ЗАДАЧИ ПО КОНСТРУКЦИОННЫМ СТАЛЯМ
И ЧУГУНАМ
№ 1. Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПА, предел выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 900 кДж/м2.
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 микроструктуре и указать механические свойства после окончательной термической обработки.
Решение задачи № 1
Стали марок Ст 4, 45 и 20ХНЗА имеют химический состав, приведенный в табл. 1.
Таблица 1
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ СТАЛЕЙ, %
Сталь | ГОСТ | С | Mn | Si |
Ст4 Сталь45 20ХНЗА | 380—71 1050—60 4543—71 | 0,18—0,27 0,42—0,50 0,17—0,23 | 0,40—0,70 0,50—0,80 0,30—0,60 | 0,12—0,30 0,17—0,37 0,17—0,37 |
Продолжение табл. 1
Сталь | ГОСТ | Cr | Ni | S | Р |
Ст4 Сталь 45 20ХНЗА | 380—71 1050—60 4543—71 | ≤0,3 ≤0,25 0,60-0,90 | ≤0,3 ≤0,25 2,75-3,15 | ≤0,050 ≤0,045 ≤0,025 | ≤0,040 ≤0,040 ≤0,025 |
Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки): (σв == 420÷540 МПа, σт = 240÷260 МПа; δ = 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 не выше 600—620 МПа, а при твердости ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550—600 МПа. Для отожженной углеродистой стали отношение σт/σв составляет примерно 0,5. Следовательно, предел текучести стали 45 в этом состоянии не превышает 270—320 МПа.
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 670— 750 МПа и может быть ниже 600 МПа для плавок с более низкой твердостью. Тогда предел текучести составляет 350—400 МПа, так как σт/σв для 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 20ХН3А — к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42—0,50 и 0,17—0,23%С и принимают закалку.
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 (aн после нормализации составляют 200—300 кДж/м2, а после закалки и отпуска с нагревом до 500° С достигают 600—700 кДж/м2.
Так как вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно применить закалку и отпуск. После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает 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 и феррита 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 свойствам. 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 мартенсита и твердость не ниже HRC 50.
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 σв=900—1000 МПа, предел текучести σт = 750—800 МПа,относительное удлинение δ = 8—10 %, относительное сужение ψ = 45—50 %, ударная вязкость ан = 900 кДж /м2 .
Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, формулированные в задаче, для вала диаметром 70 мм.
№ 2. Зубчатые колеса в зависимости от условий работы и возникающих напряжений можно изготавливать из стали обыкновенного качества, качественной углеродистой и легированной с различным содержанием легирующих элементов.
Выбрать, руководствуясь техническими и экономическими соображениями, сталь для изготовления колес диаметром 50 мм и высотой 30 мм с пределом прочности не ниже 360—380 МПа.
Указать термическую обработку колес, механические свойства и структуру выбранной стали в готовом изделии и для сравнения механические свойства и структуру сталей 45 и 40ХН после улучшающей термической обработки.
№ 3. Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого — не ниже 500 МПа.
Указать: 1) состав и марку выбранных сталей; 2) рекомендуемый режим термической обработки; 3) структуру после каждой операции термической обработки; 4) механические свойства в готовом изделии.
Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?
№ 4. Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при повышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из качественной углеродистой стали, а на другом — из легированной стали.
Какую сталь следует применять для этой цели? Указать ее химический состав и марку.
Рекомендовать режим закалки и отпуска и сопоставить механические свойства, которые могут обеспечить углеродистая качественная и легированная стали выбранных марок для вала указанного диаметра.
№ 5. Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: предел прочности должен быть не ниже 750 МПа.
Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска.
Дата добавления: 2017-09-01; просмотров: 5355;