Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ НЕФТИ И ГАЗА им. И. М. ГУБКИНА
Кафедра материаловедения
КУРСОВАЯ РАБОТА
Тема: «Сталь МСт5 для изготовления стяжных болтов»
Задание: назначить режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) стяжных болтов из стали МСт5, которые должны иметь твердость НВ 207-230.
Выполнил: ст. гр. ТМ-04-6
Бахолдин В.Г.
05.06.06
Проверил:
профессор Бакаева Р. Д.
МОСКВА
2006г.
Содержание
Введение 3
Цель курсовой работы
Тематика курсовой работы
Конструкционные стали 4
Характеристика материала МСт5 6
Технология термической обработки стали 7
Закалка 7
Охлаждающие среды для закалки 9
Отпуск 10
Вывод 12
Список используемой литературы 13
Введение.
Цель курсовой работы.
Основной целью данной курсовой работы является освоение принципов выбора конструкционных материалов для деталей машин, инструмента, основываясь на знании состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных форм.
Тематика курсовой работы.
Прогресс в современной машинной технике связан с созданием u освоением новых, наиболее экономичных материалов, развитием и внедрением в производство методов упрочнения металлов, расширении сортамента выпускаемых материалов.
Совершенство производства, выпуск современных разнообразных машиностроительных конструкций, инструмента, специальных приборов и машин невозможны без дальнейшего развития производства стали. В зависимости от назначения сталям предъявляют различные требования. Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью, другие - пластичностью, высокой износостойкостью и усталостной прочностью. Получение тех или иных свойств определяется структурой. В свою очередь строение стали зависит от состава и характера предварительной обработки, следовательно, между всеми этими характеристиками существуют определённые связи: между составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь), между строением и свойствами (третья связь).
Темой работы является разработка технологического процесса термической обработки стали различного состава применительно к условиям работы данной детали машин и инструмента. С помощью термической обработки можно придавать различные значения свойствам стали без изменения её химического состава.
Различные операции термической обработки характеризуются следующими элементами: скоростью нагрева, температурой максимального нагрева, продолжительностью выдержки при температуре нагрева, скоростью охлаждения. В свою очередь изменение значения свойств металлов при проведении термической обработки объясняется изменением внутреннего строения, которое испытывает сталь при её нагреве и охлаждении.
Конструкционные стали
Горячекатаная сталь, поступающая с металлургических заводов в виде проката (прутки разного сечения, балки, лист, трубы и т.д.), наиболее применяемый материал для производства машин, станков, строительных металлоконструкций, предметов широкого потребления и т.д. Сталь в соответствии с ГОСТом должна отвечать определенным требованиям.
Сталь обычного качества имеет свойства, гарантируемые ГОСТ 380—94.
Если сталь используют для изделий, которые не подвергают горячей обработке (сварке, ковке и т. д.), то структура и свойства, которые сталь получила по выходе из прокатного цеха металлургического завода, сохраняются и у потребителя. В этом случае стали поставляют потребителю только по механическим свойствам. Химический состав не гарантируется.
Если сталь у потребителя будет подвергаться горячей обработке (ковке, штамповке и т.д.), то исходные структура и механические свойства не сохраняются. В данном случае для потребителя основное значение приобретает состав стали, так как им определятся режим горячей обработки и конечные механические свойства стальных изделий. В этом случае сталь поставляется потребителю только по химическому составу.
Если у потребителя сталь подвергается сварке, то в зоне теплового влияния сварного шва свойства металла изменяются и для потребителя важно знать химический состав стали, так как именно он будет определять свойства стали в этой зоне. Одновременно потребителю необходимо знать и исходные механические свойства металла, так как те части изделий, которые не подвергались тепловому влиянию сварного шва, сохраняют свои свойства. Металл в этом случае поставляется и по химическому составу, и по механическим свойствам одновременно.1
На долю углеродистых сталей приходится 80% от общего объема. Это объясняется тем, что углеродистые стали дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. При одинаковом содержании углерода по обрабатываемости резанием и давлением они значительно превосходят легированные стали. Однако углеродистые стали менее технологичны при термической обработке. Из-за высокой критической скорости закалки углеродистые стали охлаждают в воде, что выцзывает значительные деформации и коробление деталей. Кроме того, для получения одинаковой прочности с легированными сталями их следует подвергать отпуску при более низкой температуре, поэтому они сохраняют более высокие закалочные напряжения, снижающие конструкционную прочность.
Углеродистые конструкционные стали выпускают двух видов: обыкновенного качества и качественные.
В углеродистых сталях обыкновенного качества допускают повышенное содержание вредных примесей, а также газонасыщенность и загрязненность неметаллическими включениями, так как их выплавляют по нормам массовой технологии.2
В соответствии с ГОСТ 380—94 предусматривают поставку стали трех групп:
группа А — с гарантируемыми механическими свойствами (сталь не подвергается горячей обработке);
группа Б — с гарантируемым химическим составом (сталь подвергается горячей обработке);
группа В — с гарантируемыми механическими свойствами и химическим составом (для сварных конструкций).
Сталь группы А маркируется буквами Ст и номером 1, 2, 3 и т.д. Чем больше номер, тем выше прочность, но ниже пластичность. Если после марочного обозначения стоит «кп» — значит сталь кипящая; если стоит «пс» — сталь полуспокойная и если «сп», то сталь спокойная.
Сталь группы Б маркируется М, К, Б (что показывает способ производства — мартеновский, конверторный, бессемеровский). Состав стали общего назначения приведен в таблице.
Состав сталей общего назначения группы Б, %
|
Марка стали |
С |
Mn |
S |
P |
|
МСт0 МСт1 МСт2 МСт3 МСт4 МСт5 МСт6 МСт7 |
≤0,23 0,06-0,12 0,09-0,15 0,14-0,22 0,18-0,27 0,28-0,37 0,38-0,49 0,50-0,62 |
─ 0,25-0,50 0,25-0,50 0,40-0,65 0,40-0,70 0,50-0,80 0,50-0,80 0,50-0,80 |
0,070 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 0,045 |
0,060 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 0,055 |
Сталь группы В (изготовляется мартеновским или конверторным способами) маркируется буквой В и цифрой. Сталь ВСт1 имеет механические свойства, как Ст1 , а химический состав, — как сталь МСт1кп. То же можно сказать и о стали ВСт2, ВСтЗ и т.д.
При температурах выше температуры начала перехода в хрупкое состояние сталь обладает высокой вязкостью и вполне надежна в любых условиях эксплуатации, при температурах ниже температуры конца перехода, т. е. когда излом полностью хрупкий, применять сталь нельзя ни при каких условиях3.
Характеристика материала МСт5.
Марка |
МСт5 |
Классификация |
Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества |
Применение |
Детали клепаных конструкций, болты, гайки, ручки, тяги, втулки, ходовые валики, клинья, стержни, звездочки, трубные решетки, фланцы и др. детали, работающие при температуре от 0 до 425°C |
Химический состав в % материала МСт5.
C |
Si |
Mn |
S |
P |
|
0,28-0,37 |
0,05-0,15 |
0,5-0,8 |
До 0,045 |
До 0,055 |
Механические свойства при Т=20°С материала МСт5.
Сортамент |
Размер |
σв |
σ0,2 |
δ |
|
______ |
Мм |
МПа |
МПа |
% |
|
Сталь горячекатан. |
20-40 |
500-640 |
275 |
19 |
Твердость материла |
НВ = 170 МПа |
Технологические свойства материала МСт5.
Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.
При закалке доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30-50°С выше точки Ас3. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура преобразуется в аустенитную, а после охлаждения со скоростью выше критической образуется структура мартенсит. Для стали МСт5 температура нагрева составит 850-870°C. При правильно выбранной температуре нагрева и достаточной скорости охлаждения (выше критической, при которой образуется только мартенсит) доэвтектоидная сталь после полной закалки имеет структуру мелкоигольчатого мартенсита с равномерно расположенными по всему полю иглами, пересекающимися под углом примерно 60 и 120°.
Мартенсит – пересыщенный твердый раствор углерода в а-железе. Является продуктом бездиффузионного превращения аустенита при охлаждении со скоростью выше критической. Он обладает очень высокой твердостью (НВ = 600-650), но сравнительно низкой вязкостью.
Высокий отпуск. При его выполнении в течение 0,5-1 ч пересыщенный твердый раствор практически полностью разлагается с образованием смеси сорбита, которая является уже почти стабильной структурой, но по свойствам значительно превышает свойства стали в исходном состоянии.
Сорбит отпуска представляет собой ферритно-цементитную смесь более грубого строения, чем троостит. При небольших увеличениях сорбит отпуска под микроскопом трудно отличить от мартенсита. При увеличениях больше 500°С сорбит отпуска имеет хорошо различимое зернистое строение4.
Технология термической обработки стали
Упрочнению термической обработкой подвергаются до 8 — 10% общей выплавки стали в стране, т. е. не менее 10 млн. т. в год. В машиностроении объем термического передела составляет до 40% стали, потребляемой этой отраслью. Номенклатура упрочняемых деталей велика — от деталей приборов, разнообразных деталей машин до крупных элементов металлургического, транспортного, энергетического оборудования.
Основными видами термической обработки, различно изменяющими структуру и свойства стали и назначаемыми в зависимости от требований, предъявляемых к полуфабрикатам (отливкам, поковкам, прокату и т. д.) и готовым изделиям, являются отжиг, нормализация, закалка и отпуск5.
Закалка
Закалка — вид термической обработки, заключающийся в нагревании стали до температуры выше Ас3 для доэвтектоидной и выше Ас1 для заэвтектоидной и эвтектоидной сталей, выдержке при данной температуре и последующем охлаждении со скоростью, превышающей или равной критической. Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки обязательно подвергают отпуску6.
Схема закалки доэвтектоидной стали:
а — график закалки; б — термокинетическая диаграмма при закалке
Закалку от температур, соответствующих межкритическому интервалу (Ас1 - Ас3), не применяют. При всех температурах нагрева в межкритическом интервале температур вследствие получения после закалки структуры мартенсита и сохранившегося при нагреве феррита твердость и прочность стали имеют более низкие значения по сравнению со значениями, полученными при закалке от температур выше Ас3.
Рис.2.
При закалке доэвтектоидной стали с температуры выше Ас1 но ниже Ас3 в структуре наряду с мартенситом сохраняется часть феррита, который снижает твердость в закаленном состоянии и ухудшает механические свойства после отпуска. Такая закалка называется неполной, и, как правило, ее не применяют.
Рис. 3. Микроструктура закаленной стали:
доэвтектоидная сталь, неполная закалка (нагрев выше Ас1 но ниже Ас3). Мартенсит+феррит;
Охлаждающие среды для закалки.
Охлаждение при закалке должно обеспечить получение структуры мартенсита в пределах заданного сечения изделия (определенную прокаливаемость) и не должно вызывать закалочных дефектов: трещин, деформаций, коробления и высоких растягивающих остаточных напряжений в поверхностных слоях.
Наиболее желательна высокая скорость охлаждения (выше критической скорости закалки) для подавления распада переохлажденного аустенита в области перлитного и промежуточного превращений и замедленное охлаждение в интервале температур мартенситного превращения. Высокая скорость охлаждения в мартенситном интервале температур нежелательна, так как ведет к резкому увеличению уровня остаточных напряжений и даже к образованию трещин. В то же время слишком медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества остаточного аустенита вследствие его стабилизации, что снижает твердость стали.
Обычно для закалки используют кипящие жидкости — воду, водные растворы солей и щелочей, масла. При закалке в этих средах различают три периода:
1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка»; в этот период скорость охлаждения сравнительно невелика;
2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки, наблюдаемое при охлаждении поверхности до температуры ниже критической; в этот период происходит быстрый отвод теплоты;
3) конвективный теплообмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости; теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.
При закалке углеродистой и некоторых низколегированных сталей, имеющих малую устойчивость переохлажденного аустенита, в качестве охлаждающей среды применяют воду и водные растворы NaCl или NaOH.
Вода как охлаждающая среда имеет существенные недостатки. Высокая скорость охлаждения в области температур мартенситного превращения нередко приводит к образованию закалочных дефектов; с повышением температуры резко ухудшается закалочная способность. При закалке изделий в горячей воде вследствие их медленного охлаждения при высоких и быстрого охлаждения при низких температурах тепловые напряжения получаются низкими, а наиболее опасные структурные — высокими, что и может вызвать образование трещин. Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8 —12%-ные водные растворы NaCl и NaOH, которые хорошо зарекомендовали себя на практике.
При закалке в водных растворах паровая рубашка разрушается почти мгновенно, и охлаждение происходит более равномерно и в основном протекает на стадии пузырькового кипения. Увеличение охлаждающей способности достигается при использовании струйного или душевого охлаждения, широко применяемого, например, при поверхностной закалке7.
Отпуск
Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температур ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска.
Скорость охлаждения после отпуска также оказывает большое влияние на величину остаточных напряжений. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Быстрое охлаждение от 600°С создает новые тепловые напряжения. По этой причине изделия сложной формы во • избежание их коробления после отпуска при высоких температурах следует охлаждать медленно, а изделия из легированных сталей, склонных к обратимой отпускной хрупкости, после отпуска при 500 — 650°С во всех случаях следует охлаждать быстро.
Основное влияние на свойства стали оказывает температура отпуска.
Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500 —680°С. Структура стали после высокого отпуска — сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости стали.
Закалка с высоким отпуском по сравнению с нормализованным или отожженным состоянием одновременно повышает пределы прочности и текучести, относительное сужение, и особенно ударную вязкость.
Улучшению подвергают среднеуглеродистые (0,3—0,5% С) конструкционные стали, к которым предъявляются высокие требования к пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не является высокой. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу пластической деформации при движении трещины и снижая температуру верхнего и нижнего порога хладноломкости.
Отпуск при 550 —600°С в течение 1-2 ч почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке. Чаще длительность высокого отпуска составляет 1,0-6 ч — в зависимости от габаритных размеров изделия.
Влияние термической обработки на механические свойства углеродистой стали с 0,42 % С
|
Термическая обработка |
σв |
σт |
δ |
ψ |
|
МПа |
% |
|||
|
Отжиг при 880ºС Закалка с 880ºС(охлаждение в воде) и отпуск: При 300ºС При 600ºС |
550 1300 620 |
350 1100 430 |
20 12 22 |
52 35 55 |
Стали обыкновенного качества используют для менее ответственного назначения, из них изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, прутки, швеллеры, уголки. Их широко применяют для строительных и других сварных, клёпаных и болтовых конструкций ( балок, ферм, конструкций подъёмных кранов, драг), а также для мало напряжённых деталей машин ( осей, валов, втулок, валиков, болтов, гаек).
Вывод
Чтобы изготовить из стали МСт5 стяжные болты нужно провести с ней следующие операции термической обработки: проведение закалки при температуре 850-870°С с охлаждением в водном растворе NaCl или NaOH с последующим высоким отпуском при температуре 600оС. В результате проведенной термической обработки сталь будет иметь структуру сорбит. Эти операции позволяют получить требуемую прочность НВ 207-230.
Список используемой литературы.
1.Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П., “Материаловедение”, 492 стр., “Машиностроение”, 1980 г.
2.Гуляев А. П., “Металловедение”, 646 стр., “Металлургия”, 1977 г.
3.Рахштадт А. Г., Брострем В. А., “Справочник металлиста”, том 2, 717 стр., “Машиностроение”, 1976 г.
4.Арзамасов Б.Н., Макарова В.И. и др., “Материаловедение”, 648 стр., Изд-во МГТУ им Н.Э. Баумана, 2002г.
1 Гуляев А. П., “Металловедение”
2 Арзамасов Б.Н., Макарова В.И. и др., “Материаловедение”
3 Гуляев А. П., “Металловедение”
4 Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П., “Материаловедение”
5 Гуляев А. П., “Металловедение”
6 Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П., “Материаловедение”
7 Гуляев А. П., “Металловедение”