п-6 рис

Для изготовления упругих элементов общего назначения, в том числе и для торсионного вала, применяются легированные рессорно-пружинные стали. Особенности работы деталей типа упругих элементов стали состоят в том, что в них используются в основном упругие свойства стали и не допускается при нагрузке (статической, динамической, ударной) возникновение пластической деформации. В связи с этим стали должны иметь высокое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е высокие пределы упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и сопротивлении хрупкому разрушению. Важные характеристики сталей данного типа – релаксационная стойкость.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, т.е сквозную прокаливаемость (структура мартенсита по всему сечению детали после закалки).

Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна в стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода 0,5…0,7%, которые для улучшения свойств (прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легирует кремнием (1,5…2,8 %), марганцем (0,6…1,2 %), хромом(0,2…1,2 %), ванадием (0,1…0,2 %), вольфрамом (0,8…1,2 %).

В соответствии с заданием необходимо выбрать режим термической обработки для стали 60С2ХА. Эксплуатационные свойства пружинные стали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350…520 ºС) на троостит отпуска. По данным ГОСТ 1459-79 температура закалки для 60С2ХА составляет 850…870 ºС(Ас₃=780 ºС). Время нагрева под закалку для легированных сталей составляет 1,5 мин × 1мм сечения детали, время выдержки = 0,1 τ_{нагрева}. График термической обработки приведен на рис.1.

Рис.1

Структурные превращения при термической обработке

Сталь 60С2ХА - сталь перлитного класса. Критические точки стали : Ас₁=765ºС, Ас₃=780ºС. Сталь подвергают полной закалке. При полной закалке сталь нагревают до однородной мелкозернистой аустенитной структуры. Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем Vкр (критическая скорость - наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит) обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2ХА при нагреве исходной равновесной структуры Ф+П. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое строение до температуры Ас₁ (до 765ºС для стали 60С2ХА). При температуре Ас₁ в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: 1) полиморфный переход Fe_α→Feγ; 2) растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения (рис. 2):

_Ф+П[Ф+Ц]|→Ф+Ц+А→A+Ц→А→А

_{1 2 3 4}

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения гомогенного аустенита.

Из рис. 2 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали. При этом, чем дисперснее структура перлита (Ф+Ц) и чем выше скорость нагрева стали, тем больше центров зарождения аустенита, а, следовательно, возрастает дисперсность продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентратором напряжений.

Рассмотрим изменения структуры в стали при закалке.

При непрерывном охлаждении в стали с V_охл>V_кр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (̴ 1000…7000 м/с) в интервале температур М_н…М_к. При этом необходимо учитывать, что с увеличением % С точки М_н и М_к понижаются (рис. 3), в то время как введение Si их повышает.

В результате закалки стали 60С2ХА структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

60С2ХА - легированная сталь, поэтому проводим закалку в масле. Углеродистые стали имеют слишком высокую критическую скорость охлаждения (V_кр̴ 200º/с), поэтому для их закалки используют воду. У легированных сталей V_кр меньше, так как легирующие элементы увеличивают прокаливаемость, следовательно, эти стали можно закаливать в масле. При этом более крупные детали закалятся насквозь и закалочные напряжения будут меньше.

Полученный мартенсит представляет собой перенасыщенный твердый раствор углерода в α-железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (450º)

Отпуск должен обеспечить получение в стали необходимых эксплуатационных свойств.

Рассмотрим последовательность при отпуске с повышением температуры. До 80ºС диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно.

Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200ºС и приводит к формированию структуры опущенного мартенсита – смеси перенасыщенного углеродом α-раствора и когерентных с ним частиц -карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного карбида), снижаются внутренние напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…300ºС) и состоит:

1) в превращении остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) в дальнейшем распаде отпущенного мартенсита: уменьшается степень его пересыщенности до 0,15…0,2 %, начинается преобразование карбида в FeC- цементит.

3) в снижении внутренних напряжений.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400ºС, приводит к укрупнению карбидов.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250ºС) называют отпущенным мартенситом. Структуру стали после среднего отпуска 350…500ºС называют трооститом отпуска. Структуру стали после высокого отпуска 500…600º С называют сорбитом отпуска.

В стали 60С2ХА после полной закалки в масло и среднего отпуска при 450ºС образуется структура троостита отпуска. Троостит отпуска – это феррито-карбидная смесь. Феррит еще сохраняет пластинчатое строение, которое было у мартенсита, в нем сохраняется высокая плотность дислокаций. При температурах выше 400 ºС дислокации выстраиваются в стенки (полигонизация), а выделяющиеся мелкие карбиды блокируют их. В результате получается структура, очень устойчивая к малым пластическим деформациям, с высокими упругими свойствами (рис. 4).

Рис4.

После отпуска упругие элементы иногда охлаждают в воде, при этом на поверхности формируются остаточные напряжения сжатия. Это приводит к дополнительному повышению упругих свойств.

Сталь 60С2ХА. Основные данные

1.Гост 14959-79. Рессорно-пружинные стали

С	Si	Mn	Cr	Ni	P	S
0,56…0,64	1,4…1,8	0,40…0,70	0,3	0,70…1,00	0,02…0,025	0,03…0,025

3. Применение: рессоры, пружины, торсионные валы, пневматические зубила.

4. Прокаливаемость достигает 18 мм. Маловато,

5. Влияние легирующих элементов.

Кремний и хром положительно влияют на структуру, механические и технологические свойства стали: снижают критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость, уменьшают скорость распада мартенсита, сильно упрочняют феррит, повышают прочность, твердость и, прежде всего, упругие свойства стали, увеличивает сопротивление коррозии, снижает вязкость.

6. Свойства упругих элементов могут быть повышены путем поверхностного наклепа в 1,5…2 раза (обдувка дробью).

7. Недостатки стали 60С2ХА: 1) склонность к обезуглероживанию; 2) склонность к графитообразованию; 3) склонность к образованию поверхностных дефектов при горячей обработке стали, что вызывает снижение предела выносливости.

Литература

1. Рахштадт А.Г.Пружинные стали и сплавы.-3-е изд.,перераб. и доп.-М.:Металлургия,1982-400с.

2. Гуляев А.П.Металловедение.-М.:Металлургия,1997.

3. Материаловедение.Учебник для ВУЗов.Под общей редакциоей Б.Н.Арзамасова.2-е издание,перераб. и доп.-М.:Машиностроение,1986-384с.

4. Конспект лекций