Твердость после термической обработки

I. Исходные данные.

№ варианта	Наименование детали	Марка стали	Состояние поставки	Твердость после термической обработки
	полуось	30ХГСА	Прокат	HB 352…415

Расшифровка.

Сталь 30ХГСА - легированная конструкционная сталь с содержанием углерода – 0,3%, 1% хрома, 1% марганца, 1% кремния, высококачественная (А).

II. Характеристика стали.

А) Температура критических точек:

Критическая точка	°С
Ac1
Ac3
Ar3
Ar1

Ас1 – нагревание стали

Ас3 – нагревание стали

Аr3 – охлаждение стали

Аr1 – охлаждение стали

Б) Назначения стали:

Различные детали: валы, тормозные ленты моторов, оси, зубчатые колеса, фланцы, корпуса обшивки, лопатки компрессорных машин, работающие при температуре до 200°С в условиях значительных нагружений, рычаги, толкатели, ответственные сварные конструкции, работающие при знакопеременных нагрузках, крепежные детали, работающие при низких температурах, и др.

Сталь 30ХГСА относится к классу конструкционных улучшаемых

сталей. Применяется для изготовления формообразующей оснастки и

ответственных сварных и механически обрабатываемых деталей, работающих в атмосферных условиях при температуре не ниже –70 ºС;

верхний предел температуры применения ограничивается температурой отпуска.

В) Химический состав:

Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 4543-71
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Mo	V	Cu
0,28-0,34	0,90-1,20	0,80-1,10	≤0,025	≤0,025	0,80-1,10	≤0,30	___	___	≤0,30

(Массовая доля элементов, %, по ГОСТ 4543-71)

C-(углерод): С увеличением содержания углерода в стали снижается плотность, растёт электрическое сопротивление и коэрцитивная сила и понижаются теплопроводность, остаточная индукция и магнитная проницаемость.

S-(сера): Снижает ударную вязкость и пластичность в поперечном направлении вытяжки при прокате и ковке, а также предел выносливости.

Mn-(марганец): Повышает прочность, износостойкость, практически не снижая пластичность и резко уменьшает красноломкость стали. А также увеличивает глубину прокаливаемости стали при термической обработке.

Ni-(никель): Действует так же, как и марганец. Кроме того, он повышает электросопротивление и снижает значение коэффициента линейного расширения.

Cu-(медь): Увеличивают коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях и понижают порок хладноломкости.

Р-(Фосфор): Уменьшает развитие трещин.

Si-(Кремний): Способствует получению более однородной структуры, положительно сказывается на упругих характеристиках стали. Кремний способствует магнитным превращениям, а при содержании его в количестве 15…20% придает стали кислотоупорность.

Cr-(Хром): Повышает твердость, прочность, а при термической обработке увеличивает глубину прокаливаемости, положительно сказывается на жаропрочности, жаростойкости, повышает коррозийную стойкость.

Г) Механические свойства в состоянии поставки:

σ_{в – предел кратковременной прочности}

σ – относительное удлинение при разрыве

Ψ – относительное сужение

KCU – ударная вязкость

HRC – твердость по Роквелу

HB – твердость по Бринеллю

Д) Механические свойства после термообработки:

Предел выносливости, Н/мм²	Термообработка	Ударная вязкость, КСU, Дж/см², при t, ºС	Термообра- ботка
σ-1	τ-1	+20		-20	-40	-60	-80
	-	Закалка с 870ºС, отпуск при 200ºС		-					Закалка с 880ºС в масле, отпуск при 580-600ºС,
	-	Закалка с 870ºС, отпуск при 400ºС
	-	Закалка с 870ºС, отпуск при 600ºС

Е) Вид стали по классификации:

Конструкционные легированные стали.

В состав легированной стали, кроме железа, углерода и неизбежных примесей, входят легирующие элементы. Они вводятся в металл для улучшения эксплуатационных или технологических свойств. Легирующие элементы вводятся в сталь в различных количествах и в разных сочетаниях - по 2, по 3 и более. Если сталь содержит в сумме до 2,5% легирующих элементов, её называют низколегированной. Сталь, содержащая 2,5-10% легирующих элементов, считается среднелегированной, более 10% - высоколегированной.

Легированная сталь получают путем введения в углеродистые стали специальных добавок:

· кремния;

· хрома;

· никеля;

· молибдена;

· марганца;

· вольфрама;

· алюминия;

· меди;

· кобальта;

Легированную сталь применяют в зависимости от назначения и количества специальных добавок. Она отличается высокой пластичностью и повышенной прочностью, что позволяет снизить вес металлических конструкций. Область применения легированных сталей определяется также их подразделением на группы: нержавеющие, кислотостойкие, окалиностойкие, жаропрочные.

Ж) Технологические свойства:

З) Прокаливаемость:

Под прокаливаемостью понимают способность сталей закаливаться на максимальную глубину. Для ответственных деталей для обеспечения максимальной надежности требуется максимальная, а лучше сквозная прокаливаемость. Увеличение прокаливаемости возможно разными способами, так повышает прокаливаемость увеличение размеров зерна аустенита, повышение температуры нагрева под закалку, уменьшение содержания вредных примесей, повышение химической однородности. Но сильнее всего увеличивает прокаливаемость введение в сталь легирующих элементов. Большинство из них сдвигают с-образные кривые вправо. Увеличивая устойчивость аустенита против перлитного распада, легирующие элементы уменьшают критическую скорость охлаждения, приближая её к скорости охлаждения сердцевины. Сильнее всех в этом направлении действует хром, а также Ni, Mo, Mn.

III.Термическая обработка материала до механической обработки.

Термическую обработку стальных деталей проводят в тех случаях, когда необходимо либо повысить прочность, твердость, износоустойчивость или упругость детали или инструмента, либо наоборот, сделать металл более мягким, легче поддающимся механической обработке.
В зависимости от температур нагрева и способа последующего охлаждения различают следующие виды термической обработки: закалка, отпуск и отжиг. В любительской практике для определения температуры раскаленной детали по цвету можно использовать приведенную таблицу.

Цвет каления стали	Температура нагрева	Цвет каления стали	Температура нагрева
Темно-коричневый (виден в темноте)	530-580	Коричнево-красный	580-650
Темно-красный	650-730	Темно-вишнево-красный	730-770
Вишнево-красный	770-800	Светло-вишнево-красный	800-830
Светло-красный	830-900	Оранжевый	900-1050
Темно-желтый	1050-1150	Светло-желтый	1150-1250
Ярко-белый	1250-1350

Отжиг стальных деталей.
Чтобы облегчить механическую или пластическую обработку стальной детали, уменьшают ее твердость путем отжига. Так называемый полный отжиг заключается в том, что деталь или заготовку нагревают до температуры 900 С, выдерживают при этой температуре некоторое время, необходимое для прогрева ее по всему объему, а затем медленно (обычно вместе с печью) охлаждают до комнатной температуры.
Внутренние напряжения, возникшие в детали при механической обработке, снимают низкотемпературным отжигом, при котором деталь нагревают до температуры 500-600 С, а затем охлаждают вместе с печью. Для снятия внутренних напряжений и некоторого уменьшения твердости стали применяют неполный отжиг - нагрев до 750-760 С и последующее медленное (также вместе с печью) охлаждение.
Отжиг используется также при неудачной закалке или при необходимости перекаливания инструмента для обработки другого металла (например, если сверло для меди нужно перекалить для сверления чугуна). При отжиге деталь нагревают до температуры несколько ниже температуры, необходимой для закалки, и затем постепенно охлаждают на воздухе. В результате закаленная деталь вновь становится мягкой, поддающейся механической обработке.

IV.Термическая обработка готовой детали.

Закалка стальных деталей
Закалка придает стальной детали большую твердость и износоустойчивость. Для этого деталь нагревают до определенной температуры, выдерживают некоторое время, чтобы весь объем материала

прогрелся, а затем быстро охлаждают в масле (конструкционные и инструментальные стали) или воде (углеродистые стали).

Обычно детали из конструкционных сталей нагревают до 880-900 С (цвет каления светло-красный), из инструментальных - до 750-760 С (цвет темно-вишнево-красный), а из нержавеющей стали - до 1050-1100С (цвет темно-желтый). Нагревают детали вначале медленно (примерно до 500 С), а затем быстро. Это необходимо для того, чтобы в детали не возникли внутренние напряжения, что может привести к появлению трещин и деформации материала.
В ремонтной практике применяют в основном охлаждение в одной среде (масле или воде), оставляя в ней деталь до полного остывания. Однако этот способ охлаждения непригоден для деталей сложной формы, в которых при таком охлаждении возникают большие внутренние напряжения.
Детали сложной формы сначала охлаждают в воде до 300-400 С, а затем быстро переносят в масло, где и оставляют до полного охлаждения. Время пребывания детали в воде определяют из расчета: 1 сек на каждые 5-6 м сечения детали. В каждом отдельном случае это время подбирают опытным путем в зависимости от формы и массы детали.

Отпуск закаленных деталей.
Смягчает действие закалки, уменьшает или снимает остаточные напряжения, повышает вязкость, уменьшает твердость и хрупкость стали. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний закалки по структуре и свойствам: при закалке цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А при отпуске он получается зернистым, или точечным, как в зернистом перлите. Отпуск является окончательной операцией термической обработки.

V. Температурные режимы термообработки.

Температурный режим термообработки включает в себя следующие составляющие: скорость нагрева, температуру нагрева, продолжительность выдержки, скорость охлаждения.

Скорость нагрева выбирается в зависимости от теплопроводности стали (химического состава) и формы детали. Если теплопроводность стали высокая, то и скорость нагрева может быть больше. При этом следует иметь в виду, что у большинства легированных сталей теплопроводность ниже, чем у углеродистых, и быстрый нагрев может привести в них к возникновению напряжений и трещин. Заготовки или детали простой формы по той же причине можно греть быстрее, чем сложной.

Температура нагрева зависит от состава стали и вида термообработки. Для углеродистых сталей она может быть определенна по диаграмме Fe₃C, для легированных приводится в справочниках. Отметим, что для каждой стали при определенном виде термообработки эта температура величина постоянная.

Продолжительность выдержки зависит главным образом от размеров деталей и условий нагрева. При нагреве деталей в газовых или электрических печах выдержка обычно назначается из расчета 1,5-2 мин. на 1мм максимальной толщины детали (при условии что детали в печи не соприкасаются друг с другом). При нагреве в жидких средах (например, в соляных ваннах), где условия теплообмена очень высоки, продолжительность выдержки берется

10-15 сек. на 1мм толщины.

Скорость охлаждения обычно задают охлаждающей средой (охлаждение в печи, на воздухе, в масле, в воде, в специальных средах).

Режим термической обработки удобно задавать графиком в координатах температура-время (см.рис.1.).

VІ . Диаграмма изотермического превращения

аустенита при охлаждении.

Диаграммы изотермического распада аустенита описываю кинетику процесса в координатах температура-время, т.е. зависимость скорости процесса от температуры переохлаждения.

Рассмотрим такую диаграмму для простейшей эвтектоидной стали (см.рис.2).

Если аустенит переохладить ниже температуры А₁, то процесс распада аустенита на феррит и цементит начнется не мгновенно, а через определенное время. Это время зависит от температуры и называется инкубационным периодом. В зависимости от температуры инкубационный период изменяется по кривой с максимумом. Этому есть следующее объяснение. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры. Чем при более низкой температуре протекает распад аустенита, тем энергетически он более выгоден, и, следовательно, скорость процесса должна увеличиться. Однако, с понижением температуры уменьшается скорость диффузии, что замедляет процесс распада. Наличием этих двух противоположно влияющих на скорость распада аустенита факторов (энергетического и диффузионного) и объясняется характер изменения инкубационного периода от температуры.

На диаграмме применяют лагорифмическую шкалу времени, чтобы можно было показать и быстро протекающие процессы и медленно протекающие (от секунд до суток).

Левый максимум на диаграмме показывает время до начала распада аустенита при разных температурах, правый- время до конца распада.

Горизонтальная линия Мн - начало мартенситного превращения.

На диаграмму с некоторыми допущениями могут быть нанесены скорости охлаждения.

Выше температуры максимальной устойчивости аустенита (относительно малые скорости охлаждения) получаются структуры перлит, сорбит и тростит. Образование их происходит в мягком пластичном аустените. Поэтому напряжения при образовании новых фаз (феррита и цементита) очень малы и перлитные участки получаются округленной формы, но цементит в них пластичный.

Ниже температуры минимальной устойчивости распад аустенита протекает в упругой среде, и выделение феррита и цементита сопровождается возникновением значительных напряжений. В таких условиях новой фазе легче расти игольчатой или пластинчатой форм очень малых размеров из-за малой скорости диффузии.

Структура эта называется бейнитом или промежуточной структурой и в рассматриваемой стали может получится только при изотермической выдержке. Различают верхний и нижний бейнит. Верхний бейнит образуется при температурах чуть ниже перегиба кривых и имеет твердость около 450НВ,

нижний образуется чуть выше начала образования мартенсита (Мн) и имеет твердость около 550НВ. Если скорость охлаждения достаточно велика и проходит левее максимума, то образуется структура закалки (М+Аост.).

Скорость охлаждения касательная к максимуму называется верхней критической скоростью закалки(Y_вкз).

Верхняя критическая скорость закалки - такая минимальная скорость охлаждения, при которой полностью подавляется диффузия, и не выделяются феррит и цементит.

Если скорость охлаждения проходит между максимами распада, то получается структура состоящая из мартенсита и тростита. Такая структура после закалки нежелательна (из-за понижения твердости) и получается, обычно, при недостаточно быстром переносе стали из печи в закалочный бак.

Диаграммы распада аустенита для сталей различного состава приводятся

в справочниках. По ним можно определить тип получаемой структуры при различных скоростях охлаждения, критическую скорость закалки, что чрезвычайно важно при назначении режима термической обработки.

В заключение отметим, что в легированных сталях скорость распада аустенита замедляется за счет уменьшения скорости диффузии, кривые распада сдвигаются вправо, что позволяет получить мартенсит при меньших скоростях охлаждения.

VII. Вывод.

В данной работе я исследовал сталь марки 30ХГСА принадлежащей к классу легированной стали, или, если точнее, среднелегированной конструкционной стали. Что такое легированная сталь? Это такой тип стали, в состав которой введены легирующие элементы. Это делается для улучшения технических характеристик обычной стали, что и в дальнейшем и определяет направление её использования.

30ХГСА обладает высокой прочностью, отличными показателями касательно ударной вязкости, выносливости. Также 30ХГСА отличается хорошей свариваемостью. При всех своих замечательных свойствах сталь 30ХГСА стоит сравнительно недорого, так как не содержит дефицитных легирующих элементов.

VIII. Список литературы.

1) «Материаловедение» Б.Н. Арзамасов, И.И Сидорин и др.

2) «Марочник сталей и сплавов» А.С. Зубченко

3) www.1metal.com, steels.h1.ru, www.svarkainfo.ru, www.ling.su, kombat.com.ua, techno.x51.ru, tmetall.narod.ru.

Министерство сельского хозяйства.

ФГОУ ВПО Тюменская сельскохозяйственная академия

Механико-технологический институт

Расчётно-графическая работа №1

Выполнил:

Проверил:

Тюмень 2008 г.

План.

I Исходные данные.

II Характеристика стали

а) температура критических точек

б) назначение стали

в) химический состав

г) механические свойства в состоянии поставки

д) механические свойства после термообработки

е) вид стали по классификации

ж) технологические свойства

з) прокаливаемость

III Термическая обработка материала до механической обработки.

IV Термическая обработка готовой стали.

V Температурный режим термообработки.

VI Диаграмма изотермического процесса.

VII Вывод по работе.

VIII Список литературы.

Дата добавления: 2015-08-27