Практическое занятие №4 ««определение режимов термической обработки специальных материалов» (ме-6 то, хто и тмо)

Задания к практическому занятию

Задача №1:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления валов диаметром 50 мм. По расчету сталь должна иметь предел прочности:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

 

Задача №2:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м² . Диаметр вала:

а) 35 мм; б) 50 мм; в) 120 мм.

 

Задача №3:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

Задача №4:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности при растяжении:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²

 

Задача №5:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 850 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²

Задача №6:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м² .

Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.

Задача №7:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.

Предел текучести в сердцевине должен быть:

а) не ниже 500 МПа;

б) не ниже 600 МПа;

в) не ниже 800 МПа.

 

Задача №8:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.

 

Краткие сведения из теории

Под термической обработкой (далее Т.О.) понимают изменение структу­ры, а, следовательно, и свойств стали при нагреве до определенной температуры, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с заданной скоростью.

Таким образом, любой вид термообработки включает в себя три этапа: нагрев, выдержку и охлаждение. Для того чтобы правильно решать вопросы технологии термической обработки, необходимо иметь представление о фазовых и структурных превращениях, которые протекают при нагреве и охлаждении стали с различной скоростью.

Любая разновидность термической обработки состоит из комбинации четырех основных превращений, в основе которых лежат стремления системы к минимуму свободной энергии

1) Превращение перлита в аустенит , происходит при нагреве выше критической температуры А_{1 ,} минимальной свободной энергией обладает аустенит.

.

2) Превращение аустенита в перлит , происходит при охлаждении ниже А₁, минимальной свободной энергией обладает перлит:

.

3) Превращение аустенита в мартенсит , происходит при быстром охлаждении ниже температуры нестабильного равновесия

.

4) Превращение мартенсита в перлит ; происходит при любых температурах, т.к. свободная энергия мартенсита больше, чем свободная энергия перлита.

.

 

Превращения в стали при нагреве

 

Общее представление о превращениях, которые протекают в углеродистых сталях при нагревании, можно получить из диаграммы состояния железо – углерод. Поскольку в основе термической обработки лежат структурно-фазовые превращения в стали в твердом состоянии, необхо­димо использовать левый нижний угол диаграммы Fe-С до содержания углерода 2,14%, так называемый "стальной" угол диаграммы.

 

 

Рис. 1. Левый угол диаграммы состояния железо – цементит и температурные области нагрева при термической обработке сталей.

 

I этап Т.О. – нагрев. Для любого вида термической обработки (закалки, отжига, нормализации) нагрев производится выше определенных температур, называемых критическими температурами стали. Эти температуры выбирают исходя из положения критических точек (линий) на диаграмме железо - углерод.

Верхняя критическая температура сталей - линия GSE, объединяющая температуры, выше которых любая сталь имеет однофазную структуру твердого раствора внедрения углерода в железо с решеткой К12 - Fe _γ(C) - аустенит.

Эту температуру обозначают А_С3. Для заэвтектоидных сталей линию SE обозначают А_Ст.

Нижняя критическая температура стали – линия PSK, объединяющая температуры, ниже которых устойчива объемно центрированная ре­ка железа К8, а твердый раствор внедрения углерода в железо с решеткой К8 - Fe _α(C) - феррит. Эта температура постоянна и равна 727° С, ее обозначают А_С1. Оптимальной температурой нагрева доэвтектоидных сталей является температура выше верхней критической А_С3 +(30...50)° С (заштрихованная область на рисунке 1). При этом в процессе нагрева при достижении температуры А_С1 в сталях происходит превращение перлита в аустенит.

 

Рис. 2. Механизм превращения перлита в аустенит

 

Заэвтектоидные стали нагревают выше температуры А₁, но ниже А₃ (А_Ст), т.е. температура нагрева равна А_С1 +(30...50)° С (заштрихо­ванная область на рисунке 1). При таком нагреве сталь приобретает двух­фазную структуру аустенита и цементита (вторичного), что необходимо для зазвтектоидных сталей, являющихся, главным образом, инструмен­тальными, где необходима высокая твердость и износостойкость.

II этап Т.О. – выдержка. Время выдержки при указанных темпера­турах нагрева выбирается из условий сквозного прогрева детали для получения однородной структуры по всему сечению.

III этап Т.О. – охлаждение. Ниже нижней критической температуры А₁, аустенит термодинамически неустойчив, так как его свободная энер­гия выше свободной энергии продуктов его превращения. От степени пе­реохлаждения аустенита зависит механизм и кинетика превращения, и, соответственно, структура и свойства продуктов превращения.

Влияние степени переохлаждения на устойчивость аустенита, ско­рость превращения представляют графически в виде диаграмм (рисунок 3). Эти диаграммы строят в координатах температура превращения - время. Диаграммы получают экспериментально и условно называют С-кривыми.

Превращение при охлаждении рассмотрим на примере эвтектоидной стали У8, содержащей 0,83% С. Изотермический распад аустенита про­исходит в интервале температур от А_r1 (727° С) до М_н (250° С), где М_н - температура начала мартенситного превращения этой стали.

На диаграмме нанесены две линии, имеющие форму буквы «С» - С-образные кривые. Линия 1 - время начала превращения; линия 2 - время конца превращения переохлажденного аустенита. Левее линии 1 существует определенное время переохлажденный аустенит; между линиями 1 и 2 находится область существования аустенита и продуктов его рас­пада; правее линии 2 - продукты распада аустенита: 1-я часть реакции распада аустенита (полиморфное превращение).

 

Рис. 3. Кинетические кривые превращения аустенита при охлаждении (а); диаграмма изотермического превращения аустенита (б)

 

Ввиду того, что максимальная растворимость углерода в решетке К8 (Fe _α ) только 0,025%, т.е. намного ниже, чем в решетке KI2(Fe _γ) с максимальной растворимостью до 2,14% С, протекает 2-я часть реак­ции распада аустенита (диффузия избыточного углерода из решетки К8 с образованием цементита).

Таким образом, конечной структурой распада аустенита при усло­вии свободного протекания диффузии является ферритоцементитная смесь.

В случае же большого переохлаждения до температуры М_н и ниже, диф­фузионные процессы подавляются и протекает лишь 1-я часть реакции -полиморфное превращение весь углерод остается в железе Fe _α.

Пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в железо с ре­шеткой К8 - Fe _α(C) – мартенсит. Мартенсит имеет тетрагональную решетку, степень тетрагональности которой возрастает с увеличением содержания углерода.

Для рассмотрения превращения аустенита при охлаждении доэвтектоидной стали на диаграмму пунктиром нанесена ли­ния 3 – начало выделения феррита Fe _α(C).

Кривые изотермического распада аустенита с небольшой степенью погрешности могут быть использованы и для случая распада аустенита при его непрерывном охлаждении (рисунок 4).

 

Рис. 4. Диаграмма изотермического превращения аустенита