котоваП-3. Задание п3

• Название: Задание п3
• Дата: 17.05.2018
• Размер: 91.5 Kb.
• Имя файла: котоваП-3.doc
• Тип: Отчет; #44025

Домашнее задание по курсу
«Материаловедение»
Вариант № П-3.

Выполнил: Котова К.С.

Группа: ИУ1-31

14.10.2017

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 σ_0,2 ≥ 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...520^оС) на троостит отпуска.

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

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств:

δ ≥ 5%, σ_0,2 ≥ 1500МПа.

Указанный температурный режим (рис.2) отпуска (420^оС) 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 (780^оС)



А₁ (765^оС)
масло 12-15 мин/мм сеч



М_н 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=78010^оС. 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 (765^оС 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 М_н...М_к. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры М_н и М_к понижаются (точки М_н и М_к изменяют свое положение на графике (рис.6). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек М_Н и М_к. 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 (470^оС).

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...500^оС 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 420^оС 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 60-80^оС и увеличивает критерий К_1с на 10-13 МПа*м^1/2. 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.

Литература
1. Лекции по курсу материаловедения.

2. Материаловедение: Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др.; Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина.

Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 648 с.

3. http://www.grezerv.ru/info/stal/60s2n2a.htm

4. 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.