Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

Воткинский филиал

Кафедра «ТМ и П»

Курсовая работа

по дисциплине «Материаловедение»

на тему: «Выбор материалов и режимов термической обработки в зависимости от условий работы деталей и элементов конструкций»

Выполнил: студент гр.

Проверил: Святский В.М.

Воткинск, 2010

Задание № 18

Выбрать способ формообразования или вид полуфабриката, марку материала и режим термической обработки для тяжелонагруженного вала с максимальным диаметром 70 мм, работающего в условиях динамического приложения знакопеременной нагрузки (изгиб и кручение)

Требования к материалу готового вала:

KCU >60 Дж/см² , предел усталости σ_-1>400 МПа, σ_т>750 МПа.

Введение

Задача выбора материала детали, способа получения заготовки и термической обработки заключает в себе решение нескольких проблем:

1. выбранный материал детали должен обеспечивать необходимую прочность и надежность детали при заданных нагрузках;

2. способ получения заготовки должен учитывать свойства выбранного материала, форму детали и быть достаточно экономичным;

3. термообработка детали или ее отдельных поверхностей должна обеспечить выполнение эксплуатационных и экономических требований, а так же повысить конструкционную прочность детали.

Выбор материала для изготовления детали «Вал»

В конструкциях машин валы применяют для поддержания и установки вращающихся деталей машин. В процессе работы валы испытывают сложные деформации: кручение, изгиб, растяжение и сжатие. Что бы обеспечить нормальную работу изделия, валы имеют высокие требования точности размеров, шероховатости поверхностей и жесткости.

Валы разнообразны по формам и размерам, но по технологическим признакам их разделяют на гладкие и ступенчатые.

Конструкторы при выборе материала для какой-либо конструкции или изделия не могут учитывать только один или два каких-либо критерия, характеризующие свойства материала, им необходимо знать его конструктивную прочность.

Конструктивная прочность - это определенный комплекс механических свойств, обеспечивающий длительную и надежную работу материала в условиях его эксплуатации. Конструктивная прочность - это прочность материала конструкции с учетом конструкционных, металлургических, технологических и эксплуатационных факторов, т. е. это комплексное понятие. Считается, что как минимум нужно учитывать четыре критерия: жесткость конструкции, прочность материала, надежность и долговечность материала в условиях работы данной конструкции.

Учитывая, что валы испытывают высокие эксплуатационные нагрузки, рекомендуемые материалы для их изготовления – конструкционные стали, углеродистые и легированные.

Стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Ст4 - углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (_в) и текучести (_0.2) и снижается пластичность (,). Ст3сп имеет _в=380490МПа, _0.2=210250МПа, =2522%.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки. Стали в состоянии поставки широко применяют в строительстве для сварных, клепанных и болтовых конструкций.

С повышением содержания в стали углерода свариваемость ухудшается. Поэтому стали Ст5 и Ст6 с более высоким содержанием углерода применяют для элементов строительных конструкций, не подвергаемых сварке.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Содержание S=0.04%, P=0.0350.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента.

Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают высокой прочностью и высокой пластичностью _в=330340МПа, _0.2=230280МПа, =3331%.

Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (_в=500600МПа, _0.2=300360МПа, =2116%). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.

Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.

Легированные стали широко применяют в тракторном и сельскохозяйственном машиностроении, в автомобильной промышленности, тяжелом и транспортном машиностроении в меньшей степени в станкостроении, инструментальной и других видах промышленности. Это стали применяют для тяжело нагруженных металлоконструкций.

Стали, в которых суммарное количество содержание легирующих элементов не превышает 2.5%, относятся к низколегированным, содержащие 2.5-10% - к легированным, и более 10% к высоколегированным (содержание железа более 45%).

Наиболее широкое применение в строительстве получили низколегированные стали, а в машиностроении - легированные стали.

Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двухзначные цифры, приводимые в начале марки, указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент. Пример, сталь 12Х2Н4А содержит 0.12% С, 2% Cr, 4% Ni и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква А.

Заданные механические характеристики требуемого материала σ_т>750МПа, σ_-1>400МПа обеспечивают высокоуглеродистая Сталь 75 или группа легированных сталей. Сравнение свойств предварительно выбранных материалов представлены в таблице 1.

Материал	σВ, МПа	Прокаливаемость, мм	Обрабатываемость	Стоимость заготовки руб./т
Сталь 75	1100	12	Низкая	230-133
12ХН3А	1200	Более 100	Высокая	391-197
18Х2Н4МА	1150	Более 100	Высокая	593-272
30ХГТ	1500	45-80	Высокая	317-146
40Х	1000	15-25	Средняя	205-141
40ХН2МА	1100	Более 100	средняя	593-272

Сталь с высоким содержанием углерода хотя и обеспечивает высокую прочность, но обладает меньшей пластичностью. Кроме того, при увеличении сечения деталей из-за несквозной прокаливаемости механические свойства стали снижаются и имеют невысокую обрабатываемость.

Низкоуглеродистые легированные стали 12ХН3А, 18Х2Н4МА имеют хорошую обрабатываемость, однако, достаточно прочностные характеристики могут быть достигнуты только усложненным циклом химико-термической обработки. Кроме того, стоимость достаточно велика.

Высокие механические свойства при улучшении возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, поэтому она служит важнейшей характеристикой при выборе стали.

Следовательно, для заданной детали диаметром 70 мм не подойдет сталь 40Х, хотя она имеет достаточную прочность, хорошую обрабатываемость и не высокую стоимость.

В качестве материала для данной детали может быть рекомендованы стали 30ХГТ или 40ХНМА, как обеспечивающие прочностные характеристики и требования обрабатываемости. Окончательный выбор – 30ХГТ.

Ниже приводятся химический состав, механические и термические свойства стали 30ХГТ.

Назначение стали 30ХГТ: валы, шатуны, шестерни, клапаны, шпильки и другие детали в автомобилестроении, станкостроении и др. Теплоустойчива до +450^оС.

Химический состав по ГОСТ 3543-71 (табл. 204):

C – 0.24-0.32%, Mn – 0.8-1,1%, Cr – 1-1,3% и Ti – 0.03-0.09%

Механические свойства:

по ГОСТ 3543-71 после двойной закалки (I - 880⁰С, II – 850⁰C) в масле и отпуска 200⁰С с охлаждением в воде или в масле (таб. 205).

σ_в>1500 МПа, σ_т>800 МПа, δ>9 %, ψ>40%, KCU>0.6 MДж/м²

Хромомарганцевые стали с титаном, в том числе 30ХГТ, относятся к экономно-легированным и предназначены для замены хромоникелевых сталей. Вместо никеля они содержат марганец; титан введен для измельчения зерна и снижения чувствительности к перегреву. Прокаливаемость сталей составляет 45-80 мм. В таких сечениях по прочности и твердости они превосходят хромоникелевые, но уступают им по вязкости. Эти стали применяют для деталей крупносерийного и массового производства.