Задачи по выбору сталей и режимов термической обработки в зависимости от условий работы деталей и конструкций.

1. Завод изготавливает коленчатые валы диаметром 35 мм: сталь в готовом изделии должна иметь предел текучести не ниже 290 Мпа и ударную вязкость не ниже 50 Мпа. Кроме того, вал должен обладать повышенной износостойкостью не по всей поверхности, а только в шейках, т.е. в участках сопряженных и работающих на истирание.
Подберите марку стали, рекомендуйте термический режим обработки всего вала для получения заданных свойств и режим последующей термической обработки, повышавшей твердостью только в отдельных участках поверхности вала.
Привести структуру и твердость стали в поверхностном слое шейки вала и механические свойства в остальных участках.

2. Стаканы цилиндров мощных двигателей внутреннего сгорания должны обладать высоким сопротивлением износу на поверхности. Для повышения износостойкости применяют азотирование.
Подберите сталь, пригодную для азотирования, приведите химический состав. Рекомендуйте режим термической обработки и режим азотирования. Укажите твёрдость поверхностного слоя и механические свойства низлежащих слоёв в готовом изделии.

3. Станкостроительный завод изготавливает шпиндели токарных станков. Шпиндели работают с большой скоростью в условиях повышенного износа: поэтому твёрдость в поверхностном слое должна быть HPC 58-62.
Подберите сталь для изготовления шпинделя, рекомендуйте режим термообработки, обеспечивающий получение заданной твёрдости поверхностном слое. Укажите структуру стали в поверхностных слоях и сердцевине шпинделя, механические свойства сердцевины после окончательной термической обработки.

4. Червяк редуктора диаметром 35 мм можно изготовить из цементуемой и нецементируемой углеродистой качественной стали. Предел прочности в сердцевине детали должен быть 580-686 МПа².
Выберите марку цементуемой и нецементуемой стали. Обоснуйте, в каких случаях целесообразно применять цементуемую и в каких случаях – нецементуемую сталь.
Укажите химический состав, рекомендуйте режим химико-термической и термической обработки и сопоставьте механические свойства стали обоих типов в готовом изделии.

5. Палец шарнира диаметром 30 мм работает на изгиб и на срез и должен обладать высокой износостойкостью на поверхности и высокой вязкостью в сердцевине.
Подберите углеродистую сталь, укажите ее состав и марку, рекомендуйте режим химико-термической и термической обработки, укажите структуру механические свойства в сердцевине и твёрдость на поверхности после окончательной обработки. Укажите желаемую толщину твёрдого поверхностного слоя.

6. Выберите марку стали для изготовления топоров. Лезвие топора не должно сминаться и выкрашиваться в процессе работы; поэтому оно должно иметь твёрдость в пределах HRC 50-55 на высоте не более 30-40 мм; остальная часть топора не подвергается закалке и имеет более низкую твёрдость.
Укажите химический состав стали, режим термической обработки, обеспечивающий указанную твёрдость, а также способ закалки, позволяющий получить эту твёрдость, а также способ закалки, позволяющий получить эту твёрдость только на лезвие топора.

7. Выберите марку стали для изготовления продольных пил по дереву и укажите режим термической обработки, микроструктуру и твёрдость готовой пилы.
Режимы термической обработки выберите таким образом, чтобы предупредить деформацию пилы при закалке и отпуске, а также обеспечить получение стали высоких упругих свойств после отпуска (пила должна «пружинить»).

8. Автосцепки вагонов на железнодорожном транспорте изготавливаются литыми. Для повышения механических свойств отливки подвергают термической обработке.
Выберите марку стали и обоснуйте термическую обработку, если предел прочности должен быть не ниже 343 Мпа.
Укажите структуру и механические свойства стали после литья и после термической обработки.

9. Завод изготавливает зубчатые колёса диаметром 60 мм и высотой 80 мм. Предел текучести должен быть не ниже 530-540 Мпа.
Выберите сталь для изготовления зубчатых колёс и приведите состав и марку, учитывая технологические особенности термической обработки и необходимость предотвратить деформацию и образование трещин при закалке.
Рекомендуйте режим термический обработки и укажите механические свойства в готовом состоянии.

10. Многие измерительные приборы инструменты плоской формы (шаблоны, линейки, штангенциркули) изготавливаются на листовой стали; они должны обладать высокой износостойкостью в рабочих кромках. Приведите режимы обработки, обеспечивающие получение этих свойств, если инструменты изготавливаются большими партиями из сталей 15 и 20.

Пример:

Задача. Завод имеет сталь двух марок: 15 и 20ХН3А, из которых можно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками.

Какие из сталей следует применить для изготовления вала, если сталь должна иметь предел текучести не ниже 740 Мпа?

Решение задачи.

Химический состав стали, %

Сталь 45 согласно ГОСТу в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твёрдость не более НВ 207. При твёрдости НВ 190-200 сталь имеет предел прочности σ_в, не выше 588-60 МПа. Предел текучести стали 45 не превышает 265-314 МПа.

Сталь 20ХНЗЛ согласно ГОСТу в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более НВ 250. Предел прочности не превышает 735 МПа и может быть не ниже 588 МПа для плавок с более низкой твёрдостью. Предел текучести стали не превышает 343-392 МПа.

Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Для такого отечественного изделия, как вал двигателя, поломки которого нарушают работу машины, необходимо применить сталь качественную.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХНЗА – к классу высококачественной легированной стали. Они содержат соответственно 0,42-0,5 и 0,17-0,23% С и принимают закалку. Для повышения прочности можно принимать нормализацию или закалку с высоким отпуском.

Т.к. вал двигателя воспринимает в работе динамические нагрузки, а также вибрацию, более целесообразно применить закалку и отпуск.

После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита. Однако вследствие небольшой прокаливаемой углеродистой стали эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком слое толщиной 2-4 мм. Последующий отпуск вызовет превращение мартенсита и троостита в сорбит только в поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделия. Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.

Небольшое напряжение от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают нагруженные слои. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимают вал, участвуют не только поверхностные, но и низлежащие слои металла.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки однородную структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

Таким образом свойствами, которые обеспечат требования для изготовления вала диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками, обладает сталь 20НХЗА, которую необходимо применить для изготовления валов с соответствующей термодинамической (закалка с 820-835°С в масле и отпуск 520-530°С в масле).

Контрольные вопросы:

1. Дать определение, что такое Т.О?

2. Что такое критические точки? Как они обозначаются и что определяют?

3. Что такое критическая скорость закалки?

4. Какую структуру имеет мартенсит и какова его твёрдость по Бриннелю?

5. Виды термической обработки.

6. Чем отличается отжиг 1-ого рода от отжига 2-ого рода?

7. Что такое температура рекристаллизации?

8. Виды отжига 2-ого рода. Назовите их и дайте краткую характеристику каждого.

9. Виды закалки. Перечислить их и дать краткую характеристику каждого вида закалки.

10. Назвать основные параметры закалки.

11. Дать определение что такое отпуск? Назвать виды отпуска, от чего они зависят?

12. Назвать структуры отпуска.

13. Дать определение, что такое Х.Т.О?

14. Какие процессы протекают при Х.Т.О?

15. Рассказать о процессе цементации.

16. Какие свойства металла улучшаются после цементации?

17. Рассказать о процессе азотирования.

18. Рассказать о процессах цианирования и нитроцементации.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: