Прокаливаемость сталей 30Г2, 40Г2, 50Г2

Под прокаливаемостью понимают способность стали получить закаленный слой с мартенситной или трооститно - мартенситной структурой и на определенную глубину.

За характеристику прокаливаемости принято считать критический диаметр D_k, т. е. наибольший диаметр цилиндра из данной стали, который получат в результате закалки полумартенситную структуру в центре образца.

Полумартенситная структура содержит 50 % мартенсита и 50 % троостита. В этом случае D_k обозначается D₅₀. Однако часто важно знать значение диаметра, где содержание мартенсита значительно выше: 95 % и 99, 9 %. В этих случаях D_k обозначают D₉₅ и D₉₉. Вопрос о прокаливаемости возникает потому, что скорость охлаждения по сечению закаливаемой детали различная: она максимальная на поверхности, уменьшается в более глубоких от поверхности слоях и минимальная в центральной части детали (рис. 3).

Естественно, что твердость по сечению детали, не имеющей сквозную прокаливаемость, будет неодинаковая. После отпуска, когда можно выровнять твердость по сечению, ряд других свойств (особенно а_н и σ _т) в непрокалившихся участках сечения оказываются заведомо сниженными. На рис. 4 показаны схемы кривых изменения свойств по сечению у непрокалившего образца (а) и образца со сквозной прокаливаемостью (б) после отпуска.

Для машиностроительных деталей ответственного назначения, которые работают в жестких условиях нагружения (на разрыв и, особенно на удар), также для деталей типа пружин, рессор и подавляющего большинства инструментов требуется, чтобы после закалки структура по всему сечению состояла из 100 % мартенсита, что обеспечит однородную структуру после отпуска.

Для деталей машин, работающих в условиях менее жесткого нагружения (в основном на изгиб и кручение) в последнее время за критерий прокаливаемости принимается 100 % мартенсита на глубине 0, 5 радиуса детали;

Таким образом для конструктора, выбирающего материал для детали, знание прокаливаемости (критического диаметра D_к) стали весьма важно.

Рис. 4 Схема изменения механических свойств по сечению после закалки и отпуска на одинаковую твердость: а – образец с неполной прокаливаемостью; б – полностью прокалившийся образец (прокалившаяся зона заштрихована)

Рассмотрим определение прокаливаемости методом торцевой закалки. При этом методе стандартный образец (1 = 100 мм и 0 = 25 мм) из исследуемой стали подвергается охлаждению струей воды только с торца. Естественно, что скорость охлаждения по удалению от торца будет уменьшаться (соответственно уменьшается и твердость).

2. 1. Характеристика марок сталей 30Г2, 40Г2, 50Г2

Сталь 30Г2 является сталь, конструкционная легированная марганцем(Mn), с содержание марганца 1, 4-1, 8. Химический состав стали приведен в таблице 1:

Таблица 1

Химический состав стали 30Г2 ГОСТ 4543-71

МАРГАНЦОВИСТАЯ СТАЛЬ — сталь, легированная марганцем. Марганец растворяется в α -железе и в цементите, упрочняет феррит, несколько уменьшая его пластичность, и устраняет вредное влияние серы. Он почти неограниченно растворяется в γ -железе и расширяет область существования аустенита ниже комнатной температуры, наиболее эффективно снижает температуру мартенситного превращения и резко увеличивает прокаливаемостъ стали. Чем больше встали марганца, тем при меньшем содержании углерода образуются перлит, мартенсит и аустенит. Склонность стали к возникновению крупнозернистой структуры при небольшом перегреве устраняют добавками ванадия и титана (0, 01—0, 1%), а также выбором режима термической обработки (температуры нагрева, продолжительности выдержки и скорости охлаждения). Мартенситная структура отличается отпускной хрупкостью, поэтому после отпуска ее быстро охлаждают. Марганец способствует насыщение стали углеродом и азотом, положительно влияя на цементацию и азотирование. У стали 30Г2 нет заменителей. Сталь 30Г2 ограниченно сваривается, это значит, что сварка возможна при подогреве до 100 -120 ̊ С и последующей термообработке. Режимы термообработки и механических свойств для стали 30Г2 приведены в таблице 2.

Таблица 2

Режимы термообработки и механические свойства стали 30Г2

Закалка- называется операция термической обработки, состоя­щая из нагрева до температур выше верхней критической точки A_C3 для доэвтектоидной стали и выше нижней критической точки А_С1.

Отпуск- называется, нагрев закаленной стали до температур ниже критической точки Ас1 выдержка при этой температуре с последующим охлаждением.

Сталь 30Г2 имеет критические температурные точки A_C3 и А_С1, которые приведены в таблице 3.

Таблица 3

Температура критических точек ГОСТ 30Г2 4543-71

Сталь 40Г2 является сталь, конструкционная легированная хромом, с содержание марганцем 1, 4-1, 8. Химический состав стали 40Г2 приведен в таблице 4.

Таблица 4

Химический состав стали 40Г2 ГОСТ 4543-71

У стали 40Г2 так же есть заменители, ими являются 45Г2, 60. Сталь 40Г2 трудно сваривается, это значит, что для получения качественных сварных соединений требуются дополнительные операции: подогрев до 200-300 ̊ С, при сварке, термообработка после сварки - отжиг. Режимы термообработки и механических свойств для стали 40Г2 приведены в таблице 5, 5. 1.

Таблица 5

Режимы термообработки и механические свойства стали 40Г2 ГОСТ 4543-71

Таблица 5. 1

Механические свойства стали 40Г2 в зависимости от температуры отпуска ГОСТ 4345-71

Сталь 40Г2 имеет критические температурные точки A_C3, А_С1, Аr₁, A_r3 которые приведены в таблице 6.

Таблица 6

Температура критических точек стали 40Г2 ГОСТ 4543-71

Сталь 50Г2 является сталь, конструкционная легированная марганцем, с содержание марганцем 1, 4-1, 8. Химический состав стали 40Г2 приведен в таблице 7.

Таблица 7

Химический состав стали 50Г2 ГОСТ 4543-71

Стали 50Г2 имеет есть заменители, ими являются 45Г2, 60Г. Сталь 50Г2 не применяется для сварочных конструкций. Режимы термообработки и механических свойств для стали 50Г2 приведены в таблице 8.

Таблица 8

Режимы термообработки и механические свойства стали 50Г2 ГОСТ 4543-71

Сталь 50Г2 имеет критические температурные точки A_C3, А_С1, Аr₁, Ar₃, которые приведены в таблице 9.

Таблица 9

Температура критических точек стали 50Г2 ГОСТ 4745-71

2.1. Упрощенный вариант расчета прокаливаемости

На рис. 5 представлены полосы прокаливаемости, которые определяют расстояние от торца образца до полумартенситной зоны и мартенситной зоны.

а)

б)

в)