Структурные превращения при термической обработке.

Отчет

Слесарно-монтажный инструмент применяется очень широко. Он пригодится в бытовых ремонтах для домашнего мастера или профессиональных работ на производстве, для технического обслуживания автомобилей или ремонта по электричеству.

Углеродистые стали используют для инструментов, не подвергаемых в процессе работы нагреву до температур выше 150—200° С и не требующих при изготовлении значительного шлифования (инструменты для ручной работы напильники, метчики, развертки, ножовки, топоры, колуны, стамески, слесарно-монтажные и хирургические инструменты, бритвы, штамповый инструмент для деформирования в холодном состоянии, некоторые измерительные инструменты).

Применение инструментальных углеродистых сталей определяется содержанием в них углерода. Чем выше содержание в стали углерода, тем выше твердость стали в закаленном состоянии и тем ниже ее ударная вязкость. Поэтому для слесарно-монтажного инструмента, подвергающегося в работе ударам (зубил, клейм, молотков, кувалд и т. п.), применяют стали марок У7 и У7А. Инструменты, подвергающиеся в работе ударам и в то же время требующие повышенной твердости — матрицы, пуансоны, пробойники, ножи ножниц для резки металла, пневматические зубила и т. д., изготовляются из сталей марок У8, У8А, реже У8Г, У8ГА, У9, У9А. Для отверток применяются углеродистые стали 50-70.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью (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 стали.

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке (950 ^оС, охлаждение в масле) и среднем отпуске (400 ^оС) Температура критических точек стали 60 Ac₁ = 725, Ac₃ = 750, Ar₃ = 745, Ar₁ = 690 Химический состав в стали 60: С=0.57-0.65, Si=0.17-0.37, Mn=0.5-0.8, Ni<=0.25, S<=0.04, P<=0.35, Cr<=0.25, Cu<=0.25, As<=0.08.

Схема Т.О.

t

900 ^оС

750 ^оС А₃

725^оС А₁

400 ^оС

Масло Масло

Ф+П Ф+Т

средний

Закалка отпуск

Mз Тотп

Режим термической обработки показан на рис. 1: закалка и средний отпуск. По данным ГОСТ 14059-79 температура закалки для стали 60 составляет 950 ^оС (А₃ – 750 ^оС). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 400 ^оС (выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура тростита отпуска (мелкодисперсная ферритоцементистая смесь) обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при HRC=47, при этом

Указанный режим термической обработки обеспечивает получение следующих свойств (минимальные значения):

σ_0,2=1430, σ_в=1690, δ=2, ψ=3

Твёрдость после отпуска при 400 ^оС HB=450 (примерно HRC 47)

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 60 - сталь перлитного класса. Структура стали 60 в равновесном состоянии при комнатной температуре Ф+П(Ф+Ц). Критические точки стали: А₁=725 10 ⁰С, А₃=750 10 ^оС. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры.

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

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60 при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры А₁ (725 ^оС для стали 60). При температуре А₁ 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: полиморфный переход и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

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

При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же 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 с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000...7000 м/с) в интервале температур М_н...М_к.

Как мы видим по диаграмме, для стали 60 при комнатной температуре мартенситное превращение не заканчивается, так что остается некоторое количество исходного аустенита.

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

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

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (400 ^оС).

Нагрев закаленной стали до температуры А₁ принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60 после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80 ^оС диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200 ^оС и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом -раствора и когерентных с ним частиц -карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного -карбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200...260 ^оС (300 ^оС) и состоит из следующих этапов:

1) превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15...0,2%, начинается преобразование -карбида в - цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) снижение остаточных напряжений;

4) некоторое увеличение объема, связанное с переходом А_ост М_отп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300...400 ^оС. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 ^оС активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250 ^оС) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска

350...500 ^оС – трооститом отпуска; после высокого отпуска 500...600 ^оС – сорбитом отпуска.

В стали 60 после полной закалки в масле и среднего отпуска при 400 ^оС образуется структура троостита отпуска.

Сталь 60. Основные данные.

1. ГОСТ 1050-88. СТАЛЬ КАЧЕСТВЕННАЯ
И ВЫСОКОКАЧЕСТВЕННАЯ.

2. Химический состав, %.

3. Применение: цельнокатаные колеса вагонов, валки рабочие листовых станов для горячей прокатки металлов, шпиндели, бандажи, диски сцепления, пружинные кольца амортизаторов, замочные шайбы, регулировочные шайбы, регулировочные прокладки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой прочности и износостойкости..

4. Прокаливаемость колеблется в зависимости от расстояния от торца прутка. При 1.5 мм имеем от 57,5 до 63,5 мм, при 48- от 25 до 34 мм. Как мы видим, наши 10 мм отвертки попадают под эти цифры с запасом.

Прокаливаемость – это глубина проникновения закаленной зоны

Критический диаметр Dкр – это максимальнй диаметр циллиндрического прутка, прокаливаемого насквозь в данном охладителе.

Для стали 60 Dкр при закалке в масле при содержании мартенсита в 50% составляет 10-20 мм, при содержании мартенсита в 90% 3-12 мм. Для полной прокаливаемости нашего изделия Dизд (10 мм) должно быть меньше Dкр.

5. Влияние легирующих элементов (Л.Э.).

Растворение легирующих элементов в Fe_a происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Изменение размеров решетки в следствии несовпадений атомного радиуса л. э. с атомным радиусом железа вызывают изменение свойств феррита- прочность повышается, а пластичность снижается.

Хром, Молибден, Вольфрам упрочняют феррит меньше, чем никель, марганец и кремний. На счет последнего, хотя по причине неизбежного присутствия кремния в сплаве его не причисляют к легирующим элементам, но при присутствии более 2% (на практике- 2,5%) оказывает серьезное влияние.

Молибден, Вольфрам, а так-же Марганец и Кремний (при наличии последних более 1%) снижают вязкость феррита.

В стали 60 легирующих элементов не наблюдается.

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

Список использованной литературы

1.Рахштадт А. Г. Пружинные стали и сплавы. 3-е изд. перераб. и доп. М.: Металлургия, 1982.400 с.

2.Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.

3.Марочник сталей и сплавов, под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г. 640с.

.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: