ЗАДАНИЯ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

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 (σ_в), предел текучести (σ_т или (σ_0,2), пластичность (δ,ψ), твердость (НВ, HRC и др.), ударная вязкость (а_n 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 ( D_KP ).

При закалке в воде D_Kp 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 D_Kp (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 А_сз (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:

σ_0,2 ≥ 1000 МПа, а_п > 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 D_Kp ≥ 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 А_сз =815°С (табл.3). Температура

нагрева стали для закалки Т_зак = А_сз + (30...50°С), то есть Т_зак=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