Выбор и обоснование способа термической стали 20

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Тверской государственный технический университет

Кафедра технологии металлов и материаловедения

Курсовая работа

по дисциплине «Материаловедение»

Выбор и обоснование способа термической стали 20

Выполнил

студент Курбанов Р.А.

Группы ЭТК

Проверил

доцент Афанасьева Л.Е.

Тверь 2018

Введение

Материаловедение относятся к числу основополагающих учебных дисциплин для специальностей машиностроительного профиля. Это связано, прежде всего, с тем, что получение, разработка новых материалов, способы их обработки являются основой современного производства и во многом определяют уровень своего развития, научно-технический и экономический потенциал государства.

Теоретической основой материаловедения являются соответствующие разделы физики и химии, однако наука о материалах в основном развивается экспериментальным путем. Поэтому разработка новых методов исследования строения (структуры) и физико-механических свойств материалов способствует дальнейшему развитию материаловедения.

Материаловедение условно разделяется на теоретическое, рассматривающее общие закономерности строения и процессов, происходящих в материалах при различных воздействиях и прикладное (техническое), изучающее основы технологических процессов обработки (термическая обработка, литье, обработка давлением) и конкретные классы материалов.

Изучение физических (плотность, электропроводимость, теплопроводность, магнитная проницаемость и др.), механических (прочность, пластичность, твердость, модуль упругости и др.), технологических (жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и др.) и эксплуатационных свойств (сопротивление коррозии, изнашиванию и усталости, жаропрочность, хладостойкость и др.) позволяет определить области рационального использования различных материалов с учетом экономических требований.

Все конструкционные материалы можно разделить на следующие группы: металлические материалы - к ним относят материалы и сплавы, которые подразделяются на черные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные металлы и сплавы на их основе); неметаллические материалы (резина, пластмассы, стекло, дерево и т.д.); композиционные материалы (могут быть на основе систем металл - металл, металл - неметалл, неметалл - неметалл).

Цель курсовой работы: приобрести навыки выбора способа и режимов термической обработки деталей и инструмента из углеродистых сталей, а именно -- описание технологического производства змеевика, марка стали - 20.

Задачи курсовой работы:

Расшифровать марку стали, указать температуру критических точек, химический состав, механические свойства и назначение.

Дать эскиз детали или инструмента, изготавливаемого из данной марки стали. Описать условия эксплуатации и требуемые свойства.

Выбрать способ термической обработки стали для получения требуемых свойств. Вычертить участок диаграммы состояния Fe-Fe3C и указать температуры нагрева стали при выполнении термической обработки. Описать структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.

Вычертить график термической обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали или инструмента. Описать структуру и свойства стали после назначенного режима термической обработки.

Сделать выводы по работе.

Расшифровать марку стали, указать температуру критических точек, химический состав, механические свойства и назначение.

Марка стали: 20 - доэфтектоидная конструкционная среднеуглеродистая качественная сталь, с содержанием углерода ? 0,2%.

Таблица 1. Температура критических точек

Химический состав в % стали 20:

Таблица 2. Химический состав

Твёрдость -- HB 10 ^-1 = 163 МПа

Технологические свойства материала:

Таблица 3 Технологические свойства

Свариваемость материала: без ограничений, кроме деталей после химико-термической обработки. Способы сварки: РДС, АДС под флюсом и газовой защитой, КТС

Флокеночувствительность: не чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости: не склонна

Структура -- феррит + перлит (Рисунок 1).

Рисунок 1. Структура стали

Применение: В целом сталь 20 находит широкое применение в котлостроении, для труб и нагревательных трубопроводов различного назначения, кроме того промышленность выпускает пруток, лист. После цементации и цианирования из этой стали можно изготавливать детали, от которых требуется высокая твердость поверхности и допускается невысокая прочность сердцевины: кулачковые валики, оси, крепежные детали, шпиндели, пальцы, звездочки, шпильки, вилки тяг и валики переключения передач, толкатели клапанов, валики масляных насосов, пальцы рессор, малонагруженные шестерни и другие детали автотракторного и сельскохозяйственного машиностроения.

Класс: Сталь конструкционная углеродистая качественная.

Описать условия эксплуатации и требуемые свойства.

Условия эксплуатации и требуемые свойства

Марка стали 20 (отечественные аналоги: сталь 15, сталь 25)

20А: после нормализации или без термообработки крюки кранов, муфты, вкладыши подшипников и другие детали, работающие при температуре от -40 до 450 °С под давлением, после ХТО - шестерни, червяки и другие детали, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины; 20кп, 20пс: без термообработки или нормализации - патрубки, штуцера, вилки, болты, фланцы, корпуса аппаратов и другие детали из кипящей стали, работающие от -20 до 425 °С, после цементации и цианирования - детали от которых требуется высокая твердость поверхности и невысокая прочность сердцевины (оси, крепежные детали, пальцы, звездочки)

Таблица 3. Механические свойства поковок из стали 20

Таблица 4. Механические свойства стали 20 после ХТО

Таблица 5. Предел выносливости стали 20

Классификация труб перегревателей и змеевика

Трубы перегревателя?, размещенные на потолке газохода, имеют приваренные проушины - планки и с помощью тяг или крюков крепятся к балкам каркаса. При больших размерах поверхностей нагрева перегреватель конструктивно выполняют с выходящими из коллектора в одной плоскости несколькими змеевиками, что позволяет уменьшить общие габариты.

Трубы перегревателя ?работают в тяжелых условиях из-за высоких температуры и давления перегретого пара, а также из-за расположения труб в зонах радиации топки и коррозионной активности дымовых газов.

Трубы перегревателей ?омываются дымовыми газами с температурами, достигающими перед конвективными перегревателями 1000-1100 С. Часть поверхности нагрева пароперегревателей иногда помещают вблизи выхода из топочной камеры, в верхней ее части (ширмовые полурадиационные перегреватели), или на стенках топки (радиационные перегреватели), где температуры газов еще более высоки и тепловосприятие труб из-за лучистого обогрева велико.

Причиной повреждения труб перегревателя кроме повышенного общего или местного перегрева пара также может быть занос труб перегревателя солями котловой воды. Для предупреждения пережога труб от заноса необходим тщательный контроль за качеством и систематическая промывка перегревателя водой. Общая промывка может производиться гори любом текущем ремонте котла, то не меньше двух раз в год. Для промывки должна применяться питательная вода температурой 80 - 90 С; промывочная вода должна подводиться к коллектору перегретого пара и выходить из коллектора насыщенного пара. Промывка перегревателя из котла воспрещается. После заполнения перегревателя подои его оставляют заполненным в течение 1-2 час. Промывка продолжается до приближения величины плотного остатка промывочной воды к плотному остатку исходной воды.

Многие повреждения труб перегревателя ?являются результатом неправильного режима его работы во время растопок и остановов котла, когда расход пара через перегреватель мал. В это время трубы перегревателя подвергаются нагреву за счет теплоты газов, а при останове - за счет излучающего действия раскаленной обмуровки и шлака.

Остаточная деформация труб перегревателей ?контролируется штангенциркулем с точностью шкалы до 0 05 мм или шаблоном с проходным размером, имеющим допуск 0,05 мм.

Наружный диаметр труб перегревателей ?принимается в пределах 28 ч - 42 ч, для промперегревателей 4 г: 60 мм. В первых необходимо обеспечивать достаточно высокую скорость пара на участках, где температура стенки труб близка к предельно допустимой для выбранного материала.

Перегородка предохраняет также трубы перегревателя ?от эрозии. Поток гелия распределяется по длине пучка труб и направляется внутренними перегородками перпендикулярно трубкам. Гелий проходит через перегреватель, испаритель, экономайзер, а также через кольцевой зазор, образованный обечайкой и корпусом ПГ, и выходит из ПГ через патрубок в компрессор.

Иногда в пакете труб перегревателя ?имеются продольные газовые коридоры. Если же такие коридоры ничем не перекрыты, то скорость рассчитывается по живому сечению газохода, включая коридор.

Особенно неблагоприятны для труб перегревателя случаи совместного воздействия газового и парового перекосов. Разница температур газов по ширине топки шкала достигает 70-100 С. Это приводят к перегреву пара и металла в отдельных змеевиках и может стать причиной их разрыва, хотя общая температура пара в смешивающих коллекторах окажется нормальной. Разность температур пара (и металла) по отдельным змеевикам ширм и конвективной части перегревателя может быть более 56 С.

Змеевик -- длинная металлическая, стеклянная, фарфоровая (керамическая) или пластиковая трубка, изогнутая некоторым регулярным или иррегулярным способом, предназначенная для того, чтобы в минимальном объёме пространства обеспечить максимальный теплообмен между двумя средами, разделёнными стенками змеевика. Исторически сложилось, что такой теплообмен изначально применялся для конденсации проходящих через змеевик паров.

Змеевики можно классифицировать по профилю сечения трубки:

обычно используются трубки с круглым сечением, как более простые в изготовлении;

иногда, для увеличения эффективности теплообмена змеевика, круглые трубки обминают так, чтобы они приняли овальное сечение;

экзотические трубки квадратного и прямоугольного сечения способствуют образованию завихрений в парамх, проходящих через змеевик, отчего эффективность конденсации в змеевике незначительно повышается.

Змеевики можно классифицировать по пространственной укладке трубки: плоские змеевики -- все трубки и изгибы змеевика лежат в одной плоскости (не позволяют нарастить большую суммарную длину трубок, но обеспечивают компактность при хранении).

Выбрать способ термической обработки стали для получения требуемых свойств. Вычертить участок диаграммы состояния Fe-Fe3C и указать температуры нагрева стали при выполнении термической обработки. Описать структурные превращения при нагреве и охлаждении стали.

Термическая обработка стали:

Под термической обработкой металлов следует понимать изменение внутреннего строения (структуры) металла под воздействием изменяющихся температурных условий и, как следствие этого, получение необходимых механических и физических свойств металла.

Большая часть операций термической обработки проводится при критических температурах, при которых происходят структурные превращения в сплавах. Большинство превращений требует для своего полного завершения определенный промежуток времени.

Все виды термической обработки в зависимости от назначения делятся на предварительные и окончательные.

Предварительная термообработка проводится для улучшения обрабатываемости материала режущим инструментом, повышения его пластичности, снятия внутренних напряжений и измельчения зерна.

Окончательная (упрочняющая) термическая обработка проводится для придания требуемых эксплуатационных характеристик (твердость, износостойкость, и др.) поверхностям деталей.

При нагреве стали, в соответствии с диаграммой «железо-углерод», происходят следующие превращения. Перлит при 727 ^°С (температура А_c1), превращается в аустенит: (Ф+Ц_II) > А. В доэвтектоидных сталях по окончании этого превращения в аустените постепенно растворяется феррит. Конечной структурой будет аустенит, содержащий такой же процент углерода, который имела сталь.

Рисунок 2. Диаграмма Fe-Fe₃C

Цели химико-термической обработки: повышение износостойкости и усталостной прочности, повышение сопротивлению коррозии и др. Для осуществления химико-термической обработки необходимо выполнение следующих условий: наличие во внешней среде насыщающего элемента активном, атомарном состоянии; растворимость насыщающего элемента в основном металле; достаточно высокая температура процесса, чтобы обеспечить большую диффузионную подвижность атомов.

Закалка - термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Для получения неравновесной структуры сплавы нагревают выше температур фазовых превращений в твердом состоянии и очень быстро охлаждают, чтобы получить структуру пересыщенного твердого раствора. Как правило, после закалки проводят операции отпуска или старения.

Отпуск - термическая обработка, в результате которой в ранее закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приводящие к стабилизации структурного состояния. Сочетание закалки с отпуском приводит к получению материала с более высоким уровнем физико-механических свойств по сравнению с отожженным состоянием.

Проводят полную закалку стали. В результате закалки доэвтектоидной стали получают мартенситную структуру. Она обеспечивает наибольшую прочность и твердость. При удалении от поверхности к сердцевине мартенсит заменяется структурой троостомартенсита, затем наблюдается зона троостомартенсита с ферритом и далее - структура исходной стали - перлит с ферритом или сорбит.

Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже А_с1 выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой, сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.

Вычертить график термической обработки с указанием температур нагрева, времени выдержки и скорости охлаждения стальной детали или инструмента. Описать структуру и свойства стали после назначенного режима термической обработки.

График термической обработки

Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность, к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины (работу развития трещины) и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.

Отпуск при 550-600°С в течение 1-2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1-6 ч - в зависимости от габаритных размеров изделия.

Все виды термической обработки в зависимости от назначения делятся на предварительные и окончательные. Предварительная термообработка проводится для улучшения обрабатываемости материала режущим инструментом, повышения его пластичности, снятия внутренних напряжений и измельчения зерна.

Предварительная обработка.

Предварительной термообработкой в данном случае будет нормализация.

Нормализацию стали часто рассматривают с двух точек зрения -- термической и микроструктурной.

В термическом смысле и классическом понимании, нормализация стали -- это нагрев стали до аустенитного состояния с последующим охлаждением на спокойном воздухе. Иногда к нормализации относят также и операции с охлаждением ускоренным воздухом. С точки зрения микроструктуры нормализованной структурой считают перлит для стали с содержанием углерода 0,8 %, а для сталей с меньшим содержанием углерода -- доэвтектоидных сталей -- смесь перлита и феррита.

Операцию нормализации применяют для большинства сталей и, в том числе стальных отливок. Очень часто сварные стальные швы нормализуют для измельчения структуры стали в зоне воздействия сварки.

Цель нормализации стали

Цели нормализации стали могут быть различными: например, как для увеличения, так и для снижения прочности и твердости в зависимости от термической и механической истории изделия.

Цели нормализации часто пересекается или даже путается с отжигом, термическим упрочнением и отпуском для снятия напряжений. Нормализацию применяют, например, для улучшения обрабатываемости детали резанием, измельчения зерна, гомогенизации зеренной структуры или снижения остаточных напряжений.

Для стальных отливок нормализацию применяют для гомогенизации их дендритной структуры, снижения остаточных напряжений и большей восприимчивости к последующему термическому упрочнению.

Изделия, полученные обработкой давлением, могут подвергать нормализации для снижения полосчатости структуры после прокатки или разнозернистость после ковки. Нормализацию с последующим отпуском применяют вместо обычной закалки, когда изделия имеют сложную форму или резкие изменения по сечению. Это делают, чтобы избежать образования трещин, коробления и чрезмерных термических напряжений.

Нагрев на 30-80°С выше Ас3 (Асm), охлаждение на спокойном воздухе.

Температура нормализации для стали 20: 790-810°С.

Закалка (мартенситное превращение) -- основной способ придания большей твердости сталям. В этом процессе изделие нагревают до такой температуры, что железо меняет кристаллическую решетку и может дополнительно насытиться углеродом. После выдержки в течение определенного времени, сталь охлаждают. Это нужно сделать с большой скоростью, чтобы не допустить образования промежуточных форм железа.

В результате быстрого превращения получается перенасыщенный углеродом твердый раствор с искаженной кристаллической структурой. Оба эти фактора отвечают за его высокую твердость (до HRC 65) и хрупкость.

Закалка в одной среде

Нагретое изделие опускают в охлаждающую среду, где оно остается до полного остывания. Это самый простой по исполнению метод закалки, но его можно применять только для сталей с небольшим (до 0,8%) содержанием углерода либо для деталей простой формы. Эти ограничения связаны с термическими напряжениями, которые возникают при быстром охлаждении -- детали сложной формы могут покоробиться или даже получить трещины. Закалка готового изделия производится в пламенной печи с последующим охлаждением в водяной среде. Воду используют для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Закаленная сталь становится чрезмерно хрупкой, что является главным недостатком этого метода упрочнения. Для нормализации конструкционных свойств производят отпуск -- нагрев до температуры ниже фазового превращения, выдержку и медленное охлаждение. При отпуске происходит частичная «отмена» закалки, сталь становится чуть менее твердой, но более пластичной. Различают низкий (150-200С, для инструмента и деталей с повышенной износостойкостью), средний (300-400С, для рессор) и высокий (550-650, для высоконагруженных деталей) отпуск.

Отпуск

Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300oС.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру - мартенсит отпуска.

Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450oС.

Получают структуру - троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.

Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650oС.

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) - сорбит отпуска.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

Термическая обработка стали 20

1. Посадка на холодную или нагретую печь до Т=200°С

2. Нагрев с производственной скоростью до Т=300°С

3. Выдержка при температуре Т=300+25°С на протяжении 1-2 часов

4. Нагрев не более 70°С в час до Т=590°С

5. Выдержка при температуре 590 °С +-15°С назначается из расчета 1 час на каждые 25 мм, округляется в большую сторону до целого часа.

6. Охлаждается со скоростью не 40°С в час до Т=200°С, дальнейшее охлаждение на воздухе.

Для получения теплостойкости, коррозийной стойкости, теплопроводности, износостойкости необходимо провести следующую термическую обработку стали: полная закалка - высокотемпературный отпуск.

После выбранной термической обработки происходит полная перекристаллизация стали и устраняется крупнозернистая структур и напряженность. Это повышает прочность и твердость углеродистой стали по сравнению с отожженной. Окончательная структура стали марки 20 - сорбит отпуска.

Список литературы

углеродистый сталь поковка

1. Материаловедение: Учебник для высших технических учебных заведений. Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапое и др.; Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.--2-е изд., испр. и доп.-- М.: Машиностроение, 1986.--384 с, ил.

2. Материаловедение и Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов высших учебных заведений /Арзамасов В.Б., Волчков А.Н., Головин В.А., Кузнецов В.А.. Смирнова Э.Е., Черепахин А.А., Шпунькин Н.Ф., под редакцией Арзамасова В.Б. и Черепахина А.А. - М., Издательский центр «Академия», 2007, 446 с.

3. Материаловедение: Учебник для студентов вузов /В.С. Кушнер, А.С. Верещака, А.Г. Схиртлаздзе, Д.А. Негров, О.Ю. Бургонова.; под ред. В.С. Кушнера. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. - 232 с.

4. Материаловедение: Учебник для вузов. Изд. 3-е перераб. и доп. - СПб.: ХИМИЗДАТ, 2004. ? 736 с.

5. Гуляев, А.П. Металловедение / А.П. Гуляев. - М.: Металлургия, 1986.

6. Лахтин, Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов / Ю.М. Лахтин. - М.: Металлургия, 1997.

Размещено на Allbest.ru