Файл: 1. Определение особенностей работы изделия при эксплуатации, их анализ в соответствии с условиями задания. 3.docx

Содержание

Задание МД - 10.

Пользуясь «Марочником сталей и сплавов», выбрать марку стали для изготовления оси колеса велосипеда дорожно-шоссейного класса (рис.1.10). Производство осей серийное. При выборе стали использовать данные согласно выданному варианту домашнего задания (табл.1.10): основные размеры оси, твёрдость поверхности HRC в указанных пределах, предел текучести сердцевины σ_0,2 (не менее), ударная вязкость KCU (не менее). Обосновать сделанный выбор стали, рекомендовать упрочняющую обработку оси, которая обеспечит её работоспособность в предлагаемых условиях.

Вариант	d1, мм	d2, мм	L, мм	HRC	σ0,2, МПа	KCU, Дж/см2
г	14	19	150	49-52	850	130

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

Ось колеса велосипеда- массовая деталь, предназначенная для получения связи между колесом и рамой, за счет статического нагружения (оказываемого в процессе движения велосипеда), передаваемого на ось через вилку рамы, а также закрепления на ней велосипедной втулки. Т.к. велосипед по условию дорожно-шоссейный, следовательно, можно полагать, что ось будет испытывать статическую нагрузку, однако нужно учитывать различные непредвиденные обстоятельства, такие, как попадание колеса в яму на дороге, в таком случае будет оказываться ударная нагрузка.

---

В этой связи ось колеса велосипеда должна быть устойчивой к изгибу и ударам, сохранять свою геометрию в ходе длительной эксплуатации, т.е. одновременно обладать твердостью и вязкостью. Известно, что наилучшее сочетание достаточного упрочнения и вязкости стали обеспечивает выполнение закалки с последующим высоким отпуском

Проведённый анализ задания показывает, что выбираемая сталь должна иметь: высокую твёрдость, а также сочетание прочности и вязкости. В такой ситуации очевидно, что для выбора стали, предназначенной для изготовления оси, в качестве решающего фактора следует рассматривать требование высокой твёрдости рабочего лезвия (49-52 HRC), которая должна обеспечить необходимый уровень износостойкости при длительной работе.

Известно, что уровень максимальной твёрдости, достигаемый в стали при её упрочняющей термической обработке (при закалке), определяется содержанием в ней углерода. Поэтому вначале следует провести поиск такой концентрации углерода в стали, которая может гарантировать достижение в ней при закалке требуемого уровня твёрдости 49-52 HRC.

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

30ХГТ

Назначение стали:

Улучшаемые и цементируемые детали, от которых требуется высокая прочность и вязкость сердцевины, а также высокая поверхностная твердость, работающая при больших скоростях и повышенных удельных давлениях под действием ударных нагрузок.

Химический состав в % стали 30ХГТ

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Ti	Fe
0,24-0,32	0,17-0,37	0,8-1,1	До 0,3	До 0,035	До 0,035	1-1,3	0,03-0,09	96

---

-	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	HRC	KCU, (Дж / м2)
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух.	20	930	1180	50	81
Цементация 920-950 °С. Закалка 840-860 °С, масло. Отпуск 180-200 °С, воздух.	<60	780	1080	57-63	59

Данная сталь подходит по пределу текучести и при улучшении (применение цементации), но несмотря на это, не подходит по значениям ударной вязкости.

40ХН

Назначение стали:

Оси, валы, шатуны, зубчатые колеса, валы экскаваторов, муфты, валы-шестерни, шпиндели, болты, рычаги, штоки, цилиндры и другие ответственные нагруженные детали, подвергающиеся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости.

Химический состав в % стали 40ХН

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	Fe
0,36-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	1-1,4	До 0,035	До 0,035	0,45-0,75	До 0,3	96

-	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	HRC	KCU, (кДж / м2)
Закалка 820 °С, вода или масло. Отпуск 500 °С, вода или масло.	25	785	980	Не определяется	69
Закалка 820 °С, масло. Отпуск 500 °С, воздух	25	1080	1160	32,5	32

---

40ХН2МА 

Назначение стали:

Коленчатые валы, клапаны, шатуны, крышки шатунов, ответственные болты, шестерни, кулачковые муфты, диски и другие тяжелонагруженные детали. Валки для холодной прокатки металлов.

Химический состав в % стали 40ХН2МА

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Mo	Cu	Fe
0,37-0,44	0,17-0,37	0,5-0,8	1.25-1,65	До 0,025	До 0,025	0,6-0,9	0.15-0.25	До 0,3	95

-	Сечение, мм	σ0,2, МПа	σB, МПа	HRC	KCU, (кДж / м2)
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 620 °С, вода.	25	930	1080	Не определяется	147
Закалка 850 °С, масло. Отпуск 200 °С, воздух	25	1600	1750	53,2	59

Данная сталь нам подходит по характеристикам. Рассмотрим далее эту сталь для разработки режима упрочняющей термической обработки.

3. Разработка режима упрочняющей термической обработки, выбранной стали в соответствии с требованиями задания.

Комплексную термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска конструкционных сталей, называют улучшением.

Рассмотрим сталь 40ХН2МА.

Критические температуры для 40ХНМА(40ХН2МА):

---

А_с3 = 820С

А_с1 = 730С

При нагреве до температуры 730С структура сплава остается постоянной –перлит. Как только пройдена точка А_с1на границах зерен перлита начинает зарождаться аустенит. В нашем случае мы имеем полную закалку, т.к. температура превышает А_с3, то весь перлит переходит в аустенит. Таким образом, нагрев до 820С мы получили однофазную структуру - аустенит, при этом при повышении температуры после 800С зерно растет.

Для получения мартенситной структуры необходимо переохладить аустенит до температуры мартенситного превращения, следовательно, скорость охлаждения должна превышать критическую. Такое охлаждение наиболее просто осуществляется погружением закаливаемой детали в жидкую среду (вода или масло), имеющую температуру 20-25С. В результате такой обработки получается теплостойкий мартенсит, с некоторым количеством остаточного аустенита.

40ХНМА подвергается отпуску при t= 620С — высокий отпуск. Охлаждение производят в воде.

После этого провести закалку током высокой частоты (ТВЧ) – закалка поверхности: при большой частоте тока, плотность тока в наружных слоях проводника оказывается во много раз больше, чем в сердцевине. После обработки ТВЧ у стали 40ХН2МА поднимется значение HRC до 50-60.


График термообработки 40ХН2МА



Вывод:

Повышение предела выносливости на 30-40%, долговечности в 2-5 раз, предела контактной выносливости на 20-50%, повышение вязкости разрушения.

Сталь относится к мартенситному классу, закаливаются на воздухе, обладают малой склонностью к хрупкому разрушению, хорошо работают при динамических нагрузках и в условиях пониженных температур. Кроме того, сталь слабо разупрочняется при нагреве и может применяться при температурах до 300-400 °С.

Список используемой литературы

1. 
   Материаловедение. Учебник для вузов под ред. Арзамасова Б.Н. 2-ое издание исправленное и дополненное. М.: Машиностроение, 1986. 384 с.
   
2. 
   Марочник сталей и сплавов, под ред. Сорокина В.Г. М.: Машиностроение, 1989 г. 640с.
   
3. 
   . Материаловедение. – М.: Машиностроение, Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. 1990.
   

---