3. Расчетные формулы для оценки вклада в упрочнение

различных механизмов. Расчеты

Таблица 1

Механизм упрочнения	Структура	Компоненты механизма упрочнения	Расчетная формула	40ХН	40ХH2MФ
Сопротивление решетки движе­нию дислокаций	Феррит + карбиды	Напряжение трения решетки	, МПа	16,80	16,80
Твердорастворный	Феррит + карбиды	Легирование феррита	, МПа	173,9	157,975
	Мартенсит отпуска	Легирование мартенсита
Дислокационный	Феррит + карбиды	Дислокации в феррите ( = 107-109 см–2)	МПа	50,013	86,625
	Мартенсит отпуска	Дислокации в мартенсите ( = 1010-1012 см–2)
Дисперсионный	Феррит + карбиды	Перлитная составляющая
	Мартенсит отпуска	Дисперсные карбонит­риды в феррите и мартенсите		48,125	144,375
Зернограничный	Феррит + карбиды	Размер зерен и субзерен феррита	, МПа	134,16	346,41
	Мартенсит отпуска	Размер мартенситных пакетов и субзерен в мартенсите	, Мпа

Примечание. G – модуль сдвига железа (G = 84000 МПа); К_i – коэффициент упрочнения i-м легирующим элементом; С_i – концентрация i-го элемента; M₀ = 2,75; b – вектор Бюргерса (b = 0,2510^–7 см);  – расстояние между частицами, см;  = 0,5;  – плотность дислокаций, см^–2; П – % перлитной составляющей, %; К_у – коэффициент упрочнения, K_у = 0,6 МПам^½ ; d – размер зерна, м; К_с = 0,1510^-3 МПам; l – размеры субзерен, м. Размеры зерен: мелкие – 216 мкм, крупные – 1860 мкм. Размеры пакетов мартенсита: 2  6 мкм . -карбиды Cr = 1 мкм; -карбиды VC, Ti = = 0,2 мкм; _VN = 0,1 мкм; _{V(C, N)} = 0,35 мкм; _AlN = 0,7 мкм; 1 мкм = 10^–3 мм;  = 2 мкм 0,1 мкм.

Значения коэффициентов упрочнения различными легирующими элементами приведены в табл. 2:

Таблица 2

Леги­рующий элемент	C+N	P	Si	Ti	Al	Mn	Cr	Ni	Mo	W	V	Cu
Кi , МПа / %	4670	690	85	80	60	35	30	30	10	12	3	39

Содержание углерода, растворенного в феррите, равно 0,006%, а азота – 0,004%, т.е. (С+N) = 0,01%. Содержание углерода в мартенсите отпуска по литературным данным примерно равно 0,2%. Содержание фосфора в стали равно 0,02  0,03 %. В качестве постоянных примесей в стали находятся Mn = 0,6% и Si = 0,3%.

Расчеты

40ХН

40ХH2MФ

Химический состав: С - 0,4% Cr - 1% Мn - 0,6% Ni - 1% Si - 0,3% (С+N) = 0,08% P – 0,03% S – 0,03% Класс стали: Качественная, конструкционная, среднеуглеродистая сталь Тип термообработки: Закалка + Высокий отпуск Структура стали: Сорбит отпуска 1. Сопротивление решетки движению дислокаций =2*10-4 *84000*106 =16,8 МПа 2. Твердорастворный механизм упрочнения = 0,01*4670+1*30+1*30+ +0,6*35+0,3*85+0,03*690 = 173,9МПа 3. Дислокационный механизм упрочнения плотность ρ = 3 * 108 см -2 = 0,5 *2,75 * 84000*106 * 0,25 * 10 -7 * (3*108)0,5 = 50,013 МПа 4. Дисперсионный механизм упрочнения -карбиды = 1,2*10 -4 см = (2*0,5*2,75*84000*106 *0,25*10 -7)/1,2*10 -4 = 48,125 МПа 5. Зернограничный механизм упрочнения Размеры зерен d= 20*10 -6 м = 0,6*106/(20*10-6)0,5 = 134,16МПа 6. Сумма σT: ∑ σT = 16,8+173,9+50,013+48,125 + +134,16 = 422,998 МПа 7.Коэффициент охрупчивания T P = To + (0,4-0.6)*∆σTP+0.9∆σ +0.4*∆σ +0,3*∆σ -0.7*∆σ3 T P= To +0.5*173,9+0,4*50,013+0,3*48,125-0,7*134,16 = To +27,5 , где То – температура перехода, определенная без учёта влияния компонентов упрочнения.

Химический состав: С - 0,4% Cr - 1% Ni - 2% Mo <= 0,5% Мn - 0,6% Si - 0,3% P – 0,03% S - 0,03% (C+N) - 0,01% V – 0,02% - 0,03% Класс стали: Качественная, конструкционная, среднеуглеродистая сталь Тип термообработки: Закалка + Высокий отпуск Структура стали: Сорбит отпуска 1. Сопротивление решетки движению дислокаций =2*10-4 *84000*106 =16,8 МПа 2. Твердорастворный механизм упрочнения = 0,01*4670+2*30+0,5*10+ +0,025*3+0,3*85+0,03*690 = 157,975МПа 3. Дислокационный механизм упрочнения плотность ρ = 9 * 108 см –2 = 0,5 *2,75 * 84000 *106*0,25 * 10 -7 * (9*108)0,5 = 86,625МПа 4. Дисперсионный механизм упрочнения -карбиды = 0,4*10 -4 см = (2*0,5*2,75*84000 * 0,25*10 -7)/0,4*10 -4 = 144,375 МПа 5. Зернограничный механизм упрочнения Размеры зерен d = 3*10 -6 м = 0,6*106/(3*10-6)0,5 = 346,41МПа 6. Сумма σT: ∑ σT = 16,8+157,975+86,625 + 144,375 +346,41= 752,185 МПа 7. Коэффициент охрупчивания T P = To + (0,4-0.6)*∆σTP+0.9∆σ +0.4*∆σ +0,3*∆σ -0.7*∆σ3 TP=To+0,5*157,975+0,4*86,625+0,3*144,375-0,7*346,41 = To – 85,5 , где То – температура перехода, определенная без учёта влияния компонентов упрочнения.

3. Вывод

В данном курсовом проекте нам были предложены две марки стали: 40ХН и 40ХН2МФ. По определенному химическому составу каждой из сталей мы смогли провести расчет предела текучести и влияния упрочнения на изменение температуры вязкоупругого перехода. После расчета температуры вязко-хрупкого перехода можно сделать вывод, что обе представленные стали можно использовать при низких температурах. Представленные стали относятся к конструкционным улучшаемым (среднеуглеродистым) сталям Улучшаемые стали содержат 0,2-0,4% С и разное количество легирующих элементов, в нашем случае Мо, Mn, Cr,Ni Обычная термообработка таких сталей - закалка с 850⁰С в масле и высокий отпуск(550-650⁰С) или по другому, улучшение(закалка на мартенсит + высокий отпуск на сорбит). Улучшение обеспечивает хорошую конструктивную прочность - высокие значения работы распространения трещины и вязкости разрушения при низком пороге хладноломкости. После улучшения стали обладают высокой живучестью (низкой скоростью роста трещины усталости), несмотря на раннее образование трещины усталости.

Прочность стали 40ХН в основном определяется примерно равной комбинацией следующих механизмов упрочнения :

Твердорастворный , дисперсионный ,зернограничный.

Прочность стали 40Х2Н2МА в основном определяется существенной долей твердорастворного механизма упрочнения плюс зернограничное упрочнение:

1. механизм упрочнения твердорастворный:

для стали 40ХН Δσ_тр=173,9 МПа, а для стали 40ХН2МФ Δσ_тр=157,975МПа, разница объясняется тем, что во второй стали концентрация легирующих элементов примерно на 3% больше.

2) механизм упрочнения дисперсионный: для стали 40ХН ,

а для стали 40ХН2МФ .Для данного вида упрочнения главным фактором является природа упрочняющей фазы, связанная с межчастичным расстоянием, чем меньше , тем больше .

3) механизм упрочнения зернограничный: для стали 40ХН ,

а для стали 40ХН2МФ .Чем более мелкое зерно( min) тем больше . Легирование стали такими элементами как V и Cr сильно измельчает зерно.

Рассмотрим более подробно основные легирующие элементы, присутствующие в данных сталях:

1. Cr.

При содержании Cr в стали до 2%, половина его присутствует в феррите, а половина в виде легированного цементита (Fe,Cr)₃C. Хром сильно измельчает зерно; повышает прочность, износостойкость, сопротивление коррозии и жаропрочность стали; увеличивает ее прокаливаемость

2. Ni.

Содержание Ni встали 2%. Практически полностью растворен в феррите. Никель в отличие от других элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хладноломкости. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вязкость, и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается на 60 - 80С, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3 – 4% вызывает менее сильное снижение хладноломкости.

3. V.

Легирование стали небольшим количеством (до 0,15%) V, образующий труднорастворимые в аустените карбиды и нитриды, приводит к измельчению зерна, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещин. Незначительная добавка ванадия (доли процента) делает сталь мелкозернистой, придает ей большую упругость, большую прочность. Такая сталь легче переносит удар и изгиб, упорнее сопротивляется истиранию, лучше противостоит разрыву.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и задерживают коагуляцию карбидов. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных и карбонитридных частиц.