Выбор режимов термической обработки для получения заданных структур в конструкционной углеродистой стали 40

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина"

Кафедра термообработки и физики металлов

Домашняя работа

Выбор режимов термической обработки для получения заданных структур в конструкционной углеродистой стали 40

Руководитель

Давыдов В. Н.

Студент

гр. Мт - 300801

Караваев М.Н.

Екатеринбург, 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ЗАДАНИЕ

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗУЧАЕМОЙ СТАЛИ 40

1.1 Химический состав

1.2 Температуры критических точек

1.3 Области применения стали 40

1.4 Характерные скорости охлаждения

2. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАДАННЫХ СТРУКТУР

2.1 Перлит и феррит

2.2 Перлит с минимальным содержанием феррита

2.3 Мелкоигольчатый мартенсит

2.4 Крупноигольчатыей мартенсит

2.5 Мартенсит и феррит

2.6 Мартенсит, феррит и троостит

2.7 Мартенсит, верхний и нижний бейнит

2.8 Сорбит отпуска

ЗАДАНИЕ

Наметить режимы термической обработки, используя изотермическую и термокинетическую диаграммы распада переохлажденного аустенита (с подробным теоретическим обоснованием) для получения следующих структур:

а) перлит и феррит;

б) перлит с минимальным количеством феррита;

в) мелкоигольчатый мартенсит;

г) крупноигольчатый мартенсит;

д) мартенсит и феррит;

е) феррит, троостит и мартенсит (с различным соотношением структурных составляющих);

ж) мартенсит и продукты промежуточного превращения в верхнем и нижнем районе температур второй ступени;

з) сорбит отпуска;

1. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИССЛЕДУЕМОЙ СТАЛИ 40

1.1 Химический состав, % (ГОСТ 1050-88)

1.2 Температура критических точек, єС

1.3 Области применения стали 40

Назначение - после улучшения - коленчатые валы, шатуны, зубчатые венцы, маховики, зубчатые колеса, болты, оси и другие детали; после поверхностного упрочнения с нагревом ТВЧ - детали средних размеров, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости и повышенной износостойкости при малой деформации.

1.4 Характерные скорости охлаждения

Расчет для термокинетической диаграммы распада переохлажденного аустенита стали 40:

Значение верхней критической скорости закалки рассчитывается по формуле:

V== = 73,3 єС/c

Значение нижней критической скорости закалки рассчитывается по формуле:

V== = 5,25 єС/c

где А₃ - температура критической точки для доэвтектоидной стали;

t_min - температура минимальной устойчивости для переохлажденного аустенита;

t_min - продолжительность инкубационного периода при t_min.

2. ПОЛУЧЕНИЕ ЗАДАННЫХ СТРУКТУР

конструкционный углеродистый сталь феррит

2.1 Перлит и феррит

На рис.1а изображена изотермическая диаграмма распада переохлажденного аустенита (ИТД) для стали 40. Для получения в структуре перлита и феррита, необходимо нагреть сталь в аустенитную область до t=1050єC (выше A= 790єС) и быстро охладить до t = 550єС. Для того, чтобы началось выделение избыточного феррита в виде сетки по границам исходного аустенитного зерна требуется выдержка 1с. Затем при той же температуре, увеличиваем время выдержки до 4 с, чтобы началось выделение перлита (кривая скорости пересекает линию начала перлитного превращения в точке 2). Полное превращение пройдет при данной температуре, если время выдержки увеличить до 11 с.

Таким образом, получить структуру перлита и феррита можно при:

t=1050єC, t= 550 єC, ф=11 c, V< V

На рис. 1б изображена термокинетическая диаграмма распада переохлажденного аустенита (ТКД) для стали 40. Для получения в структуре перлита и феррита необходим нагрев в аустенитную область до t=1050єC и непрерывное охлаждение со скоростью не ниже V, так Рис. 1а как охлаждение с такой скоростью обеспечит распад по первой ступени.

Рис. 1б

2.2 Перлит с минимальным количеством феррита

Согласно ИТД (рис. 2а), для того, чтобы в структуре содержание феррита было минимальным, необходимо произвести нагрев выше A(t=1050єC) и быстро охладить до t = 510єC (т.е. до температуры близкой к той, при которой невозможно будет попасть в область выделения феррита). Высокая степень переохлаждения способствует выделению феррита в малых количествах. Выдержав сталь 4 с при данной температуре, в ее структуре начнет выделяться перлит из оставшегося аустенита по перлитному механизму, полное превращение аустенита пройдет за время 11 с.

Таким образом, получить в структуре перлит и минимальное содержание феррита можно при:

t=1050єC, t= 510 єC, ф=11 c, V< V

На ТКД (рис 2б) данную структуру можно получить непрерывным охлаждением из аустенитной области, т.е. t принимаем в районе 1050єC, со скоростью близкой к нижней критической скорости закалки.

2.3 Мелкоигольчатый мартенсит

По ИТД (рис. 3а) нагрев до t = A+(30-50)єC,т.е. t = 810єС и быстрое охлаждение в воде со скоростью выше V обеспечат распад переохлажденного аустенита по сдвиговому механизму и в структуре будет наблюдаться мелкоигольчатый мартенсит.

t = 810єС, закалка в воде, V> V

По ТКД (рис. 3б) при непрерывном охлаждении распад аустенита до мартенсита пройдет при V> V

2.4 Крупноигольчатый мартенсит

Для получения структуры крупноигольчатого мартенсита (рис.4а) производится нагрев до t = A+100єС. Значительное повышение температуры аустенизации приводит к интенсивному росту зерна аустенита, поэтому нагрев до t = 890єС и охлаждение в воде с высокой скоростью, во много раз выше V, позволят пройти превращению по сдвиговому механизму и в структуре получить крупноигольчатый мартенсит.

t = 890єС, закалка в воде, V >>V.

Непрерывное охлаждение из аустенитной области с высокой скоростью, во много раз большей V, обеспечит распад переохлажденного аустенита по сдвиговому мартенситному механизму и появление структуры из крупных иголок мартенсита.

2.5 Мартенсит и феррит

На рис. 5а при нагреве до температуры выше A( t=1050єC) в аустенитную область и охлаждении до t =550єС,времени выдержки 1 с кривая скорости пересекает линию начала выделения избыточного феррита в точке 1, при увеличении времени выдержки до 3 с в структуре будем наблюдать феррит. Быстрое охлаждение со скоростью выше V позволит оставшемуся переохлажденному аустениту распасться по сдвиговому механизму и наряду с ферритом в структуре будем иметь мартенсит.

t=1050єC, t= 550 єC, ф=3,5 c, V >V.

При непрерывном охлаждении получить феррито-мартенситную структуру можно у доэвтектоидной стали с большой степенью доэвтектоидности.

На ТКД для данной стали 40 (рис.5б) при непрерывном охлаждении получить структуру мартенсита и феррита невозможно, так как наряду с этими составляющими будут присутствовать перлит и бейнит.

2.6 Феррит, троостит и мартенсит

Для получения заданной структуры стали (ИТД, рис 6а) необходим нагрев до t=1050єC и охлаждение до t = 510єС. При этой температуре и времени выдержки 1 с начнется выделение избыточного феррита, продлевая ф до 4 с, кривая скорости охлаждения пересекает линию начала перлитного превращения в точке 1, где заканчивается выделение феррита и начинается выделение троостита из переохлажденного аустенита. Увеличив время выдержки до 10 с при 510єС в структуре уже будет феррит и троостит, а охлаждение со скоростью V> V приведет к тому, что нераспавшийся по перлитному механизму оставшийся переохлажденный аустенит превратится в мартенсит по сдвиговому механизму.

t=1050єC, ф=100 c, t= 510 єC, V >V

Получение заданной структуры на ТКД (рис. 6б) невозможно. Так как при охлаждении с постоянной скоростью наряду с ферритом будет наблюдаться перлит, а не троостит и при дальнейшем охлаждении - бейнит.

2.7 Мартенсит, верхний бейнит и нижний бейнит

Для получения заданной структуры на ИТД (рис. 7а) необходимо нагреть сталь в аустенитную область до t = 1050єC и охладить до t = 470єC со скоростью выше скорости подавления выделения избыточного феррита V_ф, чтобы исключить в структуре появление феррита. Выдержав при температуре 470єC 2 с (кривая скорости охлаждения пересекает линию начала бейнитного превращения в точке 1) начинается выделение верхнего бейнита. Выдержка в 5 с, при данной температуре и быстрое охлаждение стали до t = 370єС приведет к тому, что в структуре начнется выделение нижнего бейнита.

Сделав выдержку при 370єС в 32 с обеспечим наличие в структуре нижнего бейнита. Последующее быстрое охлаждение с скоростью выше V позволит оставшемуся переохлажденному аустениту, не распавшемуся по промежуточному механизму (кривая скорости охлаждения не пересекла линию конца бейнитного превращения), превратиться в мартенсит путем распада по 3 ступени.

Получение заданной структуры на ТКД (рис.7б) возможно при нагреве стали в аустенитную область и охлаждении с постоянной скоростью ниже V, но выше V_ф.

2.8 Сорбит отпуска

Для того чтобы получить сорбит отпуска на ИТД (рис. 8а) необходимо провести закалку на мартенсит, то есть нагреть сталь выше A( t = 810єС) и охладить сталь со скоростью выше V. Затем снова произвести нагрев в область перлитного превращения до t =610єС (так как нагрев до температур интервала 500-600 єС приведет к появлению отпускной хрупкости) и выдержать при данной температуре 20 с. Последующее охлаждение со скоростью ниже V позволят получить в структуре сорбит отпуска.

Размещено на Allbest.ru