Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Практикум, страница 6

Профиль требований

Свойство					KCU	HB	Т50		КС
Размерность	МПа	МПа	%	%	МДж/м2	МПа	°C	МПа	–
Значение	470	245	22	48	0,49	> =1579 <	Min	Max	Min

2 этап. Подбор альтернатив

По условию задачи диаметр поковок равен 30 мм. По диаметру поковок и по требуемой категории прочности КП245 подбираем альтернативы, пользуясь рекомендациями приложения 2. Такими альтернативами являются стали марок 25, 30, 35, Ст5, 20Х, 15ХМ.

3 этап. Выбор марки стали

Проводим анализ соответствия показателей механических свойств рекомендованных марок сталей (таблица 2) профилю требований, используя приложения 3-5. Учитывая дополнительное условие: минимальная стоимость

– среди альтернатив выбираем марку стали, удовлетворяющую данному условию. Такой маркой является конструкционная сталь Ст5, так как эта сталь – первая в списке альтернатив из углеродистых сталей обыкновенного качества, которые являются наиболее дешевыми.

Сталь Ст5 обладает следующими свойствами:

­ предел прочности = 550 МПа

­ условный предел текучести = 330 МПа

­ относительное удлинение = 25%

­ относительное сужение  = 52%

­ ударная вязкость KCU = 0,6 МДж/м²

­ предел выносливости = 240 МПа

­ твёрдость HB = 1700 МПа

­ температура полухрупкости Т₅₀ не выше –20 °C

­ коэффициент стоимости К_С = 0,9

Таблица 2

Свойства сталей рекомендованных в соответствии с КП245
и диаметром 30 мм

Марка стали и термическая обработка	, МПа	, МПа	%	%	KCU, МДж/м2	, МПа	HB, МПа	Т50, °С не выше	КС –
25 нормализация 900–920 °C	450	275	23	50	0,88	190	1700	– 35	1
30 нормализация 860–880 °C	490	295	21	50	0,8	225	1350– –1760	– 30	1
35 нормализация 860–880 °C	530	315	20	45	0,7	235	1450– –1870	– 25	1
Ст5 нормализация 850–900 °C	550	330	25	52	0,6	240	1700	– 20	0,9
20Х нормализация 860–880 °C	600	400	13	40	0,5	255	1670– –2290	– 80	1,06
15ХМ нормализация 870–890 °C	470	280	20	45	0,6	200	1790	– 60	1,3

Путём расчета весовой функции Q (приложение 6) проверяем правильность выбора данной марки стали:

По условию задачи особо значимым свойством является стоимость К_с (3 балла); весьма значимыми – KCU и  (по 2 балла); остальные – значимыми (1 балл). То есть:

Б₁ = Б₂ = Б₃ = Б₄ = Б₆ = Б₇ = 1  = 6

Б₅ = Б₈ = 2  = 4

Б₉ = 3  = 3

Б_к = 13

Оцениваем вес каждого свойства:

g₁ = g₂ = g₃ = g₄ = g₆ = g₇ = 1/13 = 0,077

g₅ = g₈ = 2/13 = 0,154

g₉ = 3/13 = 0,23

g_к = 0,077∙6 + 0,154∙2 + 0,23 = 1

Расчёт Q_i для пяти альтернатив (стали 30, 35, Ст3, 20Х и 15ХМ) осуществляем в соответствии с приложением 6, используя данные таблиц 1 и 2:

1. Сталь 30

2. Сталь 35

 

3. Ст5

4. Сталь 20Х

5. Сталь 15ХМ

По данным расчетов выбираем сталь Ст5, так как она имеет минимальное значение весовой функции (Q₃ = 0,1652).

4этап. Выбор режима термической обработки

Как видно из таблицы 3, свойства стали марки Ст5 в целом соответствуют профилу требований. Более высокое в сравнении с другими сталями значение Т₅₀ является приемлемым, поскольку в техническом задании не оговаривается высокая устойчивость к охрупчиванию при отрицательных температурах. Что касается максимального значения , то соответствующая ему сталь 20Х не удовлетворяет дополнительному условию минимальной стоимости и не соответствует профилю требований по значению  и .

Таблица 3

Соответствие выбранной марки стали профилю требований

Свойство	, МПа	, МПа	%	%	KCU, МДж/м2	HB, МПа	Т50, °C	, МПа	КС –
Профиль требований	470	245	22	48	0,49	> =1579 <	Min	Max	Min
Сталь марки Ст5	550	330	25	52	0,6	1700	– 20	240	0,9

Таким образом, окончательно выбираем сталь марки Ст5 после нормализации, применяющейся вместо закалки и отпуска, обеспечивая требуемые свойства.

5 этап. Выбор альтернативной марки стали для отливок и способа литья

Категории прочности КП245 для поковок соответствует категория прочности К25 для стальных отливок (приложение 7).

Этой категории прочности удовлетворяют следующие марки сталей для отливок: 30Л; 35Л; 20ГЛ; 20ХМЛ и 20ХМФЛ.

Минимальную стоимость имеют углеродистые стали 30Л и 35Л. Поскольку пластичность стали 30Л выше, чем у стали 35Л, её и выбираем в качестве искомой. После нормализации сталь 30Л обладает следующими механическими свойствами:

275 МПа;

471 МПа;

17 %;

30 %;

343 кДж/м² (0,34 МДж/м²).

Масса детали:

Сравнительно небольшая масса изделия и заданный тип производства (серийное) позволяет в качестве экономически оправданного способа получения отливки выбрать литьё в оболочковую форму.

6 этап. Зарубежные аналоги выбранной марки стали

Данные приложения 8 позволяют сказать, что аналогами стали Ст5 являются углеродистые стали общего назначения, выпускаемые Германией St 50-2 и Японией SS50.

Аналогами стали 30 являются углеродистые качественные стали, выпускаемые США 1030, Германией C30 и Японией S30C. Эти стали содержат в среднем 0,3% C. Их химический состав и механические характеристики аналогичны стали 30 (ГОСТ 1050-88).