Итак, проведем исследование стали 65г;
1. Расшифровка марки стали. Участок диаграммы Fe-FeC
В этом разделе мы расшифруем марку «Сталь 65Г». Цифры указывают среднее содержание углерода сотых долях процентов. К углеродистым конструкционным качественным сталям (ГОСТ 1050-88) относят марки: 0,5; 0,8; 10; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 45; 50; 55; 60; 65.
Сталь 65Г углеродистая, качественная, конструкционная, рессорно-пружинная, углерода 0,65%, с содержанием марганца ( Mn ) 0.9 – 1.2%
Применение: рессоры, пружины и другие детали, от которых требуются повышенные прочностные и упругие свойства, износостойкость; детали, работающие в условиях трения при наличии высоких статических и вибрационных нагрузок.
Рисунок 1.1 — Участок диаграммы железо-углерод
2. Фазовые превращения
Как видно из рисунка 2.1 по достижении точки 1 из аустенита (рисунок 2.2) выделяется феррит (рисунок 2.3) за счет чего концентрация углерода возрастает на линии GS и по достижении точки 2 оставшийся аустенит приобретает эвтектическую концентрацию Хs и по эвтектической реакции при постоянной температуре превращается в эвтектику (Феррит Перлит) (рисунок 2.4) при дальнейшем охлаждении концентрация снижается до равновесной соответствующим твердым растворам.
Рисунок 2.1 – Фазовые превращения
Рисунок 2.2 — структура аустенит
Рисунок 2.3 – структура аустенит-феррит
Рисунок 2.4 – структура перлит-феррит
3. Термокинетическая кривая охлаждения. Правило фаз
Правило фаз позволяет проверить правильность термокнетических кривых, а так же решать обратную задачу – строить термокинетические прямые по известной диаграмме состояния. Это правило устанавливает условия равновесия в любой точке диаграммы по количеству фаз.
Правило фаз устанавливает взаимосвязь между числом компонентов системы. Под системой пониматют сплав или чистый компонент, числом внешних переменных факторов, числом фаз находящимся в равновесии в данной точке по n степеней свободы системы.
Математически оно имеет следующий вид:
К – число компонентов системы (К = 1 то чистый компонент, К≥2 то компонент спалва)
В – число внешних переменных факторов (для большинства традиционных процессов обработки сплавов переменным фактором считают только температуру, следовательно число внешних переменных факторов равно одному )
Ф – число фаз находящихся в равновесии
С – число степеней свободы системы (число возможностей изменения внешних факторов ).
Если число степеней свободы системы равна нулю, то система нонвариантна (без вариантов) то есть не может изменяться ни один внешний фактор без нарушения равновесия. Если число степеней свободы системы равно одному то система моновариантна (один вариант) то есть может изменяться один фактор без нарушения равновесия.
Постоим термокинетическую кривую охлаждения для стали 55 с использованием правила фаз.(рисунок3.1)
Рисунок 3.1 — Термокинетическая кривая охлаждения
4. Нахождение концентрации углерода. Нахождение количество фаз в процентах
4.1. Правило концентрации
Это правило используется для определения компонента в каждой из фаз двухфазной области. Для этого через данную точку проводятся горизонтальная прямая (канода) до пересечения с границами двухфазной области. Проекция точки пересечения каноды с границей данной фазы на ось концентраций дает концентрацию компонента В в этой фазе.
Из рисунка 4.1 видно что в точке Хф концентрация углерода равно приблизительно 0,015 процента, а в точке Ха оно равно приблизительно 0,7 процентов.
Из рисунка 4.1 видно что в точке Хф концентрация углерода равно приблизительно 0,1 процента, а в точке Ха оно равно приблизительно 0,7 процентов.
4.2. Правило отрезков (рычага)
Из расчетов видно, что в точке b концентрация аустенита составляет 30%, а феррита 70%.
Рисунок 4.1 – Диаграмма состояния сплавов
5. Технологический процесс термообработки
Для нашей стали мы проведем процесс термообработки закалки, а затем среднетемпературного (среднего) отпуска. Но для начала разберемся в назначении каждой стадии термообработки, фазовых превращений и полученными структурами и свойствами стали.
5.1. Назначение стадий термообработки
Закалка –термическая обработка, заключающаяся в нагреве стали до температуры выше линии GSK, выдержке при этой температуре и охлаждении со скоростью, обеспечивающей получение мартенсита (не ниже критической). Минимальная скорость охлаждения, при которой не успевает пройти диффузионный распад аустенита на феррито-цементитную смесь, называется критической скоростью закалки на мартенсит.
Отпуск – термическая обработка, заключающаяся в нагреве закалённой стали до температуры ниже линии PSK, выдержке при этой температуре и охлаждении. Отпуск стали способствует снятию внутренних напряжений и получению необходимых свойств стали. Отпуск имеет важное практическое значение.
5.2. Фазовые превращения и получаемые структуры и свойства
Структура низкоуглеродистой стали после нормализации феррито-перлитная, такая же, как и после отжига, а у средне- и высокоуглеродистой стали – сорбитная;
Структура стали при закалке при нагреве до 840 ◦С перейдет в аустенит, а в дальнейшем при охлаждении в мартенсит закалки при этом свойства структуры станут твёрдыми, хрупкими, напряжёнными и неустойчивыми. При дальнейшей термообработке среднетемпературным (средним) отпуском структура мартенсита закалки перейдет в троостит отпуска.
https://www.youtube.com/watch?v=IEIaK6gSEIE
5.3. Режим термообработки
Сначала сталь в течении 15-20 минут нагревают до температуры 840 ◦С при этом структура — аустенит . После этого ее быстро охлаждают в воде и структура изменяется на мартенсит закалки. Затем сталь вновь нагревают, но в течении 60-120 минут и на температуру 400 ◦С . После этого охлаждают любым способом и структура из мартенсита закалки изменяется на троостит отпуска.
Полный отжиг заключается в нагреве доэвтектоидной стали на 30-50°С выше температуры, соответствующей точке АС3, выдержке при этой температуре для полного прогрева и завершения фазовых превращений в объеме металла и последующем медленном охлаждении.
Критическая точка Ас3 стали 65г равна 740ºС. Поэтому температура нагрева в соответствии с определением полного отжига составляет 770-790ºС. При этой температуре имеем структуру аустенита (100%). При снижении температуры до Аr3 начинают появляться первые зерна феррита.
При дальнейшем снижении температуры до Аr1 из аустенита будут образовываться только зерна феррита, а содержание углерода в остающемся аустените будет увеличиваться и при температуре Аr1 достигнет 0,8%. При снижении температуры ниже Аr1 из аустенита будет образовываться перлит. После отжига сталь имеет низкую твердость и прочность при высокой пластичности. Отжиг облегчает обработку, резание стали.
6. Использование стали после термообработки в реальных условиях
Как было сказано раньше после отжига структура сплава состоит из зернистого троостита отпуска. Его твердость находится на уровне HRC 40-45, что позволяет задать высокие пределы упругости и выносливости. Благодаря таким свойствам чаще всего данный вид сплава применяется для рессор, пружин и других упругих элементов.
Например, пружина может быть изготовлена из любого материала, имеющего достаточно высокие прочностные и упругие свойства, такими свойствами обладает и сталь после закалки и среднетемпературного (среднего) отпуска. Так же такие свойства стали позволяют использовать ее в рессоре (упругом элементе подвески транспортного средства).
Рессора передаёт нагрузку с рамы или кузова на ходовую часть (колёса, опорные катки гусеницы и т. д.) и смягчает удары и толчки при прохождении по неровностям пути. Изготовляется из термически обработанной стали и торсион— вал, работающий на кручение и выполняющий функцию упругого элемента (рессоры, пружины).
Таким образом, упругие элементы являются неотъемлемыми деталями для таких транспортных механизмов как автомобиль, самолет, локомотив и др., так как они предназначены для накапливания и поглощения механической энергии. И изготовление стали после отжига позволяет использовать во многих областях производства.
Как было сказано раньше после нормализации структура сплава состоит из сорбита. Его твердость находится на уровне 250. 350 НВ, что позволяет задать высокие пределы упругости и выносливости.