Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
· составление графа дерева свойств изделия,
· составление параметрического ряда и определение значения параметров,
· определение веса параметров с использованием метода расстановки приоритетов,
· установление порога совпадения поисковых параметров;
II. Порядок выбора:
· выбор материала по поисковым параметрам, начиная с наиболее ценного, методом последовательного приближения,
· при наличии нескольких равноценных марок материала сопоставление и выбор лучшей с помощью обобщенного показателя или по результатам опробования.
Следующим этапом выбора материала должен быть процесс определения комплекса необходимых свойств стали, обеспечивающих надежную и долговечную работу конструкций, машин и оборудования в заданных условиях эксплуатации. Так как конструкционные материалы характеризуются механическими, физико-химическими и технологическими свойствами, то рассматривать необходимо всю гамму свойств, особенно если в конструкции должны работать разные материалы.
К сожалению, часто комплекс требуемых свойств материала, оформленных в виде технических требований или технических условий к материалу, составляется не на основе точного анализа и моделирования условий работы, а. на приблизительных качественных данных или на опыте предыдущей эксплуатации аналогичного или схожего изделия или конструкции. Однако более правильным является формирование технических требований к материалу на основании моделирования условий работы изделия в реальных условиях эксплуатации с использованием специальных стендов, на которых с помощью тензометрирования можно определять уровень локальных пиковых напряжений в изделии.
Физико-химические свойства
Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Из важных физических свойств можно выделить теплопроводность, плотность, коэффициент линейного расширения. Низкая теплопроводность уменьшает теплопритоки и придает материалу теплоизолирующие свойства, а высокая теплопроводность способствует снижению температурных градиентов в изделиях. Для летательных аппаратов большое значение имеет уменьшение массы конструкции, поэтому для них целесообразно использовать материалы с большой удельной прочностью, которая определяется отношением прочности материала к его плотности. В этом отношении более перспективны алюминиевые, магниевые и титановые сплавы, а также композиционные материалы. Применение в соединениях деталей из различных материалов обусловливает необходимость учета их коэффициентов линейного расширения.
Под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Детали любого изделия должны быть совместимы с рабочей средой. Коррозия, коррозионная усталость, коррозия под напряжением, водородное охрупчивание и т. д. могут вызвать повреждения в металле и привести к хрупкому разрушению конструкции. Для криогенных конструкций важное значение имеет влияние химического взаимодействия: низкокипящих продуктов (жидкий кислород, водород и др.) со сплавами, из которых изготавливаются эти конструкции. Такие химически активные металлы, как титан и его сплавы, магниевые сплавы, алюминиевые сплавы, при ударном нагружении могут самопроизвольно загораться при контакте с жидким кислородом.
Механические свойства
Основой выбора материалов для создания надежной и работоспособной техники являются их механические свойства, в первую очередь, прочностные, которые характеризуют способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под действием различного рода нагрузок, в разных средах и при различных температурных условиях.
Расчет конструкции на прочность производят по допустимым напряжениям [σ], определяемым из условий прочности при статическом нагружении или долговечности при циклическом нагружении. При статическом нагружении допускаемое напряжение равно отношению предельного для данного материала напряжения к коэффициенту безопасности, т.е. к коэффициенту запаса прочности п. Для пластичных материалов за предельное напряжение принимают предел текучести, для квазихрупких - временное сопротивление:
[σ] = σт / nт или [σ] = σ в/nв.
Значение коэффициента запаса прочности зависит от многих факторов: разброса характеристик прочности; присутствия в материале дефектов, допускаемых техническими условиями; степени схематизации расчетной процедуры и т. д.
Технологические свойства
При выборе материалов конструктор обязан учитывать не только механические, физические и химические, но и технологические свойства, а также возможности производства, где предполагается изготавливать проектируемое изделие.
Технологические свойства (литейные свойства у литейных сплавов; обрабатываемость давлением у деформируемых сплавов, обрабатываемость резанием, свариваемость) весьма важны и могут быть решающими при выборе материала для изготовления высококачественных изделий в производственных условиях. Например, нельзя изготовить литьем тонкостенные протяженные детали из сплава с низкой жидкотекучестью и плохой заполняемостью. Нельзя также изготавливать сварные конструкции из сталей с высоким содержанием углерода (высоким углеродным эквивалентом), так как в зоне сварного шва всегда будут образовываться сварные трещины. Все это надо предвидеть и соответственно учитывать при выборе материала для конкретного изделия.
В том случае, когда не имеется возможности использовать стенд для измерения рабочего напряжения, возникающего в изделии при его эксплуатации, следует использовать расчетные методы.
Выбор стали для изготовления той или другой детали машин и метод ее упрочнения определяются уровнем требуемой конструкционной прочности, технологичностью механической, термической и химико-термической обработки, объемом производства, дефицитностью, стоимостью материала и себестоимостью упрочняющей обработки.
При выборе стали и упрочняющей обработки исходят из общих требований, приведенных ниже.
Лекция 3.
1.1.1. Эксплуатационные требования
Сталь должна удовлетворять условиям работы в машине, т.е. обеспечивать заданную конструкционную прочность, что вначале определяется расчетными данными. Деталей, рассчитываемых на статическую прочность, сравнительно мало. Это детали с большим начальным натягом, детали котлов и сосудов высокого давления, диски компрессоров и турбин и некоторые детали с малым числом плавных нагружений (иногда проводится расчет на малоцикловую усталость). Многие детали машин работают в условиях, когда возникают напряжения переменные по времени. Расчеты сопротивления усталости этих деталей при стационарном нагружении ведут по пределу выносливости с учетом конструктивных и технологических факторов. По критерию жесткости (Е-модуль упругости) рассчитывают станины, корпусные детали машин, станков, валы коробок передач, шпиндели станков и т.д. Однако какими бы точными 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. При установлении этих параметров кроме стандартных механических свойств (sв, s0,2, d, y, KCU) с учетом прокаливаемости стали должны учитываться: работа распространения трещины КСТ, трещиностойкость К1с , предел выносливости s-1, s-1к , сопротивление контактной усталости, сопротивление износу и т,д.
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 оси и валов, растяжение болтов, слияние посадочных поверхностей в крепежных деталях и т.д.) или вязкое разрушение. При длительной эксплуатации при высоких температурах за счет ползучести нередко наблюдаются недопустимые деформации. Ползучесть материала лопаток и дисков турбин, паропроводов и других деталей ограничивает срок их службы.
В соответствии со статистическими данными деформация и вязкое разрушение являются причиной 15-20% всех отказов. Образование хрупких трещин чаще всего происходит при низких температурах эксплуатации, наличии исходных дефектов типа трещин, повышенных остаточных напряжений, возникновении статических и динамических перегрузок, а также при увеличении размеров начальных дефектов под воздействием циклических эксплуатационных нагрузок и коррозии. Хрупкое разрушение судов, мостов, кранов и дорожных машин обычно начинается в зонах концентрации напряжений и происходит после некоторой наработки. Это говорит о роли накопления эксплуатационных повреждений и увеличения вероятности одновременного сочетания факторов, способствующих снижению сопротивления хрупкому разрушению.
Повышение сопротивления деталей машин (конструкции) 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 отбраковки некачественного металла или некачественно изготовленных деталей.
Следует отметить, что интенсивное изучение критериев надежности материалов началось с момента широкого применения в технике высокопрочных металлических материалов, характерной особенностью которых является склонность к хрупкому разрушению. Надежность работы конструкции во многом определяется сопротивлением материала распространению трещины, т.е. его вязкостью разрушения К1С. Конструктивную прочность сплавов нередко оценивают с помощью так называемых диаграмм конструктивной прочности, построенных в координатах К1С - s0,2 . Повысить сопротивление хрупкому разрушению при сохранении высокой статической прочности можно измельчением зерна, ТМО, очисткой стали от вредных примесей, а также использованием мартенситно-стареющих сталей.
Для многих строительных и машиностроительных сталей (sв<1000МПа) определение вязкости разрушения К1С затруднено. Поэтому о сопротивлении хрупкому разрушению судят по температурному порогу хладноломкости t50. Наиболее низкую конструктивную прочность имеют горячекатаные стали обыкновенного качества (Ст2, Ст3, Ст4 и др.) с ферритно-перлитной структурой. Чем больше в них содержание углерода, тем выше sт и t50. Термическое упрочнение углеродистых сталей повышает sт и несколько снижает порог хладноломкости.
Низколегированные стали имеют более высокую конструктивную прочность в горячекатаном и нормализованном состояниях. После термической обработки низколегированных сталей возрастает sт, a t50 практически не меняется. Верхняя часть области НЛ относится к сталям с карбидным упрочнением (14Г2АФ, 15Г2СФ и др.), а нижняя к сталям 14Г2, 10Г2С1, 15ХСНД и др. Высокой конструктивной прочностью обладают низколегированные строительные стали после контролируемой прокатки. Машиностроительные легированные стали после закалки и низкого отпуска имеют высокую прочность sт , но склонны к хрупкому разрушению. Улучшение в зависимости от температуры отпуска и состава стали обеспечивает низкий порог хладноломкости при достаточной прочности sт . Наилучший комплекс механических свойств (sт, К1С, t50) легированные стали имеют после термомеханической обработки (ТМО).
Для изделий требующих высоких значений KCU, КСТ, К1С, низкого порога хладноломкости (работающих при низких температурах с высокими скоростями приложения нагрузки и при наличии концентраторов напряжения), следует применять мелкозернистые, спокойные стали, предпочтительно легированные никелем и молибденом.
Работоспособность зубчатых колес, валов, осей железнодорожных вагонов, коленчатых валов, штоков, рам, транспортных и грузоподъемных машин, сварных соединений и многих других деталей и конструкций определяет сопротивление усталости. Для оценки характеристик сопротивления усталости натурных деталей проводят их усталостные испытания, чтобы определить предел выносливости детали s-1. Значение обычно в 2-6 раз меньше s-1 определенного на образцах.
Концентрации напряжений возникают у галтели при переходе от одного сечения вала к другому, галтелей основания зуба шестерни, у дна канавки резьбы, шпоночного паза, около отверстий в деталях, у дна выточек и др. Поэтому большое значение для сопротивления усталости имеет оптимизация форм изделия с целью снижения концентрации напряжения. Для снижения концентраций напряжения необходимо предавать деталям плавные очертания, скруглять внутренние углы, применять разгрузочные канавки (отверстия), размещать источники концентрации напряжения в зонах малых номинальных напряжений или смещать максимум местных напряжений от различных источников.
Предел выносливости возрастает с увеличением sв и s0,2 , однако, у высокопрочных сталей, обладающих высокой чувствительностью к концентраторам напряжений, предел выносливости может быть пониженным. Снижается и вязкость разрушения К1С, а следовательно, и сопротивление росту усталостной трещины (живучесть). Это нужно учитывать, когда из соображения снижения массы конструкции выбирают сталь с высоким s0,2.
Компромиссное решение в данном случае заключается в том, чтобы при проектировании среди конкурирующих сталей выбрать сталь с наиболее низким s0,2 Это ведет к некоторому увеличению массы конструкции, но повышает предел выносливости, живучесть и сопротивление хрупкому разрушению. Возможно и применение более дорогих сталей, например мартенситно-стареющих или прошедших ТМО.
Наличие на поверхности напряжений сжатия затрудняет образование усталостных трещин, приводит к повышению предела выносливости и живучести. Для повышения предела выносливости и уменьшения влияния концентратора напряжения широко применяют закалку с индукционным нагревом, химико-термическую обработку, пластическую поверхностную деформацию и другие технологические процессы, упрочняющие поверхность и создающие на поверхности остаточные напряжения сжатия.
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, созданием устройств для очистки воздуха и смазочного масла и др.), применением износостойких материалов, упрочнением поверхностной закалкой, химико-термической обработкой, наплавкой износостойкими сплавами, нанесением на поверхность тонкого слоя нитридов или карбидов и др.
Такие детали, как подшипники качения, зубья колес, железнодорожные колеса и многие другие подвержены усталостному изнашиванию (контактной усталости). Контактная усталость тем выше, чем больше твердость. Отношение предела контактной выносливости sк-1 при числе циклов нагружения N = 107 к твердости HRC поверхности является постоянной величиной.
sк-1 = K×HRC
где К - коэффициент, зависящий от твердости и вида термической обработки.
Например, ГОСТ 21354-87 для цементованных (нитроцементованных) сталей с твердостью 58-62 HRC принимает предел контактной выносливости равный 23 HRC. Однако опыт показывает, что при наличии дефектов диффузионного слоя (трооститной сетки, темной составляющей и др.) допустимые напряжения следует снизить на 20-25%.
Повышение предела контактной выносливости достигается упрочнением поверхности, повышением предела прочности материала, снижением нагрузки в зоне контакта, улучшением чистоты поверхности, а также повышением вязкости масла.
Перспективным, но еще недостаточно изученным методом повышения сопротивления износу является избирательный перенос при движении сочлененных деталей машин. При избирательном переносе в зоне контакта образуется тонкая металлическая пленка, обладающая свойствами:
1) многократной деформации без разрушения;
2) регенерации массы, так как частицы износа вновь схватываются с изнашиваемой поверхностью;
3) неокисляемости.
Такая пленка обычно образуется на основе меди при трении стали по бронзе в восстановительных смазках (глицерин, спиртоглицериновые смеси, консистентные смазки типа ЦИАТИМ-201). В этом случае можно говорить о безизносных или малоизносных парах трения.
Для тяжелых нагруженных пар трения ("сталь по стали", "сталь по чугуну") "возбуждение" избирательного переноса достигается металлоплакированием при использовании смазочных материалов, содержащих порошки мягких металлов (Сu, Pb. Sn и др.) или нанесением медных (латунных, бронзовых) покрытий на поверхности пары трения.
Узлы трения являются самыми массовыми и наиболее повреждаемыми, поэтому повышение долговечности этих узлов не только увеличит долговечность машин, но и высвободит значительные сварные и прочие ресурсы.
В табл. 1 приведены примеры различных видов отказов (внезапных, постепенных, конструктивных, эксплуатационных) некоторых деталей машин и конструкций и пути их устранения.
Таблица 1
Виды и причины разрушения стальных деталей машин в процессе эксплуатации
| Виды разрушения металла | Примеры деталей склонных к данному разрушению | Причина разрушения | Пути предупреждения дефекта |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Деформация: искажение геометрической формы детали (изгиб, удлинение, вмятины и т.д.) ползучесть | Напряженные болты тяги, рычаги, штанги, подшипники скольжения, поверхности катания бандажей, рельсов и др. Лопатки, диски паровых и газовых турбин, трубы паропроводов, крепежные детали и др. | Длительное действие переменных контактных, растягивающих или сжимающих напряжений, повышение температуры Напряжение выше предела ползучести при данной температуре и продолжительности работы | Использование материалов с высокими значениями sт и HRC Снижение температуры (нагрузки) Применение более жаропрочной стали |
| Разрушение: вязкое хрупкое | Несущие элементы мостовых ферм и др. пространственных конструкций, анкерные болты, валы, шатуны и др. Детали строительных и дорожных машин, кранов, судов, сварных конструкций и др. | Значительные перегрузки вследствие нарушения условий эксплуатации Эксплуатация при низких температурах, наличие исходных дефектов (трещин), высокий порог хладноломкости стали, наличие концентраторов напряжений, статистическая динамическая нагрузки | Соблюдение правил эксплуатации Применение сталей с низким порогом хладноломкости и высоким КСТ и К1С , устранение концентраторов напряжений, соблюдение правил эксплуатации |
| усталостное | Валы, коленчатые валы, листовые рессоры, пружины, зубчатые колеса, шатуны и др. | Циклические напряжения, наличие концентраторов напряжений, работа в коррозионной среде, наличие на поверхности растягивающих напряжений | Улучшение конструкции детали; повышение качества поверхности ХТО, закалкой, ППД; замена стали |
| Изнашивание: абразивное эрозия При схватывании 1-го рода | Рабочие органы экскаваторов, бульдозеров, гусеницы трактора, открытые зубчатые передачи, детали сх/машин и др. Деталей гидронасосов, трубопроводы, плунжерные пары, сопла и лопатки реактивных двигателей, обшивки космический кораблей и т.д. Подшипники скольжения, зубчатые колеса и др. детали | Взаимодействие трущихся поверхностей с абразивными частицами Воздействие потоков газов, жидкости, твердых частиц (в жидкостных или газовых потоках), космический потоков, раскаленных газов на поверхность изделия. Интенсивная деформация, разрушение защитных пленок оксидов, отсутствие разделяющего слоя смазочного материала (выдавливание масляной пленки). | Наплавка износостойкими порошковыми сплавами: ПР-Н77Х18С3Р2 ПР-Н70Х17С4Р4 ПР-Н80Х13С2Р и др. Замена стали Повышение твердости стали, подбор материалов, не склонных к схватыванию, создание на поверхности неметаллических пленок, применение смазочных материалов с противозадирными присадками. |
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Изнашивание: при схватывании II-го рода | Детали поршневой группы, втулки, направляющие и др. | Недопустимое повышение температуры на поверхности трения, размягчение, деформация поверхностных слоев, контактирование ювенильных поверхностей | Применение теплостойких материалов, добавление противозадирных присадок к смазочным материалам, охлаждение узлов трения, специальные покрытия |
| Окислительное При фреттинг-коррозии усталостное | Подшипники скольжения, валы, оси, направляющие, кулисы, поршневые кольца , втулки и др. детали работающие в условиях нормального износа Болтовые и заклепочные соединения, посадочные поверхности подшипников качения, листовые рессоры, шестерни, муфты, детали, находящиеся в подвижном контакте Зубчатые передачи, подшипники качения, рельсы, бандажи и др. | Длительное трение сопряженных поверхностей Непрерывное разрушение оксидной пленки в точках подвижного контакта Пониженная контактная прочность материала, высокие контактные напряжениея | Упрочнение поверхности, применением смазочного материала с износостойкими присадками, оптимизация приработки защита от абразива, оптимизация температурного режима Увеличение жесткости соединения в площади контакта, использование материалов с высокой адгезией оксидных пленок, упрочнение улучшением, цементацией (нитроцементацией), азотированием, цианированием Упрочнение поверхности ХТО, закалкой, повышение чистоты поверхности, уменьшение контактных напряжений, применение соответствующего смазочного материала |
1.1.2. 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°С (легированные стали), отжигу, изотермическому или высокому отпуску на твердость 156-220 НВ.
1.1.3. Экономические требования
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. Стоимость этих сталей невысока. 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 оправдано 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.
Для проведения упрочняющей обработки на каждую деталь составляется технологическая карта с указанием марки стали, режима термической обработки, применяемого оборудования, приспособления, контроля качества и т.д.
Обычно рассматривается возможность применения нескольких марок стали и способов упрочнения. Это позволяет выбрать наиболее рациональный вариант, обеспечивающий наряду с высокими эксплуатационными свойствами детали хорошую технологичность при выполнении механической и термической обработки.
Для выбора и проектирования наиболее экономичных вариантов термической и химико-термической обработки в настоящее время широко используется компьютерное моделирование.
Лекция 4.
Примеры термической и химико-термической обработки
Деталей машин
В зависимости от условий работы деталей машин их упрочнение достигается закалкой и отпуском, поверхностной закалкой или химико-термической обработкой, чаще цементацией и нитроцементацией с последующей закалкой и низким отпуском, реже азотированием.
Объемная закалка и отпуск
Объемную закалку с последующим низким или высоким отпуском для получения требуемых механических свойств широко применяют в машиностроении. Например, в машиностроении 35-40% упрочняемых деталей подвергается объемной закалке и отпуску.
Получить высокую прочность у обычных машиностроительных сталей (до 0,5-0,6%С) можно путем объемной закалки и низкого отпуска. Однако повышение прочности (sв, sт) сопровождается уменьшением сопротивления хрупкому разрушению, о чем свидетельствует понижение KCU, КСТ, К1С и порога хладноломкости. Чем выше содержание в стали углерода, тем ниже вязкость разрушения К1С сталей со структурой отпущенного мартенсита.
Низкому отпуску (180-220оС) подвергают детали машин (табл.3), требующих по условиям работы высокой твердости (58-62 HRC), сопротивления износу и контактным нагрузкам в условиях статического или циклического их действия. В этом случае для изготовления деталей машин используют высокоуглеродистые легированные стали.
Таблица3
Типовые детали машин, упрочняемые объемной закалкой и низким отпуском
| ДЕТАЛИ | Рекомендуемая сталь | Твердость HRC | |
| Условия работы | Наименование | ||
| 1 | 2 | 3 | 4 |
| Высокое сопротивление износу и контактным напряжениям. Стабильность формы и размеров при эксплуатации (температура отпуска 150-175оС) | Детали подшипников: накладные направляющие качения металлорежущих станков и др. оборудования; ролики толкателей, ходовые винты пар качения металлорежущих станков и др. | ШХ15, Х15СГ, ШХ15, 7ХГ2ВМ ХВГ, 7ХГ2ВМ, ШХ15 | 62-66 58-60 58-60 |
| Высокое сопротивление износу при трении скольжения. Стабильность формы и размеров при эксплуатации (температура отпуска 150-180оС) | Детали насосов: статоры, лопасти, клапаны, золотники плунжеры и др. Детали кузнечно-прессового оборудования: детали кулачковых механизмов, кулачковые ролики, копиры, плунжеры, цанги, делительные диски, опоры и др. Детали металлорежущих станков: направляющие втулки, накладные направляющие скольжения, втулки, упоры, кулачки, катки, копиры, червяки делительных пар и др.; винты передачи скольжения | ШХ15, 30Х13, 40Х13. 30Х13Н7С2 У8А, У10А, ХВГ ШХ15, 9ХС ШХ15, ХВГ, 9ХС, ХВСГ ХВГ | 58-60 58-60 58-60 54-58 |
| Повышенное сопротивление износу, статическим, динамическим и циклическим нагрузкам (температура отпуска 180-240оС) | Крепежные детали: болты, шпильки, гайки Детали кузнечно-прессового оборудования: валы, цилиндры, штоки, оси, валики, кулаки, копиры, вилки, направляющие, червячные и кулачковые муфты, эксцентрики и др. шпиндели, гильзы, пиноли, червяки, втулки, толкатели, рейки, валы, оси, вилки, штоки, плунжеры, зубчатые колеса точных кинематических передач и др. | 35, 45, 40Х, 35ХМ, 40ХФА, 30ХГСА, 50ХН 40ХН, 40ХН2МФ, 40ХН2МА 45, 40Х, 50Х, 50ХН, 40ХГТР | 40-50 45-53 40-56 |
Низкому отпуску подвергают и некоторые детали машин из конструкционных сталей, содержащих 0,35-0,45% С и требующих высокой твердости 40-56 HRC (табл.3)
Для изготовления нагруженных болтов, баллонов высокого давления, некоторых деталей шасси самолета нашли применение высокопрочные (sв = 1800-2000 МПа, s0,2 = 1500-1700 МПа, d = 10-12 %, y = 45-50 %) стали 40ХГСНЗВА, 35ХГС, 35Х2АФ, проходящие объемную закалку и отпуск при 200-250°С. Высокопрочные низкоотпущенные стали чувствительны к концентраторам напряжений, водородной хрупкости и анизотропии механических свойств. Для низкоотпущенных конструкционных сталей большое значение имеет чистота стали по неметаллическим включениям, газам и вредным примесям. Чем чище сталь, тем выше предел выносливости s-1 и пластичность стали.
Низкому отпуску подвергают и низкоуглеродистые цементуемые (нитроцементуемые) стали, которые обеспечивают высокую конструкционную прочность, особенно если они мелкозернистые.
Объемной закалке с последующим отпуском при 420-500оС подвергают упругие элементы машин (табл.4), изготовляемые из сталей 60, 60Г, 55С2, 65С2ВА, 50ХГФА и др. (ГОСТ 14959-79). Максимальные упругие свойства достигаются при сквозной прокаливаемости, поэтому марки стали подбирают по прокаливаемости.
Таблица 4
Стали и термическая обработка упругих элементов машин (типовые детали)
| Детали | Рекомендуемая сталь | Требуемая твердость HRC |
| Пружинные шайбы, скобы, зажимы, тарельчатые пружины, стопорные кольца и др. | 50, 55, 65, 65Г, 50С2 | 40-50 |
| Пружины буксирных устройств, насосов карбюраторов, кузовов, прицепов, клапанов и др. | 60, 65Г, 70Г, 55С2 | 38-48 |
| Ответственные пружины на транспортных машинах (пружины сцепления, демпферов, рулевых тяг), навиваемые в холодном состоянии. | 60С2ВА, 50ГФА | 42-58 |
| Рессорные листы легковых автомобилей, реактивные штанги | 50ГФА(толщина полосы до 9мм) | 40-46 388-444 НВ |
| Рессорные листы грузовых автомобилей. | 50С2, 60С2, 60ХГС (толщина листа 6-18мм). 50ХГА (толщина листа 6мм) | 38-46 363-444 НВ |
Критический диаметр прокаливаемости для стали 50С2 составляет 12-16мм, а для стали 60С2, 60С2ХА и 60С2ФА при закалке в масле соответственно - 20, 45 и 80мм.
Подавляющее число деталей машин из среднеуглеродистых (0,3-0,5%С) конструкционных сталей подвергается закалке и высокому отпуску при 550-650 оС, который обеспечивает хорошую конструкционную прочность - высокие значения работы распространения трещины КСТ и вязкости разрушения К1С при низком пороге хладноломкости (сталь 40ХМФ):
| Температура отпуска, о С | 400 | 520 | 600 | 620 | 650 |
| sв, МПа | 1550 | 1300 | 1200 | 1150 | 1000 |
| t50, oС | 60 | -40 | -60 | -70 | -90 |
После улучшения стали обладают высокой живучестью (низкой скоростью роста трещины усталости) несмотря на ранее по времени образование трещины усталости.
После закалки и высокого отпуска предел выносливости повышается на 30-40%, долговечность - от 2 до 5 раз, предел контактной выносливости - на 20-50%, сопротивление фреттинг-коррозии - в 2-5 раз, и значительно возрастает вязкость разрушения K1C. Однако после улучшения сталь чувствительна к концентраторам напряжений.
В табл.5 приведены типовые детали машин, упрочняемые закалкой и высоким отпуском, а также рекомендуемые стали. Для улучшаемых деталей твердость и прочность колеблются в широких пределах в зависимости от температуры отпуска и состава стали (207-350 НВ и sв = 700-1400МПа).
Таблица 5
Типовые детали машин, упрочняемые объемной закалкой и высоким отпуском
| Детали | Рекомендуемая сталь | Твердость НВ |
| 1 | 2 | 3 |
| Разные крепежные детали: пробки, гайки, упоры, болты, винты, штифты, втулки, вилки, крюки, стяжки и др. | 35, 45 | 207-242 240-320 267-313 320-344 |
| Валы карданные, шатуны, цапфы, фланцы, тяги, ступицы и др. | 45.40Х | 207-241 255-302 |
| Оси. валы, шестерни, плунжеры, штоки, диски паровых турбин, валы и роторы паровых турбин, выла, шестерни, работающие при малых скоростях и давлениях, оси, болты, шатуны в тяжелом машиностроении | 45Х | 223-262 212-248 197-235 174-217 |
| Оси, валики водяного насоса, шестерни распределительные, полумуфты, кулачки поворотные, сошки, валы, тяги поперечные, шатуны, ступицы и др. детали автомобиля | 45, 35Х, 45Х, 40ХН, 40ХН2МА, 20ХГТР | 241-286 |
| Нагруженные валы, штоки, рейки, шлицевые и гладкие валы, установочные винты металлорежущих станков | 40Х, 50Х, 40ХФА | 212-293 |
| Разного рода валы в кузнечно-прессовом оборудовании, штоки, поршни и др. | 40ХН, 40Х, 50ХН, 40ХН2, 40ХН2МА, 40ХГТР | 230-350 |
| Валы, роторы и диски паровых турбин и компрессорных машин, валы экскаваторов, зубчатые колеса, оси, болты и др. особо ответственные тяжелонагруженные детали. | 38ХНЗМФА, 36Х2Н2МФА, 34ХН1М, 34ХНЗМ | 293-331 277-321 277-321 293-331 |
| Сечение поковок до 800мм. Твердость тем ниже, чем больше сечение | ||
Стали с различным содержанием углерода и легирующих элементов после одинакового режима обработки отличаются друг от друга по механическим свойствам. Однако, если различные стали обработать на одинаковую прочность sв (твердость НВ), значения s0.2 , d, y и KCU оказываются близкими (рис.5, табл.5). Это положение справедливо для вязкого разрушения.
Если после улучшения sв < 1200-1300 МПа, предел текучести может быть использован для расчетов деталей машин без опасения возникновения хрупкого разрушения. При sв > 1500 не удается получить полностью вязкое разрушение и расчеты следует вести по КСТ и К1С.
Как было указано ранее, оптимальное сочетание прочности и пластичности после улучшения достигается, если сечение изделия соответствует критическому диаметру (95% мартенсита) для данной стали.
Механические свойства стали в первую очередь определяются содержанием в ней углерода, от которого зависит и закаливаемость стали. Прокаливаемость определяется присутствием легирующих элементов.
Таблица 6
Механические свойства улучшенных сталей в зависимости
от временного сопротивления (А.П.Гуляев)
| sв | s0,2 | d | y |
| МПа | % | ||
| 700 | 500-600 | 20-30 | 65-75 |
| 900 | 700-800 | 18-22 | 62-73 |
| 1100 | 900-1000 | 15-18 | 55-62 |
| 1200 | 950-1100 | 13-16 | 50-57 |
| 1400 | 1050-1300 | 11-15 | 48-55 |
В условиях полной прокаливаемости механические свойства мало зависят от природы и степени легированности. Исключение составляют никель и молибден, повышающие сопротивление хрупкому разрушению. Однако не следует стремиться к применению сталей с излишне высокой прокаливаемостью, поскольку необходимое для этого высокое содержание легирующих элементов способствует росту склонности к хрупкому разрушению и ухудшает технологические свойства.
Глубокопрокаливающие легированные стали применяют для крупных деталей с большой толщиной стенки или большим диаметром. Если изделия работают на изгиб (кручение), напряжения по сечению распределяются неравномерно: на поверхности они максимальны, а в середине или центре равны нулю. Для такого рода изделий сквозная прокаливаемость не нужна. Например, сквозная прокаливаемость деталей станков необходима лишь в отдельных случаях.
Для надежного обеспечения ответственных деталей, работающих при эксплуатации в основном на изгиб и кручение, закаленный слой со структурой 95% мартенсита должен располагаться на глубине не менее 1/2 радиуса от поверхности.
Для деталей, работающих на растяжение (шатуны, торсионные валы, ответственные болты и др.), а также для рессор и пружин нужно обеспечить полную прокаливаемость по всему сечению (95% мартенсита в центре заготовки), т.е. равнопрочность по сечению.
Для большинства ответственных деталей машин из улучшаемых сталей твердость после закалки на расстоянии 1/2 радиуса от поверхности должна быть не менее 45 HRC. Для изделий, работающих на растяжение, оптимальная твердость должна быть в сердцевине. Детали сложной конфигурации для уменьшения их деформации в процессе закалки также следует изготовлять из легированных сталей, закаливаемых в масле или даже на воздухе.
При выборе стали следует учитывать, что легирующие элементы повышают устойчивость аустенита против отпуска, поэтому для получения требуемой прочности и твердости легированные стали при улучшении подвергают отпуску при более высокой температуре. Это позволяет не только более полно снять закалочные напряжения, но и получить в стали лучшее сочетание прочности и вязкости.
На рис.7 приведена схема отжига и антифлокенной предварительной термической обработки крупных поковок из среднелегированных (2ОХН, 40ХН, 40ХНМ и др.)и высоколегированных (34ХНЗМ, 38ХНЗМА, 18Х2Н4МА и др.) сталей, склонных к образованию флокенов. Продолжительность отжига поковок в зависимости от марки стали (флокеночувствительности) и размеров поковок составляет 200-1000ч.
Дата: 2019-02-19, просмотров: 248.