Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана
















Домашнее задание


по предмету


Материаловедение


вариант Д-1













Выполнил: Афиногенов А.

Группа Э3-41

Проверил: Силаева В.И.





Для изготовления валов, зубчатых колес, муфт и других ответственных деталей, подвергающимся вибрационным и динамическим нагрузкам, применяются среднеуглеродистые хромоникелевые стали.

  1. Сформулируйте требования к материалам для зубчатых колес. Укажите и обоснуйте режим упрочняющей термической обработки шестерни из стали 40ХН для получения твердости НВ 240-250, ударной вязкости KCU> 0.5 МДж/м*м. Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: температура нагрева, время выдержки, среды охлаждения.

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

  3. Приведите основные требования к этой стали :химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механический свойства после выбранного режима термической обработки, технологический свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки.

Зубчатые колеса используются в условиях больших динамических нагрузок, при повышенном трении. Поэтому такие детали должны иметь твердую поверхность, высокую прочность на изгиб и при этом вязкую и прочную сердцевину, устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок.

Для обеспечения этих свойств вводят легирующие элементы, что повышает конструкционную прочность стали. Их применяют после закалки и отпуска, поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых. Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей характеристикой при выборе этих сталей. Кроме прокаливаемости важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости.

Механические свойства легированных сталей, для изделий с крупным сечением, значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей. Особенно сильно повышается предел текучести, относительное сужение и ударная вязкость, благодаря хорошей прокаливаемости и наличием мелкого зерна. Для достижения высокой прокаливаемости сталь чаше легирую более дешевыми элементами - марганцем, хромом и бором, реже дорогими - никелем и молибденом.



Термическая обработка.


Примем вариант термической обработки: закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали 40ХН составляет 820С (Ас3 – 768 С). В качестве охлаждающей среды выбираем воду. Последующий отпуск назначаем при температуре 600 С

Указанный режим термообработки обеспечивает получение следующих свойств (минимальные значения):

0.2 > 760 Мпа;

в > 910 Мпа;

HB 241 после отпуска при 600 С.




Сталь 40ХH – сталь перлитного класса до термообработки имеет структуру:

Феррит (Ф) + Перлит (П). П (Ф+Fe3C).

Ф=Fe(C) – твердый раствор, С’ в Fe.

На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1. При нагреве до Ас1 (735 С.) никаких превращений не происходит. 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 2 процесса: полиморфный переход Fe Fe и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

Ф+П (Ф+Ц) Ас1Ф+Ц+АА+ЦАнеоднородн.Агомогенный

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, 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 при 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(рис. 2).

Мартенситное превращение состоит в закономерной перестройке решетки, при которой атомы не обмениваются местами, а лишь смещаются на расстояния, не превышающее межатомные. При этом перестройка решетки происходит по тем кристаллографическим плоскостям исходной модификации, которая по строению одинаковая, а по параметрам близки к определенным плоскостям кристаллической решетки образующей фазы, т.е. выполняется принцип структурного и размерного соответствия. Для мартенситного превращения характерно, что растущие кристаллы мартенсита когерентно связаны с кристаллами исходной фазы. Два кристалла считаются когерентными, если они соприкасаются по такой поверхности раздела, которая является общей для их кристаллических решеток. При нарушении когерентности решеток интенсивный упорядоченный переход атомов из аустенита в мартенсит становится невозможным, и рост кристалла мартенсита прекращается. Мартенсит имеет тетрагональную пространственную решетку. Чем больше углерода было в аустените, тем большее число элементарных ячеек мартенсита будет содержать атом углерода и тем большими окажутся средние искажения пространственной решетки.

Свойства мартенсита сталей зависят от растворенного в нем углерода.

Мартенсит имеет очень высокую твердость равную или превышающую HRC 60, при содержании углерода большем 0,4%.

После мартенситного превращения в стали сохраняется небольшое количество остаточного аустенита(1 – 3%). Затрудненность распада последних порций аустенита связывают с появлением значительных сжимающих напряжений, возникающих вследствие увеличения объема при переходе ГЦК решетки в ОЦК решетку.

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

До t =80C не происходит никаких структурных изменений. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200C 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 C (300 C) и состоит из следующих этапов:

  1. превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

  2. распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15...0,2% , начинается преобразование -карбида в Fe3C –цементит и его обособление, разрыв когерентности;

  3. снижение остаточных напряжений:

  4. некоторое увеличение объема, связанное с переходом АостМотп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300...400C. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется ферритокарбидная смесь, существенно снижается остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400C активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

В стали 40XH после полной закалки в воде и высокого отпуска при 600C образуется структура сорбита отпуска.

Способы возможного повышения конструкционной прочности шестерни, изготовленной из данной стали:

  1. Повышение чистоты стали. Повышение чистоты связано с удалением вредных примесей- серы, фосфора, газообразных компонентов- кислорода, водорода, азота. Неметаллические включения, серу и газообразные включения удаляют из металла в процессе переплава. В промышленности применяют несколько переплава: вакуумно-дуговой, электронно-лучевой, электрошлаковый и другие. При равной прочности более чистый металл обладает более высоким сопротивлением вязкому разрушению и более низким порогом хладоломкости.

  2. Технологические методы поверхностного упрочнения: поверхностная закалка, химико-термическая обработка (азотирование, цементация), поверхностым пластическим деформированием (обдувка, обкатка роликами). Перечисленные выше методы повышают циклическую прочность и износостойкость детали.

  3. Конструкционные методы, предусматривающие обеспечение равнопрочности высоконапряженных деталей. При их проектировании избегают резких перепадов жесткости, глубоких канавок и других конструкционных надрезов.









Случайные файлы

Файл
102754.rtf
152982.rtf
95247.rtf
16916-1.rtf
113132.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.