close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

7

код для вставкиСкачать
620
Т888
СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ
Б.Б. ТУРУТИН, О.В. БОЛОТОВА
ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЧНОСТИ КОНСТРУКЦИОННЫХ
МАТЕРИАЛОВ
Методические указания
к выполнению контрольной работы
Новосибирск 2006
УДК 669.017
Т888
Т у р у т и н Б.Б., Б о л о т о в а О.В. Физические основы прочности материалов:
Метод. указ. к выполнению контрольной работы. — Новосибирск: Изд-во СГУПСа, 2006.
— 20 с.
Приводятся рабочая программа дисциплины, задания на контрольную работу,
методические указания к выполнению, методика выбора материала и упрочняющей
обработки. Даны примеры выполнения задания.
Рекомендованы для студентов при изучении курсов «Физические основы прочности
конструкционных материалов» и «Физика отказов».
Рассмотрены и рекомендованы к печати на заседании кафедры «Технология транспортного
машиностроения и эксплуатация машин».
Ответственный редактор
канд. техн. наук, доц. Л.Б. Тихомирова
Рецензент
канд. техн. наук, проф. В.В. Коноводов
(кафедра «Технология машиностроения» Новосибирского
государственного аграрного университета)
© Турутин Б.Б., Болотова О.В., 2006
© Сибирский государственный университет
путей сообщения, 2006
Учебное издание
Турутин Борис Борисович
Болотова Ольга Викторовна
Физические основы прочности
конструкционных материалов
Методические указания
к выполнению контрольной работы
Печатается в авторской редакции
Компьютерная верстка Н.Н. Садовщикова
Изд. лиц. ЛР № 021277 от 06.04.98
Подписано в печать 28.12.2006
1,25 печ. л. 1,0 уч.-изд. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1693
Издательство Сибирского государственного университета
путей сообщения
630049, Новосибирск, ул. Д. Ковальчук, 191.
Тел./факс: (383) 228-73-81. E-mail: press@stu.ru
1. Цели и задачи дисциплины
Цель преподавания дисциплины — дать студентам современные представления о возможности
конструирования состава и структуры металлических материалов с требуемыми показателями
конструктивной прочности.
Задачи изучения дисциплины.
Выпускники должны владеть научными основами повышения надежности и долговечности
деталей машин, чтобы правильно выбирать материал и методы упрочнения узлов и деталей
машин.
Изучив дисциплину, студент должен у м е т ь:
1. Сформулировать основные свойства материала, необходимые для решения поставленных
конструкционных и эксплуатационных задач;
2. Определить группы материалов, соответствующих предъявленным требованиям;
3. Выбрать технологический процесс упрочняющий обработки, позволяющий получить
нужные свойства детали.
Кроме того, студент должен знать:
4. Структурные и субструктурные изменения в процессе пластической деформации
металлических сплавов;
5. Механизмы зарождения микротрещин;
6. Методы оценки трещиностойкости сплавов при статических, ударных и циклических
нагрузках;
7. Методику выбора конструкционных материалов для деталей машин.
Перечень базовых дисциплин: физика, материаловедение, сопротивление материалов.
2. Содержание дисциплины,
изучаемые разделы, темы, вопросы
Тема 1. Конструкционные материалы
1. Требования, предъявляемые к конструкционным материалам.
2. Классификация конструкционных материалов.
3. Углеродистые конструкционные стали обычного качества и качественные.
4. Легированные конструкционные стали нормальной, повышенной и высокой
прочности.
5. Конструкционные материалы на основе цветных металлов.
Тема 2. Реальное строение металлических материалов
1. Точечные и линейные дефекты решеток.
2. Понятие о дисклинациях
3. Субструктурные изменения в металлических материалах на стадии микропластической
деформации, предела текучести, деформационного упрочнения.
Тема 3. Общие принципы создания структур сплавов
с высокими показателями прочности.
1. Влияние структурных параметров на предел текучести конструкционных сталей.
2. Анализ эффективности дислокационных механизмов.
Тема 4. Надежность материала.
1. Дислокационные механизмы разрушения.
2. Показатели сопротивления сплавов распространению трещин.
3. Связь дислокационных механизмов упрочнения.
Тема 5. Структурные аспекты долговечности.
1. Циклическая трещиностойкость.
2. Влияние структуры напряженного состояния и качества поверхностного слоя на
циклическую прочность.
Тема 6. Методика выбора материала для деталей машин.
1. Анализ условий работы деталей машин.
2. Выбор группы материалов предъявляемым требованиям.
3. Выбор упрочняющей обработки для деталей машин.
3. Методические указания
к выполнению контрольной работы
Задание на контрольную работу составлено в 30 вариантах. Каждый студент выполняет свой
вариант задания в соответствии с двумя цифрами своего шифра согласно таблице вариантов (табл.
1).
Таблица 1
Окончание
шифра
(две
последние
цифры)
01
02
03
04
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
Деталь
Требуемые свойства
Червяк руля автомобиля
На поверхности 58–64 HRC в
сердцевине 293–350 НВ
Вал редуктора диаметром 50 мм
Предел текучести 300–350 МПа
Коленчатый
вал
двигателя Предел прочности 750 МПа
диаметром 60 мм
Шатун двигателя
Предел прочности 700–750 МПа
Вал редуктора диаметром 55 мм
Предел текучести не менее 500 МПа
Шпиндель расточного станка
Твердость в поверхностном слое 58–
62 HRC
Зубчатое колесо сложной формы Твердость на поверхности 58–60 HRC
диаметром 50 мм и высотой 100 мм
Стаканы
цилиндров
мощных Твердость на поверхности 950–
моторов
1000 HV.
Предел
текучести
сердцевины не ниже 750 МПа
Автосцепки
железнодорожных Предел прочности не ниже 350 МПа
вагонов
Поршневой палец диаметром 30 мм и Твердость на поверхности 58–
длиной 50 мм
62 HRC, в сердцевине 240–260 НВ
Палец звеньев гусениц трактора
Твердость 43-49 HRC
Вал коробки передачи трактора
Твердость на поверхности 58–
60 HRC, в сердцевине 280–300 НВ
Полуось
конической
передачи Твердость 240–280 НВ
трактора
Болт шатунный. Твердость 302– Твердость 302–350 НВ
350 НВ
Рессора автомобиля
Твердость 360–400 НВ
Болт
Нагрузки незначительные. Получать
на
станках
с
максимальной
производительностью.
Козырьки
и
черпаки Высокая износостойкость
землечерпательных машин
Окончание табл. 1
Окончание
шифра
(две
последние
цифры)
18
19
20
21
22
Деталь
Котел высокого давления
Требуемые свойства
Высокие механические свойства при
длительных
нагрузках
при
температуре 500 °С
Сверло
Для обработки конструкционных
сталей твердостью 180–200 НВ
Фреза
Для
обработки
жаропрочных
аустенитных сталей
Штамп холодной штамповки
Деформация при закалке должна
быть минимальной.
Пневматическое
долото, Твердость на поверхности 55–
23
24
25
26
27
28
29
30
применяемое при разработке твердых 58 HRC. Сердцевина вязкая.
пород
Поршень в двигателе внутреннего Сплав с малым удельным весом.
сгорания
Резец
Для обработки стали с твердостью
более 300 НВ
Венец колеса редуктора
Высокие антифрикционные свойства.
Предел прочности не ниже 250 МПа
Крюки
для
железнодорожных Предел прочности при растяжении
вагонов
400 МПа
Ведущая ось крановой тележки Предел текучести 700 МПа
диаметром 70 мм
Вал двигателя внутреннего сгорания Предел текучести 200–230 МПа и
диаметром 60 мм
относительное удлинение 20–22 %
Вал двигателя диаметром 35 мм
Предел прочности при растяжении
750 МПа
Зубчатое колесо диаметром 60 мм и Предел прочности 540–550 МПа
высотой 80 мм
При оформлении контрольной работы текст задания нужно приводить полностью, ответ
иллюстрировать схемами, графиками и таблицами, давая краткие пояснения к ним. Работу
рекомендуется выполнять в такой последовательности:
1. Ознакомиться с методическими указаниями по выбору материала и упрочняющей обработки
для деталей машин.
2. Изучить рекомендуемую учебную литературу.
3. Ответить письменно на контрольное задание.
В случае затруднения при выполнении контрольной работы следует обращаться за
консультацией на кафедру.
3.1. Методика выбора материала
и упрочняющей обработки
Выбор конструкционного материала и упрочняющей обработки деталей машин следует
проводить в следующей последовательности:
1) проанализировать конструктивные особенности и условия работы детали;
2) определить вид напряженного состояния, условия и характер нагружения детали;
3) установить возможные виды дефектов и причины выхода из строя;
4) определить требуемые свойства материала;
5) по справочным данным определить возможные материалы и при необходимости их
упрочняющую обработку, отвечающие требуемым свойствам;
6) из материалов, удовлетворяющих эксплуатационным требованиям, выбрать более
технологичный, дешевый и недефицитный.
3.1.1. Выбор марки стали и упрочняющей обработки
Сталь является основным материалом для изготовления ответственных тяжелонагруженных
изделий благодаря лучшему сочетанию прочности, надежности и долговечности. Кроме того,
стали сравнительно недороги и имеют хорошие технологические свойства.
Для выбора марки стали можно рекомендовать справочник по машиностроительным
сталям [1], в котором стали систематизированы по назначению и качественным
характеристикам, которые находятся в наибольшей связи с эксплуатационными
свойствами изделий.
В справочнике сгруппированы сведения о назначении, физических и механических свойствах
сталей при разных температурах, их сопротивлении усталости, износо- и коррозионной стойкости,
жаростойкости и жаропрочности, длительной стойкости и ползучести. Приведены режимы
термической обработки, данные о технологических свойствах и прейскурантных ценах различного
сортамента на прокат из сталей.
При выборе марки стали по прочности исходят из допустимого уровня напряжения,
определяемого условным пределом текучести σ0,2, при котором остаточная деформация
равна 0,2 %.
Прочностные свойства сталей меняются в зависимости от термической обработки.
Например, только варьированием температуры отпуска можно повысить прочность почти
в 2 раза.
Однако следует заметить, что повышение прочности всегда сопровождается снижением
пластичности и сопротивления разрушению, что уменьшает надежность стали как
конструкционного материала.
Если деталь испытывает напряжения растяжения или сжатия, равномерно
распределенные по сечению, то закалка должна обеспечить сквозную прокаливаемость.
Под прокаливаемостью понимают способность стали получить закаленный слой с
мартенситной или трооститно-мартенситной структурой на определенную глубину.
Характеристикой прокаливаемости служит критический диаметр Dк, т.е. наибольший
диаметр цилиндра из данной стали, который прокаливается насквозь. Критический
диаметр образца, содержащего 50, 95, и 99, 9 % мартенсита (остальное троостит),
обозначается соответственно D50, D95, D99,9.
Так как свойства стали одной и той же марки могут колебаться в довольно широких
пределах, то в справочной литературе приводятся полосы прокаливаемости,
характеризующие минимальный и максимальный критические диаметры для данной
марки стали.
Для сквозной прокаливаемости детали следует выбирать такую сталь, чтобы
критический диаметр D90 был больше размера сечения детали, т.е. иметь не менее 90 %
мартенсита в центре заготовки, что обеспечивает оптимальное сочетание прочности и
вязкости.
Если деталь испытывает изгибающие или крутящие нагрузки то сердцевина детали не
подвержена воздействию напряжений, поэтому сквозная прокаливаемость не имеет
решающего значения. В этом случае закаленный слой должен иметь структуру 90 %
мартенсита и 10 % троостита закалки и располагаться на глубине Ѕ радиуса от
поверхности детали [1].
При сложнонапряженном состоянии (например, при сочетании растяжения с изгибом или
кручением) сердцевина детали может испытывать значительные напряжения. В этом случае выбор
стали опять начинается с прокаливаемости.
Для большинства ответственных деталей, изготавливаемых из среднеуглеродистых
сталей, оптимальной является твердость после закалки (до отпуска) 45 HRC на расстоянии Ѕ
радиуса от поверхности детали (полуоси, поворотные кулаки и др.). Торсионные валы,
рессоры и др. должны прокаливаться насквозь и иметь после закалки твердость в
сердцевине изделия 52–55 HRC [1].
При выборе стали нужно обращать внимание на размеры сечения детали. Для деталей
крупных сечений следует увеличить прокаливаемость, а следовательно, и степень
легирования стали.
При работе детали при отрицательных температурах необходимо учитывать порог
хладноломкости стали. Для обеспечения надежной работы детали, необходимо, чтобы
температура полухрупкости Т50 была ниже температуры эксплуатации изделия на 40–60
°С. Понизить температуру перехода в хрупкое состояние можно применяя
высококачественные стали, стали легированные никелем и молибденом, использованием
термической обработки.
Для деталей, подвергающихся износу, при твердости выше 50 HRC целесообразно
применять конструкционную сталь со структурой отпущенного мартенсита, полученной
после закалки и низкого отпуска.
При твердости ниже 50 HRC лучшей износостойкостью обладает сталь со структурой
троостита закалки, полученной при охлаждении на воздухе или при изотермической
закалке в расплавленной соли.
Для повышения износостойкости зубчатых колес их подвергают цементации на глубину 0,8–1,2
мм с последующим шевингованием, закалкой в масле и низким отпуском.
При цементации добиваются в поверхностном слое 0,8–0,9 % углерода, поэтому
получаемая после закалки твердость составляет порядка 60–62 HRC.
Для деталей, работающих на износ и подвергающихся воздействию ударных нагрузок и
высоких давлений, применяют износостойкие стали аустенитного класса типа 110Г13Л после
закалки в воде без отпуска.
Для деталей, испытывающие усталостные повреждения, применяемая сталь должна
иметь повышенную твердость и достаточный запас вязкости. Устойчивое соотношение
между пределом прочности и пределом выносливости наблюдается для термически
обработанных деталей только при твердости ниже 35 HRC.
Предел выносливости зависит от химического состава стали, термообработки, чистоты и
состояния поверхности, поверхностного упрочнения, концентрации напряжений, среды, в которой
работает деталь.
При отсутствии в справочниках данных о сопротивлении цементованных и
нитроцементованных сталей контактной усталости (питтингу) можно значение
контактной выносливости σk определить по твердости: σк = 23 HRC.
Сопротивление усталости повышается при наличии на поверхности напряжений сжатия,
которые можно создать наклепом, поверхностной закалкой, химико-термической обработкой и
другими способами.
Учитывая экономические требования нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь
— углеродистую или низколегированную. Применение дорогих легированных
конструкционных сталей, содержащих дефицитные Ni, Mo, W и другие элементы,
оправдано в том случае, если оно дает экономический эффект за счет повышения
долговечности деталей и уменьшения расхода запасных частей, и таким образом,
экономии металлопроката.
3.2.1. Выбор материалов для пар трения
Материалы для сопряженных пар трения должны обладать конструкционной
прочностью, обеспечивать структурные условия антифрикционности, иметь хорошую
прирабатываемость и быть экономичными.
Хорошие результаты дают [2]:
— сочетание твердого материала с мягким (если это металл), имеющим температуру
рекристаллизации ниже средней температуры поверхности трения. Пластичный материал,
не наклепываясь при работе и имея наибольшую температуру на поверхности трения,
обладает положительным градиентом механических свойств по глубине. Такое сочетание
материалов характеризуется высокой надежностью и хорошо противостоит заеданию.
Например, пары хром-резина на минеральном масле и на водяной смазке, хром-бронза при
консистентной смазке;
— сочетание твердого металла с твердым, сочетание пар из азотированной и
цементованной сталей. Такие трущиеся пары имеют высокую износостойкость, повышают
надежность и срок службы, снижают вибрации и улучшают акустические свойства машин.
В настоящее время в узлах трения машин применяют металлические, неметаллические
и композиционные материалы, монолитные и пористые, имеющие как гомогенную, так и
гетерогенную структуру.
Среди антифрикационных материалов наиболее перспективными являются полимеры,
углеграфиты, металлокерамика и различные композиции на их основе [3].
В узлах трения, работающих с малыми скоростями, при смазке обычными маслами
можно применять баббиты и алюминиевые сплавы. При работе со средними и
повышенными скоростями при смазке обычными маслами можно применять наряду с
баббитами бронзы и пористые спеченные материалы.
Латуни и бронзы используют в парах трения со сталями с твердостью 40 HRC в
условиях трения со смазкой, при сухом трении — в паре с углеграфитовыми материалами.
Латуни целесообразно применять в сочетании с маслами, легированными химически
активными присадками. Бронзы применяют для ответственных подшипников,
работающих в тяжелых условиях.
Латуни и бронзы не работоспособны в парах трения с алюминиевыми сплавами,
керамикой, пластмассами и при трении без смазки со сталями.
В узлах трения, работающих с консистентными смазками и без смазок, применяют
антифрикационные чугуны.
В узлах трения без смазки могут работать также полимерные материалы (фторопласты,
текстолиты и др.) и спеченные сплавы, содержащие твердые смазки.
Методика выбора материала для трущихся деталей достаточно подробно приведена в
[3].
3.1.3. Выбор материала для сварных соединений
При выборе материала для сварных соединений необходимо учитывать его
эксплуатационные
свойства,
свариваемость
или
возможность
применения
технологических методов, обеспечивающих хорошую свариваемость, технологичность и
себестоимость изготовления соединений.
Для получения сварных соединений, равноценных по работоспособности основному
металлу, при конструировании сварных заготовок следует по возможности выбирать
хорошо свариваемые металлы. К таким металлам относятся спокойные
низкоуглеродистые стали и многие низколегированные стали, ряд сплавов цветных
металлов.
Для простых малогабаритных узлов возможно применение металлов с пониженной
свариваемостью, так как при их изготовлении используют самые оптимальные с точки
зрения свариваемости виды сварки, например электронно-лучевую или диффузионную в
вакууме. При этом легко осуществить все необходимые технологические мероприятия и
требуемую термическую или механическую обработку после сварки.
Для сложных заготовок с элементами больших толщин и размеров при наличии
криволинейных швов в различных пространственных положениях нужно применять
только хорошо свариваемые металлы.
Для устранения неоднородности свойств и внутренних напряжений в сварных
заготовках применяют термическую обработку после сварки (нормализация, закалка с
отпуском, высокий отпуск и др.).
Прочность зоны сварного соединения может быть повышена механической обработкой после
сварки: прокаткой, проковкой и др.
Технологичность изготовления сварных заготовок обеспечивается наряду с выбором
материала, также выбором формы свариваемых элементов и типа строения, способа и видов
сварки и мероприятий по уменьшению сварочных деформаций и напряжений.
4. Примеры выполнения
Выбрать материал и упрочняющую обработку для изготовления вала
экскаватора диаметром 100 мм, предусмотренного для работы в открытых карьерах и
условиях Сибири. Требуемые значения σт = 700 МПа, твердость шейки вала 55 HRC.
Изготовление деталей серийное.
Пример
1.
Решение
1. Анализ условий работы детали. Вал работает в условиях изгиба, т.е. при не особо
высокой жесткости нагружения. В условиях Сибири, где зимой низкие температуры, от
детали требуется особенно высокая надежность (сопротивление хрупкому разрушению).
Это обеспечивается при использовании стали со сквозной прокаливаемостью, что
необходимо учесть помимо удовлетворения требуемого значения σт и твердости шеек
вала.
2. Выбор материала и упрочняющей обработки валов. При изучении механических
свойств углеродистых сталей с содержанием углерода до 0,5 % выявляется, что требуемое
значение σт после термической обработки можно обеспечить при сечениях до 20 мм.
Поэтому из этих сталей изготовление детали не представляется возможным. Требуемые
свойства можно обеспечить только использованием легированных сталей. В табл. 2
приводятся механические свойства легированных сталей, термическая обработка, а также
значения критических диаметров.
3. Анализ рассматриваемых материалов. Сталь 18ХГТ после закалки и низкого
отпуска обеспечивает требуемое значение σт. Закалка и низкий отпуск после цементации
обеспечат требуемую твердость шеек валов, но прокаливаемость низкая (значит, следует
ожидать, что в крупном сечении эта сталь не обеспечит требуемую конструкционную
прочность).
Сталь 20ХГР выбрана потому, что легирование бором повышает прокаливемость.
Однако и эта сталь имеет D95 = 60 мм. Поэтому, несмотря на высокую статическую
прочность в малых сечениях, в надежности деталей диаметром 100 мм уверенности нет.
Таблица 2
Механические свойства легированных сталей,
термическая обработка, значение критических диаметров
σв
σт
Марка
стали
Термообработка
18ХГТ
ц + з, 810 °С + о, 200 °С
800
1000
9
20ХГР
ц + з, 880 ºС + о, 200 ºС
1240
1520
11,5
30ХН3А
з, 820 ºС + о, 530 ºС
800
1000
40ХНМА
з, 850 ºС + о, 620 ºС
+ з, ТВЧ + о, 180 ºС
1000
1100
МПа
δ, %
ψ, %
KCU,
Дж/см
Dк, мм
2
50
95
50
80
40
30
55
81
90
60
10
50
80
50
100
12
50
80
120
90
П р и м е ч а н и е: ц — цементация, з — закалка, о — отпуск.
Как видно, основная трудность при выборе материала заключается в достижении
требуемой прокаливаемости. Так как никель сильно увеличивает прокаливаемость, то
рассмотрим сталь 30ХН3А. После проведения необходимой (см. табл. 2) термообработки
сталь приобретает требуемое значение σт и нужную прокаливаемость. Однако высокий
отпуск не обеспечивает требуемой твердости шеек вала. По полосе прокаливаемости
видно, что максимальную твердость после закалки эта сталь может дать лишь 52 HRC, т.е.
ниже требуемой. Поэтому требуемые свойства эта сталь может обеспечить только после
цементации, закалки и низкого отпуска. Однако эта технология дорогая. Кроме того,
дорога и дефицитна сама сталь из-за повышенного содержания никеля.
Сталь 40ХНМА имеет больше углерода, чем сталь 30ХН3А, и меньше никеля. По
полосе прокаливаемости видно, что после закалки эта сталь может обеспечить требуемую
твердость. Поэтому в таблице приводятся данные об этом материале. Улучшение
обеспечивает требуемое значение σт при почти полной прокаливаемости. Положительно
наличие молибдена в стали, так как нет опасности отпускной хрупкости второго рода
после высокотемпературного отпуска. Для обеспечения требуемой твердости шеек вала
после улучшения следует провести поверхностную закалку с нагревом ТВЧ и низкий
самоотпуск. Поверхностная закалка шеек вала создает в поверхностных слоях шейки
напряжения сжатия, что повышает сопротивление усталости. Так как в месте перехода
шейки вала в утолщенную часть при закалке ТВЧ возникает участок, где действуют
растягивающие напряжения, то во избежание этого галтель в месте перехода необходимо
подвергнуть обжатию обкаткой роликами.
В ы в о д. Оптимальное решение задачи — выбор стали 40ХНМА. Эта сталь содержит
оптимальное количество никеля, поэтому дешевле стали 30ХН3А. Технология
изготовления валов проще и дешевле.
Заводу нужно изготовить вал двигателя диаметром 70 мм для работы с
большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПа, предел
выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м2. Завод имеет
сталь трех марок: Ст4, 45 и 20ХН3А. Какую из этих сталей следует применить для
изготовления вала? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и, если нужна, то
какая? Дать характеристику микроструктуры и указать механические свойства после
окончательной термической обработки.
Пример 2.
Решение
Сталь Ст4 имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или
ковки): σв = 420–540 МПа, σ0,2 = 240–260 МПа, σ = 21 %.
Сталь 45 в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более 207
НВ. При твердости 190–200 НВ сталь имеет σв не выше 600–620 МПа, а при твердости
ниже 180 НВ σв не превышает 550–600 МПа. Для отожженной углеродистой стали
отношение σ0,2 / σв составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали в этом
состоянии не превышает 270–320 МПа.
Сталь 20ХН3А в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет предел
текучести 350–400 МПа.
Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо
подвергнуть термической обработке.
Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние термической обработки
незначительно. Кроме того, Ст4 как сталь обыкновенного качества содержит повышенное
количество серы и фосфора, которые понижают механические свойства и особенно
сопротивление разрушению.
Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает
работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества
нерационально.
Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХН3А — к классу
высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42–0,50 и 0,17–
0,23 % С и принимают закалку. Для повышения прочности можно применять
нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее,
но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более
высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости KCU после
нормализации составляют 200–300 кДж/м2, а после закалки и отпуска с нагревом до 500
°С достигают 600–700 кДж/м2.
Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические и к тому же циклические нагрузки,
более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45
получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой
стали эта структура в изделиях диаметром более 20–25 мм образуется только в сравнительно
тонком поверхностном слое толщиной до 2–4 мм.
Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в тонком
поверхностном слое, но мало влияет на структуру и свойства внутренних слоев изделия.
Сталь со структурой сорбита отпуска обладает более высокими механическими
свойствами, чем троостита или сорбита закалки и тем более феррита и перлита.
Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно-переменных нагрузок
воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными
механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые
воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и ниже лежащие слои металла.
Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала
диаметром 70 мм.
Сталь 20ХН3А легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и
закаливаемости. Она получает после закалки и отпуска достаточно однородные структуру
и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм. Для стали 20ХН3А
рекомендуется термическая обработка:
1. Закалка с 800–835 °С в масле. После закалки сталь имеет структуру мартенсита
твердостью не ниже 50 HRC.
2. Отпуск 520–530 °С. Для предупреждения отпускной хрупкости вал после указанного нагрева
следует охлаждать в масле.
Механические свойства стали 20ХН3А в изделии диаметром до 75 мм после
термической обработки:
900 - 1000
временное сопротивление растяжению σв, МПа ……..
750 - 800
предел текучести σ0,2, МПа ……………………………….
400 - 430
предел выносливости σ-1, МПа …………………………..
8 - 10
относительно удлинение δ, % ……………………………
45 - 50
относительное сужение ψ, % ……………………………
900
ударная вязкость KCU, кДж/м2 ………………………….
Таким образом, эти свойства обеспечивают заданные требования.
Пример 3. Выбрать материал и упрочняющую обработку для шатуна диаметром 20 мм
(приведенным) со следующими требованиями к механическим свойствам:
σ0,2 = 600 МПа, σ-1 = 350 МПа, KCU 50 Дж/см2.
Условия работы шатуна — пульсирующие напряжения сжатия и растяжения и ударный изгиб.
Характерные дефекты — хрупкое или усталостное разрушение, деформация тела шатуна.
Для нормальной работы детали требуются повышенные пределы текучести и
выносливости, высокое сопротивление распространению трещины. Рекомендуемая
структура, обладающая указанными свойствами — сорбит зернистый или сорбит
пластинчатый. Учитывая, что шатун относится к наиболее ответственным деталям
двигателя, выбираем сорбит зернистый, имеющий более высокие механические
характеристики по сравнению с пластинчатым.
Известно, что сорбит зернистый получают путем закалки и высокого отпуска. Такой
термической обработке подвергаются, главным образом, улучшаемые стали. Из
справочника выбираем стали, отвечающие основным требованиям по механическим
свойствам. Это 40ХФА, 40ХС, 30ХГСА, 55, 50Х, 40ХГТР, 60 и др.
Поскольку получение сорбита зернистого возможно только из мартенсита, необходимо,
чтобы шатун полностью прокаливался в процессе закалки, так как детали, работающие на
растяжение, должны по всему сечению иметь структуру, состоящую не менее 99,9 %
мартенсита.
В справочниках обычно приведен критический диаметр Д50 (в центре 50 % мартенсита
и 50 % троостита), а Д99,9 определяется по соотношению Д99,9 = 0,5 ⋅Д50. Проверяя
выписанные стали, устанавливаем, что нелегированные стали не обеспечивают
необходимой прокаливаемости. Все легированные стали удовлетворяют требованиям
прокаливаемости, но часть из них плохо обрабатывается резанием, их стоимость высока.
Наиболее дешевая сталь 5-Х имеет Д50 = 30–55 мм при закалке в масле, следовательно,
Д99,9 = 15–27 мм. Сталь недорогая (индекс стоимости 1, 2). Проверяем свойства данной
стали по справочнику. После закалки и отпуска при температуре 520 °С σв = 900 МПа,
KCU = = 40 Дж/см2, а после отпуска 540–580 °С, σт = 800 МПа, σ0,2 = = 650 МПа, KCU =
60 Дж/см2 и σ-1 = 600 МПа.
В нашем случае требуется повышенная ударная вязкость, поэтому выбираем более высокую
температуру отпуска.
Таким образом, сталь 50Х в наибольшей степени удовлетворяет требованиям,
предъявляемым к материалу шатуна.
Повышения предела выносливости можно достигнуть обработкой дробью. Обдувка
дробью производится после окончательной термической и механической обработок
шатуна, в результате чего в поверхностном слое создаются остаточные напряжения
сжатия, способствующие повышению выносливости детали.
Рекомендуемая литература
1. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990.
2. Арзамасов Б.И. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1986.
3. Журавлев В.Н. Машиностроительные стали (справочник). М.: Машиностроение, 1992.
4. Тихомирова Л.Б. Влияние структурных параметров на предел текучести. СГУПС, 1999.
5. Тихомирова Л.Б. Выбор материала для деталей машин. Методическое руководство к практическим
занятиям.
6. Журавлев В.Н., Николаева О.Н. Машиностроительные стали: Справочник. М.: Машиностроение, 1992.
480 с.
7. Коган Я.Г. Современные износостойкие материалы / МАРН. М., 1985. 68 с.
8. Трение, изнашивание и смазка: Справочник в 2-х кн. / Под. ред.
Н.В. Крагельского, В.В.
Алисина. М.: Машиностроение, 1978. Кн. 1. 400 с.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
22
Размер файла
205 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа