Материаловедческий анализ

     Для изготовления подшипников широко используют шарикоподшипниковые хромистые  стали ШХ15 и ШХ15СГ. Шарикоподшипниковые  стали обладают высокой твердостью, прочностью и контактной выносливостью.

     Пружины, рессоры и другие упругие элементы работают в области упругой деформации материала. В то же время многие из них подвержены воздействию циклических нагрузок. Поэтому основные требования к пружинным сталям – это обеспечение высоких значений пределов упругости, текучести, выносливости, а также необходимой пластичности и сопротивления хрупкому разрушению (55С2, 60С2А, 50ХФА, 30Х13, 03Х12Н10Д2Т).

     Высокопрочные стали имеют высокую прочность  при достаточной пластичности (среднеуглеродистая легированная сталь 40ХН2МА), высокой конструктивной прочностью, малой чувствительностью к надрезам, высоким сопротивлением хрупкому разрушению, низким порогом хладноломкости, хорошей свариваемостью. 
 

6. Как и для чего нужно  управлять количеством и качеством неметаллических включений?

     Неметаллические включения – составляющие структуры, попадающие в сталь непреднамеренно. Но они технологически неизбежны.

     Неметаллические включения практически не влияют на «объемные» процессы пластической деформации и упрочнения, но разнообразно проявляют себя в локальных процессах – в разрушении, а также в формировании зерна и фазового состава стали.

     Абсолютно вреден сульфид железа FeS. Эвтектика Fe–FeS плавится при 975˚С. Оттесняемый фронтом кристаллизации легкоплавкий сульфид FeS, образует жидкие пленки вокруг дендритов. В затвердевающем слитке на выходе из кристаллизатора перепад температуры доходит до 400…500˚С, и от термических напряжений по пленкам идут кристаллизационные трещины. Эти пленки оплавляются и при нагреве под прокатку, так что слиток при обжатии разваливается – сталь горячеломкая.

     Для предотвращения кристаллизационных трещин и горячеломкости почти во все  стали вводят марганец: 0,25…0,80% в рядовой углеродистой стали по ГОСТ 380. Цель избавиться от эвтектики, заместив сульфид железа на сульфид марганца. В слябе непрерывной разливки гарантией против кристаллизационных трещин считают пропорцию [Mn]:[S]>40…50 и даже  [Mn]:[S]>60. В тонком слябе, вытягиваемом с большой скоростью, продольные поверхностные трещины предотвращались лишь при <0,008% S. При дальнейшей переработке, при охлаждении слитка и при нагреве под прокатку, сульфид железа обогащается марганцем в твердом состоянии. Он полностью превращается в сульфид марганца за 1 час при 1100…1200˚С, и тогда горячеломкость предотвращается, если в стали [Mn]:[S]>25.

     Сульфиды  марганца мягкие, пластичны при 950…1100˚С, а при размере частиц менее 1 мкм они не деформируются. Наиболее опасны сульфиды – дендриты, при прокатке они вытягиваются в плоские пучки нитей и даже при холодной деформации удлиняются почти так же, как сам металл.

       
 

7. На  какие свойства стали  разного назначения влияет величина зерна?

     Внутри  зерна феррита нет сильных  препятствий скольжению. Поэтому  сопротивление его деформации течения  создают границы зерна, и чем  мельче зерно феррита, тем выше предел текучести. Чем больше деформация, тем больше препятствий создают внутри зерна сами следы скольжения и тем меньше влияет размер зерна на сопротивление течению. Поэтому предел прочности зависит от размера зерна феррита слабее, чем предел текучести.

     У мартенсита столь сложная субзеренная  структура, что в ней границы  зерна исходного аустенита –  препятствие пренебрежимо слабое. Прочность  мартенсита от величины зерна не зависит. Перлит, сорбит, бейнит – двухфазные структуры. Их прочность определяется прежде всего температурой образования (дисперсностью цементита), а не величиной зерна исходного аустенита.

     Если  разрушение вязкое, то на деформацию до разрушения величина зерна почти  не влияет. Но в условиях, например, хладноломкости хрупкое транскристаллитное разрушение (скол) распространяется по одной кристаллографической плоскости через всё зерно, то есть чем зерно феррита крупнее, тем сильнее концентрация напряжений от рассёкшей его фасетки скола и тем сталь более хрупкая.

     Так же сильно влияет зерно исходного аустенита при граничной хрупкости, вызванной ослаблением границ от собирания на них примеси. Тогда вскрыть грань зерна – зернограничную фасетку – тем легче, чем зерно крупнее (чем больше концентрация напряжений у его границ).  
 

8. Как управлять величиной зерна?

     Величина  зёрен зависит от числа зародышей  кристаллизации и скорости их роста. Если скорость охлаждения мала, то число  возникающих и растущих зародышей  невелико и в конце кристаллизации формируются структуры из крупных  зёрен. При большой скорости охлаждения число одновременно развивающихся центров кристаллизации, а следовательно и число зёрен возрастает и в конце кристаллизаций они оказываются меньше чем в первом случае. Это можно наблюдать на практике – в тонких сечениях литых деталей структура стали  мелкозернистая, так как здесь происходит более быстрое охлаждение, чем в толстых сечениях. Чем мельче зёрна, тем выше прочность и особенно вязкость металла.

     Чтобы сделать зерно мелким, в металл вводят специальные вещества – модификаторы. Например, в жидкую сталь при её разливке добавляют порошок железа или частицы тугоплавких оксидов, которые являются готовыми центрами кристаллизации. Процесс искусственного регулирования величины зёрен получил название модифицирования. 
 

9. Что подразумевается  под оптимальной структурой?

     Идеальная кристаллическая решетка металла  состоит из множества повторяющихся  элементарных кристаллических ячеек. Для реального металла характерны определенные несовершенства кристаллического строения.

     Оптимально  устойчивыми (реально существующими) структурами элементов являются кристаллические решетки, которые обладают минимальным запасом свободной энергии F. Так, в твердом состоянии Li, Na, K, Cs, Mo, W и другие элементы имеют решетку типа К8, а Al, Ca, Cu, Ag, Au, Pt и другие – решетку типа Г6.

     Однако  при изменении температурных  и изобарных условий для некоторых  металлов более стабильными могут  быть иные структуры. Известны, например Fe с решетками типа К8 и К12; Co – с решетками типа К12 и Г6; Mn, Sn, Ti и другие элементы с различными типами кристаллических структур.

10. Процесс закалки стали.

     Закалка стали служит для повышения прочности, твердости, упругости, износостойкости. Процесс закалки состоит в нагреве на 30…50˚С выше критической точки нагрева Ас₃≈880˚С для доэвтектоидных сталей (полная закалка) и выше критической точки Ас₁=727˚С для заэвтектоидных сталей (неполная закалка), выдержке при этих температурах и быстром охлаждении. Охлаждающими средами могут быть вода, минеральное масло, воздух, водные растворы солей, щелочей, расплавы солей. При закалке образуются неравновесные структуры с соответствующими механическими свойствами: при полной закалке – мартенсит, при неполной – мартенсит с зернами цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки Ас₁, но ниже Ас₃, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита. В результате закалки понижается пластичность сталей.

     Скорость  нагрева и время выдержки при  закалке зависят от химического  состава стали, размеров, массы конфигурации закаливаемых деталей, типа нагревательных печей и нагревательной среды. Детали из высокоуглеродистых и легированных сталей нагревают более медленно и с большей выдержкой, чем детали из низкоуглеродистых сталей. С целью уменьшения возможных деформаций увеличивают время нагрева для деталей, более сложных по конфигурации и имеющих большую массу.

     Нагрев  осуществляют в нагревательных термических  печах и печах-ваннах, подогреваемых  электрической энергией или сгорающими газом, мазутом, углем. 
 

11. Управление типом структуры, образующейся при закалке.

     При закалке сталь приобретает неравновесные  структуры с соответствующими механическими  свойствами. При полной закалке структура  стали – мартенсит, при неполной закалке – мартенсит с зернами  цементита. Если доэвтектоидную сталь нагреть до температуры выше температуры критической точки нагрева Ас₁=727˚С, но ниже критической точки Ас₃≈880˚С, то происходит неполная закалка с образованием структуры, состоящей из мартенсита и феррита.

     Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу. Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство, как прокаливаемость, т.е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше критическая скорость закалки, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка.   
 

12. Понятия “закаливаемость” и “прокаливаемость”.

     Закаливаемость стали – это ее способность приобретать максимально высокую твердость после закалки. Она возрастает с увеличением содержания углерода. Углеродистые стали, содержащие менее 0,3 % углерода, не закаляются.

     Прокаливаемость – глубина закаленного слоя или, другими словами, глубина проникновения мартенсита. Она зависит от химического состава, размеров деталей и условий охлаждения. Легирующие элементы, а также увеличение содержания углерода (0,8%) в стали способствуют увеличению ее прокаливаемости. 
 

13. “Полоса прокаливаемости”. Описание “полосы прокаливаемости” стали, заданной номером рисунка в варианте задания.

     В заданном варианте рассматривается  “полоса прокаливаемости” для стали  марки 38ХС (чертеж 11).

     Полоса  прокаливаемости – линии верхней  и нижней границы, между которыми должны укладываться кривые прокаливаемости HRC(z) всех плавок. Кривая прокаливаемости – Распределение твердости HRC(z) с расстоянием z от торца образца цилиндра. Полосу прокаливаемости нормируют для каждой конструкционной стали ГОСТ 1050 и ГОСТ 4543.

     Рассмотрим  полосу прокаливаемости для стали  марки 38ХС.

     На  графике изображены кривые прокаливаемости. Кривые прокаливаемости показывают зависимость твердости HRC от Rt(расстояние от охлаждаемого торца образца). Измерение расстояний Rt во время испытаний находится в промежутке (1<=Rt<=35) мм с интервалом измерений ΔRt=1,5 мм.

     При Rt=1мм 46<HRC<57

     При Rt=18мм 34<HRC<51

     При Rt=30мм       29<HRC<46

     Чем больше расстояние от охлаждаемого образца, тем хуже прокаливаемость, и следовательно  твердость (HRC).

     Проанализируем  таблицы соответствия между величиной  HRC(z) и диаметром прутка (d).

     1). Спокойная вода.

     На  поверхности HRC=96, независимо от диаметра прутка (d).

     Прокаливаемость в центре прутка и ¾R от центра зависит от диаметра прутка.

     В центре прутка HRCmax=92 при d=25,5–27мм

     2). Спокойное масло.

     В данной закалочной среде прокаливаемость изменяется на поверхности прутка в зависимости от его диаметра.

     HRCmax=98 при d=19,5–27мм. (поверхность).

     HRC=92 при d=25,5–27мм. (¾R от центра).

     HRC=75 при d=27мм. (центр прутка).

     Вывод:

     1). С ростом диаметра прутка, HRC(d) увеличивается до определенного значения.

     2). Максимальной закаливаемости HRC=176 можно добиться в спокойной воде на расстоянии ¾R от центра, при d=22,5мм

     3). Закаливаемость стали выше в  спокойной воде,  при любом  диаметре прутка и в различных  местах замера твердости. 
 

14. Стали пониженной прокаливаемости и для каких деталей их применяют.

     В сталях пониженной прокаливаемости (как 55ПП – сталь 58 по ГОСТ 1050) гарантируется низкая прокаливаемость при высоком содержании углерода.

     Стали пониженной прокаливаемости можно применять для деталей с твердой поверхностью, при вязкой сердцевине (шестерни, зубчатые передачи).