Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Домашнее задание

по курсу

Материаловедение

Студент: ***

Группа: ***

Преподаватель:

Вариант: 121C

Москва 2004г.

Вариант 121С

Сталь 40ХНМА идет на изготовление коленчатых валов, шатунов, шестерен, ответственных болтов и других нагруженных деталей сложной конструкции.

1. Укажите оптимальный режим термической обработки вала диаметром 40 мм из стали 40ХНМА. Постройте график термической обработки в координатах температура – время.

2. Опишите структурно превращения, происходящие при термической обработке этой стали.

3. Приведите основные сведения об этой стали, ГОСТ, химический состав, свойства, требования, предъявленные к улучшенным сталям, влияние легирующих элементов на прокаливаемость и вязкость стали, достоинства, недостатки и т.д.

Отчет

Циклическая прочность стали определяет работоспособность большой группы ответственных деталей машин – валов, осей, шатунов, валов-шестерен и др. Основой выбора стали для таких деталей служит предел выносливости σ_-1. Наряду с σ_-1 используют и такие параметры, как σ_в, σ_0.2, ударную вязкость, сопротивление износу, прокаливаемость. Высокая циклическая прочность стали достигается в том случае, если она оказывает высокое сопротивление зарождению трещин усталости и их развитию. Механизм зарождения усталостной трещины связан с развитием и накоплением в поверхностном слое микропластической деформации. Он основан на движении дислокаций, возможность перемещения которых при напряжениях ниже предела текучести обусловлена анизотропией кристаллов и их случайной ориентацией. Упрочненный поверхностный слой в виде жесткой оболочки затрудняет выход дислокаций на поверхность и тем самым препятствует развитию на ней повреждений и образованию трещин усталости.

Для деталей, работающих при циклических нагрузках, преимущественно применяют стали нормальной и повышенной статической прочности., из них предпочтения отдают улучшаемым сталям: углеродистым и низколегированным, обрабатываемых на структуру сорбита.

Оптимальный режим термической обработки.

Данная сталь является среднеуглеродистой (0,3-0,5% С) низколегированной сталью, поэтому наиболее высокие механические свойства приобретают после термического улучшения - закалки и высокого отпуска (580-600С) на структуру сорбита. Улучшение этой стали, обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины. Кроме того, улучшение заметно снижает порог хладноломкости, который в этой стали, в отличие от низкоуглеродистых, лежит при более высоких температурах. Высокие механические свойства при улучшении возможны при обеспечении требуемой прокаливаемости, которая для данной стали, служит важной характеристикой. Кроме прокаливаемости важно получить мелкое зерно и не допустить развития отпускной хрупкости. Механические свойства улучшаемой стали определяются температурой отпуска, так как в зависимости от легирования разупрочнение одних сталей при отпуске идет быстрее, других - медленнее.

По данным ГОСТ 4543-71 температура закалки для стали 40ХМНА составляет 850С. В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 600С (вода).

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств:

0,2 = 850 МПа;  = 20 %;

в = 950 Мпа;  = 62 %;

t

A ( 850°C)

A₃ ( 805°C)

A₁ ( 740°C)

масло

вода

τ

Рис. 1. Режим термической обработки стали 40ХНМА.

Структурные превращения при термической обработке.

Критические точки стали: Ас1 = 800С, Ас3 = 865С. Сталь подвергают полной закалке, при этом её нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем Vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры Ас1 . При температуре Ас1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы зерна аустенита зарождаются в основном на границах раздела фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход Fe  Fe и растворение цементита в аустените.

Общая схема превращения:

П(Ф+Ц)  Ф+Ц+А  А+Ц  А(неоднородный)  А(гомогенный)

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

Фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна стали. При этом, чем выше дисперсность структуры перлита и вкорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалке в масло. При непрерывном охлаждении в стали аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение в сталях развивается с большой скоростью в интервале температур Мн…Мк. Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твёрдый раствор углерода в -железе и имеет тетрагональную кристаллическую решётку.

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

Превращения в закалённой стали при высоком отпуске (600С). Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идёт медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80…200С и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом -раствора и когерентных с ним частиц -карбида. В результате этого снижается степень тетрагональности мартенсита, уменьшается его удельный объём, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260С (300С) и состоит из следующих этапов:

1. Превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2. Распад отпущенного мартенсита;

3. Снижение остаточных напряжений;

4. Некоторое увеличение объёма, связанное с переходом А_ост в М_отп.

5. Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300…400С . При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижающая остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400С активизирует процесс коалесценций карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементитной смеси.

В стали 40ХНМА после полной закалки в масле и высокого отпуска образуется структура сорбит отпуска.