Технологический процесс термической обработки стали различного состава

 

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………..3

ХИМИЧЕСКИЙ  СОСТАВ…………………………………………………………4                                                                                                                   ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛИ……………………………………......5

-ОТЖИГ……………………………………………………………………….5

-ЗАКАЛКА…………………………………………………………………….5

-ОТПУСК…….………………………………………………………………..7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………10

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………..11

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ЗАДАНИЕ

 

Исследование  механических характеристик стали от ее структуры. На примере стали 50 покажите: как влияют отжиг, закалка и отпуск на структуру и свойства(прочность, твердость, пластичность, вязкость) стали

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в современной машинной технике связан с созданием и освоением новых, наиболее экономичных материалов, развитием и внедрением в производство методов упрочнения металлов, расширении сортамента выпускаемых материалов.

Совершенство производства, выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций, инструмента, специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства стали. В зависимости от назначения сталям предъявляют различные требования. Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью другие - пластичностью, высокой износостойкостью и усталостной прочностью. Получение тех или иных свойств определяется структурой. В свою очередь строение стали зависит от состава и характера предварительной обработки, следовательно, между всеми этими характеристиками существует определённые связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь), между строением и свойствами (третья связь).

Темой работы является разработка технологического процесса термической обработки стали различного состава применительно к условиям работы данной детали машин и инструмента. С помощью термической обработки можно придавать различные значения свойствам стали без изменения её химического состава.

Различные операции термической обработки характеризуются следующими элементами: скоростью нагрева, температурой максимального нагрева, продолжительностью выдержки при температуре нагрева, скоростью охлаждения. В свою очередь изменение значения свойств металлов при проведении термической обработки объясняется изменением внутреннего строения, которое испытывает сталь при её нагреве и охлаждении.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Химический  состав стали 50

Химический  элемент	%
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.25
Мышьяк (As), не более	0.08
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni), не более	0.25
Фосфор (P), не более	0.035
Хром (Cr), не более	0.25
Сера (S), не более	0.04

С

С

Сталь 50 является  конструкционной углеродистой качественной сталью. Кремний и марганец положительно влияют на структуру, механические и технологические свойства стали: снижают критическую скорость охлаждения увеличивают прокаливаемость, уменьшают скорость распада мартенсита, сильно упрочняют феррит, повышают прочность, твердость и прежде всего упругие свойства стали ( ), увеличивают сопротивление коррозии, снижают вязкость. Кремний способен создавать в твердом растворе направленные ионные связи, которые должны увеличивать напряжения трения в кристаллической решетке и тем самым повышать сопротивление движению дислокаций, особенно при малых пластических деформациях (упрочняющий эффект). Влияние никеля - повышает , прокаливаемость, склонность к отпускной хрупкости, снижает V кр , способствует графитообразованию. Хром обеспечивает большую прок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Термическая обработка стали

 

ЗАКАЛКА

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.1. Закалка и высокий отпуск стали

 

  Закалка заключается в нагреве стали на 30—50 °С выше для доэвтектоидных сталей или на 20—30 °С выше Ас₁ для заэвтектоидных сталей, выдержке для завершения фазовых превращений и последующем охлаждении со скоростью выше критической

При   непрерывном   охлаждении   в   стали   с    аустенит

превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (— 1000...7000 м/с) в интервале температур М_Н...М_К.

При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры  М_н и М_к понижаются (точки М_н и М_к изменяют свое положение на графике (рис. 2). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек М_н и М_к.

Полученный мартенсит  представляет собой пересыщенный твердый  раствор углерода в а-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 дополнительно последующего отпуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2 влияние концентрации углерода С на температуру начала М_н   и конца М_к   мартенситного превращения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3. Схема проведения полной закалки стали

 

Структурные превращения  при нагреве стали

Критические точки стали 50: Ас₁, = 725 °С, Ас₃ =760 °С. Сталь подвергают полной закалке (рис. 3), при этом её нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры (рис. 4).

Последующее охлаждение в масле  со скоростью, большей критической

(наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого аустенита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 50 при нагреве исходной равновесной структуры Ф+Ц. На практике при обычных скоростях нагрева

(электропечи) под закалку, перлит  сохраняет свое пластинчатое  или зернистое состояние до  температуры Ас₁, (725 °С для стали 50). 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  два процесса: полиморфный переход Fe_o—*Fe_T и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему  превращения:

П(Ф+Ц)    Ф + А    А + Ц     А_{(неоднородный)}       А_{(гомогенный)}

Образование зерен аустенита происходит со скоростью, большей чем растворение  цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре  закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

 

Рис.4. Схема структурных превращений стали при нагреве

 

ОТПУСК

 

Нагрев закаленной стали  до температуры Ас₁, (735 °С для стали 45) принято называть отпуском (рис. 1). Отпуску подвергают сплавы, закаленные на мартенсит. Несмотря на многочисленность исследований отпуска с широким привлечением рентгеноструктурного анализа, электронной микроскопии, измерений разнообразных физических свойств, до сих пор трактовки отдельных важных процессов, происходящих при отпуске сталей, спорны. Причины этого - многообразие параллельно идущих структурных изменений, высокая дисперсность выделений на ранних стадиях отпуска и трудность расшифровки структуры таких выделений.

Структурные изменения  при отпуске сталей

Структура закаленной стали  метастабильна. При нагреве после  закалки вследствие увеличивающейся  подвижности атомов создаются условия  для процессов, изменяющих структуру  стали в направлении к более  равновесному состоянию. Характер этих процессов определяется тремя важнейшими особенностями строения закаленной стали: сильной пересыщенностью твер

 

 

 

 

дого раствора - мартенсита, повышенной плотностью в нем дефектов кристаллической решетки - дислокаций, малоугловых и высоко-угловых границ,

 двойниковых прослоек и присутствием во многих сталях значительных количеств остаточного аустенита.

  Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при нагреве до 250 °С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь (0,6—1,3 % С) после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах 58—63 HRC, а, следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок.

Низкотемпературному отпуску  подвергают главным образом режущий  и мерительный инструмент из углеродистых и низколегированных сталей, а также детали, претерпевшие поверхностную закалку, цементацию.   Продолжительность отпуска составляет обычно 1—2,5 ч, а для изделий больших сечений и измерительных инструментов назначают более длительный отпуск.

 

 

Превращения в  закаленной стали при низком отпуске (250 °С)

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 а-раствора и когерентных с ним частиц Е-карбида. В результате этого существенно уменьшаются степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного Е-карбида), уменьшается его удельный объем, снижается остаточные напряжения.

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

1) превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15...0,2 %, начинается преобразование Е-карбида в FeC₃ -цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) снижение остаточных напряжений;

4) некоторое увеличение объема, связанное с переходом А_ост —> Мо™.

 Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300...400 °С.

При этом заканчивается  распад отпущенного мартенсита и  процесс карбидо-образования. Формируется  феррита о- карбидная смесь, существенно  снижа

 

 

 

 

 

ются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска при 400 °С активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

Структуру стали после  низкого отпуска (до 250 °С) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска 350.„500 °С -трооститом отпуска; после высокого отпуска 500.„600 °С - сорбитом отпуска.

В стали 45 после полной закалки в масле и высокого отпуска при температуре 600 °С образуется структура сорбита отпуска.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.5 Влияние температуры отпуска на механические свойства закаленной стали с 0.45%С

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

  Таким образом,  после заданной термической обработки:  закалки840 с последующим низким отпуском до 250 сталь будет обладать повышенной твердостью (порядка  500 HB), что для нашего случая является приемлемым.  Выбор данного метода термической обработки обусловлен тем, что низкий отпуск обеспечивает высокую износостойкость поверхностных слоев стали, при этом имеет место частичное снижение внутренних остаточных напряжений, повышение ударной вязкости, что уменьшает склонность стали к хрупкому разрушению.  Также не следует забывать о немаловажной роли легирующих элементов, которые присутствуют в стали.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева «Материаловедение, М.: Машиностроение, 1980.

2.А.П. Гуляев «Металловедение», М.: Металлургия, 1977.

3.Ю.А. Геллер «Справочник металлиста», том 2, М.: Машиностроение, 1976.

4 Материаловедение. Учебник для вузов / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапое и др. М.: Машиностроение, 1986.

5.Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вят-кин и др., М.: Машиностроение, 1989.

6. А.А. Зябрев, Г.Г. Мухин,  М.С. Павлов, Р.С. Фахуртдинов «Выбор материала и технологии термической обработки», учебное пособие по курсу материаловедения, изд-во МГТУ имени Н.Э. Баумана, 1999.