Выбор стали для рессор больших грузовых автомашин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки РФ

Кузбасская государственная педагогическая академия

Технолого-экономический факультет

Курсовая работа

Выбор стали для рессор больших грузовых автомашин

Выполнила: студентка

2 курса группы ТП 10-02

Овечкина А. И.

Проверил: профессор

Ростовцев А. Н.

Новокузнецк

2012



Содержание

Введение

Глава 1. Общие технические условия листовых рессор большого автотранспорта

1.1 Основные параметры и размеры

1.2 Технические требования

1.3 Виды контроля и испытаний

Глава 2. Характеристика и анализ рессорных сталей

2.1 Углеродистые качественные стали

2.2 Легированные стали

Глава 3.Практическая часть

Заключение

Список литературы



Введение

Тема «Выбор стали для рессор больших грузовых автомашин», на мой взгляд, является одной их наиболее актуальных, поскольку стали и сплавы с высокими упругими свойствами в настоящее время находят широкое применение в машино- и приборостроении. В машиностроении их используют для изготовления рессор, амортизаторов, силовых пружин различного назначения, в приборостроении - для многочисленных упругих элементов: мембран, пружин, пластин реле, сильфонов, растяжек, подвесок и т.п. листовой автотранспорт рессор легированный

Рессора для грузовых автомобилей, как деталь, гораздо старше не только грузовиков, но и автомобилей в целом. Она активно применялась ещё в гужевом транспорте, и с тех пор принципиально не изменилась.

Рессора - это разновидность пружины, которая представляет собой пластину или конструкцию из пластин, работающих на изгиб. Следовательно, и физические свойства у рессор идентичны свойствам пружины - жесткость, ход и т.д. Причем, в отличие от пружины винтовой, рессора при перегрузке всегда частично или полностью разрушается. Поэтому, рессоры для грузовиков важно правильно подобрать - в абсолютном соответствии с конкретной моделью машины. Это не всегда просто - множество мировых и российских производителей выпускают широкие модельные ряды грузовиков, предназначенных для перевозки грузов различного вида и массы. Нельзя забывать и про особенности российских дорог, которые могут существенно различаться, а где-то и попросту отсутствовать. Вывод: рессоры для грузовиков нужно выбирать с учетом конкретной модели машины и условий её эксплуатации. И особое внимание стоит уделять относительному положению рессор относительно отбойников и ограничителей хода. Так же в устройстве рессор немаловажную роль играет палец.

Глава 1. Общие технические условия листовых рессор большого автотранспорта

Рессоры для грузовиков бывают однолистовыми, малолистовыми и многолистовыми. Для машин, наиболее популярных в России, более свойственны многолистовые рессоры, передняя рессора и задняя рессора. Смысл такой конструкции состоит в том, что дополнительными листами укрепляются наиболее нагруженные участки, и на рессору по всей длине действует относительно равномерное напряжение. Конструкция получается достаточно жесткая, все листы оказываются в равных условиях (что особенно важно на неровной дороге), и они все прослужат одинаковое время. К тому же, в связи с трением листов друг о друга уменьшается раскачка грузовика. Но, нужно отметить, что современные европейские и американские автопроизводители предпочитают идти немного другим путем, вводя дополнительные рессоры или усложняя конструкцию опор. Так что вопрос оптимальной конструкции рессор ещё не закрыт и остается спорным.

Для изготовления листов для рессор применяют горячекатаные листы из углеродистой пружинной стали. Такой материал обладает достаточной прочностью, упругостью и характеристиками поверхности. Требуемая форма придается путем штамповки (на большом производстве) или рихтовкой. После гибки, необходима соответствующая термообработка и желательно дополнительное упрочнение поверхности (например, дробеструйная обработка). Поперечное сечение листа обычно выбирается трапециевидным, со скругленными кромками. Достаточно распространены уникальные сечения, разработанные и спроектированные различными производителями. Вообще, технические достижения последних десятилетий открывают новые горизонты перед проектировщиками и производителями рессор, и многочисленные опытные работы ведутся. Но в силу массовости производства, эта область остается достаточно консервативной.



1.1 Основные параметры и размеры рессор, которые указывают в конструкторской документации (КД)

-контрольная нагрузка (рекомендуется равная статической) Рk, даН (рисунок 1);

-нагрузка при осадке Рос, даН или деформации при осадке Fос, мм;

-стрела выгиба под контрольной нагрузкой Нk мм;

-жесткость рессоры при контрольной нагрузке С, даН*см-1;

-длина рессоры L, L', мм (рисунок 1);

-длина переднего конца рессоры (для несимметричных рессор) LA, мм;

-твердость листов после термообработки, НВ.

Справочные параметры:

-ширина рессоры b, мм (рисунок 1);

-ширина концов рессоры, мм;

-высота пакета Т, мм (рисунок 1);

-стрела выгиба рессоры при отсутствии нагрузки Нo, мм,

-прогиб под контрольной нагрузкой fk, мм;

-прогиб под нагрузкой осадки fос, мм.

1.2 Технические требования

Готовые рессоры и их элементы должны соответствовать требованиям настоящего стандарта и изготовляться по КД, утвержденной в установленном порядке. Рессоры должны изготовляться из горячекатаной рессорно-пружинной стали по ГОСТ 14959 или техническим условиям (ТУ), на сталь, утверждённым в установленном порядке. Рекомендуется применять ванадийсодержащие стали.

Листы малолистовых рессор рекомендуется изготовлять из проката с закругленными кромками по ГОСТ 7419.

Устанавливают два класса рессор:

-из полосы проката повышенной точности высококачественной рессорно-пружинной стали для рессор легковых автомобилей, автобусов, троллейбусов;

-из полосы проката обычной или повышенной точности для рессор грузовых автомобилей, прицепов и полуприцепов

Поверхности термически обработанных листов, в том числе их ребровые стороны, кромки концов листов, кромки отверстий, пробиваемых в листах, должны быть без расслоений, трещин, раковин, холодных забоин, насечек и подрезов в местах механической обработки листов и других дефектов механического или металлургического происхождения, снижающих долговечность рессоры.

Глубина общего обезуглероженного слоя (феррит + переходная зона) термически обработанных листов не должна превышать допустимой по ГОСТ 14959 глубины обезуглероженного слоя рессорного проката до термообработки. Допускается увеличение глубины обезуглероженного слоя в местах, подвергаемых вторичному нагреву. Для листов из ванадийсодержащих сталей допускается снижение содержания углерода в поверхностном слое (1,5 % толщины листа) не более чем на 20 % содержания его в сердцевине и содержание тонкозернистого отпущенного мартенсита или тросто-мартенсита не менее 80 %.

Зазоры между листами многолистовой рессоры, стянутой в средней части до соприкосновения листов (кроме листов специальных конструкций, имеющих прокладки между листами или вставки на концах листов, и рессор, имеющих листы с двойными радиусами гибки либо последовательно включаемые листы, межлистовые. зазоры для которых указывают в КД), должны быть не более 0,3 мм при длине зазора до 75 мм. При длине зазора свыше 75 мм до 1/4 длины меньшего из двух смежных листов межлистовые зазоры не должны быть более, мм: 1,2 - при номинальной толщине листов до 8 мм включ.

Каждую рессору после сборки подвергают двукратной осадке (для рессор 2-го класса допускается однократная осадка) нагрузкой, соответствующей напряжению в наиболее нагруженном листе рессоры, равному 100 - 120 % предела текучести материала на растяжение в многолистовой рессоре и 110 - 130 96 - в малолистовой рессоре. При повторной (контрольной) осадке в рессоре не должно возникать остаточных деформаций. Точность измерения деформации ±1 мм.

На каждую рессору наносят:

-товарный знак предприятия-изготовителя;

-клеймо технического контроля;

-обозначение размерной группы (при наличии);

-дату выпуска (месяц и год);

-знак соответствия (при поставках в качестве запасных частей) по ГОСТ Р. 50460.



1.3 Виды контроля и испытаний

Рессоры подвергают следующим видам контроля и испытаний:

· приемочному контролю;

· определительным и периодическим ресурсным стендовым испытаниям;

· сертификационным испытаниям;

· входному контролю качества.

Приемочный контроль на соответствие требованиям настоящего стандарта и КД

Сплошным контролем проверяют комплектность, правильность сборки, качество стопорения резьбовых соединений, отсутствие механических повреждений, состояние защитного покрытия и наличие смазки.

Выборочным контролем проверяют линейные размеры, твердость листов, толщину обезуглероженного слоя, качество поверхностного упрочнения (дробеструйный наклеп и др.) и деформацию при контрольной осадке, перпендикулярность оси ушка рессоры с запрессованной втулкой продольной оси рессоры в поперечном направлении, зазоры между листами. Объем выборки устанавливают в КД на конкретные рессоры.

Объем и периодичность определительных и периодических ресурсных стендовых испытаний приведены в приложении В.

При проведении сертификационных испытаний предъявляют рессоры одного типоразмера в количестве не менее 3 шт. и КД.

Рессоры подвергают наружному осмотру и контролируют размеры и нагрузочные характеристики. При этом проверяют следующие геометрические размеры:

-длину рессоры и переднего конца (для несимметричных рессор)

-смещение листов в средней части и по концам

-зазоры между листами и по концам листов

-диаметры ушков.

Определяют следующие нагрузочные характеристики:

· остаточную деформацию

· стрелы выгиба рессоры под контрольной нагрузкой

· жесткость рессоры.

Потребитель проводит входной контроль качества поступающих партий рессор на соответствие требованиям настоящего стандарта по ГОСТ 24297. Для наружного осмотра, обмера и испытаний из партии рессор делают выборку в объеме 1 % (но не менее 5 шт.). Контрольной проверке на твердость подвергают не менее 10 % листов отобранных рессор, а для проверки глубины обезуглероженного слоя - 4 % (но не менее 3 шт.).

В случае несоответствия требованиям настоящего стандарта хотя бы одной рессоры из числа отобранных для проверки рессор проводят повторную проверку на удвоенном количестве рессор из контролируемой партии. Результаты повторной проверки являются окончательными и распространяются на всю партию.



Глава 2. Характеристика и анализ рессорных сталей

Сталь рессорно-пружинная идёт на изготовление рессор, пружин, буферов и других деталей, применяемых в закалённом и отпущенном состоянии, работающих в условиях динамических и законопеременных нагрузок. Указанная сталь должна обладать высокими пределами упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и вязкости. Эти свойства достигаются после термической обработки (закалки и последующего среднего отпуска). В качестве рессорно-пружинной применяют углеродистую сталь с повышенным содержанием углерода, а для ответственного назначения - легированную сталь.

ГОСТ 14959-79 распространяется на горячекатаный и кованый сортовой прокат диаметром или толщиной до 250 мм, а также на прокат калиброванный и со специальной отделкой поверхности.

Стандарт классифицирует прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали по способу обработки, химическому составу и другим признакам.

По способу обработки прокат подразделяют на: горячекатаный и кованый со специальной отделкой поверхности, горячекатаный круглый с обточенной или шлифованной поверхностью.

По нормируемым характеристикам и применению прокат делят на категории 1, 1А, 1Б, 2, 2А, 2Б, 3, ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ, 4, 4А, 4Б. Прокат категорий 2, 2А, 2Б, 3, ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ предназначен для изготовления упругих элементов - рессор, пружин, торсионов и т.п.; категорий ЗА, ЗБ, ЗВ, ЗГ - для изготовления автомобильных рессор и пружин; категорий 1, 1А, 1Б, 4, 4А, 4Б - для использования в качестве конструкционного материала. Прокат изготовляют в термически обработанном состоянии (отожжённом или высоко отпущенном) - категории 1А, 2А, 2Б, ЗВ, 4А или без термической обработки - категории 1, 1Б, 2, 2Б, 3, ЗБ, ЗГ, 4, 4Б.

По химическому составу сталь делится на качественную и высококачественную (в конце обозначения марки высококачественной стали ставится буква А). Массовая доля серы и фосфора в качественной стали составляет не более 0,035% (каждого элемента отдельно), а в высококачественной -- не более 0,025%.

В стали всех марок остаточная массовая доля меди не должна превышать 0,20%, а никеля - 0,25%.

Свойства, технические требования, термическая обработка, назначение.

Углеродистая рессорно-пружинная сталь более дешёвая, чем легированная, но отличается низкой коррозионной стойкостью и малой прокаливаемостью. Её используют лишь для изготовления пружин небольшого сечения. Легирование стали (кремнием, марганцем, хромом, а для деталей особо ответственного назначения также никелем, ванадием, вольфрамом) повышает прочностные свойства, прокаливаемость, предел выносливости и релаксационную стойкость.

В процессе релаксации часть упругой деформации переходит в пластическую (остаточную), поэтому пружины и рессоры с течением времени могут терять свои упругие свойства. Легированные стали, имея повышенную релаксационную стойкость, обеспечивают более надёжную работу машин, приборов, автоматов, чем углеродистые.

На предел выносливости рессорно-пружинной стали влияет состояние поверхности проката, так как наружные дефекты могут служить концентраторами напряжений и причиной образования усталостных трещин. Поэтому к качеству поверхности проката предъявляют повышенные требования. Так, например, на поверхности прутков, полос и мотков, предназначенных для горячей обработки и холодного волочения, не должно быть раскатанных пузырей, прокатных плен, закатов, раскатанных и раскованных загрязнений и трещин. Обезуглероживание поверхности также снижает усталостную прочность стали, поэтому глубина обезуглероженного слоя сталей регламентируется.

Высокие требования предъявляются также к макроструктуре стали: на изломах или на протравленных поперечных темплетах не должно быть остатков усадочнойаковины, рыхлости, пузырей, расслоений, трещин и других пороков.

Следует заметить, что упругие и прочностные свойства стали повышаются при применении изотермической закалки вместо обычной. Предел выносливости, а следовательно, и срок службы пружин и рессор может быть повышен дробеструйной и гидроабразивной обработкой (поверхностным наклепом).

2.1 Углеродистые качественные стали

Углеродистые качественные стали с содержанием углерода до 0,3% характеризуются сравнительно невысокой прочностью при большой пластичности и вязкости. Марки этих сталей частично используются для изготовления цементуемых деталей и широко применяются для изготовления деталей, не подвергающихся термообработке. Эти стали хорошо куются и свариваются. Углеродистые качественные стали с содержанием углерода 0,3--0,5% и свыше отмечаются повышенной прочностью, относительно меньшей вязкостью, а также хорошей свариваемостью при содержании углерода 0,3--0,4%, умеренной-- при 0,4--0,5% и низкой при содержании углерода свыше 0,5%. Стали этих марок хорошо куются и для получения высоких механических свойств подвергаются обычно улучшению.

Стали марганцовистых марок обладают повышенной прочностью и износоустойчивостью при одинаковом содержании штамповкой и пр. (детали кузова автомашины, тяги, вилки, трубки, прокладки, шайбы и пр.).

Стали марок 15, 20 и 25 находят применение при изготовлении деталей, не подвергающихся высоким напряжениям, но требующих большой вязкости, а также для цементируемых или цианируемых деталей, работающих на трение при невысоком напряжении. Так, например, из стали 15 изготовляются цементируемые или .планируемые болты, винты, гайки, вилки, ключи и пр.; из стали 20 -- кованые, штампованные тяги, серьги, крюки, рычаги, втулки, зубчатые колеса и червяки при малых нагрузках; из. стали 25 -- оси, валы, соединительные муфты, болты, гайки, винты и шайбы.

Марки стали 15Г, 20Г используются как для цементируемых, так и для не цементируемых изделий (кулачковые валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, тяги рулевого управления, крылья вентиляторов и др.).

Стали 30 и 35,обладают значительной прочностью и относительно высокой вязкостью и используются как для деталей, не подвергающихся термической обработке, так и для улучшенных (кованые и штампованные валы, оси, тяги, серьги, станины станков и пр.).

Стали марок 40, 45, 40Г и 45Г являются лучшими углеродистыми конструкционными сталями, обладающими высокой прочностью и хорошей вязкостью. Из этих сталей изготовляют детали, воспринимающие ударные нагрузки (коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, болты, шпильки, валы и др.).

Стали 50, 55, 60 и 50Г обладают повышенной прочностью и упругостью. Из них изготовляют прокатные валки, эксцентрики, бандажи, шпиндели, пружины амортизаюров, диски главного сцепления автомобилей и др. Применяются они после закалки и отпуска, а также после нормализации.

Стали 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г и 70Г характеризуются высокой прочностью, твердостью и износоустойчивостью, применяются в основном для пружин, рессор, плужных лемехов, дисков посевных и почвообрабатывающих машин, лап культиваторов и т. п.



2.2 Легированные стали

Это стали в состав которых помимо углерода и примесей целенаправленно вводят один или несколько легирующих элементов для обеспечения требуемой прочности, пластичности, вязкости и др. технологических и эксплутационных свойств. Легирование производится с целью изменения механических свойств (прочности, пластичности, вязкости), физических свойств (электропроводности, магнитных характеристик, радиационной стойкости) и химических свойств (коррозионной стойкости).

Область применения к легированной стали очень велика. Применение легированной стали экономит металл, повышает долговечность изделий.

По назначению легированные стали делятся на группы: конструкционная, инструментальная и сталь с особыми физическими и химическими свойствами.

Конструкционная легированная сталь согласно ГОСТ 4543 - 71 делится на три группы: качественная, высококачественная и особо высококачественная.

Легирующий элемент это элемент, специально вводимый в сталь для изменения ее строения и свойств. Концентрация легирующих элементов может быть различной, в т.ч. и очень малой. Когда концентрация элемента составляет менее 0,1% легирование стали принято называть микролегированием.

Основные легирующие элементы - это хром (Cr), никель(Ni), марганец (Mn), кремний (Si), молибден (Mo), ванадий (V), бор (B), вольфрам (W), титан (Ti), алюминий (Al), медь (Cu), ниобий (Nb), кобальт (Co).

Маркировка легированных сталей.

Для обозначения марок разработана буквенно-цифровая система маркировки легированных сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр.

Легирующие элементы обозначают следующими буквами русского алфавита:

X -- хром, Н -- никель, В -- вольфрам, М -- молибден, Ф -- ванадий, Т -- титан, Ю - алюминий, Д--медь, Г -- марганец, С -- кремний, К -- ко­бальт, Ц -- цирконий, Р -- бор, Б -- ниобий.

Буква А в сере­дине марки стали показывает содержание азота, а в конце -- сталь высококачественная.

Для конструкционных марок стали первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Если содержание легирующего элемента больше 1 %, то после буквы указывается его среднее значение в целых процентах. Если содержание легирующего элемента около 1 % или меньше, то после соответствующей буквы цифра не ставится.

Например, сталь 18ХГТ содержит, %: 0,18 С, 1 Сr, 1 Мn, около 0,1 Тi; сталь 38ХНЗМФА -- 0,38 С, 1,2--1,5 Сr; 3 Ni, 0,3--0,4 Мо, 0,1--0,2 V; сталь 30ХГСА -- 0,30 С, 0,8--1,1 Сr, 0,9--1,2 Мn, 0,8--1,251; сталь ОЗХ13АГ19 -- 0,03 С, 13 Сr, 0,2--0,3 N. 19 Мn.

В инструментальных сталях в начале обозначения марки стали ставится цифра, показывающая содержание углерода в десятых долях процента. Начальную цифру опускают, если содержание углерода около 1 % или более.

Например, сталь 3Х2В8Ф содержит, % 0,3 С, 2 Cr, 8 XV, 0,2--0,5 V; сталь 5ХНМ --0,5 С, 1 Cr, 1 N1, до 0,3 Мо; сталь ХВГ-- 1 С, 1 Cr, 1 ТС, 1 Мn.

Для некоторых групп сталей принимают дополнительные обозначения, Марки автоматных сталей начинаются с буквы А, подшипниковых -- с буквы Ш, быстрорежущих -- с буквы Р, электротехнических -- с буквы Э, магнитно-твердых -- с буквы Е.



Глава 3. Практическая часть

№ 347. Рессоры трехтонного грузового автомобиля изготовляются из листов стали 60С2толщиной 10 мм, которые после закалки и отпуска должны получить высокую прочность по всему сечению. Для автомобиля большей грузоподъемности рессоры должны быть толщиной 20 мм, и тогда в стали 60С2 уже нельзя обеспечить равномерного упрочнения по всему сечению.

Рекомендовать марку стали для подобных рессор и режим термической обработки, позволяющий получить высокую прочность по всему сечению.

Решение:

Сталь 60С2 относится к широко используемым дешевым сталям для изготовления упругих элементов сечением до 20 мм. Эта сталь обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.

В качестве термической обработки выбираем закалку и высокий отпуск. По данным ГОСТ 14059-79 температура закалки для стали 60С2 составляет 870 °С (А3 - 820°С). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 470 °С (выше интервала температур необратимой отпускной хрупкости). Получаемая структура сорбита отпуска обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации HRC=35-45 , при этом



Указанный режим термической обработки (рис.1) обеспечивает получение следующих свойств (минимальные значения):

HB 390...480 после отпуска при 460 °С (HRC 40...50)

Снижение температуры отпуска до 420 °С повышает до 1850 Мпа, - до 1600 Мпа; - до 1450 Мпа при =4%, , KCU=0,2 МДж/м2.

Структурные превращения при термической обработке.

Сталь 6ОС2А - сталь перлитного класса. Критические точки стали: А1=750 10°С, А3=820 10°С. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем (наимень-шая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечи-вает получение мелкозернистого мартенсита.

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 50ХФА при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электро-печи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до тем-пературы А1 (750°С для стали 50ХФА). При температуре А1 в стали происходит пре-вращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна): аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процес-са: 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.

Из рис.2 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали.

Рис.2. Схема структурных превращений в стали при нагреве

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 закалки 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 Мн...Мк. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются.

Введение легирующих элементов также изменяет положение точек МН и Мк. Например, введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2А ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного 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 (470°С).

Нагрев закаленной стали до температуры А1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60с2 после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80°С диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80...200°С 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°С (300°С) 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 Аост Мотп.

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°С активизирует процесс коалес-ценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито- цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250°С) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска

350...500°С - трооститом отпуска; после высокого отпуска 500...600°С - сорбитом отпуска.

В стали 60с2 после полной закалки в масле и среднего отпуска при 470°С образуется структура троостита отпуска.

Сталь 60с2 . Основные данные.

Химический состав в % материала 60С2

ГОСТ 14959 - 79

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0.57 - 0.65	1.5 - 2	0.6 - 0.9	до 0.25	до 0.035	до 0.035	до 0.3	до 0.2

Температура критических точек материала 60С2.

Ac1 = 770 , Ac3(Acm) = 820 , Ar3(Arcm) = 770 , Ar1 = 700 , Mn = 305

Технологические свойства материала 60С2 .

Свариваемость:	не применяется для сварных конструкций.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Механические свойства при Т=20^oС материала 60С2 .

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Прокат, ГОСТ 14959-79			1270	1175	6	25		Закалка 870oC, масло, Отпуск 470oC,
Лента отожжен.			900		8

Твердость 60С2 после отжига , ГОСТ 14959-79	HB 10 -1 = 269 МПа
Твердость 60С2 без термообработки , ГОСТ 14959	HB 10 -1 = 302 МПа

Применение: рессоры, пружины, торсионные валы, пневматические зубила.

Прокаливаемость достигает 18 мм.

Влияние легирующих элементов.

Кремний положительно влияет на структуру, механические и технологические свойства стали: снижает критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость, уменьшает скорость распада мартенсита, сильно упрочняет феррит, повышает прочность, твердость и прежде всего упругие свойства стали, увеличивает сопротивление коррозии, снижает вязкость. Такое влияние кремния на свойства связано с его воздействием на матричную фазу (раствор) и карбиды. Кремний способен создавать в твердом растворе направленные ионные связи, которые должны увеличивать напряжения трения в кристаллической решетке и тем самым повышать сопротивление движению дислокаций, особенно при малых пластических деформациях (упрочняющий аффект).

Свойства упругих элементов могут быть повышены путем поверхностного наклепа в 1,5...2 раза (обдувка дробью).

Недостатки стали 60С2А: 1) склонность к обезуглероживанию; 2) склон-ность к графитообразованию; 3) склонность к образованию поверхностных дефектов при горячей обработке стали, вызывающего снижение предела выносливости.

Свойства пружинной стали могут быть улучшены путем дополнительного легирования. Кроме стали 60С2А применяют стали 60С2ХА, 60С2ХФА, 60С2Н2А.

Легирующие элементы - кремний и марганец - сильно упрочняют феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки. Влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется, прежде всего, в уменьшении критической скорости охлаждения и повышении прокаливаемости. Карбидообразующие элементы - хром и ванадий - предупреждают обезуглероживание пружин при нагреве под закалку. Кроме того, введение ванадия способствует дальнейшему повышению прочности, так как приводит к образованию высокодисперсных частиц карбида МС (на основе VC) при распаде мартенсита в процессе отпуска.

Выбираем сталь 60С2ХА для рессор больших грузовых автомашин.

Для обеспечения работоспособности силовых упругих элементов рессорно-пружинные стали должны иметь высокие пределы упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Этим требованиям удовлетворяют стали с повышенным содержанием углерода (0,5 - 0,7%), которые подвергают закалке и отпуску при 420 - 520 °С.

Режим термообработки стали.

В соответствии с заданием необходимо выбрать режим термообработки стали. Сталь 60С2ХА содержит 0,6% C и является конструкционной доэвтектоидной сталью. Наиболее оптимальным режимом термообработки является закалка и средний отпуск.

По Данным ГОСТ 14959-79 для стали 60С2ХА составляет 830 °С (AC3 =780 °С) в качестве охлаждающей среды выбираем масло. Отпуск производим при температуре 420°С (средний отпуск), выше температуры необратимой отпускной хрупкости, охлаждающая среда - вода. Получаемая структура троостита отпуска обеспечивает высокое сопротивление малой пластической деформации при HRC = 35…45, при этом у0,2/ув > 0,85.

Структурные превращения при термической обработке

Сталь 60С2ХА - сталь перлитного класса. Критические точки стали AC1 = 765 ± 10°С

AC3 = 780 ± 10°С Сталь подвергают полной закалке при этом ее нагревают до образования однородной мелкозернистой аустенитной структуры.

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

Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2ХА при нагреве исходной равновесной структуры Ф+Ц .На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет своё пластинчатое или зернистое строение до температуры АС1 (765 °С для стали 60С2ХА). При температуре АС1 в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна) аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются 2 процесса: полиморфный переход Feб >Feг и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:



П(Ф+Ц) >Ф+Ц+А>А+Ц>А(неоднородный) >А(гомогенный) .

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получения 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 дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры при закалке в масло

При непрерывном охлаждении в стали с Vохл > Vкр аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (~1000…7000 м/с) в интервале температур Мн …Мк . При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры Мн и Мк понижаются (точки Мн и Мк изменяют свое положение на графике). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек Мн и Мк .В результате закалки стали 60С2ХА ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

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

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

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (420°С)

Нагрев закаленной стали до температуры AC1 принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2ХА после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

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

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200…260 °С (300 °С) 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 е - карбида в Fe3C - цементит и его обособление, разрыв когерентности.

3.Снижение остаточных напряжений

4.Некоторое увеличение объема, связанное с переходом Аост > Мотп.

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

В стали 60С2ХА после полной закалки в масле и среднего отпуска образуется структура троостита отпуска.

Основные сведения о стали 60С2ХА.

ГОСТ 14959-79.Рессорно-пружинные стали.

Зарубежные аналоги: 1,7108 (DIN 17221, Германия), 9262 (AISI, США).

Химический состав

Химический состав
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,56-0,64	1,4-1,8	0,4-0,7	До 0,25	До 0,025	До 0,025	0,7-1	До 0,2

Влияние легирующих элементов: Кремний и марганец сильно упрочняют феррит и способствуют повышению характеристик прочности стали после термической обработки. Влияние дополнительного легирования хромом, ванадием, никелем проявляется в уменьшении критической скорости охлаждения и повышении прокаливаемости. Карбидообразующие элементы -хром и ванадий - предупреждают обезуглероживание пружин при нагреве под закалку

Применение: рессоры, пружины, торсионные валы, пневматические зубила.

Механические свойства при t = 20°С

ув	ут	д5	ш	E
1470 МПа	1325 МПа	6%	25%	1,96*10-5МПа
Твердость материала после отжига	HB 10-1 = 285 МПа
Твердость материала без термообработки	HB 10-1 = 321 МПа

Обозначения:ув -предел временной прочности

ут - предел текучести

д5 - относительное удлинение при разрыве

ш - относительное сужение при разрыве

Е - модуль упругости первого рода.

HB - Твердость по Бриннелю.



Заключение

В настоящее время наша жизнь немыслима без автомобильного транспорта. Основной задачей автомобильного транспорта является полное и своевременное удовлетворение потребностей народного хозяйства и населения в перевозках, при возможно меньших материальных и трудовых затратах, при обеспечении высокого уровня безопасности дорожного движения и экологичности. Одни из наиболее важных элементов автомобиля является задний мост и его подвеска, поскольку от качества их выполнения зависит не только надежность и долговечность автомобиля но и сохранность перевозимого груза и комфортабельность перевозки пассажиров.

При выполнении курсового проекта ставилась задача выбрать сталь для рессор больших грузовых автомашин. Мною была выбрана и описана термическая обработка стали 60С2ХА. Эта сталь обладает высокими пределами упругости (текучести) и выносливости при достаточной пластичности и вязкости.



Список литературы

1.Материаловедение. Учебник для ВУЗов /Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и.др.; Под общей редакцией Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2003 - 684 с.: ил.

2.Выбор материала и технологии термической обработки: Учебное пособие по курсу «Материаловедение» /А.А. Зябрев, Г.Г.Мухин, М.С.Павлов, Р.С.Фахуртдинов - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 20с., ил.

3.Марочник сталей и сплавов / В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А. Вяткин и др.; Под ред. В.Г.Сорокина. М.: Машиностроение 1981 640с.

Размещено на Allbest.ru

...