки - пластинчатые. Вследствие этого троостит отпуска, обладая той же твердостью, что и троостит закалки, более пластичен и отличается большей величиной ударной вязкости.

Средний отпуск на троостит ( 350 - 450 С) - сравнительно редкая операция. Ее используют тогда, когда необходимо сочетание высокой прочности, упругости и вместе с тем достаточной вязкости. Среднему отпуску подвергают пружины и рессоры

В стали 60С2Н2А после полной закалки в масле и среднего отпуска при 420оС образуется структура троостита отпуска.


При отпуске некоторых легированных сталей снижается ударная вязкость. Такое снижение вязкости получило название отпускной хрупкости. Могут возникать два вида отпускной хрупкости: необратимая отпускная хрупкость, или хрупкость I рода (отпуск при 250 – 400 С0) и обратимая отпускная хрупкость, или хрупкость II рода (500 – 600 С0). При 4700 отпускной хрупкости нет.











Основные сведения о стали 60С2Н2А.

Химический состав. Данные по ГОСТ14959-79

Химический элемент

%

Углерод (С)

0.56-0.64

Медь (Cu), не более

0.20

Марганец (Mn)

0.40-0.70

Никель (Ni), не более

1.40-1.70

Фосфор (P), не более

0.025

Кремний (Si)

1.40-1.80

Сера (S), не более

0.025

Хром (Cr), не более

0.30


Заменитель

стали: 60С2А, 60С2ХА.

Применение

тяжелонагруженные пружины, торсионные валы, пружинные кольца, цанги, фрикционные диски, шайбы, гровера и др.

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1100, конца 800.

Свариваемость

не применяется для сварных конструкций.

Обрабатываемость резанием

не обрабатывается

Склонность к отпускной способности

не склонна

Флокеночувствительность

чувствительна

1.Хорошо сваривающиеся стали (С% < 0,2)

2. Удовлетворительно сваривающиеся стали (0,2<С%<0,35)

3. Ограниченно сваривающиеся стали (0,35<С%<0,45)

4. Плохо сваривающиеся стали (С%>0,45)

Последняя группа свариваемости - плохо свариваемые стали. Эти стали склонны к образованию горячих и холодных трещин. Сварку металлов производят с предварительным нагревом до температуры 250-300°C,с подогревом в процессе сварки и с предварительной и последующей термообработкой. Но, даже эти меры не во всех случаях позволяют предотвратить появление дефектов в сварных швах. Качество и прочность шва низкая.

Фосфор не допускается при содержании более, чем 0,05%. Фосфор, соединяясь с железом, образует фосфористое железо, которое обладает высокой хрупкостью и придаёт стали хладноломкость

Сера не допускается при содержании более, чем 0,05%.В процессе кристаллизации стали, сернистое железо кристаллизуется между кристаллами металла сварного шва. Это приводит к возникновению горячих трещин.

Если содержание кремния в составе стали повышенное и составляет 0,8-1,5%, то процесс сварки затрудняется, т.к. кремний повышает жидкотекучесть стали и образует тугоплавкие химические соединения.

Никель положительно влияет на свариваемость.

Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности стали, что достигается при их использовании в термически упрощенном состоянии — после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали практически не отличаются от углеродистых. В связи с этим обеспечение необходимой прокаливаемости — первостепенная задача легирования. Легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Возможность менее резкого охлаждения при закалке уменьшает в них напряжения и опасность образования трещин.


Кремний положительно влияет на структуру, механические и технологические свойства стали: снижает критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость, уменьшает скорость распада мартенсита, сильно упрочняет феррит, повышает прочность, твердость и прежде всего упругие свойства стали, увели­чивает сопротивление коррозии, снижает вязкость. Такое влияние кремния на свойства связано с его воздействием на матричную фазу и карбиды. Кремний способен создавать в твердом рас­творе направленные ионные связи, которые должны увеличивать напряжения трения в кристаллической решетке и тем самым повышать сопро­тивление движению дислокации, особенно при малых пластических де­формациях (упрочняющий эффект).


Никель – наиболее ценный и в то же время наиболее дефицитный легирующий элемент. Его добавляют в количестве от 1 до 5%. Введение никеля снижает порог хладноломкости после термического улучшения стали на 60-80оС и увеличивает критерий К на 10-13 МПа*м1/2. Такое благоприятное влияние обусловлено тем, что никель, снижая энергию взаимодействия дислокаций с атомами внедрения, облегчает их подвижность.


Достоинства: Высококачественная сталь. Имеет большое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению.


Недостатки: Пониженная обрабатываемость резанием, невозможность сварки, высокая флокеночувствительность (склонность стали и некоторых сплавов к поражению флокенами, т е образуются внутренние трещины (дефекты) в стальных поковках и прокатной продукции). Склонность к обезуглероживанию, графитообразованию, образованию поверхностных дефектов при горячей обработке стали.








д

Литература


1. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 8-е издание, стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. – 648 с.


2. Лекции по курсу материаловедения кандидата технических наук, доцента кафедры МТ8 МГТУ им Н.Э. Баумана Хововой О.М.


3. Марочник сталей и сплавов, под редакцией Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 2003 г. 640с.


4. Марочник сталей и сплавов под ред. заслуженного деятеля науки РФ, доктора технических наук, профессора А.С. Зубченко 2-е издание переработанное и дополненное 2003г. 780с.


5. Выбор материала и технологии термической обработки деталей и инструментов: методические указания к выполнению домашнего задания по дисциплине «Материаловедение» / А.А. Зябрев, Г.Г. Мухин, Р.С. Фахуртдинов — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 — 18 c.








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.