Контрольная работа по "Материаловедению". 18

Вариант 38.

Задача №23

Какие требования предъявляют к инструментальным легированным сталям? Каковы состав, структура, термическая обработка, свойства быстрорежущей стали?

Ответ.

По назначению инструментальные стали делятся на стали для режущего, штампового и измерительного инструментов. Кроме того, для изготовления режущего инструмента, особенно при скоростной обработке, широко применяют твердые сплавы.

Требования к сталям для режущего инструмента

Режущий инструмент работает в условиях длительного контакта и трения с обрабатываемым металлом. В процессе эксплуатации должны сохраняться неизменными конфигурации и свойства режущей кромки. Материал для изготовления режущего инструмента должен обладать высокой твердостью (ИКС ^ 60—62) и износостойкостью, т. е. способностью длительное время сохранять режущие свойства кромки в условиях трения.

Чем больше твердость обрабатываемых материалов, толще стружка и выше скорость резания, тем больше энергия, затрачиваемая на процесс обработки резанием. Механическая энергия переходит в тепловую. Выделяющееся тепло нагревает резец, деталь, стружку и частично рассеивается. Поэтому основным требованием, предъявляемым к инструментальным материалам, является высокая теплостойкость, т. е. способность сохранять твердость и режущие свойства при длительном нагреве в процессе работы. По теплостойкости различают три группы инструментальных сталей для режущего инструмента: нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие.

При нагреве до 200—300°С нетеплостойких сталей в процессе резания углерод выделяется из мартенсита закалки и начинается коагуляция карбидов цементитного типа. Это приводит к потере твердости и износостойкости режущего инструмента. К нетеплостойким относятся углеродистые и низколегированные стали. Полутеплостойкие стали, к которым относятся некоторые средне-легированные стали, например 9Х5ВФ, сохраняют твердость до температур 300—500 °С. Теплостойкие стали сохраняют твердость и износостойкость при нагреве до температур 600 °С.

Углеродистые и низколегированные стали имеют сравнительно низкую теплостойкость и невысокую прокаливаемость, поэтому их используют для более легких условий работы при малых скоростях резания. Быстрорежущие стали, имеющие более высокую теплостойкость и прокаливаемость, применяют для более тяжелых условий работы. Еще более высокие скорости резания допускают твердые сплавы и керамические материалы. Из существующих материалов наибольшей теплостойкостью обладает нитрид бора — эльбор. Эльбор позволяет обрабатывать материалы высокой твердости, например, закаленную сталь, при высоких скоростях.

Быстрорежущие стали

С увеличением скорости резания возрастают требования к теплостойкости стали. Этим требованиям в большей мере удовлетворяют быстрорежущие стали.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р (быстрый, скорый), цифры показывают среднее содержание вольфрама, являющегося основным легирующим элементом. Среднее содержание углерода и хрома во всех быстрорежущих сталях обычно составляет соответственно 1 и 4 %, поэтому эти элементы не указываются. Содержание остальных легирующих в целых процентах указывается как обычно в цифрах, следующих за их буквенным обозначением.

Быстрорежущая сталь после закалки и отпуска имеет структуру высоколегированного отпущенного мартенсита с карбидами. Она сохраняет первоначальную структуру практически неизмен­ной при нагреве до 600—620 °С. Резцы из быстрорежущей стали позволяют увеличить скорость резания в 8—10 раз по сравнению с инструментом из углеродистых сталей УЮ—У10А.

Химический состав некоторых быстрорежущих сталей приведен ниже (ГОСТ 19265—73).

Марка                                  Сг               XV                         V                          Мо

Р18           0,70—0,80        3,8—4,4        17,0—18,5      1,0—1,4           До 1,0

Р9           0,65—0,95        3,8—4,4         8,5—10,0        2,0—2,6              До 1,0

Р6М5           0,80—0,88        3,8—4,4          5,5—6,5                 1,7—2,1           5,0—5,5

Р6А13          0,85—0,95        3,0—3,5           5,5—6,5       2,0—2,5           3,0—3,6

Известно, что потери твердости при нагреве обусловлена в первую очередь, коагуляцией выделившихся карбидов. Коагуляция карбидов в углеродистой и легированной сталях при температурах более 300°С ведет к быстрой потере твердости. Теплостойкость быстрорежущих сталей обусловлена легированием их карбидообразующими элементами вольфрамом, ванадием и молибденом в количествах, достаточных для связывания почти всего углерода в специальные карбиды. Они коагулируют при температурах более 600°С.

При затвердевании литой быстрорежущей стали образуется эвтектика, напоминающая ледебурит и располагающаяся по границам зерен. После ковки или прокатки сетка эвтектики подвергается дроблению с измельчением входящих в нее карбидов и более равномерным их распределением в основной матрице.

После прокатки или ковки быстрорежущую сталь подвергают изотермическому отжигу для уменьшения твердости и облегчения механической обработки. Сталь выдерживают при 740°С до полного превращения аустенита в перлито-сорбитную структуру.

Высокую теплостойкость инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и многократного отпуска. При нагреве под закалку необходимо обеспечить максимальное растворение карбидов и получение высоколегированного аустенита. Такая структура увеличивает прокаливаемость и позволяет получить стали для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающихся деталей технологического оборудования.

Особо твердые инструментальные материалы созданы на основе нитрида бора и нитрида кремния. В них нет пластичной металлической связки. Изделия из этих материалов изготавливают либо с помощью взрыва, либо в условиях сверхвысоких статических давлений и высоких температур. Изделия из нитридов бора и кремния используют в качестве материала иденторов (наконечников) для измерения твердости тугоплавких материалов в интервале температур 700—1800 °С, как абразивный материал и в качестве сырья для изготовления сверхтвердых материалов, применяемых для оснащения режущей части инструментов для обработки закаленных сталей, твердых сплавов, стеклопластиков, цветных металлов. Они обладают высокой твердостью (НКА 94—96), прочностью, износостойкостью, теплопроводностью, высокой стабильностью физических свойств и структуры при повышении температуры до 1000 °С. Их преимуществом является доступность и дешевизна исходного продукта, благодаря чему они используются для замены вольфрамсодержащих твердых сплавов.

Для изготовления доводочных паст, шлифовальных кругов применяют абразивные материалы. Они представляют собой порошки, либо скрепленные связкой, либо нанесенные на гибкую основу — ткань или бумагу. Различают природные и искусственные абразивные материалы. К природным относятся алмазы, гранаты, корунд; к искусственным — искусственные алмазы, гексагональный нитрид бора (эльбор), карборунд.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №53

По диаграмме состояний «железо – цементит» опишите, какие структурные и фазовые превращения будут происходить при медленном охлаждении из жидкого состояния сплава с заданным содержанием углерода. Охарактеризуйте этот сплав и определите для него при заданной температуре количество, состав фаз и их процентное соотношение, используя данные, приведенные в таблице 2.

Количество углерода – 1,0%, температура –7400С.

Ответ.

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линию AHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора  выделяются  кристаллы  твердого  раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате    которого    образуется    твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей  заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD, начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР4,3Л[А2,14+Ц6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит  и   заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавы состоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает температуры начала выделения цементита из  аустенита вследствие уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате   одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А0,8П[Ф0,03+Ц6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного.

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где    С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только  температуру, так как давление  за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

 

Сплав железа с углеродом, содержащий 1,0% С, называется заэвтектоидной сталью.

а - диаграмма железо-цементит, б - кривая охлаждения для сплава, содержащего 1,0% углерода

Отметим на диаграмме железо-цементит точки, соответствующие данному сплаву: 1, 2, 3,4.

Структура при 740°С  (между точками 3-4)  – Аустенит +Цементит (вторичный).

Компонентов К = 2,

внешних факторов -  1,

число фаз, находящихся в равновесии Ф = 2,

число степеней свободы C = 2 + 1 – 2 = 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Задача №83

Выберите режим термической обработки детали из стали указанной марки для получения заданных свойств и обоснуйте его. На основе диаграммы состояний «железо-цементит» построенного графика термической обработки напишите о структуре стали, используя данные таблицы 3. Деталь – шестерня, марка стали – 40Х, свойства НRC 58. 

Ответ:

         При выборе материала для изготовления шестерен и выборе технологии термической обработки основным критерием является модуль шестерни. Модуль – это отношение диаметра делительной окружности к числу зубьев, измеряется в мм. Шестерни изготавливают из поковок, реже отливок. Зубья или нарезают механической обработкой, или изготавливают горячей накаткой. Для ответственных шестерен применяются различные методы тонкой механической обработки: шлифование, хонингование, притирка, что позволяет устранить деформацию шестерен после термической обработки и повышению их долговечности при работе.

Условия работы шестерен зависят от уровня контактных и изгибающих нагрузок и их быстроходности. При эксплуатации шестерни испытывают:

• Изгиб при резком торможении или заклинивании с наличием максимального крутящего момента.
• Изгиб в ножке зуба, что может привести к его усталостному разрушению. Напряжения могут превышать 600 Мпа.
• Контактные напряжения на боковых поверхностях зубьев, что приводит к образованию контактно-усталостного выкрашивания. Эти напряжения достигают величины до 2 300 Мпа.

        Исходя  из условий работы шестерен, в  практике машиностроения применяется  несколько технологических схем  их термической обработки. Шестерни, работающие при низких скоростях  и малых нагрузках, изготавливают  из среднеуглеродистых или низколегированных  конструкционных сталей марок 45, 50, 40Х, 40ХН. Например, для изготовления детали диаметром 30 мм используют сталь 40Х (или другую сталь, имеющую такую же прокаливаемость), закалённую в воде. Если конфигурация детали сложная и охлаждение в воде приводит к значительной деформации, то вместо воды в качестве закалочной среды следует применять минеральное машинное масло, а вместо стали 40Х – сталь 40ХН. В том же случае, когда деталь испытывает только изгибающие или крутящие нагрузки, её сердцевина не подвергается воздействию напряжений, поэтому прокаливаемость стали не имеет такого важного значения.

 

Характеристика материала.                        Сталь 40Х.

Марка                                                            Сталь 40Х

Классификация                                          Сталь конструкционная 

                                                                        легированная. Хромистая

Заменитель                                         Сталь 45Х ,сталь 38ХА ,сталь 40ХН ,сталь   

                                                             40ХС ,сталь 40ХФА ,сталь 40ХГТР

Прочие обозначения                             ----------

 Иностранные аналоги                AISI 5135,AISI 5135 H,AISI 5140,AISI 5140 H

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.

Вид поставки

Обработка металлов давлением. Поковки: ГОСТ 8479-70

Сортовой и фасонный прокат ГОСТ 2590-88, ГОСТ 2591-88, ГОСТ 2879-88

Листы и полосы ГОСТ 82-70, ГОСТ 103-76, ГОСТ 19903-74

Сортовой и фасонный прокат ГОСТ 1051-73,  ГОСТ 4543-71, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 10702-78, ГОСТ 14955-77

Листы и полосы ГОСТ 1577-93

Трубы стальные и соединительные части к ним ГОСТ 13663-86

 

 

Механические свойства стали 40Х

Марка стали - 40Х	Термообработка	Толщина или диаметр, мм	Твердость поверхности (НВ) или HRC	Твердость сердцевины (НВ) или HRC	, МПа	, МПа
Нормализа. улучшение Улучшение У+3 ТВЧ 3.0.5600С 3.0.2000С	до 100 до 200 до 125 до 125 25 до 20	до 100 до 200 до 125 до 125 25 до 20	(170…220) - - 45…50 - -	- (235…260) (270…300) (270…300) - > 46	600 790 900 900 1000 1600	350 640 750 750 800 1300

Химический состав в % материала 40Х

С           Si       Mn            Ni           S           P       Cr     Cu                  

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

 Критическая точка °С

Ac1 743

Ac3 815

Ar3 730

Ar1 693

Mn 325

Механические свойства стали 40Х	Пруток ГОСТ 4543-71
Термообработка, состояние поставки Сечение, мм σ0,2 ,МПа  σв,МПа  δ5, %  ψ, %  KCU, Дж/м2  HB	Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло   25   780   980   10   45   59   -

Технологические свойства

Температура ковки Начала 1250, конца 800.

Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.

Свариваемость трудносвариваемая.

 Способы сварки: РДС, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка.

КТС - необходима последующая термообработка.

Обрабатываемость резанием В горячекатаном состоянии при НВ 163-168, σв = 610 МПа Kν тв.спл. = 0.20, Kν б.ст. = 0.95.

Склонность к отпускной способности - склонна

Флокеночувствительность -   чувствительна

 

Выбор и обоснование режимов термической обработки

Сталь 40Х является доэвтектоидной конструкционной легированной сталью. Температура нагрева при закалке выбирается в этом случае на 50 …700С выше критической точки Ас3, т.е.

tн = Ас3 + (50 …70) 0С = 760 0С + 60 0С = 820 0С. Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость

закалки (Vохл. ≥ Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита. В качестве закалочной среды следует применить минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 …550 0С) составляет примерно 150 0/с, что больше Vкр. данной стали. В нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с небольшой скоростью (20… 30 0/с), что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему сечению шатуна состоит из мартенсита и ~ 3 …5 % остаточного аустенита.

Для получения требуемых механических свойств и уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, сталь подвергают отпуску. С повышением температуры отпуска прочностные свойства конструкционной стали уменьшаются, а её пластичность и вязкость возрастают. Высокий отпуск проводится при температуре 580-600˚С. В результате получаем структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости. Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Высокие отпуск почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

 

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 40 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Таким образом, более высокие эксплуатационные свойства будет иметь деталь, закаленная от температуры 830°С.