екомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от 13 февраля 2013 г. № 6.
адания и методические указания к выполнению практических работ по дисциплине «Современные материалы в машиностроении». Екатеринбург, ФГАОУ ВПО «Российский государственный профессионально-педагогический университет», 2013. 48 с.
| Авторы: | д-р техн. наук, проф. | Б.Н. Гузанов |
| канд. техн. наук, доц. | М.Ю. Большакова | |
| старший преподаватель | С.А. Башкова |
В методических указаниях приведены краткие технические сведения и методика выполнения практических занятий. Представлены варианты заданий.
добрены на заседании кафедры материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методики профессионального обучения. Протокол от 17 января 2013 г. № 6.
| Заведующий кафедрой материаловедения, технологии контроля в машиностроении и методики профессионального обучения | Б.Н. Гузанов |
екомендованы к печати методической комиссией Машиностроительного института РГППУ. Протокол от 13 февраля 2013 г. № 6.
| Председатель методической комиссии МаИ | А.В. Песков |
© ФГАОУ ВПО «Российский
государственный профессионально-педагогический университет», 2013
| © Б.Н. Гузанов, М.Ю. Большакова, С.А. Башкова, 2013 |
СОДЕРЖАНИЕ
| Введение……………………………….………………………………………….. 1. Входной контроль…………..………………………………………………… 2. Решение задач по выбору материалов в зависимости от условий работы деталей и конструкций……………………………………………………….. 2.1. Практическое занятие 1. Задачи по выбору материала для конкретных условий эксплуатации и обоснование режимов термической обработки с целью получения заданных структур………………........... 2.2. Практическое занятие 2. Задачи по конструкционным сталям............. 2.3. Практическое занятие 3. Задачи по сталям и сплавам специализированного назначения (специальные стали и сплавы)…………............... 2.4. Практическое занятие 4. Задачи по инструментальным сталям и сплавам…………………………………………………………………… 2.5. Практическое занятие 5. Задачи по цветным сплавам, чугунам и композиционным материалам………………………………………….. Литература……………………………………………………………………….... |
ВВЕДЕНИЕ
Изучение курса «Современные материалы в машиностроении» должно дать студентам не только теоретические знания об основных закономерностях, определяющих строение и свойства материалов в зависимости от составов и методов объемной и поверхностной упрочняющих обработок, но и научить их выбирать и правильно применять современную технику испытания материалов с целью выявления специальных и стандартных физико-химических и механических свойств разнообразных сталей и сплавов современного машиностроения. При этом важным можно считать дальнейшее развитие навыков самостоятельного пользования современной технической и справочной литературой для подбора наиболее перспективного и экономически целесообразного материала применительно к конкретным условиям эксплуатации.
Практические занятия (некоторые из которых носят характер научных исследований) составлены таким образом, чтобы указанные в них задания выполнялись каждым студентом самостоятельно и позволили не только изучить методы исследований и испытаний разнообразных материалов, основные применяемые приборы и машины, но и закрепить теоретический материал, излагаемый на лекциях. Для более глубокого изучения курса практические задания составлены по нарастающей сложности, начиная с входного контроля и заканчивая задачами по выбору материалов и их обработке в зависимости от условий эксплуатации деталей машин и инструментов.
Решение задач должно быть дано достаточно подробно (до 5 стр. текста с необходимыми рисунками, схемами и таблицами), причем представленные решения должны ориентироваться на применение менее дорогих материалов, но обладающих требуемым уровнем свойств. Весьма важен учет технологичности выбранных материалов, что позволит применить при изготовлении конкретного изделия более экономичные технологические процессы.
В методических указаниях приводятся краткие теоретические сведения и примерные решения задач по выбору материалов, которые раскрывают саму методику решения, содержание и требуемый уровень обсуждения.
1. ВХОДНОЙ КОНТРОЛЬ
Входной контроль предназначен для оценки уровня усвоения базовых знаний и умений, необходимых при изучении дисциплины «Современные материалы в машиностроении». Ответы на вопросы должны быть в виде кратких конкретных ответов, раскрывая суть явлений или закономерностей.
ариант 1
1. Что такое металлическое состояние?
2. Что такое самопроизвольная кристаллизация?
3. Диаграмма с неограниченной растворимостью компонентов в твердом и жидком состояниях.
4. Что такое «твердый раствор замещения»?
5. Фазы в системе железо-углерод.
6. Что такое предел упругости (у)? Поясните по диаграмме « – ».
7. Первое превращение в сталях при нагреве ПА или (Fe+Fe3C)Fe(С)
8. Что такое закалка на мартенсит?
9. Расшифровать марки сталей: 5ХНМ; БСт4кп; 00Х18Н10Т.
ариант 2
1. В чем сущность металлического типа связи?
2. Что такое «несамопроизвольная кристаллизация»?
3. Диаграмма с ограниченной растворимостью в твердом состоянии.
4. Что такое «твердый раствор внедрения»?
5. Что такое сталь? Область существования по диаграмме «Fe – C».
6. Что такое предел пропорциональности (пц)? Поясните по диаграмме «-».
7. Механизм образования аустенита при нагреве стали.
8. Полная закалка сталей.
Расшифровать марки сталей: 4Х5МФС; 75; 38ХМЮА.
ариант 3
1. Что такое элементарная ячейка?
2. Что такое модифицирование?
3. Диаграмма с устойчивым химическим соединением.
4. Понятие о твердых растворах.
5. Что такое чугун? Область существования по диаграмме «Fe – C».
6. Что понимают под физическим пределом текучести (т) и условным пределом текучести (0,2)? Поясните по диаграмме « – ».
7. Механизм распада аустенита при охлаждении стали. Виды образующихся структур.
8. Что такое закаливаемость сталей?
9. Расшифровать марки сталей: 08Юкп; 15ХСНД; 4ХВ2С.
ариант 4
1. Что такое полиморфизм металлов?
2. Что такое «система» в термодинамике?
3. Диаграмма с перитектическим превращением.
4. Какие фазы могут быть образованы в металлических сплавах?
5. Что такое феррит? Какие аллотропические формы он имеет.
6. Что такое предел прочности (в)? Поясните по диаграмме « – ».
7. В чем различия между структурами перлитного типа, полученными при охлаждении и нагреве?
8. Отжиг 1-го рода.
9. Расшифровать марки сталей: А40Г; 20ХГСФЛ; ХВГ.
ариант 5
1. Что такое параметр кристаллической решетки?
2. Что такое «фаза» в термодинамике?
3. Диаграмма с полиморфным превращением.
4. Понятие о химических соединениях.
5. Что такое аустенит? Область существования по диаграмме «Fe – C».
6. Что такое сопротивление разрушению (S)? Поясните по диаграмме «–».
7. Что представляет собой структура бейнита?
8. Отжиг 2-го рода.
9. Расшифровать марки сталей: ВСт6сп; 20ХГ2Ц; 9Х2МФ.
ариант 6
1. Что такое плотность упаковки кристаллической решетки?
2. Что такое «компонент» в термодинамике?
3. Диаграмма образования механической смеси компонентов в твердом состоянии.
4. Свойства химических соединений.
5. В какой полиморфной модификации железа углерод растворяется в минимальном количестве?
6. Что такое работа разрушения (А)?
7. Что такое мартенсит?
8. Нормализация.
9. Расшифровать марки сталей: АС12НХ; 12Х25Н16Г7А; Х12Ф1.
ариант 7
1. Что характеризует координационное число при анализе кристаллической решетки?
2. Объясните понятие «степень переохлаждения» при кристаллизации?
3. Что такое диаграмма состояния (фазового равновесия) двойных сплавов?
4. Упорядоченные твердые растворы.
5. В какой полиморфной модификации железа углерод растворяется в наибольшем количестве?
6. Что такое относительное удлинение при деформировании образцов (l)? Что оно характеризует.
7. Что такое критическая скорость закалки?
8. Отпуск сталей.
9. Расшифровать марки сталей: 50; 15Х25Т; Р6М5К5.
ариант 8
1. Что представляет собой решетка гранецентрированного куба (ГЦК)?
2. Какова связь между величиной зерна и степенью переохлаждения раствора?
3. Что такое линия ликвидус? Пояснить на примере любой диаграммы.
4. К какому типу соединений относится Fe3C.
5. Какая структура формируется в результате эвтектического превращения в системе «Fe – C»?
6. Что такое относительное сужение образцов ()? Что оно характеризует?
7. Диаграмма устойчивости переохлажденного аустенита (на примере стали эвтектоидного класса 0,8 %).
8. Старение.
9. Расшифровать марки сталей: АСт3пс; 9ХС; Х27Ю5Т.
ариант 9
1. Что представляет собой решетка объемноцентрированного куба (ОЦК)?
2. Каковы термодинамические условия процесса кристаллизации?
3. Что такое линия солидус? Пояснить на примере любой диаграммы.
4. К какому типу соединений относится Ni3Al?
5. Какая структура формируется в результате эвтектоидного превращения в системе «Fe – C».
6. Что характеризует tg (угол наклона) кривой растяжения в упругой области диаграммы « – ».
7. Диаграмма устойчивости переохлажденного аустенита (на примере доэвтектоидной стали <0,8 % С).
8. Принцип выбора закалочной среды при закалке на мартенсит.
9. Расшифровать марки сталей: У13А; 10Х14АГ15; Р18.
ариант 10
1. Что представляет собой гексагональная плотноупакованная решетка?
2. Что такое «степени свободы» термодинамической системы?
3. Что такое эвтектическое превращение? Пояснить на примере.
4. От чего зависит предельная растворимость компонентов при образовании твердых растворов?
5. В чем различия структур для до- и эвтектоидных сталей?
6. Что такое разрушение материалов? Каким оно бывает и как это влияет на диаграмму растяжения?
7. Диаграмма устойчивости переохлажденного аустенита (на примере заэвтектоидной стали >0,8 % С).
8. Способ определения прокаливаемости сталей.
9. Расшифровать марки сталей: АС40Х; 90ХМФА; Х.
ариант 11
1. Что такое индексы Миллера при определении направлений в кристаллической решетке?
2. Что такое дендритная структура?
3. Что такое эвтектоидное превращение? Пояснить на примере.
4. Как влияет атомный радиус компонентов на величину предельной растворимости при образовании твердых растворов?
5. Что представляет собой структура перлита?
6. Что такое деформация материалов? Какие виды деформации бывают?
7. Как влияют легирующие элементы на устойчивость переохлажденного аустенита? Пояснить на диаграмме.
8. Для чего производят обработку сталей холодом?
9. Расшифровать марки сталей: АСт2кп; 30Х13; 3Х3М3Ф.
ариант 12
1. Что такое индексы Миллера при определении плоскостей в кристаллической решетке?
2. Что такое ликвация?
3. Что такое перитектическое превращение? Пояснить на примере.
4. При образовании каких твердых растворов (внедрения или замещения) предельная растворимость выше и почему?
5. Что представляет собой структура ледебурита?
6. Что такое твердость по Бринеллю? Как она определяется?
7. Как влияет углерод на кинетику мартенситного превращения?
8. Температурный интервал для до- и заэвтектоидных сталей при нагреве под закалку.
9. Расшифровать марки сталей: 50; 15Х12ВНМФ; ХВ4.
ариант 13
1. Что такое «структура» металлического материала?
2. Что такое «зародыш критического размера»? Пояснить на примере.
3. Что такое «правило рычага»? Как им пользоваться?
4. Что такое твердый раствор? Пояснить на примере феррита по диаграмме «Fe – C».
5. Как классифицируются стали по качеству?
6. Что такое твердость по Роквеллу? Как она определяется?
7. Как влияет углерод на полноту мартенситного превращения?
8. Что такое перегрев сталей?
9. Расшифровать марки сталей: А30; 38ХА; 6ХВГ.
ариант 14
1. Аморфные и кристаллические материалы. В чем суть отличий?
2. Что такое поликристаллическая структура? Как она формируется.
3. Взаимосвязь диаграмм состояния и свойств металлических материалов (правило Курнакова).
4. Каков состав химического соединения? Пояснить по диаграмме.
5. Как классифицируются стали по химическому составу?
6. Что такое твердость по Виккерсу? Как она определяется?
7. В чем сущность превращений при отпуске закаленной стали?
8. Как влияет величина зерна сталей на комплекс механических свойств?
9. Расшифровать марки сталей: ВСт5пс; 10Х14Г14Н4Т; Р9М4К8.
ариант 15
1. Анизотропия металлических материалов.
2. Что такое вторичная кристаллизация? Т=соnst
3. 
К какому типу относится превращение + .
4. В чем разница между металлическим и интерметаллическим химическим соединением?
5. Как классифицируются стали по назначению?
6. Что такое микротвердость? Как она определяется?
7. Понятие рекристаллизации. Зависимость размера зерна от степени критической деформации и температуры.
8. Зачем после закалки производят отпуск сталей?
9. Расшифровать марки сталей: 80; 14Х2ГМРЛ; Х6ВФ.
ариант 16
1. Точечные дефекты кристаллического строения на примере вакансий. Их влияние на свойства металлических материалов.
2. Каковы параметры процесса кристаллизации? Т=соnst
3. 
К какому типу относится превращение L + .
4. Каковы свойства твердых растворов?
5. Как классифицируются стали по структуре?
6. Что такое наклеп и какое он имеет практическое значение?
7. В чем сущность явления низкотемпературной отпускной хрупкости?
8. Для чего проводят цементацию сталей?
9. Расшифровать марки сталей: АС20НХ; 20Х20Н14С2; 3Х2В8Ф.
ариант 17
1. Линейные дефекты кристаллического строения на примере краевой дислокации. Их влияние на свойства металлических материалов.
2. Строение металлического слитка. Т=соnst
3. 
К какому типу относится превращение + L .
4. Каковы свойства химических соединений?
5. Что такое примеси в сталях?
6. Что такое хладноломкость и какое оно имеет практическое значение?
7. От чего зависит количество остаточного аустенита в сталях?
8. Для чего проводят азотирование сталей?
9. Расшифровать марки сталей: У9А; ХН35ВТ; 5ХГМ.
ариант 18
1. Условия равновесия атомов в кристаллической решетке?
2. Что такое магнитное превращение?
3. Какая структура формируется в результате эвтектического превращения?
4. Какой тип кристаллической решетки имеет наибольшую растворимость при образовании твердого раствора и почему?
5. В чем отличие между сталями и чугунами по химическому составу и особенностям структуры?
6. Что такое красноломкость? Методы борьбы с ней.
7. Механизм образования перлита при охлаждении сталей.
8. От чего зависит прокаливаемость сталей?
9. Расшифровать марки сталей: 20; 60С2; 9Х1.
ариант 19
1. Объемные дефекты кристаллического строения. Их влияние на свойства металлических материалов?
2. Поликристаллическое и монокристаллическое строение металлов.
3. Какая структура формируется в результате эвтектоидного превращения?
4. Электронные соединения.
5. Фазы и структура в системе «Fe – C».
6. В чем причина значительного отличия теоретической и практической прочности металлов?
7. Особенности строения мартенситной структуры.
8. Какие существуют разновидности закалок и в каких случаях их применяют?
9. Расшифровать марки сталей: А20Х; 40ХН; 6ХС.
ариант 20
1. Что такое диффузия и ее виды в металлических материалах.
2. Что такое «критический размер» зародыша (центра кристаллизации)?
3. Каким образом по диаграммам определяется состав фаз и их количественное соотношение?
4. Фазы Лавеса.
5. Фазовые превращения в системе «Fe – C».
6. Как изменяются свойства деформированного металла при нагреве?
7. Термомеханическая обработка сталей.
8. Что такое улучшение?
9. Расшифровать марки сталей: БСт5пс; 15ХМ; Р9.
ариант 21
1. Точечные дефекты кристаллического строения на примере внедренного атома. Их влияние на свойства металлических материалов.
2. Что такое ближний и дальний порядок в системе? Т=соnst
3. 
К какому типу относится превращение L + .
4. Что такое твердый раствор. Пояснить на примере аустенита по диаграмме «Fe – C».
5. Что такое легирующие элементы в сталях?
6. Что такое предел пропорциональности (пц)? Поясните по диаграмме « – ».
7. Второе превращение в сталях при охлаждении А П или Fe(С) (Fe + Fe3C).
8. Неполная закалка сталей.
9. Расшифровать марки сталей: АСт3пс; 08кп; 08Х18Т1.
ариант 22
1. Точечные дефекты кристаллического строения на примере замещенного атома. Их влияние на свойства металлических материалов.
2. Что представляет собой температура плавления (Тп) с учетом свободных энергий твердой и жидкой фаз?
3. Какую структуру в двухкомпонентной системе называют эвтектической? Пояснить на примере диаграммы «Fe – C».
4. При каких условиях могут образовываться неограниченные твердые растворы?
5. Какой тип кристаллической решетки имеет феррит Fe(). Нарисовать элементарную ячейку.
6. Как рассчитывается относительное удлинение материала при растяжении до разрушения?
7. Третье превращение в сталях при охлаждении А М или Fe(С) Fe(C).
8. Что такое прокаливаемость сталей?
9. Расшифровать марки сталей: АС40Г; 14Г2АФ; 7Х2СМФ.
ариант 23
1. Линейные дефекты кристаллического строения на примере винтовой дислокации. Их влияние на свойства металлических материалов.
2. Что такое «аморфная структура» в металле? Как она может быть получена?
3. Какую структуру в двухкомпонентной системе называют эвтектоидной? Пояснить на примере диаграммы «Fe – C».
4. В чем отличие твердых растворов от химических соединений?
5. Область существования сталей ледебуритного класса.
6. Как рассчитываются истинные напряжения (ист) в деформируемом образце?
7. Четвертое превращение в сталях при нагреве М П или Fe(C) Fe+Fe3C.
8. Что такое пережог сталей?
9. Расшифровать марки сталей: 65; 4Х5МФС; 20Х25Н19С2Л.
ариант 24
1. Что такое анизотропия свойств металлов? Понятие текстуры.
2. Как влияет скорость охлаждения из жидкой фазы на величину зерна стали при кристаллизации?
3. Что такое канода? Какие параметры можно определить с ее помощью?
4. Что представляют собой упорядоченные твердые растворы?
5. Какой тип кристаллической решетки имеет аустенит Fe()? Нарисовать элементарную ячейку.
6. Как рассчитываются условные напряжения (усл) в деформируемом образце?
7. В чем сущность мартенситного превращения в сталях?
8. Что такое рекристаллизация сталей. Для чего ее проводят?
9. Расшифровать марки сталей: 20ХГ2Ц; ХВГ; Р9.
2. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ ПО ВЫБОРУ МАТЕРИАЛОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ
Методические указания содержат задачи по анализу и разбору наиболее характерных микроструктур сталей и сплавов и выявлению качественной зависимости между структурой, составом и свойствами металлических материалов. Объектом этих задач являются наиболее широко применяемые в современном машиностроении материалы: углеродистые и легированные стали, чугуны, сплавы цветных металлов, а также композиционные металлические и неметаллические материалы. Эти задачи должны решаться студентами в отведенное для практических занятий время и представляться преподавателю в письменном виде.
Методические указания к решению задач
Решение приведенных ниже задач предусматривает обоснованный выбор материала и его обработки, при использовании которых в наибольшей степени обеспечиваются надежность деталей в условиях эксплуатации, указанных в каждой отдельной задаче. Как правило, в задачах приведены более типичные условия использования изделий в разных отраслях промышленности. В задачах сформулированы характерные свойства, которые должен иметь сплав в соответствующем изделии. Для решения задач надо проанализировать условия работы изделий – деталей машин, инструментов и др., выяснить напряженное состояние, которое возникает в них в условиях службы, возможные виды разрушений и
другие причины выхода их из строя, так как от этого зависит выбор материала и способа обработки. Далее надо определить группу материалов (например, конструкционных сталей общего назначения, чугунов, жаропрочных сталей и сплавов, инструментальных сталей, полимерных материалов и т.п.), обладающих свойствами, близкими к требуемым. Для этой цели необходимо использовать классификацию, составы и назначение основных материалов, применяемых в машиностроении и приведенные в специальной справочной литературе.
При решении таких задач студенты должны ориентироваться на применение менее дорогих материалов, но в то же время обладающих достаточно высоким уровнем требуемых свойств, что должно обеспечить требуемый срок службы деталей и конструкций. При выборе тех или иных материалов необходимо учитывать их технологические свойства, чтобы предложить для изготовления изделий более экономичные технологические процессы.
В снижении материалоемкости деталей машин и конструкций необходимо учитывать возможность применения и других композиционных материалов, поскольку при ценных, а иногда уникальных физико-механических свойствах, они обладают малой удельной плотностью и хорошей технологичностью. В связи с этим принятые для изготовления таких изделий методы прессования (а иногда и литья) характеризуются очень высоким коэффициентом использования исходных материалов, что позволяет снизить себестоимость и трудоемкость изготовления изделий.
Если свойства предполагаемых сталей не полностью удовлетворяют требованиям задачи (например, по прочности или вязкости), то следует рассмотреть возможность их улучшения выбором термической или химико-термической обработки. При этом указать их виды, режимы, получаемую структуру и свойства. Дорогие легированные стали, содержащие никель, вольфрам, молибден или цветные сплавы, следует рекомендовать только в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не может обеспечить требований, указанных в задаче. Сделанный выбор сплава надо обосновать.
Для получения навыков в выборе материала и обосновании принимаемых решений в каждом разделе приведены примерные решения в соответствии с тематикой практического занятия. При решении задач и указании структуры и свойств выбранных сплавов рекомендуется использовать ГОСТ и учебники, справочники и монографии (см. список рекомендуемой литературы).
2.1. Практическое занятие. Задачи по выбору материала для
конкретных условий эксплуатации и обоснование режимов термической
обработки с целью получения заданных структур
Каждый представленный вариант предусматривает решение двух задач.
При решении первой задачи необходимо изучить условия работы заданных деталей и требования, предъявляемые к ним. На основе выпленного анализа выбрать марку стали или сплава для изготовления заданных деталей, изучить их химический состав и механические свойства; разработать в зависимости от условий работы деталей необходимый вид и режим термической или химико-термической обработки и дать обоснование выбранного вида и режима обработки. В заключении сделать вывод о вкладе каждого из рассомтренных параметров (состав, структура, вид и режим обра-
ботки) в обеспечении надежности детали в условиях эксплуатации.
При решении второй задачи необходимо в краткой форме обосновать теоретические предпосылки формирования той или иной структуры или свойств по существу поставленного вопроса.
В заключении необходимо расшифровать марку предложенной стали.
ЗАДАЧИ
ариант 1
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) ось тяжелонагруженного редуктора; б) ножовка по дереву; в) отливка из латуни.
2. Образцы стали с содержанием углерода 0,4 % закалены один от 750 °С другой от 850 оС. объяснить, какой из образцов будет более хрупким и почему.
3. Расшифровать марку стали 25ХГСА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 2
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) крепежный болт; б) лопатка газовой турбины; в) штамповка из латуни.
2. Стали 45 и У12 закалены от температуры 770 оС. Объясните почему сталь 45 имеет после закалки более низкую твердость, чем сталь У12.
3. Расшифруйте марку стали 5ХНВ. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 3
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) шестерня коробки скоростей; б) корпус ванны для изготовления мыла; в) втулка подшипника скольжения.
2. Объясните почему сталь У7 при закалке в воде подвержена сильному короблению и тещинообразованию. Есть ли возможность устранения подобных дефектов?
3. Расшифруйте марку стали 30Х13. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 4
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) зубчатое колесо редуктора; б) подшипник качения; в) поршень двигателя внутреннего сгорания.
2. Выберите оптимальную температуру нагрева под закалку для стали 50. Рассчитайте критическую скорость закалки и выберите охлаждающую среду для получения мартенсита (вода, масло, воздух).
3. Расшифруйте марку стали 7ХГ2Ф3М. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 5
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) коленвал двигателя внутреннего сгорания; б) фреза для обработки латуни; в) станина станка.
2. Два образца стали 45 имеют различную твердость 50 НRС и 25 НRС. Охарактеризуйте примерную микроструктуру и режим термической обработки, при которой такая твердость может быть получена для каждого образца.
3. Расшифруйте марку стали Х6ВФ. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 6
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) протяжка; б) клапан двигателя внутреннего сгорания; в) пружины для работы в агрессивной среде.
2. Два образца стали 50 закалены соответственно от 820о и 920о. Какая получается микроструктура, какой из образцов будет обладать большей хрупкостью и почему?
3. Расшифруйте марку стали 40Х13. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 7
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей:
а) резец для обработки чугунных отливок; б) тяжелонагруженная шестерня редуктора; в) штамповка из алюминиевого сплава.
2. Два образца стали У10 и два образца стали ХВГ закалены в воде и в масле. Предложите условия охлаждения для углеродистой и легированной стали.
3. Расшифруйте марку стали 13Х. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 8
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) плашка для нарезания резьбы; б) крыло автомобиля; в) отливки из алюми-ниевого сплава.
2. Два образца из стали 40 закалены, один из них отпущен при темпера-туре 180о. Объясните разницу в микроструктуре и твердости.
3. Расшифруйте марку стали Р8М3К6Ф2. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 9
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) азотируемая шестерня; б) сверла; в) корпус гидронасоса.
2. Два образца из стали У8 закалены, один из них отпущен при температуре 5000. Объясните разницу в микроструктуре и твердости.
3. Расшифруйте марку стали 03Х11Н10М2Т2. Укажите область ее приме-нения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 10
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) стальное сварное изделие; б) конвейер в термических печах; в) алюминиевый диск автомобильного колеса.
2. Чем объясняется разница в твердости нормализованного и отожженого образцов стали У10?
3. Расшифруйте марку стали 38ХС. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 11
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) линейка; б) топор; в) втулка скольжения.
2. Два образца из стали 65 имеют твердость 170 НВ и 62 НRС. Охарактеризуйте возможную структуру и термообработку для ее получения.
3. Расшифруйте марку стали Р14М7К3. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 12
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) труба нефтегазопровода; б) прессформа литья под давлением; в) штамповка из алюминиевого сплава.
2. Объясните, как выбирается температура закалки на мартенсит. Почему нельзя закалить сталь, нагревая ее ниже точки Ас1?
3. Расшифруйте марку стали 12ХН3А. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 13
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) штамп горячего деформирования; б) пружины подвески вагона; в) прокатный валок.
2. Чем отличаются микроструктуры стали 50 в отожженом состоянии после закалки и после закалки с отпуском при 650о.
3. Расшифруйте марку стали 18Х2Н4ВА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 14
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) слесарное зубило; б) крепежные детали для работы в агрессивной среде; в) лопатка паровой турбины.
2. Чем объяснить более низкую твердость, полученную при закалке с недогревом, по сравнению с твердостью стали 45, закаленной от оптимальной температуры? Обоснуйте выбор оптимальной температуры нагрева под закалку для указанной стали.
3. Расшифруйте марку стали 09Г2Ф. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 15
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) медицинский скальпель; б) емкость для хранения сжиженных газов; в) корпус для работы в морской воде.
2. Как выбирается температура нагрева под закалку для доэвтектидных и заэвтектидных сталей? Пояснить на примере.
3. Расшифруйте марку стали 38ХМЮА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 16
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) вырубной штамп; б) камера сгорания ракетного двигателя; в) траки гусенич-ного движетеля.
2. Два образца отожженой углеродистой стали отличаются содержанием углерода. Один имеет твердость 125 НВ, другой – 170 НВ. Определите, используя справочные данные, в какой стали больше углерода, и обоснуйте свой выбор.
3. Расшифруйте марку стали 30ХГСА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 17
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) штангенциркуль; б) протяжка; в) тормозная колодка вагона.
2. Два образца из стали 45 закалены, один из них отпущен при температуре 650о. Объясните разницу в микроструктуре и твердости.
3. Расшифруйте марку стали 12ХН3А. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 18
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) калибр-скоба; б) пружины газового механизма; в) шестерня для работы в морской воде.
2. Одним из дефектов инструментальных сталей является карбидная сетка по границам зерен. Какие меры борьбы с этим дефектом известны? Что при этом происходит?
3. Расшифруйте марку стали 38ХМЮА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 19
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) торсион жележнодорожного вагона; б) шариковый подшипник больших размеров; в) пружина для химичекого машиностроения.
2. Чем объяснить более низкую твердость и красностойкость стали Р6М5К5 после закалки и одократного отпуска по сравнению с этой же сталью, прошедшей оптимальную термообработку.
3. Расшифруйте марку стали 60С2ХФА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 20
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) напильник слесарный; б) детали размольного оборудования; в) мембрана топливного насоса.
2. Стали 30 и 30ХГСА закалены от одной и той же температуры в воде и масле. Выбрать оптимальную температуру нагрева под закалку для этих сталей и объяснить причины, позволяющие охлаждать при закалке легированную сталь в масле.
3. Расшифруйте марку стали АСт3кп. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 21
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) сверло для обработки цветных сплвов; б) сопла ракетного двигателя; в) запорный кран для работы в коррозионной среде.
2. Два образца стали с содержанием углерода 0,8 % имеют твердость: один – HRC 50, второй – HB 180. Охарактеризовать микроструктуру этих сталей и определить режимы термической обработки для получения этих структур.
3. Расшифруйте марку стали 7ХГ2В14Ф2. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 22
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) фреза для обработки нержавеющих сталей; б) топливный бак автомобиля; в) направляющая втулка иглы карбюратора.
2. Объяснить изменение твердости оттоженной углеродистой стали в зависимости от содержания углерода: 0,1; 0,3; 0,5; 1,1% С. Для объяснения привлечь изменение структуры согласно диаграмме железо-углерод.
3. Расшифруйте марку стали 38Х2МЮА. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 23
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) пробка-калибр; б) ферма мостового крана; в) подшипник скольжения прокатного стана.
2. Образец углеродистой стали 10 толщиной 20 мм был подвергнут цементации, а затем закалке для повышения твердости и изностойкости поверхностного слоя. На каком приборе и по какой шкале следует определять твердость образца? Объяснить, в каком направлении изменяется твердость от поверхности к сердцевине и какие изменения в составе и структуре вызывают его.
3. Расшифруйте марку стали Р6М5. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
ариант 24
1. Выберите и обоснуйте материал для изготовления следующих деталей: а) корпус редуктора; б) резец для скоростной обработки стали; в) трубопровод для перекачки сжиженного аммиака.
2. Образец из углеродистой стали с 0,6 % С толщиной 25 мм был подвергнут закалке от 820-830 оС после длительного нагрева при температуре 1000 оС. Объяснить, почему твердость поверхностного слоя образца и его сердцевины неодинакова? Как влияет такая разница в твердости на свойства детали, работающей в условиях изгиба или износа трением?
3. Расшифруйте марку стали 3Х2В8Ф. Укажите область ее применения и стандартную термообработку для получения максимальных свойств.
2.2. Практическое занятие. Задачи по конструкционным сталям
Теоретическая часть
Конструкционные стали делятся на строительные и машиностроительные. Строительные – предназначены для изготовления строительных конструкций, машиностроительные – для изготовления деталей машин. В данной работе рассматриваются машиностроительные стали. Если к машиностроительной стали не предъявляется каких-либо специальных требований, работоспособность изделий определяется значениями следующих характеристик: прочности, пластичности, удельной работы деформации и разрушения (ударная вязкость).
Мерами прочности являются условный предел текучести s0,2, предел прочности при растяжении sВ и др. Предел текучести s0,2 – напряжение (кг/мм2), при котором относительная пластическая деформация образца не превышает 0,2 %. Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) sВ – напряжение (кг/мм2) при растяжении образца, соответствующее наибольшей нагрузке, приводящей к его разрушению.
Пластичность металлических материалов характеризуется относительным удлинением (%) – отношением прироста длины образца (l) в момент его разрыва к первоначальной длине (l0), а также относительным сужением (%) – отношением наибольшего уменьшения (в месте разрыва) поперечного сечения образца (F) к первоначальной площади поперечного сечения (F0).
Ударная вязкость KCU (кгм/см2) является мерой надежности материала и определяет его способность поглощать механическую энергию в процессе работы под нагрузкой, т. е. характеризует сопротивляемость материала разрушению вследствие разрастания возникшей в месте концентрации напряжений микротрещины.
В случаях, когда детали машин подвергаются высоким нагрузкам, для их изготовления необходимо применять улучшаемые стали. Улучшаемыми называются стали, подвергаемые закалке и высокому отпуску.
Если же деталь испытывает изгибающие или крутящие нагрузки, сердцевина детали практически не подвергается их воздействию. В этом случае требуется вязкая, не закаленная на мартенсит сердцевина. При таких нагрузках важно упрочнять рабочие поверхностные слои изделий одним из известных в настоящее время методов.
Повышение долговечности деталей машин и оборудования, прежде всего, связано с упрочнением поверхностных слоев изделий, поскольку разрушение металлических изделий в большинстве случаев развивается с поверхности. Условно методы упрочнения можно разделить на три группы: 1) нанесение на поверхность слоя другого материала с заданными свойствами; 2) изменение структуры поверхностного слоя; 3) изменение химического состава поверхностного слоя диффузионным путем.
В настоящее время все большее распространение получают процессы многокомпонентного диффузионного насыщения. При выборе способа и технологии поверхностного упрочнения стальных изделий необходимо учитывать не только условия, в которых они работают, возможные изменения их размеров, физико-механические свойства металла, но и характер производства деталей (единичный, массовый), производительность способа упрочнения, его рентабельность.
Пример решения задачи
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: Ст4, 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 микроструктуры и указать механические свойства после окончательной термической обработки.
Решение задачи. Химический состав стали марок Ст4, 45 и 20ХНЗА следующий:
Ст4 (ГОСТ 380–71): 0,18…0,27% С; 0,4…0,7% Mn; 0,12…0,30% Si; <0,30% Cr; <0,30% Ni; <0,05% S и <0,04% Р.
45 (ГОСТ 1050–74): 0,42…0,50% С; 0,50…0,80% Mn; 0,17…0,37% Si; <0,25% Cr; <0,25% Ni; <0,045% S; <0,04% Р.
20ХНЗА (ГОСТ 4343–71): 0,17…0,23% С; 0,30…0,60% Mn; 0,17…0,37% Si; 0,60…0,40% Cr; 2,75…3,15% Ni; 0,025% S и 0,025 % Р.
Сталь марки Ст4, согласно ГОСТ, имеет следующие свойства в состоянии поставки (после прокатки или ковки): В = 420…540 МПа; 0,2 > 240…260 МПа; > 21 %.
Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки (после прокатки и отжига) имеет твердость не более 207 НВ. При твердости 190 – 200 НВ сталь имеет В не выше 600…620 МПа, а при твердости ниже 180 НВ В не превышает 550…600 МПа. Для отожженной углеродистой стали отношение 0,2/В 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 250 НВ. Следовательно, временное сопротивление (В) при твердости 230 – 250 НВ 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 0,2/В для отожженной легированной стали равно 0,5 – 0,6.
Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке при возможном использовании всех трех сталей.
Для низкоуглеродистой стали Ст4 улучшающее влияние термической обработки незначительно. Кроме того, Ст4 как сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы и фосфора, которые понижают механические свойства и особенно сопротивление разрушению. 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 20ХНЗА – 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 KCU 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 и к тому же циклические нагрузки, 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 в сорбит только в тонком поверхностном слое, но мало влияет на структуру и свойства внутренних слоев изделия. Сталь со структурой сорбита отпуска обладает более
высокими механическими свойствами, чем троостита или сорбита закалки и тем более феррита и перлита. Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно-переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и ниже лежащие 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 и отпуска 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 твердостью не ниже НRС 50.
2. Отпуск 520…530 °С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом (или с марганцем), в том числе совместно с никелем, вал после указанного нагрева следует охлаждать в масле. Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:
Временное сопротивление растяжению В, МПа ........ 900…1000
Предел текучести 0,2, МПа ………………………...….750…800
Предел выносливости -1, МПа ..…………………….. 400…430
Относительное удлинение , % .... …………………… 8…10
Относительное сужение , % ..……………………….. 45…50
Ударная вязкость KCV, кДж/м2 ………………………. 900
Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, сформулированные в задаче для вала диаметром 70 мм.
ЗАДАЧИ
ариант 1
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 текучести 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.
ариант 2
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: состав и марку выбранных сталей; рекомендуемый режим термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом
изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?
ариант 3
Коленчатые валы диаметром 80 мм, работающие при повышенных напряжениях, изготавливают на одном заводе из качественной углеродистой стали, а на другом те же валы, но диаметром 120 мм – из легированной стали. Какие стали следует применять для этой цели? Указать их химический состав и марки. Рекомендовать режим закалки и отпуска и сопоставить механические свойства, которые могут обеспечить углеродистая качественная и легированная стали выбранных марок для валов указанных диаметров.
ариант 4
Выбрать сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 60 мм: временное сопротивление должно быть не ниже 750 МПа. Рекомендовать состав и марку стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска. Предложить и обосновать режим упрочняющей обработки для повышения износостойкости коренных и научных шеек вала.
ариант 5
Завод должен изготовить три вала двигателей. Они должны иметь временное сопротивление растяжению не ниже 750 МПа. Однако первый вал имеет диаметр 35 мм, второй 50 мм и третий 120 мм. Выбрать сталь (стали) для изготовления валов, обосновать сделанный выбор, рекомендовать режим термической обработки и указать структуру и механические свойства в готовом вале. Оценить необходимость и возможность применения упрочняющих технологий.
ариант 6
На заводе изготавливали валы двигателей внутреннего сгорания диаметром 60 мм из стали с пределом текучести 200…230 МПа и относительным удлинением 20…22%. В дальнейшем был получен заказ на валы такого же диаметра для более мощных двигателей. Завод должен был гарантировать для валов одного типа предел текучести (0,2) не ниже 600 МПа и ударную вязкость не ниже 600 кДж/м2, а для валов другого типа 0,2 не ниже 800 МПа и ударную вязкость не ниже 800 кДж/м2. Указать стали, режим термической обработки, структуру и механические свойства после окончательной обработки. Указать, как изменится отношение 0,2/В у выбранных сталей в результате выполнения улучшающей термической обработки.
ариант 7
Шестерни подвергаются действию знакопеременных и ударных нагрузок и должны иметь максимально однородные свойства в продольном и поперечном направлениях. Их изготавливают в зависимости от типа двигателя из стали с временным сопротивлением растяжению (В) 700…750 МПа и 900…950 МПа. Ударная вязкость (КСU) в обоих случаях должна быть не ниже 700…800 кДж/м2. Выбрать сталь для шестерен обоих типов, привести состав, марку, режим термической обработки, микроструктуру и механические свойства в готовом изделии. Указать последовательность операций ее изготовления, начиная с получения стали на машиностроительном заводе. Рекомендовать операцию, позволяющую создать в стали однородное строение, а, следовательно, и однородные свойства в продольном и поперечное направлениях.
ариант 8
Завод изготавливает два типа зубчатых колес диаметром 60 мм и высотой 80 мм для работы в одинаковых условиях. Предел текучести (0,2) должен быть не ниже 540…550 МПа. Однако второй тип зубчатых колес отличается от первого более сложной формой зуба и поэтому шлифование их после упрочняющей обработки исключено. Выбрать сталь для зубчатых колес указанных двух типов и привести состав и марку, учитывая технологические особенности термической обработки и необходимость предотвратить деформацию и образование трещин при закалке. Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать режим термической обработки и указать механические свойства в готовом изделии.
ариант 9
Червяк редуктора диаметром 35 мм можно изготовить из цементуемой и нецементуемой стали. Обосновать, в каких случаях целесообразно применять цементуемую и в каких случаях нецементуемую сталь. Временное сопротивление растяжению (В) в сердцевине детали должно быть 600…700 МПа. Выбрать марку цементуемой и нецементуемой углеродистой качественной стали. Указать химический состав, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и сопоставить механические свойства стали обоих типов в готовом изделии.
ариант 10
Цех изготавливает зубчатые колеса диаметром 50 мм из цементуемой стали. Выбрать сталь для двух зубчатых колес, работающих в условиях износа и удара при повышенных напряжениях. Указать химический состав выбранных сталей, рекомендовать режим термической обработки, объяснить назначение
каждой операции термической обработки и ее влияние на структуру и свойства стали. Рекомендовать толщину цементованного слоя для данной детали.
ариант 11
Станкостроительный завод изготавливает шпиндели токарных станков. Шпиндели работают с большой скоростью в условиях повышенного износа, поэтому твердость в поверхностном слое должна быть НRС 58…62. Выбрать стали для шпинделей диаметром 40 и 75 мм. Привести состав и марку выбранной стали и рекомендовать режим обработки, обеспечивающий получение заданной твердости в поверхностном слое в условиях скоростной термической обработки. Указать структуру стали в поверхностных слоях и в сердцевине шпинделя, механические свойства сердцевины после окончательной термической обработки.
ариант 12
Заводу необходимо изготовить шпиндели для токарных станков, работающих в условиях износа, и для шлифовальных станков, которые, кроме того, должны обеспечить высокую точность обработки. Поэтому деформация шпинделей шлифовальных станков при окончательной термической обработке должна быть минимальной, а шпиндели, кроме того, должны иметь повышенную износостойкость. Выбрать стали для шпинделей обоих типов рекомендовать режим обработки. Указать структуру стали и твердость поверхностного слоя и сердцевины после окончательной обработки.
ариант 13
Палец шарнира диаметром 30 мм работает на изгиб, и срез должен, кроме того, обладать высокой износостойкостью на поверхности и высоким сопротивлением хрупкому и вязкому разрушению в сердцевине. Выбрать углеродистую сталь, привести ее состав и марку, рекомендовать режим химико-термической и термической обработки и указать структуру, механические свойства в сердцевине и твердость на поверхности после окончательной обработки. Указать желательную толщину твердого поверхностного слоя. Объяснить, в каких случаях необходимо выбрать легированную сталь и какие механические свойства можно гарантировать в сталях указанных различных типов.
ариант 14
Конические зубчатые колеса диаметром 50 мм в электротележке работают в условиях динамических нагрузок и повышенного износа. По требованию конструктора сталь должна обладать высоким сопротивлением вязкому и хрупкому разрушению изделия в сердцевине. Выбрать углеродистую цементуемую сталь, указать состав, рекомендовать режим термической обработки для получения максимальной вязкости в сердцевине изделия, если цементация выполняется в твердом карбюризаторе. Одновременно для сравнения указать режим термической обработки после цементации в газовой среде. Указать механические свойства стали в сердцевине изделия и твердость на поверхности после окончательной термической обработки и объяснить, целесообразно ли применение для этой цели стали обыкновенного качества.
ариант 15
Заводу нужно изготовить зубчатые колеса сложной формы диаметром 50 мм и высотой 100 мм. Они должны иметь твердость на поверхности не ниже
НRС 58…60, а в сердцевине временное сопротивление растяжению (В) не ниже 400 МПа и ударную вязкость (КСU) не ниже 500…600 кДж/м2. Завод изготовил первую партию зубчатых колес из углеродистой цементуемой стали, однако некоторые зубчатые колеса получили деформацию при закалке. Выбрать сталь и рекомендовать режим термической обработки после цементации для получения заданных механических свойств и предупреждения брака по деформации. Указать структуру стали в сердцевине и поверхностном слое после окончательной обработки и причины, вызывающие деформацию при закалке.
ариант 16
Стаканы цилиндров мощных моторов должны иметь особо повышенную износостойкость на рабочей поверхности и высокую твердость (HV 0,1 950…1000) и высокие механические свойства в сердцевине (предел текучести 0,2 должен быть не менее 750 МПа). Указать марку стали, применяемую для этого, и рекомендовать режим термической и химико-термической обработки, последний с учетом сокращения его продолжительности. Сопоставить последовательность применяемых при этом термических операций, продолжительность химико-термической обработки, толщину, структуру и твердость поверхностного слоя и сравнить выбранные сталь и режим обработки с составом стали и обработкой, применяемой при цементации или нитроцементации.
ариант 17
Завод изготовляет коленчатые валы диаметром 35 мм; сталь в готовом изделии должна иметь предел текучести 0,2 не ниже 300 МПа и ударную вязкость (КСU) не ниже 500 кДж/м2. Кроме того, вал должен обладать повышенной
износостойкостью не по всей поверхности, а только в шейках, т.е. в участках, сопряженных с подшипниками и работающих на истирание. Привести марку стали, рекомендовать режим термической обработки всего вала для получения заданных свойств и высокопроизводительный режим последующей термической обработки, повышающей твердость только в отдельных участках поверхности вала; указать необходимое для этого оборудование. Привести структуру и твердость стали в поверхностном слое шейки вала и структуру и механические свойства в остальных участках.
ариант 18
Многие крупные детали для железнодорожного транспорта, например автосцепки, изготавливают литыми. Для повышения механических свойств отливки подвергают термической обработке. Выбрать марку стали и обосновать режим термической обработки, если временное сопротивление должно быть не ниже 350 МПа. Указать структуру и механические свойства стали после литья и после термической обработки.
ариант 19
Направляющие станин станков изготовляют из чугуна. Однако, в дальнейшем, для повышения износостойкости этих направляющих их изготовляют из стали. Рекомендовать состав стали для таких деталей и режим скоростной поверхностной упрочняющей обработки. Привести значения твердости, которые при этом могут быть достигнуты. Для сравнения указать марку чугуна, который используется для подобных деталей.
ариант 20
Рессоры грузового автомобиля изготавливают из качественной легированной
стали; толщина рессоры до 10 мм. Сталь в готовой рессоре должна обладать высокими пределами текучести, выносливости и упругости. Рекомендовать режим термической обработки, структуру и механические свойства, которые можно получить при правильном выборе состава стали и обработки рессоры. Объяснить, как влияет состояние поверхности на качество рессоры, и указать способ обработки поверхностного слоя, позволяющий повысить предел выносливости.
ариант 21
Рессоры трехтонного грузового автомобиля изготавливаются из листов стали 60С2 толщиной 10 мм, которые после закалки и отпуска должны получить высокую прочность по всему сечению. Для автомобиля большей грузоподъемности рессоры должны быть толщиной 20 мм, и тогда в стали 60С2 уже нельзя обеспечить равномерного упрочнения по всему сечению. Указать способ обработки поверхностного слоя, позволяющий повысить предел выносливости.
ариант 22
В термическом цехе обрабатывают зубчатые колеса диаметром 30 мм, изготовленные из стали 20Х. Цех отказался от выполнения цементации в твердом карбюризаторе и наметил более производительный процесс газовой нитроцементации. Сравнить условия и режим всего цикла химико-термической и термической обработки зубчатых колес в случае выполнения цементации в твердом карбюризаторе и нитроцементации. Требуемая толщина поверхностного твердого слоя 0,4…0,6 мм. Указать микроструктуру и твердость поверхности и механические свойства в сердцевине после окончательной обработки.
ариант 23
В сложных механизмах применяют зубчатые колеса нескольких типов; их изготавливают из разных материалов и подвергают различной термической обработке. Завод изготавливает зубчатые колеса:
- цементованные, имеющие временное сопротивление (В) в сердцевине 650…700 МПа и ударную вязкость (КСU) не менее 800 кДж/м2;
- азотированные, имеющие временное сопротивление в сердцевине 950…1000 МПа и ударную вязкость не менее 900 кДж/м2;
- из термически улучшенной стали с В = 900…1000 МПа и ударной вязкостью не ниже 600 кДж/м2.
Выбрать марки сплавов, привести их химический состав, обработку и структуру, необходимые для получения указанных механических свойств. Сравнить режимы обработки и учитывая свойства, полученные в готовом изделии, определить, для каких условий эксплуатации наиболее рационально использовать металлы указанных выше свойств. При решении можно принять, что зубчатые колеса всех типов имеют одинаковые диаметр (50 мм) и высоту (80 мм).
ариант 24