Контрольная работа по "Материаловедение"

1. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска деталей машин из стали 40Х, которые должны иметь твердость 28... 35 HRC. Опишите сущность происходящих превращений при термической обработке, микроструктуру и свойства.

Характеристика материала 40Х

 

Марка	40Х
Заменитель	45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР
Классификация	Сталь конструкционная легированная
Применение	оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Химический состав в % материала 40Х

С	Si	Mn	Ni	S	Р	Сг	Си
0.36 - 0.44	0.17- 0.37	0.5- 0.8	до 0.3	до 0.035	до 0.035	0.8 - 1.1	до 0.3

Температура критических точек материала 40Х

Ac₁ = 743, Ac Ac₃(Ac_m) = 782 ,Ar₃(Arc_m) = 730, Ar₁ = 693

 

Механические свойства при Т=20°С материала 40Х

Сортамент	Размер	σв	σт	δ5	ψ	KCU	Термообр.
-	мм	МПа	МПа	%	%	кДж/ м2	-
Диск		570	320	17	35	400
Пруток	25 -55	980	785	10	45	590	Закалка 870° С, масло. Отпуск 550° С

 

 

Твердость материала 40Х после отжига     НВЮ 10^-1 = 217 МПа

Среднеуглеродистая сталь 40X. Применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях машиностроения (распределительных валков, шпинделей, фрикционных дисков, штоков, траверс, плунжеров и т. д.).

Эти стали в нормализованном состоянии по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности. Стали в отожженном состоянии достаточно хорошо обрабатываются резанием.

Наиболее легко обрабатываются доэвтектоидные стали со структурой пластинчатого перлита.

После улучшения сталь 40 X имеют следующие механические свойства Ударная вязкость 0.5 МДж\м². предел прочности при растяжении 700 МПа , HRC 28- 35.

Прокаливаемость сталей невелика. Критический диаметр после закалки в воде не превышает 10—12 мм (95 % мартенсита). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемое.

Для заданных условий применяем улучшение. Закалка в масле с температуры 870 - 900 гр. + высокий отпуск - нагрев до 550 гр. и охлаждение на воздухе .

Температуру закалки определяем по диаграмме состояния железо -цементит.

При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30— 50° выше точки Ас₃. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, а после охлаждения со скоростью больше критической образуется структура мартенсита.

Для стали 40Х температура нагрева составит примерно 870 - 900 гр.

При правильно выбранной температуре нагрева и достаточной скорости охлаждения (выше критической, при которой образуется только мартенсит) доэвтектоидная сталь после полной закалки имеет структуру

мелкоигольчатого мартенсита с равномерно расположенными по всему полю иглами, пересекающимися под углом примерно 60 и 120°.

Рис. 1 Микроструктура стали 40 X после закалки в воде: от 870°, мелкоигольчатый мартенсит.

Мартенсит — пересыщенный твердый раствор углерода в а- железе с тетрагональной кристаллической решеткой — является продуктом бездиффузионного превращения аустенита при охлаждении со скоростью выше критической. Он обладает очень высокой твердостью (НВ= 600—650), но сравнительно низкой вязкостью.

Рис. 2 Структура - сорбит отпуска .

Структура стали после высокого отпуска, сорбит отпуска, представляет собой феррито-цементитную смесь более грубого строения, чем троостит. При небольших увеличениях сорбит отпуска под микроскопом трудно отличить от мартенсита; при увеличениях больше 500^х сорбит отпуска имеет хорошо различимое зернистое строение.

Сорбит закалки — эвтектоид; продукт эвтектоидного распада аустенита в системе на основе Fe-Fe3C; разновидность перлита. Состоит из тонких чередующихся пластинок феррита и цементита (или других карбидов). Толщина пластинок такова, что они различаются в оптическом микроскопе только с апертурой объектива более ~0.5 (в отличие от более крупного перлита и более мелкого тростита). (Сорби - французский металловед).

Сорбит отпуска - результат отпуска закаленной стали, продукт распада мартенсита. Состоит из феррита и мелких, часто на пределе разрешения оптического микроскопа, частиц цементита сфероидальной формы. В легированных сталях роль цементита играют более сложные карбиды.

Тростит отпуска - результат отпуска закаленной стали, продукт распада мартенсита. Состоит из феррита и мелких, неразличимых в оптическом микроскопе, частиц цементита. В легированных сталях роль цементита играют более сложные карбиды.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Для изготовления разверток выбрана сталь ХВСГ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки. Опишите микроструктуру и свойства разверток после термической обработки.

 

 

Характеристика материала ХВСГ

 

Марка			ХВСГ
Классификация			Сталь инструментальная легированная
Применение			для изготовления инструментов, предназначенных для ручной работы; холодновысадочных матриц и пуассонов; технологической оснастки: деревообрабатывающих инструментов; ножей для бумажной промышленности
Химический состав в % материала ХВСГ
С	Si	Mn		Ni	S	Р	Cr	W	V	Си
0.95 - 1.05	0.65-1	0.6-09		До 0.25	До 0.03	До 0.03	0.6-1.1	0.5-0.8	0.05-0.15	До 0.3

Температура критических точек материала ХВСГ

 Ac₁=770 ,    Ac₃(Ac_m) = 875 ,     Ar₁ = 720 ,     Mn = 200

 

 

Твердость материала ХВСГ после отжига НВ10^-1 = 241  МПа

Термическая обработка :

Инструменты   после   предварительной   механической   обработки подвергаются предварительной закалке в масле с температуры около 1000°С

и отпуску при температуре 630—660° С. Затем следует окончательная механическая обработка, закалка с отпуском и шлифовка.

При закалке сначала ведется подогрев до 800— 850°С до полного прогрева деталей, затем окончательный нагрев до температуры закалки 1020—1030° С; выдержка при этой температуре 0,5—1 мин на каждый миллиметр толщины.

Мелкие инструменты охлаждаются на воздухе.

Отпуск ведется в течение 2 ч при температуре 450—550° С. Твердость после термической обработки HRC = 52—62. Структура мартенсит отпуска.

Структура данной стали состоит из мартенсита, нерастворившихся первичных карбидов и значительного количества (до 40%) остаточного аустенита. Мартенсит в стали металлографически выявить трудно, поэтому структура закаленной стали кажется состоящей только из аустенита и карбидов (рис1.)

Рис. 1 Микроструктура стали после закалки в масле.

Так как в структуре закаленной стали имеется большое количество сравнительно мягкой структурной составляющей — аустенита, то сталь после закалки подвергают отпуску . При отпуске из остаточного аустенита выделяются карбиды, от чего аустенит, обедняясь легирующими элементами, становится менее устойчивым и при последующем охлаждении превращается в мартенсит.

После закалки и отпуска микроструктура стали будет представлять собой мелкоигольчатый мартенсит и карбиды (рис. 2).

 

 

Рис. 2 Мелкоигольчатый мартенсит и карбиды

Из данных сталей изготавливают детали небольшого сечения, так как они обладают невысокой прокаливаемостью.

Для крупных деталей необходимо обеспечить высокую прокаливаемость и небольшие объемные изменения при закалке.

 

 

 

 

 

 

3. В котлостроении используется сталь 12X1МФ. Укажите состав и группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование и опишите структуру стали после термической обработки. Как влияет температура эксплуатации на механические свойства данной стали?

 

Характеристика материала 12X1 МФ
Марка	12Х1МФ
Классификация	Сталь жаропрочная низколегированная
Применение	для изготовления деталей, работающих при температуре 540-580 °С.

Химический состав в % материала 12Х1МФ

С	Si	Мn	Ni	S	Р	Сг	Мo	V	Cu
0.08- 0.15	0.17 - 0.37	0.4- 0.7	до 0.3	до 0.025	до - 0.03	0.9- 1.2	0.25- 0.35	0.15- 0.3	до 0.2

Температура критических точек материала 12Х1МФ

Ас₁ = 760 ,    Ac₃(Ac_m) = 890 ,     Ar₃(Arc_m) = 825 ,

Ar₁ = 730,     Mn = 430

 

Механические свойства при Т=20°С материала 12Х1МФ.

Сортамент	Напр.	σв	σт	δ5	ψ	KCU	Термообр.
-	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Пруток	Прод.	480	260	21	55	1000	Нормализация 960 - 980° С, отпуск 740-760° С,
Поковки	Прод.	480	260	20	50	600	Нормализация и высокий отпуск

 

 

Твердость материала 12Х1МФ нормализованного 

НВ 10^-1= 123 -179МПа

 

Твердость материала 12Х1МФ горячекатаного отожженного

НВ10¹=217 МПа

 

 

Заданная сталь относится к перлитным сталям.

Для изготовления деталей и узлов энергетических установок, работающих при температурах не выше 500— 580 °С, подверженных ползучести, но сравнительно мало нагруженных, используют низкоуглеродистые стали перлитного класса , содержащие 0,5—1,5 % Сг иО,25—035 % Мо и ванадий (0,15—0,3 %).

Эти элементы, повышая температуру рекристаллизации феррита и затрудняя диффузионные процессы, улучшают жаропрочность стали.

Структура низкоуглеродистых сталей после нормализации — легированный феррит и перлит или феррит и бейнит, а после закалки — мартенсит или мартенсит с бейнитом. При большей степени легирования ванадием возможно образование карбидов VC.

Перлитные стали чаще подвергают нормализации при 950—1050 °С и высокому отпуску при 600—750 °С. После такой обработки сталь имеет структуру тонкопластинчатого перлита (сорбита) и обладает более высокой, длительной жаропрочностью, чем после закалки и высокого отпуска, ко]да структура — зернистый сорбит.

При длительной работе (десятки тысяч часов) жаропрочность сталей может снизиться вследствие коагуляции карбидов и графитизации, и развиться так называемая «тепловая хрупкость» благодаря пограничным выделениям избыточных фаз.

Повышение температуры сильно влияет на все механические свойства; оно понижает пределы текучести и прочности и особенно склонность к упрочнению в процессе пластической деформации. При этом следует иметь в виду, что в условиях малой скорости нагружения разрушение происходит при более низких напряжениях, чем при обычных кратковременных статических испытаниях. Если при высокой температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести при этой температуре и оставить его под нагрузкой длительное время, то металл в течение всего времени действия температуры и нагрузки будет деформироваться с определенной скоростью. Это явление получило название ползучести или крипа. Развитие ползучести может в конечном счете привести к разрушению металла.

Сопротивление металла ползучести и разрушению в области высоких температур при длительном действии нагрузки называют жаропрочностью. Чаще жаропрочность характеризуется условным пределом ползучести и длительной прочности.

Под условным пределом ползучести понимают напряжение, которое вызывает за установленное время испытания при данной температуре заданное удлинение образца или данную скорость деформации (ползучести).