Контрольная работа по "Материаловедение"

В тех случаях, когда после закалки на мартенсит и последующего отпуска не удается достичь достаточной прочности и вязкости, осуществляется изотермическая закалка на нижний бейнит. Для этого  нагретая сталь помещается в соляную ванну с температурой на 50-100°С выше мартенситной точки Мн, выдерживается до завершения превращения аустенита в бейнит и охлаждается на воздухе. Такая закалка может применяться только для сталей обладающих достаточной устойчивостью переохлажденного аустенита.

Прокаливаемость – способность стали воспринимать закалку на  большую или меньшую глубину, которая определяется твердостью  мартенситной зоны. Прокаливаемость измеряется в единицах длины (мм) и зависит от критической скорости закалки. Чем меньше критическая скорость закалки, тем больше прокаливаемость стали. Все факторы, которые увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, следовательно, уменьшают критическую скорость закалки, способствуют увеличению прокаливаемости. Наличие легирующих элементов и примесей, растворяющихся при нагреве в аустените, увеличение содержание углерода до 0,8%, а также рост размера зерна аустенита повышают прокаливаемость стали. Легирующие элементы при температуре закалки в виде карбидов, интерметаллидов и других фаз, создающих неоднородность аустенита, уменьшаю прокаливаемость стали.

При одинаковых скоростях охлаждения углеродистой и легированной сталей сквозную закалку приобретает легированная. Свойства ее по сечению после закалки одинаковые.

Несквозная прокаливаемость является следствием того, что сердцевина детали охлаждается со скоростью меньше критической. Поэтому в сердцевине аустенит распадается на ферритно-цементитную смесь. В сечениях же, где скорость охлаждения выше критической аустенит превращается в мартенсит. Свойства по сечению такой закаленной стали неодинаковые.

Прокаливаемость является весьма важным фактором, определяющим свойства и область применения стали. Высокая  прокаливаемость позволяет получать высокие механические свойства стали в массивных сечениях деталей после термической обработки. Это особенно важно для ответственных деталей и конструкций, которые подвергаются термическому улучшению, то есть закалке и высокому отпуску.

Количественной характеристикой прокаливаемости является критический (реалльный) диаметр. Реальным или действительным критическим диаметром называют тот наибольший диаметр образца, при котором конструкционная сталь в данном охладителе прокаливается полностью, то есть в центре образца твердость соответствует твердости полумартенситной зоны (зоны, состоящей из 50% мартенсита и 50% троостита). Критический диаметр, кроме критической скорости закалки стали, зависит от закаливающей среды.

Прокаливаемость является одним их основных критериев и пр  выборе марки стали рассматривается наряду с ее механическими свойствами, технологичностью и себестоимостью.

В некоторых случаях необходимая прокаливаемость может быть меньше сквозной. Если детали работают на кручение и изгиб, то возникающие в них напряжения уменьшаются от максимальных на поверхности до нуля в середине. Для таких деталей сквозная прокаливаемость необязательна, достаточно иметь прокаливаемость на расстоянии ½ - ¼ радиуса от поверхности.

 

Задача №40.

1. Выбрать  и обосновать наиболее рациональный  вид термической или химико-термической  обработки, дающий возможность получения  требуемых свойств заданной детали – втулка распорная, Сталь 10, твердость HRC 62. Изложить его сущность.

2. Подробно  изложить основные этапы технологического  процесса обработки:

- выбрать  и обосновать необходимую температуру  нагрева;

- назначить  время выдержки;

- выбрать  и обосновать охлаждаемую среду.

3. Начертить  необходимый участок диаграммы  «железо - цементит» и нанести  на нем ординату сплава заданного  изделия. На ординате отметить  температуры нагрева для соответствующих  этапов принятого технологического  процесса термообработки.

4. Начертите  график разработанного технологического  процесса термообработки в координатах  «температура - время».

5. Описать  структурные превращения, происходящие  в обрабатываемой стали на  каждом этапе технологического  процесса.

Ответ:

Втулка – деталь машины, механизма, прибора цилиндрической или конической формы (с осевой симметрией). Сталь 10 – качественная доэвтектоидная конструкционная низкоуглеродистая (0,1%С).

Требуемая твердость HRC 62 соответствует твердости мартенсита отпуска заэвтектоидной стали. В низкоуглеродистой стали, содержащей 0,1%С максимальная твердость мартенсита закалки составляет ~ HRC 30. Поэтому в нашем случае следует применять химико-термическую обработку и поскольку сталь низкоуглеродистая, то – цементацию.

Цементацией называется процесс науглероживания поверхностного слоя стальных деталей. Процесс осуществляется путём нагрева деталей до 900-950°С без доступа воздуха в среде углерода или газов, содержащих углерод. Следует отметить, что цементация сама по себе не обеспечивает упрочнения стали, а превращает поверхность изделия из доэвтектоидной в заэвтектоидную. Упрочнение поверхности достигается в результате последующей термической обработки.

В нашем случае назначается поверхностное насыщение углеродом в газовой науглероживающей среде (эндогазе и др.) при температуре 930°С в течении 8…12 часов (продолжительность выдержки изделия при температуре цементации устанавливается в зависимости от требуемой глубины цементации). После цементации детали подвергаются закалке (с подстуживанием после цементации) в воде от температуры 800…840°С и низкому отпуску на воздухе в течение 1,5 часов при 160°С.

Нанесем на диаграмму Fe-Fe3C ординату сплава заданного изделия. На ординате отметим температуры нагрева для соответствующих этапов принятого технологического процесса термообработки (рис. 2):

Рис. 2. Диаграмма Fe-Fe3C

 

В результате цементации достигается высокая твердость поверхности детали (HRC 62, мелкопластинчатый мартенсит отпуска) при сохранении вязкой сердцевины (σв = 330 МПа, δ = 32%, HRC 21, сорбит).

График химико-термической обоаботки детали изображен на рис. 3:

Рис. 3. График химико-термической обоаботки детали из стали 10

Ц – цементация, З – закалка, О – отпуск

 

Список использованной литературы:

1. Бабенко Э.Г. Конструкционные материалы: учебное пособие.- Хабаровск: Изд. ДВГУПС, 2008.- 198 с.
2. Баранов Е.М. Термообработка стали: методическое пособие.- Хабаровск: Изд. ДВГУПС, 2004.- 32 с.
3. Моряков О.С. Материаловедение.- М.: Издательский центр «Академия», 2008 – 240 с.
4. Фетисов Г.П.  Материаловедение и технология металлов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей взов. – 5-е изд.- М.: Высшая школа, 2007 – 862 с.
5. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник для вузов. Изд. 4-е, перераб. и доп. – Спб.: ХИМИЗДАТ, 2007 – 784 с.