Камский государственный политехнический институт

Камский государственный политехнический институт

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Программа, методические указания и контрольные задания для студентов-заочников технических специальностей.

Г. Набережные Челны, 2002г.

УДИ 669. 017. (075.8.).

Материаловедение. Программа, методические указания и контрольные задания для студентов – заочников технических специальностей. Составитель: В.И. Астащенко, Наб. Челны, КамГПИ, 2002г.

 

Методические указания по курсу «Материаловедение» составлены в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по подготовке специалистов машиностроительного профиля, утверждённого государственным комитетом РФ по высшему образованию. Представлены основные разделы дисциплины для самостоятельного изучения студентами заочной формы обучения. Составлены и приведены варианты заданий для выполнения контрольной работы. В приложении представлены диаграммы двойных сплавов и диаграмма «Железо-карбид железа». После каждой темы программы приведены методические указания.

 

Работа выполнена на кафедре «Машины и технология литейного производства».

ИЛ.: 19

Рецензент: Главный специалист по термической обработке ОАО КамАЗ В.Г. Козлов.

 

Печатается в соответствии с решением научно-методического совета факультета автоматизации и прогрессивных технологий Камского государственного политехнического института

от_____ _______ 2002г.

 

Камский государственный

политехнический институт

2002г.

ВВЕДЕНИЕ

Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов в зависимости от их состава и условий обработки.

Курс материаловедение включает в себя два направления, а именно раздел по металловедению и термической обработке металлов и сплавов и раздел по неметаллическим материалам. Раздел металловедения изучает связь между состоянием, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (тепловых, химических, механических, электромагнитных и т.д.). Раздел по неметаллическим материалам в основном посвящён изучению пластмасс.

При конструировании и изготовлении машин и приборов, организации их эксплуатации и ремонта инженер постоянно сталкивается с машиностроительными материалами и их использованием.

Для выпуска высококачественной продукции особое значение приобретают изучение свойств промышленных металлических материалов, разработка и внедрение в промышленность новых высокопрочных и технологичных сплавов, применение новейших методов их контроля и исследования.

Изучение курса «Материаловедение» должно дать будущим специалистам:

1. Знание об основных закономерностях, определяющих строение, состав и свойства материалов;
2. Представление об основных методах испытания материалов и принципом работы с приборами и машинами;
3. Умение самостоятельного пользования технической и справочной литературой и дать достаточные знания для выбора основных промышленных, а также новых перспективных материалов и эффективных методов их обработки для обеспечения надёжности и долговечности, изготавливаемых из них изделий;
4. Знание о перспективах развития и методах упрочнения рабочих поверхностей деталей.

Теоретической основой данного курса является соответствующие разделы дисциплины «Химия» (используются знания законов протекания химических реакций окисления и восстановления металлов, понятие о константах равновесия и т.д.), «Физика» (используются знания законов об агрегатном состоянии веществ и фазовых превращениях), «Технология конструкционных материалов» (используются знания атомно-кристаллического строения металлов и сплавов, кристаллизация, методы определения механических свойств материалов, понятие деформации и разрушения металла, маркировка черных и цветных металлов и сплавов и т.д.)

Вместе с другими дисциплинами студенты получают необходимую общеинженерную и технологическую подготовку необходимую как на производстве, так и при работе в научно-исследовательских и проектных институтах.

В таблице 1 приведены учебные планы для различных технических специальностей с указанием времени изучения дисциплины и выполнения контрольной работы, распределения общего объёма часов по видам занятий и формы итогового контроля с учётом базового образования студентов.

 

Учебный план технических специальностей

по дисциплине «Материаловедение».

 

Таблица 1.

№	Специальность	Базовое образо-вание.	Распределение по семестрам	Объём в часах	примечание
экз	зач	контр	всего	лек	лаб	пр.	сам
		с/о		-					-
		с/с		-					-
		с/с		-					-
		с/с	-						-
		с/с		-	-

 

 

Примечание: с/о – среднее образование

с/с – среднее – специальное образование.

 

Согласно, учебного плана (см. табл.1) студент выполняет одну контрольную работу, состоящую из пяти заданий. Вариант контрольной работы должен строго соответствовать учебному шифру студента (см. группа №1-стр.34; группа №2-стр.52).

Выполненную контрольную работу студент обязан выслать в институт или представить на кафедру за месяц до начала установочно-экзаменационной сессии. Экзамен принимается после зачтения контрольной работы. На странице 70 приводится перечень рекомендуемой литературы. В основной литературе освещены все вопросы программы. Использование дополнительной литературы позволит более глубокому изучению отдельных вопросов. В каждом разделе приводится программа, методические указания и литература с указанием конкретных страниц.

Программа и методические указания к темам дисциплины.

Методические указания.

Материалы, используемые в народном хозяйстве можно условно разделить на две группы: металлы и металлические сплавы и неметаллы. Первую группу составляют чёрные и цветные металлы и сплавы. Железо и сплавы на его основе (чугун, сталь, ферросплавы) называют чёрными. На основе железа изготавливают около 95% всех конструкционных и инструментальных материалов. Это связано с большим содержанием его в земной коре, низкой стоимостью и высокими технологическими и механическими свойствами. Остальные металлы (медь, никель, алюминий, золото, серебро и т.д.) и сплавы на их основе относят к цветным. Это металлы со специальными свойствами: малая плотность, химическая инертность, низкая или высокая температура плавления и т.д.

Металлы и металлические сплавы – тела кристаллические, атомы расположены в металлах в строго определённом порядке. Они обладают рядом характерных свойств: высокая термопроводимость и электрическая проводимость; положительный коэффициент электрического сопротивления; хорошая отражательная способность; высокая способность к пластической деформации.

В современной технике широко применяют стали, которые обеспечивают высокую конструктивную прочность, а также сплавы, которые остаются прочными при высоких температурах, вязкими при температурах близких к абсолютному нулю, обладающие высокой коррозийной стойкостью в агрессивных средах или другими физико-химическими свойствами. Число новых сплавов постоянно растёт – это так называемые композиционные материалы, сплавы с памятью формы, обладающие эффектом сверх - пластичности и т.д.

Основу группы неметаллов составляют пластмасса, каучук, резина, стекло, керамика и т.д. Такие материалы при достаточной прочности обладают хорошей химической стойкостью, диэлектрическими свойствами и малой плотностью. Они технологичны и эффективны при использовании в различных отраслях машиностроения.

Литература: [1, 3-36; 3, 9-32]

 

 

Вопросы для самопроверки.

1. Каковы характерные свойства металлических материалов и неметаллов?

2. Что такое сталь, чугун, латунь, бронза, силумины и дюралюмины?

3. Какие материалы обладают свойствами анизотропии и изотропии?

4. Охарактеризуйте основные параметры кристаллической решётки и их связь со свойствами материалов?

5. Укажите причину изменения свойств материала под действием давления и температуры? Что такое полиморфные превращения?

Методические указания.

Сплав это вещество, полученное сплавлением двух или более элементов. (компонентов). Строение сплава зависит от типа взаимодействия компонентов образующих сплав. В металлических сплавах возможно получение механической смеси, химических соединений и твёрдых растворов.

Составляющие сплав вещества могут вступать в химическое взаимодействие, образуя химические соединения по правилу валентности, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы внедрения или замещения. Строением сплава может быть механическая смесь, если в твёрдом состоянии отсутствует механическое взаимодействие. Диафрагмы состояния сплава строят экспериментальным путём, которые представляются в графической форме и показывают изменение состава в зависимости от содержания компонентов и температуры. Диаграммы состояния позволяют определить, какую структуру будут иметь медленно охлаждённые сплавы, а также решить вопрос о том, можно ли добиться изменения микроструктуры в результате теплового воздействия (термической обработки сплава).

Вид диаграммы определяется характером взаимодействия, которые возникают между компонентами в жидком и твёрдом состояниях.

Типичными диаграммами состояния металлических сплавов являются диаграммы:

а) с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге;

б) с ограниченной растворимостью компонентов;

в) с образованием химических соединений;

г) с полиморфным превращением.

Концентрация компонентов и количество фаз у сплава определяется правилом отрезков. Это правило применимо только для двухфазных областей в двойных диаграммах состояния сплавов.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условием равновесия, могут быть выражены правилом фаз.

, где

С – число степеней свободы,

К – количество компонентов составляющих сплав,

f – количество фаз,

2 – число переменных (давление и температура).

Если принять, что все превращения в сплавах протекают при постоянном давлении, то правило фаз примет следующий вид.

При числе степеней свободы равной «о» система находится в равновесии при строго определённой температуре (жидкая и твёрдая фазы).

Свойства любого сплава зависят от того, какие соединения или какие фазы образовали компоненты сплава.

В качестве примера по изучению фазового и структурного состояния сплавов рассмотрим диаграмму системы «олово-цинк» (Sn - Zn) (смотри приложение (рис. 1))

Согласно этой диаграммы линия АВС – линия ликвидус, а линия ДВЕ – солидус. Кроме того, линия ДВЕ соответствует температуре, при которой в процессе охлаждения сплавов в них протекает эвтектическая реакция с образованием эвтектики.

Сплавы системы «олово-свинец» в основном применяются в качестве мягких припоев.

При содержании ~ 8% Zn и 92% Sn образуется эвтектический сплав. Температура его образования при кристаллизации соответствует 199⁰С.

В качестве припоев применяют сплавы с содержанием олова 90,70,60 и 40% марок ПОЦ – 90, ПОЦ – 70, ПОЦ – 60 и ПОЦ – 40.

Наилучшим из этой серии является сплав ПОЦ -90, так как он имеет самую низкую температуру кристаллизации ~202⁰С. Эти сплавы имеют более высокую прочность, нежели оловянно свинцовистые сплавы.

При образовании смесей олово-цинк свойства сплава изменяются по линейному закону, следовательно, значения свойств сплава находятся в интервале между свойствами чистых компонентов.

Литература: [1, 37-65; 3, 88-123; 3, 139 – 141].

Вопросы для самостоятельной проверки.

1. Охарактеризуйте, что такое компонент, сплав, фаза и система?

2. Как проводят построения диаграмм состояния сплавов? Что такое линия солидус и ликвидус?

3. В чём различие между эвтектической, эвтектоидной и перитектической реакциями? Запишите их и проведите фазовый и структурный анализ?

4. В чём сущность и назначение правила Курнакова?

5. Что такое твердые растворы внедрения и замещения?

6. Изобразите основные виды диаграммы состояния сплавов? Проведите структурный и фазовый состав сплавов по этим диаграммам.

Методические указания.

Наибольшее применение в промышленности имеют сплавы железа с углеродом – стали и чугуны. Поэтому изучение диаграммы состояния «железо-углерод» является основной задачей в подготовке специалистов машиностроительных предприятий. Указанная диаграмма (см. приложение рис. 2) показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита Fe₃С (6,67% углерода). На диаграмме Fe – Fe₃C показаны характерные точки и линии. Линия АВСД (линия ликвидус) показывает температуру начала кристаллизации из жидкого сплава кристаллов твердой фазы. Линия АНJЕF (линия солидус) является температурной границей, ниже которой сплавы находятся только в твёрдом состоянии. Характерными линиями являются также линия НJB, ECF и PSK. При температуре (1499⁰С) (линия HJB) в сплавах протекает перитектическая реакция с образованием аустенита, состав которого по углероду соответствует точке «J».

При температуре 1147⁰С (линия ЕСF) в процессе охлаждения в сплавах протекает эвтектическая реакция с образованием ледебурита (Л) - смеси состоящей из аустенита (А) и цементита (Ц).

Линия РSК – линия эвтектоидного превращения, которая при охлаждении соответствует распаду аустенита с образованием эвтектоида – феррито - цементитной структуры, получившей название перлит.

Используя диаграмму «железо-углерод» рассмотрим изменения фазового состава сплава с содержанием 0,45% углерода. В приложении на рисунке 3. приведена кривая охлаждения для такого сплава. Точки на кривой охлаждения соответствуют точкам указанным на диаграмме Fe – Fe₃C (см. приложение рис.2)

При температуре 1499⁰С во время охлаждения сплава протекает перитектическая реакция, сущность которой состоит в следующем:

Образующийся аустенит имеет состав соответствующий точке «J». По содержанию углерода это 0,16%.

При дальнейшем охлаждении сплава вплоть до температуры соответствующей точки 3 система состоит из аустенита и жидкости. Окончательный переход жидкости в аустенит завершается при этой температуре, между температурами точек 3 и 4 сплав имеет аустенитную структуру.

При температуре 727⁰С (точка 5) во время охлаждения сплава в нем протекает эвтектоидное превращение.

В результате этого превращения образуется механическая смесь, состоящая из феррита и цементита, то есть перлит. Содержание углерода в этой смеси – 0,8%. Последующее охлаждение до комнатной температуры не вызывает дополнительных превращений и структура сплава состоит из перлита и феррита.

В настоящее время в промышленности используется более 1500 марок сталей. По химическому составу стали, подразделяются на углеродистые и легированные. А любой стали, присутствуют постоянные (Si, Mn, S, P) и скрытые (О₂, N₂, Н₂) примеси. По содержанию углерода стали, бывают доэвтектоидные (С<0,8%) структура «перлит + феррит», эвтектоидные (С~0,8%) структура «перлит», и заэвтектоидные (0,8< С £2,14%) структура «перлит + цемент». В зависимости от степени раскисления расплава Si, Mn и Аl стали, имеют различную степень загрязнения и называются спокойными (С.П.), полуспокойными (П.С.) и кипящими (К.П.). Наличие в стали серы и фосфора является основным критерием оценки её качества. В таблице 2 приведены предельно – допустимые содержания вредных примесей в стали различного качества.

Таблица 2.

№	Качество стали	Содержание вредных примесей, в %	Интервал колебания по содержанию углерода	Условное обозначение
сера	фосфор
	Сталь обык-новенного качества	£0,06	£0,07	0,09	Ст.0 Ст.1 Ст.6
	Сталь качественная	£0,04	£0,035	0,08	Ст.45 40Х
	Сталь высо-кокачествен-ная	£0,025	£0,025	0,07	Буква «А» в конце маркировки
	Сталь особо-высокока-чественная	£0,015	£0,015	0,07	Буква «Ш» в конце маркировки

Легированные стали – сплавы, в состав которых введены химические элементы для придания специальных свойств. Поэтому в маркировке стали в обязательном порядке указывают наличие такого элемента. Каждый легирующий элемент обозначают строго определённой буквой, а его количество указывают цифрой после буквенного обозначения. Отсутствие цифры означает, что такого легирующего элемента составляет ~ 1¸1,5% и менее. Условное обозначение, Х – хром; Н – никель; Т – титан; С – кремний; М – молибден; Ю – алюминий; Ф – ванадий; В – вольфрам; Д – медь; Г – марганец; К – кобальт; Б – ниобий; А – азот; Р – бор.

Примеры обозначения углеродистых и легированных марок сталей:

Ст. 0; Ст. 1¸Ст. 6- углеродистые стали обыкновенного качества. Цифра указывает на порядковый номер.

Сталь 10, Сталь 15 и т.д. – Стали углеродистые качественные. Цифра указывает на содержание углерода в сотых долях процента, а именно 0,10%; 0,15% и т.д.

Сталь 40Х – сталь качественная легированная, содержащая углерода 0,4%; хрома ~ 1%, серы £0,035% и фосфора £0,035%.

Сталь 20Х2Н4ВА – сталь высококачественная легированная, содержащая: Углерод – 0,2%

Хром – 2%

Никель – 4%

Вольфрам < 1%

Сера £ 0,025%

Фосфор £ 0,025%

При низком содержании углерода и большом количестве легирующего элемента (C, Мo, W, V, Si, Al и т.д.), образуется сталь, относящаяся к ферритному классу. Структура таких сталей при всех температурах состоит из легированного феррита. При высоком содержании в стали никеля и марганца при комнатной температуре можно получить чисто аустенитную структуру. Это класс сталей называют аустенитным. Кроме того, исходя из структуры полученной после охлаждения на воздухе, стали также бывают перлитного, мартенситного и карбидного классов.

На диаграмме Fe – Fe₃C сплавы с содержанием углерода более 2,14% относятся к чугунам. В зависимости от содержания углерода, белые чугуны подразделяются на доэвтектичекие (2,14 < С <4,3%), эвтектические (С~4,3%) и заэвтектические (4,3< С <6,67%). Белые чугуны обладают высокой твёрдостью и износостойкостью. Углерод в таких сплавах находится в связанном состоянии в виде цемента (Fe₃С). Это достигается за счёт высокой скорости кристаллизации расплава, и последующего ускоренного охлаждения изделий до температуры ниже точки А₁.

При очень маленькой скорости охлаждения, то есть когда степень переохлаждения расплава невелика в сплаве образуется графит. Выделение графита в основном происходит из жидкой фазы и, кроме того, количество его увеличивается за счет распада аустенита.

В зависимости от формы графита и условий его образования различают следующие группы чугунов: серые, ковкие и высокопрочные. Чугуны маркируются следующим образом:

Ковкие – КЧ 30; КЧ 36 и тд.

Серые – СЧ 15; СЧ 40 и тд.

Высокопрочные – ВЧ 50; ВЧ 55 и тд.

Цифры указывают на минимальное значение предела прочности при растяжении.

Формы графита в чугунах:

Серых – пластичная; ковких – хлопьевидная; высокопрочных – шаровидная. Серые чугуны получают за счет медленного охлаждения расплава и изделия в форме, ковкие – путём высокотемпературного длительного отжига, высокопрочные – модифицированием расплава магнием или церием. Чугуны применяют в автостроении, двигателестроении и других отраслях народного хозяйства, как конструкционные материалы.

Литература: [1, 118 – 156; 3, 159 - 222]

Вопросы для самопроверки.

1. Что такое перлит, феррит, аустенит, цементит и ледебурит?

2. В чём различие метастабильной и стабильной диаграммы Fe –Fe₃C (Fe - C)?

3. Как проводится маркировка углеродистых и легированных марок сталей и чугунов?

4. Дайте объяснение и укажите способы получения белых и графитовых чугунов?

5. Что такое критические точки А₁, А₂, А₃, А₄, и А_м?

6. Вычертите диаграмму Fe – Fe₃C, укажите структурное состояние во всех областях диаграммы и опишите превращение протекающие в сплавах при охлаждении при температурах 1499⁰С, 1147⁰С и 727⁰С?

7. Разберитесь в построении кривых охлаждения (нагрева) сплавов с различным содержанием углерода.

Методические указания.

Термическая обработка – это процесс температурно-временного воздействия на металлы и сплавы с целью придания им необходимых свойств.

При многих видах термической обработки сталь нагревают до температур соответствующих существованию аустенита. Образование аустенита при нагреве является диффузионным процессом. При температуре 727⁰С перлит превращается в аустенит.

При невысоких температурах нагрева зерна аустенита мелкие. В результате повышения температуры зерно аустенита растёт. Однако склонность к росту зерна неодинакова у сталей, поэтому различают стали наследственно мелкозернистые и крупнозернистые. Продолжительный нагрев стали при температурах, значительно превышающих точки Ас₃ или Ас_м приводит к образованию крупного зерна. Такое состояние называют, перегревом стали. Нагрев еще при более высоких температурах в окислительной среде вызывает пережог стали, который сопровождается образованием окислов железа по границам зерен. Пережог – неисправимый дефект стали. Величина зерна влияет на ударную вязкость и порог хладноломкости. Определение размера зерна проводится в соответствии с ГОСТ 5639-65.

Основными видами термической обработки являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг заключается в нагреве стали выше критической точки, выдержке и последующим медленным охлаждением. В результате отжига получают структуру перлит с ферритом или цементитом, и сталь приобретает высокую пластичность и низкую твёрдость. Различают следующие виды отжига: неполный, полный, изотермический, диффузионный и рекристализационный.

Нормализация стали это процесс нагрева выше критической точки Ас₃ (Ас_m) с последующим охлаждением на воздухе. Получаемая структура – мелкопластинчатая перлитного класса (перлит, сорбит, троостит).

Закалкой называют нагрев стали выше точка Ас₃ или Ас₁ и последующее быстрое охлаждение (со скоростью выше критической). При охлаждении сталь приобретает структуру мартенсит и обладает высокой твёрдостью, прочностью и износостойкостью. На рисунке 18 (см. приложение) изображена зона оптимальных температур нагрева сталей под закалку в зависимости от содержания углерода. Закалка не является окончательным видом термической обработки. В зависимости от температуры нагрева закалка бывает полной и неполной. По условию охлаждения закалку подразделяют на непрерывную, прерывистую, ступенчатую и изотермическую. Чтобы уменьшить напряжения, вызванные закалкой, и получить нужные механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску.

Под отпуском понимают нагрев закалённой на мартенсит стали до температуры ниже точки Ас₁ (<727⁰С) с последующим охлаждением. В зависимости от температуры нагрева отпуск подразделяется на низкий (150 – 250^оС), средний (300-450^оС) и высокий (500-700^оС). С увеличением температуры отпуска повышаются пластические свойства и снижается прочность стали.

Для грамотного назначения параметров термической обработки (температура и скорость нагрева, время выдержки и скорость охлаждения) с целью получения требуемых свойств стали необходимо пользоваться диаграммами изотермического и термокинетического распада аустенита.

В результате закалки сталей с содержанием углерода более 0.6 % углерода в структуре наряду с мартенситом сохраняется и остаточный аустенит, наличие которого снижает твердость и прочность изделия. Для превращения остаточного аустенита в мартенсит сталь необходимо переохладить до более низких температур. Эту задачу выполняет процесс обработки стали холодом.

Для упрочнения длинномерных изделий в промышленности применяют термомеханическую обработку, заключающуюся в сочетании горячей пластической деформации и термической обработки.

Отливки из чугуна подвергают отжигу, нормализации, закалке с отпуском в зависимости от требований предъявляемых к ним по структуре и твердости.

Рассмотрим выбор стали для изготовления пружин. Укажем состав и обоснуем режим термической обработки и опишем получаемую структуру и свойства стали.

(Для указанных деталей рекомендуем сталь 70С3А)

Сталь 70С3А. имеет следующий химический состав:

Углерод ~ 0,7% Сера £ 0,025%

Кремний ~ 3% Фосфор £ 0.025%

Марганец £ 0,8% Железо – остальное

Основные свойства рессорнопружинных сталей – придание изделиям высоких усталостных характеристик с целью надежной работы деталей в условиях знакопеременных нагрузок.

Для формирования таких свойств необходимо получить структуру троостит или троосто-мартенсит с твердостью 42-48НRС на деталях после термообработки. Такие свойства достигаются после нижеуказанной термической обработки:

1. Нагрев в защитной атмосфере до температуры 820-860^оС, выдержки до завершения всех фазовых превращений и закалка в масло с рабочей температурой 40-60^оС. После закалки сталь приобретает структуру мартенсит + небольшое количество остаточного аустенита. Твердость ³ 55 НRС.

2. Отпуск при температуре 420-460^оС в течении 2-3 часов.

После отпуска – структура троостит.

Свойства стали после такой обработки:

1. Твердость 44-46 НRС.

2. Предел прочности – более 1800Мпа.

3. Предел текучести – более 1600 Мпа.

4. Относительное удлинение (сужение) – более 6 (25)%.

Наличие кремния в стали, повышает ее прокаливаемость и значительно упрочняет феррит, задерживает распад мартенсита при отпуске и, как следствие, повышает предел текучести и упругость стали. Эти стали склонны к обезуглероживанию, поэтому их нагрев под закалку необходимо вести в защитной или контролируемой по углероду атмосфере.

Литература: [1,стр.156-220; 3 стр. 223-311].

Вопросы для самопроверки.

1. В чем различия между перлитом, сорбитом и трооститом?

2. Укажите сущность различных видов отжига и их назначение.

3. Рассмотрите диаграммы изотермического и термокинетического превращения сталей. Объясните связь скорости охлаждения с превращениями в стали.

4. В чем различие закаливаемости и прокаливаемости стали. Факторы влияющие на эти параметры и методы определения этих характеристик.

5. Изучите традиционные закалочные среды и их применение для закалки изделий из различных марок сталей.

6. Дайте понятие критической скорости охлаждения и изобразите ее на диаграмме изотермического превращения аустенита.

7. Что такое обратимая и необратимая отпускная хрупкость.

8. Какие преимущества имеет термомеханическая обработка перед закалкой с низким отпуском и почему?

 

 

Методические указания.

Для получения большой твердости в поверхностном слое детали с сохранением вязкой сердцевины, что обеспечивает износоустойчивость и одновременно высокую динамическую прочность детали, применяют поверхностные методы упрочнения – закалку с нагрева Т.В.Ч. или Х.Т.О. Сущность закалки с нагрева Т.В.Ч. заключается в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются выше критических точек и создается резкий градиент температур по сечению. Если нагрев прервать и провести быстрое охлаждение, то слой металла, нагретый выше критической температуры получит закалку, а не нагретая сердцевина сохранит свое исходное структурное состояние. Для такого способа упрочнения применяют стали с содержанием углерода 0.4% и выше.

Химико-термическая обработка – процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si,B и др.) или металлами (Cr, Al и др.) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде.

Широко применяются в машиностроении цементация (насыщение поверхности углеродом), нитроцементация (насыщение углеродом и азотом), азотирования (насыщение азотом) и борирование (насыщение бором). Цементации и нитроцементации подвергают, стали с содержанием углерода до 0,3%. Цементацию проводят при температуре 930-950^оС, нитроцементацию – при 840-880^оС. После насыщения изделия закаливают в масло, а затем подвергают отпуску при температуре 180-220^оС. Эти виды Х.Т.О. обеспечивают получение твердости поверхности выше 55 НRС, а сердцевины менее 40НRC.

Для увеличения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости стальных изделий их подвергают азотированию, которое проводится при температуре 500-600^оС в среде диссоциированного аммиака. Для азотирования применяют среднеуглеродистые легированные марки стали, предварительно прошедшие термическое улучшение. Упрочнение проводят на глубину 0,2-0,4 мм и получают поверхностную твердость в пределах 650-1200НV. Преимуществом этого метода является сохранение высокой твердости поверхности при нагреве деталей до 450-470^оС и практически отсутствие деформации и коробления изделий.

Максимальная степень поверхностного упрочнения стальных деталей (НV1700 и выше) может быть получена путем борирования при температуре 910-950^оС. После борирования стойкость деталей возрастает в 5-10 раз.

Для закрепления изученного материала, к примеру, проведен выбор обработки шестерен из стали 20Х. Рассмотрим микроструктуру и свойства поверхности и сердцевины детали после упрочнения. В соответствии с ГОСТ 4343-71 сталь 20Х имеет следующий химический состав:

Углерод – 0,17 – 0,23%;

Хром = 0,7 – 1,0%;

Кремний – 0.17 – 0.37%;

Марганец – 0,5 – 0,8%;

Сера, фосфор £ 0,035%;

Остальное – железо.

Свойства шестерен с учетом их условий эксплуатации должны быть следующими: для поверхности зуба – высокая твердость и износостойкость; для сердцевины – высокая пластичность.

Учитывая низкое содержание углерода в стали для упрочнения деталей рекомендуется: химико-термическая обработка – цементация или нитроцементация.

Оба вида упрочнения могут быть использованы, и выбор конкретного способа упрочнения зависит от требований предъявляемых к деталям по глубине упрочненного слоя и деформации и короблению деталей.

При глубине упрочненного слоя более 1,0 мм необходимо использовать цементацию, то есть провести насыщение поверхности детали углеродом. Цементация проводится при температуре 930-950^оС, скорость насыщения углеродом ~0,1 мм/час. После цементации детали подвергают термической обработке. Далее рассмотрим один из таких способов.

1. Нагрев до 860-880^оС, выдержка и охлаждение. Этот нагрев назначается с целью исправления крупнозернистой структуры сердцевины, полученной при нахождении стали длительное время при температуре цементации;

2. Нагрев до 770-780^оС, выдержка и закалка в масло;

После закалки получают твердость в пределах 58-62НRС на поверхности, и ~30-35НRС в сердцевине.

3. Отпуск при температуре 180-200^оС для снятия напряженного состояния полученного в результате закалки.

 

Свойства шестерен после химико-термической обработки:

1. Твердость поверхности – 58-62НRС;

2. Микроструктура поверхности – мартенсит + остаточный аустенит;

3. Твердость сердцевины – 30-35НRС;

4. Микроструктура сердцевины – малоуглеродистый мартенсит + феррит.

Литература: [1, стр. 220-252; 3 стр. 312-340].

Вопросы для самопроверки

1. Какие процессы протекают при химико-термической обработке?

2. В чем сущность поверхностей закалки деталей с нагрева ТВЧ. Какие марки стали, подвергают этому способу упрочнения.

3. Назовите преимущества и недостатки поверхностной закалки с нагрева ТВЧ в сравнении с Х.Т.О.

4. Рассмотрите технологию цементации в твердом карбюризаторе и газовой атмосфере.

5. Укажите преимущества нитроцементации деталей перед цементацией.

6. Для каких целей используют поверхностную дробеструйную обработку стальных изделий?

7. Изучите технологические процессы азотирования и борирования. Какие основные требования предъявляются к предварительной обработке упрочняемых деталей?

Методические указания.

Конструкционные стали – это сплавы предназначенные для изготовления деталей машин и изделий строительной индустрии. Кроме того, к этой группе относятся и стали со специальными свойствами – износостойкие, коррозионно-стойкие, жаропрочные, пружинные и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества изготавливают марок Ст.0, Ст.1,¸ Ст.6. в соответствии с ГОСТ 380-71. Такие стали, в основном, применяют в строительстве, так как они обладают хорошей свариваемостью и достаточной прочностью.

Качественные углеродистые (ГОСТ 1050-74) и легированные (ГОСТ 4543-71) стали, применяют в машиностроении и других видах промышленности. Стали этого класса подвергают термической и химико-термической обработке для придания изделиям требуемых физико-механических свойств. Наличие легирующих элементов (до10%) в стали, обеспечивает высокие показатели прочности и пластичности и дает возможность их применения для высоконагруженных деталей машин. Высоколегированные стали (содержание легирующих элементов более 10%) имеют специальное назначение – коррозионно-стойкие, окалиностойкие, немагнитные и т.д.

Для улучшения обрабатываемости резанием в сталь дополнительно вводят серу, селен, свинец и кальций. Содержание серы и свинца до 0,3%, селена и кальция до 0,05% позволяет повысить стойкость режущего инструмента в 2 раза, но их наличие снижают свойства стали. Поэтому применение таких сталей не рекомендуется для деталей работающих в сложно - напряженном состоянии.

Повышение устойчивости стали против коррозии, достигается за счет введения в нее хрома, который образует плотную окисную пленку на поверхности типа Cr₂O₃. К этой группе относятся стали с содержанием хрома более 12%.

Инструментальные стали имеют высокую твердость, износостойкость и прочность. Они используются для режущего инструмента, штампов холодного и горячего деформирования, измерительных инструментов различных размеров и форм. Стали для режущего и штампового инструмента должны обладать теплостойкостью, то есть сохранять высокую твердость и прочность при нагреве до высоких температур. В связи с этим различают нетеплостойкие, полутеплостойкие и теплостойкие стали. Для инструмента подвергаемого нагреву до 200^оС в эксплуатации применяют углеродистые, и низколегированные марки стали – У8, У10, У13, 9ХС, 11Х и т.д.