Выбор материала и его термической обработки

ДОНСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ

Факультет Агроинженерия

Заочная форма обучения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Студент____________________           Адрес______________________

___________________________           ___________________________

___________________________           ___________________________

Группа_____________________          № зач. книжки_______________

 

 

 

 

 

 

 

 

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение»

 

Тема «Выбор материала и его термической обработки»

 

Принял:____________________________________________________

 

за ____________семестр

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ростов-на-Дону

2011

 

 

Задача 1

Элементы кузова автомобиля изготавливают холодной вытяжкой стального листа. Выбрать марку стали, указать химический состав стали и особенности ее производства, обеспечивающие повышенную способность к значительной вытяжке.

 

В автомобильной и многих других отраслях промышленности для изготовления деталей широко применяют холодную штамповку из листовой стали.

Для обеспечения высокой  штампуемости отношение σ_в/σ₀,₂ стали должно быть 0,5—0,65 при ψ не менее 40 %. Штампуемость стали тем хуже, чем больше в ней углерода. Кремний, повышая предел текучести, снижает штампуемость, особенно способность стали к вытяжке. Поэтому для холодной штамповки более широко используют холоднокатаные кипящие стали ,08кп, 08Фкп и 08Юкп.

Таблица1

Химический состав сталей (массовая доля элементов в %)

Сталь	С	Mn	Si	Другие элементы	S	P	Cr	Ni
					не более
08кп	0,05-0,12	0,25-0,5	≤0,03	—	0,04	0,04	0,15	0,3
08Фкп	0,05-0,12	0,25-0,5	≤0,03	0,02-0,04 % V	0,04	0,04	0,15	0,3
08Юкп	0,05-0,12	0,25-0,5	≤0,03	0,02-0,07 %А1	0,04	0,04	0,15	0,3

 

Сталь 08кп склонна к деформационному старению. На рисунке 1 представлено изменение механических свойств стали 08кп в результате старения. Этот процесс протекает после пластической деформации, если она происходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, и особенно сильно при 20 °С. Деформационное старение развивается в течение 15…16 суток при 20 °С и в течение нескольких минут при 200…350 °С.

Рис. 1. Изменение механических свойств стали 08кп во времени (старение) при комнатной температуре после холодной деформации.

Старение приводит к  образованию площадки текучести, на диаграмме растяжения стали, следствием чего является образование поверхностных дефектов. Поэтому сталь микролегируют алюминием или ванадием, связывающим азот, находящийся в твердом растворе и вызывающий деформационное старение в нитридах AlN и VN. Стали 08Ю и 08Фкп нестареющие. Для исключения деформационного старения после отжига холоднокатаный лист нередко подвергают дрессировке, т. е. небольшой пластической деформации (1—2 %).

Штампуемость зависит и от величины зерна феррита. При мелком зерне стали обнаруживается пружинящий эффект и сильно изнашиваются штампы, а при крупном зерне образуется шероховатая поверхность («апельсиновая корка») и разрывы. Рекомендуется сталь с зерном номерами 6—8.

Таким образом, для изготовления элементов кузова автомобиля, изготавливаемых холодной вытяжкой следует выбрать сталь 08 Ю.

Механические свойства: σ_в≤ 360 МПа, δ = 36%, ≤118 НВ (67 HRB).

 

Задача 2

Выбрать марку стали штампов  холодной чеканки медных сплавов. В  штампах сочетается высокая твердость  и сопротивление пластической деформации с удовлетворительной вязкостью. Указать термическую обработку и структуру в готовом штампе. Объяснить причины, вызывающие непригодность стали с высоким содержанием углерода (более 1,0 %) для этой цели.

 

Основные свойства, которыми должны обладать стали для штампов и других инструментов холодной обработки давлением, — высокие твердость, износостойкость, прочность, сочетающиеся с удовлетворительной вязкостью. При больших скоростях деформирования, вызывающих разогрев рабочей кромки инструментов до 450°С, от сталей требуется достаточная теплостойкость. Для штампов со сложной гравюрой важно обеспечить минимальные объемные изменения при закалке.

В связи с разнообразием  условий деформирования, формы и  размеров штампов применяют различные  стали. Низколегированные стали X, 9ХС, ХВГ, ХВСГ, так же как и углеродистые У10, У11, У12, используют преимущественно для вытяжных и высадочных штампов, которые из-за несквозной прокаливаемости имеют твердый износостойкий слой и вязкую сердцевину, позволяющую работать при небольших ударных нагрузках. Вытяжные штампы, подвергающиеся интенсивному износу без динамических нагрузок, после неполной закалки отпускают при 150 - 180 °С на твердость 58 - 61 HRС. Высадочные штампы и пуансоны, работающие с ударными нагрузками, подвергают отпуску при 275 —325 °С на твердость рабочей части 52 - 54 НRС.

Высокохромистые стали Х12, Х12М, Х12Ф1 (см. табл. 19.1) обладают высокой износостойкостью и глубокой прокаливаемостью (150 - 200 мм и более). Их широко применяют для изготовления крупных инструментов сложной формы: вырубных, обрезных, чеканочных штампов повышенной точности, штампов выдавливания, калибровочных волочильных досок, накатных роликов и др. Эти стали близки к быстрорежущим: по структуре после отжига относятся к ледебуритному классу, после нормализации — к мартенситному. Их высокая износостойкость обусловлена большим количеством карбидов Сr₇С₃, сохраняющихся в структуре после закалки. Вместе с тем большое количество карбидной фазы (примерно 15 - 17 % у сталей Х12М и Х12Ф1 и около 30 % у стали Х12) приводит к повышенной карбидной неоднородности, вызывающей снижение прочности и вязкости. Наиболее сильно этот недостаток выражен у стали Х12. По этой причине чаще применяют стали Х12М и Х12Ф1.

Структура и свойства высокохромистых  сталей в сильной степени зависят от температуры закалки, так как с ее повышением увеличивается растворимость карбидов и, следовательно, концентрация углерода и хрома в аустените. Это приводит к резкому снижению интервала температур мартенситного превращения. Изменение твердости стали Х12Ф1 (рис. 20.1) характеризуется кривой с максимумом. Повышение твердости при нагреве до 1075 °С вызвано увеличением твердости мартенсита, ее снижение при закалке с более высокой температуры — интенсивным увеличением в структуре остаточного аустенита. Сохранение остаточного аустенита обусловливает небольшие объемные изменения при закалке.

Стали Х12Ф1 и Х12М обрабатывают как на первичную, так и на вторичную твердость. На первичную твердость их закаливают с более низких температур (1020 - 1075°С), когда количество остаточного аустенита невелико, затем подвергают низкому отпуску (150 - 170 °С), сохраняющему высокую твердость (61 - 63 НRС). Такой режим обеспечивает наибольшую прочность (σ_в — 2400... 2800 МПа) при низкой теплостойкости и применяется для большинства штампов и накатных роликов.

Закалку на вторичную твердость  применяют для повышения теплостойкости и проводят с более высоких температур (1100 - 1170 °С). Она приводит к пониженной твердости (48 - 54 НRС) вследствие сохранения большого количества остаточного аустенита (50 - 80 %). Твердость до 60 - 62 НRС повышают 4-6-кратным отпуском при 500 - 580 °С в результате превращения остаточного аустенита и выделения дисперсных карбидов хрома. При обработке сталей на вторичную твердость теплостойкость увеличивается до 500 °С, но из-за укрупнения зерна при закалке снижаются прочность и вязкость. В связи с этим применение этой обработки ограничено. В основном ее используют для штампов, работающих при повышенном нагреве без больших нагрузок.

Сталь Х6ВФ содержит меньше углерода и хрома и обладает меньшей карбидной неоднородностью, чем высокохромистые стали. Поэтому она превосходит их по прочности (в среднем на 500 МПа) и вязкости (почти в 2 раза), более пригодна для штампов с тонкой гравюрой и резьбонакатных роликов. При закалке сталь Х6ВФ более склонна к росту зерна, поэтому ее обрабатывают только на первичную твердость.

Таким образом, для чеканочных штампов  медных сплавов следует выбрать сталь Х6ВФ, как обладающую меньшей карбидной неоднородностью.

Химический состав стали  Х6ВФ: 0,9-1,0 %C; 0,3 %Mn; 0,3 % Si; 6 % Cr; 1,3 % W; 0,5 % V.

Термическая обработка  закалка с температуры 960-990 °С, охлаждение в масло (HRC 61-63), структура мартенсит карбиды.

Штампы необходимо подогревать  с выдержкой до полного прогрева при 750-800 °С. Нагрев осуществляется в контролируемых атмосферах, жидких средах или в обычных печах в чугунной стружке или отработанном карбюризаторе.

Отпуск при 225-250 °С на твердость 57-58 HRC. Структура мартенсит отпуска карбиды легирующих элементов.

 

Задача 3

 

Выбрать материал с плотностью 4,5 г/см³ для баков соляной кислоты, сравнить его механические свойства с аналогичными свойствами нержавеющей стали 10Х18Н9Т.

 

Материал, обладающий плотностью 4,5 г/см³ — титан. Титан технической чистоты по коррозионной стойкости превосходит коррозионностойкую сталь и приближается к благородным металлам. Титан практически не подвергается воздействию атмосферного воздуха (до 500 °С), пресной и морской воды. Он не растворяется во многих органических и минеральных кислотах, в том числе и в царской водке. В ряде производств титан – единственный стойкий против коррозии конструкционный материал (во влажном хлоре, в водных соединениях хлора и др.).

Для улучшения механических свойств титана его легируют алюминием, молибденом, ванадием, хромом, марганцем, цирконием, кремнием, железом, оловом и др., получая, таким образом, сплавы титана.

По структуре, которая  образуется при отжиге, титановые  сплавы классифицируются на:

α-сплавы, структура, которых  представлена α-фазой;

псевдо-α-сплавы, структура  которых представлена α-фазой и незначительным количеством β-фазы (не более 5%);

(α + β)-сплавы, структура  которых представлена α- и β-  фазами;

псевдо-β-сплавы со структурой, представленной α-фазой и большим  количеством β-фазы;

β-сплавы, структура которых  представлена β-фазой

Псевдо-β-сплавы и β-сплавы не получили широкого распространения  в промышленности из-за дороговизны  и пониженной удельной прочности.

Двухфазные (α + β)-сплавы получили широкое распространения, так как  обладают наиболее благоприятным сочетанием механических и технологических свойств. Эти сплавы удовлетворительно обрабатываются резанием и ограниченно свариваются. После сварки необходима термообработка (отжиг) сварных швов для восстановления пластичности.

Поскольку необходимо выбрать  сплав для изготовления баков соляной кислоты, то этот выбор следует производить из α-сплавов и псевдо-α-сплавов, так как они хорошо свариваются всеми видами сварки и обрабатываются давлением.

Из α-сплавов наиболее подходит сплав марки АТ3 со структурой α-твердого раствора. Этот сплав занимает промежуточное положение между истинными α-сплавами псевдо-α-сплавами. Сплав АТ3 рационально легирован доступными и дешевыми элементами (алюминием, железом, кремнием, хромом) и относится к группе сплавов со средней прочностью (σ_в ≥ 590 МПа). Он технологичен – сваривается всеми видами сварки (прочность сварного соединения составляет 90-95 % от прочности основного металла), штампуется при средних и высоких степенях деформации в горячем состоянии при температурах 600-650 °С и выше. Сплав АТ3 отличается от титана технической чистоты (относящегося также к α-сплавам) более высокой прочностью при комнатной температуре, а при 200 °С преимущество по прочности возрастает до двух раз, при этом обладая такой же коррозионной стойкостью как и титан. Это позволяет использовать сплав АТ3 для аппаратов, работающих под давлением в агрессивных средах при температуре выше 200 °С. Сплав АТ3 превосходит технический титан также по твердости и эрозионной стойкости.

Из псевдо-α-сплавов подходит сплав ВТ5 (4,5-6,2% Al), в качестве β-стабилизирующего элемента используется ванадий, а также молибден (0,8%). Этот сплав превосходит титановые сплавы серии ОТ (использующие в качестве β-стабилизирующего элемента Mn) по прочности и жаропрочности. Сплав прокатывается, штампуется и куется в горячем состоянии, сваривается контактной и аргонно-дуговой сваркой, обладает хорошей коррозионной стойкостью в морской воде и в концентрированной азотной кислоте. Он поставляется в виде прутков, труб и поковок. Применяется для деталей, длительно работающих при температуре до 400 °С.

Итак, баков соляной кислоты  следует выбрать сплав АТ3. По цене шихтовых материалов сплав АТ3, как не содержащий ванадия, молибдена, олова и других дефицитных элементов, является (при равной прочности) самым дешевым и доступным, при этом обладает отличной коррозионной стойкостью и технологичностью.

Механические свойства АТ3: σ_в= не менее 590 МПа; δ = 8 %; ψ = 12 % (по ГОСТ 23755-79).

Сталь 10Х18Н9Т относится  к аустенитным нержавеющим сталям, имеющим при комнатной температуре аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в слабоагрессивных средах (органические кислоты, соли, щелочи), например в пищевой промышленности. Эти стали дороги, так как в их состав входит дефицитный никель.