Московский Государственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Домашнее задание

по предмету

Материаловедение

вариант 431С

***

2004г.

Задание

Валы, траверсы, зубчатые колеса, крепежные детали трубопроводов высокого давления изготавливаются из стали 40ХФА.

1. Укажите оптимальный режим термической обработки вала из этой стали обеспечивающий твердость в сердцевине до 350НВ. Постройте график термической обработки для этой стали в координатах температура – время.

2. Опишите структурные превращения, происходящие при термической обработке.

3. Приведите основные сведения об этой стали: ГОСТ, химический состав, влияние легирующих элементов, достоинства, недостатки и др.

Основные свойства, которыми должны обладать стали этого назначения, - высокая износостойкость постоянство размеров и формы в течение длительного срока службы. К дополнительным требованиям относят возможность получения низкой шероховатости поверхности и малой деформации при термической обработке.

Обоснование выбора материала:

Выбор материала для изготовления детали производится из условия, какие нагрузки будет испытывать деталь при работе в составе изделия – статические, динамические, продолжительность их воздействия. Важной характеристикой является технологичность материала, т.е. насколько трудоемки технологические процессы приготовления из него различных деталей. Не менее важна стоимость материала, определяющая возможные объемы его применения.

Для изготовления валов рекомендуется использовать среднеуглеродистые низколегированные стали типа 40Х, 50Х, 40ХФА. Высокую конструктивную прочность деталей из этих материалов обеспечивают высокие значения прочности, работы распространения трещины КСТ и вязкости разрушения К1С при низком пороге хладноломкости.

Наибольший интерес из рекомендуемых материалов для изготовления валов представляет сталь 40ХФА. Введение 0.1 – 0.2 % V повышает механические свойства хромистых сталей, главным образом вязкость, вследствие лучшего раскисления и измельчения зерна.

Обоснование технологии выбора термической обработки:

Сталь 40ХФА – доэвтектойдная, среднеуглеродистая, низколегированная. Наилучшее сочетание прочности и пластичности, что обеспечивает хорошую работу материала при динамических нагрузках, сталь приобретает после динамической обработки, состоящей из закалки и последующего высокотемпературного отпуска. Такой вид термообработки называется улучшением и обеспечивает в данной стали структуру сорбита, являющуюся носителем оптимальных эксплуатационных свойств.

Получение структуры сорбит для данной стали можно достичь и просто отжигом ее при тех же температурах, при которых материал нагревается под закалку, с последующем охлаждением на воздухе. Такой технологический процесс называется нормализацией. Однако улучшение этих сталей в отличии от нормализации обеспечивает повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, высоким сопротивлением развитию трещины, снижает порог хладноломкости.

Режим термической обработки стали:

Для стали 40ХФА выбрана термическая обработка, состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 830..850 °С. Исходная структура стали феррита+перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Исходя из сказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1мм поперечного сечения детали – 45-75 сек в электропечах и 15-25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15..20 % от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т.е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется – аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки – высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1 , выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=650 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда – масло. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Режим химико-термической обработки:

Химико-термической обработкой называют обработку, заключающуюся в сочетании термического и химического воздействий на металлы и сплавы для изменения химического состава структуры и свойств в поверхностных слоях. Химико-термическая обработка сводится к диффузионному насыщению поверхностного слоя стали неметаллами или металлами в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Для получения требуемых свойств проводим химико-термическую обработку – азотирование. Азотирование – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар и др. Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH3(25 – 60 %). На обрабатываемой поверхности происходит диссоциацияNH3 с образованием ионов азота, которые адсорбируются поверхностью и диффундируют в глубь металла. Твердость азотированного слоя на железе невелика ~ 300 – 350 НВ. Зоны ГП и обособленные выделения нитридов препятствуют движению дислокаций и тем самым повышают твердость азотированного слоя. Износостойкость азотированной стали намного выше, чем износостойкость цементированной и закаленной. В азотированном слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 600 – 800 МПа. Это повышает предел выносливости и переносит очаг усталостного разрушения под азотированный слой. Предел выносливости гладких образцов возрастает на 30 – 40 %, а при наличии концентраторов напряжений – более чем на 100 %.