Сплавы

Вариант 9
9.1 Палец шарнира диаметром d (15, 25, 35) мм работает на изгиб и срез и должен, кроме того, обладать высокой износостойкостью на поверхности и высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению в сердцевине.
Выбрать углеродистую сталь, привести ее состав и марку, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и указать структуру, механические свойства в сердцевине и твердость на поверхности после окончательной обработки.
Указать желательную толщину твердого поверхностного слоя. Объяснить, в каких случаях необходимо выбрать легированную сталь, и какие механические свойства можно гарантировать в сталях выбранных различных марок.
9.2 Пружины из стали 60 после правильно выполненной закалки и отпуска имеют твердость значительно выше, чем это предусматривается по техническим условиям. Чем вызван этот дефект, и как можно его исправить? Укажите, какая твердость и структура обеспечивают высокие упругие свойства пружин.
9.3 Для изготовления деталей выбран сплав Д18. Расшифруйте состав сплава. Опишите, каким способом производится упрочнение этого сплава. Укажите, характеристики механических свойств сплава.
9.1 Палец шарнира диаметром d (15, 25, 35) мм работает на изгиб и срез и должен, кроме того, обладать высокой износостойкостью на поверхности и высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению в сердцевине.
Выбрать углеродистую сталь, привести ее состав и марку, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и указать структуру, механические свойства в сердцевине и твердость на поверхности после окончательной обработки.
Указать желательную толщину твердого поверхностного слоя. Объяснить, в каких случаях необходимо выбрать легированную сталь, и какие механические свойства можно гарантировать в сталях выбранных различных марок.
В процессе эксплуатации на палец шарнира воздействуют силы трения, вибрация, знакопеременные нагрузки и другие факторы. Все это вызывает появление износа, нарушение качества поверхности, механические повреждения.
Исходя из условий работы к материалу пальца, предъявляются следующие требования:
- высокая твердость, износостойкость и механическая прочность поверхностного слоя;
- сохранении вязкой сердцевины для обеспечения высокого сопротивления хрупкому и вязкому разрушению.
Для обеспечения заданных требования для изготовления пальца выберем углеродистую сталь 20.
Сталь 20 углеродистая (содержит в среднем 0,2 % углерода), конструкционная, качественная, спокойная. По структуре сталь 20 – доэвтектоидная (исходная структура феррит и перлит).
Палец работает в условиях износа, поэтому требуется получить высокую поверхностную твердость (более 55 НRC) при сохранении вязкой сердцевины. Для обеспечения высокой поверхностной твердости деталей из стали 20 целесообразно проводить химико-термическую обработку (цементацию) с последующей закалкой и низким отпуском.
Температура критических точек стали 20, оС: Ac1 = 735, Ac3 = 850.
Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя стали углеродом.
Цель цементации – получить детали машин с твердой и износоустойчивой поверхностью при сохранении вязкой, выдерживающей динамические нагрузки сердцевины.
Цементованные изделия хорошо работают при знакопеременных нагрузках и в условиях трения. Цементация и последующая термическая обработка повышают и предел выносливости.
Цементация производится путем нагрева и длительной выдержки деталей в соответствующей “науглероживающей” среде при температурах аустенитного состояния стали (920–950 С), то есть выше линии Ас3 (линии GS на диаграмме железо-цементит) (рис. 1).
Длительность цементации зависит от требуемой толщины цементованного слоя и температуры нагрева. В среднем можно принять скорость насыщения углеродом 0,1 мм в час. Таким образом, для получения цементованного слоя толщиной 1 мм необходима выдержка 10 часов.
В исходном состоянии сталь 20 имеет структуру доэвтектоидной стали – феррит и перлит. При ХТО происходит нагрев поверхности стали до температур выше Ас3, при этом феррито-перлитная структура превращается полностью в аустенит. Одновременно происходит насыщение поверхностного слоя стали углеродом, в результате чего после охлаждения структура цементованной стали будет иметь 3 различные зоны (рис. 2):
- на поверхности – перлит и цементит вторичный;
- в следующей зоне – перлит;
- в сердцевине – перлит и феррит.
26608281406001Ас1
00Ас1
38662141439557003848157949132002679644787953Ас3
00Ас3
3380868123663center445436Тцем=920-950
00Тцем=920-950
263623864581300center1130117Тзак=765-785
00Тзак=765-785
2674543132924300center1868306Тотп=180-200
00Тотп=180-200
2694694206365900262671222302560,2
00,2
27924666458130026990332449305
Рисунок 1 – Участок диаграммы железо – цементит и температуры нагрева
при термообработке стали 20
INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image072.gif" \* MERGEFORMATINET Рисунок 2 – Структура стали 20 после цементации
Окончательные служебные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки (закалки и низкого отпуска), выполняемой после цементации.
Учитывая то, что на поверхности стали 20 после цементации образовался слой со структурой заэвтектоидной стали, целесообразно проведение неполной закалки после цементации с целью придания высокой твердости поверхностного слоя.
Температура нагрева при неполной закалке назначается на 30 – 50 оС выше критической точки Ас1 (линия PSK на диаграмме железо – цементит) и составит:
Тн = Ас1 + (30 – 50 оС) (1)
Тн = 735 + (30 – 50 оС) = 765 – 785 оС.
Длительность выдержки при температуре закалки – 1 мин на 1 мм сечения для углеродистых сталей.
Для углеродистых сталей рекомендуется охлаждение при закалке проводить в воде, что связано с большой критической скоростью закалки и небольшой прокаливаемостью этих сталей.
Охлаждение при закалке в воде обеспечивает получение следующей структуры поверхностного слоя: при нагреве выше Ас1 структура перлит и цементит вторичный превратится в аустенит и цементит вторичный, при последующем охлаждении – образуется структура мартенсит и цементит вторичный, который дополнительно повышает твердость закаленной стали. При нагреве образуется структура, состоящая: в сердцевине – из аустенита и феррита, в промежуточной зоне – из аустенита. При последующем быстром охлаждении в воде образуются структуры, изображенные на рисунке 3.
INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "http://ok-t.ru/studopediaru/baza10/2043182801940.files/image076.gif" \* MERGEFORMATINET
Рисунок 3 – Структура стали 20 после закалки
Заключительной операцией термической обработки является низкий отпуск 180 – 200 оС, охлаждение на воздухе. Длительность выдержки при температуре низкого отпуска – 2 ч + 1 мин на 1 мм сечения для углеродистых сталей.
Целью низкого отпуска является снижение внутренних напряжений и некоторое уменьшение хрупкости при сохранении высокой твердости, прочности и износостойкости изделий.
При низком отпуске из мартенсита выделяется часть избыточного углерода с образованием мельчайших карбидных частиц. Но поскольку скорость диффузии здесь еще мала, некоторая часть углерода в мартенсите остается.
Структура стали в результате низкого отпуска представляет собой:
- на поверхности – мартенсит отпуска и вторичный цементит,
- в следующей зоне – мартенсит отпуска,
- в сердцевине – малоуглеродистый мартенсит отпуска и феррит.
Низкий отпуск повышает прочность и улучшает вязкость без значительного снижения твердости. Поэтому его применяют для деталей после поверхностной упрочняющей обработки (цементации).
Механические свойства стали 20 после проведения термообработки представлены в табл. 1.
Таблица 1 – Механические свойства стали 20
σ0,2
(МПа)  σв
(МПа) δ5
(%) Ψ
% KCU 
(кДж / м2) HB (HRCэ),
не более
290-340 490-590 18 45 54 Сердцевина 156 HB
Поверхность (55-63)
Желательная толщину твердого поверхностного слоя должна составить ~1 мм, что обеспечит длительную эксплуатацию пальца шарнира в условиях износа.
Выбор легированной марки стали может быть обусловлен повышенными требованиями к механическим свойствам сердцевины и прокаливаемости детали.
В табл. 2 представлены механические свойства легированной стали 18ХГТ после цементации, закалки и низкого отпуска.
Сталь 18ХГТ – легированная конструкционная цементуемая, качественная. Содержит 0,18 % углерода, по 1 % легирующих элементов хрома, марганца, титана.
Таблица 2 – Механические свойства стали 18ХГТ
Состояние поставки, режим термообработки Сечение, мм σ0,2 (МПа) σв(МПа) δ5 (%) ψ % KCU (кДж / м2) HB (HRCэ), не более
Цементация 920-950 °С, воздух. Закалка 820-860 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух 20 930 1180 10 50 78 Сердцевина 341 Поверхность (53-63)
60 780 980 9 50 78 Сердцевина 240-300 Поверхность (57-63)
9.2 Пружины из стали 60 после правильно выполненной закалки и отпуска имеют твердость значительно выше, чем это предусматривается по техническим условиям. Чем вызван этот дефект, и как можно его исправить? Укажите, какая твердость и структура обеспечивают высокие упругие свойства пружин.
Недостаточная твердость стали 60 после закалки и отпуска может быть вызвана следующими причинами:
недогревом (низкая температура закалки, слишком короткая выдержка при правильной температуре печи);
недостаточно интенсивным охлаждением, т.е. охлаждение проводилось со скоростью меньше критической скорости закалки;
повышенной температурой отпуска.
В случае правильно выполненной закалки причиной повышено твердости стали 60 является пониженная температура отпуска.
В результате правильно выполненной закалки получается структура мартенсит для доэвтектоидной стали 60.
После закалки всегда проводят отпуск.
Отпуск – нагрев закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1 (линия SK на диаграмме железо – цементит), выдержка при данной температуре и последующее охлаждение (обычно на воздухе).
Цель отпуска – уменьшение закалочных напряжений, снижение твердости и получение необходимых механических свойств.
Основное превращение при отпуске – распад мартенсита, т. е. выделение углерода из пересыщенного твердого раствора в виде мельчайших кристалликов карбида железа.
При низком отпуске (150-250 оС) происходит выделение углерода из мартенсита, приводящее к уменьшению искажений решетки. Образуется структура мартенсит отпуска. Низкий отпуск применяют после закалки инструментов, цементованных изделий, после поверхностной закалки. При низком отпуске твердость практически не снижается.
При температурах порядка 300-400°С (средний отпуск) завершается выделение углерода и образуется ферритно-цементитная смесь, называемая трооститом отпуска. Средний отпуск рекомендуется для пружин и рессор, т.к. обеспечивает получение высоких упругих свойств.
При дальнейшем нагреве происходит коагуляция карбидов и уменьшается дисперсность структуры. Структуру углеродистой стали образующуюся при температурах отпуска 500-650°С (высокий отпуск), называют сорбитом отпуска. Применяют высокий отпуск в машиностроении для изделий из конструкционной стали с целью обеспечения достаточной прочности, вязкости и пластичности.
Для пружины из стали 60 оптимальным является средний отпуск, обеспечивающий получение структуры троостита отпуска и высокие упругие свойства. Твердость стали 60 после среднего отпуска составит HRC 40-45.
С целью устранения повышенной твердости отпуск необходимо проводить при более высоких температурах, например, 400 – 450 оС.
9.3 Для изготовления деталей выбран сплав Д18. Расшифруйте состав сплава. Опишите, каким способом производится упрочнение этого сплава. Укажите, характеристики механических свойств сплава.
Д18 – дуралюминий, дюраль, алюминиевый деформируемый сплав, число 18 означает условный номер марки сплава.
Буква Д обозначает в маркировке, что это дюралюмин, а цифра после буквы – порядковый номер в ГОСТе. Полный химический состав дюралюминия Д18 представлен в таблице 3.
Таблица 3 – Химический состав сплава Д18
Fe Si Mn Cr Al Cu Mg Zn Примесей
до   0.5 до   0.5 до   0.2 до   0.1 94.35 - 97.6 2.2 - 3 0.2 - 0.5 до   0.1 прочие, каждая 0.05; всего 0.15
Использование в промышленности: для изготовления проволоки для заклепок.
Дюралюмины – сплавы системы Al-Cu-Mg отличаются хорошим сочетание прочности и пластичности.
Дуралюмины хорошо свариваются точечной сваркой и практически не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию.
Дуралюмин Д18 упрочняется термической обработкой; характеризуется хорошим сочетанием прочности и пластичности. Для упрочнения дюралюминов проводят закалку и старение.
Закалка состоит в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или почти полностью растворяются в алюминии. После выдержки при данной температуре проводят быстрое охлаждение. После закалки дюралюмины обладают высокой пластичностью (δ = 25 %) и мягкостью. Это используется при проведении различных формоизменяющих операций в холодном состоянии.
Однако пересыщенный твердый раствор неустойчив и из него самопроизвольно начинает выделяться избыточная мелкодисперсная интерметаллическая фаза CuAl2, что придает дюралюмину повышенную твердость и прочность. Этот процесс называется старением.
Если старение проводится при комнатной температуре, (естественное старение), то упрочняющий эффект достигается на 5-6 сутки.
Если же после закалки сплав нагреть до 150-200оС, то упрочнение произойдет через 10-20 часов, и такое старение называют искусственным.
Однако, естественное старение предпочтительнее, т.к. обеспечивает получение более высокой коррозионной стойкости.
Термическая обработка дюралюмина Д18:
- закалка проводится при 495-505 °С (все виды полуфабрикатов),
- старение при 20 °С более 96 часов.
Механические свойства дюралюмина Д18 представлены в таблице 4.
Таблица 4 – Механические свойства дюралюмина Д18
Прокат Толщина илидиаметр, мм σв, (МПа) σ0,2, (МПа) δ5, (%) ψ, % HB
Проволока отожженная 1,4-10  160  60 25 -   38
Проволока закаленная и
естественно состаренная  1,4-10  300  70  24 50 70
Список использованных источников
1. Солнцев, Ю. П. Материаловедение [Текст]: учебник для СПО / Ю. П. Солнцев, С. А. Вологжанина. – 3-е изд., стер. – М.: Академия, 2008 – 496 с. Черепахин, А. А. Материаловедение [Текст]: учебник для СПО / А. А. Черепахин. – 5-е изд., стер. – М.: Академия, 2011 – 256с.
3. Шубина, Н. Б. Материаловедение в горном машиностроение [Текст]: учебное пособие для СПО/ Н.Б. Шубина. - Горная книга, 2011 – 271 с.
4. Никифоров В. М. Технология металлов и конструкционные материалы [Текст]: Учебник для средних специальных учебных заведений / В. М. Никифоров. – 7-е изд., перераб. и доп. – Л.: Машиностроение, 1986 – 382 с.
5. Корицкий Ю. В. Электротехнические материалы [Текст]: Учебник для средни х специальных учебных заведений. – 3-е изд., перераб. – М.: Энергия, 1976 – 320 c.
6. Адаскин, А. М. Материаловедение: Учебник для машиностроительных специальностей сузов. / А.М. Адаскин, Онегин. - М.: Высшая школа, 2005. – 456 c.
7. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов. - М.: МГТУ, 2008. – 648 c.
8. Богодухов, С. И. Материаловедение: Учебник / С.И. Богодухов, Е.С. Козик. - Ст. Оскол: ТНТ, 2013. - 536 c.
9. Лахтин, Ю. М. Материаловедение: Учебник. Репринтное воспроизведение издания 1990 г. / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Издательство Альянс, 2013. – 528 c.