выполнить курсовую работуВлияние химического состава на свойства стали

ВведениеВ настоящее время актуальным является теоретически обоснованный выбор подходящих конструкционных материалов для деталей различного назначения и поиск рациональных способов формирования в них требуемых свойств для обеспечения надежности и долговечности.Термическая обработка – самый распространенный в современной технике способ изменения свойств металлов и сплавов. На металлургических и машиностроительных заводах термическая обработка является одним из важнейших звеньев технологического процесса производства полуфабрикатов и деталей машин. Термообработку применяют как промежуточную операцию для улучшения технологических свойств (обрабатываемости давлением, резанием и др.) и как окончательную операцию для придания металлу или сплаву такого комплекса механических, физических и химических свойств, который обеспечивает необходимые эксплуатационные характеристики изделия. Чем ответственнее конструкция, тем, как правило, больше в ней термически обработанных деталей.Целью данной работы является выбор стали и способа ее упрочнения для изготовления деталей из стали литьем в оболочковые формы, которые после закалки и отпуска должны иметь предел прочности не ниже 700 МПаДля достижения поставленной цели необходимо решить ряд задач:- изучить условия работы выбранной детали и причины их повреждений;- установить предъявляемые требования;- определить влияние химического состава на свойства стали;- выбрать марку стали и назначить виды и режимы термической обработки деталей.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист41.001.00.00–ПЗ1 Условия эксплуатации изделия и причины возможных повреждений и разрушения детали в процессе эксплуатацииВыберем в качестве детали, изготавливаемой из стали, зубчатое колесо (рис. 1.1). Зубчатые колёса являются основными деталями большинства машин и механизмов. Они служат для передачи вращательных движений между отдельными элементами механизмов.Рисунок 1.1 – Зубчатое колесо редуктораУсловия работы зубчатых колес определяются их быстроходностью, уровнем контактных и изгибающих нагрузок.В процессе эксплуатации зубья зубчатых колес подвергаются:720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗ а) изгибу при максимальном однократном нагружении ( при резком торможении, заклинивании, при приложении максимального крутящего момента), зубчатый колесо сталь термическийИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист51.001.00.00–ПЗб) изгибу при многократных циклических нагрузках, вследствие чего в корне зуба развиваются наибольшие напряжения, и может происходить усталостное разрушение,в) контактным напряжениям на боковых рабочих поверхностях зубьев, приводящим к образованию контактно-усталостного выкрашивания (питтинга),г) износу боковых поверхностей (из-за попадания абразивных частиц, грязи, пыли в зону контакта) , либо торцевых поверхностей зубьев ( при переключении передач в коробках передач). При относительном скольжении в условиях недостаточной смазки либо без смазки на рабочих поверхностях зубьев может происходить образование грубых задиров, приводящих к катастрофически быстрому (в течение нескольких часов) изнашиванию зубчатых колес. Вращение передаётся через зубчатое зацепление. Отказ или разрушение зубчатого колеса влечёт за собой прекращение передачи крутящего момента и отказ двигательных агрегатов. Наиболее загруженной частью зубчатого колеса является зуб.В процессе работы зубья испытывают ударные нагрузки, в результате чего в них возникают контактные напряжения. Поверхность зуба работает на износ, в процессе работы зубья нагреваются; для охлаждения на них непрерывно подаётся масло. 720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист61.001.00.00–ПЗВ процессе работы зубчатое колесо испытывает статические, динамические, знакопеременные и вибрационные нагрузки. Деталь работает в масляной среде.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗ2 Эксплуатационные требованияИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист71.001.00.00–ПЗЗубчатые колеса относятся к числу наиболее распространенных деталей современных машин. Они входят в конструкции двигателей внутреннего сгорания автомобилей, тракторов, сельхозмашин, самолетов, турбин, станков и во многие другие машины и изделия.Эксплуатационные требования имеют важное значение. Для зубчатых колес, материал для их изготовления должен иметь высокую конструкционную прочность. Конструкционная прочность – комплекс свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу машин и аппаратов в условиях эксплуатации. В первую очередь, конструкционная прочность включает механические свойства: прочность, вязкость и др. Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности. На долговечность и надежность изделий влияют следующие факторы: - химический состав и структурное состояние стали после термической обработки, а также его изменение в процессе нагружения. - металлургическое качество стали (содержание неметаллических включений, неоднородность состава и структуры). - качество поверхности проката (листа, полосы, ленты, проволоки). Наличие дефектов поверхности, играющих роль концентраторов напряжений в готовых пружинах и рессорах. - наличие и глубина обезуглероженного слоя. - напряженное состояние, определяемое характером распределения и величиной внутренних остаточных напряжений. Основным эксплуатационным свойством смазываемых колес, как и подшипников качения, является контактная выносливость. Она определяет габаритные размеры зубчатой передачи и ресурс ее работы. Кроме высокой контактной выносливости от зубчатых колес требуется сопротивление усталости при изгибе, износостойкость профилей и торцов зубьев, устойчивость к схватыванию. Для зубчатых колес, изготавливаемых литьем в оболочковые формы, предъявляется требование к пределу прочности материала, который должен быть не менее 700 МПа (σв ≥ 700 МПа).3 Технологические и экономические требованияТехнологические требования направлены на обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций. Технологичность материала характеризуют возможные методы его обработки. Она оценивается: - обрабатываемостью резанием, - обрабатываемостью давлением, - свариваемостью, - способностью к литью, пайке, а также к термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависят производительность и качество изготовления деталейЗубчатые колеса могут иметь достаточно сложную конфигурацию, поэтому для обеспечения их технологичности материалы, из которых они изготовлены, должны обладать хорошими литейными свойствами для обеспечения получения качественных отливок.Также к технологическим требованиям относятся:- достаточная прокаливаемость (для обеспечения сквозной прокаливаемости по всему сечению зубчатого колеса сечением 25 мм критический диаме- малая склонность к обезуглероживанию в процессе термической обработки; - отсутствие склонности к образованию трещин при термической обработке (особенно при закалке).Экономические требования сводятся к тому, чтобы материал имел невысокую стоимость и был доступным. Стали для изготовления зубчатых колес должны содержать минимальное количество легирующих элементов при условии обеспечения требуемых механических и др. свойств.Использование материалов, содержащих дорогостоящие легирующие элементы, должно быть обосновано повышением свойств деталей. Наиболее дешевым материалом являются углеродистые стали. Стоимость легированных сталей определяется количеством и стоимостью входящих в них легирующих элементов. 720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист81.001.00.00–ПЗcentercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗ4 Выбор группы материалов конкретного функционального назначения с обоснованиемИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист91.001.00.00–ПЗВыбор материала зубчатых колес зависит от назначения передачи, условий ее работы, требований к размерам, а также механическим, технологическим и др. свойствам. Наиболее распространенным материалом для изготовления зубчатых колес являются стали.Для зубчатых колес, работающих при высоких контактных нагрузках, применяют цементуемые (нитроцементуемые) легированные стали. Они имеют наиболее высокий предел контактной выносливости, значение которого устанавливают в зависимости от твердости поверхности. Твердость цементованной поверхности составляет 58 - 63 HRC. Излишне высокая твердость нежелательна из-за возможности хрупкого разрушения цементованного слоя. Твердость сердцевины составляет 30 - 42 HRC.Сильно нагруженные зубчатые колеса диаметром 150 - 600 мм и более изготовляют из хромоникелевых сталей 20ХНЗА, 12Х2Н4А, 18Х2Н4МА и др. Их используют в редукторах вертолетов, судов, самолетов. Для мелких и средних колес приборов, сельскохозяйственных машин применяют хромистые стали 15Х, 15ХФ, 20ХР и др. После цементации и последующей термической обработки зубчатые колеса имеют значительную деформацию. Для ее устранения необходимо зубошлифование, что усложняет технологию.В условиях массового производства (авто- и тракторостроение) применяют экономнолегированные стали 18ХГТ, ЗОХГТ, 25ХГМ, 20ХНМ, 20ХГР и др. Их подвергают нитроцементации, которая проводится при несколько меньшей температуре, чем цементация, и сочетается с подстуживанием и непосредственной закалкой. Деформация уменьшается, поэтому зубчатые колеса из таких сталей не шлифуют.Азотирование гарантирует высокую твердость поверхности, но из-за небольшой толщины упрочненного слоя возможны подслойные разрушения. Азотирование целесообразно применять для средненагруженных зубчатых колес сложной конфигурации из сталей 38Х2МЮА, 40Х, 40ХФА и др,, шлифование которых затруднено. Поверхностной индукционной закалке с последующим низким отпуском подвергают зубчатые колеса малых и средних размеров из сталей с содержанием углерода 0,4–0,5 %. Для поверхностной закалки на глубину (0,20 - 0,25) m используют стали 40, 45, 50Г, 40Х, 40ХН и др. Сердцевина при этом не закаливается и остается вязкой. По нагрузочной способности эти стали уступают цементуемым сталям.Зубчатые колеса, работающие при невысоких нагрузках, изготовляют из сталей 40, 50, 40Х, 40ХН, 30Л, 30ХГСФЛ, 30ХГС и др. после нормализации и улучшения. Невысокая твердость материала (менее 350 НВ) позволяет нарезать зубья после термической обработки, что упрощает технологию изготовления колес. Выберем данную группу сталей.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист101.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист101.001.00.00–ПЗ5 Выбор конкретной марки материалаИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист101.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист101.001.00.00–ПЗВыбор марки стали для изготовления зубчатых колес будем проводить с учетом обеспечения требуемых механических свойств, экономических соображений (стоимости), хороших технологических свойств (в первую очередь, литейных свойств, т.к. предусмотрена технология изготовления зубчатого колеса литьем в оболочковые формы), прокаливаемости.Выбранная группа сталей (30Л, 30ХГСФЛ, 30ХГС) относится к улучшаемым сталям, т.е. подвергаемым упрочняющей термообработке – улучшению, состоящего из закалки и высокого отпуска. Сталь 30Л – углеродистая качественная литейная конструкционная сталь. Содержит в среднем 0,3 % углерода. Данная сталь имеет наименьшую стоимость, т.к. не содержит легирующих элементов. Недостатком данной марки стали является небольшая прокаливаемость (до 18 мм – при охлаждении в воде при закалке). После закалки и высокого отпуска сталь будет иметь механические свойства, представленные в табл.5. 1.Таблица 5.1 – Механические свойства стали 30ЛРежим термообработки σ0,2 (МПа)σв(МПа)δ5 (%)ψ %KCU (Дж / см2)не менее     Закалка 860-880 °С. Отпуск 610-630 °С300 5001730 35Пределу прочности материала после термообработки составит 500 МПа, что не удовлетворяет установленным требованиям, поэтому данная марка стали не подходит для изготовления зубчатых колес. Также недостаточной является прокаливаемость данной стали.Сталь 30ХГС – легированная качественная конструкционная сталь. Содержит в среднем 0,3 % углерода, легирующие элементы – по 1 % хрома, марганца, кремния. Прокаливаемость стали равна 18-40 мм (при охлаждении в масле). После закалки и высокого отпуска сталь будет иметь механические свойства, представленные в табл. 5.2.Таблица 5.2 – Механические свойства стали 30ХГССостояние поставки, режим термообработкиКПσ0,2 (МПа)σв(МПа)δ5 (%)Ψ %KCU (кДж / м2)HB (HRC), не болееЗакалка 880 °С, масло. Отпуск 540 °С, вода или масло 69088094559св. 225Данная сталь обеспечивает требуемый уровень предела прочности.Сталь 30ХГСФЛ – легированная качественная литейная конструкционная сталь, содержит в среднем 0,3 % углерода, легирующие элементы – по 1 % хрома, марганца, кремния, ванадия – до 1 %. Прокаливаемость стали составляет 30 мм (при охлаждении в масле).После закалки и высокого отпуска сталь будет иметь механические свойства, представленные в табл. 5.3.Таблица 5.3 – Механические свойства стали 30ХГСФЛСостояние поставки, режим термообработкиσ0,2 (МПа)σв(МПа)δ5 (%)ψ %KCU (Дж/см2)Закалка 900-920 °С. Отпуск 630-670 °С.600800142545Данная сталь обеспечивает требуемый уровень предела прочности.Таким образом, стали 30ХГС и 30ХГСФЛ обеспечивают требуемые прочностные свойства. Преимуществом стали 30ХГСФЛ является более высокая прокаливаемость, хорошие литейные свойства (сталь литейная).При этом стоимость стали 30ХГСФЛ несколько выше по сравнению со сталью 30ХГС за счет дополнительного легирования ванадием.Однако, повышенные механические свойства, прокаливаемость, хорошие литейные свойства обеспечивают экономическую целесообразность выбора данной стали для изготовления выбранной детали.Выберем сталь 30ХГСФЛ для изготовления зубчатых колес. -330200-470535Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист111.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист111.001.00.00–ПЗ Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист111.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист111.001.00.00–ПЗ6 Классификация выбранного материала Классификация стали 30ХГСФЛ:- по химическому составу – легированная;- по степени легирования – среднелегированная (суммарное содержание легирующих элементов ~3 %);- по содержанию углерода –среднеглеродистая (0,3 % углерода);- по качеству – качественная (содержит пониженное количество серы и фосфора);- степени раскисления – спокойная;- по назначению – конструкционная (машиностроительная);- по технологии изготовления – литейная.Полный химический состав стали приведен в таблице 6.1.Таблица 6.1 – Химический состав стали 30ХГСФЛCSiMnSPCrV0.25 - 0.350.4 - 0.61 - 1.5до   0.05до   0.050.3 - 0.50.06 - 0.12 720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 121.001.00.00–ПЗПрименение: шестерни, зубчатые колеса и другие детали машиностроения.Технологические свойства материала 30ХГСФЛ:- склонность к отпускной хрупкости – мало склонна;- флокеночувствительность – не чувствительна;- линейная усадка – 2,2 – 2,3 %;- жидкотекучесть – КЖ.Т = 0,9;- склонность к образованию усадочной раковины – КУ.Р = 1,1;- склонность к образованию усадочной пористости – КУ.П = 1,0;- показатель трещиноустойчивости – КТ.У = 0,7;- свариваемость – ограничено свариваемая;- прокаливаемость – 30 мм.Температура критических точек стали 30ХГСФЛ, оС: Ac1 = 760 - 770, Ac3 = 830 – 840.7 Влияние химического состава7.1 Влияние углерода на механические свойства стали720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 131.001.00.00–ПЗУглерод – не случайная примесь, а важнейший компонент стали, от количества которого зависят ее свойства. С увеличением содержания углерода в структуре стали увеличивается количество цементита – очень твердой и хрупкой фазы. Твердость цементита превышает твердость феррита примерно в 10 раз (800 HB и 80 HB соответственно). Поэтому прочность и твердость стали растут с повышением содержания углерода, а пластичность и вязкость, наоборот, снижаются (рис. 7.1). Рисунок 7.1 – Влияние углерода на механические свойствауглеродистой сталиПри повышении содержания углерода до 0,8% увеличивается доля перлита в структуре (от 0 до 100%), поэтому растут и твердость, и прочность. Но при дальнейшем росте содержания углерода появляется избыточный цементит по границам перлитных зерен. Твердость при этом почти не увеличивается, а прочность снижается из-за повышенной хрупкости цементитной сетки.Кроме того, увеличение содержания углерода приводит к повышению порога хладноломкости: каждая десятая доля процента повышает t50 примерно на 20º. Влияет содержание углерода и на все технологические свойства стали: чем больше в стали углерода, тем она труднее обрабатывается резанием, хуже деформируется (особенно в холодном состоянии) и хуже сваривается.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗ7.2 Влияние постоянных (технологических) примесейИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 141.001.00.00–ПЗПостоянные примеси в стали: марганец, кремний, сера, фосфор, а также газы: кислород, азот, водород.Марганец – полезная примесь; вводится в сталь для раскисления и остается в ней в количестве 0,3–0,8%. Марганец уменьшает вредное влияние кислорода и серы.Кремний – полезная примесь; вводится в качестве активного рас- кислителя и остается в стали в количестве 0,4%о.Сера – вредная примесь, вызывающая красноломкость – хрупкость при горячей обработке давлением; в стали находится в виде сульфидов. Сульфиды FeS образуют с железом эвтектику, отличающуюся низкой температурой плавления (988 °С) и располагающуюся по границам зерен. При горячей деформации зерна оплавляются и сталь хрупко разрушается.От красноломкости сталь предохраняет марганец, который связывает серу в сульфиды MnS, исключающие образование легкоплавкой эвтектики. Устраняя красноломкость, сульфиды MnS, также, как и другие неметаллические включения (оксиды, нитриды), нарушают однородность строения стали, снижают пластичность и вязкость, усталостную прочность, ухудшают свариваемость и коррозионную стойкость. Поэтому содержание серы в стали строго лимитируют. Положительное влияние серы в стали проявляется лишь в улучшении обрабатываемости резанием.Фосфор – вредная примесь; растворяется в феррите, упрочняет его, но снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость. Фосфор повышает порог хладноломкости. Хрупкость стали, вызванная фосфором, тем выше, чем больше в ней углерода.Кислород, азот, водород – вредные скрытые примеси. Их влияние наиболее сильно проявляется в снижении пластичности и повышении склонности стали к хрупкому разрушению. Кислородные включения вызывают красно- и хладноломкость, снижают прочность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Атомы азота в холоднодеформированной стали скапливаются на дислокациях. Сталь упрочняется, становится малопластичной. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250 °С. Особенно оно нежелательно для листовой стали (<0,1% С), предназначенной для холодной штамповки. Последствия старения – разрывы при штамповке.Водород находится в твердом растворе и скапливается в порах и дислокациях. Хрупкость, обусловленная водородом, проявляется тем резче, чем выше прочность материала. Наиболее сильное охрупчивание наблюдается в закаленных сталях с мартенситной структурой, а в аустенитных сталях оно отсутствует.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 151.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 151.001.00.00–ПЗПовышенное содержание водорода приводит к образованию флокенов. Это внутренние надрывы, образующиеся в результате высоких давлений, которые развивает водород, заполняющий поры вследствие понижения растворимости. Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 151.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 151.001.00.00–ПЗФлокены в изломе имеют вид белых пятен, а на поверхности – мелких трещин. Этот дефект обычно встречается в крупных поковках хромистых и хромоникелевых сталей. Для его предупреждения заготовки после горячей деформации медленно охлаждают или длительно выдерживают при 250 °С. При этих условиях водород, имеющий большую скорость диффузии, не скапливается в порах, а удаляется из стали.Случайные примеси – элементы, попадающие в сталь из вторичного сырья или руд. Из скрапа в сталь попадают хром, никель, олово и др. Сталь, выплавленная из уральских руд, содержит медь, из керченских – мышьяк. Случайные примеси оказывают незначительное влияние на свойства стали.7.3 Влияние легирующих элементовЛегирующие элементы также оказывают влияние на структуру и свойства стали.Хром растворяется в феррите и цементите, оказывая благоприятное воздействие на механические свойства стали: повышает прочность и вязкость (не значительно), а при термообработке хладостойкость; повышает температуру закалки и отпуска, значительно увеличивает прокаливаемость (за счет упрочнения феррита и повышения стабильности карбидов типа Ме3С); уменьшает склонность к росту зерна при нагреве (из-за образования карбидов легирующих элементов повышенной устойчивости).Марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS, так как образует с серой соединение сульфид марганца MnS. Он упрочняет феррит и повышает стабильность карбидов типа Ме3С, из-за чего происходит значительное повышение прочности и небольшое повышение вязкости; несколько повышается температура закалки и отпуска, существенно увеличивается прокаливаемость, а также повышается чувствительность к перегреву.Кремний, дегазируя металл, повышает плотность слитка. Кремний растворяется в феррите и повышает прочность стали, особенно повышается предел текучести, σ 0.2. Но наблюдается некоторое снижение пластичности, что снижает способность стали к вытяжке. Кремний положительно влияет на структуру, механические и технологические свойства стали: снижает критическую скорость охлаждения и увеличивает прокаливаемость; уменьшает скорость распада мартенсита; сильно упрочняя феррит, повышает прочность, твердость и упругие свойства стали; увеличивает сопротивление коррозии; снижает вязкость. Такое влияние кремния на свойства связано с его воздействием на матричную фазу и карбиды. Кремний способен создавать в твердом растворе направленные ионные связи, которые должны увеличивать напряжения трения в кристаллической решетке и тем самым повышать сопротивление движению дислокаций, особенно при малых пластических деформациях (упрочняющий эффект).Введение в сталь легирующих элементов увеличивает прокаливаемость стали, т е. способность стали закаливаться на определенную глубину.centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 161.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 161.001.00.00–ПЗ Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 161.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист PAGE \* LOWER 161.001.00.00–ПЗВанадий – карбидообразующий элемент, сильно измельчает зерно аустенита, повышает прочность и увеличивает вязкость металла. Сталь, содержащая ванадий, хорошо сопротивляется ударным нагрузкам. Конструкционная сталь содержит 0,15 - 0,4 % V. Влияние легирующих элементов на механические свойства стали представлено на рис. 7.2.а – на твердость в отожженном состоянии; б – на ударную вязкостьРисунок 7.2 – Влияние легирующих элементов на механические свойства сталиcentercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗ8 Термическая обработкаИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист171.001.00.00–ПЗВ машиностроении большое число применяемых сталей подвергается термической обработке. Цель термообработки – получение требуемых свойств за счет структурных изменений в стали в результате фазовых превращений в твердом состоянии.Любая термическая обработка состоит из нагрева до определенной температуры, выдержки и охлаждения.Основные виды термической обработки:- отжиг;- нормализация;- закалка;- отпуск.Отжиг, нормализация и закалка основаны на распаде аустенита при охлаждении. Основное различие между ними заключается в скорости охлаждения. Отпуск основан на превращении мартенсита при нагреве закаленной стали.Отжиг заключается в нагреве стали до определенной температуры, выдержке и последующем медленном охлаждении.Охлаждение при отжиге, как правило, происходит в печи.Цель отжига – получение равновесной структуры.Нормализация заключается в нагреве доэвтектоидной стали до температуры на 40…50°С выше Ас3, заэвтектоидной – на 40…50°С выше Асm, выдержке и охлаждении на воздухе.Нормализация вызывает полную перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистую структуру, полученную при предшествовавшей обработке (литье, горячей прокатке, ковке или штамповке).Более быстрое охлаждение на воздухе по сравнению с охлаждением в печи приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной смеси (вместо перлита образуется пластинчатый сорбит). Поэтому прочность и твердость нормализованной средне- и высокоуглеродистой стали на 10…15% выше по сравнению с прочностью и твердостью отожженной при достаточно высокой пластичности.Закалка заключается в нагреве доэвтектоидных сталей на 30…50°С выше температуры Ас3, заэвтектоидных на 20…30°С выше Ас1, выдержке и последующем охлаждении со скоростью выше критической. Целью закалки является получение структуры мартенсита и высокой твердости.Закалка не является окончательной операцией термической обработки. Чтобы уменьшить хрупкость и напряжения, вызванные закалкой, и получить требуемые механические свойства, сталь после закалки подвергают отпуску.Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. centercenterИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗОтпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск полностью или частично устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке.Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист181.001.00.00–ПЗСкорость охлаждения после отпуска оказывает большое влияние на остаточные напряжения. Чем медленнее охлаждение, тем меньше остаточные напряжения. Однако изделия из легированных сталей, склонных к образованию отпускной хрупкости, после отпуска при 500…650°С следует охлаждать быстро.Отпуск закаленной стали основан на превращениях мартенсита и остаточного аустенита при нагреве.Различают три вида отпуска.1. Низкотемпературный (низкий) отпуск проводят при 150…180°С, для легированных сталей до 250°С. При этом снижаются закалочные напряжения, мартенсит закалки переходит в мартенсит отпуска Мотп, улучшается вязкость без заметного снижения прочности и твердости. Закалке и низкому отпуску подвергают детали машин, работающие в условиях износа, контактных нагрузок при статическом или циклическом нагружении: детали из низкоуглеродистых сталей после химико-термической обработки (цементации, цианирования или нитроцементации), крепежные детали, детали кузнечнопрессового оборудования из среднеуглеродистых сталей, детали подшипников, режущий, измерительный инструмент, детали металлорежущих станков.2. Среднетемпературный (средний) отпуск проводят при 350…500°С. Структура стали после среднего отпуска – троостит отпуска Тотп, Такая структура обеспечивает высокий предел упругости, выносливости и релаксационную стойкость. Твердость стали 40…50 HRC. Закалку с последующим средним отпуском применяют главным образом для упругих элементов машин из высокоуглеродистых сталей: пружин различного назначения, мембран, автомобильных рессор.3. Высокотемпературный (высокий) отпуск проводят при 500…680°С. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска зернистый Сотп, обладающий повышенной ударной вязкостью. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокого отпуска, называют улучшением. Такая термообработка создает наилучшее сочетание прочности и вязкости стали и применяется для деталей машин из среднеуглеродистых сталей, испытывающих статические и особенно динамические или циклические нагрузки (валы, шатуны, оси, крепежные детали).Рекомендуемая типовая термообработка стали 30720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗХГСФЛ:Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист191.001.00.00–ПЗ- предварительная – отжиг 900-920 °С., охлаждение с печью;- окончательная – закалка 900-920 °С. высокий отпуск 630-670 °С, охлаждение на воздухе.На рис. 8.1 представлен участок диаграммы состояния железо – цементит, с помощью которой назначают температуры нагрева при термообработке углеродистых и низколегированных сталей.Рисунок 8.1 – Участок диаграммы железо-цементит Предварительная термическая обработка состоит из полного отжига.Цели полного отжига доэвтектоидной стали:- измельчение зерна и, как следствие, повышение ударной вязкости;- улучшение обрабатываемости резанием за счет снижения твердости и повышения пластичности;- снятие внутренних напряжений.Температура нагрева при полном отжиге:Тн= Ас3 + (30-50 оС). (8.1)При этом отжиге происходит полная фазовая перекристаллизация стали. При нагреве выше точки Ас3 на 30…50°С образуется аустенит, характеризующийся мелким зерном, поэтому при охлаждении возникает мелкозернистая структура П+Ф, обеспечивающая высокую вязкость и пластичность и получение высоких свойств после окончательной термической обработки.Упрочняющая термообработка состоит из закалки и последующего высокого отпуска. Для перлитных доэвтектоидных сталей проводят полную закалку с нагревом до температур, определяемых согласно формуле (8.1).Легирующие элементы обеспечивают уменьшение критической скорости закалки, что дает возможность применять в качестве охлаждающей среды масло. Такая охлаждающая среда снижает вероятность деформации (коробления) изделий и возникновения трещин, т. к. охлаждает более медленно, чем вода. При нагреве под закалку исходная феррито-перлитная структура превратится в аустенит, который при охлаждении со скоростью выше критической превратится в мартенсит.Детали после закалки будут обладать высокой твердостью и большими внутренними напряжениями, образованными в процессе закалки. Для снятия больших внутренних напряжений и получения необходимого комплекса механических свойств после закалки проводят отпуск.Для получения требуемого предела прочности σв = 700 МПа и более, а также высокой ударной вязкости проводят высокий отпуск с нагревом до температур 630-670 оС.Охлаждение после отпуска проводят на воздухе.При высоком отпуске будет происходить распад мартенсита с образованием зернистой феррито-цементитной структуры, называемой сорбитом отпуска center278780Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗ(рис. 8.2).Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист201.001.00.00–ПЗРисунок 8.2 – Структура сорбит отпуска9 Окончательные механические свойстваМеханические свойства и твердость отливок зубчатых колес сечением 25 мм после назначенной термической обработки представлены в таблице 9.1.Назначенная термообработка обеспечивает получение повышенных механических свойств (прочности, ударной вязкости) по всему сечению деталей. Таблица 9.1 – Механические свойства и твердость стали 30ХГСФЛСостояние поставки, режим термообработкиσ0,2 (МПа)σв(МПа)δ5 (%)ψ %KCU (Дж/см2)Закалка 900-920 °С. Отпуск 630-670 °С.600800142545График термической обработки (закалки и высокого отпуска) стали 30ХГСФЛ представлен на рис. 9.1.Рисунок 9.1 – График термообработки деталей из стали 30ХГСФЛ720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист211.001.00.00–ПЗcenter300355Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗ10 Технология получения отливокИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист221.001.00.00–ПЗИзготовление отливок в оболочковых формахСущность процесса сводится к тому, что расплав заливают в тонкостенную форму толщиной 6–10 мм, изготовленную из песчано-смоляной формовочной смеси на основе термопластичных и термореактивных связующих смол. В сравнении с литьем в песчано-глинистые формы способ имеет повышенную точность литейной формы и позволяет в два раза снизить припуск на механическую обработку. Получаемые отливки имеют толщину стенки 3–15 мм, массу 0,3–300 кг. Этим способом обрабатывают чугуны, углеродистые и легированные стали, алюминиевые, медные, магниевые, цинковые сплавы. Его особенности обусловлены свойствами связующего, в качестве которого обычно используют смесь фенолформальдегидной смолы с 8 % уротропина. В исходном состоянии смола термопластична, в присутствии уротропина она становится термореактивной, полимеризуется и затвердевает необратимо.Схематично технология получения оболочковых форм выглядит следующим образом. Металлическую модель 2 (рис. 10.1, а), закрепленную на модельной плите 1, нагревают до 200–250°С. Затем ее покрывают формовочной смесью 3 и выдерживают 10–30 с (рис. 10.1, б). 1 – модельная плита; 2 – металлическая модель; 3 – формовочная смесь; 4 – оболочковая полуформа; 5 – толкатель; б – оболочковая форма; 7 – опока-контейнер; 8 – кварцевый песокРисунок 10.1 – Схема получения оболочковых формСмола формовочной смеси расплавляется, склеивает песчинки и дополнительно полимеризуется, образуя оболочку 4 толщиной 5–20 мм. Непрореагировавшую смесь ссыпают с модели (рис. 10.1, в) и образовавшуюся оболочку 4 снимают с помощью специального толкателя 5. Для окончательного отверждения смолы и получения полуформ оболочки помещают в печь, нагретую до 300–350°С, и выдерживают 1–1,5 мин. При сборке в одну полуформу устанавливают стержни и накладывают вторую полуформу. Затем полуформы, находящиеся в горячем состоянии, склеивают синтетическим клеем. Полученную оболочковую форму 6 помещают в опоку-контейнер 7 и засыпают кварцевым песком 8 или металлической дробью (рис. 10.1, г) для предохранения от преждевременного разрушения при заливке расплавленного литейного материала. Расход формовочной смеси при литье в оболочковые формы в 8–10 раз меньше, чем при литье в песчано-глинистые формы. Рациональная область использования – серийное и крупносерийное производство отливок средней сложности, точных по размерам и с чистой поверхностью. Например, ребристые цилиндры для мотоциклов, коленвалы для автомобильных двигателей.Достоинства процесса:- повышенные точность и качество поверхности отливки;- возможность получения сложных тонкостенных отливок из черных сплавов (серый чугун до 1,5 мм, сталь – до 3 мм);- высокая производительность в условиях массового производства – до 300 форм в час;- возможность полной автоматизации (наличие одного – двух – четырех позиционных автоматов, автоматических линий);Недостатки процесса:- нерешенность вопросов экологии: значительные выделения вредных газов на всех этапах технологического процесса, большой объем отходов, высокая стоимость газоочистки и регенерации отходов;- высокая стоимость фенолоформальдегидной смолы;- ограничение отливок по размерам (до 1000 мм) и массе (до 100 кг).Оболочковые формы используют для получения отливок из любых литейных марок чугуна и стали, а также цветных сплавов. Литьем в оболочковые формы изготавливают ответственные детали, например, коленчатые валы для автомобилей, гильзы, звездочки, зубчатые колеса, детали компрессоров, тепловозов, судовых двигателей и т.п. из чугуна, нелегированных сталей, цветных и специальных сплавов. center283257Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист231.001.00.00–ПЗЗаключениеВ курсовой работе был проведен анализ условий работы, возможных дефектов, образующихся при эксплуатации зубчатых колес, изготовленных литьем в оболочковые формы.В результате анализа определены основные эксплуатационные, технологические и экономические требования, предъявляемые к данной детали.Проведен выбор стали 30ХГСФЛ для изготовления зубчатых колес, которая для получения оптимального сочетания механических свойств (твердости, прочности, ударной вязкости) подвергается термической обработке. В качестве предварительной термообработки назначен полный отжиг, окончательной термической обработки – закалка с высоким отпуском.Назначенная термическая обработка обеспечит получение структуры сорбита отпуска по всему сечению отливок, предела прочности более 700 МПа, что соответствует установленным требованиям.720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист241.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист241.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист241.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист241.001.00.00–ПЗСписок использованных источников720090252095Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист251.001.00.00–ПЗ00Изм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист251.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист251.001.00.00–ПЗИзм.Лист№ докум.ПодписьДатаЛист251.001.00.00–ПЗ1. Марочник сталей и сплавов / В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. — М.: Машиностроение, 1989. — 640 с.2. Марочник сталей и сплавов. 2-е изд., доп. и испр. / А.С. Зубченко, Н.М. Колосков, Ю.В. Каширский и др. Под общей ред. А.С. Зубченко - М.: Машиностроение, 2003, 784 с.3. Адаскин, А. М. Материаловедение и технология материалов: учебное пособие / А. М. Адаскин, В. М. Зуев. – 2-е издание. – М.: Форум: Инфра-М, 2016. – 336 с. (Профессиональное образование).4. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение: учеб. для вузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макарова, Г. Н. Мухин и др. – М.: МГТУ им. Баумана, 2004. – 648 с.5. Гузанов, Б. Н. Классификация и правила маркировки металлических материалов: учеб. пособие. Специальность 280705 пожарная безопасность. Направление подготовки 280700 Техносферная безопасность / Б. Н. Гузанов, А. В. Алимов. – Екатеринбург: Уральский институт ГПС МЧС России, 2014. – 41 с.6. Колесов, С. Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. для вузов / С. Н. Колесов, И. С. Колесов. – М.: Высшая шк., 2004. – 519 с.7. Пейсахов, А. М. Материаловедение и технология конструкционных материалов: учеб. для вузов / А. М. Пейсахов, А. М. Кугер. – СПб: изд-во Михайлова, 2004. – 407 с.8. Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология материалов: Учебник / Г. П. Фетисов, Ф. А. Гарифуллин. – М.: ИНФРА-М, 2015. – 397 с.9.Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. – 2-е изд., перер., доп. – М. МИСИС, 1996. – 576с.10.Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов машиностроительных спец. ВУЗов. – М.: Высшая школа, 1990. – 446с.