МГТУ им. Баумана материаловедение задание П-8. 1. Выбор термической обработки для обеспечения заданных механических характеристик у стали марки 60С2А
 Скачать 47.91 Kb.
|
|
Задание № П-8 Для изготовления рессор автомашин, пружин подвижного состава железнодорожного транспорта используют кремнистые, кремнемарганцевые, хромомарганцевые стали. Укажите и обоснуйте режим термической обработки пружин, изготовленных из стали марки 60С2А, для получения следующего комплекса свойств: σ0.2 ≥ 1400 МПа, δ ≥ 7 %. Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки. 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, достоинства и недостатки и др. Таблица 1. Исходные данные, не менее
1. Выбор термической обработки для обеспечения заданных механических характеристик у стали марки 60С2А Первостепенными для материала, используемого для создания упругих элементов машин, механическими свойствами являются модуль упругости (E), предел упругости с небольшим допуском на остаточную деформацию (σ0.2), предел выносливости при знакопеременных нагрузках (σ-1). Ударная вязкость, предел прочности являются немаловажными, но второстепенными величинами, поскольку упругие элементы машин испытывают именно циклические знакопеременные нагрузки и всегда конструктивно имеют определенный ход, обуславливаемый упругой деформацией материала, благодаря которому происходит гашение ударных и циклических нагрузок. Для обеспечения комплекса необходимых механических свойств можно провести термическую обработку выбранной стали, состоящую из закалки с последующим средним отпуском. Закалка Сталь марки 60С2А – доэвтектоидная легированная кремнием (до 2 %) высококачественная сталь. Оптимальным для нее будет проведение полной закалки, т.е. закалку с температуры А3 + 30-50 ºC. Очень важно обеспечить сквозную прокаливаемость изделия, поэтому поперечные размеры упругих элементов из этой стали не должны превосходить значения критического диаметра при закалке в выбранный охладитель. Критический диаметр – численная характеристика прокаливаемости стали в выбранном охладителе, он равен максимальному диаметру прутка из данной марки стали, который можно прокалить насквозь в данном охладителе. Критический диаметр стали марки 60С2А при закалке в воду и в масло приведен в табл. 1. Температуры критических точек для стали марки 60С2А приведены в табл. 2. Таблица 1. Критический диаметр стали марки 60С2А
Сталь 60С2А имеет сравнительно высокую прокаливаемость, поэтому большинство упругих элементов, изготовленных из этой стали, следует закалять в масло. В работе будет использован этот охладитель для закалки. Таблица 2. Температуры критических точек стали марки 60С2А, ºC
Температуру закалки стали 60С2А, согласно формуле закалочных температур для доэвтектоидных сталей (А3 + 30-50 ºC) назначаем 850 ºC. При проведении закалки необходимо дать выдержку изделия при закалочной температуре для гомогенизации химического состава по объему. Для легированных сталей время выдержки составляет примерно 10 минут. Закалка в масло. Средний отпуск: Средний отпуск обеспечивает комплекс механических свойств, необходимый для упругих элементов машин, это высокий модуль упругости и высокий предел упругости. Проведение среднего отпуска подразумевает выдержку изделия после его закалки при температурах 300-450 ºC в течение 1-1.5 ч. Проведение отпуска должно быть начато не позднее, чем через час после закалки, поскольку сразу после закалки внутренняя структура металла напряжена (явление закалочных напряжений), из-за чего высока вероятность коробления изделий. Средний отпуск практически полностью снимет закалочные напряжения, хотя и приведет к частичному разупрочнению после закалки, поэтому геометрические формы после проведения отпуска стабилизируются. Сталь не имеет склонности к отпускной хрупкости, охлаждение лучше проводить на воздухе, лучше – с печью. Зависимость механических свойств от температуры отпуска стали после ее сквозной закалки приведены в табл. 3. Таблица 3. Зависимость механических свойств от температуры отпуска Сталь 60С2А. Закалка 850 ºC, масло.
При температуре отпуска 400 ºC обеспечиваются необходимые нам свойства, поэтому назначим температуру отпуска 400 ºC. Р  ис. 2. График термической обработки стали марки 45. После проведения назначенной термической обработки (закалка и средний отпуск) удастся получить комплекс необходимых механических свойств (σ0.2 = 1470 МПа, δ = 7 %), что соответствует условию задания 2. Описание структурных превращений, происходящих в стали на всех стадиях термической обработки Первоначально на производство сталь поступает в отожженном состоянии, поскольку так она лучше поддается пластической деформации, благодаря чему ей можно придать необходимую форму. После механической обработки, когда детали придана необходимая форма, ее отправляют на термическую обработку. Закалка: Структура стали перед закалкой равновесная (перлитная), зерно может быть деформировано (например, после проката), если не проводилась нормализация. При нагреве до температуры А1 происходит превращение перлита в аустенит, при этом феррит в структуре присутствует: Ф + П[Ф + ЦII] Ф + А0.8 При достижении температуры А3 происходит полное растворение феррита в аустените, при этом структура стали будет полностью аустенитной. Для гомогенизации химического состава необходима выдержка – в это время происходит диффузия атомов углерода и кремния в кристаллической решетке ГЦК железа. По завершению времени выдержки (10 мин для легированных сталей) феррит полностью растворяется в аустените, химический состав выравнивается по объему. Реакция гомогенизации аустенита: Ф + А0.8 А0.6 Для осуществления мартенситного превращения необходимо обеспечить такую скорость охлаждения, которая будет выше скорости диффузионного превращения (критическая скорость). При такой скорости охлаждения ГЦК железо резко превращается в ОЦК железо, однако концентрация углерода при этом практически не меняется, поэтому в результате получается пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе – мартенсит закалочный. Мартенситное превращение сопровождается искажением кристаллической решетки ОЦК-железа, что порождает внутренние закалочные напряжения. Эти напряжения нежелательны, поскольку из-за них материал обладает высокой хрупкостью. На величину закалочных напряжений влияет в т.ч. и скорость закалки – чем она меньше, тем в меньшей степени выражены закалочные напряжения, поэтому по возможности (если сквозная прокаливаемость изделия при закалке обеспечивается) выбирают закалку в масло. Сталь легирована кремнием, поэтому ее прокаливаемость выше таковой у углеродистой стали аналогичного содержания углерода. Схема мартенситного превращения: А0.6 Мзак Средний отпуск: Средний отпуск проводится при температурах 300-450 ºC, время выдержки 1-1.5 ч. Температура достаточна для начала распада мартенсита на феррит и цементит, но недостаточна для протекания диффузии углерода во вновь образовавшейся структуре, поэтому в результате получается структура, фазовый состав которой схож с таковым у перлитной (равновесной) структурой, но очень сильно отличается размер зерна – 0.1-0.2 мкм у новой структуры против 0.5-0.7 мкм у перлитной структуры. Эта структура называется троостит отпуска, имеет очень мелкодисперсную структуру, форма зерен – пластинчатая. Склонности к отпускной хрупкости сталь не имеет, поэтому предпочтительно охлаждение после среднего отпуска на воздухе или с печью. Процесс распада мартенсита на троостит отпуска: Мзак Тотп[Ф + Ц] 3. Основные сведения о стали марки 60С2А Сталь марки 60С2А – среднеуглеродистая высококачественная легированная сталь. Ее химический состав приведен в табл. 4. Применяется при изготовлении тяжелонагруженных пружин, торсионных валов, пружинных колец, цанг, шайб Гровера и др. Таблица 4. Химический состав стали марки 60С2А, % (ГОСТ 14959-79)
Сталь высококачественная, следовательно содержание вредных примесей по ГОСТ 14959-79 в ней не превышает 0.025 % для серы и 0.025 % для фосфора, а также суммарное содержание серы и фосфора, согласно определению высококачественной стали, не превышает 0.05 % Технологические свойства Температура ковки: Начало: 1200 ºC Конца: 800 ºC Примечание: сечения до 250 мм охлаждаются на воздухе, 251-350 мм – в яме. Свариваемость: не применяется для сварных конструкций. Флокеночувствительность: малочувствительна Склонность к отпускной хрупкости: не склонна Литература Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989; Марочник сталей и сплавов /под ред. В.Г. Сорокина и др. - М.: Интермет Инжиниринг, 2003; Марочник сталей и сплавов /под ред. А.С. Зубченко и др. - М.: Машиностроение, 2001; Детали машин. Атлас конструкций. Учебное пособие для вузов /под ред. Д.Н. Решетова. Часть 1. М.: Машиностроение, 1992; Детали машин. Атлас конструкций. Учебное пособие для вузов /под ред. Д.Н. Решетова. Часть 2. М.: Машиностроение, 1992; Материаловедение: Учебник для вузов / под ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001; Справочник по конструкционным материалам / под ред. Б.Н. Арзамасова , Т.В. Соловьёвой.- М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005; Башмин Ю.А., Ушаков Б.К., Секей А.Г. Технология термической обработки (учебник для вузов), М.: Металлургия, 1986. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||