Термическая обработка стали и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Назначьте температуру закалки, охлаждающую среду и температуру отпуска резьбовых калибров из стали У10А. Опишите сущность происходящих превращений, микроструктуру и твердость инструмента после термической обработки.

Сталь У10А-углеродистая высококачественная эвтектоидная сталь. Относится к группе инструментальных нетеплостойких сталей высокой твердости с небольшой прокаливаемостью. Химический состав по ГОСТ 1435-90: C1,0%; Mn0,2%; Si?0,3%; Cr ?0,25%. Поскольку сталь высококачественная, содержание серы в ней не превышает 0,018% и фосфора - 0,025% и она также имеет повышенную чистоту по неметаллическим включениям.

Для снижения твердости и создания благоприятной структуры все стали до изготовления инструмента подвергают предварительной термической обработке -- отжигу. Поскольку наличие сетки вторичного цементита ухудшает качество и срок службы инструмента, заэвтектоидные стали подвергают сфероидизирующему отжигу, нагревая сталь У10 до 740-7500С. В результате такого отжига пластины ЦII делятся (на этот процесс положительно влияет наличие субграниц и скоплении дислокаций). Регулируя скорость охлаждения, можно получать глобули ЦII различного размера.

Окончательная термическая обработка -- закалка и отпуск.

Структура закаленной стали - мелкоигольчатый мартенсит с мелкими карбидами.

Для закалки стали У10А ее нагревают до температуры 760-7700С, выдерживают при этой температуре для завершения фазовых превращений, а затем резко охлаждают. Средой закалки назначим воду или водный раствор солей, поскольку углеродистая сталь имеет высокую критическую скорость закалки.

В результате охлаждения со скоростью выше критической происходит превращение аустенита в неравновесную структуру - мартенсит, обладающую высокой твердостью и прочностью.

Сталь с исходной структурой зернистого перлита при нагреве приобретает аустенитную структуру при сохранении некоторого количества цементита. Продолжительность нагрева должна обеспечить прогрев изделия по сечению и завершение фазовых превращений. Но не должна быть слишком большой, чтобы не вызвать роста зерна и обезуглероживания поверхностных слоев стали. При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.

Температуру отпуска выбирают в зависимости от твердости, необходимой для данного вида инструмента. Стали для режущего инструмента должны иметь высокую твердость в режущей кромке, значительно превышающую твердость обрабатываемого материала; высокую износостойкость, необходимую для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании; достаточную прочность при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и теплостойкости, когда резание выполняется с повышенной скоростью. Для напильников, метчиков, плашек и т.п. (стали У10--У13) проводят низкотемпературный отпуск при 150-200°С, что обеспечивает инструменту максимальную твердость (HRC62-64).

Низкотемперaтурный отпуск проводят при нагреве до 250 С. При этом снижаются закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. Закаленная сталь У10 после низкого отпуска сохраняет твердость в пределах HRC62, а следовательно, высокую износостойкость. Однако такое изделие (если оно не имеет вязкой сердцевины) не выдерживает значительных динамических нагрузок. Продолжительность отпуска составляет обычно 1--2,5 ч.

Основные недостатки углеродистых сталей -- их небольшая прокаливаемость, примерно до 5--10 мм, и низкая теплостойкость. При нагреве выше 200°С их твердость резко снижается. Инструменты из этих сталей могут работать лишь при небольших скоростях резания.

2. В результате термической обработки тяги должны получить повышенную прочность по всему сечению (твердость 250...230 НВ). Для их изготовления выбрана сталь 30ХМ. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства стали после термической обработки.

Сталь 30ХМ - низколегированная качественная доэвтектоидная сталь. По назначению сталь относится к группе конструкционных (машиностроительных) улучшаемых сталей. Химический состав стали по ГОСТ 4543-71: C 0,24-0,32%; Si0,17-0,37%; Cr 0,8-1,1%; Mn 0,4-0,7%; Мо 0,15-0,250%.

Многие детали машин (коленчатые валы, валы, оси, штоки, шатуны, ответственные детали турбин и компрессорных машин и др.) изготовляют из среднеуглеродистых сталей (0,3-- 0,5 % С) и подвергают закалке и высокому отпуску (улучшение). Стали закаливаются от 820--880 °С (в зависимости от состава) в масле (крупные детали охлаждают в воде) и проходят отпуск при 550--880 °С. После такой обработки структура стали -- сорбит. Стали должны иметь высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжений, в изделиях, работающих при многократно прилагаемых нагрузках, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости. Кроме того, улучшаемые стали должны обладать хорошей прокаливаемостью и малой чувствительностью к отпускной хрупкости.

При полной прокаливаемости сталь имеет лучшие механические свойства, особенно сопротивление хрупкому разрушению -- низкий порог хладноломкости, высокое значение работы развития трещины КСТ и вязкость разрушения.

Наличие в структуре нижнего бейнита не снижает конструктивной прочности стали. Если в структуре наряду с мартенситом присутствуют верхний бейнит или продукты диффузионного распада аустенита (перлит, троостит), сопротивление хрупкому и вязкому разрушению снижается и повышается порог хладноломкости. Высокий отпуск, вызывающий сфероидизацию и коагуляцию карбидов цементитного типа, сохраняя достаточно высокое значение у0,2, понижает порог хладноломкости, повышает трещиностойкость К1с и работу распространения трещины КСТ.

Механические свойства будут зависеть от той термической обработки, которую проходит сталь (деталь) на машиностроительном заводе, и прежде всего от принятой температуры отпуска.

Назначим для стали 30ХМ следующую термообработку: закалка от температуры 8600С в масле; высокий отпуск от 5000С в масле. После закалки сталь имеет структуру - мартенсит, а после отпуска - сорбит отпуска. Термообработка задаст стали следующие свойства: ув = 950 МПа, у0,2 = 750 МПа, д5 = 12%, ш = 45%.

Хром - сравнительно дешевый элемент и широко используется для легирования стали. В конструкционных сталях он частично растворен в феррите, частично в цементите или образует специальные карбиды. В хромистых сталях в большей степени развивается промежуточное превращение; при закалке с охлаждением в масле сердцевина изделия имеет бейнитное строение. Вследствие этого хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при несколько меньшей пластичности в сердцевине. Прокаливаемость хромистых сталей невелика. Хромистые стали склонны к отпускной хрупкости, поэтому после высокого отпуска охлаждение должно быть быстрым; для мелких деталей -- в масле и для крупных -- в воде.

Молибден, содержащийся в стали повышает ее теплостойкость и устраняет отпускную хрупкость.

3. Для деталей, работающих в контакте с крепкими кислотами, выбрана сталь 12X17. Укажите состав и определите класс стали. Объясните причину введения хрома в эту сталь и обоснуйте выбор данной стали для указанных условий работы.

Сталь 12Х17- конструкционная коррозионностойкая заэвтектоидная высокохромистая сталь. Относится классу мартенситно-ферритных. Состав по ГОСТ 5632-72: 0,12%C; до 0,8%Si; до 0,8%Mn; 17%Cr; до 0,2%W; до0,025%S и до 0,035%P. Эту сталь применяют главным образом для деталей, работающих в окислительных средах (азотной кислоте), в водных растворах аммиака, сероводороде и других агрессивных средах. Высокохромистые стали, особенно с повышенным содержанием углерода, азота, кислорода и фосфора хладноломки и склонны к росту зерна при нагреве выше 850-- 9000С.

Хром -- основной легирующий элемент, делающий сталь коррозионностойкой в окислительных средах. Коррозионная стойкость хромистых нержавеющих сталей объясняется образованием па поверхности защитной плотной пассивной пленки оксида Сr2О3. Такая пленка образуется только при содержании хрома более 12,5% (ат.). Именно при таком содержании хрома (n = 1) потенциал скачком изменяется от --0,6 до +0,2 В (рис. 1).

Рисунок 1 Потенциал железа в воздушной среде в зависимости от содержания хрома

Железо с хромом образуют непрерывный ряд твердых растворов (рис. 2). Благодаря этому можно получить сталь с высоким содержанием хрома в твердом растворе. Хром не является дефицитным металлом, стоимость его сравнительно невысока, поэтому хромистые стали -- самые дешевые нержавеющие стали. Они обладают достаточно хорошим комплексом технологических свойств. Углерод в нержавеющих сталях, в том числе и в хромистых, является нежелательным элементом, так как, связывая хром в карбиды, он тем самым обедняет твердый раствор хромом, понижая коррозионные свойства стали. Кроме того, углерод расширяет область г-твердого раствора, способствуя получению двухфазного состояния. Чем больше содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость хромистых сталей.

Рисунок 2 Потенциал железа в воздушной среде в зависимости от содержания хрома

Стали ферритного класса при нагреве не испытывают превращений, поэтому термическую обработку проводят для получения структуры более однородного твердого раствора, что увеличивает коррозионную стойкость. Данную сталь 12Х17 следует подвергнуть следующей термообработке: отжиг при 8500С, закалка от 1000-10500C в масле и отпуск при 7500C в масле.

Отжиг в интервале 560--800°С позволяет устранить 475-град хрупкость и уменьшить склонность к интеркристаллитной коррозии. При 740--8000C происходит коагуляция карбидов хрома, нарушается сплошная карбидная сетка и выравнивается концентрация

После термообработки сталь будет иметь предел прочности уВ=600МПа, предел текучести у0,2=420МПа; относительное удлинение д=20%.

4. Для изготовления некоторых деталей в авиастроении применяется сплав МЛ3. Расшифруйте состав, укажите способ изготовления деталей из этого сплава и опишите характеристики механических свойств.

Сплав Мл3 - магниевый литейный термически упрочняемый сплав. Его химический состав: 2,5%Al; 0,5-1,5%Zn; 0,15-0,5%Mn; 0,25%Si; до0,06%Fe; остальное Mg.

Термическая обработка магниевых сплавов имеет много общего с термической обработкой алюминиевых сплавов. Слитки и фасонные отливки подвергают гомогенизационному отжигу. В зависимости от состава сплава отжиг проводят при 400--530°С в течение 15--30 ч для устранения ликвации легирующих элементов.

При гомогенизации магниевых сплавов избыточные фазы, выделившиеся по границам зерен, растворяются, и состав по объему зерен выравнивается, что облегчает обработку давлением и повышает механические свойства.

Для устранения наклепа магниевые сплавы подвергают рекристаллизационному отжигу при ~3500С (температура порога рекристаллизации сплавов 250--280 °С).

Сплав МЛ3 может быть упрочнен закалкой и старением. Способность сплавов к упрочнению связана с изменением растворимости компонентов сплавов (Al, Zn, Zr и др.) в магнии в зависимости от температуры. Нагрев приводит к растворению избыточных фаз (MgZn2, A13Mg4, Мg3А12Zn3 и т.д.) и получению после закалки пересыщенного твердого раствора. В процессе старения происходит выделение упрочняющих фаз. Особенностью магниевых сплавов является малая скорость распада твердого раствора, поэтому фазовые превращения протекают медленно. Это требует больших выдержек при искусственном старении (4--24 ч). По этой же причине возможна закалка на воздухе. Многие сплавы принимают закалку при охлаждении отливок или изделий после горячей обработки давлением на воздухе, а следовательно, они могут упрочняться при искусственном старении без предварительной закалки.

Старение литых сплавов проводят при 200--300°С (Т1). Закалку осуществляют при нагреве до 380--4250С (Т4). Во избежание окисления нагрев ведут в атмосфере воздуха и 0,7--1,0 % сернистого газа или в среде углекислого газа. После закалки для достижения максимального упрочнения проводят искусственное старение при 175-200°С (Т6). Механические свойства сплава МЛ3 после термообработки - уВ=225МПа, д=2%; в ото

Изменение свойств при старении магниевых сплавов меньше, чем алюминиевых. Прочность магниевых сплавов в процессе старения

При выплавке и литье магниевых сплавов применяют специальные меры предосторожности для предотвращения загорания сплава. Плавку ведут в железных тиглях под слоем флюса, а при разливке струю металла посыпают серой, образующей сернистый газ, предохраняющий металл от воспламенения. В формовочную землю для уменьшения окисления металла добавляют специальные присадки (например, фтористые соли алюминия). Для получения качественного металла (измельчения зерна) его сильно перегревают и подвергают модифицированию путем присадки мела, магнезита или хлорного железа.

5. Опишите пенопласты, их разновидности и свойства. Укажите области применения пенопластов в машиностроении

термический обработка инструмент сталь

Пенопласты - (вспененные или ячеистые пластмассы, газонаполненные полимеры), композиционные материалы с каркасом (матрицей) из полимерных пленок, образующих стенки и ребра ячеек (пор), заполненных газом (преим. воздухом). Последние могут иметь сферическую, эллиптическую, полиэдрическую или др. форму. По физической структуре пенопласты аналогичны древесине, искусственной и натуральной коже, туфам, пористым керамическим и т.п. материалам. Объемное соотношение газовой и полимерной фаз в пенопластах составляет обычно от 30: 1 до 1:10.

Вспененные пластмассы, содержащие преимущественно автономные (закрытые) ячейки, называют собственно пенопластами (замкнутоячеистые пенопласты), в отличие от поропластов-материалов, в которых преобладают сообщающиеся (открытые) ячейки или тупиковые капилляры-поры (открытопористые пенопласты). Типичные представители замкнутоячеистых пенопластов-пластики с полым сферическим наполнителем, так называемые синтактные (синтактичные) пенопласты, или сферопласты. Полностью открытопористую структуру имеют сетчатые (ретикулированные) пенопласты, в которых дополнительное вскрытие ячеек достигается в результате разрушения их стенок выщелачиванием, направленным взрывом и др. спец. приемами.

Пенопласты с модулем упругости выше 1000 МПа относят к эластичным, ниже 100 МПа - к жестким (полужесткие пенопласты занимают промежуточное положение). В особую категорию выделяют пенопласты интегральные.

Пенопласты получены из большинства известных полимеров. Основу промышленного, ассортимента пенопластов составляют пенополиуретаны, пенополистиролы, пенополивинилхлориды, пенополиолефины, пенофенопласты, карбамидо-формальдегидные пенопласты. Освоены также в промышленном масштабе пенопласты на основе полиамидов, полиимидов, поликарбонатов, поливинилформаля, эфиров целлюлозы, эпоксидных и ненасыщенных полиэфирных смол, полиизоциануратов, поликарбодиимидов, а также синтетических каучуков (пористая резина).

Свойства.

* Пенопласты обладают высокими теплоизолирующими свойствами при условии, что температура эксплуатации (конкретного вида пенопласта) не превышает температуры его деструкции (разрушения, потери структуры);

* Можно сказать, что пенопласт является наименее токсичным при комнатной температуре, а в случае использования в качестве упаковки продуктов питания следует информировать потребителя об опасности его нагрева;

* Пенопласты чрезвычайно легкие материалы, благодаря чему они довольно удобны в монтаже, укладке и креплении, но обращение может усложниться при порывах ветра и при транспортировке;

* Пенопласт не подвержен воздействию микроорганизмами, не создает благоприятной среды для развития водорослей и грибов, однако при неровной (шероховатой) поверхности создает условия для закрепления на поверхности изделия из пенопласта колоний микроорганизмов (водорослей);

* Пенопласт легко режется горячей проволокой, однако это требует соблюдения правил безопасности.

Тем не менее при этом:

- Пенополистирол легко разрушается под воздействием многих технических жидкостей (бензол, дихлорэтан, ацетон) и их паров, что следует учитывать в том числе при выборе лакокрасочных материалов в строительстве и отделке.В низших спиртах, низкомолекулярных алифатических углеводородах, простых эфирах, фенолах и воде пенополистирол нерастворим.

- Карбамидно-формальдегидный пенопласт, обычно заливаемый в простенок зданий для утепления, разрушается при избыточной влажности с выделением мочевины и формальдегида, который обладает токсичностью, негативно воздействует на генетический материал, репродуктивные органы, дыхательные пути, глаза, кожный покров и оказывает сильное действие на центральную нервную систему.

По показателям физико-механических свойств плиты пенопласта должны соответствовать нормам, изложенным в ГОСТ 15588-86.

Применение. Жесткие пенопласты-эффективные теплоизоляционные материалы для несущих и навесных строительных панелей, бытовых и промышленных холодильников, трубопроводов, химического оборудования, пассажирских и изотермических вагонов. В этом же качестве пенопласты применяют для предохранения мостов от обледенения, защиты с.-х. культур от заморозков, аккумулирования тепла в гелиотехнических установках. Эластичные пенопласты-эффективные вибро-демпфирующие материалы для сидений автомобилей и мягкой мебели, постельных принадлежностей, амортизирующих прокладок.

Открытопористые пенопласты применяют в производстве фильтров, в качестве средства для поглощения и удержания жидкостей (напр., нефтепродуктов), как гигиенические и специальные губки, для изготовления утепленной одежды и мягких игрушек.

Напыляемые пенопласты надежно герметизируют щели, стыки конструкций, пустоты.

Исходные смеси для получения пенопластов-вспенивающееся при применении связующее для электронных модулей и блоков (попутно решается проблема электроизоляции), средство для укрепления песчаных почв, горных выработок.

Благодаря технологичности и легкости пенопласты-перспективные материалы для упаковки хрупких изделий и прецизионных приборов, замороженных и скоропортящихся продуктов.

Также пенопласт это:

- лёгкий заполнитель отсеков, обеспечивающих непотопляемость судов (чаще маломерных);

- материал для изготовления поплавков, спасательных жилетов и нагрудников;

- изготовление медицинских тар, в том числе для транспортировки донорских органов;

- одноразовая прессованная "тарелка" для приготовления в микроволновой печи, не путать с полиэтиленом!;

-декоративные элементы внутренней отделки, такие как плинтусы и потолочная плитка.

В развитых странах на изготовление пенопластов расходуется 5-10% от общего выпуска крупнотоннажных полимеров. Мировое производство пенопластов ок. 6,5 млн. т/год (1980), из них ок. 1/3 приходится на долю США.

термический обработка инструмент сталь

Литература

1. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с., ил.

2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учебное пособие для высших технических учебных заведений. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1975. - 447 с., ил.

3. Конструкционные материалы: Справочник/Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. -- М: Машиностроение, 1990, --688 с; ил. --(Основы проектирования машин).

4. Шишков М.М. Марочник сталей и сплавов: Справочник. Изд. 3-е дополненное. -- Донецк: Юго-Восток, 2002. --456 с.

5. http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru