Конструкційні сталі в машинобудуванні

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.

скачати

Введення
З різноманіття матеріалів, що володіють твердістю й 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 сталі класифікують на вуглецеві і леговані, що містять до 10% легуючих елементів (хром, нікель, молібден, ванадій, вольфрам та інші).
До конструкційних сталей, що застосовуються для виготовлення різноманітних деталей машин і конструкцій, висувають такі вимоги: високий комплекс механічних властивостей, що 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 якомога менше дорогих і дефіцитних легуючих елементів. Легуючі сталі повинні володіти високим комплексом стандартних механічних властивостей, визначених при різних способах навантаження.

Реферат
Дана курсова робота містить:
Стор.
Рис.
Табл.
Курсова робота виконана у відповідності з програмою курсу «Конструкційні сталі в машинобудуванні».
Мета роботи: вибір і обгрунтування конструкційного матеріалу для виготовлення деталі «зірочка». 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 та хіміко-термічної обробки. Проведення контролю якості виготовленої деталі.
Ключові слова: зірочка, конструкційна сталь, хімічний склад, хіміко-термічна обробка, гартування, відпал, цементація, відпустку, перліт, мартенсит, аустеніт, структура, температура, спадкове зерно.

1. Вибір та обгрунтування матеріалу для виготовлення деталі «зірочка».
Деталь «зірочка» при експлуатації відчуває дію різних навантажень: статичних, динамічних, поверхневих. Тому обраний матеріал повинен володіти високим комплексом стандартних механічних властивостей, визначених при різних способах навантаження. Однак ці властивості повністю не гарантують надійну і тривалу роботу виробу. Необхідно враховувати, що в реальних умовах експлуатації діють фактори, які можуть знижувати пластичність і ударну в'язкість і збільшувати небезпеку 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 у техніці матеріалів найкраще поєднання конструктивної міцності, надійності та довговічності має конструкційна сталь, тому вона стала основним матеріалом для виготовлення деталі зірочка. Під конструктивної міцністю розуміють 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 поріг холодноламкості Тхл., В'язкість руйнування К1с.
Довговічність - це властивість матеріалу чинити опір розвитку постійного руйнування і втрати працездатності протягом заданого часу.
Втрата працездатності може бути викликана різними причинами: розвитком процесів втоми, зношуванням деталі, корозією та ін
Всі ці процеси призводять 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 та хіміко-термічної обробки.
Вирішальна роль у складі конструкційної сталі, відводиться вуглецю. 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'язано із забезпеченням високої прокаливаемости, зменшенням критичної швидкості гартування, 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 поверхневого зміцнення і створення на поверхні залишкових стискаючих напруг, що ускладнюють виникнення і розвиток тріщин.
При виборі марки сталі 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 і глибокої прокаливаемости застосовується в умовах зносу при терті. З неї виготовляють зубчасті колеса, зірочки, шестерні, шліцьові вали, силові шпильки та інші, особливо відповідальні деталі, до яких пред'являються вимоги високої міцності та поверхневої твердості у поєднанні з пластичною і в'язкою серцевиною працюючих в умовах статичних і динамічних навантажень.

2. Хімічний склад сталі 20ХН3А.
Сталь 20ХН3А - легована конструкційна.
Класифікація стали 20ХН3А:
1) категорія - високоякісна (S );
2) група - хромонікелева;
3) з вигляду обробки - ковані;
4) середньовуглецевих;
Хімічний склад сталі 20ХН3А наведено в таблиці 1.
Таблиця1
Хімічний склад сталі 20ХН3А
Група стали
Марка стали
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 за наявності хрому в сталі її твердість і зносостійкість збільшується. Хром сприяє збільшенню прокаливаемости сталі. Нікель підвищує межу міцності, і межа текучості сталі. Нікель збільшує глибину прокаливаемости сталі. Він впливає на структуру, змінюючи зерно і збільшує в'язкість сталі.
Як зазначено вище і хром, нікель і сприяють збільшенню прокаливаемости сталі.
Під прокаливаемостью мається на увазі здатність стали закалікаваться на певну глибину. Прокаливаемость безпосередньо пов'язана зі стійкістю переохолодженого аустеніту.
Прокаливаемость визначається критичною швидкістю охолодження. При даному режимі охолодження прокаливаемость тим вище, чим менше критична швидкість загартування, тобто чим 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 дві температурні зони мінімальної стійкості аустеніту.

Рис.1 діаграма ізотермічного розпаду аустеніту стали 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 відпал)
Механічна обробка
Остаточна термічна обробка (хіміко-термічна обробка, гарт, 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 та отримання однорідних механічних властивостей по всьому перетину деталі. Вона покращує технологічні властивості, забезпечує оптимальну оброблюваність при механічній обробці.
Для зірочки, що піддається подальшої 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 Бринеллю.
Для отримання таких параметрів рекоменджуется в якості попередньої термічної обробки проводити ізотермічний відпал.
У випадку ізотермічного відпалу сталь нагрівають на 30-50 З вище точки Ас3 (Ас3 = 760 З) і порівняно швидко охолоджують (на повітрі або переносять в іншу піч) до температури лежить нижче А - 700 С (зазвичай на 100 - 150 С) залежно від характеру ізотермічної кривої розпаду аустеніту.

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

Рис.3 Режим ізотермічного відпалу стали 20ХН3А.
t = 760 + (30-50 С)
t = 800 З
При відпалі загальна тривалість нагрівання:

Де - Тривалість наскрізного нагріву до заданої температури;
- Тривалість ізотермічної витримки для завершення фазових перетворень, = 2 хв.
= 0,1 * , Хв.
Де - Коефіцієнт форми, 2, - Коефіцієнт нагріву, 2
- Коефіцієнт нерівномірності нагрівання, 1
- Мінімальний розмір максимального перерізу, 35,
= 0,1 * 35 * 2 * 2 * 1 = 14 (мін.)
= 14мін. +2 Хв .= 16мін.
Остаточна термічна обробка включає цементацію, загартування неповну і 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 наступним загартуванням. Це одночасно підвищує процес витривалості.

Рис.4 Режим остаточної термічної обробки деталі зірочка.
Для цементації деталь надходить після механічної обробки з припуском на шліфування 0,05-0,1 мм. Частини деталі. Не підлягають зміцнення захищають тонким шаром міді, що наноситься електролітичним способом або спеціальними
Температура цементації 500-600 С. В цьому випадку відбувається повне насичення аустеніту феритом й утворення на поверхні цементиту. Цей процес є інтенсивним. При газової цементації скорочується тривалість процесу, тому що відпадає необхідність прогріву ящиків (у разі твердої цементації), наповненим малотеплопроводним карбюризатором, забезпечується можливість повної механізації процесу, його автоматизації і значно зміцнюється подальша термічна обробка виробу, тому що 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 становить:
, (Мін.),
Де h = 1,3-1,5 мм, , = 225 хв;
Основною реакцією, що 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 перегрівається під час тривалої витримки при високій температурі цементації;
2. Отримати високу твердість у цементованной шарі;
3. Усунути карбідну сітку в цементованной шарі, який може виникнути при пересичення його вуглецем.
4. Загартовування проводять вище точки А , На 30-50 С;
tн = 700 З + (30-50 С)
tн = 740 С;
Це забезпечує подрібнення зерна цементованного шару і часткову перекристаллизацию 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 180-200 С;
У результаті термічної обробки поверхневий шар набуває структуру мартенситу з надмірними карбідами у вигляді глобул.
Його твердість составляет59-63HRC.
Час нагріву при відпуску становить:
120мин. +1 Хв .* 25 = 125мін.

5. Механізм структурних перетворень стали 20ХН3А в процесі термічної і хіміко-термічної обробки.
При термічній обробці стали 20ХН3А спостерігаються такі перетворення.
1.При нагріванні в процесі ізотермічного відпалу відбувається перетворення перліту в аустеніт вище критичної точки А1: П А;
При охолодженні нижче точки А1,
2.Превращеніе аустеніту в перліт: А П;
3. При охолодженні його швидкістю вище критичної перетворення аустеніту в мартенсит: А М.
5.1. Перетворення перліту в аустеніт.
Процес перетворення перліту в аустеніт при нагріванні в доевтектоїдних стали стали відбувається наступним чином.
Сталь в міжфазному стані представляє суміш фаз фериту і карбідів змінного складу Cr . При нагріванні трохи вище критичної точки Ас1 (700 С) на кордоні феритної і цементітную фаз починається перетворення , Що приводить до утворення низкоуглеродистого 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 додаткової витримки. Аустеніт в результаті дифузії вуглецю стає однорідним по всьому об'єму.


Хром і нікель знижують критичну точку Ас, 700 С 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 700 С (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;
Перлітною 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.) Та зростання їх з певною швидкістю (с. н.).
У аустеніті, що опинився у нерівноважному стані при температурі нижче А1, вуглець дифундує до найбільш дефектним місцях кристалічної решітки, до місць скупчення вакансій поблизу кордонів зерен. Тому зародки цементиту утворюються по границях зерен аустеніту.
Зростання зародків цементиту відбувається внаслідок дифузії вуглецю з прилеглого аустеніту, що призводить до збіднення вуглецем аустеніту, навколишнього утворилися платівки цементиту, і сприяє перетворенню його ферит за рахунок поліморфного перетворення решітки Г.Ц.К. в О.Ц.К. Таким чином відбувається зростання перлітним колоній.
Структура стали 20ХН3А наведена на малюнку 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 грати -Заліза. Вуглець залишається всередині -Заліза, в результаті чого виходить пересичений твердий розчин вуглецю в -Залозі.
Значне пересичення -Заліза вуглецем викликає зміну об'ємно-центрованої кубічної гратки в тетрагональную, Елементарною осередком якої є прямокутний паралелепіпед, рис.8:

Рис.8. Кристалічна осередок мартенситу.
Атоми вуглецю в такій клітинці розташовуються в міжвузля (що характерно для твердого розчину впровадження) або в центрі підстави (сторона а), або в середині подовжених ребер (сторона с). Ступінь тетрагональної:
с / а = 1.08
Мартенсит є перенасиченим твердим розчином впровадження вуглецю в -Залозі.
Мартенситне перетворення протікає нижче температури 400 араллельно платівок фериту і цементиту характеризується для всієї перлітною області. неоднор З для сталі 20ХН3А.
Для зняття внутрішніх напружень в сталі проводять відпустку при температурі 200-300 С.
При першому перетворенні з пересиченого -Розчину (мартенсит) виділяється вуглець, тому тетрагонального решітки зменшується і співвідношення осей с / а наближається до одиниці. Зміст вуглецю в мартенсит знижується, він виділяється у вигляді дрібних пластинок карбіду заліза, званого (Епсілан) - карбідом (FeхC), що має гексагональну решітку формулу, близьку з Fe2C.
Утворився в результаті першої відпустки мартенсит називається мартенситом відпустки. Він являє собою суміш пересиченого твердого розчину вуглецю в -Залозі неоднорідної концентрації і карбіду, ще не повністю відокремилися від решітки мартенситу.

Рис.9. Мікроструктура стали 20ХН3А після відпустки.

5.4. Механізм утворення і будова цементованного шару.
Дифузія вуглець в сталі виникає не тільки, якщо вуглець знаходиться в атомарному стані, одержуваному при дислокації газів, що містять вуглець (СО, СН4 та ін)
СН4
- Аустеніт;
Атомарно вуглець адсорбується поверхнею сталі і дифундує в глиб металу.
Швидкість дифузії вуглецю зростає з підвищенням температури. Цементацію нижче Ас1 не виконують, тому що -Залізо розчиняє мало вуглецю і цементованних шар складається, головним чином тільки з дуже тонкої скориночки цементиту.
Цементацію проводять при температурах вище Ас3 (800-850 С). У цьому випадку спочатку дифундує в грати -Заліза. При досягненні межі насичення аустеніту вуглецем створюються умови для утворення на поверхні зародків нової фази, стійкою при даній температурі, а саме цементиту. Поступово на поверхні утворюється суцільний шар цементиту.
Цементованних шар має змінну концентрацію вуглецю по товщині, убуваючу від поверхні до серцевини деталі. У зв'язку з цим після повільного охолодження в структурі цементованного шару можна розрізняти три зони:
- Заевтектоідную, що складається з перліту і вторинного цементиту (1);
- Евтектоїдних зону, що складається з одного перліту (2);
- Доевтектоїдних, що складається з перліту і фериту (3). Кількість фериту в цій зоні безперервно зростає в міру наближення до серцевини, рис.10.
За товщину цементованного шару приймається сума заевтектоідной, евтектоїдних і половини перехідною зон. Концентрація вуглецю в поверхневому шарі становить приблизно 1,1%. Хром трохи підвищує товщину цементованного шару. Нікель збільшує швидкість дифузії вуглецю.

Рис.10. Мікроструктура цементованного шару стали 20ХН3А.
П - перліт
Ф - ферит
Ц - цементит.

6. Контроль якості.
6.1. Визначення величини спадкового зерна.
Будь-яке металевий виріб має полікристалічні будову, тобто складається з великої кількості зерен.
Величина зерна металу залежить від його складу, умов його виплавки, кристалізації, обробки тиском і термічної обробки. Від величини зерна залежать багато властивостей металу. Метали, що мають велике зерно, володіють зниженою міцністю, пластичністю та в'язкістю.
Зерно яке утворюється в сталі після термічної обробки по особливому режиму, характеризує схильність стали до зростання зерна при нагріванні в процесі термічної обробки, називається спадковим.
Методи виявлення та визначення величини зерна регламентовані ГОСТ 5639-65.
Для визначення величини зерна при контрольних випробуваннях застосовують три методи.
1) візуальне порівняння видимих ​​під мікроскопом зерен з еталонними зображеннями шкал;
2) підрахунок кількості зерен, що припадають на одиницю поверхні шліфа;
3) Вимірювання середнього умовного діаметра зерна або кількості зерна в 1 мм .
Проводимо визначення розміру зерна в «» повторно піддається термічній обробці разом з деталлю. Для визначення розміру зерна використовуємо метод порівняння.
Метод порівняння: Шліфер отримують під мікроскопом при збільшенні 100 (Допускається збільшення в межах 90-105 ) Та проводять порівняння величини зерна з еталонними зображеннями на шкалі. На еталонних шкалах наведені мікроструктури з різною величиною зерна, оцінюваної номером. Усього є 18 номерів зерна: від -3 до +14. Основна шкала містить еталон мікроструктур з номером зерна від 1 до 10 при збільшенні 100 .
Еталони мають форму кола діаметром 79,8 мм (площа шліфа 0,5 мм ) Зі схематичним зображенням зерен різної величини. Зерна зображені на кожному еталоні, відносяться до визначеного номеру.
Зі зменшенням величини зерна збільшується номер, тобто № 1 відповідає великому зерну, а № 10 - дрібному, рис.11.

Рис.11. Схематичне зображення мікроструктури з різною величиною зерна (у балах):
А - № 1;
Б - № 3;
В - № 5;
Г - № 7;
Д - № 9.
Шліф можна вивчити при різних збільшеннях. У цьому випадку для перерахунку на стандартний номер зерна (при збільшенні 100 ) Користуються спеціальними таблицями прі, наведеними в ГОСТ 5639-65.
Якщо в мікроструктурі є зерна двох або більше номерів, то номери зерен записують в порядку переважної величини зерна. Наприклад на шліфі найбільше зерен п'ятого номера, зерен третього номера значно менше, а зерен сьомого номера ще менше. Записують в наступному порядку: № 5, № 3; № 7.
Висновок.
Проаналізовано умови роботи деталі «Зірочка», для її виготовлення обрана конструкційна цементуємих сталь 20ХН3А, яка має підвищену міцність, в'язкість і прокаливаемость. Складання маршутной технології виготовлення і проведено вибір видів термічної і хіміко-термічної обробки сталі. Визначено необхідні режими і параметри термічної і хіміко-термічної обробки та їх місць у загальному технологічному процесі виготовлення деталі.
Описано особливості механізмів структурних перетворень і розглянуто вплив хімічного складу сталі на їх перебіг.
Розроблено методику контролю якості готової деталі.

Список використаної літератури.
1. А.П. Гуляєв «Металознавство»: 6-е вид. - М.: Металургія, 1986.-544с.
2. Журавльов В.М. Миколаєва О.І. Машинобудівні стали: Довідник - Машинобудування, 1981 - 392с.
3. Лахтін Ю.М., Леонтьєва В.П. Матеріалознавство: 3-е вид. - М.: Машинобудування, 1980 - 528с.
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Виробництво і технології | Курсова
68.3кб. | скачати


Схожі роботи:
Конструкційні вуглецеві сталі і сплави
Інструментальні сталі Сталі для вимірювального інструмента Штамповий стали Тверді сплави
Конструкційні матеріали 2
Електротехнічні та конструкційні матеріали
Конструкційні матеріали в суднобудуванні
Охорона праці в машинобудуванні
Нанотехнології в машинобудуванні Росії
Технологія металів і конструкційні матеріали
Виготовлення деталі шестерня в машинобудуванні
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru