Станина из стали 35ХГСЛ-II

Задание №1

Вычертите диаграмму состояния «железо-цементит» строго в масштабе, укажите структурные составляющие и фазы во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения с применением правила фаз для сплава, содержащего C процентов углерода, объясните физическую природу хода этой кривой.

Для заданного сплава определите химический состав фаз и их массу в процентах ко всему сплаву при температуре t. Какова микроструктура этого сплава при комнатной температуре и как этот сплав называется? Зарисуйте схематически микроструктуру.

Числовые значения С и t принимаются в соответствии с вариантом по таблице 1 методических указаний [1]. В данном примере 1,1% Cu и 730⁰С, соответственно.

Решение. Диаграмма Fe-Fe₃C, представленная на рисунке 1.1, является двухкомпонентной системой равновесного состояния железоуглеродистых сплавов. Показанные на диаграмме фазы и структуры, образованные из этих фаз, позволяют определять для любого сплава системы фазовый и химический состав, получаемые структуры, а также анализировать все процессы, происходящие в сплаве в ходе его охлаждения или нагрева [3].

Для решения поставленных задач проводим линию сплава – вертикаль с координатой по оси абсцисс, соответствующей заданному сплаву, т.е. 1,10% С. Точки пересечения линии сплава с линиями равновесного состояния на диаграмме являются критическими, т.к. соответствуют температурам фазовых превращений в сплаве. При построении кривой охлаждения воспользуемся уравнением правила фаз Гиббса (математическим выражением условия равновесия системы):

С = К – Ф + 1,

где С – число степеней свободы (переменных факторов);

К – число компонентов, т.е. веществ, образующих систему;

Ф – число фаз, существующих при определенных условиях.

По температурной оси кривая охлаждения совмещается с такой же осью диаграммы Fe-Fe₃C.

В интервале температур ≈ 1600…1460⁰С сплав находится в жидком состоянии, железо и углерод полностью растворимы, С = 2 – 1 + 1 = 2. То есть при охлаждении сплава до 1460⁰С устойчивой фазой является жидкость, можно менять два переменных фактора (температуру и концентрацию) и это не изменит числа фаз (участок 1-2). Как только сплав охладится ниже температуры 1460⁰С (точка 2), начнется кристаллизация сплава: из жидкости образуются кристаллы аустенита (γ-железа). Процесс кристаллизации будет продолжаться до температуры 1340⁰С (точка 3). С=2-2+1=1, может изменяться только один фактор (температура). В процессе кристаллизации выделяется скрытая теплота, процесс несколько

Рисунок 1.1 – Диаграмма состояния «железо-цементит» и кривая охлаждения заданного сплава (1,1% С)

замедляется во времени, что отражается на кривой охлаждения: участок 2-3 более пологий. Содержание углерода в образующемся аустените и жидкости при прохождении температурного интервала 1460…1340⁰С будет изменяться: аустенита – по линии солидуса IЕ, а жидкости – по линии ликвидуса ВС. Процесс первичной кристаллизации завершится при температуре 1340⁰С (точка 3) и структура будет состоять из дендритов аустенита. При охлаждении сплава ниже температуры 1340⁰С образовавшийся аустенит (1,10% С) будет охлаждаться без изменения фазового состава: С=2-1+1=2, т.е. число степеней свободы равно двум, изменяться могут два фактора: температура и концентрация. Такое охлаждение аустенита закончится при температуре 860⁰ С (точка 4), ниже которой из аустенита, вследствие понижения растворимости его в γ-железе, начнет выделяться цементит. С=2-2+1=1. Появление второй фазы снова сократит число степеней свободы и замедлит процесс охлаждения (участок 4-5). При охлаждении до температуры 727⁰С (точка 5) содержание углерода в аустените уменьшается по линии ЕS от 1,10%С до 0,8% С. При охлаждении сплава ниже 727⁰С произойдет эвтектоидное превращение оставшегося аустенита в эвтектоидную механическую смесь феррита и цементита, называемую перлитом:

А_s → Ф_р + Ц_к

0,8% С 0,025% С 6,67% С

Одновременное присутствие трех фаз делает систему при эвтектоидных превращениях нонвариантной, С=2-3+1=0, на кривой охлаждения горизонтальный участок 5-5^/. После завершения процесса, ниже линии РSК сплав состоит из двух фаз – феррита и цементита, при дальнейшем охлаждении С=2-2+1=1, т.е. может изменяться один переменный фактор (температура). При комнатной температуре эти две фазы составляют структуру сплава: перлит в виде пластинчатых зерен, окруженных цементитной сеткой.

Для определения химического состава фаз и их массы (в процентах по отношению к массе сплава) необходимо провести коноду при заданной температуре 730⁰С. Тогда точки пересечения коноды с линиями диаграммы при проектировании их на ось концентрации покажут химический состав соответствующих фаз. Температуры 730 и 727⁰С очень близки, для упрощения расчетов примем за точки пересечения т. S и т. К. Тогда количество углерода в аустените чуть более 0,8%, количество углерода в цементите – 6,67%, остальное в каждой из этих фаз – железо. При массе сплава q (принимаем 100%):

Масса аустенита:

.

Масса цементита:

.

Сплав, содержащий 1,10% С, называется заэвтектоидной сталью. Структура его представлена на схематическом изображении микрошлифа (рисунок 1.2):

Рисунок 1.2 – Схема структуры заданного сплава при комнатной температуре

Задание №2

Вычертите строго в масштабе диаграмму изотермического распада аустенита [4, 5] стали. Нанесите на диаграмму кривые, характеризующие скорость непрерывного охлаждения стали от температуры выше точки Ас₃ (для доэвтектоидных сталей) или выше A_cm (для заэвтектоидных сталей) на 40°С, соответственно V₁ и V₂. Опишите происходящие превращения и микроструктуру, приведите схему конечной структуры и твердость стали. Определите числовые значения критической скорости закалки.

Марка стали и числовые значения V₁ и V₂ записываются в условии задания в соответствии с вариантом из методических указаний [1]. В данном примере: сталь 40ХН, V₁ = 15⁰/с, V₂ = 1,5⁰/с

Решение. Для нанесения на диаграмму изотермического распада аустенита стали 40ХН кривых, характеризующих скорости охлаждения V₁ и V₂, необходимо определить начальную температуру и положение нескольких точек в координатах «t-τ» для каждой скорости, т.е. лежащих на заданных кривых. Температура начала охлаждения по условию задачи и в соответствии с диаграммой (рисунок 1.3):

t_н = Ас₃ + 40⁰ С = 780 + 40 = 820⁰С.

Определим значения координат точек на кривых охлаждения. Значения времени в секундах от начала охлаждения (τ_і) выбираем произвольно, а соответствующие им температуры (t_і) находим по формуле:

t_і = t_н - V∙τ_і.

Для скорости V₁ = 15⁰/с:

τ₁ = 2 с, t₁ = 820 – 15·2 = 790⁰С

τ₂ = 4 с, t₂= 820 – 15·4 = 760⁰С

τ₃ = 6 с, t₃= 820 – 15·6 = 730⁰С

τ₄ = 8 с, t₄= 820 – 15·8 = 700⁰С

τ₅ = 10 с, t₅= 820 – 15·10 = 670⁰С

τ₆ = 15 с, t₆= 820 – 15·15 = 595⁰С

τ₇ = 20 с, t₇= 820 – 15·20 = 520⁰С

τ₈ = 30 с, t₈= 820 – 15·30 = 370⁰С

τ₉ = 40 с, t₉= 820 – 15·40 = 220⁰С

Рисунок 1.3 – Диаграмма изотермического распада аустенита стали 40ХН и кривые охлаждения V1 и V2

Для скорости V₂ = 1,5⁰/с:

τ₁ = 10 с, t₁ = 820 – 1,5·10 = 805⁰С

τ₂ = 20 с, t₂ = 820 – 1,5·20 = 790⁰С

τ₃ = 40 с, t₃ = 820 – 1,5·40 = 760⁰С

τ₄ = 60 с, t₄ = 820 – 1,5·60 = 730⁰С

τ₅ = 80 с, t₅ = 820 – 1,5·80 = 700⁰С

τ₆ = 100 с, t₆ = 820 – 1,5·100 = 670⁰С

τ₇ = 150 с, t₇ = 820 – 1,5·150 = 595⁰С

По построенным кривым проанализируем превращения, происходящие при охлаждении стали 40ХН из аустенитного состояния до комнатной температуры. Точки пересечения линий скорости охлаждения с линиями диаграммы характеризуют температуры и время распада аустенита. При охлаждении со скоростью V₁ = 15⁰/с превращение переохлажденного аустенита ниже температуры 690⁰С (точка 1) начинается с выделения избыточной фазы - феррита. Выделение феррита завершится при температуре 640⁰С (точка 2), и дальнейшее охлаждение ниже 640⁰ С вызывает превращение переохлажденного аустенита в мелкодисперсную смесь феррита и цементита (сорбит и троостит). Однако часть аустенита достигнет температуры 350⁰С (точка 3), не претерпев превращений. Эта часть аустенита в процессе дальнейшего охлаждения претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение с образованием мартенсита закалки и некоторого количества остаточного аустенита.

Структура сплава после охлаждения со скоростью V₁ = 15⁰/с до комнатной температуры: феррит + сорбит + троостит + мартенсит (и остаточный аустенит). Сталь с такой структурой (рисунок 1.4) имеет неоднородные свойства и твердость HRC 35…50.

Рисунок 1.4 – Схема и структуры стали после охлаждения со скоростью V₁

При охлаждении со скоростью V₂ =1,5⁰/с ниже температуры 740⁰ С (точка а)

Начинается выделение феррита из аустенита, которое завершается при температуре 680⁰ С (точка б). Ниже температуры 680⁰ С начинается превращение аустенита в перлит пластинчатый, полностью этот процесс завершится при температуре 640⁰ С (точка в). В этом случае при комнатной температуре сталь будет иметь структуру: феррит + перлит и твердость 170…200 НВ (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 – Схема структуры стали после охлаждения со скоростью V₂

Критическую скорость закалки определяем, используя диаграмму изотермического распада аустенита стали 40ХН (см. рисунок 1.3):

,

где t^* и τ^* температура и время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита.

При охлаждении со скоростью выше критической переохлажденный аустенит претерпевает бездиффузионное мартенситное превращение с образованием структуры мартенсита закалки и сохранением некоторого количества остаточного аустенита.

Задание №3

Разработайте режимы предварительной и окончательной термической обработки деталей, заданных в индивидуальном задании (таблица 3 методических указаний [1]) для обеспечения оговоренных свойств.

При выполнении задания:

а) для стальной детали:

- указать состав стали исходя из марочного обозначения (без использования справочной литературы), ее качество, структурный класс в равновесном состоянии, общее назначение;

- описать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении на стадии окончательной термообработки;

- указать микроструктуру стали на поверхности и в сердцевине детали;

б) для детали из чугуна:

- исходя из марочного обозначения указать вид чугуна, его механические свойства, форму графита;

- описать превращения, протекающие на стадии охлаждения;

в) для деталей из цветных сплавов:

- указать состав сплава;

- охарактеризовать превращения, протекающие при нагреве, выдержке и охлаждении.

Все виды технологий термической обработки представить в виде графика в координатах (температура, °С - время, ч).

Сверло из стали У7

Сталь У7 является углеродистой инструментальной качественной закаливаемой сталью. Состав стали: 0,7% С, содержание примесей S ≤ 0,03%, Р ≤ 0,035%. Сталь У7 обладает небольшой прокаливаемостью, применяется, в основном, для ручного инструмента по дереву (т.е. инструмента, не разогревающегося в процессе эксплуатации). После термической обработки сверло должно обладать высокой твердостью (не менее HRC 60), повышенной износостойкостью, удовлетворительной прочностью и пластичностью. Для обеспечения этих требований принимаем в качестве предварительной термической обработки отжиг, а окончательной – закалку с последующим низкотемпературным отпуском.

Технология отжига: посадка в печь при температуре 600…650⁰С, нагрев до температуры аустенитизации со скоростью 70…80⁰/час, затем после непродолжительной выдержки – охлаждение со скоростью 50…60⁰/час до 400⁰С (с печью), далее – не воздухе. Ввиду повышенной чувствительности стали У7 к перегреву, принимаем температуру нагрева для отжига равной t_н =Ac₃ + (10…20)⁰ С, т.е. 800⁰ С, выдержку при этой температуре принимаем из расчета ≈ 1/3 времени нагрева. График технологии отжига заготовок сверла из стали У7 приведен на рисунке 1.6.

Рисунок 1.6 – График режима отжига заготовки сверла из стали У7

В результате отжига сталь приобретает структуру мелкозернистого перлита с незначительным количеством феррита как избыточной фазы. Малая твердость после отжига (≤ 187 НВ) способствует хорошей обрабатываемости резанием при изготовлении сверла.

Технология закалки: нагрев до температуры 800…810⁰С со скоростью 1,5 минуты на 1 мм сечения (1,5х10=150 мин), выдержка – 1/3 времени нагрева и охлаждение со скоростью больше критической. Критическая скорость закалки для стали У7:

,

где t^* и τ^* - температура и время минимальной устойчивости переохлажденного аустенита.

Принимаем среду охлаждения в диапазоне минимальной устойчивости переохлажденного аустенита 500⁰ С – воду, а после секундной замочки в воде дальнейшее охлаждение лучше производить более медленно – в масле, в интервале мартенситного превращения, что позволит снизить количество остаточного аустенита, уменьшить деформацию. Структура после закалки – мартенсит закалки и немного остаточного аустенита, твердость до HRC 62…63. Поскольку требуется высокая твердость и прочность, выполняем после закалки низкотемпературный отпуск. Технология отпуска: посадка в печь (лучше в масляную ванну) при температуре 160…180⁰ С, затем выдержка из расчета 0,2 часа на каждый 1 мм сечения (0,2ч х 10 = 2 ч), охлаждение после отпуска – на воздухе. В результате окончательной термической обработки (графики закалки и отпуска приведены на рисунке 1.7) сверло из стали У7 приобретет структуру мартенсита отпуска, повысится прочность и износостойкость, твердость составит ≈ HRC 60…62.

Рисунок 1.7 – Графики технологии закалки и низкотемпературного

отпуска сверла Ø 10 мм из стали У7

Станина из стали 35ХГСЛ-II

Сталь 35ХГСЛ-IIотносится к легированным конструкционным качественным литейным сталям. Это среднеуглеродистая доэвтектоидная сталь, используемая для изготовления деталей группы ответственного назначения.

Состав стали: 0,32…0,40% Mn, S и P не более 0,06% каждого.

Из стали 35ХГСЛ-II изготавливают станины прокатных станов, валы, зубчатые колеса и другие детали, работающие под действием средних статических и динамических нагрузок. Литая сталь имеет неоднородную структуру и значительные внутренние напряжения. Микроструктура отливок из стали 35ХГСЛ-II представляет собой игольчатой формы феррит и грубопластинчатый крупнозернистый перлит (так называемая видманштеттова структура). Литая сталь с такой крупноигольчатой структурой имеет низкие механические свойства (пластичность и вязкость). Для исправления структуры, измельчения зерна и повышения механических свойств стали отливки применим отжиг (рисунок 1.8).

Рисунок 1.8 – График технологии отжига станины из стали 35ХГСЛ-II

Технология отжига: нагрев до температуры аустенитизации, т.е. Ас₃+(40…50)⁰С со скоростью 70…80 ⁰/ч, затем выдержка из расчета 1,2 часа на 100 мм сечения или 1/3 времени нагрева. Далее – охлаждение до 640⁰С со скоростью 30…40⁰С в час, выдержка при температуре 640…660⁰С из расчета 1,2 часа на 100 мм сечения, затем медленное охлаждение до 400⁰С (скорость охлаждения 30…40⁰С/ч), а затем – на воздухе.

Для обеспечения необходимых механических свойств выполним нормализацию с отпуском (рисунок 1.9).

Технология нормализации с отпуском: нагрев со скоростью 70…80 ⁰/ч до температуры аустенитизации 880…890⁰С, выдержка, как и при отжиге, 2,5 часа; охлаждение до 300…350⁰С со скоростью 300⁰С/ч, нагрев до температуры отпуска 550…600⁰С со скоростью 70…80⁰/ч, затем выдержка из расчета 1,2 часа на 100 мм расчетного сечения и охлаждение до 400⁰С со скоростью 50…60⁰/ч, затем – на воздухе.

После нормализации с отпуском механические свойства отливок повышаются и составляют для стали 35ХГСЛ-II: σ_т =250 МПа, σ_в =470 МПа, δ = 13%, Ψ = 20%, твердость 220…230 HВ.

Рисунок 1.9 – График технологии нормализации с отпуском станины

из стали 35ХГСЛ-II

Грубая литая феррито-перлитная структура, благодаря фазовой перекристаллизации и ускоренному охлаждению при нормализации, преобразуется в мелкозернистую структуру полиэдрических зерен феррита и перлита. На диаграмме изотермического распада аустенита нанесена кривая охлаждения при нормализации (рисунок 2.9) V_норм = 0,07%. Схемы структур до (а) и после (б) термообработки имеют вид:

а б

Рисунок 1.10 – Схема структуры стали 35ХГСЛ-II до (а) и после (б)

термической обработки

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: