49023

Режим термической обработки пружин из стали 65Г

Курсовая

Производство и промышленные технологии

Основной целью курсовой работы по технологии конструкционных материалов является освоение принципов выбора конструкционных материалов для деталей машин, инструмента, основываясь на знании состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных форм.

Русский

2014-01-07

267.5 KB

238 чел.

Содержание.

Задание                                                                                      2   

Введение                                                                                    3

Цель курсовой работы

Тематика курсовой работы 

Разработка технологического процесса термической обработки стали                                                                     4

Описание структурных превращений при термической обработке                                                                                 6

Превращение в закаленной стали при среднем отпуске (4500С)                                                                                      9

Влияние легирующих элементов                                       11

Список используемой литературы                                   12

Задание.

Назначить режим термической обработки пружин из стали 65Г.

Опишите микроструктуру стали до и после термической обработки.

Введение.

Цель курсовой работы.

Основной целью курсовой работы по технологии конструкционных материалов является освоение принципов выбора конструкционных материалов для деталей машин, инструмента, основываясь на знании состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных форм.

Тематика курсовой работы.

Прогресс в современной машинной технике связан с созданием u 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.

                                                                                                              

Разработка технологического процесса термической обработки стали.

Для изготовления упругих элементов общего назначения, применяются легированные рессорно-пружинные стали.

Особенность работы деталей типа упругих элементов состоит в том, что в них используются в основном упругие свойства стали и не допускаются при нагрузке (статической, динамической, ударной) возникновение пластической деформации. В связи с этим стали должны иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и в сопротивлении хрупкому разрушению. Важные характеристики сталей данного типа - релаксационная стойкость и прокаливаемость.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, т. е. хорошую закаливаемость и сквозную прокаливаемость  (структуру мартенсита по всему сечению детали после закалки).

Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна в стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода 0,5...0,7%, которые для улучшения свойств (прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легируют кремнием (1,5...2,8%), марганцем (0,6... 1,2 %), хромом (0,2...1,2%), ванадием (0,1...0,25%), вольфрамом (0,8...1,2%), никелем (1,4...1,7).

Эксплуатационные свойства стали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350...5200С) на тростит отпуска (рис.1а). Применение находит также изотермическая закалка на нижний бейнит (рис.1б).

В соответствии с заданием необходимо подобрать режим термической обработки стали 65Г. Сталь обладает стойкостью к росту зерна. Имеет высокие механические свойства.

Примем первый вариант термической обработки (рис. 1а): закалку и средний отпуск. По данным ГОСТа 14959-79 температура закалки для 65Г составляет 840-8600С (АС3 = 7880С). В качестве охлаждающей среды применяем масло. Последующий отпуск проводим при температуре 420-4500С (выше температуры необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура тростита отпуска (мелкозернистая ферритоцементитная смесь) обеспечит высокое сопротивление малой пластической деформации при достаточных значениях пластичности и вязкости (рис.2а, б) с НRC = 40...50.

Указанный режим термической обработки (рис.3) обеспечивает получение следующих свойств (минимальных):

s 0,2 > 1270МПа; s в > 1470МПа; d > 12%; y > 42%;

НВ » 3900 - 4800 МПа (отпуск 4500 ).

Описание структурных превращений при термической обработке.

Сталь 65Г - сталь перлитного класса. Кремний несколько повышает точку А3 и снижает А4. Критические точки стали АС1 - 7520С , АС3 – 7880С.

Учитывая содержание углерода, сталь по структуре отжига относится к доэвтектоидным сталям, однако кремний сдвигает точку S диаграммы Fe -Fe3C до 0,7 % С, т. е. сталь становится почти эвтектоидной.

Поэтому необходимо проведение полной закалки (температура А3 - 30-500С, т.е. » 840-8600С). При полной закалке сталь нагревают до однофазной мелкозернистой аустенитной структуры (рис.4).

 

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей чем V кр  (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит) обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита (рис.5).

        

VК - наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 65Г при нагреве с исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры АС1 (до 7520С для стали 65Г). 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:

  1.  полиморфный переход Fea ® Fe g ;
    1.  растворение  аустенита в цементите.

Представим общую схему превращения

П (Ф +Ц) ½ А1 ® (Ф + Ц + А)1 ® (А + Ц)2 ® ( А неоднородный )3 ®  (А гомогенный)4    

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.

Из рис.6 видно, что фазовая кристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом чем дисперснее структура перлита (Ф +Ц) и чем выше скорость нагрева стали, тем больше центров зарождения аустенита, а, следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшение чувствительности к концентраторам напряжений.

Рассмотрим изменение структуры в стали при закалке в масле. При непрерывном охлаждении стали со скоростью большей чем критическая скорость (рис.5) аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000-7000м/с) в интервале температур Мн...Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением % С точки Мн и Мк понижаются, в то время как введение кремния их повышает.

Из рис.7 видно, что температура Мн и Мк определяются в основном химическим составом стали.

В результате закалки стали 65Г структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

Возможность мартенситного превращения в стали объясняется наличием принципа структурного и размерного соответствия между аустенитом - плоскость (111) и мартенситом - плоскость (110), т.е. g ® a переход носит бездиффузионный характер. Превращение аустенита в мартенсит происходит путем кооперативного направленного сдвига только атомов железа на расстояние меньше межатомных. Полученный мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в a - железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим внутренним напряжениям, повышению твердости, прочности (фазовому наклепу), однако при этом возрастает склонность стали к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращение в закаленной стали при среднем отпуске (4500С).

Нагрев закаленной стали до температуры АС1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение в стали необходимые эксплуатационных свойств. Структура стали 65Г после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

При отпуске будет проходить одновременно несколько процессов:

1. Распад перенасыщенного твердого раствора мартенсита, при котором углерод выделяется в виде карбидов ( e - карбид, Fe3C ).

2. Распад остаточного аустенита, который превращается в мартенсит отпуска.

3. Выделение карбидной фазы Fe3C и ее последующая коагуляция.

4. Уменьшение плотности дефектов кристаллического строения.

5. Снимаются внутренние напряжения .

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры:

До 800С диффузионная подвижность атомов мала и распад аустенита идет медленно.

Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...2000С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом a - раствора и когерентных с ними частиц e - карбида. В результате этого существенно меняется тетрагональность мартенсита ( часть углерода выделяется в виде метастабильного e - карбида ), удельный объем, снижаются внутренние напряжения (рис.8).

                          

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200...2600С (3000С) и состоит: 1) в превращении остаточного аустенита в отпущенный мартенсит; 2) в дальнейшем распаде отпущенного мартенсита: уменьшается степень его перенасыщенности до 0,15...0,2% С, начинается преобразование e - карбида в цементит и его обособление, разрыв когерентности; 3) в снятии внутренних напряжений; 4) в связи с переходом остаточного аустенита в отпущенный мартенсит имеет место некоторое увеличение объема.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300...4000С. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется карбидоферритная смесь, существенно снимаются внутренние напряжения; повышение температуры отпуска выше 4000С активизирует процесс коагуляции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности ферритоцементитной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 2500С) называют отпущенным мартенситом. Структуру стали после среднего отпуска 350...5000С называют троститом отпуска. Структуру стали после высокого отпуска 500...6000С называют сорбитом отпуска.

В стали 65Г после полной закалки в масле и среднего отпуска при 4500С образуется структура тростита.

                                Влияние легирующих элементов.

                                Химический состав стали 65Г

C

Si

Mn

Ni

S

P

0.62 - 0.70

0.17 - 0.37

0.90 - 1.20

до   0.3-04

до   0.03-0,04

до   0.03-0,04

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 (s в; s 0,2; s -1), увеличивают сопротивление коррозии, снижают вязкость. Такое влияние кремния на свойство связано с его воздействием на матричную фазу (a - раствор) и карбиды, а именно, 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 s в, d , прокаливаемость, склонность к отпускной хрупкости, снижает V кр , способствует графитообразованию.

Список используемой литературы.

1.Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П., “Материаловедение”, 492 стр., “Машиностроение”, 1980 г.

2.Гуляев А. П., “Металловедение”, 646 стр., “Металлургия”, 1977 г.

3.Рахштадт А. Г., Брострем В. А., “Справочник металлиста”, том 2, 717 стр., “Машиностроение”, 1976 г.