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 2005

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

Одной из актуальных тем на сегодняшний день является решение проблемы повышения качества и долговечности продукции в промышленности. В результате непрерывного роста уровня современной техники, усложнением и расширением требований, предъявляемых к свойствам и качеству металлических сплавов, существует необходимость в постоянном совершенствовании технологических процессов, связанных с производством продукции из металлов и сплавов.

Сейчас известно большое количество металлов и сплавов, которые применяются в различных областях промышленности. Чтобы было проще выбрать материал для изделия, металловеды выделили среди них группы по назначению, характерным физическим свойствам, химическому составу и методу термической или химико-термической обработки.

В настоящее время металл пытаются заменить другими более легкими материалами, но в результате получаются вещества, или более дорогие по себестоимости, или не удовлетворяющие необходимым механическим свойствам. Металлы же прочно заняли свою нишу в промышленности и являются наиболее качественным, универсальным и долговечным материалом для производства различных деталей машин и механизмов.

В данной курсовой работе необходимо выбрать марку материала так, чтобы она удовлетворяла ряду требований готовой детали: твердости поверхности, ударной вязкости, пределу прочности и текучести. Также необходимо учесть условия, в которых будет работать деталь, например динамические нагрузки, контактные напряжения, границы рабочих температур и др. Кроме того, на долговечность работы будет влиять такой фактор, как агрессивность среды, в которой ведется эксплуатация детали. Все вышеперечисленные факторы влияют на выбор марки материала и способ химико-термической обработки.

Анализ исходных данных для выбора материала

Задание на курсовую работу предусматривает выбор материала для болтов, работающих в условиях повышенной температуры до 450°С.

Анализ приведенных в задании требований показал следующее.

Высокие значения прочностных характеристик (σ_В≥1200 МПа, σ_Т≥1100 МПа) при хорошей вязкости (KCU≥80 Дж/см²) характерны для среднеуглеродистых легированных сталей(не более 0,3 – 0,5 % C) в улучшенном состоянии, то есть после закалки с высоким отпуском.

Выбор способа формообразования

Учитывая простую форму болта, для его изготовления наиболее приемлемым является использование проката Ø25 мм в горячекатаном состоянии. В качестве способа формообразования для болта следует применить горячую высадку. 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 обработке резанием.

Выбор марки материала

Для выбора марки стали, были проанализированы механические свойства, заданные по условию, такими свойствами обладают только среднеуглеродистые легированные стали(так, например KCU≥80 Дж/см² σ_В≥1200 МПа, σ_Т≥1100 МПа).

Заданным требованиям соответствует только одна сталь (3 стр. 128 табл. 222) это – 38ХН3МФА (KCU≥80 Дж/см² σ_В≥1200 МПа, σ_Т≥1100 МПа), другие стали не подходят из-за того, что их свойства ниже заданных, либо стали дорогие. Но главное эта сталь может работать при температуре до 450°С не теряя своих свойств.

Назначение стали 38ХН3МФА(табл. 221): цельнокованые роторы паровых турбин, диски, валы и покрышки трубовоздуходувных машин, детали редукторов, тяжелонагруженные болты и шпильки и другие особо ответственные детали турбин и компрессорных машин, работающие при температуре до +450^оС.

Химический состав по ГОСТ 4543-71(табл. 223):

0,33-0,40%С; 0,25-0,5% Mn; 1,2-1,5% Cr; 3,0-3,5%Ni; 0,35-0,45%Mo; 0,1-0,18%V

Содержание вредных примесей: 0,025%P; 0,025% S; 0,17-0,37%Si .

Механические свойства по ГОСТ 4543-71 в сечении до 25 мм после закалки с нагревом на 850^оС в масло и отпуска при 600^оС с охлаждением на воздухе (таблица 224):

σ_В≥1200 МПа, σ_Т≥1100 МПа, δ≥12%, KCU≥80 Дж/см².

Назначение вида и режима термической обработки.

В процессе горячей высадки материал разогревают до 1200^оС, что приводит к значительному росту зерна, поэтому деталь необходимо подвергнуть нормализации с помощью нагрева до 850^оС, чтобы получить мелкозернистую структуру. Оптимальным вариантом окончательной (упрочняющей) термообработки, обеспечивающей получение требуемых свойств, является, как это следует из предыдущего раздела, закалка с нагревом на температуру 840-860^оС с охлаждением в масле и отпуск при 600^оС тоже с охлаждением на воздухе для предотвращения появления отпускной хрупкости.

Структура и свойства готовой детали.

Болты, изготовленные из стали методом горячей высадки с последующей нормализацией и подвергнутые упрочняющей термообработке, состоящей из закалки с высоким отпуском, имеют равномерную сорбитную структуру по всему сечению и обладают следующими механическими свойствами, одинаковыми во всем объеме болта:

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

Указанные свойства сохраняются при рабочей температуре, равной 450^оС.

Таким образом, выбор в качестве материала для болтов стали 38ХН3МФА, изготовление их методом горячей высадки и применение в качестве упрочняющей термообработки закалки с высоким отпуском обеспечивает выполнение заданных для этих деталей требований.

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