Домашнее задание (вариант П-6) / ДЗ П-6.doc

Московский Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана

Домашнее задание по Материаловедению

Вариант П-6

Группа РК 4-42

Студент: Святенко Д.С.

Преподаватель: Гресс М.А.

2005 год

Задание № П-6

Для изготовления крупных пружин особо ответственного назначения, работающих в условиях динамических и знакопеременных нагрузок применяют легированные стали 65C2ВА, 60С2ХФА, 60С2Н2А и др.

Отчет

Стали и сплавы с высокими упругими свойствами находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их исполь­зуют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различ­ного назначения

Пружины, рессоры машин и упругие элементы приборов характери­зуются многообразием форм, размеров, различными условиями работы. Особенность их работы состоит в том, что при больших статических, ци­клических или ударных нагрузках в них не допускается остаточная дефор­мация.. Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рес­сорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, вы­носливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетво­ряют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 - 0,7%), которые подвергают закалке и отпуску при 420 - 520 °С.

Режим термообработки стали.

В соответствии с заданием необходимо выбрать режим термообработки стали. Сталь 60С2ХА содержит 0,6% C и является конструкционной доэвтектоидной сталью. Наиболее оптимальным режимом термообработки является закалка и средний отпуск.

По Данным ГОСТ 14959-79 для стали 60С2ХА составляет 830 °С (AC3 =780 °С) в качестве охлаждающей среды выбираем масло. Отпуск производим при температуре 420°С (средний отпуск), выше температуры необратимой отпускной хрупкости, охлаждающая среда - вода. Получаемая структура троостита отпуска обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при HRC = 35…45, при этом σ0,2/σв > 0,85.

Структурные превращения при термической обработке

Сталь 60С2ХА - сталь перлитного класса. Критические точки стали AC1 = 765 ± 10°С

AC3 = 780 ± 10°С Сталь подвергают полной закалке при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем Vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2ХА при нагреве исходной равновесной структуры Ф+Ц .На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры АС1 (765 °С для стали 60С2ХА). 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 Feα →Feγ и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

П(Ф+Ц) →Ф+Ц+А→А+Ц→А(неоднородный) →А(гомогенный) .

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.

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 дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры при закалке в масло

При непрерывном охлаждении в стали с Vохл > Vкр 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). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк .В результате закалки стали 60С2ХА ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

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

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

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (420°С)

Нагрев закаленной стали до температуры AC1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2ХА после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80 °С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200°С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом α раствора и когерентных с ним частиц ε - карбида. В результате этого существенно уменьшаются степень тетрагональности мартенсита ( часть углерода выделяется в виде метастабильного ε карбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260 °С (300 °С) и состоит из следующих этапов:

Третье превращение развивается в интервале 300…400°С.При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется Феррито - карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 °С активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито - цементитной смеси.

В стали 60С2ХА после полной закалки в масле и среднего отпуска образуется структура троостита отпуска.

Основные сведения о стали 60С2ХА.

ГОСТ 14959-79.Рессорно-пружинные стали.

Зарубежные аналоги: 1,7108 (DIN 17221, Германия), 9262  (AISI, США).

Влияние легирующих элементов: Кремний и марганец сильно упрочняют феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки. Влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется в уменьшении критической скорости охлаждения и повышении прокаливаемости. Карбидообразующие элементы -хром и ванадий - предупреждают обезуглероживание пружин при нагреве под закалку

Применение: рессоры, пружины, торсионные валы, пневматические зубила.

Прокаливаемость достигает 18 мм.

Механические свойства при t = 20°С

Обозначения:σв -предел временной прочности

σт - предел текучести

δ5 - относительное удлинение при разрыве

ψ - относительное сужение при разрыве

Е - модуль упругости первого рода.

HB - Твердость по Бриннелю.

.

Список литературы.

5

t

τ

830 °С

Закалка

AC3 =780 °С

420°С,1час

Средний отпуск

Ф+Ц

М н

масло

вода

АС1=765 °C

А→М