Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов

Выбор сталей для изготовления деталей машин и методов их упрочнения определяется уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической и химико – термической обработки, объемом производства, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки. При выборе стали и упрочняющей обработки исходят из следующих общих требований.

Эксплуатационные требования.Сталь должнаудовлетворятьусловиям работы в машине, т.е. обеспечить заданную конструкционную прочность, что вначале определяется расчетными данными. Конструкционная прочность – комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, надежности и долговечности, обеспечивающих надежную и длительную работу изделия в условиях эксплуатации.

Критериями прочности при статических нагрузках являются временное сопротивление Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru или предел текучести Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru , характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Критерий прочности при циклических нагрузках – предел выносливости Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru (при симметричном круговом изгибе Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru ). По величине выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем больше допустимые рабочие напряжения и тем самым меньше размеры и масса детали.

Для ограничения упругой деформации материал должен обладать высоким модулем упругости Е (или сдвига), являющимся критерием его жесткости. Именно критерий жесткости, а не прочности обусловливает размеры станин станков, корпусов редукторов и других деталей, от которых требуется сохранение точных размеров и формы.

Однако, каким бы не были расчеты, только по ним нельзя судить о надежности работы детали. Необходимы натурные испытания, т.е. испытания самих деталей как на специальных стендах, так и непосредственно в эксплуатации. Имея информацию о стойкости деталей, можно установить комплекс прочностных и других параметров, которые находятся в наибольшей корреляции с эксплуатационными свойствами деталей машин. Для многих машиностроительных сталей ( Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru < 1000МПа) определение вязкости разрушения Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят не по вязкости разрушения Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru , а по температурному

порогу хладноломкости Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru .

Элементы машин и конструкций могут работать в экстремальных условиях, при низких или высоких температурах, испытывать большие динамические, статические и циклические перегрузки, воздействие агрессивных сред и т.д., приводящие к отказам деталей машин. При перегрузках в деталях из пластичных материалов возможна пластическая деформация (изгиб осей и валов, растяжение болтов, слияние посадочных поверхностей в крепежных деталях и т.д.) или вязкое разрушение. При длительной эксплуатации при высоких температурах за счет ползучестинередко наблюдаются недопустимые деформации. Ползучесть материала лопаток и дисков турбин, паропроводов и других деталей ограничивает срок их службы. В соответствии со статическими данными деформация и вязкое разрушение являются причиной 15 – 20 % всех отказов.

Образование хрупких трещин чаще происходит при низких температурах эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжениях, возникновении статических и динамических перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов под действием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов, строительных и дорожных машин обычно начинается в зонах концентрации напряжений эксплуатационных повреждений и увеличения вероятности одновременного сочетания факторов, способствующих снижению сопротивления хрупкому разрушению.

Повышение сопротивления деталей машин (конструкций) хрупкому разрушению не может быть достигнуто повышением запасов статической прочности, т.е. снижением их номинальной напряженности и увеличением сечения. Это должно достигаться использованием более стойких к переходу в хрупкое состояние материалов, надлежащих конструктивных форм и технологии изготовления, повышением требований к дефектоскопическому контролю на стадии изготовления машин или конструкций для отработки некачественного металла или некачественно изготовленных деталей. Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещин, т.е. его вязкостью разрушения Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru . Работоспособность зубчатых колес, валов, осей , коленчатых валов, штоков, рам транспортных и грузоподъемных машин, рессор, пружин, сварных соединений и многих других деталей и конструкций определяет сопротивление усталости.. Предел выносливости снижается также с увеличением размеров деталей (масштабный фактор) и более интенсивно под влиянием коррозионной среды, вызывающей повреждение поверхности в виде углублений, сетки трещин и других концентраторов напряжений.

Большинство отказов деталей машин (до 80-90%) связано с различного рода изнашиванием вследствие потери точности, снижения кпд и повышения амплитуды переменных нагрузок, что вызывает усталостное разрушение.

Уменьшение износа достигается правильной конструкцией узлов трения (выбор вида трения в опорах, системы смазки, создание устройств для очистки воздуха и смазочного масла и др.),применением износостойких материалов, упрочнением поверхности закалкой, химико – термической обработкой, наплавкой износостойкими сплавами, нанесением на поверхность тонкого слоя нитридов или карбидов и др.

Такие детали, как подшипники качения, зубчатые колеса, валы и многие другие детали подвержены усталостному изнашиванию (контактной усталости). Контактная усталость тем выше, чем больше твердость. Повышение предела контактной выносливости достигается упрочнением поверхности, повышением предела прочности материала, снижением нагрузки в зоне контакта, улучшением чистоты поверхности, а также повышением вязкости масла.

Технологические требования.Сталь должна удовлетворять требованиям минимальной трудоемкости изготовления детали. В частности, сталь должна обладать хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, и поэтому особое значение приобретает выбор правильного режима предварительной термической обработки заготовок, который назначается с учетом последующих процессов упрочнения. Предварительная термическая обработка осуществляется в заготовительных цехах и сводится к нормализации (углеродистые стали), нормализации и высокому отпуску при 600-670 Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru (легированные стали), отжигу, изотермическому отжигу или высокому отпуску на твердость HB156-220.


1.3.1 Алгоритм решения задачи по выбору и обоснованию марки конструкционных материалов, вида и режима термической обработки для конкретных деталей в зависимости от условий их работы

При выборе металла и сплава необходимо обосновать данный выбор с учетом надежности работы детали в условиях эксплуатации конкретно для данной задачи.

В задачах приведены типичные условия использования изделий в разных отраслях промышленности; сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии.

Для решения задач необходимо :

1) проанализировать условия работы детали;

2) выяснить напряженное состояние, которое возникает при этих условиях работы;

3) назвать возможные виды разрушений и другие причины выхода деталей из строя;

4) указать способы исправления этих причин;

5) определить группу сплавов, которые по своим свойствам близки требуемым;

6) выбрать материалы менее дорогие, но надежные в эксплуатации.

Все это позволяет снизить материалоемкость указанных изделий, что имеет большое технико-экономическое значение.

При выборе материала необходимо также учитывать и технологические свойства. Если окажется, что материал не удовлетворяет требованиям задачи, необходимо улучшить свойства путем выбора режима термической обработки. При этом следует указать виды и режимы термической обработки, температуру, структуру и свойства стали, учесть экономические и производственные факторы. Особенно это касается деталей, которые выпускаются в массовом или крупносерийном производстве. Сделанный выбор сплава необходимо обосновать.При решении задач рекомендуется использовать справочные данные, приведенные в приложении.

Пример решения задач

Необходимо изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Завод имеет на складе сталь марок 45 и 20ХН3А.

Какую сталь следует применить для изготовления вала, чтобы сталь имела Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru 740 МПа?

Решение. Химический состав сталей (в%) приведен в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Химический состав сталей (в%)

Марки стали С Mn Si Cr Ni S P
20XH3A 0,17-0,23 0,3-0,6 0,17-0,37 0,6-0,9 2,75-3,15 0,025 0,25
Сталь45 0,42-0.50 0,50-0,80 0,17-0.37 0.25 0,25 0,45 0,40

У стали 45 в состоянии поставки НВ= 207. При НВ=200, предел прочности Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru = 300 МПа.

Сталь 20ХН3А в состоянии поставки НВ= 250. При НВ=250, предел прочности Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru = 400 МПа.

Отсюда видно, что Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru мало у обеих марок. Поэтому надо использовать термическую обработку, т.к. вал воспринимает динамическую нагрузку и вибрацию, целесообразно также применить закалку и отпуск.

Сталь 45 (доэвтектоиднная сталь) Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru полная закалка Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru мартенсит закалки, отпуск Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru сорбит отпуска. Но все это будет в поверхностном слое

Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru .

Сталь 20ХН3А легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. После полной закалки (850 Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru ) в масле и высокого отпуска (600 Выбор стали и упрочняющей термической обработки для деталей машин и инструментов - student2.ru ) в масле получим однородную структуру по сечению детали.

Как мы видим из анализа для вала диаметром 70мм, необходимо использовать сталь 20ХН3А, так как её свойства удовлетворяют заданным условиям.

Наши рекомендации