Вариант 27

1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей:

а) вал-шестерня редуктора;

б) поршень трактора;

в) зенкер.

2. Указать на каких приборах следует измерять твердость четырех образцов закаленной углеродистой стали с содержанием углерода 0,2; 0,4; 0,6; 0,85 % С. Какой закономерности следует ожидать в изменении структуры и твердости в закаленных сталях при увеличении содержания углерода в указанных пределах.

3. Расшифруйте марку стали ХВГ. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.

Вариант 28

1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей:

а) гильза цилиндра дизеля;

б) развертка;

в) поршневые кольца.

2. Твердость двух плашек для нарезания резьбы из стали 9ХС – 64 HRC и 25 HRC. Укажите, какая из них прошла окончательную термообработку и ориентировочно определите ее полный цикл по температурам и длительности. Объясните, почему недопустимо измерять твердость стальным шариком по шкалеHRB.

3. Расшифруйте марку стали 18Х2Н4ВА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.

Вариант 29

1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей:

а) ножницы по металлу;

б) цементуемое зубчатое колесо;

в) латунная штамповка корпуса часов.

2. Два образца стали 65 имеют твердость: первый 170 НВ, второй 60-62 HRC. Охарактеризовать структуру и режимы термической обработки для этих образцов.

3. Расшифруйте марку стали 7ХФ. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.

Вариант 30

1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей:

а) болты и гайки крепежа паровой турбины;

б) лезвие гильотинных ножниц;

в) пружина стрелочного индикатора.

2. Почему для сталей типа Р18 твердость после закалки равна 60…61 HRC, а после отпуска при 560^оС (троекратного) 64…65HRC. Описать структурные и фазовые превращения, вызывающие повышение твердости.

3. Расшифруйте марку стали 6ХС. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.

2.2. Практическое занятие 2

Задачи по конструкционным сталям.

Теоретическая часть

Легированной называется сталь, в которую для при­дания ей определенных механических, технологических или специальных свойств введены легирующие элемен­ты. Основными легирующими элементами в стали явля­ются Cr – X; Ni – H;Мn– Г; Si – C; Mo – M; W – B; V –Ф; Ti –Т; Со –К; А1 –Ю; В –Р и др. (буква пос­ле тире соответствует обозначению в марке). В сталь вводится один или несколько легирующих элементов. В марке содержание легирующего элемента, если оно пре­вышает 1...1,5 %,указывается цифрой (массовая доля в процентах), стоящей после соответствующей буквы. Цифры в начале марки обозначают содержание угле­рода в сотых долях процента для конструкционных ста­лей, в десятых –для инструментальных.

Конструкционные стали делятся на строительные и машиностроительные. Строительные – предназначе­ны для изготовления строительных конструкций, маши­ностроительные – для изготовления деталей машин. В данной работе рассматриваются машиностроительные стали. Если к машиностроительной стали не предъявля­ется каких-либо специальных требований, работоспособ­ность изделий определяется значениями следующих ха­рактеристик: прочности, пластичности, удельной работы деформации и разрушения (ударная вязкость).

Мерами прочности являются условный предел теку­чести _0,2, предел прочности при растяжении _В и др. Пре­дел текучести _0,2 – напряжение (кг/мм²), при котором относительная пластическая деформация образца не пре­вышает 0,2 %. Предел прочности при растяжении (вре­менное сопротивление) _В – напряжение (кг/мм²) при рас­тяжении образца, соответствующее наибольшей нагруз­ке, приводящей к его разрушению.

Пластичность металлических материалов характери­зуется относительным удлинением δ (%) – отношением прироста длины образца (Δl) в момент его разрыва к первоначальной длине (l₀), а также относительным су­жением ψ (%) – отношением наибольшего уменьшения (в месте разрыва) поперечного сечения образца (ΔF) к первоначальной площади поперечного сечения (F₀).

Ударная вязкость KCU (кгм/см²) является мерой надежности материала и определяет его способность по­глощать механическую энергию в процессе работы под нагрузкой, т. е. характеризует сопротивляемость мате­риала разрушению вследствие разрастания возникшей в месте концентрации напряжений микротрещины. Ми­кротрещина, если она не растет, может существовать до­статочно долго в материале, не снижая его работоспособ­ности. Рост трещины при низкой пластичности металла приводит к его разрушению. Таким образом, разрушение материала следует рассматривать как процесс зарожде­ния и роста трещины, который характеризуется периодом времени (τ) от момента приложения нагрузки до момен­та разрушения. Этот период времени, в течение которого работает изделие, характеризует долговечность мате­риала.

В случаях, когда детали машин подвергаются высо­ким нагрузкам, для их изготовления необходимо приме­нять улучшаемые стали. Улучшаемыми называются стали, подвергаемые закалке и высокому отпуску. При такой обработке сталь имеет структуру зернистого сорбита, обеспечивающую наилучшее сочетание ее прочности и вязкости. Естественно, что для получения такой струк­туры сталь должна обладать сквозной прокаливаемостью.

Если же деталь испытывает изгибающие или крутя­щие нагрузки, сердцевина детали практически не подвер­гается их воздействию. В этом случае сквозная прокаливаемость не всегда необходима, более того, требуется вязкая, не закаленная на мартенсит сердцевина. При таких нагрузках важно упрочнять рабочие поверхност­ные слои изделий одним из известных в настоящее время методов. Выделяют группу конструкционных поверхност­но упрочняемых сталей. Они могут использоваться благо­даря высокой поверхностной твердости как конструк­ционные износостойкие (например, при работе детали в паре с подшипником скольжения).

Сквозную прокаливаемость, одинаковую структуру и свойства по всему сечению, высокие пределы упругости, пропорциональности, текучести и выносливости, повышенную релаксационную стойкость должны иметь рессорно-пружинные стали.

Оптимальные свойства рессор и пружин обеспечивает сталь со структурой троостита отпуска твердостью 42...48 НRС. При выборе материала надо учитывать, что углеродистые стали имеют значительно меньшую про­каливаемость, чем легированные, и пригодны лишь для изготовления рессор и пружин малого сечения. В 1,5...2 раза можно повысить предел выносливости рессор и пружин, а, следовательно, и их долговечность за счет ги­дроабразивного или дробеструйного наклепа.

Конструкционные улучшаемые углеродистые и леги­рованные стали содержат 0,3...0,5 % С. Повышать содер­жание углерода в этих сталях нецелесообразно, так как они становятся хрупкими и непригодными для использо­вания в машиностроении. Из улучшаемых сталей изго­тавливают шпильки, болты, гайки, шпонки, шпиндели, оси, муфты, коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, шестерни и другие детали.

Если деталь имеет сравнительно простую конфигура­цию, при которой закалка в воде допустима, размер ее сечения не превышает 10...12 мм, а воспринимаемые на­грузки сравнительно невелики (σ_В<60 кг/мм²), ее можно изготавливать из углеродистых качественных сталей марок 30, 35, 45. После закалки и высокого отпуска сталь приобретает структуру сорбита зернистого. Для повы­шения прочностных характеристик изделий сложных форм при размерах сечения более 10...12 мм используют легированные стали. Суммарное содержание легирую­щих элементов, как правило, не превышает 5 %. Стали в этом случае легируют хромом, марганцем, кремнием (массовая доля каждого не должна превышать 2 %, а также Ni – до 5 %, Мо – до 0,5, V или Ti – до 0,12 %). Легирующие элементы растворяются в цементите и фер­рите.

Хром, марганец, кремний и никель, легируя феррит, повышают его прочность, не снижая или даже увеличивая при этом вязкость. Кроме того, эти элементы, введенные по отдельности или в со­четании (Cr+Ni; Cr+Ni+Mo), повышают устойчивость переохлажденного аустенита. В результате снижается критическая скорость закалки и, как следствие, суще­ственно повышается прокаливаемость стали. Сказанное позволяет использовать легированные стали для изго­товления изделий со стенкой различной толщины (мень­ше 10...12 мм) и проводить их закалку в мягких средах, таких, как масло.

Никель и хром (до 1 %) – те немногие элементы, которые надежно понижают порог хладнолом­кости стали. Молибден при введении в хромомарганцовистые и хромоникелевые стали предотвращает их охрупчивание, развивающееся при медленном охлажде­нии с температур высокого отпуска (отпускная хрупкость).

Порог хладноломкости – интервал температур, при которых металл из вязкого состояния переходит в хруп­кое. При температурах выше порога хладноломкости ме­талл разрушается вязко (т. е. разрушению предшествует пластическая деформация), ниже – хрупко. Обычно за порог хладноломкости принимают температуру полухруп­кого разрушения (T₅₀). Надежная эксплуатация изделия возможна лишь при температурах выше порога хладно­ломкости. Чем больше разница между температурой экс­плуатации изделия и средней температурой интервала хладноломкости T₅₀, тем больше запас вязкости, тем на­дежнее работа изделия.

Температура полухрупкого разрушения зависит от хи­мического состава и микроструктуры стали, размера зер­на, вида термической обработки и микроструктуры. Порог хладноломкости стали активно снижается за счет ее леги­рования хромом (до 1 %) и особенно никелем. Снижение T₅₀ составляет примерно 10 °С при уве­личении массовой доли никеля в стали на 0,01 %. Улучшен­ное состояние сталей соответствует наиболее низкому значению T₅₀, т.е. повышению запаса вязкости.

Повышение долговечности деталей машин и оборудо­вания, прежде всего, связано с упрочнением поверхностных слоев изделий, поскольку разрушение металлических из­делий в большинстве случаев развивается с поверхности. Условно методы упрочнения можно разделить на три группы: 1) нанесение на поверхность слоя другого мате­риала с заданными свойствами; 2) изменение структуры поверхностного слоя; 3) изменение химического состава поверхностного слоя диффузионным путем.

Нанесение на поверхность изделий слоев других ме­таллов (химическим или гальваническим способом, свар­кой, наплавкой, пайкой, припеканием, металлизацией) или неметаллических материалов (окрашиванием, эмали-рованием, гуммированием и другими методами) позво­ляет не только упрочнять или защищать детали от воз­действия внешней среды, но и в большинстве случаев восстанавливать их изношенные поверхности. Так, газопорошковая или индукционная наплавка металлических порошков системы Ni – Сг – В – Si – С позволяет вос­станавливать и упрочнять гильзы цилиндров, штоки, ва­лы, защитные втулки и ряд других деталей. Полученные покрытия обладают высокой твердостью (до 61 HRC), износостойкостью и коррозионной стойкостью.

Поверхностные слои стальных изделий можно упроч­нять холодным пластическим деформированием, поверх­ностной закалкой, лазерной обработкой и некоторыми другими методами. Рассмотрим названные методы не­сколько подробнее. Холодное пластическое деформирова­ние обеспечивает наклеп, т.е. упрочнение металла. Если наклепу подвергать поверхностный слой изделия, повышаются твердость и износостойкость его поверхности, создаются большие остаточные напряжения сжатия, возрастает сопротивление усталости, улучшается качество поверхности. Основные способы поверхностного упрочнения деталей наклепом: дробеструйная обработка, обкатка, чеканка. Упрочнение наклепом на глубину до 0,7 мм небольших деталей сложной формы (пружин, рес­сор, гильз, звеньев цепей и др.) осуществляют дробе­струйной обработкой. Поток твердой дроби из белого чу­гуна направляют дробеметом на упрочняемую поверх­ность. Дробь при ударе пластически деформирует металл на небольшую глубину.

Обкатка твердосплавными роликами или шариками с помощью специальных приспособлений на металлообра­батывающих станках позволяет обеспечить наклеп на большую глубину (до нескольких миллиметров) и приме­няется для упрочнения крупных деталей в зонах концент­рации напряжений (например, шеек и галтелей валов).

Ответственные сварные соединения подвергают по­верхностному упрочнению чеканкой, т.е. ударному воз­действию механических или пневматических бойков. Глу­бина наклепа при этом увеличивается.

Поверхностная закалка детали, в отличие от объем­ной, позволяет упрочнять только поверхностный слой на определенную глубину. Ее можно проводить двумя спосо­бами. В первом случае нагревают только поверхностный слой, который затем закаливают при охлаждении. В дру­гом нагревают всю деталь, но при закалке охлаждают только поверхностный слой со скоростью, большей крити­ческой.

Наиболее распространены в практике поверхностная закалка с индукционным нагревом токами высокой часто­ты (ТВЧ) и газопламенная. После закалки проводят низ­кий отпуск при 150...200 °С. Поверхностной закалке с на­гревом ТВЧ и последующему низкому отпуску подвер­гают коленчатые валы, распределительные валики, ше­стерни и другие детали машин, изготавливаемые из углеродистых и легированных сталей, содержащих 0,4...0,6 %С (стали 40, 45, 50,35Х, 45Х, 40ХН, 40ХНМ и др.). Получаемая в закаленном слое микроструктура мелко­игольчатого мартенсита отпуска обеспечивает его высо­кие твердость (55...62 HRC)и износостойкость. Рассмат­риваемый технологический процесс высокопроизводите­лен, успешно применяется в массовом и серийном производстве в машиностроении, характеризуется высо­ким уровнем автоматизации.

Для крупных деталей (валы, прокатные валки) более экономичной является поверхностная закалка с нагревом газопламенными горелками (кислород-ацетиленовыми, кислород-пропановыми и другими).

При поверхностном упрочнении деталей особо слож­ной конфигурации на малых участках их поверхности с обеспечением минимальных деформаций (резцы, элемен­ты штамповой оснастки, втулки и седла клапанов, порш­невые кольца, галтели коленчатых валов, вкладыши ци­линдров и др.) наиболее эффективно лазерное поверх­ностное упрочнение. Общие затраты энергии при таком упрочнении примерно в 3раза ниже, чем при закалке ТВЧ, и в 20раз ниже, чем при объемной закалке в печи. Наибольшее применение лазерное упрочнение нашло в автомобилестроении.

Лазерная обработка применяется для упрочнения углеродистых и легированных конструкционных и инстру­ментальных сталей (40, 45, У10, Х12, ХВГ, Р18, ШХ15), серых, ковких и высокопрочных чугунов.

Можно получить закаленный поверхностный слой также и при сквозном нагреве детали, если она изготов­лена из стали ограниченной прокаливаемости (55ПП – пониженной прокаливаемости; 47РП – регламентируе­мой прокаливаемости).

Поверхностное упрочнение деталей можно осущест­вить химико-термической обработкой (ХТО), т.е. путем их нагрева в химически активной среде, вызывающего изменение химического состава, а, следовательно, струк­туры и свойств металла поверхностного слоя. В зависи­мости от вида применяемой ХТО можно избирательно повысить его твердость, износостойкость, окалиностойкость и улучшить ряд других свойств. Основным преиму­ществом ХТО перед другими методами поверхностного упрочнения является возможность радикального измене­ния свойств стали и независимость результатов от степе­ни сложности формы детали. При ХТО происходит диф­фузионное насыщение стали при высокой температуре соответствующим элементом (С, N,В, Сrи др.) или комп­лексом элементов. Применяют в промышленности такие виды ХТО поверхностных слоев стальных изделий, как науглероживание, азотирование, цианирование, борирование, диффузионная металлизация.

Науглероживание (цементация) – это процесс насы­щения поверхностного слоя стальных деталей углеродом при температурах 880...950 °С в углеродсодержащей сре­де (карбюризаторе). Выбор температур выше Ас₃ обус­ловлен значительной растворимостью углерода в аустените. Иногда цементацию ведут при температурах до 1050 °С, что позволяет значительно ускорить диффузию углерода и процесс насыщения им поверхностного слоя детали. Цель цементации и последующей термической об­работки – повышение твердости, износостойкости и пре­дела выносливости стали.

Цементации подвергают зубчатые колеса, распреде­лительные валики, втулки, поршневые пальцы и другие детали из углеродистых или легированных сталей, содер­жащих до 0,3 %С. Такие стали называют цементуемыми. Науглероживание и термическая обработка детали обес­печивают получение ею твердого поверхностного слоя при вязкой сердцевине. Толщина науглероженного слоя обыч­но составляет 0,4...2мм, содержание углерода в нем – 0,9...1,1 %.

Азотирование – это процесс диффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом при температурах 500...650 ^оС в среде аммиака. Азотирование широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например зубчатых колес, гильз цилиндров, штоков пароводяной арматуры, валов. Ему предшествует термическая обработка (улучшение).

В сталях, подвергаемых азотированию – нитраллоях (38ХМЮА, 35ХМА, 30Х2В2НФА, 30ХНМФА, 38ХВФЮА, 3Х2ВФ и др.) легирующие элементы образуют стойкие и весьма твердые нитриды (VN,W₂N, AlN,CrN и др.). Если твердость углеродистой азотированной стали составляет около НV 0,1 200;легированной конструкционной – около HV 0,1 800; то нитраллоя – околоHV 0,1 1200. Углеродистые и низколегированные стали азотируют для повышения их коррозионной стойкости, а высоколегированные – для повышения твердости, износостойкости и предела выносливости. Азотированная сталь сохраняет высокую твердость в отличие от цементованной, до сравнительно высоких температур (500...520^оС). Преимущество азотирования перед цементацией – меньшая температура проведения процесса и меньшие деформации, недостатки – весьма большая (до 90 ч) продолжительность процесса и малая толщина получаемого диффузионного слоя (не более 0,8 мм).

Цианирование– процесс одновременного насыщения поверхностных слоев стальных изделий азотом и углеродом. Наибольшее распространение получило одновременное насыщение азотом и углеродом в газовой среде, состоящей из науглероживающего газа и аммиака, при температурах 820...860^оС (нитроцементация). Продолжительность процесса составляет 4...10 ч, оптимальное содержание азота в слое – около 0,15 %, углерода – 1,4 %. После нитроцементации детали (зубчатые колеса, втулки, валы и др.) подвергают термической обработке: закалке непосредственно из печи и низкому отпуску. Нитроцементированный слой имеет структуру мелкокристаллического мартенсита с небольшим содержанием карбонитридов и около 25 % остаточного аустенита. Его окончательная твердость – 58...60HRC. Нитроцементация в большей степени, чем цементация, повышает износо- и коррозионную стойкость детали.

Борирование– процессдиффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий бором при температурах 900...950 ^оС в течение 2...6 ч. Цель борирования – повышение твердости, износостойкости и некоторых других свойств стали. Диффузионный слой толщиной 0,05...0,15 мм, сростоящий из боридов FeB иFe₂B, обладает весьма высокой твердостью (доHV 0,1 2100), стойкостью к абразивному изнашиванию, коррозионной стойкостью. Поэтому борирование эффективно при необходимости повышения стойкости бурильного и штампового инструмента.

Диффузионная металлизация– процессдиффузного насыщения поверхностных слоев стальных изделий металлами (хромом, цинком, алюминием и др.). Насыщение разными металлами преследует различные цели. Так, цинкование позволяет в десятки раз повысить коррозионную стойкость труб и листового железа, алюминирование – жаростойкость и коррозионную стойкость стали, хромирование углеродистых сталей – их износо-, жаро- и коррозионную стойкость. После хромировая получается слой карбидов (CrFe)₂₃C₆ и(CrFe)₇C₃ толщиной до 0,03 мм с весьма высокой твердостью (до HV 0,1 2000). Оно весьма эффективно для обработки быстроизнашивающихся деталей, работающих в агрессивных средах.

В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения. При выборе способа и технологии поверхностного упрочнения стальных изделий необходимо учитывать не только условия, в которых они работают, возможные изменения их размеров, физико-механические свойства металла, но и характер производства деталей (единичный, массовый), производительность способа упрочнения, его рентабельность.

Пример решения задачи

Вариант 0

Заводу нужно изготовить вал 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 20ХНЗА. 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.

Решение задачи. Химический состав стали марок Ст4, 45 и 20ХНЗА следующий:

Ст4 (ГОСТ 380 – 71): 0,18…0,27% С; 0,4…0,7% Mn; 0,12…0,30% Si; <0,30% Cr; <0,30% Ni; <0,05% S и <0,04% Р.

45 (ГОСТ 1050 – 74): 0,42…0,50% С; 0,50…0,80% Mn; 0,17…0,37% Si; <0,25% Cr; <0,25% Ni; <0,045% S; <0,04% Р.

20ХНЗА (ГОСТ 4343 – 71): 0,17…0,23% С; 0,30…0,60% Mn; 0,17…0,37% Si; 0,60…0,40% Cr; 2,75…3,15% Ni; 0,025% S и 0,025 % Р.

Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки): σ_В = 420…540 МПа; σ_0,2 > 240…260 МПа; δ > 21 %.

Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после про­катки и отжига) имеет твердость не более 207 НВ. При твердости 190 – 200 НВ сталь имеет σ_В не выше 600…620 МПа, а при твер­дости ниже 180 НВ σ_В не превышает 550…600 МПа. Для отожжен­ной углеродистой стали отношение σ_0,2/σ_В составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом состоянии не превышает 270…320 МПа.

Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более 250 НВ. Следова­тельно, временное сопротивление (σ_В) при твердости 230 – 250 НВ не превышает 670…750 МПа и может быть ниже 600 МПа для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести со­ставляет 350…400 МПа, так как σ_0,2/σ_В для отожженной легиро­ванной стали равно 0,5 – 0,6.

Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке при возможном использовании всех трех сталей.

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 20ХНЗА – 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 20ХНЗА 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 20ХНЗА реко­мендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820…835 °С в масле.

При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это тре­буется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсита твердостью не ниже НRС 50.

2. Отпуск 520…530 °С. Для предупреждения отпускной хруп­кости, к которой чувствительны стали с хромом (или с марган­цем), в том числе совместно с никелем, вал после указанного нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обра­ботки:

Временное сопротивление растяжению σ_В, МПа ........ 900…1000

Предел текучести σ_0,2, МПа ………………………...….750…800

Предел выносливости σ_-1, МПа ..…………………….. 400…430

Относительное удлинение δ, % .... …………………… 8…10

Относительное сужение ψ, % ..……………………….. 45…50

Ударная вязкость KCV, кДж/м² ………………………. ≥ 900

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, сфор­мулированные в задаче для вала диаметром 70 мм.

ЗАДАЧИ

Вариант 1

Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возникающих напряжений можно изготавливать из стали обык­новенного качества, качественной углеродистой и легированной с различным содержанием легирующих элементов. Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими соображениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и высотой 30 мм с пределом текучести не ниже 360…380 МПа. Указать термиче­скую обработку колес, механические свойства и структуру выбран­ной стали в готовом изделии и для сравнения механические свой­ства и структуру сталей 45 и 40ХН после улучшающей термической.обработки.

Вариант 2

Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого – не ниже 500 МПа. Указать: состав и марку выбранных сталей; рекомендуемый режим термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сече­ния и прочности?

Вариант 3

Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при повышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из качественной углеродистой стали, а на другом те же валы, но диаметром 120 мм – из легированной стали. Какие стали следует применять для этой цели? Указать их химический состав и марки. Рекомендовать режим закалки и отпуска и сопоставить механи­ческие свойства, которые могут обеспечить углеродистая каче­ственная и легированная стали выбранных марок для валов указанных диаметров.

Вариант 4

Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: временное сопротивление должно быть не ниже 750 МПа. Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска.

Предложить и обосновать режим упрочняющей обработки для повышения износостойкости коренных и научных шеек вала.

Вариант 5

Завод должен изготовить три вала двигателей. Они должны иметь временное сопротивление растяжению не ниже 750 МПа. Однако первый вал имеет диаметр 35 мм, второй 50 мм и третий 120 мм. Выбрать сталь (стали) для изготовления валов, обосно­вать сделанный выбор, рекомендовать режим термической обра­ботки и указать структуру и механические свойства в готовом вале. Оценить необходимость и возможность применения упрочняющих технологий.

Вариант 6

На заводе изготавливали валы двигателей внутреннего сгорания диаметром 60 мм из стали с пределом текучести 200…230 МПа и относительным удлинением 20…22%. В дальнейшем был получен заказ на валы такого же диаметра для более мощных двигателей. Завод должен был гарантировать для валов одного типа предел текучести (σ_0,2) не ниже 600 МПа и ударную вязкость не ниже 600 кДж/м², а для валов другого типа σ_0,2 не ниже 800 МПа и ударную вязкость не ниже 800 кДж/м².

Указать стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после окончательной обработки. Указать, как изменится отношение σ_0,2/σ_В у выбранных сталей в результате выполнения улучшающей термической обработки.

Вариант 7

Шестерни подвергаются действию знакопеременных и ударных нагрузок и должны иметь максимально однородные свойства в продольном и поперечном направлениях. Их изго­тавливают в зависимости от типа двигателя из стали с временным сопротивлением растяжению (σ_В) 700…750 МПа и 900…950 МПа. Удар­ная вязкость (КСU) в обоих случаях должна быть не ниже 700…800 кДж/м².

Выбрать сталь для шестерен обоих типов, привести состав, марку, режим термической обработки, микроструктуру и механи­ческие свойства в готовом изделии. Указать последова­тельность операций ее изготовления, начиная с получения стали на машиностроительном заводе. Рекомендовать операцию, поз­воляющую создать в стали однородное строение, а следовательно, и однородные свойства в продольном и поперечное направлениях.

Вариант 8

Завод изготавливает два типа зубчатых колес диа­метром 60 мм и высотой 80 мм для работы в одинаковых усло­виях. Предел текучести (σ_0,2) должен быть не ниже 540…550 МПа.

Однако второй тип зубчатых колес отличается от первого более сложной формой зуба и поэтому шлифование их после упрочня­ющей обработки исключено. Выбрать сталь для зубчатых колес указанных двух типов и привести состав и марку, учитывая технологические особенности термической обработки и необходи­мость предотвратить деформацию и образование трещин при закалке. Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать режим термической обработки и указать механические свойства в готовом изделии.

Вариант 9

Червяк редуктора диаметром 35 мм можно изготовить из цементуемой и нецементуемой стали. Обосновать, в каких случаях целесообразно применять цементуемую и в каких слу­чаях нецементуемую сталь. Временное сопротивление растяжению (σ_В) в сердцевине детали должно быть 600…700 МПа. Выбрать марку цементуемой и нецементуемой углеродистой качественной стали. Указать химический состав, рекомендовать режим химико-тер­мической и термической обработки и сопоставить механические свойства стали обоих типов в готовом изделии.

Вариант 10

Цех изготавливает зубчатые колеса диаметром 50 мм из цементуемой стали. Выбрать сталь для двух зубчатых колес, работа­ющих в условиях износа и удара при повышенных напря­жениях.

Указать химический состав выбранных сталей, рекомендовать режим термической обработки, объяснить назначение каждой операции термической обработки и ее влияние на структуру и свойства стали. Рекомендовать толщину цементованного слоя для данной детали.

Вариант 11

Станкостроительный завод изготавливает шпиндели токарных станков. Шпиндели работают с большой скоростью в условиях повышенного износа, поэтому твердость в поверхно­стном слое должна быть НRС 58…62. Выбрать стали для шпин­делей диаметром 40 и 75 мм. Привести состав и марку выбранной стали и рекомендовать режим обработки, обеспечивающий полу­чение заданной твердости в поверхностном слое в условиях скоро­стной термической обработки. Указать структуру стали в по­верхностных слоях и в сердцевине шпинделя, механические свой­ства сердцевины после окончательной термической обработки.

Вариант 12

Заводу необходимо изготовить шпиндели для токарных станков, работающих в условиях износа, и для шлифовальных станков, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точ­ность обработки. Поэтому деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной, а шпиндели, кроме того, должны иметь повышенную износостойкость. Выбрать стали для шпинделей обоих типов рекомендовать режим обработки. Указать структуру стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.

Вариант 13

Палец шарнира диаметром 30мм работает на изгиб, и срез должен, кроме того, обладать высокой износостойкостью на поверхности и высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению в сердцевине. Выбрать углеродистую сталь, привести ее состав и марку, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и указать структуру, механические свойства в сердцевине и твердость на поверхности после оконча­тельной обработки. Указать желательную толщину твердого поверхностного слоя. Объяснить, в каких случаях необходимо выбрать легированную сталь и какие механические свойства можно гарантировать в сталях указанных различных типов.

Вариант 14

Конические зубчатые колеса диаметром 50 мм в элек­тротележке работают в условиях динамических нагрузок и повы­шенного износа. По требованию конструктора сталь должна обладать высоким сопротивлением вязкому и хрупкому разруше­нию изделия в сердцевине.

Выбрать углеродистую цементуемую сталь, указать состав, рекомендовать режим термической обработки для получения максимальной вязкости в сердцевине изделия, если цементация выполняется в твердом карбюризаторе. Одновременно для сравне­ния указать режим термической обработки после цементации в га­зовой среде. Указать механические свойства стали в сердцевине изделия и твердость на поверхности после окончательной терми­ческой обработки и объяснить, целесообразно ли применение для этой цели стали обыкновенного качества.

Вариант 15

Заводу нужно изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм. Они должны иметь твердость на поверхности не ниже НRС 58…60, а в сердцевине временное сопротивление растяжению (σ_В) не ниже 400 МПа и удар­ную вязкость (КСU) не ниже 500…600 кДж/м². Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке. Выбрать сталь и рекомендовать режим термической обработки после цементации для получения заданных механи­ческих свойств и предупреждения брака по деформации. Указать структуру стали в сердцевине и поверхностном слое после окон­чательной обработки и причины, вызывающие деформацию при закалке.

Вариант 16

Стаканы цилиндров мощных моторов должны иметь особо повышенную износостойкость на рабочей поверхности и высокую твердость (HV 0,1 950…1000) и высокие механические свойства в сердцевине (предел текучести σ_0,2 должен быть не менее 750 МПа). Указать марку стали, применяемую для этого, и реко­мендовать режим термической и химико-термической обработки, последний с учетом сокращения его продолжительности. Сопоставить последовательность применяемых при этом термических операций, продолжительность химико-термической обработки, толщину, структуру и твердость поверхностного слоя и сравнить выбранные сталь и режим обработки с составом стали и обработкой, применяемой при цементации или нитроцементации.

Вариант 17

Завод изготовляет коленчатые валы диаметром 35 мм; сталь в готовом изделии должна иметь предел текучести σ_0,2 не ниже 300 МПа и ударную вязкость (КСU) не ниже 500 кДж/м². Кроме того, вал должен обладать повышенной износостойкостью не по всей поверхности, а только в шейках, т.е. в участках, сопряженных с подшипниками и работающих на истирание. Привести марку стали, рекомендовать режим термической обработки всего вала для получения заданных свойств и высокопроизводительный режим последующей термической обработки, повышающей твер­дость только в отдельных участках поверхности вала; указать необходимое для этого оборудование. Привести структуру и твер­дость стали в поверхностном слое шейки вала и структуру и меха­нические свойства в остальных участках.

Вариант 18

Многие крупные детали для железнодорожного транс­порта, например автосцепки, изготавливают литыми. Для повы­шения механических свойств отливки подвергают термической обработке. Выбрать марку стали и обосновать режим термической обработки, если временное сопротивление должно быть не ниже 350 МПа. Указать структуру и механические свойства стали после литья и после термической обработки.

Вариант 19

Направляющие станин станков изготовляют из чугуна. Однако, в дальнейшем, для повышения износостойкости этих направляющих их изготовляют из стали. Рекомендовать состав стали для таких деталей и режим скоростной поверхностной упрочняющей обработки. Привести значения твердости, которые при этом могут быть достигнуты. Для сравнения указать марку чугуна, который используется для подобных деталей.

Вариант 20

Рессоры грузового автомобиля изготавливают из качественной легированной стали; толщина рессоры до 10 мм. Сталь в готовой рессоре должна обладать высокими пределами текучести, выносливости и упругости. Рекомендовать режим термической обработки, структуру и механические свойства, которые можно получить при правильном выборе состава стали и обработки рессоры. Объяснить, как влияет состояние поверх­ности на качество рессоры, и указать способ обработки поверх­ностного слоя, позволяющий повысить предел выносливости.

Вариант 21

Рессоры трехтонного грузового автомобиля изготав­ливаются из листов стали 60С2 толщиной 10мм, которые после закалки и отпуска должны получить высокую прочность по всему сечению. Для автомобиля большей грузоподъемности рессоры должны быть толщиной 20мм, и тогда в стали 60С2 уже нельзя обеспечить равномерного упрочнения по всему сечению. Указать способ обработки поверхностного слоя, позволяющий повысить предел выносливости.

Вариант 22

В термическом цехе обрабатывают зубчатые колеса диаметром 30 мм, изготовленные из стали 20Х. Цех отказался от выполнения цементации в твердом карбюризаторе и наметил более производительный процесс газовой нитроцементации. Сравнить условия и режим всего цикла химико-термической и терми­ческой обработки зубчатых колес в случае выполнения цементации в твердом карбюризаторе и нитроцементации. Требуемая толщина поверхностного твердого слоя 0,4…0,6 мм. Указать микрострук­туру и твердость поверхности и механические свойства в сердце­вине после окончательной обработки.

Вариант 23

В сложных механизмах применяют зубчатые колеса нескольких типов; их изготавливают из разных материалов и подвергают различной термической обработке. Завод изготавли­вает зубчатые колеса:

• цементованные, имеющие временное сопротивление (σ_В) в сердце­вине 650…700 МПа и ударную вязкость (КСU) не менее 800 кДж/м²;

• азотированные, имеющие временное сопротивление в сердцевине 950…1000 МПа и ударную вязкость не менее 900 кДж/м²;

• из термически улучшенной стали с σ_В = 900…1000 МПа и ударной вязкостью не ниже 600 кДж/м².

Выбрать марки сплавов, привести их химический состав, обработку и структуру, необходимые для получения указанных механических свойств. Сравнить режимы обработки и учитывая свойства, полученные в готовом изделии, определить, для каких условий эксплуатации наиболее рационально использовать ме­таллы указанных выше свойств. При решении можно принять, что зубчатые колеса всех типов имеют одинаковые диаметр (50 мм) и высоту (80 мм).

Вариант 24

Завод приводит химико-термическую обработку массо­вых партий зубчатых колес диаметром 50 мм из стали 20 в терми­ческом цехе. Зубчатые колеса поступали в термический цех из механического цеха, а затем вновь возвращались для окончатель­ной обработки в механический цех. Для повышения производи­тельности и сокращения длительности производственного цикла завод изменил марку стали и начал выполнять закалку с индук­ционного нагрева. Это позволило проводить термическую обра­ботку непосредственно в потоке механического цеха. Привести марку стали, из которой следует изготавливать зубчатые колеса, закаливаемые с индукционного нагрева. Указать технологический режим обоих процессов термической обработки и сравнить их по продолжительности операций.

Вариант 25

Поршневые пальцы диаметром 30 мм и длиной 50 мм должны иметь по условиям работы вязкую сердцевину и твердую поверхность, хорошо сопротивляющуюся износу (HRC58…62). Указать режим обработки, обеспечивающий получение требуемых свойств, если пальцы изготавливают массовыми партиями из сталей 20 и 45. Привести химический состав сталей 20 и 45 и сравнить продолжительность выдержки изделий из стали 20 при цементации и из стали 45 при других способах обработки для получения поверхностного твердого слоя толщиной 0,8…1,0 мм. Указать цикл всех операций термической обработки поршневых пальцев из этих сталей и механические свойства в сердцевине изделия из сталей 20 и 45.

Вариант 26

Стаканы цилиндров двигателей внутреннего сгорания с толщиной стенки 40 мм должны обладать высоким сопротивле­нием износу на поверхности. На заводе детали изготавливают из стали 20 с последующей цементацией и термической обработкой. В дальнейшем завод начал изготавливать цилиндры более ответ­ственного назначения с повышенной износостойкостью и твер­достью на поверхности не ниже HV 0,1 950…1000. Эту твердость сталь должна сохранить при нагреве до 300…400 °С. Указать сталь, которую необходимо выбрать для этой цели, и изменения, которые следует внести в технологический процесс термической и химико-термической обработки. Сравнить оба процесса обра­ботки по последовательности и продолжительности операций, а также механические свойства и твердость на поверхности и в нижележащих слоях, получаемые в результате изменения химического состава стали и применения каждого из этих процессов.

Вариант 27

Для повышения износостойкости стаканов цилиндров мощных двигателей внутреннего сгорания применяют азотирование. Выбрать сталь, пригодную для азотирования, привести химический состав, рекомендовать режим термической обработки и режим азотирования и указать твердость поверхностного слоя и механические свойства нижележащих слоев в готовом изделии. Сравнить: твердость, получаемую при азотировании с получаемой при цементации; температуры, до которых может быть сохранена высокая твердость азотированного и цементованного слоев; при каком из этих процессов меньше деформация детали. Указать возможный состав и толщину азотированного слоя.

Вариант 28

Несущие конструкции современных морских и речных судов должны иметь повышенные габариты и массу, если их изготавливают из углеродистой строительной стали обыкновен­ного качества. Выбрать марку строительной стали с примерно таким же относительно низким содержанием углерода, но с пре­делом текучести в 1,5 раза более высоким, чем у стали марки Ст3, и хорошей свариваемостью. Объяснить, какими путями может быть достигнуто указанное улучшение свойств.

Вариант 29

Кузов автомобиля изготавливают холодной штампов­кой с вытяжкой стального листа. Выбрать марку стали для листа. Указать химический состав стали и особенности ее производства, обеспечивающие повышенную способность к значительной вы­тяжке.

Вариант 30

В термическом цехе обрабатывают зубчатые колеса диаметром 30 мм из стали 20Х. Цех отказался от выполнения цементации в твердом карбюризаторе и наметил более прогрессивный процесс газовой нитроцементации. Сравнить условия и режим всего цикла химико-термической и термической обработки зубчатых колес в случае выполнения цементации в твердом карбюризаторе и газовой нитроцементации. Требуемая толщина поверхностного слоя 0,4…0,6 мм. Указать микроструктуру и твердость на поверхности и механические свойства в сердцевине после окончательной обработки.