Обоснование обеспечения конструкционной прочности изделия и структуры используемого материала

Институт (факультет)	Институт педагогики и психологии
Кафедра	Профессиональное обучение (материаловедение и обработка материалов)

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Материаловедение»

на тему	Обоснование обеспечения конструкционной прочности изделия в заданных
условиях работы за счет оптимизации состава и структуры используемого материала

Выполнил студент группы   4СПОб-21зп

группа

направления подготовки (специальности)

шифр, наименование

Ионов Аркадий Александрович

фамилия, имя, отчество

Руководитель

фамилия, имя, отчество

должность

Дата представления работы

«______»__________________20 ___ г.

Заключение о допуске к защите

Оценка _______________, _______________

количество баллов

Подпись преподавателя_________________

Череповец, _2016_

                          Год

Оглавление

Введение................................................................................
........................... 3

1. Обоснование обеспечения конструкционной прочности в заданных условиях работы................................................................................
.......................................... 1

1.1 Анализ условий работы детали....................................................... 4

1.2 Определение требуемых свойств материала.................................. 4

1.3 Подбор методов испытаний материала.......................................... 4

1.4 Определение ориентировочного химического состава материала 1

1.5 Уточнение химического состава...................................................... 1

1.6 Выбор материала............................................................................. 1

1.7 Термическая обработка................................................................... 1

Заключение................................................................................
...................... 1

Список литературы................................................................................
......... 1

Введение

Цель - подобрать материал для изготовления прокатного валка первой черновой группы клетей так, чтобы он удовлетворял набору требований.

Требования к изготовляемой детали:

1.     Срок службы максимальный, деталь должна выдерживать заданную условиями работы нагрузки.

2.    Себестоимость минимальная

3.    Качестве максимальное

4.    Технология изготовления оптимальная (простота технологического процесса, качество детали и его цена).

Задачи:

1.    Проанализировать условия работы.

2.    Определить свойства материала.

3.    Подоврать методы испытания материала.

4.    Определить химический состав материала.

5.    Выбрать материал.

1.     Обоснование обеспечения конструкционной прочности в заданных условиях работы

1.1 Анализ условий работы детали

Для изготовле­ния валков горячей прокатки применяют конструкционные машиностроительные стали (50, 55, 40ХН, 50ХН). Изготовление литьем.

Назначение - прокатный валок основной инструмент, эксплуатационные характеристики которого оказывают влияние на производительность прокатных станов и качество продукции.

          Рабочая клеть (рис.1).  — основной элемент главной линии прокатного стана. В ней устанавливают прокатные валки, обеспечивающие деформирование металла.

Рис. 1. Схема клети:
1 – верхняя подушка; 2 – нижняя подушка; 3 – верхний валок; 4 – нижний валок; 5 – стяжная гайка; 6 – приводная гайка; 7 – крышка редуктора; 8 – дистанционный винт; 9 – дистанционная гайка; 10 – стяжной болт; 11 – вставная гайка; 12 – фиксатор; 13 – приводное колесо; 14 – подшипник радиальный; 15 – подшипник радиально-упорный; 16 – стакан

Исходя из условий работы валков станов горячей прокатки и требований к ним, в первую очередь можно выделить:

·       высокую износостойкость рабочего слоя при высоких температурах и давлениях; ·       статическую прочность (стойкость против поломок); ·       постоянство рабочего диаметра; ·       чистоту поверхности калибров; ·       точность обработки.

Причины разрушения в процессе эксплуатации:

1.     Износ

2.     Разрушение бочек

3.     Разрушение шейки

4.     Отслоение

5.     Выкрошки

6.     Трещины

1.2 Определение требуемых свойств материала

Из условий работы прокатных валков укажем требования, которым должен удовлетворять материал. На основе этих требований определим свойства, которые должны быть характерны для материала, из которого будет изготовлен валок.

а) Механические свойства - отражающие способность материала сопротивляться действию механических нагрузок (статических, динамических, циклических)

Твёрдость — свойство материала не испытывать пластической деформации вследствие местного контактного воздействия (обычно сводящегося к внедрению в материал более твёрдого тела — индентора).

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.

Хладноломкость – свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладнолом­кость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих объёмно-центриро­ван­ную или гексагональную плотноупакованную решетку.

б) Физические свойства - определяемые без приложения силы.

Жаропрочностью называется - способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах. Поведение материала при этих температурах имеет существенные особенности, связанные с явлением ползучести, представляющим собой способность металла непрерывно пластически деформироваться под действием длительно приложенных постоянных напряжений

в) Химические свойства - характеризующие способность материалов к химическому взаимодействию с агрессивными средами,

Коррозионная стойкость — способность материалов сопротивляться коррозии, определяющаяся скоростью коррозии в данных условиях. Для оценки скорости коррозии используются как качественные, так и количественные характеристики. Изменение внешнего вида поверхности металла, изменение его микроструктуры являются примерами качественной оценки скорости коррозии.

г) Технологические свойства - характеризующие пригодность материалов к различным видам обработок в процессе изготовления изделий

Жидкотекучесть- это свойство сплава в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить её очертания в отливке.

Результаты приведены в таблице (табл. 1).

Таблица 1

Требуемые свойства материала

1.3 Подбор методов испытаний материала

Исходя из требуемых свойств к материалу, определяем методы испытаний, которым необходимо подвергнуть выбранный нами материал.

Испытания на твердость по методу «Роквелла»

 

 (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на­стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро­квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок - предвари­тельной Р₀ и основной Р₁ которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р₀ + Р₁ После выдержки в течение нескольких секунд ос­новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва­рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де­ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок­велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным ко­нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор - конус)

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на­грузкой.

Испытания ударной вязкости

Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим. Для определения ударной вязкости используют образцы с надрезом, который служит концентратором напряжений. Используют U- и V- образные образцы (рис. 9). В зависимости от формы надреза ударную вязкость обозначают  KCU или KCV.

Рис. 9

Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 10), так чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его.

Рис. 10

Маятник поднимают на высоту h₁, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту h₂, h₁ > h₂. Таким образом, работа разрушения составит: A = mg *(h₁ - h₂) кДж [кгс*м]. Её значение считываются со шкалы, установленной на маятниковом копре [1, с. 38].

Ударная вязкость - это относительная работа разрушения, то есть работа, отнесённая к площади F образца до разрушения. Таким образом, KCU(KCV) = A/ F.

Разрушение металла при ударной нагрузке развивается в две стадии. На первой зарождается трещина, на второй она распространяется до разрушения образца. Таким образом, суммарная величина работы разрушения складывается из двух составляющих - работы по зарождению (А_з) и распространению (А_р) трещины. Эти составляющие зависят от структуры материала. Надёжность материала определяется работой распространения трещины. У хрупких материалов величина А_р близка к нулю.

У многих металлов и сплавов (имеющих объемно-центрированную кубическую и гексагональную решётки) с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости [1, с. 39].

Испытания проводят при разных температурах, при каждой температуре анализируют вид излома и определяют в нём количество волокнистой составляющей.

По результатам испытаний строят график (рис. 11)

Рис. 11

Различают верхнюю Т_в и нижнюю Т_н границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Т₅₀ [1, с. 39].

Желательно эксплуатировать материал выше Т_в. Разница между Т_раб. и Т_в называют запасом вязкости.

Испытания на Хладноломкость

Она отсутствует у металлов с гранецентрированной кубической решеткой.

На переход от вязкого разру­шения к хрупкому указывают из­менения строения излома и рез­кое снижение ударной вязкости (рис. 45) в интервале температур (t_в – t_х) (граничные значе­ния температур вязкого и хруп­кого разрушения).

Строение излома изменяется от волокни­стого матового при вязком раз­рушении (t ≥ t_в) до кристал­лического блестящего при хруп­ком разрушении (t < t_x). Порог хладноломкости обозначают ин­тервалом температур (t_в – t_н) ли­бо одной температурой t₅₀ которой в изломе образца имеет­ся 50 % волокнистой составляю­щей, и КСТ снижается наполовину.

Испытание на коррозионную стойкость

Для характеристики химических свойств металла в зависимости от состава, структуры и обработки определяют, прежде всего, их стойкость против коррозии.

При испытании на общую коррозию используется несколько методов: в жидкости при полном погружении образца; в жидкости при переменном многократно повторяемом погружении; в парах; в кипящем соляном растворе; в окружающей атмосфере в лабораторных условиях. Состав жидкости, паров или растворов, выбирают с учётом намечаемого использования металла. Для испытания применяют образцы с большим отношением поверхности к объёму.

Полученные результаты оценивают количественно, чаще по скорости коррозии, характеризуемой потерей массы в течении определённого промежутка времени, отнесённой к единице поверхности. По скорости коррозии определяют также величину проникновения коррозии                  П = (К/γ)10^-3 мм/год , где К - скорость коррозии, г/м² год; γ - плотность металла, г/см³. Эта оценка приемлема только в случае однородного коррозионного воздействия. При проявлении локальных нарушений такой метод оценки неприемлем.

Наряду с определением изменения массы образца и глубины коррозии выполняют визуальное (или под микроскопом) наблюдение поверхности образцов. Это позволяет определить стойкость против точечной коррозии. В этом случае измеряют плотность (количество коррозионных точек на единицу поверхности) и глубину точек. Микроисследования позволяют обнаружить возникновение очень малых точек и начало коррозии.

Другим показателем развития коррозии является изменение механических свойств образцов. Общая коррозия, приводящая к уменьшению сечения, сопровождается снижением разрушающей нагрузки. В результате точечной коррозии снижается также и пластичность (относительное удлинение). Коррозионная стойкость металла оценивают по шкале (табл. 2). Меньшим баллом характеризуют более стойкие металлы

Таблица 2

Оценка стойкости против коррозии

Испытание на жидкотекучесть

Жидкотекучестью называется  способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки [4, с. 122].

Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.

Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб (рис. 13).

Рис. 13. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов

Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл сначала сливается в зумпф, а затем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах.

Испытания на Жаропрочность как следствие на ползучесть и термическую усталость

Для оценки свойств материала при высоких температурах применяют характеристики, получаемые в результате испытаний на ползучесть. К таким характеристикам относятся предел ползучести и предел длительной прочности.

Пределом ползучести называется постоянное напряжение, которое в течение заданного времени вызывает определенную, заранее заданную деформацию образца или детали.

Испытания на ползучесть проводятся на специальных маши-V обеспечивающих поддержание с достаточной точностью по-Н оянного напряжения и заданной постоянной температуры об-сГ’па в течение всего времени испытания.

Р Машины для испытания на ползучесть имеют захваты, поз-роляюшие приложить к образцу осевые растягивающие усилия, приборы для замера деформаций и печь для поддержания заданной температуры. Испытуемый образец 1 (рис. 85) резьбовыми головками ввинчен в захваты 2 и помещен в трубчатую электрическую печь 3, снабженную обмоткой из трех независимо регулируемых секций. Такая схема обмотки удобна для изменения силы тока при поддержании постоянной температуры по всей рабочей длине образца. В плотном контакте с рабочей частью образца помещены горячие спаи нескольких термопар 4, а к верхней и нижней головкам его присоединены шины 5, относительное перемещение которых по мере изменения длины образца при испытании передается индикаторам 6.

При испытании на ползучесть следует иметь в виду, что образец под нагрузкой не должен испытывать сотрясений или вибраций. Он должен быть тщательно отцентрирован, так как перекосы его под нагрузкой совершенно недопустимы. Температура образца проверяется минимум в двух точках. В течение всего времени испытания колебания ее не должны превышать +3° при 800°, +4° при 800—1000° и ±6° свыше 1000°.

По окончании испытания на ползучесть образец плавно разгружается до величины предварительной нагрузки. По результатам испытаний строят кривые ползучести. Типичная кривая ползучести (рис. 86,а), построенная в координатах «деформация—время», подразделяется на четыре основных участка. Участок оа соответствует начальному удлинению образца при его нагружении и отражает по существу упругую деформацию, возникающую под действием постоянного напряжения. Участок аб соответствует периоду неустановившейся ползучести, развивающейся с замедлением во времени. Участок бв характеризует установившийся процесс ползучести. На протяжении всего этого участка прирост деформации пропорционален времени испытания, причем деформация распределяется равномерно по всей рабочей длине образца. Участок вг соответствует ускоренному развитию ползучести материала. При этом наблюдается локализация деформации в одном месте по длине образца, сопровождающаяся образованием шейки, приводящим к такому уменьшению сечения и повышению истинных напряжений, при которых происходит разрушение материала. Точка г, являющаяся конечной на кривой, характеризует величину деформации и длительность испытания, при которых происходит разрушение.

Рис. 1. Схема машины для испытания на ползучесть и длительную прочность

Рис. 2. Кривые ползучести: а — типичная; б — семейство кривых при различных напряжениях

Для определения предела ползучести какого-либо сплава проводят несколько испытаний его при разных напряжениях, но при постоянной температуре.

Предел длительной прочности может быть определен по результатам тех же испытаний на ползучесть. Для этого используются конечные точки кривых, характеризующие разрушение образца. Так, например, предел длительной прочности равен напряжению о5, а °з«5 = зв. По абсциссам и величинам напряжений конечных точек семейства кривых ползучести строится график длительной прочности, по которому можно определить величину предела длительной прочности для любого промежуточного времени испытания.

В ряде случаев испытания на ползучесть, доводимые до раз-тения образца, осуществляются упрощенно, без измерения ^формации и называются испытаниями на длительную прочность. При этом фиксируется только время до разрушения образца под действием данного напряжения. В результате таких испытаний строятся графики длительной прочности. Будучи построенными в логарифмических координатах, они имеют вид прямых линий.

Рис. 2. Графики длительной прочности в координатах: а — обычных; б — логарифмических

По результатам испытаний на длительную прочность, проведенным при нескольких температурах, могут быть построены графики зависимости разрушающих напряжений от температуры при каждой данной продолжительности испытания. Примеры таких графиков приведены на рис. 88.

При эксплуатации часто наблюдается разрушение узлов и деталей в результате попеременных нагревов и охлаждений, или то.к называемых теплосмен. Такое разрушение получило назва-н“е термической усталости. Оно проявляется даже при отсутствии внешних нагрузок и вызывается термическими напряжениями, возникающими в результате неравномерного нагрева или охлаждения детали. При этом наблюдается неоднородное термическое расширение или сжатие отдельных участков детали и возникает силовое взаимодействие последних, сопровождающееся развитием значительных напряжений. В результате многократного повторения этих напряжений происходит разрушение материала, напоминающее собой усталостное разрушение.

Способность материала сопротивляться теплосменам определяется при помощи испытаний на термическую усталость. Эти испытания проводятся по различным методикам, как правило, воспроизводящим условия работы материала в конструкции. Режим таких испытаний определяется формой и размерами образца, и характером термического цикла, т. е. его максимальной и минимальной температурой, скоростью нагрева и скоростью охлаждения.

Стандартные методика и установки для испытания на термическую усталость пока еще не существуют.

Все имеющиеся методы испытаний на термическую усталость по виду исследуемых полуфабрикатов могут быть подразделены на две группы. К первой группе относятся способы, предназначенные для испытания на стойкость к теплосменам листовых материалов, а ко второй — методы испытаний различных прутков и поковок.

Циклический нагрев этих образцов может проводиться различными методами: токами высокой частоты, при помощи газовой горелки и т. д. Для ускорения испытаний на образце могут быть созданы концентраторы напряжений в виде отверстий или надрезов.

В процессе испытаний попеременному нагреву и охлаждению подвергается небольшой участок образца между отверстиями, надрезами или в середине прямоугольника. Зоны нагрева обведены на эскизах образцов пунктирными линиями. Нагревы и охлаждения проводятся по заданному термическому циклу, например 200—800—200°.

Рис. 3. Зависимость предела длительности прочности от температуры испытания стали ЭИ388 (а) и никелевого сплава ЭИ617 (б)

Контроль температуры осуществляется при помощи оптиче-кого или фотоэлектрического пирометра. Охлаждение образцов С ожет проводиться при помощи обдувания струей сжатого воздуха или для ускорения процесса — струей воды. Наблюдение за поведением материала в процессе испытания ведется при помощи микроскопа с небольшим увеличением.

Рис. 4. Эскизы образцов для испытания на термическую усталость: а — изогнутый с отверстиями; б — плоский; в — клиновидный; г — цилиндрический

Процесс испытаний заканчивается при появлении первой ясно различимой трещины. Мерой стойкости материала против термической усталости является число циклов нагрева и охлаждения до появления этой трещины, а также длина трещины.

При испытании на термостойкость прутковых материалов и поковок также используются образцы различной формы (рис. 4 , г). Методика испытания этих образцов имеет много общего с той, которая применяется при изучении листовых материалов.

Необходимо отметить, что ввиду разнообразия условий опытов испытания на термическую усталость являются пока только сравнительными и применяются лишь для ориентировочной оценки качества материалов. Вместе с тем они все больше входят в практику и становятся весьма важным средством проверки эксплуатационной надежности жаропрочных сплавов.

1.5. Определение ориентировочного химического состава материала

Для определения ориентировочного химического состава материала необходимо провести анализ различных классов материала.

1.                Стали.

Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называется доэвтектоидными, 0,8% - эвтектоидными и больше 0,8% - заэвтектоидными

Твёрдость и прочность стали могут быть увеличены в результате термической обработки в 3 - 5 раз, а модули упругости при этом изменяются менее чем на 5% [3, с. 180].

Также благодаря термической обработке и введению легирующих элементов можно повысить их коррозионную стойкость.

Основное требование к сталям является обеспечение конструкционной прочности: они должны обладать определённым набором механических свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу материала, иметь хорошие технологические свойства.

Стали являются достаточно недорогим материалом.

Свойства сталей соответствуют нашим требованиям к готовому изделию, и оно может быть изготовлено из данного материала.

2.                Чугуны.

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% - эвтектическими и содержащие более 4,3% - заэвтектическими [1, с. 54].

Чугун отличается от стали по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации. Чугун дешевле стали [3, с. 203].

 Чугуны обладают более высокой твердостью, чем стали из-за большого наличия цементита, что одновременно повышает и хрупкость. Однако углерод в этих сплавах может присутствовать в виде графита.

В зависимости от того, в какой форме присутствует графит в сплаве, различают:

Ø    Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида.

Ø    Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.

Ø    Высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита.

Ø    Ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного        графита [3, с. 180].

Ещё одним достоинством этого класса является более низкая цена по сравнению со сталями.

Недостатками чугунов являются: большая хрупкость, низкая упругость. Так как инструмент, который нам необходимо изготовить (кернер) работает в условиях ударных нагрузок, то использование данного материала нецелесообразно.

3.                Сплавы цветных металлов.

а) На основе меди.

Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами называются бронзами.

Оловянистые бронзы (содержание олова до 20%) обладают хорошими литейными свойствами, высокой химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Хорошо обрабатываются резанием. Являются дорогими. С очень высоким содержанием олова становятся очень хрупкими [1, с. 164].

Алюминиевые бронзы содержат 5 - 10% алюминия. Алюминиевые бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии. Обрабатываются давлением.

Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и являются более дешёвыми. Обладают высокой стойкостью против коррозии. Хорошие упругие характеристики, удовлетворительно обрабатываются резанием.

Бериллиевые бронзы содержат 2,0 - 2,5% бериллия. Дисперсионно - твердеющие сплавы, значительно повышают механические свойства в результате термической обработки.

Высокие прочность и упругость, стойкость против коррозии, хорошая свариваемость и обрабатываемость резанием. Применяется для изготовления ответственных деталей и инструментов.

Являются очень дорогими [1, с. 165].

Сплавы меди с цинком называются латунями.

Они обладают хорошей жидкотекучестью, достаточно дешевые, обладают небольшой усадкой. Хорошо обрабатываются резанием, обладают высокой  коррозионной стойкостью, но с небольшой твердостью (120 НВ в деформированном состоянии). Различают деформируемые и литейные латуни.

б) На основе алюминия.

Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются не высокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.

Дюралюминий хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии. После закалки дюралюминий подвергают старению, что обеспечивает получение высоких прочности и твёрдости.

Сплавы авиаль, уступая по прочности дюралюминию, они обладают лучшей пластичностью в горячем и холодном состояниях [1, с. 167].

Силумины обладают высокой жидкотекучестью, имеют малую усадку.

в) На основе магния.

Магний относительно устойчив против коррозии лишь в сухой среде и при повышении температуры легко окисляется и даже самовоспламеняется. Магниевые сплавы применяют в авиационной промышленности, в машиностроении и радиотехнической промышленности [1, с. 168].

г) На основе титана.

Обладают хорошими литейными свойствами. Наличие азота и кислорода повышает прочность титана, но сильно снижает пластичность. Присутствие углерода снижает ковкость, ухудшает обрабатываемость резанием, свариваемость титана.

Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, в ряде кислот. Титан хорошо куётся и  сваривается [1, с. 170].

Цветные металлы и сплавы обладают хорошей пластичностью, стойкостью в агрессивных средах, хорошей твёрдостью и упругостью, поэтому некоторые из них можно использовать для изготовления кернера.

4.                Материалы порошковой металлургии.

Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке - спеканию [4, с. 418].

Основа твёрдых сплавов - карбиды металлов, обладают высокой хрупкостью. Сплавы являются дорогими, поэтому их делают не цельными.

Твёрдые сплавы имеют высокие твердость 87 - 92 HRA (HRC = 2HRA - 104) и теплостойкость (800 - 1100⁰С) [1, с. 137].

Твердые сплавы делятся на группы: вольфрамовая, титановольфрамовая, титанотанталовольфрамовая, безвольфрамовая.

Твёрдые сплавы применяют в основном для изготовления режущего инструмента. Они дорогие и требуют специального оборудования, как для изготовления, так и для защиты от вредного воздействия, так как для улучшения механических свойств в них добавляют измельчённые легирующие элементы.

5.                Неметаллические материалы.

Значительное место в промышленности занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико. Достоинствами неметаллических материалов является высокая механическая прочность, высокие электроизоляционные характеристики, оптическая прозрачность, высокая эластичность, химическая стойкость, морозостойкость, износостостойкость. Недостатками же является низкая твердость, низкая ударная вязкость, склонность к старению.

Поскольку твёрдость и ударная вязкость являются основными требованиями к изготовляемому инструменту, изготовление кернера из неметаллических материалов нецелесообразно.

Таким образом, для изготовления кернера выберем углеродистую инструментальную, низколегированную инструментальную стали, а также быстрорежущую сталь.

1.6. Уточнение химического состава материала

Исходя из ориентировочного состава, по справочной литературе подбирается не менее 4-х вариантов подходящего материала. Проводится анализ каждого варианта: указываются конструкционные, эксплуатационные, технологические свойства материала (справочные данные), а также упрочняющая обработка, которая обеспечит при необходимости получение заданных свойств. Анализируются достоинства и недостатки каждого из вариантов решения.

Трудность при выборе мате­риала по справочнику заключается в том, что для изготовления детали одного и того же наименования справочник рекомендует весьма различные марки материала. Поэтому при выборе мате­риала по справочнику в первую очередь следует исходить из условий работы детали и требуемых от нее свойств.

Вопрос экономичности материала решается ориентировочно: учитывается количество и относительная стоимость легирующих элементов, сложность режима термообработки, технологии изготовления, необходимость коррозионной защиты и т.д.

Результаты анализа оформляются в виде таблицы (Приложение 5)

                        1.6 Уточнение химического состава

Таблица  3

Основные характеристики материала

Изучив все марки материалов, проанализируем достоинства и недостатки каждой (табл. 4).

Таблица  4

Достоинства и недостатки материалов

1.6                 Выбор материала

На основе сравнения свойств четырёх выбранных нами марок сталей можно сделать вывод, что для изготовления кернера наиболее оптимальным материалом является сталь У8А, так как она удовлетворяет нашим требованиям и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими:

Ø    Низкой стоимостью

Ø    Простая термическая обработка

Ø    Необходимый и достаточный комплекс характеристик (твёрдость, прочность, ударная вязкость) который необходим нам в готовом изделии.

На основе сравнения всех данных по каждому варианту решения делается вывод, какой из предлагаемых вариантов является оптимальным и почему. Для оптимального варианта решения необходимо подобрать режимы термической обработки изделия.

Основой для выбора помимо необходимых механических характеристик, указанных в п. 5.3, 5.4, являются технологические и экономические 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 °С (легированные стали), отжигу, изотермическому отжигу или вы­сокому отпуску на твердость 156—220 НВ.

 Материал должен быть возможно дешевле, с учетом всех затрат, включающих не только стоимость стали, но и изготовление деталей и, наконец, их эксплуатацион­ную стойкость в машинах, в которых они должны работать. В пер­вую очередь нужно стремиться выбрать менее дорогую сталь, углеродистую или низколегированную. Дорогие же легированные конструкционные стали, содержащие дефицитные Ni, Mo, W и другие элементы, следует применять лишь в тех случаях, когда более дешевые стали не удовлетворяют требованиям, предъяв­ляемым к изделию. Легированные стали применяют, когда нужно обеспечить требуемую надежность и долговечность (низкий порог хладноломкости, высокую прокаливаемость, сопротивление уста­лости, износостойкость и др.), получение особых свойств (кор­розионной стойкости, жаропрочности, магнитных свойств и т. д.), улучшение технологических свойств (обработки резанием, штампуемости и т. д.), а также снизить расход металла на единицу го­товой продукции или повысить мощность машины. Применение легированной стали должно быть технически и экономически целе­сообразно и оправданно в том случае, если оно дает экономиче­ский эффект за счет повышения долговечности деталей и уменьше­ния расхода запасных частей и, таким образом, экономии металлопроката.

Эти общие требования к материалу нередко противоречивы. Так, например, более прочные материалы менее технологичны, труднее обрабатываются при резании, холодной объемной штам­повке, сварке и т. д. Решение при выборе материала обычно ком­промиссно между указанными требованиями к стали. В массовом машиностроении предпочитают упрощение технологии и сниже­ние трудоемкости в процессе изготовления детали, некоторой по­тере свойств или увеличению массы детали. В специальных отраслях машиностроения, где проблема прочности (или проблема удельной прочности) играет решающую роль, выбор материала и последующая технология термической обработки должны рассматриваться из условия достижения только макси­мальных эксплуатационных свойств. Вместе с тем не следует стре­миться к излишне высокой долговечности деталей по отношению к долговечности самой машины.

При решении вопроса о выборе стали для получения требуе­мых механических свойств и других характеристик также важно установить оптимальный вид упрочняющей термической или хи­мико-термической обработки. Вопросы выбора материала и тех­нологии термической обработки следует рассматривать примени­тельно к конкретным производственным условиям. Один и тот же процесс термической обработки в различных производственных условиях приводит к разным экономическим результатам. На экономичность технологических процессов влияют объем выпуска продукции, использование энергоресурсов, возможность создания или применения оборудования и другие организационно-экономи­ческие условия производства.

При выборе упрочняющей обработки, особенно в условиях мас­сового производства, предпочтение следует отдавать наиболее эко­номичным и производительным технологическим процессам, на­пример поверхностной закалке при поверхностном или глубинном индукционном нагреве, газовой цементации, нитроцементации и т. д.

Ниже приводятся некоторые советы по выбору видов упрочняющей обработки:

1. Зачастую рационально для деталей, работающих в услови­ях изнашивания, использовать улучшаемые стали, типичная тер­мическая обработка которых «закалка + высокий отпуск» не обеспечивает получение требуемой твердости и износостойкости. В этом случае после типовой термической обработки следует провести поверхностную закалку и низкий отпуск тех частей де­талей, которые при работе изнашиваются.

2. Для деталей типа шестерен сопротивление разрушению зубьев достигается, когда твердость в середине зуба имеет зна­чение 30...40 HRC.

3. В справочниках не приводится значение твердости после цементации. В этом случае необходимо знать, что твердость после закалки зависит от содержания углерода. Так как при цементации добиваются в поверхностном слое 0,8...0,9 % С, то получаемая после закалки твердость составляет

порядка 60...62 HRC.

4. Очень большое значение имеет умение оценить  влияние легирую­щих элементов на механические и технологические свойства ста­ли. Это позволяет по марке стали судить о преимуществах и не­достатках сравниваемых сталей (помимо тех свойств, которые приводятся в справочнике). В некоторых случаях представляется целесообразным использовать детали из стали после нетипичной для них термической обработки (обычно после пониженной тем­пературы отпуска, что дает более высокий предел текучести и твердость). Для получения представления об ожидаемых свой­ствах после такой обработки можно использовать графики за­висимости механических свойств от температуры отпуска.

5. Для конструкционной стали «закал­ка + высокий отпуск» являются наиболее распространенным ви­дом термообработки, однако это не значит, что эти стали в других состояниях не могут использоваться. Так, углеродистые стали часто используются в нормализованном состоянии. Для легиро­ванных сталей возможны закалка и отпуск при более низких температурах. При этом повышаются свойства прочности, но понижается вязкость.

1.7. Термическая обработка

Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении [5, с. 5].

Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния     сплава [3, с. 227].

Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения [5, с. 171].

Скорость охлаждения должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения [5, с. 171].

Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава [3, с. 227].

Материалом для нашего изделия была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А.

В данной стали содержится 0,8 % С, она является эвтектоидной (рис. 14)

Рис. 14. Расположение стали У8А на диаграмме железо - цементит

В нашем случае мы будем делать полную закалку. Этот процесс достигается нагревом стали на 30 - 50⁰С выше критической точки А_с1 и быстрым охлаждением в воде. Температура закалки будет равна 770⁰С. Время выдержки будет складываться из времени, необходимого для того, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В результате закалки получаем мартенситную (М) структуру с остаточным    аустенитом (А_ост).

Далее проведём высокотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 500 - 650⁰С. Его мы выполняем с целью получения структуры сорбита отпуска (С_отп.) твёрдость которого 20 - 30 HRC, а также снижения внутренних напряжений и получения максимальной вязкости.

Полученная нами твёрдость не устраивает нас, поэтому дальше мы проведём поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ). Мы выбрали закалку ТВЧ, поскольку можно регулировать глубину закалённого слоя частотой и временем, а также, потому что при закалке на поверхности детали практически отсутствует окисление.

Температура нагрева будет составлять 760 - 770⁰С, охлаждение будем проводить в воде. Время нагрева должно быть небольшим, поскольку диаметр кернера невелик.

Далее проведём низкотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 150 - 200⁰С. Его мы выполняем с целью получения структуры мартенсита отпуска (М_отп) твёрдость которого 64 HRC, присутствуют внутренние напряжения.

Таким образом, мы получили сердцевину структура, которой С_отп, твердость в пределах 20 - 30 HRC и максимальная вязкость, которая будет способствовать сопротивлению ударной нагрузке. Поверхность же нашего изделия имеет структуру М_отп твердость, которого 64 HRC, это будет способствовать проникновению кернера в материал заготовки.

Схему термической обработки стали У8А представим на рис. 15.

Рис. 15. Термическая обработка стали У8А

Структуру стали, после термообработки представим на рис. 16., где

а - структура сердцевины (С_отп.), б - структура поверхности (М_отп).

Рис. 16. Структура стали, после термообработки

Заключение

Целью нашей работы был подбор материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял ряду требований (срок службы, себестоимость, технология изготовления).

Нами была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А, мы провили её термическую обработку, чтобы она полностью удовлетворяла нашим требованиям.

При выполнении курсовой работы мы закрепили, обобщили и научились применять на практике полученные нами в курсе «Материаловедение» теоретические знания.

Список литературы

1.                Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

2.                Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1983, 348 с.

3.                Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 648 с.

4.                Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова и др.; Под общ. ред. Дальского А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с., ил.

5.                Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Металлургия, 1978. 392 с.

6.                Гелин Ф.Д. Металлические материалы: справ. - Мн.: Высш. шк., 1987. - 368 с.

7.                Журавлёв В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.

8.                Щербаков Н.Н. Оборудование школьных мастерских средствами малой механизации: Пособие для учителя (Из опыта работы). - М.: Просвещение, 1983. - 127 с., ил.