ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Конструкционные стали предназначены для изготовления деталей машин и металлических конструкций. Такие стали должны обладать достаточно высокими механическими свойствами, чтобы выдерживать приложенные нагрузки.
К стандартным механическим свойствам относятся: предел прочности (σв), предел текучести (σт или (σ0,2), пластичность (δ,ψ), твердость (НВ, HRC и др.), ударная вязкость (аn или KCU) и др.
Механические свойства стали зависят от ее химического состава, режима термической обработки, размеров детали.
Обычно детали машин и конструкций изготавливают из сталей в нормализованном или улучшенном состояниях. Меняя способы термической обработки, мы получаем различные микроструктуры одной и той же стали, а значит, и различные механические свойства.
В равновесном (отожженном) состоянии конструкционные стали имеют феррито-перлитную структуру. Но благодаря более быстрому охлаждению (на воздухе), чем при отжиге (охлаждение вместе с печью) нормализованные стали имеют меньшее количество структурно свободного феррита и более тонкое строение пластинчатого перлита. Поэтому нормализованная сталь обладает большей прочностью и пластичностью, чем отожженная.
После закалки и высокого отпуска улучшенная структура стали представляет собой ферритные зерна, в которые вкраплены мелкие округлые зернышки цементита. Такая структура называется сорбит отпуска. Сталь со структурой сорбит отпуска имеет лучшее сочетание механических свойств, чем сталь с феррито-перлитной структурой. Если даже сталь имеет одинаковую прочность и твердость после этих обработок, то предел текучести, пластичность и ударная вязкость будут выше после закалки и отпуска. Особенно заметна эта разница при понижении температуры испытания.
Если после закалки производят средний отпуск, то получается структура стали - троостит отпуска, отличающаяся от сорбита отпуска более мелкими включениями цементита в феррите. При этом прочность и твердость стали выше.
Чтобы получить в стали структуру сорбит отпуска или троостит отпуска, необходимо вначале, после закалки, получить мартенситную структуру (пересыщенный твердый раствор углерода в α -Fe).
При закалке деталей учитывают технологическое свойство стали - прокаливаемость, т.е. глубину закалки. Принято считать, что деталь прокаливается насквозь, если в ее сердцевине будет не менее 50% мартенсита (полумартенситная структура). Диаметр такой детали называют критическим ( DKP ).
При закалке в воде DKp больше, чем при закалке в минеральном масле, т.к. в воде скорость охлаждения больше. Но самое большое влияние на про- каливаемость оказывает легирование. Это связано с тем, что легирующие элементы, растворенные в железе, уменьшают диффузионную подвижность атомов углерода, следовательно, повышают устойчивость переохлажденного аустенита. Углеродистые стали прокаливаются насквозь обычно в диаметрах (или толщинах) до 15...25 мм при закалке в воде. Легированные стали могут прокаливаться насквозь в диаметрах до 50...100 мм и более (в зависимости от химического состава) при закалке в минеральном масле.
ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
После ознакомления с материалом раздела 1 каждый студент выполняет индивидуальное задание по указанию преподавателя (табл.1).
При выполнении работы необходимо учитывать, что;
1. при одинаковой прочности и твердости нескольких марок сталей после окончательной термической обработки лучше выбрать сталь с меньшим содержанием углерода и менее легированную. Это повышает работоспособность деталей и конструкций;
2. после закалки твердость стали должна быть на 5...10 единиц HRC больше, чем твердость стали в готовой детали (после отпуска);
3. легированные стали лучше закаливать в масле, чтобы избежать закалочных трещин. В воде допустимо закаливать детали простой формы из низколегированных сталей для увеличения прокаливаемости.
Последовательность выполнения работы:
а) исходя из задания определить твердость в готовой детали после закалки и отпуска (табл.2);
б) установить твердость детали после закалки (до отпуска), используя вышеприведенную рекомендацию;
в) из таблицы 3 выписать марки стали, подходящие одновременно по твердости после закалки (с 50% или 90% мартенсита) и критическому диаметру DKp (при таком же содержании мартенсита). Чем меньше разница этих диаметров, тем лучше;
т) выбрать одну марку стали для вала в соответствии с вышеприведенной рекомендацией. Расшифровать выбранную марку стали (указать примерное содержание указанных элементов);
д) назначить температуру нагрева стали для закалки, учитывая положение критической точки Асз (табл.3);
е) используя зависимость твердости закаленной стали от температуры отпуска (рис.1), выбрать температуру отпуска, чтобы получить требуемую твердость (в соответствии с пунктом «а»). При этом нужно обращать внимание на содержание углерода в стали, чтобы воспользоваться соответствующей кривой на рис.1;
ж) начертить график термической обработки (закалки и отпуска) детали в координатах температура-время. Общая продолжительность нагрева (в минутах) и выдержки детали при помещении ее в нагретую печь равна диаметру детали, выраженной в мм, для углеродистой стали и 1,5D - для легированной стали. При отпуске это время увеличивается на 30 минут;
з) нарисовать схематично и описать окончательную микроструктуру стали.
ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ЗАДАНИЕ
Выбрать марку стали для изготовления вала диаметром D и назначить режим термической обработки для получения механических свойств, указанных в табл. 1.
Таблица 1
Варианты индивидуального задания
№ зада- ния | Диаметр вала, D, мм | Механические свойства в центре детали | |
σ0,2, МПа | аn (KCU),мДж/м2 | ||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,5 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1.2 | |||
1,6 | |||
0,6 | |||
1,0 | |||
1,2 | |||
1,6 |
Таблица 2
Механические свойства стали (по А.П. Гуляеву) после закалки и отпуска (не менее) |
Предел прочности σв, МПа | Предел текучести σ0,2,МПа | Ударная вязкость аn (KCU),МДж/м2 | HRC |
0,6...0,7 | |||
0,7...0,9 | |||
1,2...1,4 | |||
1,4.. Л,7 | |||
1,8...2,2 |
Таблица 3
Марка стали | HRC | Критический диаметр DKp, мм | Температура Ас3,°С | ||||
50% | 90% | Закалка в воде | Закалка в масле | ||||
50% | 90% | 50% | 90% | ||||
42...45 | 48...52 | 18...33 | 12...23 | 5...12 | 3...6 | ||
50...52 | 57...59 | 26...48 | 12...33 | 8...24 | 3...12 | ||
40Х | 42...45 | 48...52 | 38...76 | 23...58 | 16...48 | 6...35 | |
50X | 45...48 | 52...56 | 52...90 | 38...75 | 27...58 | 16...46 | |
50Г | 47...58 | 53...56 | 23...33 | 12...25 | 6...12 | 3... 84 | |
20ХГР | 31.,.34 | 38...41 | 75...97 | 38...68 | 46...64 | 16...40 | |
20XH | 29...35 | 36...41 | 33...52 | 23...34 | 12...28 | 6...14 | |
40XH | 42...45 | 48...52 | 60...112 | 40...86 | 34...76 | 18...56 | |
40ХФА | 42...45 | 48...52 | 38...90 | 30...52 | 16...59 | 11...27 | |
38XC | 39...42 | 46...48 | 48...124 | 15..,100 | 33...88 | 4...66 | |
35ХРА | 40...43 | 46...50 | 76...95 | 58...68 | 48...63 | 25...40 | |
30ХГСА | 36....41 | 42...47 | 60...91 | 40...68 | 34...60 | 18...40 | |
30ХГТ | 35...39 | 41...46 | 35...75 | 12...47 | 14...16 | 4...24 | |
40ХНМА | 40.,.45 | 47...52 | >104 | 70...102 | >71 | 44...28 | |
40XH2MA | 42...45 | 47... 52 | >153 | >137 | >114 | >100 | |
40ХГР | 42...45 | 47...52 | 60...99 | 50...82 | 34...66 | 26...52 | |
40Г2 | 42...45 | 47...52 | 48...93 | 38...71 | 24...63 | 16...44 |
HRC |
T, °С |
Рис 1. Зависимость твердости конструкционных сталей от температуры отпуска |
0,6 %C |
0,35 %C |
0,2 %C |
Пример решения задачи
Выбрать марку стали для изготовления вала диаметром D=30 мм и назначить режим термической обработки для получения механических свойств:
σ0,2 ≥ 1000 МПа, ап > 0,6 МДж/м2.
Решение:
а) из табл. 2 видно, что после закалки и отпуска конструкционных сталей (при условии сквозной прокаливаемости) при заданном пределе текучести твёрдость должна быть не менее HRC 37, а ударная вязкость в пределах 0,7...0,9 МДж/м, что выше заданного значения, то есть удовлетворяет условию задачи;
б) исходя из рекомендаций устанавливаем твёрдость стали после закалки в пределах HRC 42-47;
в) критический диаметр стали DKp ≥ 30 мм. Исходя из этого и твёрдости закалённой стали HRC 42...47 находим в табл. 3 подходящие марки сталей;
40Х (закалка в воде, 50% мартенсита)
40ХН (закалка в масле, 50% мартенсита)
ЗОХГСА (закалка в воде, 90% мартенсита)
40ХНМА (закалка в масле, 90% мартенсита)
40ХГР (закалка в масле, 50% мартенсита)
40Г2 (закалка в воде, 90% мартенсита)
г) выбираем сталь марки 40Х, как наименее легированную. В стали содержится около 0,4%С и менее 1,5% хрома;
д) для стали 40Х критическая точка Асз =815°С (табл.3). Температура
нагрева стали для закалки Тзак = Асз + (30...50°С), то есть Тзак=845…865°С. Закалку производим в воде (пункт «в»);
е) после закалки твердость стали HRC 42...45 (табл.3). Готовая деталь (после отпуска) должна иметь твердость не менее HRC 37. Если твердость будет выше, то уменьшается ударная вязкость, то есть сталь окажется более хрупкой. Если твердость будет ниже, то снизится предел текучести стали. По средней кривой (рис.1) находим, что твердость HRC 37 в стали 40Х получится после отпуска при температуре около 400°С (средний отпуск);
ж) продолжительность нагрева и выдержки детали при помещении ее в нагретую до 845...865°С печь для закалки равна 1,5x30 =45 мин, а при отпуске это время составляет 1час 15 мин. Построить график термической обработки детали (рис.3);
з) окончательная микроструктура стали после среднего отпуска –
троостит отпуска. Схематично изобразить эту структуру так:
Рис.2.Схематичное изображение структуры стали после среднего отпуска |
феррит |
Цементит |
845…865 ° |
Охл. в воде |
Охл. на воздухе |
45 мин |
1час 15 мин |
τ |
T°с |
600 |
Рис.3. График термической обработки детали |
Литература
1. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1978. 192 с.
2. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин и др.: Под общ. ред. ВТ. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
3. Травин О.В., Травина Н.Т. Материаловедение: Учебник для вузов. М.: Металлургия, 1989. 384 с.
ВЫБОР КОНСТРУКЦИОННОЙ СТАЛИ И РЕЖИМОВ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
Методические указания к практическим заданиям по курсу «Электротехническое и конструкционное материаловедение»
Составила КАЛГАНОВА Светлана Геннадьевна