8.2.4. Контрольное задание 2

Для проверки качества усвоения изученных материалов каждому студенту необходимо выполнить следующее.

1. Подобрать оптимальные режимы термической обработки (закалка и отпуск) для заданной марки стали из числа наиболее широко применяемых в общем машиностроении: углеродистых конструкционных по ГОСТ 1050-88, легированных по ГОСТ 4543-71. Марка стали выбирается по табл. 8.3 в соответствии с номером зачётной книжки студента (учитываются последние две цифры).

Примечание. При изучении структурных превращений стали необходимо учитывать, что наличие хрома (Х), марганца (Г) или другого легирующего элемента в количестве около 1% приводит к смещению критических точек влево, а свойства легированной стали становятся близкими к свойствам углеродистой стали с более высоким (на 0,05%) содержанием углерода. Например, свойства стали 40Х близки к свойствам стали 45, 40ХН – к стали 50 и т.д.

2. Описать структурные превращения, происходящие в стали при проведении закалки и отпуска, обратив внимание на влияние легирующих элементов.

3. Охарактеризовать структуру и свойства стали после проведения термической обработки. Привести обоснованные значения традиционных показателей механических свойств: σ_В, σ_Т, δ₅, ψ, НВ или НRC;KCU, KCV(а_Н).

4. Указать возможное применение рассматриваемой стали.

Таблица 8.3

Варианты выбора марки стали для выполнения контрольного задания 2

Вариант	Последние цифры № зачётной книжки	Марка стали	Вариант	Последние цифры № зачётной книжки	Марка стали	Вариант	Последние цифры № зачётной книжки	Марка стали
1	01, 46	40Г2	16	16, 61	45	31	31, 76	40Х
2	02, 47	38ХА	17	17, 62	45Х	32	32, 77	40Г
3	03, 48	30Х	18	18, 63	45Г	33	33, 78	40ХН
4	04, 49	30Г2	19	19, 64	50	34	34, 79	35Х
5	05, 50	25ХГ	20	20, 65	50Х	35	35, 80	35Г
6	06, 51	20ХГ	21	21, 66	50Г	36	36, 81	35
7	07, 52	40ХГТ	22	22, 67	25Г	37	37, 82	40ХС
8	08, 53	40ХНВ	23	23, 68	30Г2	38	38, 83	38ХМ
9	09, 54	35ХМ	24	24, 69	35Г2	39	39, 84	30
10	10, 55	30ХМ	25	25, 70	40ХФ	40	40, 85	25Г
11	11, 56	30Х	26	26, 71	45Г2	41	41, 86	15Н2М
12	12, 57	30Г	27	27, 72	50Г2	42	42, 87	20Н2М
13	13, 58	40	28	28, 73	45Г	43	43, 88	20ХН
14	14, 59	40Х	29	29, 74	45Х	44	44, 89	30ХГС
15	15, 60	40Г	30	30, 75	20ХН3А	45	45, 90	50ХН

Вопросы для самопроверки

1. С какой целью проводится закалка стальных заготовок?

2. Как зависят структура и свойства стали от режима охлаждения и применяемой охлаждающей среды при закалке?

3. Какие структуры формируются в стали после закалки и какими свойствами они обладают?

4. Что такое "отпуск", с какой целью он проводится, какие разновидности отпуска применяются в промышленности?

5. Что такое остаточный аустенит, при каких условиях он возникает и как от него избавиться?

6.Каковы достоинства и недостатки объёмной закалки деталей?

7. Что такое "старение" металла, какие разновидности старения известны и какие изменения структуры и свойств металла происходят при старении?

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. ГОСТ 380-2005. Сталь углеродистая обыкновенного качества. Марки. – М.: Стандартинформ, 2009.

2. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия. (С измен. 1,2,3) – М.: Стандартинформ, 2008.

3. ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия. (С измен. 1,2,3) – М.: Стандартинформ, 2003.

4. ГОСТ 1435-99. Прутки, полосы и мотки из инструментальной нелегированной стали. Общие технические условия. – М.: Изд-во стандартов, 2001.

5. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. (С измен. 1,2,3,4,5) – М.: Изд-во стандартов, 2003.

6. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя: В 3 т. Т.1. – М.: Машиностроение, 1992. С. 93-121.

7. Стали для нефтегазового оборудования. Международный транслятор/Под ред. В.Я. Кершенбаума, В.В, Ремизова. – М.: Наука и техника, ИНТАК, 1998. – 675 с.

8. Фридман Я.Б. Механические свойства металлов. – М.: Оборонгиз, 1952.

9. Гуляев А.П. Металловедение: Учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1978–647 с.

10. Атлас микроструктур углеродистых сталей и сплавов./М.А. Криштал, А.К. Тихонов, Ж.Л. Евменова и др.- Тольятти: Тольяттинский политехн. ин-т., 1988. – 80 с.

11. Безпалько В.И. Технология конструкционных и трубопроводостроительных материалов: Учебное пособие. – М.: Академия. – 2008. 416 с.

12. Мосталыгин Г.П., Толмачевский И.Н. Технология машиностроения: Учебник для вузов. – М.: Машиностроение, 1990. – 288 с.

13. Определение причин разрушения диска упорного подшипника насосного агрегата НМ 1250х400 (ЛПДС "Никулино"). Отчёт по договору № 14 от 08.07.2002. – Самара, СамГТУ, 2002. – 20 с.

14. Светличнов К.В. Формирование свойств сталей и сплавов методами термической и химико-термической обработки: Учеб. пособ. – Самара: Самарск. гос. техн. ун-т. 2003. – 30 с.

15. Трахтенберг Б.Ф., Кенис М.С., Светличнов К.В., Трошина Л.В. Технико-экономическое обоснование маршрутной технологии обработки металлических сплавов: Учеб. пособ. – Самара: Самар. гос. экон. акад. – 1995. – 92 с.

16. Технология материалов объектов трубопроводного транспорта: Учебник /К.В. Светличнов; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2011– 433 с.

Приложение

Сокращения слов, термины и определения, использованные в работе

Разновидности кристаллических решёток и размеры зерна

ОЦК – объёмно-центрированная кубическая кристаллическая решетка с 9 атомами (8 атомов по углам решетки + один в центре куба), в обычных условиях характерна для хрома, вольфрама, ванадия и молибдена; железо имеет такую решетку в интервале температур от комнатной до 910^оС и при нагревании в интервале температур от 1392 до 1539^оС (α-железо).

ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка с 14 атомами (8 атомов по углам + 6 атомов, расположенных по центру каждой грани), характерна для алюминия, меди, серебра, золота, платины, а также для железа в интервале температур от 910 до 1390^оС (γ-железо).

ГПУ – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка с 17 атомами, характерна для цинка, магния, титана (в интервале температур от комнатных до 885^оС), теллура, бериллия, гафния и некоторых других металлов; углеродистые стали такую (пересыщенную атомами углерода) решетку приобретают в результате некоторых режимов термической обработки.

Наследственно мелкозернистая, наследственно крупнозернистая – характеристики, определяющие поведение сталей при наличии перегрева. Мелкозернистые стали, в отличие от крупнозернистых, допускают более высокую степень перегрева, с которого начинается резкий рост зерна. Размер зерна структуры при нормальной (комнатной) температуре не всегда является отражением наследственных свойств, так как для одной и той же стали возможно получение структуры с разным размером зерна - в зависимости от режима проведённой термической обработки.

Характеристика структурных составляющих

Аустенит (А) – твёрдый раствор внедрения углерода в γ-железе, в железоуглеродистых сплавах существует только при высоких температурах. Предельная растворимость углерода в γ-железе 2,14% при температуре 1147^оС и 0,85 – при 727^оС. Температура 727^оС является нижней границей устойчивого существования аустенита в железоуглеродистых сплавах. Аустенит имеет твёрдость НВ 160-200 и весьма пластичен (δ = 40-50%).

Бейнит – структура, образованию которой способствует совместное протекание диффузионного (перлитного) и бездиффузионного (мартенситного) превращения при изотермической выдержке, а также при закалке с определёнными скоростями углеродистых сталей. Различают верхний бейнит (НВ ~ 450) с перистым строением, напоминающим строение перлита, и нижний бейнит (НВ ~ 550), имеющий игольчатое строение, похожее на строение мартенсита. Для верхнего бейнита характерно плохое сочетание механических свойств – недостаточная прочность (σ_В) при низких значениях пластичности (δ и KCU, KCV). Нижний бейнит обладает высокой прочностью при хорошем её сочетании с пластичностью и вязкостью.

Ледебурит (Л) – механическая смесь (эвтектика) аустенита и цементита, содержащая 4,3% углерода. Ледебурит образуется при затвердевании жидкого расплава при температуре 1147^оС. Ледебурит имеет твёрдость НВ 600-700 и большую хрупкость. Поскольку при температуре 727^оС аустенит превращается в перлит, то это превращение охватывает и аустенит, входящий в состав ледебурита. Вследствие этого при температуре ниже 727^оС ледебурит представляет собой уже не смесь аустенита с цементитом, а смесь перлита с цементитом.

Мартенсит (М) - мелкоигольчатая структура, представляющая собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в α-железе. Образуется при закалке конструкционных высокоуглеродистых и легированных сталей со скоростями охлаждения V_охл≥V_кр. Свойства мартенсита зависят от содержания углерода: при содержании углерода 0,40% мартенсит имеет твёрдость HRC 52…54, а при 1,0% - HRC 62…65.

Перлит (П) – механическая смесь (эвтектоид, т.е. подобный эвтектике, но образующийся из твёрдой фазы) феррита и цементита, содержащая 0,8% углерода. Перлит может быть пластинчатым и зернистым (глобулярным), что зависит от формы цементита (пластинки или зёрна) и определяет механические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет предел прочности σ_В = 800 МПа; относительное удлинение δ = 15%; твёрдость НВ 160. Образование перлита происходит следующим образом. Пластинка (глобуль) цементита начинает расти от границы зерна аустенита (центром кристаллизации также может быть неметаллическое включение). При этом соседние области обедняются углеродом и в них образуется феррит. Этот процесс приводит к образованию зерна перлита, состоящего из параллельных пластинок или глобулей цементита и феррита. Чем грубее и крупнее выделения цементита, тем хуже механические свойства перлита.

Сорбит - является более мелкой (в сравнении с перлитом) дисперсной смесью феррита и цементита, обладающей более высокой прочностью и пластичностью. При закалке высокоуглеродистых и легированных сталей характеризуется твёрдостью HRC 25…30 и размерами зерна Δ_о = 0,25.10^-3 мм.

Тростит – представляет собой очень тонкую (в отличие от перлита и сорбита) дисперсную смесь феррита и цементита. Образуется при закалке заготовок из легированных сталей. Характеризуется достаточной прочностью, повышенной твёрдостью (НВ 330…400, HRC 40…45), умеренной вязкостью и пластичностью; имеет размеры зерна Δ_о = 0,1.10^-3 мм.

Феррит (Ф) – твёрдый раствор внедрения углерода в α-железе. Растворимость углерода в α-железе при комнатной температуре до 0,005%; наибольшая растворимость – 0,02% при температуре 727^оС. Феррит имеет незначительную твёрдость (НВ 80-100) и прочность (σ_В = 250 МПа), но высокую пластичность (δ = 50%, ψ = 80%).

Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe₃C), содержит 6,67% углерода. Температура плавления цементита около 1600^оС. Он имеет очень высокую твёрдость (НВ ~ 800), хрупкость и практически не обладает пластичностью. Цементит неустойчив и в определённых условиях распадается, выделяя свободный углерод в виде графита по реакции Fe₃C → 3Fe + C.

Термины, характеризующие термическое воздействие на металл

Т_пл – температура плавления металла. Различают металлы легкоплавкие с температурой плавления ниже 700^оС (олово–232^о, свинец-327^о, цинк-419^о, магний-650^о, алюминий-659^оС) и тугоплавкие, с более высокой температурой плавления (железо-1539^о, титан-1705^о, молибден-2622^о, тантал-2950^о, вольфрам-3416^оС).

ТО – термическая обработка, включающая типовые процессы: отжиг (диффузионный, полный, неполный, рекристаллизацию), нормализацию, закалку (объёмную, закалку поверхностных слоёв детали с применением нагрева ТВЧ и ТПЧ), отпуск (низкий, средний, высокий).

ХТО – химико-термическая обработка, включающая варианты обработки, направленной на упрочнение поверхностных слоёв детали. К ним относятся: цементация (насыщение углеродом), азотирование (азотом) и цианирование (совместное насыщение металла углеродом и азотом).

ТВЧ закалка – воздействие на стальную заготовку токами высокой частоты с целью упрочнения (закалки) поверхностных слоёв детали на глубину от десятых долей до нескольких мм.

ТПЧ – воздействие на стальную заготовку токами промышленной частоты с целью упрочнения (закалки) или нагрева перед пластической деформацией.

Обработка холодом – низкотемпературное (-40, -60^оС и ниже) воздействие на стальную заготовку при закалке на мартенсит с целью ликвидации остаточного аустенита. Является действенным средством в борьбе с хладноломкостью легированных сталей. Созданием искусственных условий для быстрого превращения остаточного аустенита в мартенсит предотвращается самопроизвольное течение этого процесса в условиях реальной эксплуатации детали (машины, механизма) при низких температурах окружающей среды. Тем самым устраняются причины для развития хрупкости металла и преждевременного разрушения детали (машины, механизма).

142