Контрольная работа по "Металлургии"

3. Для  некоторых деталей выбрана легированная  сталь марки 12ХН3А

1) Расшифруйте  состав, определите группу стали по назначению, назовите детали, изготавливаемые из этой стали.

Назначение

Сталь 12ХН3А применяется: для изготовления горячекатаного толстолистового проката; шестерней, валов, червяков, кулачковых муфт, поршневых пальцев и других цементируемых деталей, к которым предъявляются требования высокой прочности, пластичности и вязкости сердцевины и высокой поверхностной твердости, работающих под действием ударных нагрузок и при отрицательных температурах; биметаллических бесшовных труб для судостроения с наружным слоем из стали и внутренним слоем из меди. Примечание Сталь высококачественная конструкционная хромоникелевая.  Сталь цементируемая.

Химический состав в % материала 12ХН3А. ГОСТ 4543-71

Химический элемент	%
Углерод (С)	0,09-0,16
Кремний (Si)	0,17-0,37
Медь (Cu), не более	0,30
Марганец (Mn)	0,30-0,60
Никель (Ni)	2,75-3,15
Фосфор (P), не более	0,025
Хром (Cr)	0,60-0,90
Сера (S), не более	0,025

2) Назначьте  и обоснуйте режим термической обработки, опишите структуру и свойства стали после термообработки.

Цементация 900 °С,

 закалка 800 °С  (масло),

отпуск 170 °С

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая  обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементированных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.

Цементация широко применяется  для упрочнения среднеразмерных  зубчатых колес, валов коробки передач  автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05-0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02-0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 - 5% содовом растворе.

Для цементируемых изделий  применяют низкоуглеродистые (0,1-0,25% С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементированный слой должен иметь твердость HRС 58-62, а сердцевина HRC 20-40. Сердцевина цементируемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.

Для деталей  ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые (такие как: 12ХН3А, 20ХН3А ) и более сложнолегированные стали.

Одновременное легирование хромом и никелем  повышает прочность, пластичность и  вязкость сердцевины. Никель, кроме, того, повышает прочность и вязкость цементированного слоя.

Хромоникелевые  стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

 

Механические свойства стали 12XH3А в зависимости от температуры отпуска

t отпуска,°С	σ0,2, МПа	σB, МПа	δ5, %	ψ, %	KCU, Дж/м2	HB
Заготовки диаметром 70 мм. Закалка 800°С, масло.
200	1270	1370	12	60	98	400
300	1130	1270	13	68	78	380
400	1080	1200	14	68	83	375
500	930	1030	19	70	118	280
600	670	730	24	75	167	230

 

3) Объясните  влияние легирующих элементов  на точки и линии диаграммы  Fe- Fe₃C, на термическую обработку и свойства стали

Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Cr, Ni, Mo, Wo, V, А1, В, Ti и др.), а также Мn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.

Легирование сталей и сплавов  используют для улучшения их технологических  свойств. Легированием можно повысить предел текучести, ударную вязкость, относительное сужение и прокаливаемость, а также существенно снизить скорость закалки, порог хладноломкости, деформируемость изделий и возможность образования трещин. В изделиях крупных сечений (диаметром свыше 15...20 мм) механические свойства легированных сталей значительно выше, чем механические свойства углеродистых сталей.

По применимости для легирования  можно выделить три группы элементов. Применимость для легирования различных  элементов определяется не столько  физическими, сколько, в основном, экономическими соображениями.

·    Mn,Si,Cr,B;

·    Ni,Mo;

·    V, Ti, Nb, W, Zr и др.

Легирующие  элементы по механизму их воздействия  на свойства сталей и сплавов можно  разделить на три группы:

·    влияние на полиморфные (альфа-Fe -> гамма-Fe) превращения;

·    образование с углеродом карбидов (Сг,Fе)₇С₃; (Сг,Ре)₂₃С₆; Мо₂С и др.;

·    образование интерметаллидов (интерметаллических соединений) с железом - Fе₇Мо₆; Fe₃Nb и др.

В следующей  таблице показано влияние наиболее применяемых легирующих элементов  на свойства стали.

 

Легирующий  элемент	Входит в  твердый раствор с Fe и упрочняет его	Увеличивает ударную  вязкость	Расширяет область  аустенита	Сужает область  аустенита	Увеличивает прокаливаемость	Способствует  раскислению	Образует устойчивые карбиды	Повышает сопротивление  коррозии
Ni	+	+	+	—	+	—	—	+
Cr	+	—	—	+	—	—	+	+
Mn (более 1%)	+	+	+	—	+	+	+	+
Si (более 0,8%)	+	+	—	+	—	+	—	—
W	—	—	—	—	—	—	+	—
Сu (0,3 - 0,5%)	+	—	—	—	—	—	—	+

 
 
По характеру влияние  на полиморфные превращения легирующие элементы можно разделить на две  группы:

·           элементы (Cr, W, Mo, V, Si, Al и др.), достаточное содержание которых обеспечивает существование в сталях при всех температурах легированного феррита (ферритные ставы);

·           элементы (Ni, Mn и др.), стабилизирующие при достаточной концентрации легированный аустенит при всех температурах (аустенитные сплавы). Сплавы, только частично претерпевающие превращение гамма->альфа, называются, соответственно, полуаустенитными или полуферритными.

Легирование феррита сопровождается его упрочнением. Наиболее значительно  влияют на его прочность марганец и хром. Причем чем мельче зерно феррита, тем выше его прочность.

Многие легирующие элементы способствуют измельчению зерен  феррита и перлита в стали, что значительно увеличивает  вязкость стали. Однако все легирующие элементы, за исключением никеля, при содержании их в растворе выше определенного предела снижают ударную вязкость, трещиностойкость и повышают порог хладноломкости. Никель понижает порог хладноломкости.

Легированный  аустенит парамагнитен, обладает большим  коэффициентом теплового расширения. Легирующие элементы, в том числе  азот и углерод, растворимость которого в аустените при нормальной температуре  достигает 1%, повышают его прочность  при нормальной и высокой температурах, уменьшают предел текучести.

Легированный  аустенит является основной составляющей многих коррозионностойких, жаропрочных  и немагнитных сплавов. Он легко  наклепывается, то есть быстро и сильно упрочняется под действием холодной деформации.

Легирующие  элементы (исключение кобальт), повышая  устойчивость аустенита, снижают критическую  скорость закалки и увеличивают  прокаливаемость. Для многих аустенитных  сплавов критическая скорость закалки  снижается до 20°С/с и ниже, что  имеет большое практическое значение.

Карбидообразующие элементы: Fe - Mn - Cr - Mo - W - Nb - V - Zr - Ti (за исключением  марганца) препятствуют росту зерна  аустенита при нагреве. Сталь, легированная этими элементами, при одинаковой температуре сохраняет более  высокую дисперсность карбидных частиц, и соответственно большую прочность.

Интерметаллиды  образуются при высоком содержании легирующих элементов между этими  элементами или с железом. Примером таких соединений могут служить Fe₇Mo₆, Fe₃Nb₂ и др. Интерметаллиды, как правило, отличают повышенные твердость и хрупкость.

4. Для  изготовления деталей машин и  приборов выбран сплав цветного  металла В95

1) Расшифруйте  состав, укажите, к какой группе  относится сплав, приведите примеры  деталей из него

Химический  состав в % материала В95

Fe	Si	Mn	Cr	Ti	Al	Cu	Mg	Zn	Примесей
до    0.5	до    0.5	0.2 - 0.6	0.1 - 0.25	до    0.05	86.2 - 91.5	1.4 - 2	1.8 - 2.8	5 - 7	прочие, каждая 0.05; всего 0.1

Примечание: Al - основа; процентное содержание Al дано приблизительно

Группа – Алюминиевый сплав – цинковая группа

Сплавы применяют  для высоконагруженных конструкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия (детали обшивки, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов  и другие детали).

2) Опишите влияние  легирующих элементов.

Достоинства легированных сталей:

1. особенности  обнаруживаются в термически  обработанном состоянии, поэтому  изготовляются детали, подвергаемые  термической обработке;

2. улучшенные  легированные стали обнаруживают  более высокие показатели сопротивления  пластическим деформациям;

3. легирующие  элементы стабилизируют аустенит, поэтому прокаливаемость легированных  сталей выше;

4. возможно использование  более «мягких» охладителей (снижается  брак по закалочным трещинам  и короблению), так как тормозится  распад аустенита;

5. повышаются запас вязкости и сопротивление хладоломкости, что приводит к повышению надежности деталей машин.

Недостатки:

1. подвержены  обратимой отпускной хрупкости  II рода;

2. в высоколегированных  сталях после закалки остается  аустенит остаточный, который снижает  твердость и сопротивляемость усталости, поэтому требуется дополнительная обработка;

3. склонны к  дендритной ликвации, так как  скорость диффузии легирующих  элементов в железе мала. Дендриты  обедняются, а границы – междендритный  материал – обогащаются легирующим элементом. Образуется строчечная структура после ковки и прокатки, неоднородность свойств вдоль и поперек деформирования, поэтому необходим диффузионный отжиг.

4. склонны к  образованию флокенов. 

3) Назовите термообработку, возможности упрочнения, режим, структуру и свойства сплава

Представителями высокопрочных алюминиевых сплавов  являются В95,

В96, ВАД23. Предел прочности высокопрочного сплава В95 – 600 МПа (для