Введение
Из многообразияматериалов, обладающих жёсткостью и прочностью, достаточными для ограниченияупругой и пластической деформации, при гарантированной надёжности идолговечности является сталь.
Сталь – сплав железа суглеродом, содержащий от 0,02 до 2,14% углерода.
По химическому составустали классифицируют на углеродистые и легированные, содержащие до 10%легирующих элементов (хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам и другие).
К конструкционным сталям,применяемым для изготовления разнообразных деталей машин и конструкций,предъявляют следующие требования: высокий комплекс механических свойств,обеспечивающих надёжную и длительную работу машин, эксплуатацию конструкцийтехнологичность, т.е. хорошая обрабатываемость давлением, резанием,свариваемость и пр., низкая стоимость и доступность. Легированные стали должнысодержать по возможности меньше дорогих и дефицитных легирующих элементов.Легирующие стали должны обладать высоким комплексом стандартных механическихсвойств, определяемых при разных способах нагружения.
Реферат
Данная курсовая работасодержит:
Стр.
Рис.
Табл.
Курсовая работа выполненав соответствии с программой курса «Конструкционные стали в машиностроении».
Цель работы: выбор и обоснованиеконструкционного материала для изготовления детали «звёздочка». Описаниехимического состава и технологических свойств. Рассмотрено влияние химическогосостава на механические свойства, глубину прокаливаемости. Составлениемаршрутной технологии предварительной и окончательной термической обработки.Назначение режимов термической и химико-термической обработки. Проведениеконтроля качества изготовленной детали.
Ключевые слова: звёздочка,конструкционная сталь, химический состав, химико-термическая обработка,закалка, отжиг, цементация, отпуск, перлит, мартенсит, аустенит, структура,температура, наследственное зерно.
1. Выбор и обоснованиематериала для изготовления детали «звёздочка».
Деталь «звёздочка» приэксплуатации испытывает действие различных нагрузок: статических, динамических,поверхностных. Поэтому выбранный материал должен обладать высоким комплексомстандартных механических свойств, определяемых при разных способах нагружения.Однако эти свойства полностью не гарантируют надёжную и длительную работуизделия. Необходимо учитывать, что в реальных условиях эксплуатации действуютфакторы, которые могут снижать пластичность и ударную вязкость и увеличиватьопасность хрупкого разрушения.
Это подтверждаетсяслучаями, внезапного хрупкого разрушения изделий, изготовленных из сталейвысокой пластичности.
К факторам, увеличивающимсклонность сталей к хрупкому разрушению относятся, концентраторы напряжений,которые всегда имеются в реальных условиях эксплуатации.
Из всех известных втехнике материалов лучшее сочетание конструктивной прочности, надёжности идолговечности имеет конструкционная сталь, поэтому она явилась основнымматериалом для изготовления детали звёздочка. Под конструктивной прочностьюподразумевают такую прочность, которую сталь имеет в результате реальныхусловий её применения.
Надёжность – это свойствоматериала противостоять хрупкому разрушению. Для предупреждения внезапныххрупких поломок высоконагруженных деталей важно учитывать не толькопластичность (/>) и ударнуювязкость (КСИ) стали, но и параметры конструктивной прочности, характеризующиееё надёжность: ударную вязкость КСИ и КСТ, температурный порог хладноломкости Тхл., вязкость разрушения К1с.
Долговечность – этосвойство материала сопротивляться развитию постоянного разрушения и потереработоспособности в течении заданного времени.
Потеря работоспособностиможет быть вызвана различными причинами: развитием процессов усталости, изнашиваниемдетали, коррозией и др.
Все эти процессы приводятк постепенному накоплению повреждений и разрушению материала. Для обеспечениядолговечности важно уменьшить до допустимого уровня скорость развития процессовразрушения.
Высокая конструктивная прочностьдостигается путём рационального выбора химического состава, режимов термическойи химико-термической обработки.
Решающая роль в составеконструкционной стали, отводится углероду. Углерод повышает прочность стали, носнижая хладноломкость, увеличивает чувствительность к хрупкому разрушению.
Большое влияние наконструктивную прочность стали оказывают легирующие элементы. Повышениеконструктивной прочности при легировании связанно с обеспечением высокойпрокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, уменьшением зерна,упрочнение дефекта и т. д.
Одним из наиболее важныхфакторов является повышение прокаливаемости.
Сопротивление усталости,износу и некоторые другие характеристики долговечности зависят от свойствповерхностного слоя изделия. Для получения требуемых свойств конструкционнуюсталь подвергают химико-термической обработке, которая приводит кповерхностному упрочнению и созданию на поверхности остаточных сжимающихнапряжений, затрудняющих возникновение и развитие трещин.
При выборе марки сталидля изготовления детали звёздочка необходимо, чтобы она сочетала в себеповышенную прочность:/> 850 Н/мм,вязкость КСU =80Дж/см/>,закалённый поверхностный слой 1,3—1,5 мм и сочетание твёрдой износостойкойповерхности HRC=60 –62 и мягкой сердцевины HRC = 24 – 26.
Сталь 20ХН3А повышеннойпрочности, вязкости и глубокой прокаливаемости применяется в условиях износапри трении. Из неё изготавливают зубчатые колёса, звёздочки, шестерни, шлицевыевалы, силовые шпильки и другие, особо ответственные детали, к которымпредъявляются требования высокой прочности и поверхностной твёрдости всочетании с пластичной и вязкой сердцевиной работающих в условиях статических идинамических нагрузок.
2. Химический составстали 20ХН3А.
Сталь 20ХН3А –легированная конструкционная.
Классификация стали20ХН3А:
1) категория – высококачественная(S/>);
2) группа –хромоникелевая;
3) по виду обработки –кованная;
4) среднеуглеродистая;
Химический состав стали20ХН3А приведён в таблице 1.
Таблица1
Химический состав стали20ХН3АГруппа стали Марка стали Массовая доля элементов, % С Mn Cr Ni Хромоникелевая 20ХН3А 0,17-0,24 0,3-0,6 0,6-0,9 2,75-3,15
Основными легирующимиэлементами стали 20ХН3А являются хром и никель. Хром образует с углеродомкарбиды различного состава. Все карбиды являются твёрдыми структурными составляющими.Поэтому при наличии хрома в стали её твёрдость и износостойкость увеличивается.Хром способствует увеличению прокаливаемости стали. Никель повышает предел прочности,и предел текучести стали. Никель увеличивает глубину прокаливаемости стали. Онвлияет на структуру, изменяя зерно и увеличивает вязкость стали.
Как указано выше и хром,и никель способствуют увеличению прокаливаемости стали.
Под прокаливаемостьюподразумевается способность стали закаликаваться на определённую глубину.Прокаливаемость непосредственно связанна с устойчивостью переохлаждённогоаустенита.
Прокаливаемостьопределяется критической скоростью охлаждения. При данном режиме охлажденияПрокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чемвыше устойчивость переохлаждённого аустенита.
Легированная сталь 20ХН3Аблагодаря более высокой устойчивости переохлаждённого аустенита и меньшейкритической скорости охлаждения прокаливается на значительно большую глубину,чем углеродистые стали.
Хром и никель увеличиваютустойчивость переохлажденного аустенита, что существенно изменяет вид диаграммыизотермического распада. Линии диаграммы смещаются вправо и становятся как быдвойными С-образными кривыми, рисунок 1.
На диаграмме наблюдаютсядве температурные зоны минимальной устойчивости аустенита.
/>
Рис.1 диаграммаизотермического распада аустенита стали 20ХН3А.
3.Маршрутнаятехнология изготовления детали звёздочка.
Основными моментамимаршрутной технологии являются предварительная и окончательная термическаяобработка. Полная схема получения детали приведена на рисунке 2.
Получение заготовки (поковка) Предварительная термическая обработка (изотермический отжиг) Механическая обработка Окончательная термическая обработка (химико-термическая обработка, закалка, отпуск) Окончательная механическая обработка Контроль качества после термической обработки
Риунок 2. Маршрутнаятехнология изготовления детали звёздочка.
4. Режим термической ихимико-термической обработки детали.
Термическая обработка –это технологический процесс тепловой обработки изделий из металлов и сплавов сцелью изменения их структуры, механических, физических и химических свойств.
Предварительная термическаяобработка применяется для исправления структуры и получения однородныхмеханических свойств по всему сечению детали. Она улучшает технологическиесвойства, обеспечивает оптимальную обрабатываемость при механической обработке.
Для звёздочки, подвергаемойпоследующей цементации оптимальная для получения обрабатываемости структурапредставляет собой зёрна пластинчатого перлита и хорошо дифференцированногоферрита и определённым соотношением твёрдости этих составляющих. Оптимальнаятвёрдость феррита: 1400—1200 МПа, твёрдость перлита не должна превышать 3000МПа по Бринеллю.
Для получения такихпараметров рекоменджуется в качестве предварительной термической обработкипроводить изотермический отжиг.
В случае изотермическогоотжига сталь нагревают на 30—50 />С вышеточки Ас3 (Ас3= 760/>С) и сравнительно быстроохлаждают (на воздухе или переносят в другую печь) до температуры лежащей нижеА/> — 700/>С (обычно на 100-- 150/>С) в зависимости отхарактера изотермической кривой распада аустенита.
Режим изотермическогоотжига стали 20ХН3А приведён на рис. 3:
/>/>
Рис.3 Режимизотермического отжига стали 20ХН3А.
t/>= 760+(30-50/>С)
t/>=800 />С
При отжиге общаяпродолжительность нагрева:
/>
Где /> — продолжительностьсквозного нагрева до заданной температуры;
/> — продолжительность изотермическойвыдержки для завершения фазовых превращений, />=2мин.
/>=0,1*/>, мин.
Где /> — коэффициент формы, 2, /> — коэффициент нагрева, 2
/> — коэффициент неравномерностинагрева, 1
/> — минимальный размер максимальногосечения, 35,
/>= 0,1*35*2*2*1=14(мин.)
/>=14мин.+2мин.=16мин.
Окончательная термическаяобработка включает цементацию, закалку неполную и отпуск низкий (рис. 4)
Цементация — процесснасыщения поверхностного слоя детали углеродом.
Основная цель цементации— получение твёрдости и износостойкости поверхности, что достигаетсяобогащением поверхностного слоя углеродом до концентрации 0,8-1,1% ипоследующей закалкой. Это одновременно повышает процесс выносливости.
/>
Рис.4 Режим окончательнойтермической обработки детали звёздочка.
Для цементации детальпоступает после механической обработки с припуском на шлифование 0,05-0,1мм. Частидетали. Не подлежащие упрочнению защищают тонким слоем меди, наносимымэлектролитическим способом или специальными
Температура цементации500-600/>С. В этом случае происходитполное насыщение аустенита ферритом и образование на поверхности цементита.Этот процесс является интенсивным. При газовой цементации сокращается длительностьпроцесса, т.к. отпадает необходимость прогрева ящиков (в случае твёрдойцементации), наполненным малотеплопроводным карбюризатором, обеспечиваетсявозможность полной механизации процесса, его автоматизации и значительноупрочняется последующая термическая обработка изделия, т.к. закалку можнопроводить непосредственно из печи.
Газовую цементацию выполняютв шахтных печах периодического действия в которые подаются углеводородные газы.Детали загружают на специальных приспособлениях в печь.
Продолжительностьцементации составляет:
/>, (мин.),
Где h =1,3-1,5 мм, />, />=225 мин;
Основной реакцией, обеспечивающейнауглероживание при газовой цементации, диссоциация метана:
/>
Окончательные свойствацементованного изделия достигаются в результате термической обработки,выполняемой после цементации. Эта обработка имеет целью:
1. Исправитьструктуру и изменить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежноперегреваемых во время длительной выдержки при высокой температуре цементации;
2. Получить высокуютвёрдость в цементованном слое;
3. Устранитькарбидную сетку в цементованном слое, который может возникнуть при пересыщенииего углеродом.
4. Закалку проводят выше точки А/>, на 30-50/>С ;
tн =700/>С +(30-50/>С )
tн =740/>С ;
Это обеспечиваетизмельчение зерна цементованного слоя и частичную перекристаллизацию иизмельчение зерна сердцевины. При закалке общая продолжительность нагрева, каки при отжиге составляет: 14мин.
/>=/>+/>
/>=0,1*35*2*2*1=14мин.
/>14мин+2мин=16мин.
Заключительной операциейтермической обработки цементованного изделия является низкий отпуск притемпературе 180-200/>С ;
В результате термическойобработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита с избыточнымикарбидами в виде глобулей.
Его твёрдостьсоставляет59-63HRC.
Время нагрева при отпускесоставляет:
120мин.+1мин.*25=125мин.
5. Механизмструктурных превращений стали 20ХН3А в процессе термической ихимико-термической обработки.
При термической обработкестали 20ХН3А наблюдаются следующие превращения.
1.При нагреве в процессеизотермического отжига происходит превращение перлита в аустенит вышекритической точки А1: П/>А;
При охлаждении ниже точкиА1,
2.Превращение аустенита вперлит: А/>П;
3. При охлаждении егоскоростью выше критической превращение аустенита в мартенсит: А/>М.
5.1. Превращениеперлита в аустенит.
Процесс превращенияперлита в аустенит при нагреве в доэвтектоидной стали стали происходитследующим образом.
Сталь в межфазномсостоянии представляет смесь фаз феррита и карбидов переменного состава Cr/>.При нагреве несколько выше критическойточки Ас1 ( 700/>С)на границе ферритной и цементитной фаз начинается превращение />, приводящее к образованиюнизкоуглеродистого аустенита, в котором растворяется цементит (рис.5 б-г).Образующийся аустенит химически не однороден. Концентрация углерода в аустенитена границе с цементитом значительно выше, чем на границе с ферритом.
Превращение /> протекает быстрее, чемрастворение цементита, поэтому когда вся />-фаза (феррит) превращается в /> — фазу(аустенит), цементит ещё остаётся рис.5, д). После растворения всего цементитапревращение заканчивается рис. (5, г), но образовавшийся аустенит имеет неравномерную концентрацию углерода, уменьшающуюся от центра к периферии зерна.Только после дальнейшего повышения температуры или дополнительной выдержки.Аустенит в результате диффузии углерода становится однородным по всему объёму.
/>/>/>
/>/>/>
Хром и никель понижаюткритическую точку Ас,/> 700/>С и уменьшают склонность зернааустенита к росту, поэтому легированная сталь 20ХН3А является наследственномелкозернистой.
5.2. Распад переохлажденногоаустенита.
Распад аустенитапроисходит при температуре ниже 700/>С(критическая точка Ас1), когда свободная энергия вышесвободной энергии продуктов его превращения. От степени переохлаждения зависитскорость превращения и строения продуктов распада. На рис.6 приведены режимытермической обработки стали 20ХН3А.
/>
Рис.6. Диаграммаизотермического распада стали 20ХН3А.
Режимы охлаждения
V1 — изотермический отжиг;
V2—закалка непрерывная;
Перлитное превращение.Распад аустенита с образованием перлита является диффузионным процессом иразвивается в результате флуктуации состава( неоднородности в распределенииуглерода).
Как любой диффузионныйпроцесс распад аустенита происходит путём возникновения зародышей (ч. з.) ироста их с определённой скоростью (с. р.).
В аустените, оказавшемсяв неравновесном состоянии при температуре ниже А1,углерод диффундирует к наиболее дефектным местам кристаллической решётки, кместам скопления вакансий вблизи границ зёрен. Поэтому зародыши цементитаобразуются по границам зёрен аустенита.
Рост зародышей цементитапроисходит вследствие диффузии углерода из прилегающего аустенита, что приводитк обеднению углеродом аустенита, окружающего образовавшиеся пластинки цементита,и способствует превращению его феррит за счёт полиморфного превращения решёткиГ.Ц.К. в О.Ц.К. Таким образом происходит рост перлитных колоний.
Структура стали 20ХН3Априведённая на рисунке 7:
/>
Рис.7. Микроструктурастали 20ХН3А после изотермического отжига.
5.3. Мартенситное превращение.
При большомпереохлаждении (вектор V2 ) углерод не успевает выделиться изиз твердого раствора (аустенита) в виде частиц цементита, как это происходитпри образовании перлита. Решётка />-железаперестраивается в решётку />-железа.Углерод остаётся внутри />-железа,в результате чего получается пересыщенный твёрдый раствор углерода в />-железе.
Значительное пересыщение />-железа углеродом вызываетизменение объемно-центрированной кубической решётки в тетрагональную,Элементарной ячейкой которой является прямоугольный параллелепипед, рис.8:
/>
Рис.8. Кристаллическаяячейка мартенсита.
Атомы углерода в такойячейке располагаются в междоузлиях ( что характерно для твёрдого растворавнедрения) или в центре основания (сторона а), или в середине удлинённых рёбер(сторона с). Степень тетрагональности:
с/а=1.08
Мартенсит являетсяперенасыщенным твёрдым раствором внедрения углерода в />-железе.
Мартенситное превращениепротекает ниже температуры 400 араллельных пластинокферрита и цементита характеризуется для всей перлитной области. неоднор/>С для стали 20ХН3А.
Для снятия внутреннихнапряжений в стали проводят отпуск при температуре 200-300/>С.
При первом превращении изпересыщенного />-раствора (мартенсит)выделяется углерод, поэтому тетрагональность решётки уменьшается и соотношениеосей с/а приближается к единице. Содержание углерода в мартенсите снижается, онвыделяется в виде мельчайших пластинок карбида железа, называемого /> (эпсилан) — карбидом (FeхC), имеющем гексагональную решетку формулу, близкую с Fe2C.
Образовавшийся врезультате первого отпуска мартенсит называется мартенситом отпуска. Онпредставляет собой смесь пересыщенного твёрдого раствора углерода в />-железе неоднороднойконцентрации и карбида, ещё не полностью обособившегося от решётки мартенсита.
/>
Рис.9. Микроструктурастали 20ХН3А после отпуска.
5.4. Механизмобразования и строение цементованного слоя.
Диффузия углерод в сталивозникает не только, если углерод находится в атомарном состоянии, получаемомпри дислокации газов, содержащих углерод (СО, СН4 и др.)
СН4/>
/> — аустенит;
Атомарно углеродадсорбируется поверхностью стали и диффундирует в глубь металла.
Скорость диффузииуглерода возрастает с повышением температуры. Цементацию ниже Ас1 не выполняют, т. к. />-железорастворяет мало углерода и цементованный слой состоит, главным образом толькоиз очень тонкой корочки цементита.
Цементацию проводят притемпературах выше Ас3 (800-850/>С).В этом случае сначала диффундирует в решётку />-железа.При достижении предела насыщения аустенита углеродом создаются условия дляобразования на поверхности зародышей новой фазы, устойчивой при даннойтемпературе, а именно цементита. Постепенно на поверхности образуется сплошнойслой цементита.
Цементованный слой имеетпеременную концентрацию углерода по толщине, убывающую от поверхности ксердцевине детали. В связи с этим после медленного охлаждения в структурецементованного слоя можно различать три зоны:
— заэвтектоидную, состоящуюиз перлита и вторичного цементита (1);
— эвтектоидную зону,состоящую из одного перлита (2);
— доэвтектоидную,состоящего из перлита и феррита (3). Количество феррита в этой зоне непрерывновозрастает по мере приближения к сердцевине, рис.10.
За толщину цементованногослоя принимается сумма заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной зон.Концентрация углерода в поверхностном слое составляет примерно 1,1%. Хром несколькоповышает толщину цементованного слоя. Никель увеличивает скорость диффузииуглерода.
/>
Рис.10. Микроструктурацементованного слоя стали 20ХН3А.
П – перлит
Ф – феррит
Ц – цементит.
6. Контроль качества.
6.1. Определениевеличины наследственного зерна.
Любое металлическоеизделие имеет поликристаллическое строение, т. е. состоит из большого числазёрен.
Величина зерна металлазависит от его состава, условий его выплавки, кристаллизации, обработкидавлением и термической обработки. От величины зерна зависят многие свойстваметалла. Металлы, имеющие крупное зерно, обладают пониженной прочностью,пластичностью и вязкостью.
Зерно которое образуетсяв стали после термической обработки по особому режиму, характеризует склонностьстали к росту зерна при нагреве в процессе термической обработки, называетсянаследственным.
Методы выявления иопределения величины зерна регламентированы ГОСТ 5639-65.
Для определения величинызерна при контрольных испытаниях применяют три метода.
1) визуальноесравнение видимых под микроскопом зёрен с эталонными изображениями шкал;
2) подсчётколичества зёрен, приходящихся на единицу поверхности шлифа;
3) Измерениесреднего условного диаметра зерна или количества зерна в 1 мм/>.
Проводим определениеразмера зерна в « »повторно подвергается термической обработке вместе сдеталью. Для определения размера зерна используем метод сравнения.
Метод сравнения: Шлиферполучают под микроскопом при увеличении 100/>(допускаетсяувеличение в пределах 90-105/>) ипроводят сравнение величины зерна с эталонными изображениями на шкале. Наэталонных шкалах приведены микроструктуры с различной величиной зерна,оцениваемой номером. Всего имеется 18 номеров зерна: от -3 до +14. Основнаяшкала содержит эталон микроструктур с номером зерна от 1 до 10 при увеличении100/>.
Эталоны имеют форму кругадиаметром 79,8 мм (площадь шлифа 0,5 мм/>)со схематическим изображением зерен различной величины. Зёрна изображённые накаждом эталоне, относятся к определённому номеру.
С уменьшением величинызерна увеличивается номер, т. е. №1 соответствует крупному зерну, а №10 –мелкому, рис.11.
/>
Рис.11. Схематическоеизображение микроструктуры с различной величиной зерна (в баллах):
А — №1;
Б — №3;
В — №5;
Г — №7;
Д — №9.
Шлиф можно изучить приразличных увеличениях. В этом случае для пересчёта на стандартный номер зерна(при увеличении 100/>) пользуютсяспециальными таблицами при, приведенными в ГОСТ 5639-65.
Если в микроструктуреимеются зёрна двух или более номеров, то номера зерен записывают в порядкепреобладающей величины зерна. Например на шлифе больше всего зёрен пятогономера, зёрен третьего номера значительно меньше, а зёрен седьмого номера ещёменьше. Записывают в следующем порядке: №5; №3; №7.
Заключение.
Проанализированы условияработы детали «Звёздочка», для её изготовления выбрана конструкционнаяцементуемая сталь 20ХН3А, которая имеет повышенную прочность, вязкость ипрокаливаемость. Составления маршутной технологии изготовления и проведён выборвидов термической и химико-термической обработки стали. Определены необходимыережимы и параметры термической и химико-термической обработки и их мест в общемтехнологическом процессе изготовления детали.
Описаны особенностимеханизмов структурных превращений и рассмотрено влияние химического составастали на их протекание.
Разработана методикаконтроля качества готовой детали.
Список используемойлитературы.
1. А.П. Гуляев«Металловедение»: 6-е изд. – М.: Металлургия, 1986.–544с.
2. Журавлёв В.Н.Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник – Машиностроение, 1981 –392с.
3. Лахтин Ю.М.,Леонтьева В.П. Материаловедение: 3-е изд. – М.: Машиностроение, 1980 – 528с.