Расчет конструктивной прочности стали по параметрам структуры

Автор: Пользователь скрыл имя, 22 Декабря 2011 в 15:15, курсовая работа

Описание работы

Цель работы – расчет по химическому составу стали и ее структуре предела текучести и влияния упрочнения на изменение температуры вязкоупругого перехода. Такой расчет не является строгим и основан на ряде допущений и упрощений. Его значение, прежде всего, заключается в оценке роли и вклада того или иного механизма упрочнения в такие важнейшие характеристики конструктивной прочности сталей, как предел текучести и температура вязкоупругого перехода.

Содержание

Задание на курсовую работу……………………………………………. 3

Задача и цель курсовой работы .…………………………………………3

Теоретическая и техническая прочность.
Конструктивная прочность………………………………………………3

Способы упрочнения стали ………………………………………………6

Деформационное упрочнение…………………………………………………..6
Твердорастворное упрочнение………………………………………………….6
Зернограничное упрочнение……………………………………………………7
Дисперсное упрочнение………………………………………………………....7

Оценка конструктивной прочности стали по параметрам структуры…8

Твердорастворное упрочнение………………………………………………..8
Дислокационное упрочнение…………………………………………………9
Дисперсионное упрочнение…………………………………………………..9
Зернограничное упрочнение…………………………………………………10

Количественная оценка влияния упрочнения на изменение
температуры вязко-хрупкого перехода ферритно-перлитной стали…. 11

Основы рационального выбора стали…………………………………..14

Расчетные формулы для оценки вклада в упрочнение
различных механизмов. Расчеты………………………………………..18
Вывод……………………………………………………………………..22

Список использованной литературы…………………………………...24

Скачать полностью (174.43 Кб) Сколько стоит заказать работу?
Работа содержит 1 файл

матвед.doc

— 736.50 Кб (Скачать)
 
 
 

Примечание.  G – модуль сдвига железа (G = 84000 МПа); Кi – коэффициент упрочнения i-м легирующим элементом; Сi – концентрация i-го элемента; M0 = 2,75; b – вектор Бюргерса (b = 0,25×10–7 см); l – расстояние между частицами, см; a = 0,5; r – плотность дислокаций, см–2; П – % перлитной составляющей, %; Ку – коэффициент упрочнения, Kу = 0,6 МПа×м½ ; d – размер зерна, м; Кс = 0,15×10-3 МПа×м; l – размеры субзерен, м. Размеры зерен: мелкие – 2¸16 мкм, крупные – 18¸60 мкм. Размеры пакетов мартенсита: 2 ¸ 6 мкм . l-карбиды Cr = 1 мкм; l-карбиды VC, Ti = = 0,2 мкм; lVN = 0,1 мкм; lV(C, N) = 0,35 мкм; lAlN = 0,7 мкм; 1 мкм = 10–3 мм; l = 2 мкм ¸0,1 мкм. 
 
 
 
 
 

Значения коэффициентов  упрочнения различными легирующими  элементами приведены в табл. 2:

Таблица 2

Легирующий

элемент

C+N P Si Ti Al Mn Cr Ni Mo W   V Cu
Кi , МПа / % 4670 690 85 80 60 35 30 30 10 12   3 39

Содержание углерода, растворенного в феррите, равно 0,006%, а азота – 0,004%, т.е. (С+N) = 0,01%. Содержание углерода в мартенсите отпуска по литературным данным примерно равно 0,2%. Содержание фосфора в стали равно 0,02 ¸ 0,03 %. В качестве постоянных примесей в стали находятся Mn = 0,6%  и Si = 0,3%.

Расчеты

40ХН 40ХH2MФ
 
Химический  состав:

С  -  0,4%

Cr  -  1%

Мn  - 0,6%

Ni -   1%

Si  -  0,3%

(С+N) = 0,08%

P – 0,03%

S – 0,03% 
 

Класс стали:

Качественная, конструкционная, среднеуглеродистая сталь

 

Тип термообработки:

Закалка + Высокий отпуск

Структура стали:

Сорбит отпуска

 
 

1. Сопротивление решетки движению дислокаций

=2*10-4 *84000*106   =16,8 МПа

2.  Твердорастворный  механизм упрочнения

= 0,01*4670+1*30+1*30+ +0,6*35+0,3*85+0,03*690 = 173,9МПа

3. Дислокационный механизм  упрочнения

плотность ρ = 3 * 108 см -2

= 0,5 *2,75 * 84000*106 * 0,25 * 10 -7 * (3*108)0,5 = 50,013 МПа

4. Дисперсионный механизм  упрочнения

l-карбиды = 1,2*10 -4 см

= (2*0,5*2,75*84000*106  *0,25*10 -7)/1,2*10 -4 = 48,125 МПа

5. Зернограничный механизм  упрочнения

Размеры зерен  d= 20*10 -6 м

= 0,6*106/(20*10-6)0,5 = 134,16МПа

6. Сумма σT:

∑ σT = 16,8+173,9+50,013+48,125 + +134,16 = 422,998 МПа

7.Коэффициент   охрупчивания

 T P = To + (0,4-0.6)*∆σTP+0.9∆σ +0.4*∆σ  +0,3*∆σ   -0.7*∆σ3

T P= To +0.5*173,9+0,4*50,013+0,3*48,125-0,7*134,16 = To +27,5

, где То – температура перехода, определенная без учёта влияния компонентов упрочнения.

  
Химический  состав:

С  -  0,4%

Cr  - 1%

Ni  - 2%

Mo  <= 0,5%

Мn  - 0,6%

Si  -  0,3%

P – 0,03%

S  -  0,03%

(C+N)  - 0,01%

V – 0,02% - 0,03%

Класс стали:

Качественная, конструкционная, среднеуглеродистая сталь 

Тип термообработки:

Закалка + Высокий отпуск

Структура стали:

Сорбит отпуска

 
 

1.  Сопротивление решетки  движению дислокаций

=2*10-4 *84000*106   =16,8 МПа

2.  Твердорастворный  механизм упрочнения

= 0,01*4670+2*30+0,5*10+ +0,025*3+0,3*85+0,03*690 = 157,975МПа

3. Дислокационный механизм  упрочнения

плотность ρ = 9 * 108 см –2

= 0,5 *2,75 * 84000 *106*0,25 * 10 -7 * (9*108)0,5 = 86,625МПа

4. Дисперсионный механизм  упрочнения

l-карбиды = 0,4*10 -4 см

= (2*0,5*2,75*84000  *    0,25*10 -7)/0,4*10 -4 = 144,375 МПа

5. Зернограничный механизм  упрочнения

Размеры зерен  d = 3*10 -6 м

= 0,6*106/(3*10-6)0,5 = 346,41МПа

6. Сумма σT:

∑ σT = 16,8+157,975+86,625 + 144,375 +346,41= 752,185 МПа

7. Коэффициент охрупчивания

 T P = To + (0,4-0.6)*∆σTP+0.9∆σ  +0.4*∆σ  +0,3*∆σ   -0.7*∆σ3

TP=To+0,5*157,975+0,4*86,625+0,3*144,375-0,7*346,41 = To – 85,5

, где То – температура перехода, определенная без учёта влияния компонентов упрочнения.

 
 

 

    1. Вывод

В данном курсовом проекте нам были предложены две марки стали: 40ХН и 40ХН2МФ. По определенному химическому составу  каждой из сталей мы смогли провести расчет предела текучести и влияния  упрочнения на изменение температуры  вязкоупругого перехода. После расчета температуры вязко-хрупкого перехода можно сделать вывод, что обе представленные стали можно использовать при низких температурах. Представленные стали относятся к конструкционным улучшаемым (среднеуглеродистым) сталям Улучшаемые стали содержат 0,2-0,4% С и разное количество легирующих элементов, в нашем случае Мо, Mn, Cr,Ni Обычная термообработка таких сталей - закалка с 8500С в масле и высокий отпуск(550-6500С) или по другому, улучшение(закалка на мартенсит + высокий отпуск на сорбит). Улучшение обеспечивает хорошую конструктивную прочность - высокие значения работы распространения трещины и вязкости разрушения при низком пороге хладноломкости. После улучшения стали обладают высокой живучестью (низкой скоростью роста трещины усталости), несмотря на раннее образование трещины усталости. 

Прочность стали 40ХН  в основном определяется примерно равной комбинацией следующих  механизмов упрочнения :

Твердорастворный , дисперсионный ,зернограничный. 

Прочность стали 40Х2Н2МА в основном определяется существенной долей твердорастворного механизма упрочнения плюс зернограничное упрочнение: 

  1. механизм  упрочнения твердорастворный:

для стали  40ХН Δσтр=173,9 МПа, а для стали 40ХН2МФ  Δσтр=157,975МПа, разница объясняется тем, что во второй стали концентрация легирующих элементов примерно на 3% больше.

2) механизм  упрочнения дисперсионный: для  стали  40ХН  ,

а для стали 40ХН2МФ .Для данного вида упрочнения главным фактором является природа упрочняющей фазы, связанная с межчастичным расстоянием, чем меньше , тем больше .

3) механизм  упрочнения зернограничный: для  стали  40ХН  ,

а для  стали 40ХН2МФ .Чем более мелкое зерно( min) тем больше . Легирование стали такими элементами как V и Cr сильно измельчает зерно.

   Рассмотрим более подробно основные  легирующие элементы, присутствующие  в данных сталях:

  1. Cr.

 При содержании Cr в стали до 2%, половина его присутствует в феррите, а половина  в виде легированного цементита (Fe,Cr)3C. Хром сильно измельчает зерно; повышает прочность, износостойкость, сопротивление коррозии и жаропрочность стали; увеличивает ее прокаливаемость

  1. Ni.

 Содержание  Ni встали 2%. Практически полностью растворен в феррите. Никель в отличие от других элементов при всех концентрациях существенно понижает порог хладноломкости. Никель повышает сопротивление хрупкому разрушению стали, увеличивая пластичность и вязкость, и понижает температуру порога хладноломкости. При содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается на 60 - 80°С, дальнейшее увеличение концентрации никеля до 3 – 4% вызывает менее сильное снижение хладноломкости. 

  1. V.

Легирование стали  небольшим количеством (до 0,15%) V, образующий труднорастворимые в аустените карбиды и нитриды, приводит к измельчению зерна, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещин. Незначительная добавка ванадия (доли процента) делает сталь мелкозернистой, придает ей большую упругость, большую прочность. Такая сталь легче переносит удар и изгиб, упорнее сопротивляется истиранию, лучше противостоит разрыву.

Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к  отпуску и задерживают коагуляцию карбидов. Легирующие элементы существенно повышают прочность стали после улучшения, упрочняя ферритную основу (в том числе и за счет сохранения большей плотности дефектов строения) и увеличивая дисперсность карбидных и карбонитридных частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  1. Литература
  2. Учебно-методические указания к выполнению курсовой работы. Череповец: ЧГУ,2001
  3. Материаловедение. Лахтин Ю.М.. Москва: Машиностроение, 1980г.
  4. Металловедение и термическая обработка металлов. Лахтин. Ю.М. Москва. Металлургия.1977г.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

График  зависимости  Δσi  (Ci, ρi, λi , di )

 
 
 
 

Информация о работе Расчет конструктивной прочности стали по параметрам структуры