Курсовая работа по дисциплине Материаловедение
 Скачать 371.99 Kb.
|
3. Причины возникновения внутренних напряжений при закалке. Способы предохранение изделие от образования закалочных трещинВнутренние напряжения при закалке стали возникают вследствие неравномерного охлаждения поверхности и сердцевины изделия (эти напряжения называют тепловыми), увеличения объема и неоднородности протекания мартенситного превращения по объему изделия. Напряжения, вызываемые этим превращением, называют структурными, или фазовыми. Неодинаковое распределение температур по сечению изделия при быстром охлаждении сопровождается и неравномерным изменением объема. Поверхностные слои сжимаются быстрее, чем внутренние. Однако сжатию поверхностных слоев препятствуют внутренние слои. Это приводит к тому, что в поверхностных слоях образуются временные (т.е. исчезающие после снятия нагрузки) растягивающие, а во внутренних слоях - сжимающие напряжения. Рассмотрим теперь условия образования структурных напряжений при полной прокаливаемости. При этом тепловые напряжения условно учитываться не будут. По достижении при закалке температур ниже точки Мн мартенсит в первую очередь образуется на поверхности, где точка Мн будет достигнута раньше, чем в сердцевине. Так как превращение аустенит - мартенсит сопровождается увеличением объема, то это приводит к образованию на поверхности временных сжимающих напряжений, а во внутренних слоях - растягивающих напряжений. По мере развития превращения знак напряжений на поверхности и в сердцевине меняется. Структурные напряжения относительно тепловых изменяются в обратном порядке. В результате мартенситного превращения на поверхности образуются остаточные напряжения растяжения, а в сердцевине - напряжения сжатия. Эти остаточные напряжения, как и тепловые, возникают в результате появления под действием временных напряжений не только упругой, но и неодинаковой по сечению остаточной деформации. При закалке стали одновременно возникают как тепловые, так и структурные напряжения, которые суммируют. В данной схеме тепловые напряжения превышали структурные, поэтому на поверхности образовались напряжения сжатия. Однако в зависимости от соотношения между тепловыми и структурными напряжениями могут получиться различные эпюры суммарных напряжений, а в поверхностных слоях напряжения могут иметь разный знак и различную величину. Во многих случаях величина фазовых напряжений больше, чем величина тепловых. Остаточные напряжения, полученные после закалки, не характеризуют напряжения, возникающие при охлаждении (нагреве) стали. Остаточные напряжения всегда меньше\ временных напряжений, образующихся в процессе охлаждения. Если величина напряжений превышает сопротивление отрыву и металл мало пластичен, то напряжения не могут быть уменьшены пластической деформацией. Это вызывает образование трещин. Наиболее опасны при этом растягивающие напряжения на поверхности, которые способствуют образованию трещин и снижают предел выносливости стали. Растягивающие напряжения возникают в основном вследствие структурных напряжений, которые нужно стремиться уменьшить. Структурные напряжения тем больше, чем выше температура закалки и скорость охлаждения в интервале температур Мн и Мк. Для снижения структурных напряжений нужно замедлять скорость охлаждения ниже точки Мн и избегать перегрева стали. 4. Назначение режима термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска) резьбовых калибров из стали У10А. Описание сущности происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки. Сталь У10А-углеродистая высококачественная эвтектоидная сталь. Относится к группе инструментальных нетеплостойких сталей высокой твердости с небольшой прокаливаемостью. Химический состав по ГОСТ 1435-90: C1,0%; Mn0,2%; Si≤0,3%; Cr ≤0,25%. Поскольку сталь высококачественная, содержание серы в ней не превышает 0,018% и фосфора - 0,025% и она также имеет повышенную чистоту по неметаллическим включениям. Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента подвергают предваритель¬ной термической обработке — отжигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инстру¬мента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая сталь У10 до 740-7500С. В результате такого отжига пластины ЦII делятся (на этот процесс положительно влияет наличие субграниц и скоп¬лении дислокаций). Регулируя скорость охлаждения, можно полу¬чать глобули ЦII различного размера. Окончательная термическая обработка — закалка и отпуск. Структура закаленной стали - мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами. Для закалки стали У10А ее нагревают до температуры 760-7700С, выдерживают при этой температуре для завершения фазовых превращений, а затем резко охлаждают. Средой закалки назначим воду или водный раствор солей, поскольку углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки. В результате охлаждения со скоростью выше критической происходит превращение аустенита в неравновесную структуру – мартенсит, обладающую высокой твердостью и прочностью. Сталь с исходной структурой зернистого перлита при нагреве приобретает аустенитную структуру при сохранении некоторого количества цементита. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений. Но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем ох¬лаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь полу¬чает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Темпера¬туру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента. Стали для режущего инструмента должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатывае¬мого материала; высокую износостойкость, необходимую для со-хранения размеров и формы режущей кромки при резании; доста¬точную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью. Для напильников, метчиков, плашек и т. п. (стали У10—У13) проводят низкотемпературный отпуск при 150-200°С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC62-64). Низкотемперaтурный отпуск проводят при нагреве до 250 С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь У10 после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC62, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Продолжительность отпуска составляет обычно 1—2,5 ч. Основные недостатки углеродистых сталей — их небольшая прокаливаемость, примерно до 5—10 мм, и низкая теплостой¬кост |