Конструкційні сталі в машинобудуванні

Главная > Промышленность, производство > Конструкційні сталі в машинобудуванні

Конструкційні сталі в машинобудуванні

24-01-2012, 18:20. Разместил: tester9

Введення

З різноманіття матеріалів, що володіють жорсткістю і міцністю, достатніми для обмеження пружною і пластичної деформації, при гарантованій надійності і довговічності є сталь.

Сталь - сплав заліза з вуглецем, що містить від 0,02 до 2,14% вуглецю.

За хімічним складом стали класифікують на вуглецеві і леговані, що містять до 10% легуючих елементів (хром, нікель, молібден, ванадій, вольфрам та інші).

До конструкційних сталей, застосовуваним для виготовлення різноманітних деталей машин і конструкцій, висувають такі вимоги: високий комплекс механічних властивостей, забезпечують надійну і тривалу роботу машин, експлуатацію конструкцій технологічність, тобто хороша оброблюваність тиском, різанням, зварюваність і пр., низька вартість і доступність. Леговані сталі повинні містити по можливості менше дорогих і дефіцитних легуючих елементів. Легуючі стали повинні володіти високим комплексом стандартних механічних властивостей, визначених при різних способах вантаження.

Реферат

Ця курсова робота містить:

Стор.

Рис.

Табл.

Курсова робота виконана відповідно до програми курсу В«Конструкційні сталі в машинобудуванніВ».

Мета роботи: вибір і обгрунтування конструкційного матеріалу для виготовлення деталі В«зірочкаВ». Опис хімічного складу і технологічних властивостей. Розглянуто вплив хімічного складу на механічні властивості, глибину прокаливаемости. Складання маршрутної технології попередньої і остаточної термічної обробки. Призначення режимів термічної і хіміко-термічної обробки. Проведення контролю якості виготовленої деталі.

Ключові слова: зірочка, конструкційна сталь, хімічний склад, хіміко-термічна обробка, загартування, отжиг, цементація, відпустка, перліт, мартенсит, аустеніт, структура, температура, спадкове зерно.

1. Вибір та обгрунтування матеріалу для виготовлення деталі В«зірочкаВ».

Деталь В«зірочкаВ» при експлуатації випробовує дію різних навантажень: статичних, динамічних, поверхневих. Тому вибраний матеріал повинен володіти високим комплексом стандартних механічних властивостей, визначених при різних способах вантаження. Однак ці властивості повністю не гарантують надійну і тривалу роботу вироби. Необхідно враховувати, що в реальних умовах експлуатації діють фактори, які можуть знижувати пластичність і ударну в'язкість і збільшувати небезпека крихкого руйнування.

Це підтверджується випадками, раптового крихкого руйнування виробів, виготовлених із сталей високої пластичності.

До факторів, що збільшує схильність сталей до крихкого руйнування відносяться, концентратори напружень, які завжди є в реальних умовах експлуатації.

З усіх відомих в техніці матеріалів найкраще поєднання конструктивної міцності, надійності та довговічності має конструкційна сталь, тому вона стала основним матеріалом для виготовлення деталі зірочка. Під конструктивною міцністю подразумевают таку міцність, яку сталь має в результаті реальних умов її застосування.

Надійність - це властивість матеріалу протистояти крихкому руйнуванню. Для попередження раптових тендітних поломок високонавантажених деталей важливо враховувати не тільки пластичність () і ударну в'язкість (КСІ) стали, але і параметри конструктивної міцності, що характеризують її надійність: ударну в'язкість КСІ і КСТ, температурний порігхладноломкості Тхл., в'язкість руйнування К1с.

Довговічність - це властивість матеріалу опиратися розвитку постійного руйнування і втрати працездатності в плині заданого часу.

Втрата працездатності може бути викликана різними причинами: розвитком процесів втоми, зношуванням деталі, корозією та ін

Всі ці процеси приводять до поступового накопичення пошкоджень і руйнування матеріалу. Для забезпечення довговічності важливо зменшити до допустимого рівня швидкість розвитку процесів руйнування.

Висока конструктивна міцність досягається шляхом раціонального вибору хімічного складу, режимів термічної і хіміко-термічної обробки.

Вирішальна роль у складі конструкційної сталі, відводиться углероду. Вуглець підвищує міцність сталі, але знижуючи хладноломкость, збільшує чутливість до крихкого руйнування.

Великий вплив на конструктивну міцність сталі надають легуючі елементи. Підвищення конструктивної міцності при легуванні пов'язане із забезпеченням високої прокаливаемости, зменшенням критичної швидкості гарту, зменшенням зерна, зміцнення дефекту і т. д.

Одним з найбільш важливих чинників є підвищення прокаливаемости.

Опір втоми, зносу і деякі інші характеристики довговічності залежать від властивостей поверхневого шару виробу. Для отримання необхідних властивостей конструкційну сталь піддають хіміко-термічній обробці, яка призводить до поверхневому зміцненню та створення на поверхні залишкових стискаючих напруг, що ускладнюють виникнення і розвиток тріщин.

При виборі марки стали для виготовлення деталі зірочка необхідно, щоб вона поєднала в собі підвищену міцність: 850 Н/мм, в'язкість КСU = 80Дж/см, загартований поверхневий шар 1,3-1,5 мм і поєднання твердої зносостійкої поверхні HRC = 60 -62 і м'якою серцевини HRC = 24 - 26.

Сталь 20ХН3А підвищеної міцності, в'язкості та глибокої прокаливаемости застосовується в умовах зносу при терті. З неї виготовляють зубчасті колеса, зірочки, шестерні, шліцьові вали, силові шпильки і інші, особливо відповідальні деталі, до яких пред'являються вимоги високої міцності і поверхневої твердості в поєднанні з пластичною і в'язкою серцевиною працюють в умовах статичних і динамічних навантажень.

2. Хімічний склад стали 20ХН3А.

Сталь 20ХН3А - легована конструкційна.

Класифікація стали 20ХН3А:

1) категорія - високоякісна (S);

2) група - хромонікелева;

3) по виду обробки - кована;

4) середньовуглецевих;

Хімічний склад сталі 20ХН3А наведено в таблиці 1.

Таблиця1

Хімічний склад сталі 20ХН3А

Група сталі Марка сталі Масова частка елементів,% З Mn Cr Ni Хромонікелева 20ХН3А 0,17-0,24 0,3-0,6 0,6-0,9 2,75-3,15

Основними легуючими елементами стали 20ХН3А є хром і нікель. Хром утворює з вуглецем карбіди різного складу. Всі карбіди є твердими структурними складовими. Тому при наявності хрому в сталі її твердість і зносостійкість збільшується. Хром сприяє збільшенню прокаливаемости стали. Нікель підвищує межу міцності, і межа плинності стали. Нікель збільшує глибину прокаливаемости стали. Він впливає на структуру, змінюючи зерно і збільшує в'язкість сталі.

Як зазначено вище і хром, і нікель сприяють збільшенню прокаливаемости стали.

Під прокаливаемостью мається на увазі здатність стали закалікаваться на певну глибину. Прокаліваемость безпосередньо пов'язана зі стійкістю переохолодженого аустеніту.

Прокаліваемость визначається критичною швидкістю охолодження. При даному режимі охолодження Прокаліваемость тим вище, чим менше критична швидкість загартування, тобто ніж вище стійкість переохолодженого аустеніту.

Легована сталь 20ХН3А завдяки більш високій стійкості переохолодженого аустеніту і меншою критичної швидкості охолодження прожарюється ...на значно більшу глибину, ніж вуглецеві сталі.

Хром і нікель збільшують стійкість переохолодженого аустеніту, що істотно змінює вигляд діаграми ізотермічного розпаду. Лінії діаграми зміщуються вправо і стають ніби подвійними С-образними кривими, малюнок 1.

На діаграмі спостерігаються два температурні зони мінімальної стійкості аустеніту.

Рис.1 діаграма ізотермічного розпаду аустеніту сталі 20ХН3А.

3.Маршрутная технологія виготовлення деталі зірочка.

Основними моментами маршрутної технології є попереднє та остаточне термічна обробка. Повна схема отримання деталі наведена на малюнку 2.

Отримання заготовки (поковка) Попередня термічна обробка (ізотермічний отжиг) Механічна обробка Остаточна термічна обробка (хіміко-термічна обробка, загартування, відпустка) Остаточна механічна обробка Контроль якості після термічної обробки

Ріунок 2. Маршрутна технологія виготовлення деталі зірочка.

4. Режим термічної і хіміко-термічної обробки деталі.

Термічна обробка - це технологічний процес теплової обробки виробів з металів і сплавів з метою зміни їх структури, механічних, фізичних і хімічних властивостей.

Попередня термічна обробка застосовується для виправлення структури і отримання однорідних механічних властивостей по всьому перерізу деталі. Вона покращує технологічні властивості, забезпечує оптимальну оброблюваність при механічній обробці.

Для зірочки, подвергаемой подальшою цементації оптимальна для отримання оброблюваності структура являє собою зерна пластинчастого перліту і добре диференційованого фериту і певним співвідношенням твердості цих складових. Оптимальна твердість фериту: 1400-1200 МПа, твердість перліту не повинна перевищувати 3000 МПа за Брінеллем.

Для отримання таких параметрів рекоменджуется в якості попередньої термічної обробки проводити ізотермічний отжиг.

У разі ізотермічного відпалу сталь нагрівають на 30-50 С вище точки АС3 (АС3 = 760С) і порівняно швидко охолоджують (на повітрі або переносять в іншу піч) до температури лежить нижче А - 700С (зазвичай на 100 - 150С) в залежності від характеру ізотермічної кривої розпаду аустеніту.

Режим ізотермічного відпалу сталі 20ХН3А наведено на рис. 3:

Рис.3 Режим ізотермічного відпалу сталі 20ХН3А.

t = 760 + (30-50С)

t = 800 С

При відпалі загальна тривалість нагрівання:

Де - тривалість наскрізного нагріву до заданої температури;

- тривалість ізотермічної витримки для завершення фазових перетворень, = 2хв.

= 0,1 *, хв.

Де - коефіцієнт форми, 2, - коефіцієнт нагріву, 2

- коефіцієнт нерівномірності нагріву, 1

- мінімальний розмір максимального перетину, 35,

= 0,1 * 35 * 2 * 2 * 1 = 14 (мін.)

= 14мін. +2 хв. = 16мін.

Остаточна термічна обробка включає цементацію, загартування неповну та відпустку низький (рис. 4)

Цементація - процес насичення поверхневого шару деталі вуглецем.

Основна мета цементації - Отримання твердості і зносостійкості поверхні, що досягається збагаченням поверхневого шару вуглецем до концентрації 0,8-1,1% і подальшим гартом. Це одночасно підвищує процес витривалості.

Рис.4 Режим остаточної термічної обробки деталі зірочка.

Для цементації деталь надходить після механічного оброблення з припуском на шліфування 0,05-0,1 мм. Частини деталі. Не підлягають зміцненню захищають тонким шаром міді, наноситься електролітичним способом або спеціальними

Температура цементації 500-600С. У цьому випадку відбувається повне насичення аустеніту феритом і утворення на поверхні цементиту. Цей процес є інтенсивним. При газовій цементації скорочується тривалість процесу, тому відпадає необхідність прогріву скриньок (у разі твердої цементації), наповненим малотеплопроводние карбюризатором, забезпечується можливість повної механізації процесу, його автоматизації і значно упрочняется подальша термічна обробка виробу, тому загартування можна проводити безпосередньо з печі.

Газову цементацію виконують в шахтних печах періодичної дії в які подаються вуглеводневі гази. Деталі завантажують на спеціальних пристосуваннях в піч.

Тривалість цементації складає:

, (мін.),

Де h = 1,3-1,5 мм,, = 225 хв;

Основний реакцією, яка забезпечує коксування при газовій цементації, дисоціація метану:

Остаточні властивості цементованного вироби досягаються в результаті термічної обробки, виконуваної після цементації. Ця обробка має на меті:

1. Виправити структуру і змінити зерно серцевини і цементованного шару, неминуче перегріватися під час тривалої витримки при високій температурі цементації;

2. Отримати високу твердість у цементованном шарі;

3. Усунути карбідну сітку в цементованном шарі, який може виникнути при пересиченні його вуглецем.

4. Загартовування проводять вище точки А, на 30-50С;

tн = 700С + (30-50С)

tн = 740С;

Це забезпечує подрібнення зерна цементованного шару і часткову перекристалізації і подрібнення зерна серцевини. При загартуванні загальна тривалість нагрівання, як і при відпалі становить: 14мін.

= +

= 0,1 * 35 * 2 * 2 * 1 = 14мін.

14мін +2 хв = 16мін.

Заключною операцією термічної обробки цементованного вироби є низький відпустку при температурі 180-200С;

У результаті термічної обробки поверхневий шар набуває структуру мартенситу з надлишковими карбідами у вигляді глобул.

Його твердість составляет59-63HRC.

Час нагріву при відпустці складає:

120мин. +1 хв. * 25 = 125мін.

5. Механізм структурних перетворень сталі 20ХН3А в процесі термічної і хіміко-термічної обробки .

При термічній обробці стали 20ХН3А спостерігаються наступні перетворення.

1.При нагріванні в процесі ізотермічного відпалу відбувається перетворення перліту в аустеніт вище критичної точки А1: ПА;

При охолодженні нижче точки А1,

2.Превращеніе аустеніту в перліт: АП;

3. При охолодженні його швидкістю вище критичної перетворення аустеніту в мартенсит: АМ.

5.1. Перетворення перліту в аустеніт.

Процес перетворення перліту в аустеніт при нагріванні в доевтектоїдних стали стали відбувається таким чином.

Сталь в міжфазному стані являє суміш фаз фериту і карбідів змінного складу Cr.Прі нагріванні кілька вище критичної точки АС1 (700С) на кордоні феритної і цементітной фаз починається перетворення, що приводить до утворення низьковуглецевого аустеніту, в якому розчиняється цементит (рис.5 б-р). Утворений аустеніт хімічно не однорідний. Концентрація вуглецю в аустеніт на кордоні з цементитом значно вище, ніж на кордоні з феритом.

Перетворення протікає швидше, ніж розчинення цементиту, тому коли вся - фаза (ферит) перетворюється на - фазу (Аустеніт), цементит ще залишається рис.5, д). Після розчинення всього цементиту перетворення закінчується рис. (5, г), але утворився аустеніт має не рівномірну концентрацію вуглецю, що зменшується від центру до периферії зерна. Тільки після подальшого підвищення температури або до...даткової витримки. Аустеніт в результаті дифузії вуглецю стає однорідним по всьому об'єму.

Хром і нікель знижують критичну точку Ас, 700С і зменшують схильність зерна аустеніту до зростання, тому легована сталь 20ХН3А є спадково дрібнозернистою.

5.2. Розпад переохолодженого аустеніту.

Розпад аустеніту відбувається при температурі нижче 700С (Критична точка АС1), коли вільна енергія вище вільної енергії продуктів його перетворення. Від ступеня переохолодження залежить швидкість перетворення і будови продуктів розпаду. На рис.6 наведені режими термічної обробки сталі 20ХН3А.

Рис.6. Діаграма ізотермічного розпаду стали 20ХН3А.

Режими охолодження

V1 - ізотермічний відпал;

V2-гарт безперервна;

перлітного перетворення. Розпад аустеніту з утворенням перліту є дифузійним процесом і розвивається в результаті флуктуації складу (неоднорідності в розподілі вуглецю).

Як будь дифузійний процес розпад аустеніту відбувається шляхом виникнення зародків (ч. з.) і зростання їх з певною швидкістю (с. р.).

У аустеніті, оказавшемся в нерівноважному стані при температурі нижче А1, вуглець дифундує до найбільш дефектним місцям кристалічної решітки, до місцям скупчення вакансій поблизу кордонів зерен. Тому зародки цементиту утворюються по межах зерен аустеніту.

Зростання зародків цементиту відбувається внаслідок дифузії вуглецю з прилеглого аустеніту, що приводить до збіднення вуглецем аустеніту, навколишнього утворилися пластинки цементиту, і сприяє перетворенню його ферит за рахунок поліморфного перетворення решітки Г.Ц.К. в О.Ц.К. Таким чином відбувається зростання перлітних колоній.

Структура стали 20ХН3А приведена на рисунку 7:

Рис.7. Мікроструктура стали 20ХН3А після ізотермічного відпалу.

5.3. Мартенситне перетворення.

При великому переохолодженні (вектор V2) вуглець не встигає виділитися з з твердого розчину (аустеніту) у вигляді частинок цементиту, як це відбувається при утворенні перліту. Решітка-заліза перебудовується в решітку-заліза. Вуглець залишається всередині-заліза, в результаті чого виходить пересичений твердий розчин вуглецю в-залізі.

Значне пересичення-заліза вуглецем викликає зміна об'ємно-центрованої кубічної решітки в тетрагональную, Елементарної осередком якої є прямокутний паралелепіпед, рис.8:

Рис.8. Кристалічна осередок мартенситу.

Атоми вуглецю в такий осередку розташовуються в міжвузлях (що характерно для твердого розчину впровадження) або в центрі підстави (сторона а), або в середині подовжених ребер (Сторона с). Ступінь тетрагональную:

с/а = 1.08

Мартенсит є перенасиченим твердим розчином впровадження вуглецю в-залізі.

Мартенситне перетворення протікає нижче температури 400 араллельних пластинок Він

Рис.9. Мікроструктура 

5.4. Механізм

Швидкість дифузії вуглецю.

Рис.10. Мікроструктура 

6.

6.1. Визначення

металу.

Для визначення величини

1)

2)

3) Вимірювання На Основна 100.

Рис.11. Схематичне менше.

Висновок.

прокаліваемость.

Розроблено методику 

Список використовуваної літератури.

1. А.П. Гуляєв

2. Журавльов В.Н. 392с.

3. 

<="" div="" style="width: 600px; height: 30px;">

Вернуться назад