Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Для изготовления пружины выбрана сталь марки 60С2ХФА. Укажите химсостав этой стали, назначьте и обоснуйте режим упрочняющий термической обработки. Объясните влияние легирующих элементов на превращения, происходящие при термообработке этой стали. Опешите структуру и свойства пружины после термической обработки.

Характеристика материала. Сталь 60С2ХФА.

Сталь конструкционная рессорно-пружинная. Применение ответственные и высоко нагруженные пружины и рессоры, изготовляемые из круглой калиброванной стали. Химический состав стали :

1. С ( Углерод ) 0,56-0,64%

2. Fe ( Железо ) ?95%

3. Si ( Кремний ) 1. 4-1. 8%

4. Mn ( Марганец ) 0,4-0,7%

5. Ni ( Никель ) не более 0,25%

6. S ( Сера ) не более 0,025%

7. Р (Фосфор ) не более 0,025%

8. Cr (Хром ) 0,9-1,2%

9. V (Ванадий ) 0,1-0,2%

10. Cu (Медь ) не более 0,2%

Большое влияние на свойства стали оказывает структура и условия термообработки. Наиболее благоприятна трооститная структура (после закалки и среднего отпуска). Вреден в пружинной стали остаточный аустенит, поэтому его содержание должно быть минимальным. Это достигается средним отпуском и обработкой холодом.

Для стали 60С2ХФА проводят закалку от 870 0С в масле и отпуск при 470 0С.

Предел кратковременной прочности составляет 1670МПа. Предел пропорциональности (предел текучести для остаточной деформации) 1470 МПа. Относительное удлинение при разрыве 6%. Относительное сужение 25%. Твердость материала 60С2ХФА после отжига HB 10-1 = 285 МПа. Твердость материала без термообработки HB 10-1 = 321 МПа. К отпускной хрупкости малосклонна.

Необходимо следить за обезуглероживанием ферритного слоя при термообработке, т. к. это приводит к снижению предела усталости, образованию при эксплуатации поверхностных трещин и разрушению.

Горячая прокатка создает в таких сталях структуру с сильно вытянутыми зернами феррита и перлита, а последующая термообработка способствует получению в стали волокнистого излома.

Легирование пружинной стали необходимо для улучшения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы Si, Mn, Cr, V, W и Mo повышают предел упругости. Кремний способствует образованию фаз, вытягивающихся в направлении деформирования, и обуславливает анизотропию свойств. В пружинных сталях это положительное явление, т. к. повышается ударная вязкость в направлении деформирования. Однако кремний вызывает также обезуглероживание и графитизацию (получение черного излома). При небольших концентрациях кремния (до 0,6 %) предел упругости повышается, особенно при содержании 0,4 % С, вероятно, это связано с нестабильностью остаточного аустенита.

Марганец не способствует обезуглероживанию и графитизации, но усиливает чувствительность стали к укрупнению зерна.

Хром повышает релаксационную стойкость пружин, а в сочетании с кремнием (при содержании 2,5-3,0 %) уменьшает или устраняет опасность графитизации.

Распределение легирующих элементов в стали.

Легирующие элементы растворяются в основных фазах железоуглеродистых сплавов ( феррит, аустенит, цементит), или образуют специальные карбиды.

Растворение легирующих элементов в происходит в результате замещения атомов железа атомами этих элементов. Эти атомы создают в решетке напряжения, которые вызывают изменение ее периода.

Изменение размеров решетки вызывает изменение свойств феррита - прочность повышается, пластичность уменьшается. Хром, молибден и вольфрам упрочняют меньше, чем никель, кремний и марганец. Молибден и вольфрам, а также кремний и марганец в определенных количествах, снижают вязкость.

В сталях карбиды образуются металлами, расположенными в таблице Менделеева левее железа (хром, ванадий, титан), которые имеют менее достроенную d - электронную полосу.

В процессе карбидообразования углерод отдает свои валентные электроны на заполнение d - электронной полосы атома металла, тогда как у металла валентные электроны образуют металлическую связь, обуславливающую металлические свойства карбидов.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла более 0,59 образуются типичные химические соединения: Fe3C, Mn3C, Cr23C6, Cr7C3, Fe3W3C - которые имеют сложную кристаллическую решетку и при нагреве растворяются в аустените.

При соотношении атомных радиусов углерода и металла менее 0,59 образуются фазы внедрения: Mo2C, WC, VC, TiC, TaC, W2C - которые имеют простую кристаллическую решетку и трудно растворяются в аустените.

Материал пружины после соответствующей термообработки должен иметь устойчивые во времени упругие свойства, значительную прочность и большое сопротивление ударным нагрузкам. Высокие свойства (максимальные пределы упругости и выносливости) пружины и рессоры имеют при твердости HRC 40--45 (структура--троостит), которая достигается после закалки (с равномерным и полным мартен ситным превращением по всему объему металла) и среднего отпуска при 400--500° С (в зависимости от стали).

Вычертите равновесную диаграмму состояния «железо-цементит» и укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы. Постройте кривую равновесного охлаждения в интервале температур от 1600-20 0С для сплава, содержащего 5% углерода, и опешите превращения , происходящие при этом в сплаве. Какова структура сплава при комнатной температуре и как он называется? Выберете для данного сплава любую температуру в двухфазной области диаграммы и определите при этой температуре количественное соотношение фаз и процентное содержание углерода в этих фазах.

В системе железо -- цементит существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит. 1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы. 2. Феррит -- Твёрдый раствор внедрения углерода в б-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой. Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную -- 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную -- 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки. При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1600 °C Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость -- 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C. 3. Аустенит (г) -- твёрдый раствор внедрения углерода в г-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой. Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки. Предельная растворимость углерода в аустените -- 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е). Аустенит имеет твёрдость 200--250 НВ, пластичен, парамагнитен. При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования. 4. Цементит (Fe3C) -- химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита. В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

-- цементит первичный (выделяется из жидкости),

-- цементит вторичный (выделяется из аустенита),

-- цементит третичный (из феррита),

-- цементит эвтектический и

-- эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен. Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита. Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов. Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п. 5. Графит -- фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 -- 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций. Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун). Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности -- высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали -- в графитизированных сталях.

Кривая равновесного охлаждения сплава содержащего 5% углерода.

Кристаллизация заэвтектических чугунов начинается в точке 1 выделением из жидкого расплава первичного цементита. При этом состав расплава изменяется по линии DC. Выделяя высокоуглеродистую фазу - цементит, расплав обедняется углеродом и при температуре 1147°С содержит 4,3%С. При постоянной температуре расплав кристаллизуется с образованием ледебурита. При дальнейшем охлаждении из аустенита, входящего в ледебурит, выделяется избыточный углерод в виде вторичного цементита, и состав аустенита изменяется по линии ES. При достижении температуры 727°С аустенит, содержащий 0,8% С, превращается в перлит A > ФР +Ц и образуется видоизмененный ледебурит. При дальнейшем охлаждении от точки 3/ до точки 4 из феррита, входящего в состав перлита видоизмененного ледебурита, выделяется избыточный углерод согласно кривой РQ в виде третичного цементита, наслаивающегося на цементит перлита. Конечная структура заэвтектического чугуна Лвид +ЦI +ЦII носит название ледебуритно-цементитного чугуна.

Сплав содержащий 5%углерода относится к белым чугунам (белый оттенок на изломе). состоят из ледебурита и цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

Для заданного сплава выберем температуру 1100 0С и определим состав фаз и количественное соотношение фаз. Для этого используем правила отрезков. Проведем линию cва. При температуре 11000С содержание углерода в цементите определяется точкой «а» и составляет 4,3% по линии эвтектика (ледебурит), в ледебурите содержание углерода 2,14% «в» точке в , содержание углерода в аустените определяется точкой «с» и составляет 1,95%.

Правило фаз:

С = К + В-Ф,

где: К - компонент (вещества, образующие систему),

В - внешние переменные факторы (температура, давление),

Ф - фаза (однородная часть системы),

С - число независимых переменных (температуры, концентрации),которые можно изменять в определенных пределах,

В = 1 - для металлических систем, давление постоянное,

К = 2 - двухкомпонентная система,

Ф = 2 - фазы,

С = 2 + 1 - 2 =1 - моновариантная (одновариантная) система, т. е. имеется одна переменная (температура).

Для изготовления мембран используется бронза марки БрБ2,5. Расшифруйте её химсостав, опишите микроструктуру и укажите термическую обработку, позволяющую получать высокие упругие свойства.

Бериллиевые бронзы являются уникальными сплавами по благоприятному сочетанию в них хороших механических, физико-химических и антикоррозионных свойств. Эти сплавы после закалки и облагораживания имеют высокий предел прочности, упругости, текучести и усталости, отличаются высокой электропроводностью, теплопроводностью, твердостью, обладают высоким сопротивлением ползучести, высокой циклической прочностью при минимальном гистерезисе, высоким сопротивлением коррозии и коррозионной усталости. Они - морозостойкие, немагнитные и не дают искры при ударах. Поэтому бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и пружинящих деталей ответственного назначения, в т. ч. мембран и деталей часовых механизмов.

Бронза без оловянная, бериллиевая с содержанием бериллия 2,5% обрабатываемая давлением.

Fe-железо до 0,15%

Si -кремний до 0,15%

Ni-никель 0,2-0,5%

Al-алюминий до 0,15%

Cu-медь 96,4-97,5%

Pb-свинец до 0,005%

Be-бериллий 2,3-2,6%

Примесей- всего 0,5%

Из диаграммы видно, что медь с бериллием образует ряд твердых растворов. Область твердого раствора б при температуре 864°С достигает 2,7% (по массе). С понижением температуры грани­ца растворимости области б довольно резко сдвигается в сторону меди. При температуре эвтектоидного превращения 608°С она составляет 1,55% и понижается до 0,2% при температуре 300°С, что указывает на возможность облагораживания бериллиевых бронз. В результате эвтектоидного превращения в-фазы при температуре ниже 608°С образуется эвтектоид б + в'. Фаза б имеет кубическую гранецентрированную решетку, параметр которой уменьшается с увеличением содержания бериллия. Фаза в имеет кубическую объемноцентрированную решетку с неупорядоченным расположением атомов. Кристаллическая структура в'- фазы та же, что и в-фазы, но в ней наблюдается упорядоченное расположение атомов бериллия. Бериллиевая бронза (для пружин измерительных приборов). Крупные зерна альфа-твердого раствора на основе меди с большим количеством двойников; внутри них видны выделения бета-фазы (промежуточного типа), испытавшие эвтектоидный распад на альфа и гамма-фазу (последняя - интерметаллид состава ~CuBe). Оптимальное состяние (с пределом упругости до 1200 МПа) достигается после закалки с 850°С с получением пересыщенного альфа-раствора и последующего старения при 325°С, при котором альфа-раствор испытывает спинодальный распад с образованием модулированной структуры. пружина термическая обработка кристаллизация

Термическая обработка - дисперсионное твердение (с закаленного состояния). Заключается в нагреве под закалку до температуры 770-790°С, выдержке при данном интервале температур и последующем охлаждении в воде. В процессе нагрева под закалку интерметаллидное соединение бериллия с медью (Cu-Ве) и другие легирующие элементы растворяются в основной составляющей сплава - меди и образуют твердый раствор. Последующий нагрев бронзы до температурного интервала 300-340°С способствует выделению из твердого раствора зародышей фазы Cu-Ве, благодаря чему происходит упрочнение бронзы.

Существует три вида дисперсионного твердения:

- стандартное (нагрев до температуры 310-340°С, выдержка от 1 до 4 часов) ;

- ступенчатое (нагрев до температуры 210°С, выдержка 1 час, нагрев до температуры 335°С, выдержка 1 час и 10 минут);

- динамическое (нагрев под нагруженном до температуры 320-340°С под нагрузкой, выдержка от 1 до 2 часов);

При этом следует учитывать, что бериллиевая бронза является дорогостоящим материалом из-за легирования ее бериллием. Поэтому даже незначительное повышение прочностных параметров относительно традиционных состояний бериллиевой бронзы позволит увеличить долговечность изделия или снизить металлоемкость при изготовлении за счет уменьшения линейных размеров, при этом деталь сможет соответствовать тем же эксплуатационным требованиям, что и изготовленная по стандартной технологии.

Размещено на Allbest.ru