Выбор стали для обеспечения надежности работы изделия в услових эксплуатации

Решение задач предусматривает обоснованный выбор стали, вида и режимов её обработки, при использовании которой в наибольшей степени обеспечивается надежность и стойкость деталей в условиях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. Как правило, в задачах приведены более типичные условия использования изделий.

Для решения задачи надо прежде всего определить группу сталей, обладающих свойствами, близкими к требуемым. Для этой цели необходимо ознакомиться со справочными материалом, приведенным в конце методического пособия, а при необходимости обратиться к рекомендуемым литературным источникам.

Затем для окончательного определения наиболее пригодного металла и рекомендации режима его обработки необходимо рассмотреть возможность использования более дешевого материала.

Если при рассмотрении свойств намеченной стали окажется, что она не удовлетворяет требованиям задачи, например, по прочности или по вязкости, то следует рассмотреть возможность ее улучшения выбором термической или химико – термической обработки. В этом случае необходимо указать режимы обработки, структуру и свойства. При рекомендации режимов обработки необходимо указать наиболее экономичные и производительные способы. Для деталей, работающих в условиях переменных нагрузок, например, для валов, зубчатых колес необходимо рекомендовать обработку, повышающую предел выносливости (в зависимости от рекомендуемой стали к ним относится: цементация, цианирование, азотирование и др.)

 

Для получения навыков в выборе материала дается пример решения задачи.

Задача. Требуется изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 75 кгс/мм², предел выносливости σ_-1≥40 кгс/мм² и ударную вязкость не ниже 9 кгс×м/см².

Завод имеет сталь трех марок: Ст 4, 45 и 20ХНЗА. Какую из этих сталей следует применить для изготовления вала? Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая? Дать характеристику микроструктуры и указать механические свойства после окончательной термической обработки.

Пример решения задачи.

Стали марок Ст4, Сталь 45 и 20ХНЗА имеют химический состав, приведенный в табл.9.

Таблица 11

Химический состав сталей, %

Марка стали	ГОСТ	C	Mn	Si	Cr	Ni	S	O
Ст4	380-71	0,18-0,27	0,40-0,70	0,12-0,30	≤0,3	≤0,3	≤0,050	≤0,040
	1050-74	0,42-0,50	0,50-0,80	0,17-0,37	≤0,25	≤0,25	≤0,045	≤0,040
20ХН3А	4543-71	0,17-0,23	0,30-0,60	0,17-0,37	0,60-0,90	2,75-3,15	≤0,025	≤0,025

 

Проводится анализ сплавов (по свойствам, указанным в таблицах приложения III).

Сталь марки Ст4 согласно ГОСТ имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки):

σ_В=42÷54 кгс/мм²; σ_Т≥24÷26 кгс/мм²; σ≥21%.

Сталь 45 согласно ГОСТ в состоянии поставки (после прокатки и отжига имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190-200 сталь имеет предел прочности σ_В=55кгс/мм². Для отожженной углеродистой стали отношение σ_Т/ σ_В составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом состоянии не превышает 27 кгс/мм².

Сталь 20ХНЗА согласно ГОСТ в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более НВ 250. Следовательно, предел прочности при твердости НВ 230-250 не превышает 67-75 кгс/мм² и может быть ниже 60 кгс/мм² для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести составляет 35-40 кгс/мм², так как σ_Т/ σ_В отожженной легированной стали 0,5-0,6.

Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние термической обработки незначительно. Кроме того, Ст4, как сталь обыкновенного качества, имеет повышенное содержание серы и фосфора (см. табл.1), которые понижают механические свойства и особенно сопротивление ударным нагрузкам. Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества нерационально.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХНЗА - к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42-0,50 и 0,17-0,23% С и подвергаются закалке. Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском. Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только более высокие характеристики прочности, но и более высокую вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости (а _н) после нормализации составляет 2-3 кгс×м/см², а после закалки и отпуска с нагревом до 500°С достигают 6-7 кгс×м/см². Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 имеет структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали, эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком поверхностном слое толщиной до 2-4 мм. Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита и троостита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита в основной массе изделий. Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.

Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла.

Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 70 мм.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм. Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820-835°С в масле. При закалке с охлаждением в масле (а не в воде, как это требуется для углеродистой стали) возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость не ниже 50 HRC.

2. Отпуск 520-530°С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (марганцем), вал после нагрева следует охлаждать в масле.

Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:

Предел прочности σ_В, кгс/мм² 90-100

Предел текучести σ_т, кгс/мм² 75- 80

Предел выносливости σ_-1, кгс/мм³ 40- 43

Относительное удлинение σ, % 8- 10

Относительное сужение φ, % 45- 50

Ударная вязкость α_н, кгс×м/см² 9

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, сформулированные в задаче, для вала диаметром 70 мм.

Практическая часть

Порядок выполнения работы

Для выполнения задания необходимо:

2.1.1. Получить у преподавателя индивидуальное задание.

2.1.2. Определить группу сталей, обладающих свойствами, близкими к требуемым (по справочным таблицам приложения III).

2.1.3 Рассмотреть возможность улучшения свойств выбором термической или химико – термической обработки.

2.1.4. Указать режимы обработки, структуру и свойства.

2.1.5. Написать практическую часть отчета о работе в соответ­ствии с вышеуказанными пунктами задания.