Контрольная работа №2

1. Что такое закалка? Используя диаграмму состояния железоцементит, назначьте температуру закалки для сталей 40 и у10. Опишите все превращения, а также структуру и свойства после закалки.

Закалка – термическая обработка – заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1 для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

1) Исходная структура высокоуглеродистой стали У10 до нагрева под закалку – перлит + карбиды (см. Error: Reference source not found). Критические точки для стали У10: А_c1=730ºС, А_cm=800ºС. До температуры А_c1 сохраняется исходная структура. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше температуры точки Ас1 – на 30-50С. Для стали У10 температура закалки: 760-780С. При температуре А_c1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8%. При нагреве выше точки Ас1 образуется аустенит при сохранении некоторого количества цементита. Охлаждающая среда при закалке – индустриальное масло. При этом после закалки (охлаждения со скоростью выше критической) имеется мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У10. Структура стали после закалки – мартенсит + цементит. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкому отпуску. Инструментальная сталь подвергается закалке для повышения твердости, износостойкости и прочности.

Рисунок 2 - График режима термической обработки стали У10

2) Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50С выше точки Ас3. Сталь 40 нагревают до 820-840С. Сталь с исходной структурой перлит+феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит (см. Error: Reference source not found). Конструкционную сталь подвергают закалке для повышения прочности, твердости, получения достаточно высокой пластичности и вязкости, а для ряда деталей также высокой износостойкости.

Температура критических точек материала: Ac₁ = 724 ,      Ac₃(Ac_m) = 790 ,       Ar₃(Arc_m) = 760 ,       Ar₁ = 680.

Рисунок 3 - График режима термической обработки стали 40

Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической скорости закалки) в интервале температур А1-Мн для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения Мн-Мк. (т.к. ведет к увеличению уровня остаточных напряжений и образованию трещин.). Масло как закалочная среда, имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения в мартенситном интервале температур, что уменьшает возникновение закалочных дефектов, и постоянство закаливающей способности в широком интервале температур среды (20 – 150С). Температура масла при закалке – 60-90С, когда ее вязкость минимальна.

2. После термической обработки стали У10 получена структура: мартенсит отпуска + цементитные частицы. Нанесите на диаграмму состояния железо цементит ординату заданной стали и укажите температуру нагрева этой стали под закалку. Назначьте температуру отпуска, обеспечивающую получение указанной структуры, и опишите все превращения, которые совершились в стали в процессе закалки и отпуска.

Критические точки стали У10: Ac1 730 °С; Ac3 800 °С; Ar1 700 °С.

Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 30-50°С выше точки А_с1. Таким образом, температура нагрева под закалку стали У10 составляет 760-780°С. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей будет мартенсит с цементитом и небольшое количество остаточного аустенита (см. Error: Reference source not found). Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в α-железе. Охлаждающая среда при закалке – индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалки изделия подвергают низкотемпературному отпуску. (до 250 С). При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Сталь после низкого отпуска сохраняет твердость 58-63 HRC, следовательно и высокую износостойкость. Однако такое изделие не выдерживает значительных динамических нагрузок. Скорость охлаждения после отпуска должна быть медленной для уменьшения остаточных напряжений.

Рисунок 4 – График режима термической обработки стали У10

3. В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для изготовления их выбрана сталь 60С2Н2А. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин в готовом виде.

60C2H2A – конструкционная высококачественная сталь с содержанием: углерода – 0,6%; кремния – 2%; никеля – 2%.

Температура критических точек: Ac₁ = 765 ,      Ac₃(Ac_m) = 780

Стали для пружин должны обладать высокими сопротивлением малым платическим деформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.           Высокие свойства (максимальные пределы упругости и выносливости) пружины имеют при твердости HRC 40-45 (структура-троостит), которая достигается после закалки (с равномерным и полным мартенситным превращением по всему объему металла) при 870С и среднего отпуска при 400-500В° С (в зависимости от стали). При этом происходит измельчение зерна, способствующее возрастанию сопротивления стали малым пластическим деформациям, а следовательно, ее релаксационной стойкости.

После закалки мартенситная структура должна быть по всему объему. Присутствие после закалки немартенситных продуктов превращения аустенита (бейнита, ферритно-карбидной структуры, феррита), а также остаточного аустенита ухудшает все пружинные свойства. Чем меньше зерно, тем выше сопротивление стали малым пластическим деформациям.

После термической обработки сталь будет обладать следующими механическими свойствами: σ0,2 – 1600Мпа, σв – 1750 Мпа, δ – 6%, ψ – 20% [1, 286].

Путем легирования можно повысить температуру отпуска (выше интервала развития необратимой хрупкости), что позволяет наряду с высоким сопротивлением малым пластическим деформациям получить хорошие пластичность и вязкость.

Легирующие элементы обеспечивают необходимую прокаливаемость и закаливаемость, повышают релаксационную стойкость сталей и предел упругости. Кремний повышает прокаливаемость, задерживает распад мартенсита при отпуске и значительно упрочняет феррит. Однако кремнистые стали склонны к обезуглероживанию поферхностных дефектов при горячей обработке и графитообразованию, что снижает предел выносливости. Дополнительное легирование Ni увеличивает их прокаливаемость и уменьшает склонность к обезуглероживанию, графитизации и росту зерна при нагреве. Сталь с никелем применяют когда упругие элементы работают в условиях сильных динамических нагрузок.

4. Назначьте марку жаропрочной стали для изготовления лопаток паровых турбин. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки стали. Опишите микроструктуру и основные свойства после термической обработки.

Для изготовления деталей паровых и газовых турбин применяют жаропрочные сплавы на основе железоникелевой основы: к ним относятся сплавы, основная структура которых является твердым раствором хрома и других легирующих элементов (W, Ti и др.) в железоникелевой основе. Стали аустенитного класса применяют для деталей, работающих при 500-750С. Жаропрочность аустенитных сталей выше, чем у перлитных, мартенситных, мартенситно-ферритных и ферритных. Для получения структуры аустенита сталь должна содержать большое количество хрома, никеля и марганца. Для достижения высокой жаропрочности их дополнительно легируют Mo, W, V,Nb и B.

Для изготовления турбинных лопаток, работающих при температуре 500-750С, применяют сплав ХН35ВТЮ. Наилучшие жаропрочные свойства сплав получает после первой закалки от 1150-1180С на воздухе, второй закалки от 1050С на воздухе и старении при 830С 8 часов.

Закалку проводят для растворения карбидных и интерметаллидных фаз в твердом растворе (аустените) и получения после охлаждения высоколегированного твердого раствора.

Старение предназначено для выделения дисперсных фаз из твердого раствора, упрочняющих сталь. Температура старения не должна выхывать заметной коагуляции избыточных фаз.

Для получения крупнозернистой структуры, применяют высокотемпературный нагрев и длительную выдержку. При этом в раствор переходит большая часть легирующих элементов. Охлаждение проводится очень быстро (на воздухе или в воде) для фиксации пересыщенного твердого раствора. После закалки делается высокотемпературное старение.