ДЗ Матвед СМ8 Шевченко (Выбор материала и технологии термической обработки)

\ МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МГТУ им. Н.Э.Баумана»

ФАКУЛЬТЕТ «Специальное машиностроение»

КАФЕДРА «СМ8 Стартовые комплексы»

Домашнее задание по дисциплине «Материаловедение»

Вариант МД-10(в)

на тему «Выбор материала и технологии термической обработки»

Москва 2021 г.

Задание МД-10 (в). Пользуясь «Марочником сталей и сплавов», выбрать марку стали для изготовления оси колеса велосипеда дорожно-шоссейного класса (рис. 1). Производство осей серийное.

При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания (табл. 1): основные размеры осей, твердость поверхности HRC в указанных пределах, предел текучести сердцевины σ_0,2 (не менее), ударная вязкость KCU (не менее).

О босновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку оси, которая обеспечивает ее работоспособность в предлагаемых условиях.

Р ис. 1. Ось колеса велосипеда

Таблица 1. Исходные данные

ЭТАП 1. Определение особенностей работы изделия при эксплуатации, их анализ в соответствии с условиями задания.

Велосипед дорожно-шоссейного типа предназначен для длительных поездок по асфальтированным дорогам. Как известно, асфальт не гарантирует ровную поверхность, и, кроме того, возможны пробоины. В течение всего периода эксплуатации, насколько бы длительной она не была, геометрия велосипеда и отдельных его частей не должна меняться. Следовательно, данный велосипед должен быть не только достаточно стойким к износу, но и обладать значительной ударной вязкостью.

В данном домашнем задании предлагается рассмотреть ось колеса велосипеда.

Ось колеса велосипеда – деталь, на которой вращается ступица колеса, к которой, в свою очередь, крепится все остальное колесо. Следовательно, ось колеса велосипеда предназначена для получения связи между колесом и рамой. Ось колеса велосипеда представляет собой жёстко зафиксированный в дропаутах стержень с резьбой, который не передаёт крутящий момент, но при этом несёт основную нагрузку при движении велосипеда. Данная ось должна быть устойчива как к статическим, так и к динамическим нагрузкам.

Проведенный анализ показывает, что выбираемая сталь должна быть устойчива к изгибу и ударам (следовательно, иметь достаточную вязкость (KCU = 130 Дж/см² (по условию)), которая сможет поглощать вибрации от ударных нагрузок), сохранять свою геометрию в ходе длительной эксплуатации, что говорит о достаточной твердости и прочности поверхности (σ_0,2 = 850 МПа, HRC = 49…52 (по условию)). Сочетание достаточно высоких показателей ударной вязкости, прочности и твердости в сердцевине, как известно, даст тандем закалки (обеспечивает структуру максимальной твердости) и высокого отпуска (понизит твердость до оптимальной, вследствие чего повысит ударную вязкость). Требуемую твердость на поверхности нам сможет обеспечить поверхностная термическая обработка, например закалка ТВЧ и низкий отпуск.

Немаловажным требованием является прокаливаемость - в нашем случае закалка обязательно должна быть сквозной и, кроме того, нас должна устраивать твердость.

Прокаливаемость это расстояние от поверхности до того места, где в структуре наблюдается 50% мартенсита и 50% троостита (полумартенситная зона). Твердость полумартенситной зоны зависит от содержания углерода в стали. Прокаливаемость выражается в мм и зависит от состава стали, а точнее от величины критической скорости закалки. С увеличением содержания углерода и легирующих элементов, критическая скорость закалки уменьшается, и глубина прокаливаемости увеличивается.

Критический диаметр – это максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в конкретной охлаждающей среде.

Хорошо известно, что уровень максимальной твердости, достигаемый в стали при ее упрочняющей обработке (закалке), определяется содержанием в ней углерода. Поэтому вначале следует провести поиск такой концентрации углерода в стали, которая может гарантировать достижение в ней при закалке требуемых уровня твердости HRC = 49…52. А затем для найденного содержания углерода провести поиск уже конкретной марки стали с учетом легирующих компонентов и качества выплавки, которая подойдет по прокаливаемости, а после термической обработки будет гарантировать выполнение всех других условий задания.

Также, исходя из выбранных характеристик, в качестве легирующих компонентов можно рассмотреть такие элементы, как:

• Хром

Повышает прокаливаемость (у углеродистых сталей прокаливаемость до 12 мм, что существенно ограничивает размер деталей, упрочняемых термической обработкой), способствует получению равномерной твердости стали, также помогает сопротивляться коррозии и делает сталь нержавеющей. При этом хром негативно влияет на прочность стали.

• Молибден

Увеличивает прокаливаемость стали, снижает порог хладноломкости, увеличивает статическую, динамическую и усталостную прочность стали, устраняет склонность к внутреннему окислению. Кроме того, молибден снижает склонность к отпускной хрупкости стали, которые содержат никель, молибден усиливает действие хрома в стали, делает состав более равномерным.

• Никель

Введение в хромистые стали никеля, значительно повышает прочность и прокаливаемость, понижает порог хладноломкости, но при всем этом повышает склонность к отпускной хрупкости (данный недостаток, как было сказано ранее, компенсируется введением молибдена)).

ЭТАП 2. Выбор концентрации углерода, гарантирующей достижение требуемого уровня твёрдости при закалке стали.

Требуемый уровень твердости оси велосипедного колеса HRC = 49…52 (по условию) достаточно высокий для сталей, поэтому поиск следует начинать с концентрации углерода 0,3%. С использованием “Марочника сталей и сплавов” [2] необходимо проанализировать углеродистые стали, отличающиеся только концентрацией углерода, и сопоставить максимальную твердость, которую можно получить в них при закалке.

Таблица 2. Твердость углеродистых сталей в зависимости от содержания в них углерода

Из представленных данных можно сделать следующие предварительные выводы:

1. Сталь, предназначенная для изготовления оси колеса, должна содержать не менее 0,3% углерода, что должно гарантировать получение необходимого уровня твердости после упрочняющей термической обработки;

2. С учетом условия задания (производство серийное) сталь может быть легирована недорогими легирующими компонентами, такими, как хром, например;

3. Как уже было сказано ранее, требуется сквозная закалка и обеспечение заданной твердости, т.е. обязательным требованием является хорошая прокаливаемость стали.

4. В соответствии с таблицей рассмотрим для изготовления оси стали следующих классов:

-среднеуглеродистые

-легированные

Таким образом, проведенный на этом этапе анализ показывает, что для изготовления оси колеса велосипеда целесообразно использовать среднеуглеродистую сталь с содержением углерода (0,3 -0,4%) с хорошей прокаливаемостью. С учетом этого вывода на следующем этапе выполнения задания должен быть проведен поиск конкретной марки стали.

ЭТАП 3. Выбор конкретной марки стали, которая по всем параметрам будет соответствовать требованиям задания.

С помощью марочника сталей были проанализированы углеродистые и легированные стали. А также сопоставлены значения ударной вязкости (KCU = 130 Дж/см² (по условию)), прокаливаемости и предела текучести (σ_0,2 = 850 Мпа (по условию)). На основе данного исследования были выбраны несколько марок стали, которые могут быть подходящими для серийного производства осей велосипеда с данными параметрами:

Сталь 35Г, сталь 30ХН3А, сталь 40Х, сталь 30ХГСА.

Заметим, что каждая из этих сталей в теории может обеспечить сквозную закалку, однако есть некоторые нюансы.

Рассмотрим каждую сталь по отдельности:

Сталь 35Г

Прокаливаемость, хотя и позволяет выполнить сквозную закалку, все равно нам не подходит, т.к. твердость в зоне прокаливаемости нашего прутка довольно мала. Кроме того, σ0,2 = 350-400 Мпа - крайне низкая прочность. Она не позволяет использовать данный материал в заданном производстве, так как очевидно, что ось, которая, как было отмечено ранее, несет основную нагрузку при движении велосипеда, ось может просто не выдержать при такой характеристике.

Сталь 40Х, сталь 30ХГСА, сталь 30ХН3А по параметрам наиболее близко подходят к заданным в условии, так что подробнее рассмотрим эти марки стали.

30ХН3А

Таблица 3. Состав стали 30ХН3А

Используется для изготовления различных ответственных деталей: венцы ведомых колес тяговых зубчатых передач электропроводов, шестерни и другие улучшаемые детали. Может применяется при температуре – 80 ºC (толщина стенки не более 100 мм).

ТО – закалка 820 ºC (масло), высокий отпуск 580-600 ºC (воздух)

σ_0,2 = 860 МПа

KCU = 147 Дж/см²

HRC = 48-50

По всем показателям, помимо твердости поверхности, эта сталь нас устраивает, однако, требуемая по условию задания твердость вынудит нас в любом случае применять поверхностную обработку, т.к. даже применяя такую сталь, мы не сможем обеспечить уровень твердости 49-52 HRC. Можно отметить, что при таком высоком уровне механических свойств данная сталь примерно в 2-3 раза дороже других, с менее высокими характеристиками, однако тоже подходящими нам.

Таблица 4. Прокаливаемость стали 30ХН3А

40Х