Домашнее задание по материаловедению Вариант № д-8. Отпуск после закалки стали 40х

04 семестр / Домашние задания / Готовые ДЗ варианты Остальные / Остальные / 40Х

МГТУ им. Н. Э. Баумана

Кафедра МТ8

Домашнее задание

по курсу материаловедения

Студент: Клёнкин А. В.

Группа: М2-51

Преподаватель: Силаева В. И.

Москва, 2000г.

Для изготовления шестерней, валов, осей применяется улучшаемая хромистая сталь, легированная бором.

1. Подберите легированную сталь для изготовления оси диаметром 20мм.

Укажите оптимальный режим термической обработки, обеспечивающей получение твердости 265HB, постройте график термической обработки в координатах “температура - время”.

2. Опишите все структурные превращения, происходящие при процессе улучшения стали.

3. Приведите основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, свойства, влияние легирующих элементов на прокаливаемость достоинства, недостатки и т.д.

Отчет

Для изготовления шестерней, осей, валов применяют улучшаемую хромистую сталь, легированную бором.

Особенности работы деталей типа оси состоят в том, что в них используют прочность и сопротивление усталости стали. В связи с этим стали должны иметь большой запас прочности и высокий предел выносливости. Детали этого типа работают при статических нагрузках.

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.

К группе легированных конструкционных сталей относятся среднеуглеродистые стали с содержанием углерода 0,3...0,5% , которые для улучшения свойств (прокаливаемость, мелкозернистая структура, предел выносливости) дополнительно легируют хромом

( до 2%), никелем (от 1 до 5%), марганцем (до 1,5%), кремнием (до 2%), молибденом и вольфрамом (0,2-0,4 Mo и 0,8-1,2 W), ванадием и титаном (до 0,3% V и 0,1% Ti), а так же микро легируют бором

(0,002-0,005%).

Среднеуглеродистые стали приобретают высокие механические свойства после термического улучшения – закалки и высокого отпуска (500-650град) на структуру сорбита.

В соответствии с заданием необходимо подобрать легированную сталь. Выбираем сталь 40Х, так как она относится к широко используемым дешевым конструкционным материалам. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, устранение которой требует быстрого охлаждения от температуры высокого отпуска. Эта сталь прокаливается на глубину 15-25 мм и применяется для деталей небольшого сечения.

Примем первый вариант термической обработки: закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали 40Х составляет 850 С (Ас3 – 815 С). В качестве охлаждающей среды выбираем воду. Последующий отпуск назначаем при температуре 600 С

(выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости).

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

0.2 > 720 Мпа;  > 14 %

в > 860 Мпа;  > 60 %

HB 265 после отпуска при 600С.

Сталь 40Х – 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 (743 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) Ас1Ф+Ц+АА+ЦАнеоднородн.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 =80C не происходит никаких структурных изменений. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200C 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:

превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;
распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15...0,2% , начинается преобразование -карбида в Fe3C –цементит и его обособление, разрыв когерентности;
снижение остаточных напряжений:
некоторое увеличение объема, связанное с переходом АостМотп.

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

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

Сталь 40Х. Основные данные. ГОСТ 4543 – 71.

Химический состав: С – 0,36...0,44 %; Ni – не более 0,3%;

Si – 0,17...0,37 %; Cu – не более 0,3%;

Мn – 0,50...0,80 %; S – не более 0,035%

Сr – 0,80...1,10 %; P – не более 0,035%

Назначение – оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, зубчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Прокаливаемость 18 – 25 мм.

Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на свойства феррита, дисперсность карбидной фазы, устойчивость мартенсита при отпуске, прокаливаемость, размер зерна.

Легирующие элементы, растворяясь в феррите, упрочняют его. Наиболее сильно повышают твердость медленно охлажденного (нормализованного) феррита кремний, марганец, никель, т.е. элементы, имеющие отличную от Fe кристаллическую решетку. Слабее влияют молибден вольфрам и хром, изоморфные Fe. Упрочняя феррит и мало влияя на пластичность, большинство легирующих элементов снижают его ударную вязкость, особенно если их концентрация выше 1%. Исключение составляет никель, который не снижает вязкости. Марганец и хром при содержании до 1% повышают ударную вязкость; при большей концентрации она снижается, достигая уровня нелегированного феррита, примерно при 3% Cr и 1,5% Mn.

Вид поставки – сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 4543 –71,

ГОСТ 2590 – 71, ГОСТ 2591 – 71, ГОСТ 2879 – 69, ГОСТ 10702 – 78.

Калиброванный пруток ГОСТ 7417 – 75, ГОСТ 8559 – 75, ГОСТ 8560–78,

ГОСТ 1051 – 73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955 – 77.

Лист толстый ГОСТ 1577- 81, ГОСТ 19903 – 74. Полоса ГОСТ 103 – 76,

ГОСТ 1577 – 81, ГОСТ 82 – 70. Поковки ГОСТ 8479 – 70. Трубы

ГОСТ 8731-87, ГОСТ 8733 – 87, ГОСТ 13663 – 68.

Литература:

Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

2. Марочник сталей и сплавов, под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г. 640с.

studfiles.net

Домашнее задание по материаловедению Вариант № д-8

Московский Государственный Технический Университет

им. Н. Э. Баумана

Факультет: Специальное машиностроение

Кафедра: М-2

Студент

Щепетьев Д.Г.

ГруппаA М2-51

Подпись __________

Преподаватель

Силаева В. И.

Подпись __________

2006 Г.

Оптимальный режим термообработки 40Х на твердость HВ 315-330:

Сталь 40Х - доэвтектоидная сталь. Для данной стали оптимальным режимом термической обработки является закалка при 860С. Закаливание производят в масло, с последующим отпуском при 500С.

Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей,называют улучшением.

Сталь 40Х относится к сталям мартенситного класса.

1) Закалка – термическая обработка, в результате которой в сплаве образуется неравновесная структура. Конструкционные и инструментальные стали закаливают для упрочнения.

Задача закалки — получение структуры мартенсита с максимальным процентным содержанием углерода.

Рассмотрим закалку 40Х.

Критические температуры для 40Х:

Ас3 = 815С

Ас1 = 743С

А+Ц 860 оС А

Ас3 (815 оС)

Ас1 (743 оС)

масло

500 оС

Мн

вода

Высокий

отпуск

Ф+П Тотп

При нагреве до температуры 743С структура сплава остается постоянной – перлит. Как только пройдена точка Ас1 на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает Ас3 , то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 815С мы получили однофазную структуру - аустенит, при этом при повышении температуры после 815С зерно растет.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую. Такое охлаждение наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (вода или масло), имеющую температуру 20-25С. В результате такой обработки получается мартенсит. Сталь должна иметь структуру мартенсита по всему сечению детали после закалки, т.е. иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью.

studfiles.net

Домашнее задание по материаловедению Вариант № д-8

Московский Государственный Технический Университет

им. Н. Э. Баумана

Факультет: Специальное машиностроение

Кафедра: М-2

Студент

Щепетьев Д.Г.

ГруппаA М2-51

Подпись __________

Преподаватель

Силаева В. И.

Подпись __________

2006 Г.

Оптимальный режим термообработки 40Х на твердость HВ 315-330:

Сталь 40Х относится к сталям мартенситного класса.

Задача закалки — получение структуры мартенсита с максимальным процентным содержанием углерода.

Рассмотрим закалку 40Х.

Критические температуры для 40Х:

Ас3 = 815С

Ас1 = 743С

А+Ц 860 оС А

Ас3 (815 оС)

Ас1 (743 оС)

масло

500 оС

Мн

вода

Высокий

отпуск

Ф+П Тотп

studfiles.net