Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Практикум

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное агентство по образованию

Санкт-Петербургский государственный университет сервиса и экономики

Кафедра «Техническая механика»

Д.А. Иванов

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Практикум

Санкт-Петербург

2008

Одобрено на заседании кафедры «Техническая механика», протокол № 3 от 20.11.2007 г.

Утверждено учебно-методическим советом по специальности 230100, протокол № 2 от 27.11.2007 г.

Иванов Д.А. Материаловедение. Технология конструкционных материалов. Практикум. – СПб.: Изд-во СПбГУСЭ, 2008. – 43 с.

Пособие предназначено в помощь студентам заочных отделений высших учебных заведений, подготавливающих специалистов в области автосервиса, сервиса в коммунально-бытовой сфере, сервиса экосистем и природоохранительных объектов, а также других технических областях, выполняющим практические работы по материаловедению и технологии конструкционных материалов.

Рецензент: д-р физ.-мат. наук, проф. Г.С. Сухов

© Санкт-Петербургский государственный университет
сервиса и экономики

2008 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.. 4

1. Основные принципы выбора материала.. 5

2. Указания к выполнению работы по выбору материалов и способов получения заготовок
для изготовления деталей машин.. 14

3. Пример выполнения задания.. 16

Библиографический список.. 21

Приложение 1. 22

Приложение 2. 23

Приложение 3. 24

Приложение 4. 30

Приложение 5. 38

Приложение 6. 39

Приложение 7. 40

Приложение 8. 43

Введение

Создание силовых элементов конструкций (деталей машин) напрямую связано с выбором материала, обладающего необходимой конструктивной прочностью, хорошими технологическими свойствами и невысокой ценой.

Цель данного пособия – привить будущим специалистам определённые навыки рационального выбора марок машиностроительных сталей (углеродистых и легированных), предназначенных для изготовления деталей, работающих при значительных динамических и циклических нагрузках (валы, оси, зубчатые колёса и т. п.). Решение задачи выбора материала связана с использованием большого количества справочного материала (марочников сталей, стандартов, рекомендаций по назначению оптимальных режимов термической обработки). Настоящее пособие содержит практически все необходимые данные, позволяющие выбрать марку стали для деталей заданных размеров при заданных нагрузках.

Пособие составлено в помощь студентам ряда специальностей (автосервис; сервис в жилищной и коммунально-бытовой сфере; сервис экосистем и природоохранительных объектов), учебные планы которых предусматривают выполнение студентами практических работ по материаловедению и технологии конструкционных материалов.

Данное пособие содержат варианты заданий по практической работе, последовательность её выполнения, пример выбора марки стали для конкретной детали, а также собранные воедино справочные материалы, необходимые для работы над заданиями.

1. Основные принципы выбора материала

При выборе конструкционных сталей для изготовления деталей машин следует, прежде всего, оценивать их конструктивную прочность, как сочетание требований по общей (статической) прочности, надёжности и долговечности. Вместе с тем при выборе стали необходимо учитывать требования по её технологичности и экономичности, как минимуму затрат с учётом стоимости материала, изготовления детали и эксплуатационной стойкости.

Прочность. Прочность (способность материала сопротивляться внешним нагрузкам) может быть охарактеризована как сопротивление пластической деформации, т. е. нагрузка не должна вызывать остаточную (пластическую) деформацию выше определенного предела. Таким пределом считается остаточная деформация менее 0,2%. Условный предел текучести  определяет верхний предел допустимого нагружения детали, превышение которого приведёт к её пластическому деформированию и как следствие – нарушению работы всего механизма. Что касается упругой деформации, то путем подбора марки стали уменьшить ее невозможно, так как модули упругости для углеродистых и легированных сталей практически мало меняются. Таким образом, степень допустимой упругой и пластической деформации определяет допустимый уровень напряжений, что является основным при выборе марки стали по прочности, как профилирующему требованию.

Значения показателей прочности сталей, указанные в ГОСТе, меняются в зависимости от вида и режима термической обработки. Так, при повышении температуры отпуска от 200 до 650 °С предел текучести стали с 0,2% С уменьшается от 1200 до 600 МПа, а сталей с 0,4% С – от 1600 до 800 МПа. Таким образом, только за счёт изменения температуры отпуска можно повысить прочность вдвое. Вместе с тем, при очень высоких значениях показателей прочности снижается сопротивление хрупкому разрушению, т.е. уменьшается надежность стали, как конструкционного материала. Задача повышения механических свойств машиностроительных сталей может решаться следующими способами: либо оптимальным соотношением легирующих элементов, либо нахождением оптимальных режимов термической обработки, а также сочетанием первого и второго способов.

Высокопрочные материалы часто оказываются недостаточно надёжными из-за крайней их чувствительности к концентраторам напряжений. Следовательно, не величина предела прочности материала, а его способность поглощать энергию при распространении трещины определяет возможную нагрузку.

Надежность. Надежность – это способность материала и изделия сопротивляться хрупкому разрушению. Она оценивается значениями показателей пластичности и ударной вязкости, работой, поглощаемой при распространении трещины, температурой полухрупкости Т₅₀ и живучестью, как способностью работать в поврежденном состоянии при циклическом нагружении.

Пластичность и вязкость. Необходимо отметить, что повышение прочности в результате термической обработки обычно сопровождается понижением пластичности. В сравнении со сталями, большей пластичностью при меньшей прочности и твёрдости обладает техническое железо (= 500МПа;  = 90%, КСU > 300 Дж/см²). С помощью легирования и термической обработки, а также применения других способов упрочнения можно повысить  стали до примерно 3000 МПа, при этом значения показателей пластичности и ударной вязкости снизятся почти до нуля.