министерство образования и науки российской федерации

Федеральное агентство по образованию

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ СЕРВИСА И ЭКОНОМИКИ

КАФЕДРА «ТЕХНИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА»

Д.А. ИВАНОВ

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Практическое пособие

Санкт-Петербург

2008

Одобрено на заседании кафедры «Техническая механика», протокол №3 от 22.11.2006 г.

Утверждено учебно-методическим советом по специальности 230100, протокол №2 от 28.11.2006

Материаловедение и технология конструкционных материалов. Практическое пособие – СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. – 56 с.

Пособие предназначено в помощь студентам заочных отделений высших учебных заведений, подготавливающих специалистов в области автосервиса, сервиса в коммунально-бытовой сфере, сервиса экосистем и природоохранительных объектов, а также других технических областях, выполняющим практические работы по материаловедению и технологии конструкционных материалов.

Составил: канд. техн. наук Д.А. Иванов

Рецензент: д-р физ-мат. наук, проф. Г.С. Сухов

© Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

2008 г.

Оглавление

Введение………………………………………………………………..4

Основные принципы выбора материала……………………………...5

Указания к выполнению работы………….…………………………16

Пример выполнения задания………………………………………...18

Приложения…………………………………………………………...27

Введение

Создание силовых элементов конструкций (деталей машин) напрямую связано с выбором материала, обладающего необходимой конструктивной прочностью, хорошими технологическими свойствами и невысокой ценой.

Цель данного пособия – привить будущим специалистам определённые навыки рационального выбора марок машиностроительных сталей (углеродистых и легированных), предназначенных для изготовления деталей, работающих при значительных динамических и циклических нагрузках (валы, оси, зубчатые колёса и т. п.). Решение задачи выбора материала связана с использованием большого количества справочного материала (марочников сталей, стандартов, рекомендаций по назначению оптимальных режимов термической обработки). Настоящее пособие содержит практически все необходимые данные, позволяющие выбрать марку стали для деталей заданных размеров при заданных нагрузках.

Пособие составлено в помощь студентам ряда специальностей (автосервис; сервис в жилищной и коммунально-бытовой сфере; сервис экосистем и природоохранительных объектов), учебные планы которых предусматривают выполнение студентами практических работ по материаловедению и технологии конструкционных материалов.

Данное пособие содержат варианты заданий по практической работе, последовательность её выполнения, пример выбора марки стали для конкретной детали, а также собранные воедино справочные материалы, необходимые для работы над заданиями.

Основные принципы выбора материала.

При выборе конструкционных сталей для изготовления деталей машин следует прежде всего оценивать их конструктивную прочность, как сочетание требований по общей (статической) прочности, надёжности и долговечности. Вместе с тем при выборе стали необходимо учитывать требования по её технологичности и экономичности, как минимуму затрат с учётом стоимости материала, изготовления детали и эксплуатационной стойкости.

Прочность. Прочность (способность материала сопротивляться внешним нагрузкам) может быть охарактеризована как сопротивление пластической деформации, т. е. нагрузка не должна вызывать остаточную (пластическую) деформацию выше определенного предела. Таким пределом считается остаточная деформация менее 0,2%. Условный предел текучести определяет верхний предел допустимого нагружения детали, превышение которого приведёт к её пластическому деформированию и как следствие – нарушению работы всего механизма. Что касается упругой деформации, то путем подбора марки стали уменьшить ее невозможно, так как модули упругости для углеродистых и легированных сталей практически мало меняются. Таким образом, степень допустимой упругой и пластической деформации определяет допустимый уровень напряжений, что является основным при выборе марки стали по прочности, как профилирующему требованию.

Значения показателей прочности сталей, указанные в ГОСТе, меняются в зависимости от вида и режима термической обработки. Так, при повышении температуры отпуска от 200 до 650°С предел текучести стали с 0,2% С уменьшается от 1200 до 600 МПа, а сталей с 0,4% С – от 1600 до 800 МПа. Таким образом, только за счёт изменения температуры отпуска можно повысить прочность вдвое. Вместе с тем, при очень высоких значениях показателей прочности снижается сопротивление хрупкому разрушению, т. е. уменьшается надежность стали, как конструкционного материала. Задача повышения механических свойств машиностроительных сталей может решается следующими способами: либо оптимальным соотношением легирующих элементов, либо нахождением оптимальных режимов термической обработки а также сочетанием первого и второго способов.

Высокопрочные материалы часто оказываются недостаточно надёжными из-за крайней их чувствительности к концентраторам напряжений. Следовательно, не величина предела прочности материала, а его способность поглощать энергию при распространении трещины определяет возможную нагрузку.

Надежность. Надежность – это способность материала и изделия сопротивляться хрупкому разрушению. Она оценивается значениями показателей пластичности и ударной вязкости, работой, поглощаемой при распространении трещины, температурой полухрупкости Т₅₀ и живучестью, как способностью работать в поврежденном состоянии при циклическом нагружении.

Пластичность и вязкость. Необходимо отметить, что повышение прочности в результате термической обработки обычно сопровождается понижением пластичности. В сравнении со сталями, большей пластичностью при меньшей прочности и твёрдости обладает техническое железо ( = 500МПа; = 90%, КСU > 300 Дж/см²). С помощью легирования и термической обработки, а также применения других способов упрочнения можно повысить стали до примерно 3000 МПа, при этом значения показателей пластичности и ударной вязкости снизятся почти до нуля.

Таким образом, наряду с повышением временного сопротивления разрыву при растяжении и важно обеспечить сохранение достаточных значений показателей пластичности и вязкости, определяющих надёжность материала и изделия. Имеются такие способы упрочнения, благодаря которым повышение прочности не сопровождается снижением пластичности или приводит лишь к незначительному ее снижению, например, глубокая очистка от вредных примесей, таких, как рафинирование жидким синтетическим шлаком в ковше (Ш), электрошлаковый переплав (ЭШ), вакуумно-дуговой переплав (ВД) и выплавка в вакуумных индукционных печах (ВИ). Однако они не нашли широкого применения из-за сложности и значительности затрат. К тому же уменьшение содержания примесей в приграничных областях зёрен повышает склонность сталей, очищенных такими способами к росту зерна аустенита при нагреве, вследствие чего даже незначительный перегрев при закалке может привести после окончательной термической обработки к более низкой конструктивной прочности по сравнению с ожидаемой. В качестве материала для изделий, эксплуатирующихся при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и наличием концентрации напряжений, нужно выбирать стали с добавками никеля и молибдена. Ванадий также повышает предел упругости и ударную вязкость при равной прокаливаемости. Охрупчиванию стали при отрицательных температурах способствует крупнозернистая структура, повышенное содержание кислорода (кипящие стали) и углерода. Таким образом, в случае, когда ударная вязкость и показатели хладноломкости являются определяющими требованиями, следует выбирать наследственно мелкозернистые спокойные стали с малым содержанием углерода, такие, как 18ХГТ. Значительно влияет на ударную вязкость даже малое изменение содержания углерода в поверхностном слое стали. Так, при нагреве стали 50 в контролируемой атмосфере с регулируемым потенциалом углерода, равным 0,7%, вследствие частичного науглероживания на глубину 0,2 мм значения показателей ударной вязкости снижаются на 20%. Обезуглероживание стали на ту же глубину не влияет на ударную вязкость и даже повышает вязкость стали типа 4ОХН2МА при твердости после упрочняющей термической обработки 52 HRC. Ударная вязкость чувствительна к изменениям микроструктуры стали. Наиболее значительная вязкость и минимальная хладноломкость наблюдаются у сталей, имеющих структуру продуктов распада мартенсита при отпуске. Так, для стали 4ОХН2МА после закалки и высокого отпуска при – 60°С КСU = 0,6 МДж/м². У кованых изделий, приобретших в ходе пластического формоизменения волокнистую структуру, ударная вязкость при поперечном расположении волокон в 3–4 раза ниже, чем при продольном. Вместе с тем, эта разница существенно уменьшается при повышении твердости до 45 HRC. Изделия, работающие при крайне низких температурах, изготавливают из высоконикелевых низкоуглеродистых сталей (до 0,15%С; 9 и более % Ni). Такие стали обладают высокой устойчивостью к охрупчиванию с понижением температуры.

Хрупкое разрушение носит внезапный характер (скорость распространения хрупкой трещины для сталей достигает 2500 м/с) и может осуществляться при напряжениях в несколько раз меньших, чем условный предел текучести . Поэтому при выборе материала необходимо учитывать, что в целом, работа разрушения (а) состоит из двух составляющих: работы, затраченной на зарождение трещины (пластическую деформацию до зарождения трещины) а_з и работы распространения трещины а_р. Таким образом, а = а_з + а_р. Дефекты поверхности приводят к уменьшению а_з и могут наблюдаться случаи, когда а_з = 0. В этом случае надёжность изделия будет определять значение а_р материала.

Хладноломкость. Считается, что температура, при которой а_р уменьшается в 2 раза, соответствует температуре перехода материала в хрупкое состояние. Это так называемая температура полухрупкости Т₅₀, при которой только 50% составляющей излома является вязкой (волокнистой). Принимается, что при температуре ниже Т₅₀ работа, затрачиваемая на распространение трещины слишком мала, чтобы материал был надежным и в случае более низких температур эксплуатировать изделия не следует. Вследствие этого всегда необходим некоторый запас надёжности, называемый запасом вязкости, Т = Т_э – Т₅₀, где Т_э – температура эксплуатации изделия. Обычно считают достаточным запас вязкости, равный 40–60°С, в связи с чем, например, в случае изделия, эксплуатирующегося при комнатной температуре следует выбирать режим термической обработки, обеспечивающий для данного материала температуру полухрупкости в пределах -20– -40°С. В случае эксплуатации изделия при отрицательных температурах следует помнить, что каждая 0,1% содержания углерода повышает порог хладноломкости стали на 20–30°С. Сильно понижает порог хладноломкости стали никель. Увеличение содержания никеля на 1% обеспечивает понижение температуры полухрупкости Т₅₀ на 10°С. Вместе с тем, выбор стали, содержащей значительное количество дефицитного и дорогостоящего никеля должен быть экономически оправдан.

Значительное влияние на порог хладноломкости оказывают присутствующие в стали примеси. Так, каждая 0,01% кислорода повышает температуру полухрупкости на 15°С. В кипящей стали содержание кислорода близко к 0,1%. Поэтому кипящие стали, не рекомендуется применять в случае предполагаемой температуры эксплуатации изделия ниже –20°С. Фосфор также повышает порог хладноломкости и уменьшает работу распространения трещины, причём негативное влияние фосфора тем больше, чем выше содержание углерода в стали. Поэтому для ответственных изделий в случае экономической оправданности можно применять более дорогие высококачественные стали, имеющие пониженное содержание фосфора. Закалка с последующим отпуск может способствовать понижению температуры перехода в хрупкое состояние (при условии сквозной прокаливаемости).

Долговечность. Долговечность – это способность изделия работать до предельного состояния (невозможности его дальнейшей эксплуатации). Долговечность характеризуется сопротивлением усталости и износу а кроме того – коррозии, ползучести (жаропрочностью), жаростойкостью (окалиностойкостью), сопротивлением эрозии и другим воздействиям на материал. Долговечность может обеспечивается не только выбором стали, в том числе коррозионностойкой, жаропрочной и жаростойкой но также различными способами поверхностного или объемного упрочнения.

В большинстве случаев выход из строя деталей машин связан с двумя видами повреждений: износом и усталостью.

Износостойкость. Сопротивление абразивному износу в значительной мере определяется микроструктурой стали. Для значений твердости выше 50 HRC оптимальной является структура мартенсита отпуска. В связи с чем для деталей, работающих на истирание, целесообразно применять конструкционную сталь после закалки и низкого отпуска. Сравнительно высокая твердость среднеуглеродистой легированной стали после закалки и низкого отпуска (150–250°С) позволяет применять ее вместо цементуемых сталей и исключить для многих деталей дорогостоящий и продолжительный во времени процесс цементации. Так, в частности, для зубчатых колес используют стали 40Х, 45Х, 50Х после закалки и низкого отпуска; для тяжелонагруженных зубчатых колес неплохие результаты обеспечивает использование хромоникелевых сталей 4ОХН, 45ХН, 5ОХН и хромомарганцовокремнистых сталей ЗОХГСА и З5ХГСА. Изделия из сталей данных марок после низкого отпуска обладают твердостью в поверхностном слое не ниже 50 HRC при достаточных значениях показателей пластичности и ударной вязкости ( = 45%; КСU = 0,4 МДж/м² и более), что во многих случаях позволяет отказаться от применения цементации.

В случае значений твердости ниже 50 HRC оптимальную износостойкость будет иметь сталь, обладающая структурой тростита закалки, приобретаемой либо охлаждением на воздухе с температуры, обеспечивающей структуру аустенита, либо путём изотермической закалки в расплаве солей. Способность стали противостоять абразивному износу понижается с увеличением в её структуре количества остаточного аустенита.

Распространенным видом износа в случае наличия смазочного материала является образование питтинга на поверхности зубьев напряженных зубчатых колес. В целях повышения износостойкости подобные зубчатые колеса часто подвергают цементации на глубину 0,8–1,2 мм с последующим шевингованием, закалкой в масле и низким отпуском, в результате чего значительно повышается их устойчивость к образованию питтинга. Подобные зубчатые колеса при эксплуатации в автомобилях способствуют увеличению пробега до 240000 км.

Износостойкость зубчатых колес также в значительной мере определяется количеством остаточного аустенита в поверхностном слое. При содержании аустенита более 20% износостойкость резко сокращается.

Детали, работающие на износ и подвергающиеся воздействию ударных нагрузок и высоких давлений, могут производиться из износостойких сталей аустенитного класса типа 110Г13Л после закалки в воде без отпуска. В связи с тем, что начало мартенситного превращения подобных сталей находится в области отрицательных температур, после закалочного охлаждения структура остаётся аустенитной, а высокая скорость охлаждения служит цели предотвращения процессов выделения и коагуляции (укрупнения) карбидов, которые могут иметь место при медленном охлаждении.

Другим наиболее важным условием повышения долговечности является обеспечение значительной выносливости (сопротивления усталости).

Выносливость. Под действием циклических напряжений (ниже предела текучести) в металлических материалах постепенно накапливаются повреждения, вызывающие образование трещины и разрушение, поэтому сталь, испытывающая циклические нагружения, должна иметь как необходимую прочность, так и достаточный запас вязкости. Зарождение усталостной трещины происходит на поверхности изделия, испытывающего воздействие циклических знакопеременных напряжений. При одинаковых по модулю значениях растягивающих и сжимающих напряжений (симметричный цикл нагружения) зарождение и распространение усталостной трещины будет вызвано действием растягивающих напряжений, так как значения показателей прочности при растяжении ниже, чем при сжатии. Усталостному разрушению также способствуют растягивающие остаточные напряжения на поверхности изделия, в особенности при наличии концентраторов (дефекты поверхности, неметаллические включения и др.).

Напротив, в случае наличия на поверхности сжимающих остаточных напряжений действие растягивающих напряжений цикла нагружения соответственно уменьшается и, следовательно, затрудняется образование усталостной трещины. Сжимающие остаточные напряжения в поверхностных слоях стали можно создать наклепом, поверхностной закалкой, химико-термической обработкой (например, азотирование легированных сталей) и прочими способами. Для сталей с малыми и средними значениями показателей прочности предел выносливости тем выше, чем выше значение . Для термоулучшенных сталей можно использовать эмпирические формулы определения предела выносливости (кгс/мм²) (углеродистые стали) и (легированные стали). Для сталей в высокопрочном состоянии, когда они становятся чувствительными к концентраторам напряжений, значение предела выносливости будет более низким в сравнении с пределом прочности. При назначении режима упрочняющей термической обработки следует учитывать, что устойчивое соотношение между пределом прочности и пределом выносливости наблюдается для термообработанных сталей только в случае твердости ниже 35 HRC.

Значение предела выносливости не будет снижаться для автоматных сталей с добавками до 0,12% серы при содержании фосфора до 0,04%, если твердость после термической обработки не превышает 27 HRC. Сопротивление усталости резко снижается с увеличением количества и размеров неметаллических включений.

Сопротивление усталостному разрушению в значительной степени структурно обусловлено. К примеру, предел выносливости эвтектоидной стали значительно понижается в случае наличия в её структуре пластинчатого цементита. Существенное уменьшение сопротивления усталости также вызывает наличие в структуре закаленной стали остаточного аустенита количеством более 10%. Негативное влияние на выносливость оказывает обезуглероживание поверхности даже на незначительную глубину. Сопротивление усталостному разрушению будет определяться также химическим составом стали, термической обработкой, чистотой и состоянием поверхности, способом поверхностного упрочнения, наличием концентраторов напряжений и температурой при которой эксплуатируется изделие.

Выбор марки стали. Прочность стального термоупрочнённого изделия определяется его формой, размером и режимом термической обработки, а размер и в ряде случаев форма изделия в свою очередь определяется прокаливаемостью стали. Полная прокаливаемость стали при одной и той же нагрузке позволяет уменьшить как размеры детали, так и массу конструкции. В то же время стали с пониженной и регламентируемой прокаливаемостью (ПП и РП) создают условия повышения конструктивной прочности и технологичности изделия. Поэтому сталь рекомендуется выбирать в зависимости от прокаливаемости и заданной твердости детали.

Наилучшее сочетание прочности и вязкости может быть обеспечено лишь в том случае, когда твердость стали непосредственно после закалки будет не ниже минимально допустимых значений, что возможно при наличии в структуре закалённой стали не менее 90% мартенсита. Так, для изделий с твердостью после окончательной термической обработки 30–35 HRC необходимо, чтобы твердость до отпуска была не ниже 45 HRC. В случае наличия в структуре 50% мартенсита и 50% тростита закалки предел выносливости уменьшается примерно на 20% и значительно снижается ударная вязкость, особенно при низких температурах, в связи с чем твердость полумартенситной области не может служить надежной мерой прокаливаемости стали. Более надёжно определять прокаливаемость по глубине проникновения закаленного слоя, имеющего структуру 95% мартенсита и 5% тростита закалки. Для этого сначала определяют критический диаметр D_К (в центре 50% мартенсита + 50% тростита) стали для данной закалочной среды, а затем D₉₅. Приближенно можно принять, что критический диаметр почти полной (95% мартенсита в центре) прокаливаемости на 25% меньше диаметра, обеспечивающего полумартенситную структуру после закалки в той же среде. В целях надежного обеспечения прочности ответственных деталей, работающих преимущественно на изгиб и кручение, принимается, что закаленный слой со структурой 90% мартенсита и 10% тростита закалки должен находиться на глубине не менее 0,25% диаметра (толщины) детали. Лишь для некоторых изделий, подвергаемых при эксплуатации упругим деформациям с большой амплитудой (пружины, рессоры), или для изделий, работающих в основном на растяжение (шатуны, ответственные болты), необходимо обеспечить после закалки 90% мартенсита в центре заготовки.

Для большинства ответственных деталей (например, в автомобилестроении) изготовляемых из среднеуглеродистых (0,3–0,5% С) сталей, оптимальной является твердость после закалки (до отпуска) 45 HRC на расстоянии 25% диаметра от поверхности детали (полуоси, поворотные кулаки и др.). Торсионные валы и рессоры должны прокаливаться насквозь и иметь после закалки в сердцевине изделия твёрдость не ниже 52-55 HRC.

В случае изделия диаметром 25 мм твердость 45 HRC на расстоянии от поверхности, соответствующем 25% диаметра можно обеспечить закалкой в минеральном масле таких сталей, как 40Г2, ЗОХМ, 40Х. Варьируя, закалочные среды, можно выбрать и другие стали. Выбор той или иной стали также зависит от сечения изделия.

Для решения задачи обеспечения оптимального сочетания прочности и вязкости наиболее желательна сталь с невысоким содержанием углерода, например ЗОХМ, так как после закалки на 45 HRC в структуре данной стали будет находиться не менее 85% мартенсита, в то время как стали 40Г2 и 40Х после закалки до твердости 45 HRC будут содержать в структуре лишь 70% мартенсита. Также стали с более низким содержанием углерода менее подвержены деформации и растрескиванию в ходе термической обработки.

В случае если деталь испытывает растягивающие или сжимающие напряжения, равномерно распределенные по сечению, закалка должна обеспечить сквозную прокаливаемость, и выбирать следует сталь, критический диаметр которой при закалке в данной среде будет не менее чем диаметр (толщина) закаливаемой детали. В случае если деталь в процессе эксплуатации подвержена напряжениям изгиба или кручения, её сердцевина не подвергается воздействию напряжений в связи с чем сквозная прокаливаемость не будет иметь определяющего значения и в данных условиях закаленный слой со структурой 90% мартенсита и 10% тростита закалки должен располагаться на глубине 0,25% диаметра (толщины) детали. В случае сложнонапряженного состояния (к примеру, сочетание растяжения с изгибом или кручением) сердцевина детали может испытывать существенные напряжения и выбранная сталь должна обладать достаточной прокаливаемостью. Когда осуществляется выбор марки стали, необходимо обращать внимание на размеры сечения изделия. В случае больших сечений требуется повышенная прокаливаемость, а следовательно и степень легирования стали.

При выборе стали и режима термической обработки следует учитывать возможную отпускную хрупкость. В случае небольших сечений детали охрупчивание в результате медленного охлаждения с температуры высокого отпуска, которому подвержены стали, легированные хромом, марганцем, никелем и кремнием можно предотвратить более быстрым охлаждением, например, в минеральном масле. Для деталей значительных размеров, подвергаемых улучшению (закалка и высокий отпуск), необходимо выбирать конструкционные стали, легированные молибденом или вольфрамом, подавляющими обратимую отпускную хрупкость.

Категории прочности. В техническом задании, как правило, не указываются требования по всем механическим свойствам изделия. Обычно приведено минимально допустимое значение предела текучести или предела прочности (профилирующее требование). Также могут быть обозначены дополнительные условия, например, способность работать при значительных отрицательных температурах. Значения (не менее) показателей пластичности, ударной вязкости и твёрдости, соответствующие данному значению предела текучести для конструкционных сталей приведены в ГОСТе 8479 – 70, где они обозначены как категории прочности КП в соответствии со значением предела текучести МПа (кгс/мм²).

Стоимость. При проектировании необходимо учитывать или коэффициент стоимости К_С выбираемой стали, или ее цену, которая приведена в справочнике для каждой группы сталей. При прочих равных механических и эксплуатационных свойствах, фактор экономичности стали будет определяющим.