ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ИЖЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Воткинский филиал

Кафедра ТМиП

КУРСОВАЯ РАБОТА

по материаловедению

«Выбор материалов и режимов термической

обработки в зависимости от условий работы

деталей и элементов конструкций»

Выполнил: студент гр. Д-512 Будилов И.К.

Проверил: доцент, к. т. н. Сметанин В.И.

Воткинск

2007

Содержание

1. Задание 3

2. Введение 4

3. Анализ исходных данных для выбора материала 5

4. Выбор способа формообразования 6

5. Выбор марки материала 6

6. Назначение вида и режима термической обработки 7

7. Описание структуры и свойств готовых деталей 8

8. Литература 9

Задание № 40

Выбрать способ формообразования, марку материала и режим термообработки для шатунов, испытывающих при работе высокие знакопеременные динамические нагрузки (растяжение-сжатие). Сечение шатуна 25–30 мм.

Требуемые механические свойства:

1. σ_В≥900-950 МПа, σ_-1≥390 МПа, KCU≥70-80 Дж/см² .

2. σ_В≥700-750 МПа, σ_-1≥330 МПа, KCU≥70-80 Дж/см².

ВВЕДЕНИЕ

Выбор материала для изготовления той или иной детали определяется в первую очередь условиями работы детали, величиной и характером напряжений, возникающей в ней в процессе эксплуатации, размером и ее формой.

В настоящее время в мире существует огромное количество сталей и всевозможных сплавов, которые применяются в различных областях производства, при этом они могут испытывать различные воздействия, связанные: с видом нагрузки (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, сдвиг), характером нагружения (статический, динамический). Поэтому выбор того или иного материала, для какой – либо отдельно взятой детали или конструкции представляет определённые трудности.

При выборе материала для конкретной детали должны учитываться требуемый уровень прочности, надежности и долговечности, а также технология изготовления, экономия металла и специфические условия службы детали (температура, окружающая среда и т.п.).

Для облегчения выбора разработаны специальные справочники, в которых приводится назначение материалов, их химический состав, механические и технологические свойства, режимы термических обработок, необходимых для придания материалу необходимых свойств.

Выбор материала производится в зависимости от назначения детали, которые приведены в задании. Поэтому выбор материала для шатуна осуществляется в следующей последовательности. Сначала производится анализ исходных данных (требуемых значений технических характеристик материала и условий работы детали), далее делается выбор способа формообразования (штамповка, ковка, механическая обработка и др.), затем выбор марки материала и назначение вида и режима термообработки детали (по справочнику и по анализу исходных данных).

Режим термической обработки для придания материалу необходимых свойств зависит в первую очередь от выбранной марки материала, а в ряде случаев и от способа формообразования. Поэтому выбор материала для штоков в соответствии с полученным заданием осуществлялся в следующей последовательности:

- анализ исходных данных (требуемых значений технических характеристик материала и условий работы детали);

- выбор способа формообразования;

- выбор марки материала;

- назначение вида и режима термической обработки.

АНАЛИЗ ИСХОДНЫХ ДАННЫХ

ДЛЯ ВЫБОРА МАТЕРИАЛА

Задание на курсовую работу предусматривает выбор материала для шатунов, работающих в условиях высоких динамических знакопеременных нагрузок.

Анализ приведенных в задании требований показал следующее.

Довольно высокие значения прочностных характеристик (σ_В≥900-950 МПа, σ_-1≥390 МПа) при хорошей вязкости ( KCU≥70-80 Дж/см²) характерны для средне- и высоколегированных сталей в улучшенном состоянии, то есть после закалки с высоким отпуском. Углеродистые и низколегированные стали с таким уровнем прочности, обычно имеют более низкие пластические и вязкие свойства. Следовательно, искать нужный материал следует в первую очередь среди высоко- и среднелегированных улучшаемых сталей.

Максимальный размер сечения шатуна равен 30 мм, следовательно, именно такой прокаливаемостью должен обладать выбранный материал, чтобы это условие было выполнено. Такая глубина прокаливаемости также характерна для легированных сталей. Для нормальной работы материал должен обладать достаточной теплостойкостью. Работа в условиях приложения знакопеременных нагрузок должна быть обеспечена подбором материала с σ_-1≥390 МПа

ВЫБОР СПОСОБА ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

Учитывая простую форму шатуна, для его изготовления наиболее приемлемым способом формообразования является горячая штамповка. Это позволит, во-первых, получить оптимальное расположение волокна, соответствующее конфигурации детали, во-вторых, приблизить коэффициент использования металла к единице за счет минимального съема металла при последующей механической обработке резанием.

ВЫБОР МАРКИ МАТЕРИАЛА

Для выбора марки материала были проанализированы механические свойства группы улучшаемых сталей [3, стр.77], предназначаемых для изготовления деталей типа валов, шатунов, осей, зубчатых колес зубчатых венцов, осей и др.

Полностью соответствуют, заданным требованиям стали 15ХГН2ТА, 15Х2ГН2ТА и 15Х2ГН2ТРА. Наиболее дешевой из них (менее легированной) является сталь 15ХН2ТА.

Стали, других групп не удовлетворяют заданным требованиям по многим показателям.

Ниже приводятся химический состав, механические и технологические свойства стали 15ХН2ТА по данным справочника [3].

Назначение стали 15ХН2ТА: коленчатые валы, шатуны, шестерни, клапаны, шпильки и другие детали в автомобилестроении, станкостроении и др. Сталь теплоустойчива до +350^оС. [3,стр.78]

Химический состав по ГОСТ 4543-71:

0,13-0,18%С; 0,17-0,37%Si; 0,7-1,0%Mn; 0,7-1,0%Cr; 1,4-1,8%Ni; 0,03-0,09 %Ti; ≤0,035%S; ≤0,035%P; ≤0,30%Cu.[ ]

Механические свойства по ГОСТ 8479-70 в сечении до 30 мм после нормализации при температуре 960 ^оС, закалки с нагревом на 860^оС в масло и отпуска при 180^оС с охлаждением на воздухе или в масле[3,стр79]:

σ_В≥950 МПа, σ_Т≥750 МПа, δ≥11%, ψ≥55%, KCU≥60 Дж/см².

а_н =100 Дж/см² .

Прокаливаемость:

Критический диаметр при закалке в масле (табл.215):

40->>45 мм (50% мартенсита);

30->35 мм (90% мартенсита).

Величина критического диаметра при закалке в масле свидетельствуют о том, что при максимальном сечении 30 мм шатун из стали 15ХН2ТА будет прокаливаться насквозь.

Предел выносливости (табл.211): σ_-1=390-400 МПа.

Сравнение приведенных в [1,табл215] данных со значениями механических характеристик при 20^оС показывает, что снижения прочности, пластичности и вязкости при 350^оС не происходит.

НАЗНАЧЕНИЕ ВИДА И РЕЖИМА

ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

При получении заготовок типа шатунов методом горячей штамповки в процессе нагрева до температуры 1200^оС [3, табл.215] происходит значительный рост зерна. Поэтому для выравнивания и измельчения структуры заготовки шатунов после формообразования целесообразно подвергнуть шатун нормализации с нагревом на 960^оС [3,табл.77].

Оптимальным вариантом окончательной (упрочняющей) термообработки,

обеспечивающей получение требуемых свойств, является, как это следует из предыдущего раздела, закалка с нагревом на температуру 860^оС с охлаждением в масле и отпуск при 180^оС тоже с охлаждением в масле для предотвращения появления отпускной хрупкости.

ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ

ГОТОВЫХ ДЕТАЛЕЙ

Шатуны, изготовленные из стали, горячей штамповкой, подвергающие последующей нормализацией и упрочняющей термообработке, состоящей из закалки с высоким отпуском. Шатун имеет равномерную структуру отпущенный мартенсит с тв.58-62HRC по всему сечению, и обладает следующими механическими свойствами, одинаковыми во всем объеме шатуна:

σ_В≥900-950 МПа, σ_Т≥750 МПа, δ≥11%, ψ≥55%,

KCU≥70-80 Дж/см², σ_-1 390 МПа.

Указанные свойства сохраняются при рабочей температуре, равной 350^оС.

Таким образом, выбор в качестве материала для шатунов стали 15ХН2ТА, изготовление их методом литья и применение в качестве упрочняющей термообработки закалки с высоким отпуском обеспечивает выполнение заданных для этих деталей требований.

Литература

1. Журавлёв В.Н., Николаева О. И. Машиностроительные стали. Справочник. – М.: Машиностроение, 1992.

2. Конструкционные материалы. Справочник. – М.: Машиностроение, 1990.

3. Марочник сталей и сплавов. – М.: Машиностроение, 1989. Материалы в машиностроении. Выбор и применение. Справочник (в 5 томах). – М.: Машиностроение, 1967.

4. Материаловедение. Под ред. Сидорина И.И. – М.: Машиностроение. 1976.

9