Практическое занятие №5 «Выбор марки стали для изготовления детали» (МЕ-8 Конструкционные стали)

Задания к практическому занятию

Выбрать материал для изготовления детали и дать его расшифровку.

Деталь имеет размер наименьшего сечения L. Материал должен иметь предел текучести σ_T и ударную вязкость KCU

№	L, мм	σT, МПа	KCU Дж/см ^2

Пример выполнения работы

По заданным критериям наиболее подходит сталь 40ХНМА ГОСТ 4543-71. (прокаливаемость стали 40ХНМА 40 мм, а стали 40ХНР – лишь 25 мм). Необходимые механические свойства обеспечиваются после улучшения: закалки от 850 °С в масло и высокого отпуска (520 °С) с охлаждением в воде или масле (во избежание отпускной хрупкости). Это сталь конструкционная высококачественная хромоникельмолибденовая.

Выбранная сталь имеет следующий химический состав.

Химический состав стали 40ХНМА

C	Cr	Cu	Mn	Mo	Ni	P	S	Si	Ti	V	W
0,37-0,44	0,6-0,9	≤0,30	0,5-0,8	0,15-0,25	1,25-1,65	≤0,025	≤0,025	0,17-0,37	-	-	-

Наличие в составе стали 40ХНМА хрома и молибдена позволяет проводить в качестве упрочняющей химико-термической обработки цапф азотирование. Его режим: температура 500...520 °С, продолжительность 50...60 ч, толщина упрочненного слоя 0,5...0,6 мм, поверхностная твердость 640...700 HV.

Микроструктура в готовом изделии будет однородна по сечению – сорбит отпуска и избыточный феррит.

 

5.2 Контрольные вопросы:

 

1. Какими бывают стали по химическому составу?

2. Какими бывают стали по содержанию углерода?

3. Сколько углерода содержат конструкционные стали?

4. Сколько углерода содержат инструментальные стали?

5. Как маркируются углеродистые инструментальные стали?

6. Какими бывают стали по равновесной структуре?

7. Что является количественным показателем Сталей?

8. Какими бывают стали по качеству?

9. Специальные стали, привести примеры, марки, область примененния.

6 Практическое занятие №6 «Определение свойств и расшифровка марки цветного материала» (МЕ-10 Цветные металлы и сплавы)

Задания к практическому занятию

Привести характеристику материала, расшифровать маркировку, описать основные свойства и сферу применения материала.

ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ, ВТ1, АМг3П, В96,. ВТ 9, ВТ 18. ВТ 21Л, ВТ 31Л. А8, А7, А6, А5, А0. АМг3. АК8. АЛ2. МА1, МА8, МА9, ВМ 5-1. МЛ3, МЛ5, ВМЛ–1. М2, М3. ЛАЖ60-1-1, ЛЦ23А6Ж3Мц2. БрО3Ц7С5Н1, БрО4Ц4С17, БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л, БрАЖН10-4-4.

 

Пример выполнения работы

Привести характеристику материала ЛАЖ60-1-1, расшифровать маркировку, описать основные свойства и сферу применения материала.

ЛАЖ60-1-1 ГОСТ 15527-70- Деформируемая латунь, сплав содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка. Является однофазной латунью. Однофазные α–латуни используются для изготовления деталей деформированием в холодном состоянии. Изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволоку, для изделий высокой прочности и износостойкости; нечувствительных к коррозии; горячедеформируемых.

 

Механические свойства при Т=20 °С материала ЛАЖ60-1-1

Сортамент	Размер	Напр.	sв	sT	d5	y	KCU	Термообр.
-	мм	-	МПа	МПа	%	%	кДж / м^2	-
сплав мягкий			400-450		45-55
сплав твердый			700-750		7-10

 

Твердость материала ЛАЖ60-1-1, сплав мягкий	HB 10 ^-1 = 45 - 55 МПа
Твердость материала ЛАЖ60-1-1, сплав твердый	HB 10 ^-1 = 165 - 175 МПа

Физические свойства материала ЛАЖ60-1-1

T	E 10^- 5	a 10^6	l	r	C	R 10^9
Град	МПа	1/Град	Вт/(м·град)	кг/м^3	Дж/(кг·град)	Ом·м
	1.05		75.3

Литейно-технологические свойства материала ЛАЖ60-1-1

Температура плавления, °C:
Температура горячей обработки, °C:	600 - 800
Температура отжига, °C:	600 - 650

 

Химический состав в % материала ЛАЖ60-1-1

Fe	Mn	P	Al	Cu	Pb	Zn	Sb	Bi	Примесей
0.75 - 1.5	0.1 - 0.6	до 0.01	0.75 - 1.5	58 - 61	до 0.4	34.7 - 40.4	до 0.005	до 0.002

 

6.2 Контрольные вопросы:

 

1. В чем отличие латуни от бронзы?

2. Какие свойства титановых сплавов определяет их применение?

3. Сколько меди содержит сплав М0?

4. Какие свойства магниевых сплавов определяет их применение?

5. Какой металл является основой нихромов?

6. Какими по структуре бывают цинковые сплавы?

7. Что отличает алюминиевые сплавы АК, АЛ и Д?

8. Основная проблема использования бериллиевых сплавов?

9. Бабиты – область применения.

Практическое занятие №7 «Расчет параметров композиционных материалов» (МЕ-12 Композиционные материалы)

Задания к практическому занятию

 

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = _________H. Деталь имеет длину L = ________мм, площадь поперечного сечения S = __________ кв. мм., масса детали М = ______ г., рабочая температура детали t = _________ град. С.

 

Требуется:

1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Таблица

 

Варианты заданий

№ задания	L, мм	S, кв.мм.	М, г	N, Н	t (раб), град.С

Пример выполнения работы

Задание № 1:

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = 55000 (Н). Деталь имеет длину L = 900 (мм); площадь поперечного сечения S = 95 (мм²); масса детали М = 450 (г); рабочая температура детали t = 900 ⁰С.

Требуется:

1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

 

Расчет № 1

1. Рассчитываем предел прочности при растяжении:

 

2. Определяем верхнее и нижнее значение

плотности детали (плотность КМ допускается

меньше на 10%):

 

 

 

 

 

3. Рассчитываем верхнее и нижнее значение удельной прочности:

 

 

Расчет № 2

Расчеты КМ для данной детали:

Материал матрицы – УУМ. Материал волокон – Al₂О₃.

 

1. Расчет критической длины волокон:

2. Рассчитываем объемную концентрацию волокон:

3. Рассчитываем плотность спроектированного КМ:

4. Расчет удельной прочности спроектированного КМ:

5. Проверяем выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:

Неравенство выполняется. Делаем вывод, что КМ спроектирован правильно.

Задание № 2:

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N=65000 Н. Деталь имеет длину L = 800 мм; площадь поперечного сечения S=85 кв. мм.; масса детали М = 350 г; рабочая температура детали t=250 ⁰С.

Требуется:

1. Выполнить для детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учёта материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Исходные данные: N = 65000 Н; М = 0,35 кг; L = 0,8 м; t =250 ⁰С;

S =85^.10^-6 мм².

Выполнение расчетов:

Часть 1.

1. Определяем расчётное напряжение растяжения в детали:

2. Определяем верхнее и нижнее значения плотности детали:

 

3. Вычисляем верхнее и нижнее значения удельной прочности:

Часть 2.

Выбираем в качестве материала матрицы алюминиевый высокопрочный сплав 1950 (В95).

Характеристики материала:

 

Выбираем в качестве наполнителя керамические волокна Al₂О₃.

Характеристики наполнителя:

1. Расчёт критической длины волокон:

2. Расчёт минимальной объёмной концентрации волокон:

3. Расчёт удельных энергетических затрат на изготовление материалов матрицы и волокна:

4. Расчёт общих энергетических затрат на изготовление детали из проектируемого КМ:

 

5. Расчёт плотности спроектированного КМ:

6. Расчёт удельной прочности для спроектированного КМ:

Имеем

Как видно .

 

Вывод: Расчёт удельной прочности показывает, что для спроектированного КМ выполняется требование по удельной прочности. Таким образом, для изготовления детали можно выбрать матрицу из сплава 1950 (В95), наполнитель из керамических волокон Al₂О₃ диаметром 127 мкм и длиной 364 мкм при концентрации 27,2 об. %.

 

7.2 Контрольные вопросы:

1. Что такое матрица и какие виды бывают?

2. Как классифицируют наполнитель по геометрии, расположению его в матрице, природе компонентов?

3. Преимущества САП?

4. Является ли сплав ВК3 композиционным материалом?

5. Какие компоненты фрикционных материалов?

6. Назначение магнитодиэлектриков?

8. Рекомендуемая учебная литература и иные материалы

1. Богодухов С.И. Материаловедение и технологические процессы в машиностроении: Учебное пособие / С. И. Богодухов, Проскурин А.Д., Сулейманов Р.М., Схиртладзе А.Г.; Под ред. С.И. Богодухова.- Старый Оскол: ТНТ, 2015 – 560с.

2. Игнатьев Д.А. Материаловедение: лабораторный практикум./ Д.А. Игнатьев; Нижегород. гос. техн. ун-т им. Р.Е. Алексеева.- Нижний Новгород, 2014. - 87 с.

3. Ржевская С.В. Материаловедение: Учебник для ВУЗов / С. В. Ржевская. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Логос, 2004. - 424 с.

1. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Богодухов С.И., Синюхин А.В., Козих Е.С.— Электрон. текстовые данные.— М.: Машиностроение, 2010.— 352 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/5121.— ЭБС «IPRbooks», по паролю
2. Уильям Д. Каллистер Материаловедение. От технологии к применению. Металлы, керамика, полимеры [Электронный ресурс]: учебник/ Уильям Д. Каллистер, Дэвид Дж. Ретвич— Электрон. текстовые данные.— СПб.: Научные основы и технологии, 2011.— 896 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/13216.— ЭБС «IPRbooks», по паролю

6. Технологии конструкционных наноструктурных материалов и покрытий [Электронный ресурс]: монография/ П.А. Витязь [и др.].— Электрон. текстовые данные.— Минск: Белорусская наука, 2011.— 283 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/12322.— ЭБС «IPRbooks», по паролю

7. Михайлин Ю.А. Конструкционные полимерные композиционные материалы [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Михайлин Ю.А.— Электрон. текстовые данные.— СПб.: Научные основы и технологии, 2010.— 822 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/13214.— ЭБС «IPRbooks», по паролю

8. Игнатьев Д.А. Материаловедение. Теория. Задания. Примеры: Учебное пособие / Д. А. Игнатьев. - Арзамас: АПИ НГТУ, 2009. - 129 с.

9. Буслаева Е.М. Материаловедение [Электронный ресурс]: учебное пособие/ Буслаева Е.М.— Электрон. текстовые данные.— Саратов: Ай Пи Эр Медиа, 2012.— 148 c.— Режим доступа: http://www.iprbookshop.ru/735.— ЭБС «IPRbooks», по паролю

10. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: Учебное пособие / Под ред. В.С. Чередниченко. - 5-е изд., стер.; Допущено УМО. - М.: Омега-Л, 2009. - 752 с.: ил., табл.

11. Гарбер М.Е. Износостойкие белые чугуны: свойства, структура, технология, эксплуатация. - М.: Машиностроение, 2010 - 280 с.

12. Комбалов В.С. Методы и средства испытаний на трение и износ конструкционных и смазочных материалов. Справочник. Под ред. К.В. Фролова, Е.А. Марченко. - М.: Машиностроение, 2008 - 384 с.

 

Периодические издания

 

1. Материаловедение.

2. Новости материаловедения. Наука и техника.

3. Фундаментальные проблемы современного материаловедения.

4. Вопросы материаловедения

5. Известия РАН: Серия физическая Кристаллография. Материаловедение. Металловедение и термическая обработка материалов. Металлы.

 

 

Интернет ресурсы

1. Электронно-библиотечная система издательства «Лань-Трейд»: http://e.lanbook.com/. Дата обращения: 23.09.2015.

2. Электронно-библиотечная система издательства «IPRbooks»: www.iprbookshop.ru. Дата обращения: 23.09.2015.

3. Электронная библиотека научных публикаций «eLIBRARY.RU»: http://elibrary.ru. Дата обращения: 23.09.2015.

4. Федеральное государственное бюджетное научное учреждение «Научно-исследовательский институт – Республиканский исследовательский научно-консультационный центр экспертизы». Официальный сайт. Режим доступа: http://www.extech.ru/. Дата обращения: 23.09.2015.

5. Официальный сайт Института материаловедения. Режим доступа: http://цниитмаш.рф/glavnaya/struktura-kompanii/institut-materialovedeniya-im/ Дата обращения: 22.11.15.

6. Официальный сайт ГНЦ ФГУП "ЦНИИ КМ "Прометей". Режим доступа: http://www.crism-prometey.ru/index.aspx. Дата обращения: 22.11.2015.

7. Единое окно доступа к образовательным ресурсам. Режим доступа: http://window.edu.ru/window/library. Дата обращения 23.09.2015.