Выбор материалов по назначению с позиций их конструкционной прочности. Учебное пособие

обратным выдавливанием, были заметны следы коррозии в виде тем- ных пятен различного размера, и наблюдалось существенное ухуд- шение товарного вида на отдельных участках внутренней поверхно- сти в зонах перехода дна полости на внутреннюю боковую поверх- ность и на самой внутренней боковой поверхности.

Таким образом, анализ механической схемы деформации в раз- личных зонах ПДО заготовки для различных вариантов обработки давлением с установлением контактной поверхности деформируемой заготовки с деформирующим инструментом в этих зонах и характера изменения показателей вида напряженного νσ и деформированного νε состояний по этой поверхности позволит установить рациональную схему процесса обработки давлением и поверхность заготовки после пластического деформирования, качественную с позиций технологи- ческой наследственности.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Конструкционная прочность материалов.

2.Основные показатели прочности материалов.

3.Основные показатели надежности материалов.

4.Долговечность материалов в условиях циклического нагружения.

5.Долговечность материалов в условиях действия повышенных

температур.

6.Жаропрочность материалов.

7.Жаростойкость материалов.

8.Холодостойкость материалов.

9.Коррозионная стойкость материалов.

10.Технологические методы повышения конструкционной прочно-

сти материалов.

11.Основные виды термической обработки материалов.

12.Химико-термическая обработка материалов.

13.Термомеханическая обработка материалов.

14.Основные процессы обработки материалов давлением.

15.Основные показатели технологической наследственности после

обработки давлением.

16. Механическая схема деформации при обработке давлением.

51

Глава 3 ПРИМЕРЫ ВЫБОРА

МАТЕРИАЛОВ ПО НАЗНАЧЕНИЮ

3.1. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Следует изготовить вал диаметром 75 мм для работы в условиях циклических переменных нагрузок. Материал вала должен удовле- творять следующим показателям: предел текучести не менее 700 МПа, предел выносливости не менее 400 МПа, ударная вязкость не ниже 0,75 МДж/м2. На предприятии в наличие имеются стали сле- дующих марок: Ст3сп, 40Х и 40ХН2МА. Какую из этих сталей следу- ет использовать для изготовления вала? Нужен ли какой-либо вари- ант обработки сталей для обеспечения заданных эксплуатационных показателей?

Исходя из условий задачи указаны параметры конструкционной прочности для материала вала: показатель прочности σт, показатель надежности КСU и показатель долговечности σ-1, а также указаны марки сталей, из которых следует выбрать оптимальный вариант.

Соответственно отпадает необходимость в выполнение этапов 1–3 выбора материала по назначению согласно схеме по рис. 1.1 на- стоящего учебного пособия.

Осуществим этапы 4 и 5.

Решение:

1. Химический состав сталей.

Ст 3

Согласно ГОСТ 380-2005 сталь содержит:

0,14–0,22 % С; 0,4–0,65 % Mn; 0,15–0,30 % Si; S ≤ 0,05 %;

Р ≤ 0,04 %; Cr ≤ 0,3 %; Ni ≤ 0,3 %; Cu ≤ 0,3 %.

Сталь 40Х

Согласно ГОСТ 4543-2016 сталь содержит:

0,36–0,44 % С; 0,5–0,8 % Mn; 0,17–0,37 % Si; 0,8–1,1 % Cr; S ≤ 0,04 %; Р ≤ 0,03 %; Ni ≤ 0,4 %; Cu ≤ 0,3 %.

52

Сталь 40ХН2МА

Согласно ГОСТ 4543-2016 сталь содержит:

0,37–0,44 % С; 0,5–0,8 % Mn; 0,17–0,37 % Si; 0,6–0,9 % Cr; 1,25– 1,65 % Ni; 0,15–0,25 % Мо; S ≤ 0,025 %; Р ≤ 0,025 %; Cu ≤ 0,3 %.

2. Состояние поставки сталей.

Ст3сп после прокатки или ковки имеет следующие показатели:

−предел прочности σв = 400–500 МПа;

−предел текучести σт = ≥ 250 МПа;

−относительное удлинение δ ≥ 21 %.

Для углеродистых сталей с σв ‹ 800 МПа предел выносливости σ-1 ≈ 0,3σв + 70 = 220 МПа [21].

Сталь 40Х в отожженном или нормализованном состоянии после горячей прокатки или ковки должна иметь твердость не более 217 НВ. При таком уровне твердости сталь имеет предел прочности σв не более 735 МПа (σв ≈ 3,4 НВ [1]). При этом согласно работе [18] σ0,2 / σв ≈ 0,5. Соответственно условный предел текучести σ0,2 в со- стоянии поставки не превышает 370 МПа. Предел выносливости σ-1 ≈ 0,3σв + 70 = 280 МПа.

Сталь 40ХН2МА в состоянии поставки аналогично стали 40Х должна иметь твердость не более 269 НВ. При такой твердости σв ‹ 915 МПа, а σ0,2 ‹ 455 МПа. Для легированных сталей с пределом прочности менее 1200 МПа предел выносливости σ-1 ≈ 0,35σв + 70 =

= 390 МПа [21].

Таким образом, в состоянии поставки ни одна из сталей, находя- щаяся на предприятии, не обеспечивает заданные эксплуатационные требования по показателям конструкционной прочности. Соответст- венно, при изготовлении вала необходимо использовать упрочняю- щие технологии для повышения исходных значений по σ0,2, σв и σ-1 при заданном уровне ударной вязкости.

3. Назначение технологий упрочнения сталей.

Исходя из анализа прочностных показателей сталей в состоянии поставки, для их одновременного повышения необходимо обеспечить структурные изменения сталей во всем объеме изготавливаемого ва-

53

ла, что возможно обеспечить при объемной термической обработке, включающей операции закалки с последующим отпуском.

СТ3сп

Низкоуглеродистая сталь Ст3сп не принимает закалку, а другие варианты ее термической обработки не приводят к заметному упроч- нению. Значительное содержание серы и фосфора резко снижают со- противление ударным нагрузкам. Соответственно сталь обыкновен- ного качества Ст3сп непригодна для решения поставленной задачи.

Сталь 40Х

Режимы термической обработки стали 40Х согласно ГОСТ 45432016 следующие:

−температура нагрева под закалку 860 °С;

−охлаждение в масло до температуры масла;

−температура нагрева для отпуска 500 °С (выбор высокотемпе- ратурного отпуска связан с заданным уровнем ударной вязкости);

−время выдержки при температуре отпуска – 1 час;

−охлаждение с температуры отпуска в воде или в масле до ком- натной температуры во избежание отпускной хрупкости хромистых сталей при их охлаждении на воздухе с температур средне и высоко- температурного отпуска;

Свойства стали 40Х после термической обработки:

−предел текучести σт = 785 МПа;

−предел прочности σв = 980 МПа;

−относительное удлинение δ = 10 %;

−ударная вязкость ан = 0,59 МДж/м2;

−расчетное значение предела выносливости σ-1 = 413 МПа. Таким образом, после термической обработки сталь 40Х не про-

ходит по показателю ударной вязкости.

Сталь 40ХН2МА

Режимы термической обработки стали 40ХН2МА согласно ГОСТ 4543-2016 следующие:

54

−температура нагрева под закалку 850 °С;

−охлаждение в масло до температуры масла;

−температура нагрева для высокотемпературного отпуска

620°С;

−время выдержки при температуре отпуска – 1 час;

−охлаждение с температуры отпуска в масло или воду до ком- натной температуры.

Свойства стали 40ХН2МА после термической обработки:

−предел текучести σт = 835 МПа;

−предел прочности σв = 1080 МПа;

−относительное удлинение δ = 12 %;

−ударная вязкость ан = 0,98 МДж/м2;

−расчетное значение предела выносливости σ-1 = 448 МПа. Таким образом, для изготовления вала следует использовать

сталь 40ХН2МА с последующей термической обработкой, вариант и режимы которой представлены выше.

3.2. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

Обосновать выбор материала для сверл и фрез, обрабатывающих жаропрочные аустенитные стали.

3.2.1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕЖУЩЕГО ИНСТРУМЕНТА

При резании жаропрочных сталей с аустенитной структурой (08Х16Н9М2, 12Х18Н10Т, 20Х23Н18 и др.) следует учитывать пони- женную теплопроводность этих сталей по сравнению с обычными конструкционными сталями и чугунами. Соответственно, при обра- ботке этих материалов тепло, выделяющееся при резании лишь в не- большой степени, будет поглощаться сходящей стружкой и деталью и в основном будет восприниматься режущей кромкой инструмента в процессе резания. По этой причине будет иметь место более высокая температура в зоне резания, а также будет возрастать усилие резания, что приведет к снижению стойкости режущего инструмента.

55

С учетом условий обработки жаропрочных аустенитных сталей осевым режущим инструментом устанавливаем основные эксплуата- ционные свойства материала для его изготовления. Таковыми будут являться износостойкость и теплостойкость.

3.2.2.ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛА ИНСТРУМЕНТА

СУЧЕТОМ ЕГО ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

Механические свойства:

−твердость материала после изготовления инструмента НRC;

−теплостойкость (красностойкость) материала при его эксплуа- тации, °С (при сохранении твердости НRC 58).

Физические свойства: теплопроводность материала λ, Вт/м·град.

3.2.3. СОСТАВЛЕНИЕ ОБОБЩЕННОГО ПАРАМЕТРА МАТЕРИАЛА

Обобщенный параметр материала для изготовления осевого ре- жущего инструмента при обработке аустенитных жаропрочных ста- лей будет состоять из трех основных показателей: твердость материа- лов после обработки при комнатной температуре; твердость материа- лов при температуре в зоне резания (теплостойкость); теплопровод- ность материала инструментов.

Анализ механических и физических свойств инструментальных материалов для режущего инструмента показывает [17], что указанные в п.3.2.2 настоящего пособия свойства материалов для обработки резанием жаропрочных материалов должны иметь следующие значения:

−твердость материала после изготовления инструмента не менее HRC 62;

−теплостойкость (красностойкость) материала инструмента не ниже 620 °С при сохранении твердости при эксплуатации ин- струмента HRC 58;

− теплопроводность материала инструмента не менее 25 Вт/м·град.

56

Указанные значения механических и физических свойств имеют быстрорежущие стали [24]. Выберем для анализа стали марок Р18,

Р18Ф2 и Р18К5Ф2.

Сталь Р18 выбрана в качестве базовой стали в группе быстроре- жущих сталей.

Сталь Р18Ф2 выбрана из-за наличия в химическом составе вана- дия. При указанном содержании ванадия усиливается дисперсионное твердение при отпуске из-за выделения большого количества карбида типа МеС. Это повышает теплостойкость сталей до 630 °С и вторич- ную твердость (твердость после отпуска) до HRC 65–66.

Сталь Р18К5Ф2 выбрана из-за наличия в химическом составе ко- бальта. Кобальт – единственный легирующий элемент быстрорежу- щих сталей, который повышает теплостойкость и вторичную твер- дость после термической обработке и одновременно с этим повышает теплопроводность легированных сталей, и, следовательно, снижает температуру режущей кромки инструмента из-за лучшего отвода теп- ла в тело инструмента. Отмеченное связано с тем, что кобальт спо- собствует выделению при отпуске частиц интерметаллидов типа (Co, Fe)7W6 или (Co, Fe)7Mo6, более стойких против коагуляции, и затруд- няет процессы диффузии при рабочих температурах нагрева режущей кромки инструмента.

Химический состав сталей

Р18

Согласно ГОСТ 19265-73 химический состав стали следующий: 0,7–0,8 % С; Si ≤ 0,5 %; Mn ≤ 0,4 %; 3,8–4,4 % Cr; 17,0–18,5 % W; 1,0–1,4 % V; Mo ≤ 1,0 %.

Р18Ф2

Согласно ГОСТ 19265-73 химический состав стали следующий: 0,85–0,95 % С; Si ≤ 0,5 %; Mn ≤ 0,4 %; 3,8–4,4 % Cr; 17,0–18,0 %W; 1,8–2,4 % V; Mo ≤ 1,0 %.

57

Р18К5Ф2

Согласно ГОСТ 19265-73 химический состав стали следующий: 0,85–0,95 % С; Si ≤ 0,5 %; Mn ≤ 0,4 %; 3,8–4,4 % Cr; 17,0–18,5 %W; 1,8–2,4 % V; 5,0–6,0 % Co.

Состояние поставки сталей

Сталь Р18 после ковки и отжига имеет не более НВ 255. Сталь Р18Ф2 после ковки и отжига имеет не более НВ 269. Сталь Р18К5Ф2 после ковки и отжига имеет не более НВ 285.

Назначение технологий упрочнения сталей

Исходя из анализа показателей твердости сталей в состоянии по- ставки, для их повышения необходимо обеспечить структурные из- менения сталей во всем объеме материала инструмента, что возмож- но обеспечить при объемной термической обработке, включающей операции закалки с последующим отпуском.

Сталь Р18

Режимы термической обработки согласно ГОСТ 19265-73 сле- дующие:

− температура предварительного нагрева под закалку составляет

800–850 °С;

−температура окончательного нагрева под закалку составляет 1270–1290 °С в среде расплавленных солей;

−охлаждение с закалочных температур в масло или в растворы солей и щелочей;

−температура нагрева для проведения отпуска составляет

560–570 °С;

−проводится двух-трехкратный отпуск длительностью по 1 часу;

−охлаждение с температуры отпуска на воздухе.

Свойства стали Р18 после термической обработки:

−твердость HRC 62–65;

−теплостойкость при HRC 58 составляет 620 °С;

−теплопроводность λ = 27,1 Вт/м·град.

58

Сталь Р18Ф2

Режимы термической обработки согласно ГОСТ 19265-73 сле- дующие:

− температура предварительного нагрева под закалку составляет

800–850 °С;

−температура окончательного нагрева под закалку составляет 1270–1290 °С в среде расплавленных солей;

−охлаждение с закалочных температур в масло или в растворы солей и щелочей;

−температура нагрева для проведения отпуска составляет

560–570 °С;

−проводится двух-трехкратный отпуск длительностью по 1 часу;

−охлаждение с температуры отпуска на воздухе.

Свойства стали Р18Ф2 после термической обработки:

−твердость HRC 62–65;

−теплостойкость при HRC 58 составляет 620 °С;

−теплопроводность λ = 27,5 Вт/м·град.

Сталь Р18К5Ф2

Режимы термической обработки согласно ГОСТ 19265-73 сле- дующие:

− температура предварительного нагрева под закалку составляет

800–850 °С;

−температура окончательного нагрева под закалку составляет 1270–1290 °С в среде расплавленных солей;

−охлаждение с закалочных температур в масло или в растворы солей и щелочей;

−температура нагрева для проведения отпуска составляет

560–570 °С;

−проводится двух-трехкратный отпуск длительностью по 1 часу;

−охлаждение с температуры отпуска на воздухе.

Свойства стали Р18К5Ф2 после термической обработки: − твердость HRC 62–65;

59

−теплостойкость при HRC 58 составляет 620 °С;

−теплопроводность λ = 35,5 Вт/м·град.

Таким образом, наилучшими показателями по твердости, тепло- стойкости и теплопроводности после термической обработки облада- ет быстрорежущая сталь марки Р18К5Ф2. Соответственно эту сталь следует использовать для изготовления сверл и фрез, обрабатываю- щих жаропрочные аустенитные стали с последующей термической обработкой, вариант и режимы которой представлены выше.

3.3. ВЫБОР МАТЕРИАЛА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ ИЗ ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Выбрать латунь, применение которой позволяет получить «чис- товую» поверхность при обработке этого сплава резанием. Детали из выбранного сплава после обработки должны иметь предел прочности σв не менее 350 МПа. Исходный профиль материала – пруток.

Исходя из условий задачи, задан параметр конструкционной прочно- сти материала σв и показатель технологичности материала при его обработке резанием – качество обработанной поверхности. Согласно ГОСТ 2789-73 вид поверхности после обработки (черновая, получис- товая, чистовая) будет определяться величиной шероховатости, кото- рая чаще всего определяется параметром Ra. Для «чистовой поверх- ности Ra не более 2,5–1,25 мкм.

Соответственно решение задачи начинаем с выполнения этапов 4 и 5 выбора материала по назначению согласно схеме рис. 1.1 настоя- щего учебного пособия.

Латуни в зависимости от содержания в них цинка делятся на три класса:

−α-латунь содержит до 39,5 % цинка;

−(α + β′)-латунь содержит от 39,5 до 45,7 % цинка;

−β′-латунь содержит от 45,7 до 51 % цинка.

60