Для изготовления рессор автомашин, пружин подвижного состава железнодорожного транспорта широко используются кремнистые, кремнемарганцевые, хромомарганцевые стали.

1. Укажите и обоснуйте режим термической обработки пружин, изготовленных из стали марки 60С2А, для получения следующего комплекса свойств: у _0,2 ? 1400МПа, д ? 7%. Постройте график термообработки в координатах температура-время с указанием: критических точек стали, температуры нагрева, времени выдержки, среды охлаждения.

2. Опишите структурные превращения, происходящие в стали на всех стадиях термической обработки.

3. Приведите основные данные по этой стали: химический состав по ГОСТу, область применения, механические свойства после выбранного режима термической обработки, технологические свойства, влияние легирующих элементов, достоинства и недостатки и др.

Отчет

Особенностью работы таких деталей машин как упругие элементы является то, что в них используют в основном упругие свойства стали и не допускают возникновение пластической деформации при нагрузке (статической, динамической, ударной). В связи с этим стали должны иметь большое сопротивление малым пластическим деформациям, т.е. высокие пределы упругости (текучести) и выносливости. Кроме того, важной характеристикой сталей данного типа является релаксационная стойкость.

Для обеспечения этих требований сталь должна иметь однородную структуру, которая обеспечивается хорошей закаливаемостью и сквозной прокаливаемостью (структура мартенсита по всему сечению детали после закалки). Наличие в структуре стали феррита, продуктов эвтектоидного распада, остаточного аустенита снижает упругие свойства детали. Известно, что сопротивление малым пластическим деформациям возрастает с уменьшением размера зерна стали.

К группе рессорно-пружинных сталей общего назначения относятся стали перлитного класса с содержанием углерода О,5.0,7%, которые для улучшения свойств прокаливаемость, предел выносливости, релаксационная стойкость, мелкозернистая структура) дополнительно легируют кремнием (1,5.2,8%), марганцем (0,6.1,2 %), хромом (0,2.1,2 %), ванадием (0,1.0,2 %), вольфрамом (0,8.1,2 %), никелем (1,4.1,7 %).

Эксплуатационные свойства стальные детали приобретают после термической обработки, состоящей в закалке и среднем отпуске (350.520 ^оС) на троостит отпуска (рис.1).

Рис.1. Двойная термическая обработка рессорно-пружинных сталей на троостит отпуска (Т_отп).

В настоящее время для изготовления пружин амортизаторов применяют следующие стали: 50С2, 55С2, 60С2А, 70СЗА. Итак, сталь 60С2А относится к широко используемым дешевым сталям для изготовления упругих элементов сечением до 18 мм. Эта сталь обладает стойкостью к росту зерна, имеет высокие механические показатели. Для устранения склонности к обезуглероживанию нагрев под закалку следует проводить в контролируемой атмосфере.

Режим термической обработки показан на рис.1: закалка и средний отпуск. По данным ГОСТ 14059-79 температура закалки для стали 60С2А составляет 850 ^оС (А₃ - 820 ^оС). В качестве охлаждающей среды выбираем масло. Последующий отпуск назначаем при температуре 400 ^оС.

Рис.2. Зависимость механических свойств стали 60С2А от температуры отпуска

Указанный режим термической обработки (рис.3) обеспечивает получение следующих свойств:

д ? 7%, у_0,2 ? 1400МПа.

Указанный температурный режим отпуска до (400 ^оС) обеспечит необходимые по заданию конечные параметры стали после термообработки:

Закалка 850°С масло, отпуск:

Рис.3. Режим термической обработки стали 60С2А

Структурные превращения при термической обработке

Сталь 60С2А - сталь перлитного класса. Критические точки стали: А₁=77010 ⁰С, А₃=82010 ^оС. Сталь подвергают полной закалке, при этом ее нагревают до образования однородной структуры.

Последующее охлаждение в масле со скоростью большей, чем (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит), обеспечивает получение мелкозернистого мартенсита. Рассмотрим превращения, происходящие в стали 60С2А при нагреве исходной равновесной структуры Ф + Ц. На практике при обычных скоростях нагрева (электропечи) под закалку перлит сохраняет свое пластинчатое или зернистое строение до температуры А₁ (770 ^оС для стали 60С2А). При температуре А₁ в стали происходит превращение перлита в аустенит. Кристаллы (зерна): аустенита зарождаются в основном на границах фаз феррита и цементита. При этом параллельно развиваются два процесса: полиморфный переход и растворение цементита в аустените.

Представим общую схему превращения:

Образование зерен аустенита происходит с большей скоростью, чем растворение цементита перлита, поэтому необходима выдержка стали при температуре закалки для полного растворения цементита и получение гомогенного аустенита.

Из рис.4 видно, что фазовая перекристаллизация приводит к измельчению зерна в стали.

Рис.4. Схема структурных превращений в стали при нагреве

При этом, чем выше дисперсность структуры перлита (Ф + Ц) и скорость нагрева стали, тем больше возникает центров зарождения аустенита, а следовательно, возрастает дисперсность продуктов его распада. Увеличение же дисперсности продуктов распада аустенита приводит к увеличению пластичности, вязкости, уменьшению чувствительности к концентраторам напряжений.

Изменения структуры стали при закалки в масло. При непрерывном охлаждении в стали с аустенит превращается в мартенсит. Мартенситное превращение развивается в сталях с высокой скоростью (1000.7000 м/с) в интервале температур М_н. М_к. При этом необходимо учитывать, что с увеличением содержания углерода в стали температуры М_н и М_к понижаются (точки М_н и М_к изменяют свое положение на графике (рис.6). Введение легирующих элементов также изменяет положение точек М_Н и М_к. Например введение кремния их повышает. В результате закалки стали 60С2А ее структура может иметь кроме мартенсита и некоторое количество остаточного аустенита.

Рис. 6. Влияние концентрации углерода С на температуру начала М_н и конца М_к мартенситного превращения

Полученный мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в железе и имеет тетрагональную кристаллическую решетку. Атомы углерода занимают в основном октаэдрические поры.

Образование в результате закалки мартенсита приводит к большим остаточным напряжениям, повышение твердости, прочности, однако при этом возрастает склонность к хрупкому разрушению, что требует проведения дополнительно последующего отпуска.

Превращения в закаленной стали при среднем отпуске (470 ^оС).

Нагрев закаленной стали до температуры А₁ принято называть отпуском. Отпуск должен обеспечить получение необходимых эксплуатационных свойств стали. Структура стали 60С2А после закалки состоит из мартенсита и остаточного аустенита.

Рассмотрим последовательность процессов при отпуске с повышением температуры. До 80 ^оС диффузионная подвижность мала и распад мартенсита идет медленно. Первое превращение при отпуске развивается в диапазоне 80.200 ^оС и приводит к формированию структуры отпущенного мартенсита - смеси пересыщенного углеродом -раствора и когерентных с ним частиц -карбида. В результате этого существенно уменьшается степень тетрагональности мартенсита (часть углерода выделяется в виде метастабильного -карбида), уменьшается его удельный объем, снижаются остаточные напряжения.

Второе превращение при отпуске развивается в интервале температур 200.260 ^оС (300 ^оС) и состоит из следующих этапов:

1) превращение остаточного аустенита в отпущенный мартенсит;

2) распад отпущенного мартенсита: степень его пересыщенности уменьшается до 0,15.0,2%, начинается преобразование -карбида в - цементит и его обособление, разрыв когерентности;

3) снижение остаточных напряжений;

4) некоторое увеличение объема, связанное с переходом А_остМ_отп.

Третье превращение при отпуске развивается в интервале 300.400 ^оС. При этом заканчивается распад отпущенного мартенсита и процесс карбидообразования. Формируется феррито-карбидная смесь, существенно снижаются остаточные напряжения; повышение температуры отпуска выше 400 ^оС активизирует процесс коалесценции карбидов, что приводит к уменьшению дисперсности феррито-цементититной смеси.

Структуру стали после низкого отпуска (до 250 ^оС) называют отпущенным мартенситом, структуру стали после среднего отпуска

350.500 ^оС - трооститом отпуска; после высокого отпуска 500.600 ^оС - сорбитом отпуска.

рессорная пружинная сталь термический

В стали 60С2А после полной закалки в масле и среднего отпуска при 400 ^оС образуется структура троостита отпуска.

Сталь 60С2А.

Химический состав. Данные по ГОСТ14959-79

Технологические свойства

Легирующие элементы вводят с целью повышения конструкционной прочности стали, что достигается при их использовании в термически упрощенном состоянии - после закалки и отпуска. В отожженном состоянии легированные стали практически не отличаются от углеродистых. В связи с этим обеспечение необходимой прокаливаемости - первостепенная задача легирования. Легирующие элементы повышают устойчивость переохлажденного аустенита, снижают критическую скорость закалки и увеличивают прокаливаемость. Возможность менее резкого охлаждения при закалке уменьшает в них напряжения и опасность образования трещин.