WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Министерство образования Российской Федерации Южно-Уральский государственный университет Кафедра физического металловедения и физики твёрдого тела 669.14(07) У932 В.Г. Ушаков, В.И. Филатов, Х.М.

Ибрагимов Выбор марки стали и режима термической обработки деталей машин Учебное пособие для студентов-заочников машиностроительных специальностей Челябинск Издательство ЮУрГУ 2001 УДК 669.14.018.4 (075.8) + [621.78: 669.14] (075.8) Ушаков В.Г., Филатов В.И., Ибрагимов Х.М. Выбор марки стали и режима термической обработки деталей машин: Учебное пособие для студентов-заочников машиностроительных специальностей. – Челябинск:

Изд-во ЮУрГУ, 2001. – 23 с.

Учебное пособие по курсу «Материаловедение» предназначено для сту дентов-заочников, выполняющих контрольную работу по выбору материалов для деталей машин и инструментов и режимов их термической обработки.

Ил. 5, табл. 4, список лит. – 12 назв.

Одобрено учебно-методической комиссией физико-металлургического факультета.

Рецензенты: доц., к.т.н. Р.К. Галимзянов и к.т.н. Д.В. Шабуров.

© Издательство ЮУрГУ, 2001.

Введение Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание прочно сти, надёжности и долговечности имеет сталь, поэтому она является ос новным материалом для изготовления ответственных изделий, подвер гающихся большим нагрузкам. Свойства стали зависят от её структуры и состава. Совместное воздействие термической обработки, которая изме няет структуру, и легирования - эффективный способ повышения ком плекса 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 экс плуатации, размерами и формой детали и т.д.

1. Выбор марки стали для деталей машин При выборе марки стали для конкретной детали конструктор должен учитывать требуемый уровень прочности, надёжности и долговечности детали, а также технологию её изготовления, экономию металла и спе цифические условия службы детали (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 сво его 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 опти мальное решение найдено. Если сила, воздействующая на деталь, из вестна, то можно определить уровень напряжений в наиболее опасных сечениях детали (чем сложнее конфигурация изделия, тем точность тако го расчёта меньше). Так как модули упругости для всех сталей практиче ски одинаковы (Е~2105 МПа, G~0,8105 МПа), то во многих случаях можно подсчитать упругую деформацию при максимальной нагрузке. При невоз можности 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, вве сти 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 оста точную пластическую деформацию выше определённого значения. Для многих деталей машин (за исключением пружин и других упругих элемен тов остаточной деформацией, меньшей 0,2 %, можно пренебречь, то есть, условный предел текучести (0,2) определяет для них верхний пре дел допустимого напряжения [1].

Надёжность - это свойство материала противостоять хрупкому раз рушению. Деталь должна работать при соблюдении условий, преду смотренных 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 изго товления или допущены серьёзные ошибки в расчётах прочности и т.д.

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

Долговечность – это свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения, и она оценивается временем, в течение кото рого деталь может сохранять работоспособность. Это время не беско нечно, т.к. в процессе эксплуатации могут изменяться свойства материа ла, состояние поверхности детали и т.п. Другими словами, долговечность характеризуется сопротивлением усталости, износу, коррозии, ползуче сти и другим воздействиям, которые определяются временными показа телями.

1.1. Определение допустимого напряжения Показателем, наиболее обобщённо характеризующим прочность материала, является условный предел текучести 0,2, определённый на гладком образце при одноосном растяжении. В этом случае сталь имеет наиболее низкие значения 0,2 (при вязком разрушении), чем при других видах нагружения. Рассмотрим такой пример. Имеем 3 стали с разными значениями условного предела текучести: < < (рис.1). Выяс 0,2 0,2 0, ним, будет ли экономия материала, если вместо стали 1 применить более прочную сталь 3. Это целесообразно, если могут быть использованы на пряжения, равные, а это возможно, если допустима возникающая 0, при таком напряжении деформация, равная l3. Если же при эксплуата ции детали допустима деформация не более чем l1, то при напряжени ях, больших `0,2, размеры детали выйдут за допустимые пределы. Сле довательно, в этом случае замена стали 1 сталью 3 не эффективна.

Таким образом, степень допустимой деформации (упругой и пла стической) 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 машино строительных заводах не подвергается обработке, приводящей к измене нию её структуры (холодная или горячая пластическая деформация, тер мическая обработка и т.п.), т.е. свойства металла в исходном состоянии и в изделии остаются неизменными.

Рис.1. Начальный участок диаграм мы деформации в координатах l «Условное растягивающее 0, ''' напряжение () – абсолютное уд l2 линение(l)» трёх сталей (1,2,3), где 0, '' Р =, Р – растягивающая нагрузка l F 0, ' в данный момент испытания, F0 – начальная площадь попереч ного сечения образца;

l = li – l0, li – длина образца на рас чётном участке в данный момент ис пытания, а l0 – начальная расчётная длина образца 0,2% l l При повышении температуры отпуска от 200 до 6000С условный предел текучести углеродистых сталей с 0,2%С уменьшается от до 600 МПа, а сталей с 0,4%С – от 1600 до 800 МПа [2], следователь но, варьированием температуры отпуска можно изменить прочностные свойства стали примерно в 2 раза.

Однако в общем случае не следует стремиться к получению проч ности выше необходимой, т.к. при этом, как правило, снижается вязкость стали, т.е. уменьшается надёжность стали как конструкционного мате риала. Другими словами, большой запас прочности, достигаемый приме нением более прочных материалов, - не гарантия надёжности, скорее на оборот.

1.2. Обеспечение надёжности Случаи неожиданных разрушений наблюдаются нередко при на пряжениях в 2…4 раза меньших, чем допустимые, и ещё в большее число раз меньших, чем. При этом возможна лишь незначительная упругая 0, деформация и практически полное отсутствие пластической. Как же объ яснить это противоречие?

Работа разрушения А = Аз+Ар, где Аз – работа, затраченная на зарождение трещины;

Ар – работа микропластической деформации в устье растущей трещины.

Любой поверхностный дефект приводит к уменьшению Аз, и могут наблюдаться случаи, когда Аз = 0 (внутренние дефекты менее сущест венны, т.к. наибольшие напряжения сосредотачиваются на поверхности детали). В этом случае только Ар материала определяет надёжность де тали. Для оценки надёжности материала чаще всего используют сле дующие параметры [3]:

A 1) KCU =, где S0 – площадь поперечного сечения ударного образца в S месте надреза радиусом 1 мм и глубиной 2 мм;

A 2) KCT =, где Sнетто – площадь поперечного сечения ударного образ Sнетто ца, в котором перед испытанием наведена усталостная трещина глуби ной 1 мм;

3) порог хладноломкости;

4) критерий Ирвина (К1с ).

Ударная вязкость KCU оценивает работоспособность материала в условиях ударного нагружения при комнатной температуре при наличии в металле U – образного концентратора напряжения. Параметр KCT харак теризует работу развития трещины в этих же условиях нагружения и оце нивает способность материала тормозить начавшееся разрушение. Если материал имеет KCT = 0, то это означает, что процесс его разрушения идёт за счёт упругой энергии системы «образец – нож маятника копра».

Такой материал хрупок, эксплуатационно ненадёжен. И, наоборот, чем больше параметр KCT, определённый при рабочей температуре, тем выше надёжность материала в условиях эксплуатации.

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температу ры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам испытаний образцов с надрезом при понижающейся темпе ратуре. Сочетание при таких испытаниях ударного нагружения, надреза и низких температур – основных факторов, способствующих охрупчиванию, важно для оценки поведения материала при эстремальных условиях экс плуатации.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис.2), наблюдае мое в интервале температур (tв – tн). Строение излома изменяется от во локнистого матового при вязком разрушении (tиспыт. tв, где tв– верхний порог хладноломкости), до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (tиспыт. tн, где tн– нижний порог хладноломкости). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв – tн), либо одной температурой t50, при которой в изломе образца сохраняется 50% волок нистой составляющей и величина KCU снижается на половину.

О пригодности материала для работы при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, равному разности температу ры эксплуатации и t50. При этом, чем ниже температура перехода мате риала в хрупкое состояние по отношению к рабочей температуре, тем больше температурный запас вязкости и выше гарантия от хрупкого раз рушения.

100% Порог хладноломкости 50% tн t tв Температура Рис.2 Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе и ударную вязкость ( KCU ) стали.

Запас вязкости для ответственных деталей, испытывающих дина мические нагрузки, принимается равным 600, для неответственных дета лей и промежуточного случая соответственно 200 и 400.

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

Доля вязкой состав ляющей в изломе, % KCU 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 Влияние некоторых элементов на порог хладноломкости стали Химический Смещение t50, Химический Смещение t50, 0 элемент С элемент С О + 15 Cu + N + 10 Sn + C + 2 Zn + P + 7 Bi + S – 10 Sb + 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 снижа ется. Обычно количество вредных примесей в стали составляет тысяч ные или десятитысячные доли процента. Наиболее значительно из них на температуру хладноломкости влияет кислород. Поэтому способ рас кисления и вакуумная обработка - очень важные металлургические приёмы повышения качества стали, т.к. они приводят к снижению содер жания кислорода и азота в стали.

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

Измельчить зерно можно путём проведения термической обработки. По этому при выборе марки стали необходимо решить, что в данном кон кретном случае более целесообразно: получить сталь более высокой чистоты и удовлетвориться свойствами металла, полученными в состоя нии поставки, или ориентироваться на термическую обработку. Для ста лей, применяющихся в высокопрочном состоянии (0,2 = 1400… МПа), необходимо использование всех способов повышения их надёжно сти.

Высокопрочные стали являются уже не столь надёжными, т.к. они полностью вязко не разрушаются, а имеют хрупко-вязкий излом, однако их также необходимо оценить с точки зрения надёжности. При этом сле дует иметь в виду, что они обычно применяются для тонких деталей, а с уменьшением толщины (< 10 мм) t50 резко понижается. В этом случае целесообразно воспользоваться критерием Ирвина G1c (интенсивность напряжений в устье трещины). Величина его зависит от силы, необходи мой для продвижения вершины трещины на единицу длины. По своему смыслу и размерности (Н/м или Нм/м2) критерий G1c аналогичен удель ной работе распространения трещины (КСТ, Нм/м2 или Дж/м2). При рас чётах пользуются коэффициентом интенсивности напряжений:

К1с= Е G1c, МПам1/2. Высокопрочные материалы, как показал А.Гриффитс, потому и являются не надёжными, что они при хрупком и хрупко-вязком разрушении чрезвычайно чувствительны к различным де фектам. Следовательно, не идеальная прочность такого материала, ко торая равна теоретической (для стали 20.000 МПа), а величина дефекта (длина трещины) определяет допустимую нагрузку. Поэтому для высоко прочных материалов допустимы не почти мифические свойства прочно сти идеального материала, а размер дефекта и способность к затупле нию трещины (косвенно характеризуемая значением К1с), что и опреде ляет допустимую нагрузку (рис.3).

Рис.3 Зависимость критического напряжения () от размера дефек та (m) для двух сталей (А и В) с разным значением К1с:

А – К1с = 31,5 МПаМ1/2, Б Б – К1с = 57,0 МПаМ1/2 [5] А 0 6 12 18 24 m, мм Как видно из рис.3, при = 200 МПа дефект длиной 6 мм безопа сен. При таком дефекте разрушение произойдёт при = 260 МПа, если К1с= 31,5 МПам1/2 и при 500 МПа, если К1с= 57,0 МПам1/2, хотя услов ный предел текучести в обоих случаях может быть и одинаковым.

Таким образом, для сталей, разрушающихся вязко, выбор материа ла основан на соответствии рассчитанных напряжений и условного пре дела 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 сожа лению, не накоплены ещё данные по К1с, а методы обнаружения (изме рения) дефектов, особенно внутренних, недостаточно отработаны.

, МПа 1.3. Обеспечение долговечности Для большинства деталей машин их выход из строя в основном связан с двумя видами повреждений – износом и усталостью.

Износ представляет собой постепенное удаление с поверхности де тали частиц металла. Чем выше твёрдость металла, тем меньше износ, хотя отдельные характеристики структуры (например, включения карби дов) или свойств (способность к наклёпу) могут внести определённый, а иногда и существенный вклад в сопротивление изнашиванию. Следова тельно, способы повышения поверхностной твёрдости (поверхностная закалка или химико-термическая обработка – цементация, азотирование, цианирование и другие процессы) приводят, разумеется, в разной степе ни, 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 раз личным механизмам – вязкому и хрупкому (второй значительно быстрее первого). Это ещё раз свидетельствует о том, что сталь, испытывающая длительное воздействие повторно-переменных (циклических) напряже ний, должна также иметь достаточный запас вязкости.

Усталостная трещина зарождается на поверхности детали в резуль тате воздействия растягивающих напряжений. При наличии концентрато ров 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 напряже ниями сжатия за счёт поверхностного наклёпа, поверхностной закалки, химико-термической обработки и некоторых других менее распростра нённых способов поверхностного упрочнения. Так как эти слои обладают высокой твёрдостью, то указанные виды обработки приводят к повыше нию не только усталостной прочности, но и износостойкости.

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

1.4. Технологические и экономические требования Кроме необходимого комплекса механических свойств, к конструкци онным сталям предъявляются и технологические требования, суть кото рых в том, чтобы трудоёмкость изготовления деталей из них была мини мальной. Для этого сталь должна обладать хорошей обрабатывае мостью резанием и давлением, свариваемостью, способностью к литью и т.д. Эти свойства зависят от её химического состава и правильного вы бора режимов предварительной термической обработки.

Наконец, к материалам для деталей машин предъявляются и эконо мические требования. При этом надо учитывать не только стоимость ста ли, но и трудоёмкость изготовления детали, её эксплуатационную стой кость в машине и другие факторы. В первую очередь нужно стремиться выбрать более дешёвую сталь, т.е. углеродистую или низколегирован ную. 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 рацио нальным, т.е. обеспечивать необходимую прокаливаемость. Введение легирующих элементов сверх этого, помимо удорожания стали, как пра вило, ухудшает её технологические свойства и повышает склонность к хрупкому разрушению.

1.5. Заключение Как было отмечено выше, нет чётких единых принципов выбора марок сталей для изготовления деталей машин, т.е. немаловажную роль в этом процессе играет субъективный фактор. Это во многом связано ещё и с тем, что изложенные выше требования к материалу нередко противоре чивы. Так, например, более прочные стали менее технологичны, т.е.

труднее поддаются обработке резанием, холодной объёмной штамповке, сварке и т.д. Решение обычно компромиссно между указанными требова ниями. Например, в массовом машиностроении предпочитают упрощение технологии и снижение трудоёмкости изготовления детали некоторой по тере свойств. В специальных же отраслях машиностроения, где пробле ма прочности (или удельной прочности) играет решающую роль, выбор стали и последующая технология её термической обработки должны рас сматриваться только из условия достижения максимальных эксплуатаци онных свойств. При этом не следует стремиться к излишне высокой дол говечности данной детали по отношению к долговечности самой машины.

Выбор материала обычно осуществляется на основании сравнитель ного анализа 2…3 марок сталей, из которых изготавливаются аналогич ные детали других моделей машин.

Приступая к этой работе, вначале необходимо выяснить, какие на грузки испытывает деталь. Если это напряжения растяжения или сжатия и они более или менее равномерно распределены по сечению, то деталь должна иметь сквозную прокаливаемость. Поэтому с увеличением сече ния детали следует применять и более легированные стали. В табл. приведены в качестве примера значения критического диаметра прока ливаемости Д95 (95% мартенсита) некоторых сталей в зависимости от легирования [6].

Таблица Критический диаметр некоторых сталей № Критический диаметр Д95 (мм) п/п при закалке:

Сталь в воде в минеральном масле 1 40 10 2 40Х 30 3 40ХН 50 4 40ХНМ 100 Например, для изготовления детали диаметром 30 мм можно реко мендовать сталь 40Х (или другую сталь, имеющую такую же прокаливае мость), закалённую в воде. Если конфигурация детали сложная и охлаж дение в воде приводит к значительной деформации, то вместо воды в ка честве закалочной среды следует применять минеральное машинное мас ло, а вместо стали 40Х – сталь 40ХН. В том же случае, когда деталь испы тывает только изгибающие или крутящие нагрузки, её сердцевина не под вергается воздействию напряжений, поэтому прокаливаемость стали не имеет такого важного значения.

У многих деталей машин (валов, шестерён и т.д.) поверхность в процессе эксплуатации подвергается истиранию и в то же время на них воздействуют динамические (чаще всего ударные) нагрузки. Для успеш ной работы в таких условиях поверхность детали должна иметь высокую твёрдость, а сердцевина быть вязкой. Такое сочетание свойств достига ется правильным выбором марки стали и последующим упрочнением её поверхностных слоёв. Для изготовления подобных деталей можно при менять различные группы сталей и способы их поверхностного упрочне ния:

а) малоуглеродистые стали (С0,3%) и подвергнуть их цементации (нитроцементации), закалке и низкому отпуску;

б) среднеуглеродистые стали (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), упрочняе мые поверхностной закалкой с последующим низким отпуском;

в) среднеуглеродистые легированные стали (38Х2МЮА и др.), которые подвергают азотированию.

В этом случае очень часто определённые требования предъявляют и к сердцевине деталей, в первую очередь, по прочности. В качестве примера в табл. 3 приведены структура и условный предел текучести сердцевины деталей диаметром 20 мм некоторых сталей после цемента ции, закалки и низкого отпуска [4].

Таблица Структура и условный предел текучести сердцевины некоторых сталей № Сталь Структура, МПа 0, п/п сердцевины детали 1 20 Феррит + перлит ~ 2 20ХБейнит ~ 3 18ХГТ Мартенсит отпуска ~ Выше отмечалось, что возникающие усилия и габаритные размеры детали в большинстве случаев известны заранее, следовательно, из вестны и рабочие напряжения. Фактически, за исключением отдельных случаев, о которых речь будет идти ниже, уровень напряжений для стальных изделий должен находиться в пределах 1600…600 МПа (в таких примерно пределах изменяется при повышении температуры отпуска 0, от 200 до 650 С большинства конструкционных сталей). В реальных из делиях напряжения должны быть в 1,5 … 2 раза ниже (так называемый запас прочности).

Табличных данных, которыми обычно пользуются конструкторы, не достаточно для правильного выбора материала. Такую работу должны осуществлять совместно конструктор и металловед: конструктор сообща ет условия работы и геометрию детали, а металловед выбирает матери ал, наиболее пригодный для этих целей.

2. Выбор режима окончательной термической обработки деталей машин Механические свойства стали определяются не только её составом, но зависят и от её строения (структуры). Поэтому целью термической обработки является получение необходимой структуры, обеспечивающей требуемый комплекс свойств стали. Различают предварительную и окон чательную термическую обработки. Предварительной термической обра ботке подвергают отливки, поковки, штамповки, сортовой прокат и другие полуфабрикаты. Она проводится для снятия остаточных напряжений, улучшения обрабатываемости резанием, исправления крупнозернистой структуры, подготовки структуры стали к окончательной термической об работке и т.п. Если предварительная термическая обработка обеспечи вает требуемый уровень механических свойств, то окончательная терми ческая обработка может и не проводиться.

При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях массо вого производства, предпочтение следует отдавать наиболее экономич ным и производительным технологическим процессам, например, по верхностной закалке при глубинном индукционном нагреве, газовой це ментации, нитроцементации и т.д.

Как известно, конструкционные стали общего назначения делятся на две группы:

- низкоуглеродистые (С= 0,10 – 0,25%) и - среднеуглеродистые (С= 0,30 – 0,50%).

Низко- или малоуглеродистые стали подвергают цементации или нитроцементации с последующей обязательной закалкой и низким отпус ком. Поэтому их чаще называют цементуемыми. Эти стали применяют для изготовления деталей машин, у которых поверхность в результате трения подвергается износу и одновременно на них действуют и динами ческие нагрузки. Для успешной работы в этих условиях поверхностный слой детали должен иметь твёрдость HRC 58 … 62, а сердцевина обла дать высокой вязкостью и повышенным пределом текучести при твёрдо сти HRC 30 … 42.

При выборе вида химико-термической обработки следует иметь в виду, что нитроцементация имеет ряд преимуществ по сравнению с це ментацией [8]: процесс проводится при более низкой температуре (840 … 860 0С вместо 920 … 930 0С), получаются меньшие деформации и коробление изделий, диффузионный слой обладает более высоким со противлением износу и коррозии. Однако глубина нитроцементованного слоя должна быть в пределах 0,2 … 0,8 мм, т.к. при большей глубине в поверхностном слое детали появляются дефекты. Поэтому нитроцемен тации подвергают детали сложной формы, склонные к короблению, у ко торых глубина упрочнённого слоя должна быть до 1 мм. Если же по усло виям работы детали глубина слоя должна быть более 1 мм, то следует отдать предпочтение газовой цементации.

Окончательные свойства цементованных деталей достигаются в результате последующей термической обработки, состоящей из закалки и низкого отпуска. Этой обработкой можно исправить структуру и измель чить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличиваю щегося во время длительной выдержки (до10 … 11час) при высокой тем пературе цементации, получить высокую твёрдость на поверхности и хо рошие механические свойства сердцевины детали. В большинстве слу чаев, особенно для наследственно-мелкозернистых сталей, применяют закалку с 820 … 850 С, т. е. выше критической точки Ас1 сердцевины.

Это обеспечивает получение максимальной твёрдости на поверхности детали и частичную перекристаллизацию, и измельчение зерна сердце вины. После газовой цементации часто применяют закалку без повторно го нагрева, а непосредственно из цементационной печи после подстужи вания деталей до 840 … 860 0С. Такая обработка уменьшает коробление обрабатываемых изделий, но не исправляет структуру. Поэтому непо средственную закалку применяют только для наследственно мелкозернистых сталей. Ответственные детали иногда подвергают двой ной закалке: первая с 880 … 900 С (выше Ас3 сердцевины) для исправ ления структуры сердцевины;

вторая с 760 … 780 0С – для придания по верхности детали высокой твёрдости. Недостатки такой обработки:

сложность процесса, повышенное коробление, возможность окисления и обезуглероживания. В результате закалки поверхностный слой приобре тает структуру высокоуглеродистого мартенсита и 15 … 20% остаточного аустенита, иногда может быть небольшое количество избыточных карби дов.

После нитроцементации чаще применяют закалку непосредственно из печи с подстуживанием до 800 … 825 0С.

Заключительной операцией термической обработки цементованных (нитроцементованных) деталей является низкий отпуск при 160 …180 0С, который снимает напряжения и переводит мартенсит закалки в поверх ностном слое в отпущенный мартенсит. Структура сердцевины в зависи мости от размеров сечения и прокаливаемости детали может быть раз ная: феррит + перлит, нижний бейнит или малоуглеродистый мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

После закалки высоколегированных сталей в структуре цементо ванного слоя сохраняется большое количество остаточного аустенита (до 60 % и более), снижающего твёрдость, и, следовательно, износоустойчи вость детали. Для его разложения после закалки проводят обработку хо лодом, но чаще – высокий отпуск при 630 … 640 С, после чего следует повторная закалка с пониженной температуры (760 … 780 С) и низкий отпуск.

Среднеуглеродистые конструкционные стали применяют для изго товления деталей машин, к которым предъявляются высокие требования по пределу текучести, пределу выносливости и ударной вязкости. Такой комплекс механических свойств достигается в результате улучшения, т.е.

закалки с высоким отпуском. Поэтому среднеуглеродистые стали назы вают также улучшаемыми. Структура стали после улучшения – сорбит отпуска. Закалка с высоким отпуском создаёт наилучшее соотношение прочности и вязкости стали, уменьшает чувствительность к концентрато рам напряжений, увеличивает работу развития трещины и снижает тем пературу верхнего и нижнего порогов хладноломкости.

Высокие механические свойства после улучшения возможны лишь при обеспечении требуемой прокаливаемости, поэтому она служит важ нейшей характеристикой при выборе этих сталей. Кроме прокаливаемо сти в таких сталях важно получить мелкое зерно (не менее 5 балла) и не допустить развития отпускной хрупкости.

Улучшенная сталь имеет невысокую износостойкость. Для её по вышения, если это требуется по условиям работы детали, применяют поверхностную закалку, а в ответственных случаях – азотирование.

Особые классы конструкционных сталей (рессорно-пружинные, ша рикоподшипниковые, коррозионно-стойкие, жаропрочные и др.) в данном пособии не рассматриваются.

3. Пример выполнения контрольной работы № по курсу «Материаловедение» В процессе изучения курса «Материаловедение» студенты заочники выполняют две контрольные работы, из которых первая охва тывает основные разделы предмета, а вторая ставит целью применить полученные при изучении данной дисциплины знания для решения кон кретных задач по выбору материалов для деталей машин и инструментов и режимов их термической обработки. Однако, учитывая, что для этого необходимы знания из других учебных курсов (сопротивления материа лов, деталей машин и др.), которые ещё не изучались, а также тот факт, что на практике выбор материала осуществляют, как правило, совместно конструктор и металловед, в контрольной работе №2 задача несколько упрощена: наряду с названиями детали и изделия предложена и марка стали для её изготовления. Поэтому студенту требуется не выбрать, а обосновать предложенную для данной детали марку стали, исходя из анализа условий работы детали, дать характеристику указанной стали, назначить режимы её термической обработки для получения требуемых свойств, описать микроструктуру и привести механические характеристи ки после этой обработки. Наряду с этим, необходимо указать и другие марки сталей, из которых изготавливают аналогичные детали иных мо делей машин, и их типовую термическую обработку.

При работе над контрольной работой №2 следует пользоваться справочниками и другой технической литературой.

Задача. Какую из имеющихся на заводе сталей: Ст4сп, 45 или 40ХН рационально использовать для изготовления шатуна двигателя внутрен него сгорания (ДВС) двутаврового сечения с наибольшей толщиной мм? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая? Дать характеристику микроструктуры и привести механические свойства стали после окончательной термообработки.

3.1. Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу Шатун двигателя внутреннего сгорания предназначен для превра щения возвратно-поступательного движения поршня через поршневой палец, соединённый с верхней головкой шатуна, во вращательное дви жение коленчатого вала двигателя, также соединённого с ним посредст вом нижней головки через осевой шарнир. Отсюда может быть проведён силовой анализ условий работы шатуна. Шатун ДВС как балка работает на чистое сжатие. Максимальное усилие сжатия шатуна (Рш) определя ется произведением максимальной силы давления (pmax) сгоревших газов на днище поршня и площади днища поршня (Fn), т.е.

Рш = pmax • Fn.

Характер силового воздействия на стержень шатуна во время рабо ты ДВС меняется в соответствии с изменением назначения отдельной стадии рабочего цикла двигателя. В четырёхтактных ДВС рабочий цикл состоит из нескольких стадий, основными из которых являются всасыва ние, сжатие, сгорание, расширение (рабочий ход) и выпуск. При всасыва нии шатун работает, в основном, на растяжение, а при сжатии, рабочем ходе и выпуске – на сжатие и продольный изгиб. При этом в районе поршневой головки шатуна температура может достигать 100…150 С, а давление на поршень при сгорании топливной смеси – 4,0 … 5,5 МПа в карбюраторных двигателях и 9 …14 МПа – в дизельных [9].

Из приведённого анализа особенностей эксплуатации шатуна сле дует, что он работает в сложных условиях. Для достижения требуемой его надёжности целесообразно предусмотреть:

– необходимую жёсткость, т.е. высокое сопротивление упругим де формациям от приложенных наибольших нагрузок для исключения недопустимых искажений, нарушающих нормальную работу шатун ных подшипников;

– достаточную конструктивную прочность с учетом всех приложенных постоянных и циклических нагрузок, включая периодические пере грузки, связанные с допустимой в эксплуатации сменой режимов ра боты двигателя;

– стабильность работы во времени или сопротивление остаточным деформациям и изнашиванию опорных поверхностей от рабочих воздействий в течение всего срока службы или заданных межре монтных периодов [10].

На основании расчётов конструктор определил, что сталь, из кото рой будет изготовлен данный шатун, должна иметь предел текучести (0,2) не менее 800 МПа, а ударная вязкость (KCU) её при этом должна быть не менее 0,7 МДж/м2 ( 7 кГм/см2).

3.2. Выбор марки стали.

Проведём сравнительный анализ имеющихся сталей: Ст4сп, 45 и 40ХН. Их химический состав в соответствие с ГОСТами приведён в табл.4.

Таблица Химический состав некоторых сталей № Марка Содержание элементов, вес. % п/п стали CMnSi S PCr Ni не более не более 0,18 – 1 Ст4сп 0,4 – 0,7 0,15– 0,050 0, 0, 0, не более не более 2 45 0,42– 0,5 – 0,8 0,17– 0,035 0, 0,50 0, не более не более 3 40XН 0,36 – 0,5 – 0,8 0,17– 0,45 – 1,0 – 1, 0,035 0, 0,44 0,37 0, Сталь марки Ст4сп по ГОСТ 380 - 94 имеет в состоянии поставки в= 420…540 МПа, 0,2 = 240…260 МПа, т.е. значительно меньше МПа.

У стали 45 после нормализации, т.е. в состоянии поставки, в 610 МПа, 0,2 360 МПа [11], что тоже ниже требуемого значения.

Сталь 40XН в состоянии поставки (после отжига) по ГОСТу 4543– имеет твёрдость не более НВ2070 МПа (207 кГ/мм2). Между в и НВ ста лей существует приближённая зависимость НВ 3,5 в [12]. Следова тельно, у стали 40ХН в 600 МПа, а 0,2< 400 МПа, т.к. отношение 0,2/в для отожжённой легированной стали не превышает 0,5…0,6 [5].

Таким образом, ни одна из этих сталей в состоянии поставки не имеет 0,2 800 МПа, поэтому для получения требуемой величины предела текучести шатун необходимо подвергнуть термической обработ ке.

Для низкоуглеродистой стали Ст4сп улучшающее влияние термиче ской обработки незначительно. Кроме того, эта сталь имеет повышенное содержание фосфора, который снижает ударную вязкость и повышает порог хладноломкости (каждые 0,01% Р сдвигают его на 20-25 0С в сторо ну положительных температур). Поэтому для такой ответственной дета ли, как шатун двигателя, применение стали обыкновенного качества не допустимо. Остаются стали 45 и 40ХН.

Для получения требуемых свойств и, в частности, ударной вязкости не менее 0,7 МДж/м2, требуется провести улучшение, т.е. закалку с высо ким отпуском. Для получения однородных свойств по всему сечению де тали улучшаемые стали должны обладать полной, т.е. сквозной прокали ваемостью. Сталь 45 имеет критический диаметр при закалке в воде Д90 = 10мм, Д50 = 15мм (90% и 50% мартенсита в центре детали соответ ственно), а у стали 45ХН Д90 = 20мм, Д50 = 35мм даже при охлаждении в масле [6]. Таким образом, углеродистая сталь 45 не будет иметь требуе мых свойств по всему сечению шатуна толщиной 20 мм, поэтому данный шатун необходимо изготовить из стали 40ХН.

3.3. Характеристика стали 40ХН Химический состав стали приведён в табл. 4. Критические точки:

Ас1= 7100С, Ас3= 7600С, Мн = 3400С [7]. Сталь легирована хромом и нике лем. Оба элемента растворяются в феррите и упрочняют его. При этом хром несколько снижает вязкость феррита, а никель повышает её. Важ ное значение имеет влияние легирующих элементов на порог хладно ломкости. Наличие хрома в стали способствует некоторому повышению порога хладноломкости, тогда как никель его интенсивно снижает (при содержании в стали 1% никеля порог хладноломкости снижается на 60 …80 С), уменьшая тем самым, склонность стали к хрупкому раз рушению. Поэтому никель является наиболее ценным легирующим эле ментом.

Основная цель легирования конструкционной стали – повышение её прокаливаемости. Оба названные элементы снижают критическую ско рость закалки и увеличивают прокаливаемость стали.

Таким образом, хромоникелевые стали обладают достаточно высо кой прокаливаемостью, хорошей прочностью и вязкостью. Поэтому их применяют для изготовления крупных деталей сложной конфигурации, работающих при динамических нагрузках.

На рис. 4 приведена диаграмма распада переохлаждённого аусте нита стали 40ХН в изотермических условиях, а влияние температуры от пуска на механические свойства этой стали представлено на рис.5 [7].

А А А A П A Ф А Б Мн Конец превращения А М Рис. 4 Диаграмма изотермического превращения переохлаждённого аустенита стали 40ХН (температура аустенитизации 8200С).

, 0,2, МПа,, % в 2000 KCU, МДж/м 1600 60 2, в HRC 50 1200 40 1, 0, 40 800 20 1, 30 400 0 0, HRC KCU 20 0, 200 400 Температура отпуска, °C Рис. 5 Механические свойства стали 40ХН в зависимости от температуры отпуска (закалка от 8200С в масле).

3.4. Выбор и обоснование режимов термической обработки Сталь 40ХН является доэвтектоидной конструкционной легирован ной сталью. Температура нагрева при закалке выбирается в этом случае на 50 …700С выше критической точки Ас3, т.е.

tн = Ас3 + (50 …70) 0С = 760 0С + 60 0С = 820 0С.

Для получения мартенситной структуры при закалке стали её необ ходимо охлаждать со скоростью не меньшей, чем критическая скорость закалки (Vохл. Vкр.). Значение Vкр. определим, воспользовавшись диа граммой изотермического превращения переохлаждённого аустенита, (рис. 4):

А - tmin 710 - Vкр= = 70 0/с.

1,5 min 1,5 1, В качестве закалочной среды следует применить минеральное ма шинное масло, в котором скорость охлаждения в интервале тем ператур наименьшей устойчивости переохлаждённого аустенита (650 … 0 550 С) составляет примерно 150 /с, что больше Vкр. данной стали. В нижнем, мартенситном интервале температур масло охлаждает с не большой скоростью (20… 30 /с) [2], что уменьшает вероятность образо вания закалочных дефектов. После закалки структура стали по всему се чению шатуна состоит из мартенсита и ~ 3 …5 % остаточного аустенита.

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

Для получения 0,2800 МПа и KCU0,7 МДж/м2 температура отпуска стали 40ХН должна быть 600 0С (рис.5). В связи с тем, что хромоникеле вые стали склонны к обратимой отпускной хрупкости, охлаждение шату нов из стали 40ХН до комнатной температуры при отпуске следует про водить ускоренно, например в масле.

Таким образом, окончательной термической обработкой шатуна ДВС из стали 40ХН является улучшение, т.е. сталь закаливают от темпе ратуры 820 С в минеральном машинном масле и проводят высокий от пуск при температуре 600 0С с охлаждением также в масле. После такой термической обработки структура стали по всему сечению шатуна представляет собой сорбит отпуска, а механические свойства будут не менее [7]:

• предел прочности – 1100 МПа, • предел текучести – 800 МПа, • относительное удлинение – 20%, • относительное сужение – 70%, • ударная вязкость – 1,5 МДж/м2, • порог хладноломкости:

tверх = – 40 0С, tнижн = – 130 0С.

Указанный комплекс механических свойств обеспечит заданную ра ботоспособность шатуна двигателя внутреннего сгорания.

Литература 1. Анурьев В.И. Справочник конструктора-машиностроителя в 3-х томах.

–7-е изд., перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1992.–Т.1 – 816 с.

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

3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение: Учебник для высш.

техн. учеб. завед. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

4. Гуляев А.П., Металловедение: Учебник для вузов. - 6-е изд., перераб.

и доп. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

5. 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.

6. Качанов Н.Н. Прокаливаемость стали.–2-е изд., перераб. и доп. – М.:

Металлургия, 1978. – 192 с.

7. Термическая обработка в машиностроении: Справочник / Под ред.

Ю.М. Лахтина и А.Г. Рахштадта – М.: Машиностроение, 1980. – 784 с.

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

9. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинирован ных двигателей: Учебник для втузов по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» – 4-е изд., перераб. и доп. – Д.Н. Вырубов, Н.А.

Иващенко, В.И. Ивин и др.;

Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова.– М.:

Машиностроение, 1983. – 372 с.

10. Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчёт на проч ность поршневых и комбинированных двигателей: Учебник для студен тов втузов, обучающихся по специальности «Двигатели внутреннего сгорания» – 4-е изд., перераб. и доп. – Д.Н. Вырубов, С.И. Ефимов, Н.А. Иващенко, и др.;

Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Маши ностроение, 1984. – 384 с.

11. Журавлев В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Спра вочник.-4-е изд., перераб. и доп.- М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.

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

- 456 с.

Оглавление Введение ……………………………………………………………….. 1. Выбор марки стали для деталей машин ………………………….. 1.1 Определение допустимого напряжения …………………………. 1.2 Обеспечение надёжности ………………………………………….. 1.3 Обеспечение долговечности ………………………………………. 1.4 Технологические и экономические требования ………………... 1.5 Заключение …………………………………………………………… Выбор режима окончательной термической обработки деталей машин ………………………………………………………... Пример выполнения контрольной работы № по курсу «Материаловедение» ……………………………………... 3.1 Анализ условий работы детали и требования, предъявляемые к материалу …………………………………….. 3.2 Выбор марки стали ………………………………………………….. 3.3 Характеристика стали 40ХН ……………………………………….. 3.4 Выбор и обоснование режимов термической обработки ……... Литература ………………………………………………………………




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.