2. 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).

Рис. 3 Схема изменения скорости охлаждения по сечению цилиндра при закалке

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)

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

Содержание химических элементов, % по массе
С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,26-0,35	0,17-0,37	1,4-1,8	до 0,3	до 0,035	0,035	до 0,3	до 0,3

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

Режим ТО	Температура, ̊С	Среда охлаждения	σт, МПа	σв, МПа	δ, %	ψ, %	НВ, …
Закалка	880	Масло или воздух	350	600	15	45	207
Отпуск	600	воздух

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

Критические точки
Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
718	804	-	-

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

Содержание химических элементов, % по массе
С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,44-0,36	0,17-0,37	1,4-1,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	до 0,3	до 0,3

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

Режим ТО	Температура, ˚С	Среда охлаждения	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ5, %	ψ, %	HB, …
Закалка	860	масло	380	660	12	40	-
Отпуск	650	воздух
Нормализация	870-925	Воздух	930	1100	10	40	331
Закалка	800-830	Масло
Отпуск	425

Таблица 5. 1

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

Температура отпуска, °С	σ0,2, Мпа	σв, Мпа	δ5, %	ψ, %	KCU, кДж/м2	HB
Сечением 28 мм. Закалка 820 °С, масло
250	1490	1760	4	19	10	500
300	1470	1620	6	30	10	460
400	1270	1330	10	50	59	400
500	980	1080	15	60	127	340
600	780	850	19	62	176	250
Сечением 28 мм. Закалка 830 °С, масло. Охлаждение после отпуска в масле
375		1390	8	44	10	402
450	950	1040	12	55	29	321
525	880	980	14	55	35	286
600	680	800	18	65	90	241

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

Критические точки
Ac1	Ac3	Ar1	Ar3
713	780	627	710

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

Содержание химических элементов, % по массе
С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,46-0,55	0,17-0,37	1,4-1,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	до 0,3	до 0,3

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

Режим ТО	Температура, ˚С	Среда охлаждение	σ0,2, МПа	σв, Мпа	δ5, %	ψ, %
Закалка	840	Масло	420	730	11	35
Отпуск	650	Воздух

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

Критические точки
Ac1	Ac3(Acm)	Ar1	Ar3
710	660	600	680