Выбор конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИнОБРнауки россии

ФГБОУ ВПО Пензенский государственный технологичесий Университет (пензгту)

Факультет биомедицинских и пищевых технологий и систем

Кафедра «Биотехнологии и техносферная безопасность»

Дисциплина: «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

КУРСОВАЯ РАБОТА

на тему: «Выбор конструкционных материалов»

Выполнил: студент группы 13БТ1б

Поленникова Я. А.

Пенза 2015 г.

Задание №1.

Как влияет степень пластической деформации на процесс рекристаллизации и величину зерна?

При возрастании касательных напряжений выше определенной величины (пред упругости) деформация становится необратимой. При снятии нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации. Часть же деформации, которую называют пластической, остается. Пластическая деформация в кристаллах может осуществляться скольжением и двойникованием.

Формоизменение металла при обработке давлением происходит в результате пластической деформации каждого зерна. При этом следует иметь в виду, что зерна ориентированы не одинаково, и поэтому пластическая деформация не может протекать одновременно и одинаково во всем объеме поликристалла. Первоначально под микроскопом на предварительно полированных и деформированных образцах можно наблюдать следы скольжения в виде прямых линий, эти линии одинаково ориентированы в пределах отдельных зерен. При большой деформации в результате процессов скольжения зерна меняют свою форму. До деформации зерно имело округлую форму, после деформации в результате смещения по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образую волокнистую или слоистую структуру.

Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла разориентировки между ними. Рентгеноструктурный анализ показывает, что после деформации отдельные зерна и блоки упруго напряжены, а кристаллическая решетка по границам зерен, блоков и вблизи плоскостей скольжения искажена. При большой степени деформации возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен. Закономерность ориентировки кристаллитов относительно внешних деформационных сил получила название текстура. Чем больше степнь деформации, тем большая часть кристаллических зерен получает преимущественную ориентировку.

Рис. 1. Изменение формы зерна железа в результате скольжения.

С ростом степени холодной пластической деформации усиливается прочностные свойства металла (увеличиваются пределы прочности и текучести, твердость), а пластические свойства ослабевают (уменьшаются относительное удлинение и сужение, ударная вязкость). Холодная пластическая деформация сопровождается искажением кристаллической решетки металла,образованием новых дислокаций,дроблением зерен, их сплющивание и удлинением в направлении наибольшего течения металла.

Задание №2.

Вычертите диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую нагревания в интервале температур от 0 до 1600 °С (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 0,3 % С. Выберите для заданного сплава любую температуру между линиями ликвидус и солидус и определите состав фаз, процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз

Чистое железо - металл серебристо-белого цвета. Атомный номер 26, атомная масса 55,85, атомный радиус 1,27 А. Чистое железо, которое может быть получено в настоящее время, содержит 99,999% Fe. Технические сорта железа содержат 99,8-99,9% Fe. Температура плавления железа 1539. Известны две полиморфные модификации: a и Y. Модификация a существует при температурах ниже 910 и выше 1392. Для интервала температур 1392-1539 а-железо нередко обозначают как Б-железо.

Кристаллическая решетка а-железо-обэемноцентрированный куб с периодом решетки 2,8606 А. До температуры 768 а-железо магнитно. Критическую точку (768), соответсвующую магнитному превращению, тюею переходу из ферромагнитного состояния в парамагнитное, называют точкой Кюри и обозначается А2.

Углерод является неметаллическим элементом 2 периода четвертой группы, атомный номер 6, плотность 2,5г/см3, атомная масса 12,011, температура плавления 3500, аотомный радиус 0,77 а. Углерод полиморфен. В лбычных условиях он находится в виде модификации графита, но может существовать и в виде метастабильной модификации алмаза. Углерод растворим в железе в жидком и твердос состоянии, а также может быть в виде химического соединения-цементита, а в высокоуглеродистых сплавах и в виде графита.

Цементит, это химическое соединение железа с углеродом - карбид железа. В цементите содержится 6,67% углерода. Цементит имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов. Температура плавления цементита точно не определена в связи с возможностью его распада и принимается примерно равной 1550. До температуры 210 цементит ферромагнитен. К характерным особенностям цементита относятся высокая твердость и очень малая пластичность. Цементит является метастабильной фазой. В условиях равновеся в сплавах с высоким содержанием углерода образуется графитю

Система Fe-Fe3C метастабильная. Образование цементити вместо графита дает меньший выйграш свободной энергии, однако кинетическое образование карбидажелеза более вероятно. На диаграмме Fe-Fe3C точка А (1539) отвечает температуре плавления железа, а точка D(1550)-температуре плавления цементита. Точки N (1392) и G (910) соответствует полиморфному превращению a_-Y/

Линия АВ (линия ликвидуса) показывает температуру начала кристаллизации Б-феррита из жидкого сплава(ж); ВС (линия ликвидуса) соответствует температуре начала кристаллизации аустенита (А) из жидкого сплава; СD (линия ликвидуса) соответствует температуре начала кристаллизации первичного цементита из жидкого сплава; АH (линия солидуса) является температурной границей области жадкого сплава и кристаллов Б-феррита; ниже этой линии существует только Б-феррита; HJB-линия перитектического нонвариантного (С=0) равновесия (1499); по достижению температуры, соответствующей линии HJB, протекает перитектическая реакция (жидкость состава В взаимодействует с кристаллами Б-феррита состава точки H с образование аустенита состава точки J):

Жв+Фн-Аj

Линия ECF (линия солидуса) соответствует кристаллизации эвтектики-ледебурит

Жс-Ае+Fe3C

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы;

К - число компонентов, образующих систему;

1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Теперь определим число степеней свободы для каждой из точек:

По правилу фаз при 0,3%

С1=3-2=1(А,Ф)

С1. 1=3-1=2(А)

С2=3-2=1(А,Ф)

С3=3-2=1(Ж,А)

С4=3-2=1(Ж,Ф)

С4. 4=3-1=2(Ж)

С5=3-1=2(Ж)

Рис. 2. Диаграмма состояния железо-карбид железа(0,3% С).

Выбираем температуру 1147,и определяем состав фаз.

Ж=АБ/АС*100%=5,72/7,22=79,2243%

Тв=БС/АС*100%=1,5/7,22=20,7756%

Задание №3.

Используя диаграмму состояния железо - карбид железа, укажите температуру закалки стали У12, опишите происходящие в процессе закалки превращения и получаемую структуру. Какой дополнительной обработке необходимо подвергать закаленную сталь У12 для устранения остаточного аустенита?

Закалка - термическая обработка, заключается в нагревании стали до температуры выше критической или температуры растворения избыточных фаз, выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

При нагреве и охлаждении сталей происходит перестройка атомной решетки. Критические значения температур у разных марок сталей неодинаковы: они зависят от содержания углерода и легирующих примесей, а также от скорости нагрева и охлаждения. После закалки сталь становится хрупкой и твердой. Поверхностный слой изделий при нагреве в термических печах покрывается окалиной и обезуглероживается тем более, чем выше температура нагрева и время выдержки в печи. Если детали имеют малый припуск для дальнейшей обработки, то брак этот является неисправным. Режимы закалки стали зависят от ее состава и технических требований к изделию. Охлаждать детали при закалке следует быстро, чтобы аустенит не успел превратиться в структуры промежуточные(сорбит или троостит). Необходимая скорость охлаждения обеспечивается посредством выбора охлаждающей среды. При этот чрезмерно быстрое охлаждение приводит в появлению трещин или короблению изделия. Чтобы этого избежать, в интервале температур от 300 до 200 градусов скорость охлаждения надо замедлять, применяя для этого комбинированные методы закалки. Большое значение для уменьшения коробления изделия имеет способ погружения детали в охлаждающую.

Выбор температуры закалки.

Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50 выше точки Ас3. В том случае сталь с исходной структурой перлит-феррит при нагреве приобретает аустенитную структуру, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Закалку от температуры, соответствующих межкритическому интервалу (Ас1-Ас3), не принимают. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранявшегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температур выше Ас3. Заэвтектоидные стали под закалку нагревают несколько выше Ас1. При таком нагреве образуется аустенит при сохранении некоторого количества вторичного цементита.

После охлаждения структура стали состоит изз мартенсита и нерастворимых частиц карбидов, обладающих высокой твердостью. Верхний предел температуры закалки для большинства заэвтектоидных сталей ограничивают, так как чрезмерное повышение температуры выше Ас1 связано с ростом зерна, что приводит к снижению прочности и сопротивления хрупкому разрушению. Поэтому интервал колебания температур закалки большинства сталей невелик. Для многрих сталей температура нагрева под закалку значительно превышает критические очки Ас1 и Ас3 (на 150-250), что необходимо для перевода в твердый раствор специальных карбидов и получения требуемой легированной аустенита. Это повышение температуры не ведет к заметному росту зерна, так как нерастворенные частицы карбидов тормозят рост зерна аустенита.

При комнатной температуре сталь У12 имеет структуру цементита и перлита. До температуры Ас1 сохраняется исходная структура. При температурах Ас1 происходит превращение перлита в аустенит с содержанием углерода 0,8 %. При нагреве выше точки Ас1 происходит растворение цементита в аустените. Увеличение температуры выше точки Ась вызывает рост зерна аустенита. Критические точки для стали У12:Ас1=730;Асм=820. Для закалки заэвтектоидные стали нагревают на 50-70 градусов выше точки Ас1. Таким образом, температура нагрева под закалку составляет 780-800. При этих температурах в стали наряду с аустенитом имеется цементит. Поэтому после закалки в структуре заэвтектоидных сталей мартенсит с цементитом небольшое количество остаточного аустенита. Охлаждающая среда при закалке- индустриальное масло. Твердость поверхности после закалки 62-64 HRC. Для снятия напряжений и стабилизации структуры после закалке изделия подвергают низкому отпуску.

Задание №4

Детали рессорно-пружинных сталей работают на упругие нагрузки и поэтому упрочняются закалкой и средним отпуском (350-520° С). Структура стали после упрочнения - троостит отпуска.

Так как закалка была выполнена правильно, то при термообработке стали скорее всего не был выдержан режим отпуска и учитывая занижение твердости на техническими условиями можно предположить переотпускстали, т. е. дефект который получается при температуре отпуска выше нормальной, в результате сталь не достигает требуемых свойств и получает пониженную твердость и низкие пределы прочности и упругости.

Исправление дефекта: отжиг, а затем закалка с последующим отпуском при нормальной температуре. Твердость пружин в термообработанном состоянии должна быть HRC 40-47, структура трооститная.

Задание №5

Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200-2500) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Керамические материалы могут быть изготовлены на основе глины. Глина в смеси с водой дает пластическую, способную формоваться массу и после обжига приобретает значительную механическую прочность. Техническая керамика -включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава ;она обладает специфическими комплексами включает исскуственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются окислы и безкислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза состовляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит от 1 до 40% стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты облегчаю технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, боз открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Большой интерес представляет использование керамики на основе чистых окислов в качестве высокоогнеупорного и конструкционного материала. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие окислы: AL2O3, ZrO2, MgO и др. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых окислов превышает 2000, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, окисная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению м прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика чистых окислов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика из AL2O3 обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных рольгангов, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамика с плотной структурой используется в качестве вакуумной керамики; пористая - как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях производится плавление различных металлов, окислов, шлаков. Корундовый материал микролит по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3,96 г\см3, до 500 кгс\мм2, HRA92-93 и красностойкость до 1200. Из микролита изготавливают резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрица т др.

Особенностью оксида цинка 2 является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности в интервале температур 100-1000. Рекомендуемые температуры применения керамики из двуокиси циркония 2000-2200 ;она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамики из окиси магния и кальция стойки к действию основных сплавов различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Окись магния при высоких температурах летуча, окись кальция способна к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика из окиси бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Окись бериллия обладает способностью рассеивать радиоактивные излучения высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики и в атомных реакторах.

Керамики из окисей тория и урна имеют высокую температуру плавления, но обладают высокой плотностью и радиоактивны. Их применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей, для тепловыделяющих элемнтов в энергетических реакторах.

Задание №6

Марка: 5ХНМ (заменители 5ХНВ, 5ХГМ, 4ХМФС, 5ХНВС, 4Х5В2ФС) Класс: Сталь инструментальная штамповая Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 5950-2000, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006. Калиброванный пруток ГОСТ 5950-2000, ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78. Шлифованый пруток и серебрянка ГОСТ 5950-2000, ГОСТ 14955-77. Полоса ГОСТ 4405-75. Проволока ГОСТ 10543-98. Поковки и кованые заготовки ГОСТ 5950-2000, ГОСТ 1133-71, ГОСТ 7831-78. Использование в промышленности: молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т, прессовые штампы и штампы машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легких цветных сплавов, блоки матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.

Таблица 1 Химический состав в % стали 5ХНМ

C	0,5 - 0,6
Si	0,1 - 0,4
Mn	0,5 - 0,8
Ni	1,4 - 1,8
S	до 0,03
P	до 0,03
Cr	0,5 - 0,8
Mo	0,15 - 0,3
Cu	до 0,3
Fe	~95

Термообработка: Закалка 850^oC, масло, Отпуск 460 - 520^oC. Температура ковки:єС: начала 1240, конца 750. Сечения до 100 мм охлаждаются на воздухе, 101-350 мм - в яме. Твердость материала:HB 10^-1= 241 МПа Температура критических точек:Ac₁= 730, Ac₃(Ac_m) = 780, Ar₃(Arc_m) = 640, Ar₁= 610, Mn = 230 Свариваемость материала: не применяется для сварных конструкций. Флокеночувствительность: чувствительна. Склонность к отпускной хрупкости: не склонна. Обрабатываемость резанием:в отожженном состоянии при HB 286 иу_в=900 МПа, К_{х тв. спл}=0,6 и К_{х б. ст}=0,3

Таблица 2 Твердость (ГОСТ 5950-73)

Состояние поставки, режимы термообработки	HRC?
Прутки и полосы отожженные или высокоотпущенные Образцы Закалка 850 єС, масло Отпуск 550 єС Подогрев 700-750 єС. Закалка 840-860 єС, масло. Отпуск 400-480 єС (режим окончательной термообработки) 500-550 єС (режим окончательной термообработки)	До (241) Св. 36 44-48 40-43

Таблица 3 Механические свойства стали5ХНМв зависимости от сечения

Сечение, мм	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д4 (%)	ш %	KCU (Дж / см2)	Твердость
						поверхностн HRC?	сердцевины НВ
Закалка 850 єС, масло. Отпуск 460-520єС
до 100	---	---	---	---	---	57	---
100-200	1420	1570	9	35	34	42-47	375-429
200-300	1270	1470	11	38	44	40-44	352-397
300-500	1130	1320	12	36	49	37-42	321-375
500-700	930	1180	15	40	78	35-39	302-341

Таблица 4 Твердость стали5ХНМв зависимости от температуры отпуска

Температура отпуска, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %	KCU (Дж / cм2)	HB (HRC?)
Закалка 850 єС, масло. Выдержка при отпуске 2 ч
400	1370	1570	10	40	33	(47)
450	1400	1490	---	36	37	(45)
500	1270	1370	---	36	46	(43)
550	1180	1310	---	35	59	(40)
Закалка 840 - 860 єС, масло или вода масло
450-510	---	---	---	---	---	415-477
500-550	---	---	---	---	---	341-388
560-600	---	---	---	---	---	285-321

Таблица 5 Твердость стали5ХНМв зависимости от температуры испытания

Температура испытания, °С	HRC?
Закалка 850 єС. Отпуск 450 єС
400	43
500	39
550	37
600	26
Закалка 850 єС. Отпуск 500 єС
400	39
500	28
550	---
600	26

Таблица 6 Физические свойства стали 5ХНМ

T(Град)	E 10- 5(МПа)	106(1/Град)	(Вт/(м·град))	(кг/м3)	C(Дж/(кг·град))	R 109(Ом·м)
20
100			38			300
200		12. 6	40			250
300			42			200
400			42			160
500			44
600		14. 2	46

Таблица 7 Теплостойкость

Температура,єС		HRC?
590	4	37

Расшифровка марки стали 5ХНМ:наличие цифры 5 в начале марки говорит о том, что в стали содержится 0,5% углерода, а буквы Х, Н и М свидетельствуют о присутствии в стали соответственно хрома, никеля и марганца в количестве не превышающем 1,5%, таким образом перед нами легированная сталь.

Применение стали 5ХНМ и термообработка изделий: для изготовления штампов применяются следующие марки сталей: углеродистые и легированные 5ХНМ и некоторые другие.

Основные требования, предъявляемые к стали для изготовления штампов, следующие:

1) высокая прочность, достаточное сопротивление удару и высокая износоустойчивость при повышенных температурах, - чтобы штампы не разрушались и сохраняли свою форму во время работы;

2) хорошая теплопроводность для быстрого отвода тепла от рабочей поверхности в глубь штампа;

3) значительная прокаливаемость (что особенно важно для крупных штампов);

4) высокая сопротивляемость возникновению трещин разгара, возникающих на рабочей поверхности вследствие периодичности нагрева и охлаждения штампов.

Штампы, изготовленные из углеродистой стали, быстро выходят из строя, вследствие малой глубины закалённого слоя и низкого предела температур (325-350°), до которых штамп может нагреваться во время работы. Поэтому углеродистую сталь можно применять для малых штампов простой формы.

Для изготовления штампов, работающих в тяжёлых условиях, наиболее часто применяется сталь 5ХНМ или её заменитель сталь 5ХГМ. Никель в стали 5ХГМ заменён марганцем, который, сохраняя глубокую прокаливаемость стали, несколько уменьшает ударную вязкость. Для получения необходимой вязкости штампы из стали 5ХГМ отпускают при более высокой температуре, чем штампы из стали 5ХНМ.

Кованые заготовки штампов подвергают отжигу, чтобы снизить твёрдость, снять внутренние напряжения и подготовить структуру для последующей закалки. Поковки, остывающие после их изготовления медленно, в утеплённых ямах или шлаке, можно загружать для отжига в печь, нагретую до требуемой температуры, и греть со скоростью, которую допускает данная печь. Поковки, остывающие после их изготовления быстро, на полу мастерской, загружают в печь при температуре 400-500° и греют до требуемой температуры вместе с печью.

Если нагрев происходит неравномерно, то необходимо во всех случаях замедлять его, производя одну-две выдержки при промежуточных температурах. Медленное остывание после нагрева мелких и средних поковок можно достичь упаковкой их в ящики с засыпкой, а крупных поковок - периодическим отключением и включением печи.

Штампы, поступающие в капитальный ремонт, вместо отжига подвергают высокому отпуску. Для этого штампы закладывают в печь, нагретую до требуемой температуры, выдерживают 2-3 часа, вынимают из печи и оставляют на воздухе до полного охлаждения.

Иногда крупные штампы подвергаются закалке в заготовках (кубиках) до механической обработки. При этом потеря твёрдости компенсируется отсутствием деформации готового штампа. Такие заготовки нагревают под закалку без упаковки.

Рис. 1

При закалке полностью обработанных штампов необходимо принять меры для предохранения рабочей поверхности от окисления (рисунок слева). В качестве изолирующей засыпки применяют отработанный карбюризатор или пережжённую чугунную стружку.

Мелкие и средние штампы, а также кубики можно загружать в печь, нагретую до температуры закалки, без опасения образования трещин или деформации, тем более, что рабочая часть штампа прогревается сравнительно медленно, так как находится под слоем засыпки. Прогрев при температуре закалки должен обеспечить полное растворение углерода и других элементов в аустените.

Ниже приводим режим термической обработки штампов, изготовленных из стали 5ХНМ в электропечи Н15, применяемый на одном из заводов в течение ряда лет и полностью себя оправдавший (штамп Ф 150 мм, высотой 140 мм):

1) загрузка в печь, нагретую до температуры 830-850°, и выдержка в течение 2 час. ;

2) закалка в масле, выдержка до достижения температуры 100-200° примерно 15-20 мин. ;

3) загрузка в отпускную печь, нагретую до температуры 350 -400°, нагрев до температуры 520-560° при общей выдержке 6 час. ;

4) выгрузка на воздух, зачистка и контроль твёрдости (Rc = 41 -47).

При загрузке нескольких штампов в печь следует для ускорения нагрева ставить их на расстоянии 100-150 мм один от другого.

Штампы крупные и с весьма резкими переходами надо прогревать медленнее. Ниже приводятся режимы термической обработки крупных молотовых штампов, изготовленных из стали 5ХНМ, применяемые на Кировском заводе:

Таблица 8

Режимы	Штамп 250х250х305 мм	Штамп 500х500х360 мм
Закалка
Температура печи при загрузке штампа	650	650
Выдержка при 650 °С	2,5 часа	3,5 часа
Время нагрева до 830-850 °С	1,5 часа	1,5 часа
Выдержка при 830-850 °С	4,5 часа	7,5 часа
Закалка в мсле при 30-50 °С, выдержка	20-25 мин	40-50 мин
Отпуск
Температура печи при загрузке штампа	400	400
Выдержка при 400 °С	1,5 часа	3 часа
Время нагрева до 480-520 °С	1 час	1,5 часа
Выдержка при 480-520 °С	7 часов	9 часов
Охлаждение	на воздухе	на воздухе
Зачистка и контроль твердости HB	364-418	340-387

Рис. 2

При закалке штампов, особенно крупных, необходимо обеспечить хороший отвод нагретого масла. Для этого в масляные закалочные ванны устанавливают масляные души (рисунок справа) или подводят в бак трубку от вентилятора и охлаждают масло продувкой воздуха. Штампы малых и средних размеров можно охлаждать покачиванием в масле (зажатыми в клещах).

Для уменьшения внутренних напряжений штампы из легированной стали охлаждают в масле не до полного остывания, а до температуры 150-200°, после чего их вынимают и немедленно передают для отпуска, так как полное охлаждение штампов может привести к образованию трещин. Общее время пребывания штампов в отпускной печи должно быть в пределах 2,5 мин. на каждый миллиметр наименьшего сечения, из которых выдержка при температуре отпуска составляет примерно около 70% общего требуемого времени.

Примеры: 1. Отпуск штампа Ф 200 мм и высотой 150 мм должен продолжаться 2,5 х 150 = 375 мин. 6 час. 15мин. , выдержка при температуре отпуска = 6 час. 15 мин. х 0,7 = 4 часа 20 мин.

2. Отпуск штампа Ф 100 мм и высотой 150 мм должен продолжаться 2,5 мин. х 100 = 250 мин. = 4 часа 10 мин. , выдержка при температуре отпуска = 4 час. 10 мин. х 0,7 = 2 часа 55 мин.

В молотовых штампах необходимо дополнительно отпускать хвостовик до твёрдости Н_в= 250 - 300 для того, чтобы избежать поломок при ударах. Для этого рабочая поверхность и одна боковая сторона штампа зачищаются наждачным полотном, после чего штамп помещается хвостовиком на специально подогреваемую плиту или же в окно печи. Выдержка продолжается до тех пор, пока на рабочей поверхности появится цвет побежалости, а хвостовик нагреется до тёмнокрасного цвета.

Штампы, изготовленные из углеродистой стали, проходят следующий режим термической обработки (при нагреве в электропечи).

1. Нормализацию: а) загрузку в печь, нагретую до требуемой температуры; б) выдержку при этой температуре из расчёта 0,8 мин. на каждый миллиметр наименьшего сечения; в) выгрузку и охлаждение на спокойном воздухе.

2. Закалку: 1) загрузку в печь, нагретую до температуры закалки; б) выдержку из расчёта 0,8 мин. на каждый миллиметр наименьшего сечения; в) охлаждение в воде до температуры 150-200° и перенос в масло.

3. Отпуск: а) загрузку в печь, нагретую до температуры отпуска (350-430^е); б) выдержку из расчёта 2,0 мин. на каждый миллиметр сечения; в) охлаждение на воздухе; г) отпуск хвостовика.

Требуемая твёрдость рабочей части штампов R_с= 45 - 50.

Перед загрузкой штампов в печь для нормализации и закалки принимают меры по предохранению рабочей поверхности от окисления. Выдержка в воде должна быть наименьшей и перенос в масляную ванну следует производить как можно быстрее, чтобы не успел произойти самоотпуск поверхности за счёт внутреннего тепла штампа.

Для закалки штампов с глубокими ручьями в водяных баках устраивают душ, подобно масляному.

Штампы малых и средних размеров можно калить с самоотпуском по следующему режиму: 1) нагреть штамп под закалку; 2) охладить в воде под душем рабочую поверхность, оставляя при этом хвостовую часть горячей; 3) вынуть штамп из воды, зачистить быстро рабочую и одну боковую поверхности; 4) при появлении на рабочей поверхности синего цвета побежалости штамп погрузить в масло до полного охлаждения.

При частичном охлаждении в воде полностью нагретого штампа в месте выхода его из воды часто образуются глубокие трещины, поэтому штамп в воде необходимо перемещать вверх и вниз, чтобы не было резкого перехода от высокой температуры к низкой.

Следует категорически предостеречь против резких местных нагревов калёных штампов. Приварку хвостовиков, рукояток и пр. производить до закалки.

Прессформы для литья изготовляют из легированных сталей ЗХ2В8, 4Х8В2, 5ХНМ, 5ХГМ, 4ХВ2С, 5ХВ2С, 40ХН, 40ХС.

Основные требования, предъявляемые к стали для пресс-форм: высокая теплопроводность, обеспечивающая быстрый отвод тепла; высокая прочность при повышенных температурах; высокое сопротивление напряжениям, возникающим в прессформах от резкого изменения температуры при заливке металла.

Термическая обработка прессформ производится по таким же режимам, как и штампов из соответствующих марок сталей.

Твёрдость готовых прессформ должна быть в пределах R₀= 40-43.

Задание №7

Сталь ВСт4кп (4кп)

Общие сведения

Вид поставки: Сортовой прокат, в том числе фасонный: ГОСТ 2590-71, ГОСТ 2591-71, ГОСТ 2879-69, ГОСТ 8509-86, ГОСТ 8510-86, ГОСТ 8239-72, ГОСТ 8240-72, ГОСТ 380-71. Лист тонкий ГОСТ 16523-70. Полоса ГОСТ 103-76, ГОСТ 535-79. Трубы ГОСТ 10705-80.

Назначение: Сварные, клепаные и болтовые конструкции повышенной прочности в виде сортового, фасонного и листового проката, а также для малонагруженных деталей.

Таблица 9 Химический состав

Химический элемент	%
Кремний (Si), не более	0. 07
Медь (Cu), не более	0. 30
Мышьяк (As), не более	0. 08
Марганец (Mn)	0. 40-0. 70
Никель (Ni), не более	0. 30
Фосфор (P), не более	0. 04
Хром (Cr), не более	0. 30
Сера (S), не более	0. 05

Таблица 10 Механические свойства

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	0,2, МПа	B, МПа	5, %
Сталь горячекатаная	<20	255	400-510	25
Сталь горячекатаная	20-40	245	400-510	24
Сталь горячекатаная	40-100	235	400-510	22
Сталь горячекатаная	>100	225	400-510	22
Листы горячекатаные	<2,0		400-510	19
Листы горячекатаные	2,0-3,9		400-510	21
Листы холоднокатаные	<2,0		400-510	21
Листы холоднокатаные	2,0-3,9		400-510	23

Технологические свойства

Температура ковки

Начала 1200, конца 850.

Свариваемость

Сваривается ограниченно.

Обрабатываемость резанием

При НВ 152 K_{?тв. спл.} = 1,7, K_{?б. ст.} = 1,7.

Склонность к отпускной способности

Не склонна

Флокеночувствительность

Не чувствительна

Таблица 11 Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	735
Ac3	840
Ar3	825
Ar1	680

Таблица 12 Ударная вязкость, KCU, Дж/см²

Состояние поставки, термообработка	+20	-20	-40
Листы горячекатаные толщиной 12 мм	64-98	6-84	5-47
Листы горячекатаные толщиной 12 мм после закалки 680-700 С, вода	65-138	6-97	5-28

Таблица 13 Предел выносливости

МПа	МПа
196-225	400-510

Механические свойства проявляются при воздействии на материалы внешних сил.

Эти свойства характеризуются деформациями материалов и изделий при действии сжимающих, растягивающих, изгибающих нагрузок.

К механическим свойствам материалов относятся твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость.

Механические свойства проявляются в деформационно-прочностных характеристиках: пределе прочности, удлинении, сужении, усталостной прочности, твердости.

Механические свойства обуславливают прочность товаров.

Виды термической обработки стали

Отжиг

Отжиг-- термическая обработка (термообработка) металла, при которой производится нагревание металла, а затем медленное охлаждение. Эта термообработка (т. е. отжиг) бывает разных видов (вид отжига зависит от температуры нагрева, скорости охлаждения металла).

Закалка

Закалка-- термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, основанная на перекристаллизации стали (сплавов) при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует быстрое охлаждение. Закаленная сталь (сплав) имеет неравновесную структуру, поэтому применим другой вид термообработки -- отпуск.

Отпуск

Отпуск-- термическая обработка (термообработка) стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла.

Нормализация

Нормализация -- термическая обработка (термообработка), схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается на воздухе (при отжиге -- в печи).

Задание №8

Марка: 40Х (заменители 45Х, 38ХА, 40ХН, 40ХС, 40ХФ, 40ХР) Класс: Сталь конструкционная легированная Вид поставки: сортовой прокат: в том числе фасонный: ГОСТ 4543-71, ГОСТ 2590-2006, ГОСТ 2591-2006, ГОСТ 2879-2006, ГОСТ 10702-78. Калиброванный пруток ГОСТ 7417-75, ГОСТ 8559-75, ГОСТ 8560-78, ГОСТ 1051-73. Шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 14955-77. Лист толстый ГОСТ 1577-93, ГОСТ 19903-74. Полоса ГОСТ 103-2006, ГОСТ 1577-93, ГОСТ 82-70. Поковки ГОСТ 8479-70. Трубы ГОСТ 8731-74, ГОСТ 8733-74, ГОСТ 13663-86.

Использование в промышленности: оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Таблица 14 Химический состав в % стали 40Х

C	0,36 - 0,44
Si	0,17 - 0,37
Mn	0,5 - 0,8
Ni	до 0,3
S	до 0,035
P	до 0,035
Cr	0,8 - 1,1
Cu	до 0,3
Fe	~97

Таблица 15 Зарубежные аналоги марки стали 40Х

США	5135, 5140, 5140H, 5140RH, G51350, G51400, H51350, H51400
Германия	1. 7034, 1. 7035, 1. 7045, 37Cr4, 41Cr4, 41CrS4, 42Cr4
Япония	SCr435, SCr435H, SCr440, SCr440H
Франция	37Cr4, 38C4, 38C4FF, 41Cr4, 42C4, 42C4TS
Англия	37Cr4, 41Cr4, 530A36, 530A40, 530H36, 530H40, 530M40
Евросоюз	37Cr4, 37Cr4KD, 41Cr4, 41Cr4KD, 41CrS4
Италия	36CrMn4, 36CrMn5, 37Cr4, 38Cr4KB, 38CrMn4KB, 41Cr4, 41Cr4KB
Бельгия	37Cr4, 41Cr4, 45C4
Испания	37Cr4, 38Cr4, 38Cr4DF, 41Cr4, 41Cr4DF, 42Cr4, F. 1201, F. 1202, F. 1210, F. 1211
Китай	35Cr, 38CrA, 40Cr, 40CrA, 40CrH, 45Cr, 45CrH, ML38CrA, ML40Cr
Швеция	2245
Болгария	37Cr4, 40Ch, 41Cr4
Венгрия	37Cr4, 41Cr4, Cr2Z, Cr3Z
Польша	38HA, 40H
Румыния	40Cr10, 40Cr10q
Чехия	14140
Австралия	5132H, 5140
Юж. Корея	SCr435, SCr435H, SCr440, SCr440H

Свойства и полезная информация:

Удельный вес: 7820 кг/м³ Твердость материала: HB 10^-1= 217 МПа Температура критических точек: Ac₁= 743, Ac₃(Ac_m) = 815, Ar₃(Arc_m) = 730, Ar₁= 693 Флокеночувствительность: чувствительна Свариваемость: трудносвариваема. Способы сварки: РДС, ЭШС, необходимы подогрев и последующая термообработка. КТС - необходима последующая термообработка. Обрабатываемость резанием: в горячекатаном состоянии при HB 163-168 иу_в=610 МПа, К_{х тв. спл}=1,2 и К_{х б. ст}=0,95 Температура ковки, °С:начала 1250, конца 800. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе. Склонность к отпускной хрупкости: склонна

Таблица 16 Механические свойства стали 40Х

ГОСТ	Состояние поставки, режим термообработки	Сечение, мм	КП	у0,2 (МПа)	ув (МПа)	д5 (%)	ш%	KCU(кДж / м2)	НВ, не более
4543-71	Пруток. Закалка 860 °С, масло. Отпуск 500 °С, вода или масло	25		780	980	10	45	59
8479-70	Поковки: нормализация	500-800	245	245	470	15	30	34	143-179
		300-500	275	275	530	15	32	29	156-197
	закалка, отпуск	500-800	275	275	530	13	30	29	156-197
	нормализация	до 100	315	315	570	17	38	39	167-207
		100-300				14	35	34
	закалка, отпуск	300-500	315	315	570	12	30	29	167-207
		500-800				11	30	29
	нормализация	до 100	345	345 345	590	18	45	59	174-217
		100-300				17	40	54
		300-500				14	38	49
	закалка, отпуск	до 100	395	395	615	17	45	59	187-229
		100-300				15	40	54
		300-500				13	35	49

рекристаллизация закалка сталь керамика

Таблица 17 Механические свойства стали 40Х в зависимости от сечения

Сечение, мм	у0,2(МПа)	ув(МПа)	д4(%)	ш%	KCU(кДж / м2)	HB
Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух.
101-200	490	655	15	45	59	212-248
201-300	440	635	14	40	54	197-235
301-500	345	590	14	38	49	174-217

Таблица 18 Механические свойства стали 40Х в зависимости от температуры отпуска

Температура отпуска, °С	у0,2(МПа)	ув(МПа)	д5(%)	ш%	KCU(кДж / м2)	HB
200	1560	1760	8	35	29	552
300	1390	1610	8	35	20	498
400	1180	1320	9	40	49	417
500	910	1150	11	49	69	326
600	720	860	14	60	147	265

Таблица 19 Механические свойства стали 40Х при повышенных температурах

Температура испытаний, °С	у0,2 (МПа)	ув(МПа)	д5 (%)	ш %
Закалка 830 °С, масло. Отпуск 550 °С
200	700	880	15	42
300	680	870	17	58
400	610	690	18	68
500	430	490	21	80
Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм кованый и отоженный. Скорость деформирования 5 мм/мин, скорость деформации 0,002 1/с
700	140	175	33	78
800	54	98	59 <...

курсовая работа "Выбор конструкционных материалов" скачать

Подобные документы

• Исследования свойств штамповой стали после термической обработки

  Классификация инструментальных сталей. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства штамповых сталей. Химический состав стали 4Х5МФ1С. Влияние температуры закалки на структуру и твердость материала. Оценка аустенитного зерна и износостойкости.
  
  дипломная работа [492,5 K], добавлен 19.02.2011
  

• Переработка автомобильного лома для получения стали

  Старые автомобили как один из основных источников получения низкопроцентного стального лома. Механическое уплотнение старых автомобилей перед извлечением из них стали. Виды стали и их термообработка. Закалка и термомеханическая обработка хромистой стали.
  
  курсовая работа [160,6 K], добавлен 11.10.2010
  

• Свойства конструкционных материалов: стали и стекла

  Процессы, протекающие в стали 45 во время нагрева и охлаждения. Применение стали 55ПП, свойства после термообработки. Выбор марки стали для роликовых подшипников. Обоснование выбора легкого сплава для сложных отливок. Способы упрочнения листового стекла.
  
  контрольная работа [71,5 K], добавлен 01.04.2012
  

• Технологический процесс электродуговой плавки

  Исследование особенностей сварки и термообработки стали. Технология выплавки стали в дуговых сталеплавильных печах. Анализ порядка легирования сталей. Применение синтетического шлака и порошкообразных материалов. Расчёт ферросплавов для легирования стали.
  
  курсовая работа [201,2 K], добавлен 16.11.2014
  

• Быстрорежущие инструментальные стали

  Характеристика быстрорежущих сталей - легированных сталей, которые предназначены для изготовления металлорежущего инструмента, работающего при высоких скоростях резания. Маркировка, химический состав, изготовление и термообработка быстрорежущих сталей.
  
  реферат [775,4 K], добавлен 21.12.2011
  

• Термическая обработка стали

  Теоретические основы термической обработки стали. Диффузионный и рекристаллизационный отжиг. Закалка как термообработка, при которой сталь приобретает неравновесную структуру и повышенаяеться твердость стали. Применение термической обработки на практике.
  
  лабораторная работа [55,6 K], добавлен 05.03.2010
  

• Термическая обработка сталей ХВГ, У8, У13

  Закаливаемость и прокаливаемость стали. Характеристика конструкционных сталей. Влияние легирующих элементов на их технологические свойства. Термическая обработка сплавов ХВГ, У8, У13 и их структуры после нее. Выбор вида и режима термообработки детали.
  
  курсовая работа [4,9 M], добавлен 12.01.2014
  

• Пружинные стали

  Конструкционные стали с повышенным содержанием углерода. Качество и работоспособность пружины. Маркировка и основные характеристики пружинных сталей. Основные механические свойства рессорно-пружинной стали после специальной термической обработки.
  
  курсовая работа [25,4 K], добавлен 17.12.2010
  

• Технология обработки стали холодом

  Историческая справка: искусственный холод в металлургии, машиностроении, пищевой промышленности. Изменение конструкционных материалов при охлаждении. Транспортировка и хранение, крепление деталей. Виды обработки, сборка, термообработка, оборудование.
  
  контрольная работа [1,2 M], добавлен 16.10.2010
  

• Методы упрочнения металла

  Различные режимы термомеханической обработки стали. Поверхностное упрочнение стальных деталей. Закалка токами высокой частоты. Газопламенная закалка и старение металла. Обработка стали холодом. Упрочнение металла методом пластической деформации.
  
  презентация [546,9 K], добавлен 14.10.2013
  

• Свойства легированных сталей. Испытание на твёрдость по Бринеллю

  Принципы обозначения стандартных марок легированных сталей, их механические свойства. Влияние вредных примесей, величины зерна на свойства. Виды закалки, структура сплава после нее. Понятие свариваемости стали. Коррозионные повреждения нержавеющей стали.
  
  курсовая работа [5,1 M], добавлен 18.03.2010
  

• Деформация металла

  Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на микроструктуру и механические свойства низкоуглеродистой стали. Пластическая деформация и ее влияние на свойства металлических материалов. Влияние температуры нагрева на микроструктуру.
  
  контрольная работа [370,2 K], добавлен 12.06.2012
  

• Конструкционные стали

  Определение классификации конструкционных сталей. Свойства и сфера использования углеродистых, цементуемых, улучшаемых, высокопрочных, пружинных, шарикоподшипниковых, износостойких, автоматных сталей. Стали для изделий, работающих при низких температурах.
  
  презентация [1,8 M], добавлен 14.10.2013
  

• Конструкционные и легированные стали

  Классификация и маркировка сталей. Сопоставление марок стали типа Cт и Fe по международным стандартам. Легирующие элементы в сплавах железа. Правила маркировки легированных сталей. Характеристики и применение конструкционных и инструментальных сталей.
  
  презентация [149,9 K], добавлен 29.09.2013
  

• Инструментальные и быстрорежущие стали

  Требования к свойствам инструментальных материалов. Перечень марок нескольких основных нетеплостойких сталей для режущего инструмента. Закалка доэвтектоидных сталей. Быстрорежущие стали: маркировка, структура, технология термической обработки и свойства.
  
  контрольная работа [19,8 K], добавлен 20.09.2010
  

• Конструкционные углеродистые стали и сплавы

  Классификация металлов: технические, редкие. Физико-химические свойства: магнитные, редкоземельные, благородные и др. Свойства конструкционных материалов. Строение и свойства сталей, сплавов. Классификация конструкционных сталей. Углеродистые стали.
  
  реферат [24,1 K], добавлен 19.11.2007
  

• Влияние температуры на металл и его характеристики

  Явление полиморфизма в приложении к олову. Температура разделения районов холодной и горячей пластической деформации. Технология поверхностного упрочнения изделий из стали. Определение температуры полного и неполного отжига и нормализации для стали 40.
  
  контрольная работа [252,2 K], добавлен 26.03.2012
  

• Производство заготовок

  Назначение и условия работы детали в узле. Выбор оптимального метода получения заготовки. Химический состав и механические свойства стали. Штамповка и термообработка заготовок. Травление стальных поковок. Люминесцентный и магнитный методы контроля.
  
  контрольная работа [953,4 K], добавлен 11.12.2015
  

• Термообработка стали

  Общие положения и классификация видов термической обработки металлов, условия их практического использования. Основные превращения в стали, их характеристика и влияющие факторы. Выбор температуры и времени нагрева и его технологическое обоснование.
  
  реферат [127,2 K], добавлен 12.10.2016
  

• Классификация и маркировка сталей

  Процентное содержание углерода и железа в сплаве чугуна. Классификация стали по химическому составу, назначению, качеству и степени раскисления. Примеры маркировки сталей. Расшифровка марок стали. Обозначение легирующих элементов, входящих в состав стали.
  
  презентация [1,0 M], добавлен 19.05.2015
  

Другие документы, подобные "Выбор конструкционных материалов"

• главная
• рубрики
• по алфавиту
• вернуться в начало страницы
• вернуться к началу текста
• вернуться к подобным работам