Инструктивная карта к практической работе по дисциплине «Основы материаловедения» " Выбор марки материала для конкретных деталей в зависимости от условий работы"

Инструктивная карта

к практической работе

Выбор марки материала для конкретных деталей в зависимости от условий работы

Цель работы:

§  Освоить умения  работы со справочной литературой по выбору марок стали и сплавов в зависимости от условий их работы;

§  Освоить умения по  выбору  вида и режимов термической обработки сплавов в зависимости от назначения изделия;

§   Освоить умения по  обоснованию  выбора материала для заданной детали.

Общие сведения

    Задание предусматривает: обосновать выбор материала для изготовления заданной детали и выбор вида и режима термической и химико-термической обработки, которая обеспечит надежность и работоспособность детали в условиях эксплуатации, указанных в задаче.

    Для решения задачи необходимо прежде всего определить материал, обладающий свойствами, близкими к требуемым. Для этой цели рекомендуется ознакомиться с классификацией, составом и назначением основных материалов, используемых в технике.

     Если для улучшения свойств выбранного материала нужны термическая и химикотермическая обработка, то необходимо указать их режимы, получаемую структуру и свойства. При рекомендации режимов обработки необходимо также указать наиболее экономичные и производительные способы. Например, для деталей, изготавливаемых в массовом и крупносерийном производстве – обработку с индукционным нагревом, газовую цементацию и др.

   Инструментальные стали для резания или горячего деформирования должны сохранять при нагреве высокие твердость, прочность и износостойкость, т.е. обладать красностойкостью (теплостойкостью). Это свойство создается специальным легированием и термической обработкой.

 В связи с этим различают:

1.     Нетеплостойкие -  сохраняющие высокую твердость (HRC 60) при нагреве не выше 190-225 ⁰С и используемые для резания мягких металлов с небольшой скоростью, а также для деформирования в холодном состоянии. Это углеродистые и легированные стали (с относительно невысоким содержанием легирующих элементов). Карбидная фаза – цементит.

2.     Полутеплостойкие -  преимущественно штамповые, рабочая кромка которых нагревается до 400-500 ^оС. Это стали легированные хромом и дополнительно вольфрамом, молибденом и ванадием. Карбидная фаза – легированный цементит и карбид хрома.

3.     Теплостойкие – для резания с повышенной скоростью. Нагрев рабочей кромки до 500-600^оС (быстрорежущие стали). Штампа стали при повышенном нагреве до 600-800^оС. Твердость HRC 60-62 у быстрорежущей стали после нагрева до 600-680^оС и HRC 45-52 у штамповых при нагреве до 650-700^оС.

 Сплавы на основе цветных металлов обладают лучшими механическими и технологическими свойствами, чем чистые металлы, поэтому они широко применяются в промышленности.

   Латунями называются сплавы меди с цинком, содержание цинка до 42%. Чтобы придать латунным сплавам лучшие механические и технологические свойства в них добавляют легирующие элементы: железо, никель, свинец, алюминий от 2-8%. Латуни подвергают рекристаллизационному отжиму при температуре 600-700^оС для снятия наклепа, полученного в процессе холодной деформации.

  Бронзы – сплавы меди с любыми элементами кроме цинка и никеля.

  Бронзы разделяют на простые и оловянистые и специальные – безоловянистые; литейные и деформируемые.

  Алюминиевые сплавы обладают высокими механическими свойствами, небольшим удельным весом, устойчивые против коррозии. Различают две группы алюминиевых сплавов: литейные и деформируемые.

  Магниевые сплавы представляют собой сплавы магния с алюминием, марганцем и цинком. Их широко применяют в промышленности как литейные, так и деформируемые.

   Большое применение в промышленности, особенно в самолетостроении нашли сплавы титана, которые имеют сочетание высокой прочности и пластичности, малую плотность, хорошую жаропрочность, высокую коррозийную стойкость во многих агрессивных средах.

     При решении задач рекомендуется использовать следующие пособия:

1.   Марочник сталей под редакцией Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г.

2.   Журавлёв В.И.,  Николаева О.Н.  «Машиностроительные стали» 1992 г.,     справочник.

3.   Раскатов В.М и  другие  «Машиностроительные материалы» 1990 г.,  справочник.

4.   Арзамасов Б. М.  и другие «Конструкционные материалы» 1990 г., справочник

5.   В.В. Васильев  «Композиционные материалы» 1990 г., справочник.

6.   Справочник металлиста, том 2, под редакцией Рахштадта.

7.   Марочник сталей под редакцией Зубченко  А.В., М.: Машиностроение, 2005.

8.О.Е.Осинцев, В.Н. Фёдоров. Медь и медные сплавы,  справочник, 2007г

9. Ю.М. Зубарев. Современные инструментальные материалы, 2008г.

10. Франценюк И. В., Франценюк Л. И.  Альбом микроструктур чугуна, стали, цветных металлов и их сплавов.

Пример выполнения задания.

Задание:  Подберите марку стали повышенной теплостойкости, пригодную для резания жаропрочной стали. Укажите ее состав, режимы термической обработки, схемы микроструктуры.

Решение: При резании сталей и сплавов с аустенитной структурой (нержавеющих, жаропрочных и др.), получающих все более широкое применение в промышленности, стойкость инструментов и предельная скорость резания могут сильно снижаться по сравнению с резанием обычных конструкционных сталей и чугунов с относительно невысокой твердостью (до НВ 220-250). Это связано главным образом с тем, что теплопроводность аустенитных сплавов понижается. Вследствие этого теплота, выделяющаяся при резании, лишь в небольшой степени поглощается сходящей стружкой и деталью и в основном воспринимается

режущей кромкой. Кроме того, эти сплавы сильно упрочняются под режущей кромкой в процессе резания, из-за чего заметно вырастают усилия резания.

    Для резания подобных материалов, называемых труднообрабатываемые, малопригодны быстрорежущие стали умеренной теплостойкости типа Р12, сохраняющие высокую твердость (HRC-60) и мартенситную структуру после нагрева не выше 615-620^оС.

   Для обработки аустенитных сплавов необходимо выбирать быстрорежущие стали повышенной теплостойкости, а именно кобальтовые стали сохраняют твердость HRC 60 после более высокого нагрева до 640-645^оС. Кроме того, кобальт заметно повышает теплостойкость быстрорежущей стали, а следовательно, снижает температуру режущей кромки из-за лучшего отвода тепла в тело инструмента. Стали с кобальтом имеют высокую твердость – до HRC 68.

      Для сверл и фрез, применяемых для резания аустенитных сплавов, рекомендуются кобальтовые сплавы марок PI2Ф4К5 или Р8М3К6С.

Химический состав сталей, %

Термическая обработка кобальтовых сталей принципиально не отличается от обработки других быстрорежущих сталей.

    Закалка до 1240-1250^оС (PI3Ф4К5) и 1210-1220^оС (Р8М3К6С), что необходимо для растворения большого количества карбидов и насыщения аустенита (мартенсита) легирующими элементами. Более высокий нагрев недопустим: он вызывает рост зерна, что снижает прочность и вязкость. Структура стали после закалки: мартенсит, остаточный аустенит (15-30%) и избыточные карбиды, не растворяющиеся при нагреве и задерживающие рост зерна. Твердость HRC 60-62.

    Затем инструменты опускают при 550-560⁰С (3 раза по 60 минут).

Отпуск:

а) вызывает выделение дисперсных карбидов мартенсита, что повышает твердость до HRC 66-69;

б) превышает мягкую составляющую – остаточный аустенит в мартенсит;

 в) снимает напряжения, вызываемые мартенситным превращением.

    После отпуска инструмент шлифуют, а затем подвергают цианированию, чаще всего жидкому с выдержкой 15-30 мин. (в зависимости от сечения инструмента).

   Твердость цианирования слоя на глубину 0,02-0,03мм достигает HRC 69-70. Цианирование повышает стойкость инструментов на 50-80%. После цианирования возможен кратковременный нагрев при 450-500 ⁰С с охлаждением в масле, поверхность инструмента приобретает тогда синий цвет и несколько улучшает стойкость против воздушной коррозии.

   Термический цикл обработки

Т⁰С

                      1250⁰С

                                                           А₁                                           

Закалка                                 550⁰С

                                                                     3-х кратный    отпуск                           цианирование                                                                                                                                        Время

Микроструктура стали.

(схема)

        после  отжиг                                       после закалки и многократного отпуска

Алгоритм выполнения задания:

1.     Изучить условия работы заданной детали и требования, предъявляемые к ней.

2.     Выбрать марку материала для изготовления детали или инструмента, изучить ее состав и механические свойства.

3.     Разработать в зависимости от условий работы детали, необходимый вид и режим термической или химико-термической обработки, начертить термический цикл обработки.

4.     Дать обоснование выбора марки материала и вида термической обработки детали.

Варианты индивидуальных заданий:

1.     Завод изготавливает коленчатые валы диаметром 35мм; сталь в готовом состоянии должна иметь предел текучести не ниже 290 мПа и ударную вязкость не ниже 50 мПа. Вал должен обладать повышенной износостойкостью не по всей поверхности, а только в шейках, т.е. в участках, сопряженных с подшипниками и работающих на истирание.

 Подберите марку стали, рекомендуйте режим термической обработки,      повышающей твердость в отдельных участках поверхности вала.

Зарисовать схему микроструктуры и твердость стали в поверхностном слое шейки вала и структуру и механические свойства в остальных участках вала.

2.     Щеки и шары машин для дробления руды и камней работают в условиях повышенного износа, сопровождаемого ударами.

    Подберите сталь для изготовления щек и шаров, учитывая, что они    изготавливаются методом литья, должны иметь предел прочности не ниже 640 мПа и ударную вязкость при температуре +20 ⁰С не ниже 260 дж/см ². Укажите химический состав, режимы термической обработки и свойства стали. Зарисуйте схему микроструктуры.

3.     Детали самолетов – педали, рычаги изготавливают из сплава с хорошими литейными свойствами, обладающие кроме того хорошей обрабатываемостью резанием. Предел прочности сплава не ниже 220 мПа. Рекомендуйте состав сплава, режимы термической обработки, укажите механические свойства в готовом изделии. Зарисуйте схему микроструктуры.

4.     Стаканы цилиндров мощных двигателей внутреннего сгорания должны обладать высоким сопротивлением износу на поверхности. Для повышения износостойкости применяют азотирование.

Подберите сталь, пригодную для азотирования, приведите химический состав, рекомендуйте режим термической обработки и режим азотирования. Укажите твердость поверхностного слоя и механические свойства низлежащих слоев в готовом изделии. Приведите схему микроструктуры.

5.     Рессоры грузового автомобиля изготавливают из качественной ленерованной стали, толщина рессоры до 10мм. Сталь должна иметь предел прочности не менее 1500 мПа и обладать высокими пределами выносливости и упругости. Подберите сталь, укажите ее состав, режимы термической обработки, свойства. Зарисуйте микросхему.

6.     Необходимо изготовить шестерни из цветного сплава, стойкого против действия воды и пара и обладающего небольшим коэффициентом трения. Предел прочности не ниже 340МПа. Укажите марку сплава, его состав, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

7.     Выбрать марку материала для изготовления фрезы, обрабатывающей нержавеющие стали. Теплостойкость до 630 ⁰С. Укажите состав сплава, режимы его термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

8.   Выберите марку стали для изготовления топоров. Лезвие топора не должно сниматься или выкрашиваться в процессе работы, поэтому оно должно иметь твердость в пределах HRC 50-55 на высоту не более 30-40мм, остальная часть топора не подвергается закалке.    Укажите химический состав стали, режимы термической обработки, обеспечивающие данную твердость на лезвии топора. Зарисовать схему микроструктуры.

9.     Сварные бензиновые и масляные баки, от материала которых не требуется высоких механических свойств, изготавливают в самолетостроении из легких листов сплавов, обладающих повышенной стойкостью против коррозии, пластичностью и хорошей свариваемостью. Подберите сплав, укажите состав, механические свойства, зарисуйте схему микроструктуры.

10. Необходимо подобрать марку цветного сплава для пружинящего    контакта, не дающего искры. Материал должен иметь предел прочности не ниже 1176 мПа и твердость не ниже НВ 400. Укажите состав, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

11. Шар – баллон с толщиной стенки 30мм для сжатого воздуха изготавливается из поковок с помощью сварки. Должен иметь предел прочности не менее 900 мПа. Выбрать марку материала, режимы термической обработки. Указать состав стали, механические свойства и схему микроструктуры.

12. Выберите марку стали для изготовления продольной пилы по дереву, укажите режимы термической обработки, механические свойства готовой пилы, схему микроструктуры. Термическую обработку необходимо проводить таким образом, чтобы предупредить деформацию пилы и обеспечить получение в стали высоких упругих свойств (пила должна пружинить).

13. Лопатки реактивных двигателей работают в окислительной среде при высоких температурах 720-850 ⁰С. Металл должен обладать повышенной коррозийной стойкостью и прочностью при указанной температуре. Подберите материал для лопаток, укажите его состав, свойства, структуру, режимы термической обработки.

14. Лонжероны и шпангоуты самолетов изготавливают из легких сплавов высокой прочности. Подберите марку сплава, укажите химический состав, режимы термической обработки и механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

15. Сталь, применяемая для пароперегревателей котлов высокого давления должна сохранять повышенные механические свойства при длительных нагрузках при Т=500 ⁰С и иметь достаточную пластичность для возможности гибки и завальцовки при сборке котла. Укажите состав стали, режимы термообработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

16. Шестерня работает на истирание в условиях возможных ударных нагрузок. Выберите сталь, учитывая, что диаметр шестерни = 50мм, твердость поверхности не менее 57 HRC. Укажите состав, режимы термической обработки, механические свойства стали. Зарисуйте схему микроструктуры.

17. Полуоси должны иметь повышенную прочность по всему сечению (твердость HRC 28-35). Укажите состав стали, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

18. Подобрать марку стали для изготовления штампа, обрабатывающего сплавы АК-6 и АК-8 в горячем состоянии. Укажите состав стали, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

19. Подобрать марку цветного сплава для деталей самолета, работающего при нагреве до температуры 450 ⁰С, имеющего предел прочности не ниже 980 мПа. Укажите состав, режимы термообработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

20. Выбрать марку стали для шестерни с твердостью зуба HRC=56-58. Укажите химический состав, режимы термообработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

21. Выбрать марку стали для изготовления матрицы вырубного штампа холодной штамповки с твердостью рабочей поверхности HRC=59. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режимы термической обработки, укажите механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

22. Выбрать марку стали для изготовления пресс-формы литья под давлением. Укажите состав стали, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

23. Для изготовления роликов подшипников качения диаметром 18мм требуется сталь с пределом прочности не менее 1600 мПа и твердостью 56-58 HRC. Укажите состав стали, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

24. Выбрать марку материала для изготовления рабочих валков блюмингов диаметром до 1000мм (твердость 229-285 НВ). Указать состав, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисуйте схему микроструктуры.

25. Для средненагруженных деталей самолета- обшивок элерона (предел прочности 260 мПа) применяют легкий цветной сплав. Выбрать марку материала. Указать состав, режим термообработки, механические свойства. Зарисовать схему микроструктуры.

26. Лопасти винтов – нагруженные элементы конструкций самолетов выполняются из легкого цветного сплава с пределом прочности не менее 420мПа. Указать состав сплава, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисовать схему микроструктуры.

27. Вкладыши подшипников выполняются из цветного сплава. Подобрать марку материала, указать состав, механические свойства, зарисовать схему микроструктуры, учитывая, что подшипники работают при средней нагруженности с ударными нагрузками.

28. Выбрать марку материала для изготовления диаметром 15мм метчика. Твердость рабочей поверхности инструмента должна быть не менее HRC60. Указать состав, механические свойства, режимы термообработки. Зарисовать схему микроструктуры.

29. Выбрать марку материала для сверла, обрабатывающего конструкционные стали с прочностью до 1000 мПа. Сверло должно сохранять режущие свойства во время работы до 600 ⁰С. Указать состав, режим термической обработки, механические свойства, зарисовать схему микроструктуры.

30. Выбрать марку стали для задвижки трубопровода, работающего при температуре 600-650 ⁰С. Указать состав, режимы термической обработки, механические свойства. Зарисовать схему микроструктуры