Конструкционные стали в машиностроении (стр. 1 из 4)

Введение

Из многообразия материалов, обладающих жёсткостью и прочностью, достаточными для ограничения упругой и пластической деформации, при гарантированной надёжности и долговечности является сталь.

Сталь – сплав железа с углеродом, содержащий от 0,02 до 2,14% углерода.

По химическому составу стали классифицируют на углеродистые и легированные, содержащие до 10% легирующих элементов (хром, никель, молибден, ванадий, вольфрам и другие).

К конструкционным сталям, применяемым для изготовления разнообразных деталей машин и конструкций, предъявляют следующие требования: высокий комплекс механических свойств, обеспечивающих надёжную и длительную работу машин, эксплуатацию конструкций технологичность, т.е. хорошая обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость и пр., низкая стоимость и доступность. Легированные стали должны содержать по возможности меньше дорогих и дефицитных легирующих элементов. Легирующие стали должны обладать высоким комплексом стандартных механических свойств, определяемых при разных способах нагружения.

Реферат

Данная курсовая работа содержит:

Стр.

Рис.

Табл.

Курсовая работа выполнена в соответствии с программой курса «Конструкционные стали в машиностроении».

Цель работы: выбор и обоснование конструкционного материала для изготовления детали «звёздочка». Описание химического состава и технологических свойств. Рассмотрено влияние химического состава на механические свойства, глубину прокаливаемости. Составление маршрутной технологии предварительной и окончательной термической обработки. Назначение режимов термической и химико-термической обработки. Проведение контроля качества изготовленной детали.

Ключевые слова: звёздочка, конструкционная сталь, химический состав, химико-термическая обработка, закалка, отжиг, цементация, отпуск, перлит, мартенсит, аустенит, структура, температура, наследственное зерно.

1. Выбор и обоснование материала для изготовления детали «звёздочка».

Деталь «звёздочка» при эксплуатации испытывает действие различных нагрузок: статических, динамических, поверхностных. Поэтому выбранный материал должен обладать высоким комплексом стандартных механических свойств, определяемых при разных способах нагружения. Однако эти свойства полностью не гарантируют надёжную и длительную работу изделия. Необходимо учитывать, что в реальных условиях эксплуатации действуют факторы, которые могут снижать пластичность и ударную вязкость и увеличивать опасность хрупкого разрушения.

Это подтверждается случаями, внезапного хрупкого разрушения изделий, изготовленных из сталей высокой пластичности.

К факторам, увеличивающим склонность сталей к хрупкому разрушению относятся, концентраторы напряжений, которые всегда имеются в реальных условиях эксплуатации.

Из всех известных в технике материалов лучшее сочетание конструктивной прочности, надёжности и долговечности имеет конструкционная сталь, поэтому она явилась основным материалом для изготовления детали звёздочка. Под конструктивной прочностью подразумевают такую прочность, которую сталь имеет в результате реальных условий её применения.

Надёжность – это свойство материала противостоять хрупкому разрушению. Для предупреждения внезапных хрупких поломок высоконагруженных деталей важно учитывать не только пластичность (

) и ударную вязкость (КСИ) стали, но и параметры конструктивной прочности, характеризующие её надёжность: ударную вязкость КСИ и КСТ, температурный порог хладноломкости Тхл., вязкость разрушения К1с.

Долговечность – это свойство материала сопротивляться развитию постоянного разрушения и потере работоспособности в течении заданного времени.

Потеря работоспособности может быть вызвана различными причинами: развитием процессов усталости, изнашиванием детали, коррозией и др.

Все эти процессы приводят к постепенному накоплению повреждений и разрушению материала. Для обеспечения долговечности важно уменьшить до допустимого уровня скорость развития процессов разрушения.

Высокая конструктивная прочность достигается путём рационального выбора химического состава, режимов термической и химико-термической обработки.

Решающая роль в составе конструкционной стали, отводится углероду. Углерод повышает прочность стали, но снижая хладноломкость, увеличивает чувствительность к хрупкому разрушению.

Большое влияние на конструктивную прочность стали оказывают легирующие элементы. Повышение конструктивной прочности при легировании связанно с обеспечением высокой прокаливаемости, уменьшением критической скорости закалки, уменьшением зерна, упрочнение дефекта и т. д.

Одним из наиболее важных факторов является повышение прокаливаемости.

Сопротивление усталости, износу и некоторые другие характеристики долговечности зависят от свойств поверхностного слоя изделия. Для получения требуемых свойств конструкционную сталь подвергают химико-термической обработке, которая приводит к поверхностному упрочнению и созданию на поверхности остаточных сжимающих напряжений, затрудняющих возникновение и развитие трещин.

При выборе марки стали для изготовления детали звёздочка необходимо, чтобы она сочетала в себе повышенную прочность:

850 Н/мм, вязкость КСU=80Дж/см , закалённый поверхностный слой 1,3—1,5 мм и сочетание твёрдой износостойкой поверхности HRC=60 –62 и мягкой сердцевины HRC = 24 – 26.

Сталь 20ХН3А повышенной прочности, вязкости и глубокой прокаливаемости применяется в условиях износа при трении. Из неё изготавливают зубчатые колёса, звёздочки, шестерни, шлицевые валы, силовые шпильки и другие, особо ответственные детали, к которым предъявляются требования высокой прочности и поверхностной твёрдости в сочетании с пластичной и вязкой сердцевиной работающих в условиях статических и динамических нагрузок.

2. Химический состав стали 20ХН3А.

Сталь 20ХН3А – легированная конструкционная.

Классификация стали 20ХН3А:

1) категория – высококачественная (S

);

2) группа – хромоникелевая;

3) по виду обработки – кованная;

4) среднеуглеродистая;

Химический состав стали 20ХН3А приведён в таблице 1.

Таблица1

Химический состав стали 20ХН3А

Группа стали	Марка стали	Массовая доля элементов, %
		С	Mn	Cr	Ni
Хромоникелевая	20ХН3А	0,17-0,24	0,3-0,6	0,6-0,9	2,75-3,15

Основными легирующими элементами стали 20ХН3А являются хром и никель. Хром образует с углеродом карбиды различного состава. Все карбиды являются твёрдыми структурными составляющими. Поэтому при наличии хрома в стали её твёрдость и износостойкость увеличивается. Хром способствует увеличению прокаливаемости стали. Никель повышает предел прочности, и предел текучести стали. Никель увеличивает глубину прокаливаемости стали. Он влияет на структуру, изменяя зерно и увеличивает вязкость стали.

Как указано выше и хром, и никель способствуют увеличению прокаливаемости стали.

Под прокаливаемостью подразумевается способность стали закаликаваться на определённую глубину. Прокаливаемость непосредственно связанна с устойчивостью переохлаждённого аустенита.

Прокаливаемость определяется критической скоростью охлаждения. При данном режиме охлаждения Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость закалки, т.е. чем выше устойчивость переохлаждённого аустенита.

Легированная сталь 20ХН3А благодаря более высокой устойчивости переохлаждённого аустенита и меньшей критической скорости охлаждения прокаливается на значительно большую глубину, чем углеродистые стали.

Хром и никель увеличивают устойчивость переохлажденного аустенита, что существенно изменяет вид диаграммы изотермического распада. Линии диаграммы смещаются вправо и становятся как бы двойными С-образными кривыми, рисунок 1.

На диаграмме наблюдаются две температурные зоны минимальной устойчивости аустенита.

Рис.1 диаграмма изотермического распада аустенита стали 20ХН3А.

3.Маршрутная технология изготовления детали звёздочка.

Основными моментами маршрутной технологии являются предварительная и окончательная термическая обработка. Полная схема получения детали приведена на рисунке 2.

Получение заготовки(поковка)

Предварительная термическая обработка (изотермический отжиг)

Механическая обработка

Окончательная термическая обработка (химико-термическая обработка, закалка, отпуск)

Окончательная механическая обработка

Контроль качества после термической обработки

Риунок 2. Маршрутная технология изготовления детали звёздочка.

4. Режим термической и химико-термической обработки детали.

Термическая обработка – это технологический процесс тепловой обработки изделий из металлов и сплавов с целью изменения их структуры, механических, физических и химических свойств.

Предварительная термическая обработка применяется для исправления структуры и получения однородных механических свойств по всему сечению детали. Она улучшает технологические свойства, обеспечивает оптимальную обрабатываемость при механической обработке.