ДЗ / Домашнее задание

Домашнее задание по материаловедению студента группы ФН4-41 Рыкова Юрия

ver 1.00

Задание:

Для деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам и работающих в режиме износа, используют улучшаемые легированные стали после азотирования.

1)Выберите сталь для тяжело нагруженного коленчатого вала диаметром 40мм. Укажите режимы предварительной термической обработки и азотирования, обеспечивающие толщину слоя 0,35-0,40 мм, твёрдость поверхности HV 900-1020, сердцевины HB 240-280. Постройте график термообработки, включающий термическую обработку и азотирование в координатах температура – время. Опишите процесс азотирования, укажите его преимущества и недостатки.

2)Опишите структурные превращения, происходящие в поверхностном слое и в сердцевине детали на всех стадиях термической обработки.

3)Приведите основные сведения об этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, требования, предъявляемые к этому виду изделий, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др…

Нам необходимо подобрать сталь для тяжело нагруженного коленчатого вала диаметром 40мм. По условию HV поверхностного слоя толщиной 0.35–0.40мм должен быть 900-1020, а HB сердцевины - 240-280.

Для достижения необходимого результата выбираем конструкционную легированную сталь 38Х2Н2МА. Она содержит много углерода, поэтому обладает необходимой твёрдостью, легирующие элементы улучшают прокаливаемость, что даст возможность получить твёрдую структуру по всему сечению.

Информация о выбранной стали:

1)ГОСТом устанавливается следующий химический состав данной стали:

С (углерод) 0.33-0.4

S (сера) до 0.025

P (фосфор) до 0.025

Si (кремний) 0.17-0.37

Mn (Марганец) 0.25-0.5

Ni (никель) 1.3-1.7

Cr (хром) 1.3-1.7

Mo (молибден) 0.2-0.3

Cu (медь) до 0.3

2)Из данной стали изготавливаются валы, шатуны, болты, шпильки и другие крупные особо ответственные тяжелонагруженные детали сложной конфигурации, применяемые в улучшенном состоянии. Не применяется для сварных конструкций.

3)У этой стали A1=753 С^о,

A3=790 С^о.

При комнатной температуре после закалки и отпуска:

предел прочности σв=1080МПа

предел текучести σ0,2=930МПа

KCU=780кДж/м²

4)Легирующие элементы понижают критическую скорость охлаждения, тем самым повышая прокаливаемость изделия.

Для изготовления вала необходим твёрдый материал, особенно на поверхности. Поэтому для достижения необходимой твёрдости проводим закалку при Т= 820С^о (это выше A3 на 30С^о): выдерживаем в печи 40 минут (из расчета одна минута на миллиметр сечения), затем охлаждаем в воде или масле. Потом проводим термическую обработку - высокий отпуск + азотирование: выдерживаем в печи при температуре 600 градусов в среде аммиака 40 часов и охлаждаем в масле. Операцию азотирования проводим для достижения высокой твёрдости на поверхности.

Опишем процессы, проходящие в стали при обработке:

1)Отжиг. Здесь, нагревая до 730С^о (это ниже A1 на 23С^о), а потом медленно охлаждая, мы приводим металл в равновесное состояние, получаем две равновесные структурные составляющие: феррит и перлит. Это даёт нам возможность после последующей обработки получить

2)Закалка. При нагреве до температуры закалки (820 С^о выше A3 на 30С^о) весь углерод растворяется в железе и получается раствор углерода в железе с ГЦК решеткой, называемый аустенит. (выше 820С^о нагревать не следует, а то начнут расти аустенитные зёрна, границ станет меньше, дислокации смогут перемещаться свободнее и прочность окажется не такой высокой). Затем БЫСТРО охлаждаем, тем самым не давая времени на диффузию. В результате мы получаем не смесь феррита и перлита, а новую структуру – мартенсит. Мартенсит – это новая фаза с ОЦТ решеткой, образуется она в виде пластин. Между мартенситными пластинами остаётся аустенит. Расстояние между пластинами мало, а дислокациям практически невозможно пройти сквозь них, следовательно мало и расстояние пробега дислокаций.

3)Отпуск. Сталь после закалки получается твёрдой, но хрупкой, так как появление мартенсита создало внутреннее напряжение. Для снятия этого напряжения проводится отпуск. При нагреве мартенсит и аустенит распадаются, образуются мелкие ε-карбиды, затем формируются вкрапления цементита. Мы получаем очень дисперсную структуру феррита с зернистыми вкраплениями цементита (сорбит). В отличие от перлита она является более пластичной, так как цементит теперь в виде зёрен, а не пластинок. Дислокациям очень трудно перемещаться между зёрнами, они изгибаются, переплетаются, тем самым мы получаем увеличение твёрдости.

4)Азотирование. При температуре 600 С^о в среде аммиака азот засчёт диффузии проникает в поверхностный слой изделия. Этот процесс идёт медленно, поэтому из расчета 10 часов на 0,1мм проазотированного поверхностного слоя, термохимическую обработку надо проводить 40 часов. Азот повышает твёрдость поверхностного слоя до необходимых HV 900-1020. Главными недостатком процесса азотирования являются его большая длительность и использование токсичного аммиака.

В

отжиг

закалка

отпуск + азотирование

40 часов, охлаждение в масле

T=730 С

охлаждение на воздухе

масло

T=820 С

T=600 С

ремя отжига 1 час при температуре 730 С^о. Охлаждение в печи или на воздухе.

Время закалки 40 минут (из расчета одна минута на миллиметр сечения) при Т= 820С^о. Охлаждение в масле.

Время термохимической обработки (азотирования) 40 часов (из расчета 10 часов на 0,1мм азотированного слоя) при температуре 600 С^о охлаждение в масле.