Министерство Образования Российской Федерации

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

Санников М.Г.

Проверил: доцент, к. т. н..

Сметанин В.И.

Воткинск 2004

Задание №16

Выбрать способ формообразования или вид полуфабриката, марку материала и режим термической обработки для болтов диаметром 25 мм и длиной 200 мм, предназначенных для крепления крышки турбины. Рабочие температуры - до 450°С.

Требуемые механические свойства при комнатной температуре:

σ_в>1200 МПа, σ_т>1100 МПа, δ>12%, KCU>80 Дж/см².

Введение

Долговечность и надежность деталей машин зависят от материала и его конструкционной прочности, то есть комплекса тех прочностных свойств, которые в наибольшей степени влияют на эксплутационные свойства изделия. В машиностроении используются различные материалы. Материалы, из которых изготовляют детали, обладают различными свойствами.

В настоящее время в мире существует огромное количество (несколько тысяч) 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).

Не существует универсального материала, способного успешно работать во всех этих случаях, при выборе материала необходимо учитывать помимо технологических, физических и механических свойств материала и экономическую сторону вопроса, чтобы конструкция была как можно дешевле, но при этом работала с максимальной эффективностью, для этого надо выбирать наиболее целесообразный вид и форму поставляемого полуфабриката.

Для различных деталей в зависимости от свойств, которые нужны детали применяют различные виды термообработки, которые зависят в первую очередь от выбранной марки материала, а в ряде случаев и от способа формообразования. Поэтому выбор материала для червячной передачи 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 червячной передачи, которая работает в условиях интенсивного износа и повышенной температуры, которая возникает из-за трения.

Высокие значения прочностных характеристик (σ_В≥1000 МПа, σ_Т≥900 МПа) при хорошей вязкости (KCU≥90 Дж/см²) характерны для низко и среднелегированных сталей в улучшенном состоянии, то есть после закалки с высоким отпуском, любые углеродистые стали, не имеют нужной по условию вязкости и прочности, следовательно, искать нужно среди низко и среднелегированных сталей.

По условию заданно, что поверхность детали очень твердая (800 HV) из этого следует, что материал должен подвергаться азотированию или цементации (чтобы поверхность стала очень твердой) так как даже при высоком отпуске сложно добиться такой твердости поверхности, к тому же с увеличением твердости уменьшается вязкость, а она должна быть высокой. Наибольшая толщина детали 50 мм, на такую глубину прокаливаются легированные стали .

Выбор способа формообразования

Учитывая форму детали, для изготовления червяка наилучшим является использование проката диаметром 60 мм (горячий прокат), в качестве способа формообразования оптимальным будет обработка проката на токарном станке; достоинства это простота и быстрота изготовления при этом никакие свойства у материала не изменяются. Сделать червяк при помощи штамповки не возможно, так как у червяка сложная конфигурация, к тому же штамповка происходит с нагревом, а это ведет к росту зерна, и, следовательно, к ухудшению технологических свойств детали. Если рассматривать литье как способ формообразования, то при литье возникает пористость и очень крупное зерно, что отрицательно скажется на свойствах материала, кроме того, эта сталь не обладает литейными свойствами.

Выбор марки материала

Для выбора марки стали, были проанализированы механические свойства, заданные по условию, такими свойствами обладают только легированные стали (так, например KCU≥90 Дж/см² σ_В≥1000 МПа, σ_Т≥900 МПа, простые стали, не обладают такими свойствами).

Заданными свойствами в нужном количестве обладает только одна сталь (№1 стр. 70 табл. №93) это – 38Х2МЮА (KCU≥90 Дж/см² σ_В≥1050 МПа, σ_Т≥900 МПа), другие стали не подходят из-за того, что их свойства хуже заданных, либо стали дорогие. Но главное эта сталь подвергается азотированию в отличие от других подобных сталей. Химический состав по ГОСТ 4543-71(№1 стр.69 табл. №90): 0,35-0,42%С; 0,2-0,45% Si; 0,3-0,5% Mn; 1,35-1,65% Cr; 0,7-1,1% Al; 0,15-0,25%Mo.

Содержание вредных примесей: 0,035%P; 0,035% S; 0,3% Cu; 0,3% Ni .

Назначение: сталь 38Х2МЮА применяется для ответственных деталей турбинно и мотостроения, упрочняемые азотированием: штоки клапанов рессоры, втулки, пальцы, зубчатые колеса, различные детали сложной конфигурации от которых требуется большая твердость поверхности,(№3 стр.307, т. 2) износостойкость. Теплоустойчива до +500 ^о С

Механические свойства после азотирования: до 60 мм KCU≥90 Дж/см² σ_В≥1050 МПа, σ_Т≥900 , МПа δ≥18% , HB сердцевины 269 , HV поверхности 850-1050.

Критический диаметр прокаливания в воде -70 мм, в масле -45мм (№2 стр.295)

Предел выносливости σ_-1 620-630 МПа.

Назначение вида и режима термической обработки.

Так как деталь была получена из проката, следовательно, имеет волокнистую структуру, а значит, ее надо подвергнуть такой термообработке, при которой деталь имела бы равномерную мелкозернистую структуру, и высокую твердость поверхности.

Окончательной термообработкой, обеспечивающей получение требуемых свойств, является закалка при температуре 930-950^о С с охлаждением в воде затем высокий отпуск 600-650^о С на воздухе и азотирование при температуре 480-520^о С с охлаждением до 100^о С в печи.(№1 стр.70 табл.№93)

Структура и свойства готовой детали.

Червяк, изготовленный из проката подвергнутый закалке и высокому отпуску, а затем и азотированию имеет сорбитную структуру по всему сечению. Поверхность состоит из нитридов железа и нитридов некоторых легирующих элементов (№4 стр.303) (нитриды алюминия молибдена и хрома), благодаря которым поверхность обладает высокой твердостью и износостойкостью; деталь обладает следующими механическими свойствами: σ_В≥1000 МПа, σ_Т≥900 МПа , KCU≥90 Дж/ см² δ≥18%, ψ≥50%, HB сердцевины 269 , HV поверхности 850-1050. Предел выносливости σ_-1 620-630 МПа, теплоустойчива до 500 ^о С.

Таким образом, сталь выбранная для этой детали, вид полуфабриката, и термохимическая обработка, обеспечивает выполнения требования для данной детали.

Литература.

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

2. Марочник сталей и сплавов. – М.: Машиностроение, 1989.

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

4. Материаловедение. Под ред. Мозберг Р.К. –Изд. “Валгус”, Таллин, 1976

5. Сметанин В.И., к.т.н., доцент. Выбор материалов и режимов термической обработки в зависимости от условий работы деталей и элементов конструкций. Методические указания к курсовой работе по материаловедению. – ВФ ИжГТУ, 2002 г.

5