Выбор конструкционных материалов

Охлаждение проводят в воде или в водных растворах NaCl (8—15%), NaOH (10—15%). Охлаждение в водных растворах солей или щелочей дает более удовлетворительные результаты по сравнению с охлаждением в воде: уменьшается возможность образования «мягких пятен», повышается прочность, увеличивается толщина закаленного слоя и обеспечивается его более однородная структура и твердость. При быстром охлаждении в воде или в водных растворах появляются внутренние напряжения, которые могут вызвать образование трещин. Поэтому инструмент из углеродистой стали рекомендуется охлаждать в воде или в водных растворах не полностью, а до потемнения поверхности (до 200—250°С), а затем переносить в масло для полного охлаждения.

После закалки в водных растворах солей или щелочей инструмент необходимо, во избежание коррозии, немедленно промывать в горячей воде (60— 80° С), затем просушивать в струе сжатого воздуха.

Структура стали до закалки С(Ф+Ц) при нагреве стали переход через критическую точку А_с1 сопровождается резким уменьшением зерна. При дальнейшем нагреве зерно аустенита в мелкозернистой стали не растет, т.к. сталь наследственно мелкозернистая. Структура при нагреве А+Ц, после непродолжительной выдержки переносим в закалочную среду.

Наложим на диаграмму изотермического распада аустенита кривые охлаждения (рис. 4).

Рисунок 4 - Кривые охлаждения

5. Классификация защитных полимерных покрытий по назначению. Основные требования, предъявляемые к ним, и область их применения в машиностроении.

Полимерное покрытие - это вид промышленного покрытия, предназначенный, прежде всего для защиты изделий, но при этом, при правильном подходе, способный обеспечить декоративный эффект. Есть множество сфер применения защитных полимерных покрытий, и в каждой сфере применения используют свое полимерное покрытие. Основное назначение полимерных покрытий - это защита от коррозии металлов и бетона. Также некоторые полимерные покрытия могут обеспечить защиту от огня. Толщина полимерных покрытий колеблется от 0,175 до 8 миллиметров. По толщине полимерные покрытия различаются на тонкослойные, самонивелирующиеся и высоконаполненные. Полимерное покрытие металлов толщиной совсем невелико. Окраска производится с помощью специального оборудования. Принцип нанесения полимерной краски состоит в том, что порошок присоединяется к металлу с помощью статического магнетизма. На следующем этапе происходит обжиг при температуре 180 - 190 градусов Цельсия, порошок плавится, равномерно растекаясь, и на выходе мы получаем готовый окрашенный металл.

По назначению защитные полимерные покрытия могут быть:

- изолирующие;

- локализирующие;

- дезактивирующие;

- аккумулирующие.

5.1.6.9 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Условие:

Выбрать марку стали для червяка редуктора диаметром d = 80мм с пределом прочности σ_в=900МПа и ударной вязкостью не ниже KCU=0,6 МДж/м² по всему сечению.

Указать:

а) полный химический состав выбранной стали;

б) механические свойства и микроструктуру стали в состоянии поставки и вид термической обработки, применяемой на заводе-изготовителе.

Рекомендовать режим термической обработки, обеспечивающий заданные свойства и показать микроструктуру и механические свойства стали в готовом изделии.

Решение:

Для изготовления используем сталь 40 - сталь конструкционная углеродистая качественная.

Таблица 1 - Химический состав стали, %

Марка стали	С	Мn	Si	Сr	Ni	S	Р	Cu
40	0,37-0,45	0,35-0,65	0,17-0,37	<0,25	<0,3	<0,04	<0,035	<0,3

Механические свойства стали в состоянии поставки: σ_В = 680 МПа; σ_Т = 390 МПа. Термообработка на заводе-изготовителе - нормализация.

Термообработка заключается в закалке и последующем высоком отпуске.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки Ас3 для стали 40 составляет 790°С, а Ас1 равна 730°С. Структура доэвтектоидной стали при нагреве её до критической точки Ас1 состоит из зерен перлита и феррита. В точке Ас1 происходит превращение перлита в мелкозернистый аустенит. При дальнейшем нагреве от точки Ас1 до Ас3 избыточный феррит растворяется в аустените и при достижении Ас3 (линия GS) превращения заканчиваются.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 820-840°С. Структура стали 40 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит. После закалки сталь имеет высокую твердость.

Высокий отпуск проводится при температуре 580-600˚С. В результате получаем структуру – сорбит отпуска. Высокий отпуск создает наилучшее соотношение прочности и вязкости.

Закалка с высоким отпуском (по сравнению с нормализацией или отжигом) повышает временное сопротивление, предел текучести, относительное сужение и особенно ударную вязкость. Высокие отпуск почти полностью снимает остаточные напряжения, возникшие при закалке.

Свойства стали 40 после улучшения: σ_В = 950 МПа;  σ_Т= 650 МПа;  δ= 13%;  Ψ= 55%; KCU = 1,0 МДж/м2; НВ = 255.

5.2.17 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СТАЛЕЙ

Выбрать марку стали штампов для холодной чеканки латуни и однофазных алюминиевых бронз. Указать термическую обработку, структуру стали, обеспечивающую в готовом штампе сочетание высокой твердости и высокого сопротивления пластической деформации с удовлетворительной вязкостью для предупреждения преждевременного смятия рабочей фигуры штампа. Объяснить причины, по которым для этого назначения малопригодны стали с высоким содержанием углерода (1 %)

Инструментальными называются углеродистые и легированные стали высокой твёрдости ( примерно 60-65 HRc ) в режущей кромке , значительно повышающей твёрдость обрабатываемого материла , а так же высокой прочностью при некоторой вязкости для предупреждения поломки инструмента в процессе работы и износостойкостью , необходимой для сохранения размеров и формы режущей кромки при резании . Именно благодаря этим свойствам , стали этого класса используются при изготовления различного инструмента

Выбираем сталь У10

Предложенная для изготовления штампов сталь У10 относится к углеродистым сталям небольшой прокаливаемости. Углеродистые инструментальные стали этого класса имеют небольшую прокаливаемость вследствие неустойчивости переохлаждённого аустенита. Эти стали применяют для изготовления штампов высадочных и вытяжных, метчиков для резания мягких материалов.

Углеродистые стали можно использовать в качестве режущего инструмента , только тогда , когда процесс резанья происходит при малых скоростях . Это обусловлено тем , что их высокая твёрдость сильно снижается при нагреве выше температуры 190-200°С .

Углеродистые стали в исходном состоянии имеют структуру зернистого перлита, при этом твёрдость их не превышает 170-180 НВ . В этом состоянии углеродистые стали легко обрабатываются резанием . Температура закалки углеродистой стали должна быть чуть выше точки Ас1 - 760-780°С , но ниже , чем Аст для того , чтобы в результате закалки получить мартенситную структуру и сохранить мелкозернистую нерастворённую структуру вторичного цементита¹ .

По данным Лахтина Ю. М. “Металловедение” , мелкий инструмент , такой , например , каким являются метчики и плашки , из стали У10 закаливают в воде или в водных растворах солей , а охлаждают в горячих средах , то есть применяется ступенчатая закалка .

Отпуск проводят при 150-170°С для сохранения высокой твёрдости ( 62-63 HRС).

Таблица 2 -  Значения закалки , нагрева и отпуска для изделий из стали У10 : (нагрев- 760-780°С)

Твёрд. в исх. сост.	Закалка ,°С	Охл. Среда	Отпуск , °С	Получ. твёрд .
170-180 НВ	160-170	KOH+NaOH+H2O(4%)	150-170	62-63 HRc

 

Таблица 3 - Твёрдость изделия до и после закалки . Структуры стали

Величина	До термообработ.	После термообраб.
Твёрдость	170-180 НВ	62-63 HRС
Структура	зернистый перлит	мартенсит и карб .

 

5.4.5 ЗАДАЧА ПО ВЫБОРУ ЖАРОПРОЧНЫХНЫХ СТАЛЕЙ 

Выбрать сплав для лопаток сверхмощных реактивных турбин с рабочей температурой 1000... 1500 °С, хорошо поддающийся пластической деформации, с ограниченным сроком работы (100 час). Выбранный сплав должен обладать высокими характеристиками кратковременной прочности при указанных температурах. Указать состав сплава, механические свойства, а также привести метод защиты указанного сплава от окисления.

По данным характеристикам выбираем  сплав жаропрочный ХН62МВКЮ.

Таблица 4 -Химический состав стали, %

Марка стали

С

Мn

Si

Сr

Ni

S

Р

Fe

Mo

Al

W

Co

ХН62МВКЮ

<0,1

<0,3

<0,6

8,5-10,5

56,03-70

<0,011

<0,015

<4

9-11,5

4,2-4,9

4,3-6

4-6

 

Термическая обработка сплавов состоит из закалки и старения. Закалка производится при температурах 1220-1280°С в течение 3-5 ч. Отливки деталей получают методом точного литья по выплавляемым моделям и закаливают в вакууме. Упрочняющая g¢-фаза выделяется в основном в процессе охлаждения. В процессе старения при температуре 950°С в течение 2 ч происходит дополнительное незначительное выделение частиц g¢-фазы и упрочнение сплавов.

Окончательная структура сплавов состоит из легированного твёрдого раствора на никелевой основе, g¢-фазы и карбидов. Макроструктура сплава содержит поперечных границ зёрен, а сами зёрна обычно ориентированы по длине лопатки в направлении ребра гранецентрированной решётки.

Сплавы обладают высокими механическими свойствами.

Предел кратковременной прочности s_В = 980-1220 МПа, предел текучести s_т=760-860 МПа. 

Для защиты металла от коррозии применяют различные способы. В нашем случае используется легирование. 

Легирование стали повышает ее антикоррозионные свойства. Например, совершенную стойкость к атмосферной коррозии показывают нержавеющие легированные стали, содержащие в большом количестве хром, который, образуя на поверхности оксидные пленки, приводит сталь в пассивное состояние. Существенно повышается (в 1,5...3 раза) коррозионная стойкость строительных сталей при введении в их состав меди (0,2...0,5 %). Повышенной стойкости нержавеющих сталей против коррозии способствуют также их однородность и небольшое содержание вредных примесей.

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Арзамасов Б.Н., Сидорин И.И., Косолапов Г.Ф. и др. Материаловедение: Учебник для вузов.- М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.
2. Конструкционные и электротехнические материалы / В.Н.Бородулин, А.С.Воробьев, С.Я.Попов и др.; Под ред. В.А.Филикова. – М.: Высшая школа, 1990. – 296 с.
3. Марочник сталей и сплавов/ В. Г. Сорокин, А.В. Волоснякова, С.А. Вяткин и др.; Под общ. ред. В. Г. Сорокина, - М,: Машиностроение, 1989. - 640 с.
4. Таранцева К.Р. Выбор конструкционных материалов: Методические указания к контрольным и курсовым работам по дисциплине "Материаловедение" 2-е изд. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. техн. акад., 2006. - 119 с.
5. http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/search/