Выбор марки стали для детали

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Содержание:

Введение

1. Подходы к выбору марки стали для деталей машин

1.1 Механические свойства сталей

1.2 Технологические требования

1.3 Экономические требования

2. Назначение, конструкция и материалы валов

2.1 Классификация валов

2.2 Материалы валов

2.3 Критерии работоспособности и расчет валов

2.4 Стали и упрочняющая подготовка

3. Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу

3.1 Сталь 40

3.2 Сталь 40Х

3.3 Сталь 40ХФА

4. Обоснование, назначение и графическое изображение режимов термической обработки

Список литературы

Введение

Правильный выбор сталей позволяет получать надежные в эксплуатации и экономичные детали машин.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочности, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является основным материалом для изготовления ответственных изделий, подвергающихся большим нагрузкам. Свойства стали зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки, которая изменяет структуру, и легирования - эффективный способ повышения комплекса механических характеристик стали.

Выбор стали для изготовления той или другой детали и метод её упрочнения определяется в первую очередь условиями работы детали, величиной и характером напряжений, возникающих в ней в процессе эксплуатации, размерами и формой детали и т.д.

Цель: обосновать выбор марки стали для конкретной детали.

Задачи курсовой работы:

1) Описать подходы к выбору марки стали для деталей машин;

2) Проанализировать условия работы детали и требования, предъявляемые к материалу;

3) Предложить термическую обработку материала.

сталь термический вал деталь

1.Подходы к выбору марки стали для деталей машин

1.1 Механические свойства сталей

При выборе марки стали для конкретной детали необходимо исходить из следующих основных положений:

1. В первую очередь на выбор той или иной марки стали оказывают влияние характер силовых воздействий, назначение детали (требуемый уровень прочности, надёжности и долговечности детали).

2. Выбор марки сталей зависит от степени ответственности детали и условий ее эксплуатации.

3. При выборе марки стали также учитывается технология её изготовления, экономия металла (температура, окружающая среда, скорость нагружения и т.п.).

Единых принципов при выборе марки стали пока не разработано, поэтому каждый конструктор выполняет эту задачу в зависимости от своего опыта и знаний; вследствие этого при выборе марки стали случаются и ошибки, что может привести к нежелательным последствиям.

Решая эту задачу, прежде всего, необходимо знать форму, размеры и условия работы детали. Предположим, что чисто конструктивно оптимальное решение найдено. Если сила, воздействующая на деталь, известна, то можно определить уровень напряжений в наиболее опасных сечениях детали (чем сложнее конфигурация изделия, тем точность такого расчёта меньше). Так как модули упругости для всех сталей практически одинаковы (Е~2?105 МПа, G~0,8?105 МПа), то во многих случаях можно подсчитать упругую деформацию при максимальной нагрузке. При невозможности проведения таких расчётов необходимо провести натурные испытания. Если эта деформация находится в допустимых пределах, то следует перейти к основному вопросу - выбору марки стали, а если нет, то необходимо изменить конфигурацию детали: увеличить сечение, ввести рёбра жесткости и др. Следует помнить, что путём подбора марки стали упругую деформацию уменьшить практически невозможно. После этого следует перейти к оценке прочности, надёжности и долговечности детали.

Прочность характеризует сопротивление металла пластической деформации. В большинстве случаев нагрузка не должна вызывать остаточную пластическую деформацию выше определённого значения. Для многих деталей машин (за исключением пружин и других упругих элементов остаточной деформацией, меньшей 0,2 %, можно пренебречь, то есть, условный предел текучести (у0,2) определяет для них верхний предел допустимого напряжения [1].

Показателем, наиболее обобщённо характеризующим прочность материала, является условный предел текучести у0,2 , определённый на гладком образце при одноосном растяжении. В этом случае сталь имеет наиболее низкие значения у0,2 (при вязком разрушении), чем при других видах нагружения.

Рассмотрим такой пример. Имеем 3 стали с разными значениями условного предела текучести: у?0,2< у?0,2< у??0,2 (рис.1). Выясним, будет ли экономия материала, если вместо стали 1 применить более прочную сталь 3. Это целесообразно, если могут быть использованы напряжения, равные у??0,2, а это возможно, если допустима возникающая при таком напряжении деформация, равная Дl3. Если же при эксплуатации детали допустима деформация не более чем Дl1, то при напряжениях, больших у ?0,2, размеры детали выйдут за допустимые пределы. Следовательно, в этом случае замена стали 1 сталью 3 не эффективна.

Таким образом, степень допустимой деформации (упругой и пластической) определяет и допустимый уровень напряжения, что является основным для выбора марки стали по прочности.

Данные ГОСТа (гарантируемые механические свойства) могут быть заложены в расчёты прочности деталей машин, если сталь на машиностроительных заводах не подвергается обработке, приводящей к изменению её структуры (холодная или горячая пластическая деформация, термическая обработка и т.п.), т.е. свойства металла в исходном состоянии и в изделии остаются неизменными.

Рисунок 1 - Начальный участок диаграммы деформации в координатах «Условное растягивающее напряжение (у) - абсолютное удлинение (Дl)» трёх сталей (1,2,3)

Где ,

Р - растягивающая нагрузка в данный момент испытания,

F0 - начальная площадь поперечного сечения образца;

Дl = li - l0,

li - длина образца на расчётном участке в данный момент испытания,

l0 - начальная расчётная длина образца

Надёжность - это свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Деталь должна работать при соблюдении условий, предусмотренных проектом (напряжение, температура, скорость нагружения и т.п.) и преждевременный её выход из строя свидетельствует о том, что она выполнена не из того металла, были нарушения технологии её изготовления или допущены серьёзные ошибки в расчётах прочности и т.д.

Но в процессе эксплуатации возможны кратковременные отклонения некоторых параметров от пределов, установленных проектом, и если при этом деталь выдержала экстремальные условия, то она надёжна. Следовательно, надёжность зависит от температуры, скорости деформации и других выходящих за пределы расчёта параметров.

Случаи неожиданных разрушений наблюдаются нередко при напряжениях в 2…4 раза меньших, чем допустимые, и ещё в большее число раз меньших, чем у0,2 . При этом возможна лишь незначительная упругая деформация и практически полное отсутствие пластической.

Для оценки надёжности материала чаще всего используется параметр удельной вязкости:

,

где S0 - площадь поперечного сечения ударного образца в месте надреза радиусом 1 мм и глубиной 2 мм;

Ударная вязкость KCU оценивает работоспособность материала в условиях ударного нагружения при комнатной температуре при наличии в металле U - образного концентратора напряжения.

Рисунок 2 - Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе и ударную вязкость (KCU) стали.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что следует выбирать такой режим обработки, чтобы порог хладноломкости (t50) детали, работающей при комнатной температуре, был бы не выше, чем -200 …-400С.

Порог хладноломкости стали существенно зависит от её чистоты, т.е. содержания в ней примесей. В табл. 1 приведено изменение t50 стали при увеличении на 0,01% содержания некоторых примесей [4].

Таблица 1 - Влияние некоторых элементов на порог хладноломкости стали

Химический элемент	Смещение t50, 0С
О	+ 15
N	+ 10
C	+ 2
P	+ 7
S	- 10
Cu	+ 1
Sn	+ 30
Zn	+ 7
Bi	+ 25
Sb	+ 20

Следует отметить, что влияние примесей на порог хладноломкости стали наиболее сильно проявляется при их содержании до ~ 0,05%. При большей концентрации примесей интенсивность их влияния резко снижается. Обычно количество вредных примесей в стали составляет тысячные или десятитысячные доли процента. Наиболее значительно из них на температуру хладноломкости влияет кислород. Поэтому способ раскисления и вакуумная обработка - очень важные металлургические приёмы повышения качества стали, т.к. они приводят к снижению содержания кислорода и азота в стали.

Помимо чистоты стали на порог хладноломкости влияют и структурные факторы, в частности, размер зерна: чем оно крупнее, тем t50 выше.

Измельчить зерно можно путём проведения термической обработки. Поэтому при выборе марки стали необходимо решить, что в данном конкретном случае более целесообразно: получить сталь более высокой чистоты и удовлетвориться свойствами металла, полученными в состоянии поставки, или ориентироваться на термическую обработку. Для сталей, применяющихся в высокопрочном состоянии (у0,2 = 1400…1800 МПа), необходимо использование всех способов повышения их надёжности.

Рисунок 3 - Зависимость критического напряжения (у) от размера дефекта (m) для двух сталей (А и В) с разным значением К1с:

А - К1с = 31,5 МПа?М1/2,

Б - К1с = 57,0 МПа?М1/2 [5]

Как видно из рис. 3, при у = 200 МПа дефект длиной 6 мм безопасен. При таком дефекте разрушение произойдёт при у = 260 МПа, если К1с= 31,5 МПа?м1/2 и при 500 МПа, если К1с= 57,0 МПа?м1/2, хотя условный предел текучести в обоих случаях может быть и одинаковым.

Таким образом, для сталей, разрушающихся вязко, выбор материала основан на соответствии рассчитанных напряжений и условного предела текучести при условии обеспечения удовлетворительного запаса вязкости, гарантирующего малую вероятность хрупкого разрушения. Для сталей же со смешанным или хрупким разрушением выбор напряжений определяется значениями К1с и предельным размером дефекта. К сожалению, не накоплены ещё данные по К1с, а методы обнаружения (измерения) дефектов, особенно внутренних, недостаточно отработаны.

Долговечность - это свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, и она оценивается временем, в течение которого деталь может сохранять работоспособность. Это время не бесконечно, т.к. в процессе эксплуатации могут изменяться свойства материала, состояние поверхности детали и т.п. Другими словами, долговечность характеризуется сопротивлением усталости, износу, коррозии, ползучести и другим воздействиям, которые определяются временными показателями.

Для большинства деталей машин их выход из строя в основном связан с двумя видами повреждений - износом и усталостью. Червячный вал не является исключением.

Износ представляет собой постепенное удаление с поверхности детали частиц металла. Чем выше твёрдость металла, тем меньше износ, хотя отдельные характеристики структуры (например, включения карбидов) или свойств (способность к наклёпу) могут внести определённый, а иногда и существенный вклад в сопротивление изнашиванию. Следовательно, способы повышения поверхностной твёрдости (поверхностная закалка или химико-термическая обработка - цементация, азотирование, цианирование и другие процессы) приводят, разумеется, в разной степени, к повышению износостойкости.

Усталостное разрушение состоит из трёх этапов:

- зарождение усталостной трещины;

- распространение трещины;

- долом детали (окончательное разрушение).

Распространение трещины и долом могут протекать по двум различным механизмам - вязкому и хрупкому (второй значительно быстрее первого). Это ещё раз свидетельствует о том, что сталь, испытывающая длительное воздействие повторно-переменных (циклических) напряжений, должна также иметь достаточный запас вязкости.

Усталостная трещина зарождается на поверхности детали в результате воздействия растягивающих напряжений. При наличии концентраторов напряжений растягивающие напряжения вокруг них повышаются, что и способствует более быстрому возникновению зародышевой трещины усталости. Наоборот, при наличии на поверхности детали остаточных сжимающих напряжений, действующие растягивающие напряжения уменьшаются и, следовательно, затрудняется образование зародышевой усталостной трещины.

Общий принцип повышения усталостной прочности металла состоит в том, что на поверхности детали создаётся слой с остаточными напряжениями сжатия за счёт поверхностного наклёпа, поверхностной закалки, химико-термической обработки и некоторых других менее распространённых способов поверхностного упрочнения. Так как эти слои обладают высокой твёрдостью, то указанные виды обработки приводят к повышению не только усталостной прочности, но и износостойкости.

Обеспечение таких параметров долговечности, как коррозионная стойкость, жаропрочность и др. в данном пособии не рассматривается.

1.2 Технологические требования

Кроме необходимого комплекса механических свойств, к конструкционным сталям предъявляются и технологические требования, суть которых в том, чтобы трудоёмкость изготовления деталей из них была минимальной. Для этого сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью, способностью к литью и т.д. Эти свойства зависят от её химического состава и правильного выбора режимов предварительной термической обработки.

Осями и валами называют стержни различных сечений, предназначенные для размещения вращающихся деталей. Оси имеют прямолинейную форму и служат только для поддержания деталей. Они могут быть неподвижными и вращающимися.

Валы всегда подвижны и в отличие от осей не только поддерживают детали, но и передают вращающий момент. Различают прямые (наиболее распространены), коленчатые и гибкие валы. Коленчатые валы применяют в двигателях внутреннего сгорания, поршневых компрессорах, а гибкие используют там, где по условиям работы нельзя осуществить жесткую связь между рабочим органом и силовой, установкой (глубинные вибраторы, механизированный инструмент и др.).

Валы и оси устанавливают на опорах. Участки, которыми они соприкасаются с опорами, называют цапфами, при этом концевые цапфы называют шипами, а промежуточные -- шейками. Цапфы, воспринимающие осевую нагрузку, называют пятой.

Оси работают на изгиб и их рассчитывают на прочность по нормальным напряжениям изгиба, а валы -- на совместное действие изгиба и кручения. Материал осей и валов -- углеродистая сталь, а для тяжело нагруженных валов и осей -- легированная сталь.

Гибкий вал представляет собой сердечник, на который послойно навита проволока. Направление навивки каждого последующего слоя противоположно направлению предыдущего слоя, а верхнего слоя -- направлению вращения вала. Сверху вал покрыт броней, которая удерживает смазочный материал, является опорой для вала и служит защитным кожухом.

Критериями работоспособности валов и осей являются жесткость, объемная прочность и износостойкость.

Требования к материалам осей и валов наиболее полно удовлетворяются при использовании стали. Выбор марки стали и термообработки зависит от требований, предъявляемых к массе проектируемой детали и износостойкости участков вала или оси, взаимодействующих с сопряженными деталями.

Валы и оси по назначению являются ответственными деталями механизмов. Материал валов и осей должен хорошо обрабатываться и быть прочным. Чаще всего в качестве материалов применяют следующие углеродистые и легированные стали: качественные стали 40, 45, 50, сталь 40Х - для валов с термообработкой; стали 20, 20Х - для быстроходных валов на подшипниках скольжения с поверхностной цементацией цапф; углеродистые стали обыкновенного качества Ст4, Ст5 - для неответственных валов без термообработки; сталь Х18Н10Т - для коррозионно-стойких, немагнитных валов. Для уменьшения массы валов и осей применяют дюралюминий, для обеспечения электроизоляционных свойств - пластмассы или керамические материалы. Для валов - червяков, валов - зубчатых колес материал выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу червяка, зубчатого колеса.

1.3 Экономические требования

К материалам для деталей машин предъявляются и экономические требования. При этом надо учитывать не только стоимость стали, но и трудоёмкость изготовления детали, её эксплуатационную стойкость в машине и другие факторы. В первую очередь нужно стремиться выбрать более дешёвую сталь, т.е. углеродистую или низколегированную. Выбор дорогой легированной стали оправдан только в том случае, когда за счёт повышения долговечности детали и уменьшения расхода запасных частей достигается экономический эффект.

Следует иметь в виду, что легирование стали должно быть рациональным, т.е. обеспечивать необходимую прокаливаемость. Введение легирующих элементов сверх этого, помимо удорожания стали, как правило, ухудшает её технологические свойства и повышает склонность к хрупкому разрушению.

2. Назначение, конструкция и материалы валов

Валом называют деталь (как правило, гладкой или ступенчатой цилиндрической формы), предназначенную для поддержания установленных на ней шкивов, зубчатых колес, звездочек, катков и т. д., и для передачи вращающего момента.

При работе вал испытывает изгиб и кручение, а в отдельных случаях помимо изгиба и кручения валы могут испытывать деформацию растяжения (сжатия).

Некоторые валы не поддерживают вращающиеся детали и работают только на кручение.

Вал 1 (рис.1) имеет опоры 2, называемые подшипниками. Часть вала, охватываемую опорой, называют цапфой. Концевые цапфы именуют шипами 3, а промежуточные -- шейками 4.

Рисунок 4 - Прямой вал: 1 -- вал; 2 -- опоры вала; 3 -- цапфы; 4 -- шейка

Формы валов весьма многообразны от простейших цилиндров до сложных коленчатых конструкций. Известны конструкции гибких валов, которые предложил шведский инженер Карл де Лаваль ещё в 1889 г.

Форма вала определяется распределением изгибающих и крутящих моментов по его длине. Правильно спроектированный вал представляет собой балку равного сопротивления. Валы и оси вращаются, а следовательно, испытывают знакопеременные нагрузки, напряжения и деформации (рис.3). Поэтому поломки валов имеют усталостный характер.

Рисунок 5 - Колебания изгибных напряжений оси колёсной пары в движении

а - на малой скорости; б - на эксплуатационной скорости

2.1 Классификация валов

По назначению валы делят на валы передач (на них устанавливают детали передач) и коренные валы (на них устанавливают дополнительно еще и рабочие органы машины).

Рисунок 6 - Типы валов: а -- кривошипный вал: б -- коленчатый вал; в -- гибкий вал; г -- телескопический вал; д -- карданный вал

Форма валов и осей разнообразна и зависит от выполняемых ими функций. Иногда, валы изготавливаются совместно с другими деталями, например, шестернями, кривошипами, эксцентриками.

По геометрической форме валы делят на: прямые (см. рис. 1); кривошипные (рис.4, а); коленчатые (рис.4, б); гибкие (рис.4, в); телескопические (рис.4, г); карданные (рис.4, д). Кривошипные и коленчатые валы используют для преобразования возвратно-поступательного движения во вращательное (поршневые двигатели) или наоборот (компрессоры); гибкие -- для передачи вращающего момента между узлами машин, меняющими свое положение в работе (строительные механизмы, зубоврачебные машины и т. П.); телескопические -- при необходимости осевого перемещения одного вала относительно другого.

Гибкие валы изготавливаются многослойной навивкой стальной пружинной проволоки на тонкий центральный стержень. Они сохраняют достаточную гибкость лишь при небольших диаметрах, так как при увеличения диаметра момент инерции сечения, а, следовательно, и жесткость резко возрастают, Поэтому при всех положительных качествах и удобстве привода, такие валы не могут передавать сколько-нибудь значительной мощности и имеют сравнительно узкое применение.

Наиболее широко распространены в машиностроении прямые валы.

2.2 Материалы валов

Основными критериями работоспособности валов является жесткость, объемная прочность и износостойкость при относительных микроперемещениях, которые вызывают коррозию.

В качестве материала для валов чаще всего применяют углеродистые и легированные стали (прокат, поковка и реже стальные отливки), так как они обладают высокой прочностью, способностью к поверхностному и объемному упрочнению, легко получаются прокаткой цилиндрические заготовки и хорошо обрабатываются на станках, а также высокопрочный модифицированный чугун и сплавы цветных металлов (в приборостроении). Для неответственных малонагруженных конструкций валов и осей применяют углеродистые стали без термической обработки. Ответственные тяжело нагруженные валы изготовляют из легированной стали 40ХНМА, 25ХГТ и др. Без термической обработки применяют стали 35 и 40, Ст5, Стб, 40Х, 40ХН, ЗОХНЗА, с термической обработкой -- стали 45, 50 и др.

При небольших диаметрах зубчатых колес вал и шестерню выполняют как одно целое. В этом случае материал для изготовления вала-шестерни выбирают в соответствии с требованиями, предъявляемыми к материалу шестерни.

В автомобильной и тракторной промышленности коленчатые валы двигателей изготавливают из ковкого или высокопрочного чугуна.

2.3 Критерии работоспособности и расчет валов

В процессе работы валы испытывают постоянные или переменные по величине и направлению нагрузки. Прочность валов определяется величиной и характером напряжений, возникающих в них под действием нагрузок. Постоянные по величине и направлению нагрузки вызывают в неподвижных осях постоянные напряжения, а во вращающихся валах -- переменные.

Характерной особенностью валов является то, что они работают при циклическом изгибе наиболее опасного симметричного цикла, который возникает вследствие того, что вал, вращаясь, поворачивается к действующим изгибающим нагрузкам то одной, то другой стороной. При разработке конструкции вала должно быть обращено самое пристальное внимание на выбор правильной его формы, чтобы избежать концентрации напряжений в местах переходов, причиной которых могут быть усталостные разрушения. Валы и оси в основном испытывают циклически меняющиеся напряжения. Отсюда следует, что основным критерием работоспособности валов и осей является усталостная прочность. Статическое разрушение встречается очень редко. Оно происходит под действием случайных кратковременных перегрузок. Для валов расчет на сопротивление усталости (уточненный расчет) считается основным. Расчет на статическую прочность выполняют как проверочный.

Усталостная прочность (выносливость) валов и осей оценивается коэффициентом запаса прочности.

Неподвижные оси при действии постоянных нагрузок рассчитывают только на статическую прочность.

Подвижные быстроходные оси и валы рассчитывают на выносливость.

Тихоходные валы и оси, нагруженные переменной нагрузкой, рассчитывают на статическую прочность и выносливость.

Основными расчетными силовыми факторами для валов являются изгибающие Мн и крутящие Мк (только для валов) моменты.

Влияние растягивающих и сжимающих сил незначительно, поэтому, как правило, в расчетах не учитывается.

Методом оценки прочности валов является сравнение расчетных напряжений с допускаемыми по следующим условиям прочности:

; , (1)

где , -- возникающие (расчетные) напряжения изгиба и кручения в опасном сечении вала, оси; и -- допускаемые напряжения на изгиб и на кручение.

Спроектированные валы с учетом обеспечения статической или усталостной прочности иногда выходят из строя вследствие недостаточной их жесткости или из-за вибрации. Кроме того, малая жесткость нарушает нормальную работу зубчатых передач и подшипников. Валы и оси дополнительно рассчитывают на жесткость и колебания.

Жесткость валов оценивается величиной прогиба в местах установки деталей или углом закручивания сечений; колебания -- критической угловой скоростью.

Для расчета валов на прочность и жесткость составляют расчетную схему. При расчете на изгиб вращающиеся валы и оси рассматривают как балки на шарнирных опорах. На расчетных схемах силы и вращающие моменты условно принимают как сосредоточенные.

Схемы нагружения валов зависят от количества и места установки на них вращающихся деталей и направления действия сил. При сложном нагружении выбирают две ортогональные плоскости (например, фронтальную и горизонтальную) и рассматривают схему в каждой плоскости. Рассчитываются, конечно, не реальные конструкции, а упрощённые расчётные модели, представляющие собой балки на шарнирных опорах, балки с заделкой и даже статически неопределимые задачи.

2.4 Стали и упрочняющая обработка

В зависимости от условий эксплуатации стойкость валов определяется усталостной прочностью при кручении и изгибе, контактной прочностью или износостойкостью.

Малонагруженные медленно вращающиеся валы изготовляют из сталей 35, 40, 45 и Ст.3, Ст.4, Ст.5 без термической обработки.

Если работоспособность валов зависит от прочности на изгиб и кручение (не зависит от контактной выносливости и износостойкости), то

- средненагруженные валы (до 80-100 мм) изготовляют из сталей 45, 40Х, 50Х с улучшением (ув = 800-1000 МПа; НВ 217-285);

- высоконагруженные валы (Ш 100-130 мм) - из хромоникелевых и хромомолибденовых глубоко прокаливающихся сталей 50ХН, 40ХНМА, 34ХНЗМА с улучшением (ув і 1000 МПа);

- особо ответственные (в турбо- и компрессоростроении) - из еще более легированных 30ХН2ВФА, 36ХНТМФА, З8ХН3МФА, 30Х2НВФА с улучшением.

Валы небольших размеров (гладкие, ступенчатые, шлицевые), работоспособность которых зависит от контактной выносливости и износостойкости (с поверхностной твердостью НRС 48-50) изготовляют из сталей 45, 50 с поверхностной закалкой ТВЧ или с улучшением и поверхностной закалкой и самоотпуском.

Валы покрупнее - из более прокаливающихся сталей 40Х, 40ХГТ с улучшением и поверхностной закалкой ТВЧ с самоотпуском.

Валы быстроходные и более износостойкие (НRС 56-58) - из 20Х, 18ГТ, I2XH3A (иногда 35Х2ГНТА) с цементацией, закалкой и низким отпуском.

Особо высоким сопротивлением изнашиванию обладают валы из стали 38ХМЮА после улучшения и азотирования.

3. Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу

Завод должен изготовить три вала двигателей. Они должны иметь предел прочности не ниже 750 МПа. Однако первый вал имеет диаметр 35 мм, второй 50 мм и третий 120 мм. Выбрать сталь для изготовления валов, обосновать сделанный выбор, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру в готовом вале.

В нашей работе дано задание, соответственно которому мы проведём сравнительный анализ некоторых сталей, возьмем для рассмотрения такие как: 40, 40Х и 40ХФА. Их химический состав в соответствие с ГОСТами приведён в табл.2.

Таблица 1 - Химический состав некоторых сталей

Марка стали
	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
40	0,37-0,45	0,17-0,37	0,5-0,8	-	не более 0,04	не более 0,04	не более 0,25	не более 0,3
40X	0,36 -	0,17-	0,5 - 0,8	1,0 - 1,4	не более 0,035	не более 0,035	0,45 -	-
40ХФА	0,37-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	0,8-1,1	до 0,3

3.1 Сталь 40

Марка	Сталь 40
Заменитель:	Сталь 35 , сталь 45 , сталь 40Г
Классификация	Сталь конструкционная углеродистая качественная
Применение	трубы, поковки, крепежные детали, валы, диски, роторы, фланцы, зубчатые колеса, втулки для длительной и весьма длительной службы при температурах до 425 град.

Таблица 2 - Химический состав в % материала 40

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0.37 - 0.45	0.17 - 0.37	0.5 - 0.8	до 0.25	до 0.035	до 0.035	до 0.25	до 0.3	до 0.08

Таблица 3 - Температура критических точек материала 40

Ac1 = 724 , Ac3(Acm) = 790 , Ar3(Arcm) = 760 , Ar1 = 680

Таблица 4 - Механические свойства при Т=20oС материала 40

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м2	-
Прокат	до 80		580	340	19	45	600	Нормализация
Лист холоднокатан.	до 4		520		18
Лист горячекатан.	до 4		520		17
Лист	до 60		570		20			Нормализация
Трубы холоднокатан.			580	320	17			Нормализация
Трубы горячекатан.			600	340	16

Таблица 5 - Твердость

Твердость материала 40 после отжига ,	HB 10 -1 = 187 МПа
Твердость материала 40 горячекатанного отожженного ,	HB 10 -1 = 163 МПа
Твердость материала 40 калиброванного нагартованного ,	HB 10 -1 = 207 МПа

Таблица 6 - Физические свойства материала 40

T	E 10- 5	a 10 6	l	r	C	R 10 9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м3	Дж/(кг·град)	Ом·м
20	2.13		51.5	7850	483	160
100	2.1	11.9	50.6		486	221
200	1.98	12.7	48.1		497	296
300	1.9	13.5	45.6		512	387
400	1.85	14.05	41.9		529	493
500	1.79	14.5	38.1		550	619
600	1.67	14.9	33.5		574	766
700	1.6	15.15	30		628	932
800		12.5	24.8		674	1110

Таблица 7 - Технологические свойства материала 40

Свариваемость:	ограниченно свариваемая.
Флокеночувствительность:	не чувствительна.
Склонность к отпускной хрупкости:	не склонна.

Таблица 8 - Температура критических точек стали 40

Критическая точка	°С
Ac1	730
Ac3	890
Ar3	780
Ar1	690
Mn	340

Таблица 9 - Закалка. Твердость для полос прокаливаемости, HRCэ (HRB).

Расстояние от торца, мм / HRCэ
1.5	3	4.5	6	7.5	12	16.5	19.5	30
50,5-58	45,5-57	39,5-52	26-37,5	24-34	(94)-29	(91)-27	(88)-26	(84)-23

Термообработка	Кол-во мартенсита, %	Крит.диам. в воде, мм	Крит.диам. в масле, мм
Закалка	50	15-25	8-15
Закалка	90	10-15	5-9,5

3.2 Сталь 40Х

Марка	Сталь 40Х
Классификация	Сталь конструкционная легированная. Хромистая
Заменитель	Сталь 45Х ,сталь 38ХА ,сталь 40ХН ,сталь 40ХС ,сталь 40ХФА ,сталь 40ХГТР
Применение	оси, валы, вал-шестерни, плунжеры, штоки, коленчатые и кулачковые валы, кольца, шпиндели, оправки, рейки, губчатые венцы, болты, полуоси, втулки и другие улучшаемые детали повышенной прочности.

Таблица 10 - Химический состав в % материала 40Х

С	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	до 0,3	до 0,035	до 0,035	0,8-1,1	до 0,3

Таблица 11 - Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	743
Ac3	815
Ar3	730
Ar1	693
Mn	325

Таблица 12 - Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	у0,2 ,МПа	ув,МПа	д5, %	ш, %	KCU, Дж/м2
Закалка 830 °С, масло. Отпуск 550 °С
200	700	880	15	42	118
300	680	870	17	58
400	610	690	18	68	98
500	430	490	21	80	78
Образец диаметром 10 мм, длиной 50 мм кованый и отожженный. Скорость деформирования 5 мм/мин, скорость деформации 0,002 1/с.
700	140	175	33	78
800	54	98	59	98
900	41	69	65	100
1000	24	43	68	100
1100	11	26	68	100
1200	11	24	70	100

Таблица 13 - Технологические свойства

Температура ковки	Начала 1250, конца 800. Сечения до 350 мм охлаждаются на воздухе.
Свариваемость	трудносвариваемая. Способы сварки: РДС, ЭШС. Необходимы подогрев и последующая термообработка. КТС - необходима последующая термообработка.
Обрабатываемость резанием	В горячекатаном состоянии при НВ 163-168, ув = 610 МПа Kн тв.спл. = 0.20, Kн б.ст. = 0.95.
Склонность к отпускной способности	склонна
Флокеночувствительность	чувствительна

Прокаливаемость (ГОСТ 4543-71)

Рисунок 7 - Полоса прокаливаемости стали 40Х после нормализации при 8600 С и закалки с 8500 С

Таблица 14 - Критический диаметр d

Критическая твёрдость HRCэ	Количество мартенсита, %	d, мм, после закалки
		в воде	в масле
43-46	50	38-76	16-48
49-53	90	23-58	6-35

Таблица 15 - Физические свойства стали 40Х

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800
Модуль нормальной упругости, E, ГПа	214	211	206	203	185	176	164	143	132
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	85	83	81	78	71	68	63	55	50
Плотность, r, кг/см3	7820	7800	7770	7740	7700	7670	7630	7590	7610
Коэффициент тепло-проводности l,Вт/(м ·°С)	41	40	38	36	34	33	31	30	27
Уд. электросопротивление (R 10 9 Ом·м)	210	285	346	425	528	642	780	936	1100
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	11.8	12.2	13.2	13.7	14.1	14.6	14.8	12.0
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	466	508	529	563	592	622	634	664

Таблица 16 - Механические свойства стали 40Х в зависимости от сечения

Сечение, мм	?B, МПа	?5, %	?, %	?B, МПа	KCU, Дж/м2	HB
Закалка 840-860 °С, вода, масло. Отпуск 580-650 °С, вода, воздух.
101-200	490	655	15	45	59	212-248
201-300	440	635	14	40	54	197-235
301-500	345	590	14	38	49	174-217

3.3 Сталь 40ХФА

Заменитель
Стали: 40Х, 65Г, 50ХФА, 30Х3МФ.
Назначение
В улучшенном состоянии - шлицевые валы, штоки, установочные винты, траверсы, валы экскаваторов и др. детали, работающие при температуре до 400°С; после закалки и низкого отпуска - червячные валы и другие детали повышенной износостойкости.

Таблица 17 - Химический состав

Химический элемент	%
Ванадий (V)	0.10-0.18
Кремний (Si)	0.17-0.37
Медь (Cu), не более	0.30
Марганец (Mn)	0.50-0.80
Никель (Ni), не более	0.30
Фосфор (P), не более	0.025
Хром (Cr)	0.8-1.1
Сера (S), не более	0.025

Таблица 18 - Механические свойства при повышенных температурах

t испытания, °C	?0,2, МПа	?B, МПа	?5, %	?, %
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 640 °С
20	840	920	26	63
200	800	900	22	46
300	740	840	18	35
400	710	850	28	50
500	400	490	30	65
600		370	51	80

Таблица 19 - Технологические свойства

Температура ковки
Начала 1250, конца 860-800. Сечения до 200 мм охлаждаются в мульде, 201-300 мм - с печью.
Свариваемость
трудносвариваемая. Способы сварки: РДС - необходимы подогрев и последующая термообработка. КТС - необходима последующая термообработка.
Обрабатываемость резанием
После закалки и отпуска при НВ ? 241, K? тв.спл. = 0.75, K? б.ст. = 0.65.
Склонность к отпускной способности
склонна
Флокеночувствительность
чувствительна

Прокаливаемость

Таблица 20 - Твердость, HRCэ.

Расстояние от торца, мм / HRC э
1.5	3	4.5	6	9	12	15	18	27	39
51.5-60.5	51.5-59.5	50.5-58.5	48-57.5	39.5-54	35-50.5	34-46.5	32.5-43	30.5-39	27-39

Физические свойства

Температура испытания, °С	20	100	200	300	400	500	600	700	800	900
Модуль нормальной упругости, Е, ГПа	215	212	205	199	182	173	166	144	135
Модуль упругости при сдвиге кручением G, ГПа	84	83	80	77	71	66	64	56	52
Плотность, pn, кг/см3	7810
Коэффициент теплопроводности Вт/(м ·°С)	37	37	37	36	33	31	31	30	28
Температура испытания, °С	20- 100	20- 200	20- 300	20- 400	20- 500	20- 600	20- 700	20- 800	20- 900	20- 1000
Коэффициент линейного расширения (a, 10-6 1/°С)	12.1	12.6	13.0	13.3	13.8	14.2	14.6	11.8
Удельная теплоемкость (С, Дж/(кг · °С))	466	508	529	563	592	621	634	664

Таблица 21 - Механические свойства в зависимости от сечения

Термообработка, состояние поставки	Сечение, мм	?0,2, МПа	?B, МПа	?5, %	?, %	KCU, Дж/м2
Закалка 850 °С, вода. Отпуск 600 °С, воздух. (Образцы тангенциальные)
Место вырезки образца - центр	50	900	940	15	45	69
Место вырезки образца - центр	80	810	890	11	33	39
Место вырезки образца - центр	120	710	860	12	37	64
Место вырезки образца - центр	160	610	830	15	46	45
Место вырезки образца - 1/2R	160	710	850	16	44	47
Место вырезки образца - центр	200	490	710	17	49	57
Место вырезки образца - 1/2R	200	510	800	18	49	47
Место вырезки образца - центр	240	490	710	18	51	71
Место вырезки образца - 1/2R	240	570	770	19	50	54
Место вырезки образца -край	240	700	830	17	49	61

Таблица 22 - Температура критических точек

Критическая точка	°С
Ac1	760
Ac3	800
Ar3	725
Ar1	680
Mn	214

Для каждого вала определенного диаметра подходит своя сталь: для 35 мм - сталь 40; для второго 50 мм - 40х; и для третьего 120 мм - 40ХФА. Выбрать сталь для изготовления валов, обосновать сделанный выбор, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру в готовом вале.

4. Обоснование, назначение и графическое изображение режимов термической обработки

Термическая обработка представляет собой совокупность операций нагрева, выдержки и охлаждения, выполняемых в определенной последовательности при определенных режимах, с целью изменения внутреннего строения сплава и получения нужных свойств (представляется в виде графика в осях температура - время, см. рис. 4).

Рисунок 8 - Графики различных видов термообработки: отжига (1, 1а), закалки (2, 2а), отпуска (3), нормализации (4)

Стали 40, 40Х, 40ХФА являются доэвтектоидными конструкционными сталью. Температура нагрева при закалке выбирается в этом случае на 50 …700С выше критической точки Ас3, т.е.

tн = Ас3 + (50 …70) 0С = 800 0С + 60 0С = 860 0С.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (Vохл. ? Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диаграммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита.

В качестве закалочной среды следует применить минеральное машинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале температур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 …5500С) составляет примерно 1500/с, что больше Vкр. данной стали. В нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с небольшой скоростью (20… 300/с) [2], что уменьшает вероятность образования закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему сечению червячного вала состоит из мартенсита и ~ 3 …5 % остаточного аустенита.

Для получения требуемых механических свойств и уменьшения внутренних напряжений, возникших при закалке, сталь подвергают отпуску. С повышением температуры отпуска прочностные свойства конструкционной стали уменьшаются, а её пластичность и вязкость возрастают.

Термическая обработка стали 40:

1) Закалка 845 С, вода.

2) Отпуск 550 С. 

Таблица 23 - Предел выносливости после термической обработки

-1, МПа	B, МПа	0,2, МПа
393	750	600

Таким образом, для изготовления вала диаметром 35 мм может подойти сталь марки 40.

Термическая обработка стали 40Х:

1) Закалка 840-860 °С, вода, масло.

2) Отпуск 600 °С, вода, воздух.

Таблица 24 - Механические свойства стали 40Х после термической обработки

0,2, МПа	B, МПа	5, %	, %	KCU, Дж/м2	HB
720	860	14	60	147	265

Для изготовления вала диаметром 120мм может подойти сталь 40Х после соответствующей термической обработки.

Термическая обработка стали 40ХФА:

1) Закалка 850 °С, вода.

2) Отпуск 600 °С, воздух.

Для стали 40ХФА выбрана термическая обработка, состоящая из закалки с последующим высоким отпуском. Температура и продолжительность закалки: доэвтектойдные стали нагревают под закалку до температуры на 30..50 °С выше температуры АС3. Для данной стали температура нагрева под закалку составляет 830..850 °С. Исходная структура стали феррита+перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше А3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Продолжительность выдержки при температуре аустенизации должна обеспечить прогрев детали по сечению и завершение фазовых превращений, но не более. Иначе будет происходить нежелательный рост зерна, что в последующем приведет к охрупчиванию материала.

Исходя из сказанного, продолжительность прогрева детали из данного материала выбирают следующим образом: на 1мм поперечного сечения детали -- 45-75 сек в электропечах и 15-25 сек в соляной ванне (это чтобы прогреть деталь) + 15..20 % от продолжительности прогрева детали. Выбранный режим нагрева должен обеспечить полное превращение исходной феррито-перлитной структуры в аустенит. Последующее охлаждение материала произведем в масле, чтобы обеспечить скорость охлаждения больше, чем vкр (наименьшая скорость охлаждения, при которой аустенит превращается в мартенсит, т.е. в структуру закаленной стали). При скоростях охлаждения меньше vкр в углеродистой стали протекает только диффузионные процессы распада аустенита с образованием феррито-перлитной структуры различной степени дисперсности (перлит, сорбит, тростит). При высоких скоростях охлаждения (выше vкр) диффузионный распад аустенита подавляется -- аустенит претерпевает только мартенситное превращение. Мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в Fea. Как правило, при закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит.

Образование в результате закалки мартенсита приведет к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, однако резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. В связи с этим проводится окончательная операция термической обработки -- высокотемпературный отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала.

Отпуск заключается в нагреве до температуры ниже АС1 , выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Режим отпуска Т=650 °С в течение 1-6 часов в зависимости от габаритов изделия. Охлаждающая среда -- масло. Структура стали после высокого отпуска -- сорбит отпуска. Высокий отпуск следует наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Указанный комплекс механических свойств обеспечит заданную работоспособность валов.

Список литературы

1. Новиков И.И. Теория термической обработки: Учебник для вузов.- 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 480 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высш. техн. учеб. завед. ? 3-е изд., перераб. и доп. ? М.: Машиностроение, 1990. ? 528 с.

3. Гуляев А.П., Металловедение: Учебник для вузов. ? 6-е изд., перераб. и доп. ? М.: Металлургия, 1986. ? 544 с.

4. Материаловедение : Учебник для высш. техн. учеб. завед.?2-е изд., испр. и доп. / Б.Н Арзамасов, И.И Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. ; Под общей ред. Б.Н.Арзамасова ? М.: Машиностроение, 1986. ? 384 с.

5. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали.-2-е изд., перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1978. - 192 с.

6. Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред. Ю.М. Лахтина и А.Г. Рахштадта - М.: Машиностроение, 1980. - 784 с.

7. Смирнов М.А., Счастливцев В.М., Журавлёв Л.Г. Основы термической обработки стали: Учебное пособие. - Екатеринбург: УрО РАН, 1999. - 496 с.

8. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник.?4-е изд., перераб. и доп.? М.: Машиностроение, 1992. ? 480 с.

9. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение: Учебное пособие для высш. учеб. завед. ? 6-е изд. перераб. и доп. ? М.: Металлургия, 1989.? 456 с.

Размещено на Allbest.ru