Курсовая на тему Термическая обработка материала для изготовления кернера
Работа добавлена на сайт bukvasha.net: 2014-07-12Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
от 25%
Подписываем
договор
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет
Институт Педагогики и Психологии
кафедра: профессионального образования
Курсовая работа по дисциплине: Материаловедение
Тема: Обоснование обеспечения конструкционной прочности изделия
в заданных условиях работы за счёт оптимизации состава и
структуры используемого материала
Выполнил студент:
группы 4 ПО - 42
Слизнёв Д.И.
Проверила:
ст. преподаватель
Мироненко С.Н.
Череповец
2007
Содержание
Введение
1. Обоснование обеспечения конструкционной прочности кернера
в заданных условиях работы:
Анализ условий работы детали
Определение требуемых свойств материала
Подбор методов испытаний материала
Определение ориентировочного химического состава материала
Уточнение химического состава
Выбор материала
Термическая обработка
2. Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время в промышленности существует необходимость изготовлять детали, которые должны удовлетворять ряду требований:
Ø Срок службы детали должен быть как можно больше, также деталь должна выдерживать заданную условиями работу нагрузку.
Ø Себестоимость детали должна быть минимальной, при её максимальном качестве.
Ø Технология изготовления детали должна быть оптимальной (простота технологического процесса, качество детали и его цена).
Цель нашей работы подобрать материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял выше изложенным требованиям.
Перед нами стоит ряд задач:
Ø Проанализировать условия работы кернера.
Ø Определить свойства материала кернера.
Ø Подоврать методы испытания материала.
Ø Определить химический состав материала.
Ø Выбрать материал.
1. Обоснование обеспечения конструкционной прочности
кернера в заданных условиях работы
1.1. Анализ условий работы детали
При работе в слесарной мастерской, для того чтобы просверлить отверстие, необходимо предварительно наметить центр этого отверстия, это осуществляется при помощи специального инструмента называемого кернером .
Кернер при работе испытывает ударные нагрузки. Рабочая часть (заострённая) ставится на место предполагаемого центра отверстия и ударом молотка по верхней части производится разметка. Возможно незначительное нагревание кернера при работе.
Интервал рабочих температур, будет зависеть от места использования. Кернер используют при работе в слесарной мастерской, где температура воздуха должна быть 15 - 17 0С. Относительная влажность воздуха должна быть где - то 60 %.
1.2. Определение требуемых свойств материала
Из условий работы кернера укажем требования, которым должен удовлетворять материал. На основе этих требований определим те свойства, которые должны быть характерны для материала, из которого будет изготовлен кернер. Результаты оформим в виде таблицы (табл. 1).
Таблица 1
Требуемые свойства материала
1.3. Подбор методов испытаний материала
Исходя из требуемых свойств к материалу кернера, определяем методы испытаний, которым необходимо подвергнуть выбранный нами материал.
Определение твёрдости по Роквеллу
Твёрдость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространённые методы определения твёрдости связаны с внедрением специального тела называемого индентором, в испытуемый материал с таким усилием, чтобы в материале остался отпечаток индентора. О величине твёрдости судят по отпечатку.
Испытания на твёрдость будем проводить по методу Роквелла, так как изготавливаемая деталь после термической обработки должна обладать твердостью от 61 до 65 НRС [1, с. 34].
При методе Роквелла индентором служит алмазный конус с углом при вершине 1200 (рис. 2), а также шарик из закалённой стали диаметром1,588 мм [3, 79].
Рис. 2
Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 150 или 60 кгс в зависимости от твёрдости материала - большая для менее твердых материалов (закалённые стали), меньшая для материалов с очень высокой твёрдостью (твёрдые сплавы, режущая керамика). Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс [1, с. 35].
Испытания выполняются на специальном приборе (рис. 3), имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала «С» используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала «В» - для шарика с нагрузкой 100 кгс. Значение твёрдости обозначаются: НRС - алмазный конус, нагрузка 150 кгс; НRА - алмазный конус, нагрузка 60 кгс; НRВ - шарик.
Значение твёрдости в единицах НRС примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, то есть твёрдость 30 НRС примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твёрдости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость: НRС = 2 НRА -104 [1, с. 36].
Рис. 3
Испытания на прокаливаемость
Под прокаливаемость подразумевают глубину проникновения закалённой зоны [3, с. 293].
Для определения прокаливаемсти применяют метод торцевой закалки. Стандартный образец (рис. 4) диаметром25 мм и длинной 100 мм , нагретый до заданной температуры, охлаждается с торца на специальной установке (рис. 5); так как скорость охлаждения уменьшается по мере увеличения расстояния от торца, то изменяется структура и твёрдость образца.
Рис. 4 Рис. 5
Изменение твёрдости по длине образца показывают на кривых прокаливаемости (рис. 6) построенных в координатах «твёрдость - расстояние» от торца.
Рис. 6. Кривая прокаливаемости (сталь с 0,4 % С)
Так как прокаливаемость одной и той же стали может колебаться в широких пределах в зависимости от колебаний химического состава и величины зерна, то прокаливаемость каждой марки стали характеризуется не кривой, а полосой прокаливаемости (рис. 7).
Рис. 7
Определив с помощью полосы прокаливаемости расстояние от торца до полумартенситной зоны данной марки стали, по номограмме (рис. 8) можно определить критический диаметр, то есть максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Рис. 8
Углеродистые стали при закалке в воде имеют критический диаметр 10 -20 мм [1, с. 78].
Определение ударной вязкости
Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим. Для определения ударной вязкости используют образцы с надрезом, который служит концентратором напряжений. Используют U- и V- образные образцы (рис. 9). В зависимости от формы надреза ударную вязкость обозначают KCU или KCV.
Рис. 9
Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 10), так чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его.
Рис. 10
Маятник поднимают на высоту h1, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту h2, h1 > h2. Таким образом, работа разрушения составит: A = mg *(h1 - h2) кДж [кгс*м]. Её значение считываются со шкалы, установленной на маятниковом копре [1, с. 38].
Ударная вязкость - это относительная работа разрушения, то есть работа, отнесённая к площади F образца до разрушения. Таким образом, KCU(KCV) = A/ F.
Разрушение металла при ударной нагрузке развивается в две стадии. На первой зарождается трещина, на второй она распространяется до разрушения образца. Таким образом, суммарная величина работы разрушения складывается из двух составляющих - работы по зарождению (Аз) и распространению (Ар) трещины. Эти составляющие зависят от структуры материала. Надёжность материала определяется работой распространения трещины. У хрупких материалов величина Ар близка к нулю.
У многих металлов и сплавов (имеющих объемно-центрированную кубическую и гексагональную решётки) с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости [1, с. 39].
Испытания проводят при разных температурах, при каждой температуре анализируют вид излома и определяют в нём количество волокнистой составляющей.
По результатам испытаний строят график (рис. 11)
Рис. 11
Различают верхнюю Тв и нижнюю Тн границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Т50 [1, с. 39].
Желательно эксплуатировать материал выше Тв. Разница между Траб. и Тв называют запасом вязкости.
Испытание на растяжение
Прочность, упругость, пластичность определяются при испытаниях на растяжение. Для проведения испытания изготовляют образцы плоской или круглой формы. Испытания выполняют на разрывных машинах различных конструкций. Головки образцов помещают в зажимы разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения. По результатам испытаний машина записывает диаграмму растяжения (рис. 12).
Рис. 12
предел пропорциональности (максимальное напряжение, которое выдерживает образец, не теряя своих упругих свойств), точка А;
предел упругости (напряжение, при котором величина остаточной деформации равна 0.05%);
предел текучести (напряжение, которое вызывает остаточную деформацию 0.2%), участок Б-Г;
предел прочности (максимальное напряжение, которое выдержал образец во время испытания), точка Д.
После того, как усилие достигнет максимального значения, в образце появится шейка, в этом месте в дальнейшем и произойдет разрушение.
Испытание на жидкотекучесть
Жидкотекучестью называется способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки [4, с. 122].
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.
Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб (рис. 13).
Рис. 13. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов
Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл сначала сливается в зумпф, а затем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах [4, с. 123].
Испытание на обрабатываемость резанием
Обрабатываемость оценивают рядом показателей: производительностью обработки, качеством обработанной поверхности, видом образующейся стружки. В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев [1, с. 49].
Наиболее распространённой является оценка обрабатываемости материала по производительности. Она оценивается скоростью резания, при которой достигается заранее заданная стойкость инструмента. Используют критерий «V60» - это скорость резания (м/мин), при которой достигается 60 - минутная стойкость режущего инструмента до регламентируемого износа.
Производительность обработки тем ниже, чем выше твёрдость и прочность обрабатываемого материала. Кроме того, обрабатываемость зависит от структуры - наличие твёрдых частиц в структуре снижает обрабатываемость материала.
Шероховатость обработанной поверхности зависит главным образом от твёрдости материала - более высокая твёрдость обеспечивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности.
Элементная, «сыпучая» стружка образуется в том случае, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (графит в чугуне) [1, с. 50].
Испытание на общую коррозию
Для характеристики химических свойств металла в зависимости от состава, структуры и обработки определяют, прежде всего, их стойкость против коррозии [2, с. 157].
При испытании на общую коррозию используется несколько методов: в жидкости при полном погружении образца; в жидкости при переменном многократно повторяемом погружении; в парах; в кипящем соляном растворе; в окружающей атмосфере в лабораторных условиях. Состав жидкости, паров или растворов, выбирают с учётом намечаемого использования металла. Для испытания применяют образцы с большим отношением поверхности к объёму.
Полученные результаты оценивают количественно, чаще по скорости коррозии, характеризуемой потерей массы в течении определённого промежутка времени, отнесённой к единице поверхности. По скорости коррозии определяют также величину проникновения коррозии П = (К/γ)10-3 мм/год , где К - скорость коррозии, г/м2 год; γ - плотность металла, г/см3. Эта оценка приемлема только в случае однородного коррозионного воздействия. При проявлении локальных нарушений такой метод оценки неприемлем.
Наряду с определением изменения массы образца и глубины коррозии выполняют визуальное (или под микроскопом) наблюдение поверхности образцов. Это позволяет определить стойкость против точечной коррозии. В этом случае измеряют плотность (количество коррозионных точек на единицу поверхности) и глубину точек. Микроисследования позволяют обнаружить возникновение очень малых точек и начало коррозии.
Другим показателем развития коррозии является изменение механических свойств образцов. Общая коррозия, приводящая к уменьшению сечения, сопровождается снижением разрушающей нагрузки. В результате точечной коррозии снижается также и пластичность (относительное удлинение). Коррозионная стойкость металла оценивают по шкале (табл. 2). Меньшим баллом характеризуют более стойкие металлы [2, с. 158].
Таблица 2
Оценка стойкости против коррозии
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Череповецкий Государственный Университет
Институт Педагогики и Психологии
кафедра: профессионального образования
Курсовая работа по дисциплине: Материаловедение
Тема: Обоснование обеспечения конструкционной прочности изделия
в заданных условиях работы за счёт оптимизации состава и
структуры используемого материала
Выполнил студент:
группы 4 ПО - 42
Слизнёв Д.И.
Проверила:
ст. преподаватель
Мироненко С.Н.
Череповец
2007
Содержание
Введение
1. Обоснование обеспечения конструкционной прочности кернера
в заданных условиях работы:
Анализ условий работы детали
Определение требуемых свойств материала
Подбор методов испытаний материала
Определение ориентировочного химического состава материала
Уточнение химического состава
Выбор материала
Термическая обработка
2. Заключение
Список литературы
Введение
В настоящее время в промышленности существует необходимость изготовлять детали, которые должны удовлетворять ряду требований:
Ø Срок службы детали должен быть как можно больше, также деталь должна выдерживать заданную условиями работу нагрузку.
Ø Себестоимость детали должна быть минимальной, при её максимальном качестве.
Ø Технология изготовления детали должна быть оптимальной (простота технологического процесса, качество детали и его цена).
Цель нашей работы подобрать материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял выше изложенным требованиям.
Перед нами стоит ряд задач:
Ø Проанализировать условия работы кернера.
Ø Определить свойства материала кернера.
Ø Подоврать методы испытания материала.
Ø Определить химический состав материала.
Ø Выбрать материал.
1. Обоснование обеспечения конструкционной прочности
кернера в заданных условиях работы
1.1. Анализ условий работы детали
При работе в слесарной мастерской, для того чтобы просверлить отверстие, необходимо предварительно наметить центр этого отверстия, это осуществляется при помощи специального инструмента называемого кернером .
Кернер при работе испытывает ударные нагрузки. Рабочая часть (заострённая) ставится на место предполагаемого центра отверстия и ударом молотка по верхней части производится разметка. Возможно незначительное нагревание кернера при работе.
Интервал рабочих температур, будет зависеть от места использования. Кернер используют при работе в слесарной мастерской, где температура воздуха должна быть 15 - 17 0С. Относительная влажность воздуха должна быть где - то 60 %.
1.2. Определение требуемых свойств материала
Из условий работы кернера укажем требования, которым должен удовлетворять материал. На основе этих требований определим те свойства, которые должны быть характерны для материала, из которого будет изготовлен кернер. Результаты оформим в виде таблицы (табл. 1).
Таблица 1
Требуемые свойства материала
| Условия работы детали | Требования к материалу | Свойства материала |
| Механические свойства | ||
| При контакте с материалом заготовки | Материал кернера должен внедряться в материал заготовки | Твёрдость должна быть выше, чем твёрдость материала заготовки |
| Работа в условиях приложения нагрузки | Должен выдерживать напряжения не разрушаясь под действием приложенных сил | Прочность |
| При ударе по кернеру молотком | Материал кернера должен выдерживать ударные нагрузки не разрушаясь | Ударная вязкость |
| Химические свойства | ||
| Взаимодействие с внешней средой | Должен сопротивляться воздействию атмосферных условий | Коррозионная стойкость |
| Технологические свойства. | ||
| При изготовлении кернера литьём | Должен давать жидкую хорошо текущую струю, хорошо заполнять форму | Жидкотекучесть |
| Должен поддаваться механической обработке режущим инструментом | Обрабатываемость резанием | |
| При проведении термообработки | Должен закаливаться на определённую глубину | Прокаливаемость |
| Должен принимать высокую твердость после закалки | Закаливаемость | |
| Эксплуатационные свойства | ||
| Работа в условиях комнатных температур | Способность не давать хрупкого разрушения в условиях эксплуатации | Нижний порог хладноломкости должен быть выше верхней рабочей температуры (170С) |
| Способность материала выдерживать механические нагрузки без существенной деформации при высоких температурах | Жаропрочность до 100 0С | |
1.3. Подбор методов испытаний материала
Исходя из требуемых свойств к материалу кернера, определяем методы испытаний, которым необходимо подвергнуть выбранный нами материал.
Определение твёрдости по Роквеллу
Твёрдость характеризует сопротивление материала большим пластическим деформациям. Наиболее распространённые методы определения твёрдости связаны с внедрением специального тела называемого индентором, в испытуемый материал с таким усилием, чтобы в материале остался отпечаток индентора. О величине твёрдости судят по отпечатку.
Испытания на твёрдость будем проводить по методу Роквелла, так как изготавливаемая деталь после термической обработки должна обладать твердостью от 61 до 65 НRС [1, с. 34].
При методе Роквелла индентором служит алмазный конус с углом при вершине 1200 (рис. 2), а также шарик из закалённой стали диаметром
Рис. 2
Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 150 или 60 кгс в зависимости от твёрдости материала - большая для менее твердых материалов (закалённые стали), меньшая для материалов с очень высокой твёрдостью (твёрдые сплавы, режущая керамика). Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс [1, с. 35].
Испытания выполняются на специальном приборе (рис. 3), имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала «С» используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала «В» - для шарика с нагрузкой 100 кгс. Значение твёрдости обозначаются: НRС - алмазный конус, нагрузка 150 кгс; НRА - алмазный конус, нагрузка 60 кгс; НRВ - шарик.
Значение твёрдости в единицах НRС примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, то есть твёрдость 30 НRС примерно соответствует 300 НВ. Между значениями твёрдости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость: НRС = 2 НRА -104 [1, с. 36].
Рис. 3
Испытания на прокаливаемость
Под прокаливаемость подразумевают глубину проникновения закалённой зоны [3, с. 293].
Для определения прокаливаемсти применяют метод торцевой закалки. Стандартный образец (рис. 4) диаметром
Рис. 4 Рис. 5
Изменение твёрдости по длине образца показывают на кривых прокаливаемости (рис. 6) построенных в координатах «твёрдость - расстояние» от торца.
Рис. 6. Кривая прокаливаемости (сталь с 0,4 % С)
Так как прокаливаемость одной и той же стали может колебаться в широких пределах в зависимости от колебаний химического состава и величины зерна, то прокаливаемость каждой марки стали характеризуется не кривой, а полосой прокаливаемости (рис. 7).
Рис. 7
Определив с помощью полосы прокаливаемости расстояние от торца до полумартенситной зоны данной марки стали, по номограмме (рис. 8) можно определить критический диаметр, то есть максимальный диаметр цилиндрического прутка, который прокаливается насквозь в данном охладителе.
Рис. 8
Углеродистые стали при закалке в воде имеют критический диаметр 10 -
Определение ударной вязкости
Испытания на ударную вязкость относятся к динамическим. Для определения ударной вязкости используют образцы с надрезом, который служит концентратором напряжений. Используют U- и V- образные образцы (рис. 9). В зависимости от формы надреза ударную вязкость обозначают KCU или KCV.
Рис. 9
Образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 10), так чтобы удар маятника происходил против надреза, раскрывая его.
Рис. 10
Маятник поднимают на высоту h1, при падении он разрушает образец, поднимаясь на высоту h2, h1 > h2. Таким образом, работа разрушения составит: A = mg *(h1 - h2) кДж [кгс*м]. Её значение считываются со шкалы, установленной на маятниковом копре [1, с. 38].
Ударная вязкость - это относительная работа разрушения, то есть работа, отнесённая к площади F образца до разрушения. Таким образом, KCU(KCV) = A/ F.
Разрушение металла при ударной нагрузке развивается в две стадии. На первой зарождается трещина, на второй она распространяется до разрушения образца. Таким образом, суммарная величина работы разрушения складывается из двух составляющих - работы по зарождению (Аз) и распространению (Ар) трещины. Эти составляющие зависят от структуры материала. Надёжность материала определяется работой распространения трещины. У хрупких материалов величина Ар близка к нулю.
У многих металлов и сплавов (имеющих объемно-центрированную кубическую и гексагональную решётки) с понижением температуры наблюдается переход от вязкого разрушения к хрупкому, проявляющийся в снижении ударной вязкости и изменении характера излома. Температурный интервал изменения характера разрушения называется порогом хладноломкости [1, с. 39].
Испытания проводят при разных температурах, при каждой температуре анализируют вид излома и определяют в нём количество волокнистой составляющей.
По результатам испытаний строят график (рис. 11)
Рис. 11
Различают верхнюю Тв и нижнюю Тн границы порога хладноломкости. В этом интервале температур происходит переход от вязкого волокнистого излома к хрупкому кристаллическому. Часто порог хладноломкости определяют по температуре испытания, при которой в изломе имеется 50% вязкой волокнистой составляющей Т50 [1, с. 39].
Желательно эксплуатировать материал выше Тв. Разница между Траб. и Тв называют запасом вязкости.
Испытание на растяжение
Прочность, упругость, пластичность определяются при испытаниях на растяжение. Для проведения испытания изготовляют образцы плоской или круглой формы. Испытания выполняют на разрывных машинах различных конструкций. Головки образцов помещают в зажимы разрывной машины, и образцы растягивают до разрушения. По результатам испытаний машина записывает диаграмму растяжения (рис. 12).
Рис. 12
После того, как усилие достигнет максимального значения, в образце появится шейка, в этом месте в дальнейшем и произойдет разрушение.
Испытание на жидкотекучесть
Жидкотекучестью называется способность металлов и сплавов течь в расплавленном состоянии по каналам литейной формы, заполнять её полости и чётко воспроизводить контуры отливки [4, с. 122].
Жидкотекучесть литейных сплавов зависит от температурного интервала кристаллизации, вязкости и поверхностного натяжения расплава, температуры заливки и формы, свойств литейной формы и т.д.
Жидкотекучесть литейных сплавов определяют путём заливки специальных технологических проб (рис. 13).
Рис. 13. Спиральная проба (а) и литейная форма (б) для определения жидкотекучести сплавов
Расплавленный металл заливают в чашу, отверстие в которой закрыто графитовой пробкой. После подъёма пробки металл сначала сливается в зумпф, а затем плавно заполняет спираль. За меру жидкотекучести принимают длину заполненной части спирали, измеряемую в миллиметрах [4, с. 123].
Испытание на обрабатываемость резанием
Обрабатываемость оценивают рядом показателей: производительностью обработки, качеством обработанной поверхности, видом образующейся стружки. В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев [1, с. 49].
Наиболее распространённой является оценка обрабатываемости материала по производительности. Она оценивается скоростью резания, при которой достигается заранее заданная стойкость инструмента. Используют критерий «V60» - это скорость резания (м/мин), при которой достигается 60 - минутная стойкость режущего инструмента до регламентируемого износа.
Производительность обработки тем ниже, чем выше твёрдость и прочность обрабатываемого материала. Кроме того, обрабатываемость зависит от структуры - наличие твёрдых частиц в структуре снижает обрабатываемость материала.
Шероховатость обработанной поверхности зависит главным образом от твёрдости материала - более высокая твёрдость обеспечивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности.
Элементная, «сыпучая» стружка образуется в том случае, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (графит в чугуне) [1, с. 50].
Испытание на общую коррозию
Для характеристики химических свойств металла в зависимости от состава, структуры и обработки определяют, прежде всего, их стойкость против коррозии [2, с. 157].
При испытании на общую коррозию используется несколько методов: в жидкости при полном погружении образца; в жидкости при переменном многократно повторяемом погружении; в парах; в кипящем соляном растворе; в окружающей атмосфере в лабораторных условиях. Состав жидкости, паров или растворов, выбирают с учётом намечаемого использования металла. Для испытания применяют образцы с большим отношением поверхности к объёму.
Полученные результаты оценивают количественно, чаще по скорости коррозии, характеризуемой потерей массы в течении определённого промежутка времени, отнесённой к единице поверхности. По скорости коррозии определяют также величину проникновения коррозии П = (К/γ)10-3 мм/год , где К - скорость коррозии, г/м2 год; γ - плотность металла, г/см3. Эта оценка приемлема только в случае однородного коррозионного воздействия. При проявлении локальных нарушений такой метод оценки неприемлем.
Наряду с определением изменения массы образца и глубины коррозии выполняют визуальное (или под микроскопом) наблюдение поверхности образцов. Это позволяет определить стойкость против точечной коррозии. В этом случае измеряют плотность (количество коррозионных точек на единицу поверхности) и глубину точек. Микроисследования позволяют обнаружить возникновение очень малых точек и начало коррозии.
Другим показателем развития коррозии является изменение механических свойств образцов. Общая коррозия, приводящая к уменьшению сечения, сопровождается снижением разрушающей нагрузки. В результате точечной коррозии снижается также и пластичность (относительное удлинение). Коррозионная стойкость металла оценивают по шкале (табл. 2). Меньшим баллом характеризуют более стойкие металлы [2, с. 158].
Таблица 2
Оценка стойкости против коррозии
| Балл стойкости | Стойкость, мм/год | Категория стойкости |
| 1 | < 0,10 | Сильностойкие |
| 2 | 0,10 - 1,0 | Стойкие |
| 3 | 1,10 - 3,0 | Пониженностойкие |
| 4 | 3,10 - 10,0 | Малостойкие |
| 5 | 10,1 | Нестойкие |
Для определения ориентировочного химического состава материала для кернера необходимо провести анализ различных классов материала.
1. Стали.
Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержание углерода в которых не превышает 2,14%. Стали с содержанием углерода до 0,8% называется доэвтектоидными, 0,8% - эвтектоидными и больше 0,8% - заэвтектоидными [1, с. 54].
Твёрдость и прочность стали могут быть увеличены в результате термической обработки в 3 - 5 раз, а модули упругости при этом изменяются менее чем на 5% [3, с. 180].
Также благодаря термической обработке и введению легирующих элементов можно повысить их коррозионную стойкость.
Основное требование к сталям является обеспечение конструкционной прочности: они должны обладать определённым набором механических свойств, обеспечивающих длительную и надёжную работу материала, иметь хорошие технологические свойства.
Стали являются достаточно недорогим материалом.
Свойства сталей соответствуют нашим требованиям к готовому изделию, и оно может быть изготовлено из данного материала.
2. Чугуны.
Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие углерода более 2,14%. Чугуны, содержащие менее 4,3% углерода, называются доэвтектическими, содержащие 4,3% - эвтектическими и содержащие более 4,3% - заэвтектическими [1, с. 54].
Чугун отличается от стали по технологическим свойствам - лучшими литейными качествами, малой способностью к пластической деформации. Чугун дешевле стали [3, с. 203].
Чугуны обладают более высокой твердостью, чем стали из-за большого наличия цементита, что одновременно повышает и хрупкость. Однако углерод в этих сплавах может присутствовать в виде графита.
В зависимости от того, в какой форме присутствует графит в сплаве, различают:
Ø Белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида.
Ø Серый чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме пластинчатого графита.
Ø Высокопрочный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита.
Ø Ковкий чугун, получающийся в результате отжига отливок из белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита [3, с. 180].
Ещё одним достоинством этого класса является более низкая цена по сравнению со сталями.
Недостатками чугунов являются: большая хрупкость, низкая упругость. Так как инструмент, который нам необходимо изготовить (кернер) работает в условиях ударных нагрузок, то использование данного материала нецелесообразно.
3. Сплавы цветных металлов.
а) На основе меди.
Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами называются бронзами.
Оловянистые бронзы (содержание олова до 20%) обладают хорошими литейными свойствами, высокой химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. Хорошо обрабатываются резанием. Являются дорогими. С очень высоким содержанием олова становятся очень хрупкими [1, с. 164].
Алюминиевые бронзы содержат 5 - 10% алюминия. Алюминиевые бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии. Обрабатываются давлением.
Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и являются более дешёвыми. Обладают высокой стойкостью против коррозии. Хорошие упругие характеристики, удовлетворительно обрабатываются резанием.
Бериллиевые бронзы содержат 2,0 - 2,5% бериллия. Дисперсионно - твердеющие сплавы, значительно повышают механические свойства в результате термической обработки.
Высокие прочность и упругость, стойкость против коррозии, хорошая свариваемость и обрабатываемость резанием. Применяется для изготовления ответственных деталей и инструментов.
Являются очень дорогими [1, с. 165].
Сплавы меди с цинком называются латунями.
Они обладают хорошей жидкотекучестью, достаточно дешевые, обладают небольшой усадкой. Хорошо обрабатываются резанием, обладают высокой коррозионной стойкостью, но с небольшой твердостью (120 НВ в деформированном состоянии). Различают деформируемые и литейные латуни.
б) На основе алюминия.
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, характеризуются не высокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью.
Дюралюминий хорошо деформируется в горячем и холодном состоянии. После закалки дюралюминий подвергают старению, что обеспечивает получение высоких прочности и твёрдости.
Сплавы авиаль, уступая по прочности дюралюминию, они обладают лучшей пластичностью в горячем и холодном состояниях [1, с. 167].
Силумины обладают высокой жидкотекучестью, имеют малую усадку.
в) На основе магния.
Магний относительно устойчив против коррозии лишь в сухой среде и при повышении температуры легко окисляется и даже самовоспламеняется. Магниевые сплавы применяют в авиационной промышленности, в машиностроении и радиотехнической промышленности [1, с. 168].
г) На основе титана.
Обладают хорошими литейными свойствами. Наличие азота и кислорода повышает прочность титана, но сильно снижает пластичность. Присутствие углерода снижает ковкость, ухудшает обрабатываемость резанием, свариваемость титана.
Титан обладает высокой коррозионной стойкостью в атмосфере, пресной и морской воде, в ряде кислот. Титан хорошо куётся и сваривается [1, с. 170].
Цветные металлы и сплавы обладают хорошей пластичностью, стойкостью в агрессивных средах, хорошей твёрдостью и упругостью, поэтому некоторые из них можно использовать для изготовления кернера.
4. Материалы порошковой металлургии.
Порошковая металлургия - отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые подвергают термической обработке - спеканию [4, с. 418].
Основа твёрдых сплавов - карбиды металлов, обладают высокой хрупкостью. Сплавы являются дорогими, поэтому их делают не цельными.
Твёрдые сплавы имеют высокие твердость 87 - 92 HRA (HRC = 2HRA - 104) и теплостойкость (800 - 11000С) [1, с. 137].
Твердые сплавы делятся на группы: вольфрамовая, титановольфрамовая, титанотанталовольфрамовая, безвольфрамовая.
Твёрдые сплавы применяют в основном для изготовления режущего инструмента. Они дорогие и требуют специального оборудования, как для изготовления, так и для защиты от вредного воздействия, так как для улучшения механических свойств в них добавляют измельчённые легирующие элементы.
5. Неметаллические материалы.
Значительное место в промышленности занимают различные неметаллические материалы – пластмассы, керамика, резина. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико. Достоинствами неметаллических материалов является высокая механическая прочность, высокие электроизоляционные характеристики, оптическая прозрачность, высокая эластичность, химическая стойкость, морозостойкость, износостостойкость. Недостатками же является низкая твердость, низкая ударная вязкость, склонность к старению.
Поскольку твёрдость и ударная вязкость являются основными требованиями к изготовляемому инструменту, изготовление кернера из неметаллических материалов нецелесообразно.
Таким образом, для изготовления кернера выберем углеродистую инструментальную, низколегированную инструментальную стали, а также быстрорежущую сталь.
22
Уточнение химического состава
Таблица 3
Основные характеристики материала
Уточнение химического состава
Таблица 3
Основные характеристики материала
| Марка материала | Название. | Химический состав. | Механические свойства. | Технол. св-ва. | ТО | Область применения. | ||
| σв; МПа | δ5;% | HRC | ||||||
| Р6М5 | Быстрорежущая инструментальная сталь | С: 0,82 - 0,90 W: 5,5 - 6,5 Мо: 4,8 - 5,3 Cr: 3,8 - 4,4 V: 1,7 - 2,1 Со: < 0,5 | -/- | -/- | 63 - 65 | Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. | Закалка 12200С масло. Отпуск 5500С | Для всех видов режущ. инструм., инструм. работающ. с ударными нагрузками. |
| У8А | Углеродистая инструментальная сталь | С:0,75 - 0,84 Mn:0,15 - 0,4 Cr:< 0,15 Si: 0,17 - 0,33 | 1420 | 10 | 62 - 63 | Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. | Закалка 7700С вода. Отпуск 1700С | Инструмент подвергающийся ударам и толчкам (зубила, клейма, кернеры). |
| 8ХФ | Низколегированная инструментальная сталь | С: 0,7 - 0,8 Si: 0,1 - 0,4 Mn:0,15- 0,45 Cr: 0.4 - 0.7 V: 0.15 - 0.3 | -/- | -/- | 61 - 63 | Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. | Закалка 8300С вода. Отпуск 2200С | Для штемпелей при холодной работе, ножей при холодной резке Ме, обрезке заусенцев, кернеров. |
| 15ХФ | Хромованадиевая сталь | С:0,12 - 0,18 Si: 0,17 - 0,37 Mn:0,4 - 0,7 Cr:0,8 - 1,1 V: 0,06 - 0,12 Ni:0.3; Cu:0,3 | 750 | 13 | 63 - 64 | Жидкотекучесть, закаливаемость, прокаливаемость. | Закалка 7900С вода. Отпуск 1800С | Применяют для небольших деталей машин (зубч. колёса, поршневые пальцы, плунжеры). |
24
Изучив все марки материалов, проанализируем достоинства и недостатки каждой (табл. 4).
Таблица 4
Достоинства и недостатки материалов
1.6. Выбор материала
На основе сравнения свойств четырёх выбранных нами марок сталей можно сделать вывод, что для изготовления кернера наиболее оптимальным материалом является сталь У8А, так как она удовлетворяет нашим требованиям и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими:
Ø Низкой стоимостью
Ø Простая термическая обработка
Ø Необходимый и достаточный комплекс характеристик (твёрдость, прочность, ударная вязкость) который необходим нам в готовом изделии.
1.7. Термическая обработка
Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении [5, с. 5].
Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава [3, с. 227].
Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения [5, с. 171].
Скорость охлаждения должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения [5, с. 171].
Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава [3, с. 227].
Материалом для нашего изделия была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А.
В данной стали содержится 0,8 % С, она является эвтектоидной (рис. 14)
Рис. 14. Расположение стали У8А на диаграмме железо - цементит
В нашем случае мы будем делать полную закалку. Этот процесс достигается нагревом стали на 30 - 500С выше критической точки Ас1 и быстрым охлаждением в воде. Температура закалки будет равна 7700С. Время выдержки будет складываться из времени, необходимого для того, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В результате закалки получаем мартенситную (М) структуру с остаточным аустенитом (Аост).
Далее проведём высокотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 500 - 6500С. Его мы выполняем с целью получения структуры сорбита отпуска (Сотп.) твёрдость которого 20 - 30 HRC, а также снижения внутренних напряжений и получения максимальной вязкости.
Полученная нами твёрдость не устраивает нас, поэтому дальше мы проведём поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ). Мы выбрали закалку ТВЧ, поскольку можно регулировать глубину закалённого слоя частотой и временем, а также, потому что при закалке на поверхности детали практически отсутствует окисление.
Температура нагрева будет составлять 760 - 7700С, охлаждение будем проводить в воде. Время нагрева должно быть небольшим, поскольку диаметр кернера невелик.
Далее проведём низкотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 150 - 2000С. Его мы выполняем с целью получения структуры мартенсита отпуска (Мотп) твёрдость которого 64 HRC, присутствуют внутренние напряжения.
Таким образом, мы получили сердцевину структура, которой Сотп, твердость в пределах 20 - 30 HRC и максимальная вязкость, которая будет способствовать сопротивлению ударной нагрузке. Поверхность же нашего изделия имеет структуру Мотп твердость, которого 64 HRC, это будет способствовать проникновению кернера в материал заготовки.
Схему термической обработки стали У8А представим на рис. 15.
Рис. 15. Термическая обработка стали У8А
Структуру стали, после термообработки представим на рис. 16., где
а - структура сердцевины (Сотп.), б - структура поверхности (Мотп).
Рис. 16. Структура стали, после термообработки
2. Заключение
3.
Целью нашей работы был подбор материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял ряду требований (срок службы, себестоимость, технология изготовления).
Нами была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А, мы провили её термическую обработку, чтобы она полностью удовлетворяла нашим требованиям.
При выполнении курсовой работы мы закрепили, обобщили и научились применять на практике полученные нами в курсе «Материаловедение» теоретические знания.
Список литературы
1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.
2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1983, 348 с.
3. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 648 с.
4. Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова и др.; Под общ. ред. Дальского А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с., ил.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Металлургия, 1978. 392 с.
6. Гелин Ф.Д. Металлические материалы: справ. - Мн.: Высш. шк., 1987. - 368 с.
7. Журавлёв В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.
8. Щербаков Н.Н. Оборудование школьных мастерских средствами малой механизации: Пособие для учителя (Из опыта работы). - М.: Просвещение, 1983. - 127 с., ил.
Изучив все марки материалов, проанализируем достоинства и недостатки каждой (табл. 4).
Таблица 4
Достоинства и недостатки материалов
| Свойства | Р6М5 | У8А | 8ХФ | 15ХФ |
| Коррозионная стойкость | средняя | низкая | средняя | средняя |
| не являются коррозионно-стойкими | ||||
| Твёрдость в ТО состоянии | высокая | высокая | высокая | высокая |
| Прочность в ТО состоянии | высокая | ниже чем у Р6М5, но выше чем у 8ХФ и 15ХФ | ниже, чем у сталей Р6М5;У8А | |
| Ударная вязкость | средняя | выше среднего | ||
| Жидкотекучесть | средняя | |||
| Термическая обработка | сложная | простая | простая | простая |
| Стоимость | высокая | низкая | дороже У8А, дешевле Р6М5 | |
На основе сравнения свойств четырёх выбранных нами марок сталей можно сделать вывод, что для изготовления кернера наиболее оптимальным материалом является сталь У8А, так как она удовлетворяет нашим требованиям и обладает рядом преимуществ по сравнению с другими:
Ø Низкой стоимостью
Ø Простая термическая обработка
Ø Необходимый и достаточный комплекс характеристик (твёрдость, прочность, ударная вязкость) который необходим нам в готовом изделии.
1.7. Термическая обработка
Термической обработкой называют процесс обработки изделий из металлов и сплавов путём теплового воздействия с целью изменения их структуры и свойств в заданном направлении [5, с. 5].
Закалка - термическая операция, состоящая в нагреве выше температуры превращения с последующим достаточно быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава [3, с. 227].
Температура нагрева и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли необходимые структурные изменения [5, с. 171].
Скорость охлаждения должна быть достаточно велика, чтобы при понижении температуры не успели пройти обратные фазовые превращения [5, с. 171].
Отпуск - термическая операция, состоящая в нагреве закалённого сплава ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава [3, с. 227].
Материалом для нашего изделия была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А.
В данной стали содержится 0,8 % С, она является эвтектоидной (рис. 14)
Рис. 14. Расположение стали У8А на диаграмме железо - цементит
В нашем случае мы будем делать полную закалку. Этот процесс достигается нагревом стали на 30 - 500С выше критической точки Ас1 и быстрым охлаждением в воде. Температура закалки будет равна 7700С. Время выдержки будет складываться из времени, необходимого для того, чтобы произошли необходимые структурные изменения. В результате закалки получаем мартенситную (М) структуру с остаточным аустенитом (Аост).
Далее проведём высокотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 500 - 6500С. Его мы выполняем с целью получения структуры сорбита отпуска (Сотп.) твёрдость которого 20 - 30 HRC, а также снижения внутренних напряжений и получения максимальной вязкости.
Полученная нами твёрдость не устраивает нас, поэтому дальше мы проведём поверхностную закалку токами высокой частоты (ТВЧ). Мы выбрали закалку ТВЧ, поскольку можно регулировать глубину закалённого слоя частотой и временем, а также, потому что при закалке на поверхности детали практически отсутствует окисление.
Температура нагрева будет составлять 760 - 7700С, охлаждение будем проводить в воде. Время нагрева должно быть небольшим, поскольку диаметр кернера невелик.
Далее проведём низкотемпературный отпуск с нагревом до температур в интервале 150 - 2000С. Его мы выполняем с целью получения структуры мартенсита отпуска (Мотп) твёрдость которого 64 HRC, присутствуют внутренние напряжения.
Таким образом, мы получили сердцевину структура, которой Сотп, твердость в пределах 20 - 30 HRC и максимальная вязкость, которая будет способствовать сопротивлению ударной нагрузке. Поверхность же нашего изделия имеет структуру Мотп твердость, которого 64 HRC, это будет способствовать проникновению кернера в материал заготовки.
Схему термической обработки стали У8А представим на рис. 15.
Рис. 15. Термическая обработка стали У8А
Структуру стали, после термообработки представим на рис. 16., где
а - структура сердцевины (Сотп.), б - структура поверхности (Мотп).
Рис. 16. Структура стали, после термообработки
2. Заключение
3.
Целью нашей работы был подбор материал для изготовления кернера так, чтобы он удовлетворял ряду требований (срок службы, себестоимость, технология изготовления).
Нами была выбрана углеродистая инструментальная сталь У8А, мы провили её термическую обработку, чтобы она полностью удовлетворяла нашим требованиям.
При выполнении курсовой работы мы закрепили, обобщили и научились применять на практике полученные нами в курсе «Материаловедение» теоретические знания.
Список литературы
1. Адаскин А.М., Зуев В.М. Материаловедение (металлообработка): Учебник для нач. проф. образования: Учеб. пособие для сред. проф. образования - 3-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.
2. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. Методы анализа, лабораторные работы и задачи. - М.: Металлургия, 1983, 348 с.
3. Гуляев А. П. Металловедение. Учебник для вузов. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1977. 648 с.
4. Дальский А.М., Арутюнова И.А., Барсукова и др.; Под общ. ред. Дальского А.М. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. - 448 с., ил.
5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. Учебник. Изд. 3-е, испр. и доп. - М.: Металлургия, 1978. 392 с.
6. Гелин Ф.Д. Металлические материалы: справ. - Мн.: Высш. шк., 1987. - 368 с.
7. Журавлёв В.Н., Николаева О.И. Машиностроительные стали: Справочник. - 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 480 с.: ил.
8. Щербаков Н.Н. Оборудование школьных мастерских средствами малой механизации: Пособие для учителя (Из опыта работы). - М.: Просвещение, 1983. - 127 с., ил.
