ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ГОУВПО «ВГТУ»)
Физико-технический факультет

Кафедра материаловедения и физики металлов
КУРСОВАЯ РАБОТА
по дисциплине «Физическое материаловедение»

Тема «Выбор материала для поршня двигателя внутреннего сгорания, работающего при температурах до  С»

Расчетно-пояснительная записка
Разработал(а) студент(ка)                                                               И.В.Кузнецова

                                                                              Подпись, дата                                  Инициалы, фамилия

Руководитель                                                                                      Д.Г.Жиляков

                                                                                Подпись, дата                                Инициалы, фамилия

Члены комиссии                          _______________________________________

                                                                             Подпись, дата                                    Инициалы, фамилия

                                                   _______________________________________


                                                                             Подпись, дата                                    Инициалы, фамилия

Нормоконтролер                          _________________________________________


                                                                              Подпись, дата                                    Инициалы, фамилия
Защищена ___________________ Оценка _____________________________

                                                     дата
2009

ГОУ ВПО Воронежский государственный технический университет

Кафедра материаловедения и физики металлов
Задание на курсовую работу

Выбрать материал для поршней двигателей внутреннего сгорания, работающих при температурах до С

В содержании курсовой работе по обоснованному выбору материала для указанного изделия должны быть отражены следующие этапы:

1 Анализ условий работы материала в изделии и комплекс технических требований к нему.

2 Поиск и обоснование выбора материала на основе заданных параметров прочности и пластичности.

3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств, контроля качества термообработки.

4 Установление режимов при термообработке, обеспечивающих достижение заданных свойств.

5 Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения.

6 Оценка показателей (технических, технологических, эксплуатационных и др.) выбранного материала.
Руководитель                                                                                           Д.Г.Жиляков

                                                         Подпись, дата                          Инициалы, фамилия

Задание приняла студентка                                                                            
И.В.Кузнецова                                                                   

                                                                                  Подпись, дата                         Инициалы, фамилия

Дата выдачи задания       _______________________________________________________

Дата сдачи курсовой работы ___________________________________________________

Дата защиты_________________________________________________________


     Замечания руководителя
         Содержание
Задание на курсовую работу                                                                                 2

Замечания руководителя                                                                                             3

Введение                                                                                                                5

1 Анализ условий работы материала и комплекс технических требований

к нему                                                                                                                    6

2 Поиск и обоснованный выбор материала на основе заданных параметров              8

3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств

материала                                                                                                                     12

4 Установление режимов термообработки, ТМО, обеспечивающих

достижение заданных свойств                                                                                     14

5 Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их

предотвращения или устранения                                                                        16

6 Оценка показателей выбранного металла                                                        18

Заключение                                                                                                                   19

Список литературы                                                                                            20
 
Введение
Выбор материала для производства определенных деталей, а также метод их упрочнения, определяются в первую очередь условиями работы деталей, величиной и характером напряжений, возникающих в процессе эксплуатации, а также размерами и формами деталей. Для определения механических свойств материалов проводят механические испытания, которые с наибольшей полнотой будут характеризовать надежность работы соответствующих изделий в заданных условиях службы.

Курсовая работа связана с практической проблемой выбора материала, способа его обработки и контроля качества на всех этапах. Выполнение этой задачи не только закрепит полученные теоретические знания, но и поможет приобрести практические навыки.
1 Анализ условий работы материала и комплекс технических требований к нему

          

           Поршень - в двигателе внутреннего сгорания - деталь, предназначенная для циклического восприятия давления расширяющихся газов и преобразования его в поступательное механическое движение, воспринимаемое далее кривошипно-шатунным механизмом. Как правило, оснащён поршневыми кольцами для улучшения герметичности системы цилиндр - поршень. В поршневых компрессорах для воздуха, фреона или другого газа его роль прямо противоположная - приводимый в движение кривошипно-шатунным механизмом, поршень сжимает газ, поступивший в камеру на этапе впуска газа.

        Сложная конфигурация поршня, быстро меняющиеся по величине и направлению тепловые потоки, воздействующие на его элементы, приводят к неравномерному распределению температур по его объему и, как следствие, к значительным переменным по времени локальным термическим напряжениям и деформациям.

Во-первых поршень, перемещаясь в цилиндре, позволяет расширяться сжатым газам, продукту горения топлива, и совершать механическую работу. Следовательно, он должен сопротивляться высокой температуре, давлению газов и надежно уплотнять канал цилиндра. Во-вторых , представляя собой вместе с цилиндром и поршневыми кольцами линейный подшипник скольжения, он должен наилучшим образом отвечать требованиям пары трения с целью минимизировать механические потери и, как следствие, износ. В-третьих, испытывая нагрузки со стороны камеры сгорания и реакцию от шатуна, он должен выдерживать механическое воздействие. В-четвертых, совершая возвратно-поступательное движение с высокой скоростью, должен как можно меньше нагружать кривошипно-шатунный механизм инерционными силами.

         Существенным моментом в конструкции, как мы выяснили, является материал, из которого поршень изготовлен.

          К материалам, применяемым для изготовления поршней автотракторных двигателей, предъявляются следующие требования: высокая механическая прочность; малая плотность; хорошая теплопроводность; малый коэффициент линейного расширения; высокая коррозионная стойкость; хорошие антифрикционные свойства[1].
           
 2 Поиск и обоснованный выбор материала на основе заданных параметров
             Из анализа условий работы детали и комплекса требований к нему, а также его экономических показателей известно, что для изготовления поршней в настоящее время в основном используют алюминиевые сплавы, реже серый чугун, а также композиционные материалы, и в отдельных случаях стали.

  Рассмотрим в качестве возможного материала следующие марки сплавов: Д16 , АК4-1,СЧ-45, 20Х3МВФ, 03Н18К9М5Т                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                      

Химический состав данных сплавов указан в таблицах 1,2 и 3

Таблица 1.Химический состав алюминиевых сплавов

Сплав	Содержание элементов в %
	Сu	Mg	Mn	Si	Fe	Ni	Zn	Ti
Д16	3,8-4,5	1,2-1,8	0,3-0,9	0,5	0,5	0,1	0,3	0,1
АК4-1	1,9-2,5	1,4-1,8		0,35	0,8-1,3	0,8-0,3	0,3	0,02-0,1

Таблица 2.Химический состав сталей

Сплав	Содержание элементов в %
	С	Сr	Mo	Co	W	Ni	V	Ti
20ХМВФ	0,15-0,23	2,8-3,3	0,35-0,55		0,3-0,5		0,6-0,85
03Н18К9М5Т	0,03		5	9		18		0,9

Таблица 3. Химический состав чугуна

Сплав	Содержание элементов в %
	С	Mn	Si	S	P
СЧ-45	3,3-3,6	0,6-0,8	1,8-2,2	0,2	0,15

Механические свойства материалов в состоянии поставки можно увидеть в таблице 4
Таблица 4 Механические свойства материалов

Сплав	(МПа)	(МПа)	(%)	HRC	KCU(кДж/)
Д16	440	330	18	16	180
АК4-1	420	420	12	15	200
20ХМВФ	540	500	11	55	600
03Н18К9М5Т	2100	1900	8	66	500
СЧ-45	267	215	2,3	25	160

       Проанализируем свойства материалов :      

 Алюминиевые сплавы имеют малую плотность, что позволяет снизить массу поршня и, следовательно, уменьшить инерционны нагрузки на элементы цилиндропоршневой группы. При этом упрощается также проблема уменьшения термического со противления элементов поршня, что в сочетании с хорошей теплопроводностью, свойственной данным материалам, позволяет уменьшать теплонапряженность деталей поршневой группы. К положительным качествам алюминиевых сплавов следует отнести малые значения коэффициента трения в паре с чугунными или стальными гильзами.

Для улучшения физико-механических свойств силуминов в них вводят различные легирующие добавки. добавка в алюминиево-кремниевый сплав до 6% меди приводит к повышению усталостной прочности, улучшает теплопроводность, обеспечивает хорошие литейные качества и, следовательно, меньшую стоимость изготовления. Однако при этом несколько снижается износостойкость поршня. Использование в качестве легирующих добавок натрия, азота, фосфора увеличивает износостойкость сплава. Легирование никелем, хромом, магнием повышает жаропрочность и твердость конструкции.                         Заготовки поршней из алюминиевых сплавов получают путем отливки в кокиль или горячей штамповкой. После механической обработки они подвергаются термической обработке для повышения твердости, прочности и износостойкости, а также для предупреждения коробления при эксплуатации.

Однако поршням из алюминиевых сплавов присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, меньшая, чем у чугунных поршней износостойкость, сравнительно большая стоимость. А так же их следует исключить из списка, по причине того, что работа поршней из алюминиевых сплавов не возможна при заданной нам температуре

С [3].

           Поршни, изготовленные из жаропрочного алюминиевого                                                                      сплава АК4-1, отличающихся высокими прочностными свойствами при повышенных температурах. Несмотря на то, что масса поршней из алюминиевого сплава меньше массы поршней из чугуна, последний также применяется для изготовления поршней быстроходных двигателей

Серый чугун в качестве материала для поршней по сравнению с алюминиевым сплавом обладает следующими преимуществами: более высокими твердостью и износостойкостью, жаропрочностью, одинаковым коэффициентом линейного расширения с материалом гильзы. Последнее позволяет существенно уменьшить и стабилизировать по режимам работы зазоры в сочленении юбка поршня - цилиндр. При повышенной по сравнению с алюминиевыми сплавами температуре плавления чугуна, устраняется обгорание кромок на поверхностях, обращенных к камере сгорания.

Однако большая плотность не позволяет использовать его широко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей. Данный недостаток может быть частично нивелирован включением в структуру чугуна шаровидного графита, что позволяет отливать элементы поршня существенно меньшей толщины.

           На изготовление из стали переходят, если максимальная температура в наиболее нагретых зонах поршня превышает ориентировочно С  . В ряде случаев (накладки поршней двухтактных двигателей) применяют высоколегированные жаропрочные стали. В частности  в составных поршнях для изготовления головки применяют жаропрочные стали типа 20ХЗМВФ[3].

Сталь 20Х3МВФА - конструкционная теплостойкая   высококачественная сталь.  Она  относится  к  перлитному  классу  и  выплавляется в открытых электрических  печах,   методами   электрошлакового   и   вакуумно-дугового переплава.  Сталь  хорошо   деформируется   в   горячем   состоянии.   Сталь удовлетворительно обрабатывается резанием.

Перлитные стали широко применяют благодаря невысокой стоимости,  технологичности и удовлетворительной жаропрочности, которая обеспечивается выбором рационального химического состава и полученной в результате термической обработки структуры легированного феррита с равномерно распределенными в нем частицами карбидов.

Сталь 03Н18К9М5Т – это сталь особого класса высокопрочных материалов, превосходящих по конструкционной прочности и технологичности среднеуглеродистые стали. Она обладает неограниченной прокаливаемостью, хорошо сваривается, до старения легко деформируется и обрабатывается резаньем. При термической обработке не происходит коробления и исключено обезуглероживание. Но, не смотря на все эти преимущества, с экономической точки зрения использование этой стали очень не выгодно, так как она имеет значительно высокую стоимость из за легирующих элементов (в частности Ni). 

Исходя из изложенного, рассмотрим далее сталь 20Х3МВФ, так как она наиболее соответствует заданным свойствам [4].
3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материала

           

С целью определения структуры и свойств стали 20Х3МВФ необходимо провести: металлографические и рентгенографические исследования, а также испытания на растяжение, ударную вязкость, прокаливаемость.

  В практике металлографического анализа оценивают фазовый состав сплава. Наиболее объективную характеристику структуры можно получить, применив количественные методы оценки: линейный метод Розиваля и точечный метод Глаголева. Для количественного анализа микроструктуры используют количественные телевизионные микроскопы (КТМ), которые представляют собой телевизионный микроскоп, снабженный автоматическим счетным приспособлением, позволяющим упростить и ускорить процесс счета микрочастиц. На приборе КТМ можно определять процент площади, занимаемой определенной фазой, среднее число зерен, оценивать распределение частиц по группам крупности.

Также в металлографическом анализе определяют величину зерна в сталях. Размеры зерна определяются характером и технологией производства сталей (температурой литья, скоростью разливки, скоростью охлаждения и т. д.), а также различными видами последующих обработок: горячей деформацией и термообработкой. Для измерения величины зерна при контрольных испытаниях, чаще всего применяют метод сравнения. Шлиф  изучают под микроскопом при увеличении  и сравнивают величину зерна с эталонным изображением на шкале. На эталонных шкалах приведены микроструктуры с различной величиной зерна, оцениваемой номером или баллом при увеличении .

Основной задачей рентгеноструктурного анализа является определение расположения атомов в кристалле. Специфической особенностью этого метода является необходимость использования расчетного и экспериментального справочного материала. Аппаратурой для съемки образцов являются дифрактометры. Наиболее распространенные из них – ДРОН 2,0 и ДРОН 3,0. Эти аппараты позволяют применять различные варианты хода рентгеновских лучей при съемке, менять детекторы, использовать различные методы регистрации дифракционной картины.

При испытании на растяжение тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины (Р-10), которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. Предел прочности при растяжении -это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания.

 Одним из самых важных видов динамических испытаний – испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).

         Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. Это испытание проводится с помощью твердомеров. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость – очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии.

Простейшей характеристикой прокаливаемости является глубина прокаливаемости изделия в определенном охладителе. Ее определяют методом пробной закалки по излому, макрошлифу и распределению твердости в сечении изделия [5].

4 Установление режимов термообработки, ТМО, обеспечивающих достижение заданных свойств
Рассмотрим влияние легирующих элементов на структуру и свойства стали.

Хром (Cr) понижает температуру начала мартенситного превращения (Мн) и увеличивает содержание аустенита остаточного. Хром является карбидообразующим элементом: при взаимодействии с углеродом образуются карбиды Cr7C3; Cr26C3, растворяющиеся при нагреве. Хром сильно увеличивает прокаливаемость и снижает критическую скорость закалки. Хром увеличивает прочность, при содержании более 1% снижает пластичность и ударную вязкость.

Молибден (Mo) в комбинации с другими элементами, например с хромом, способствует увеличению прочности при повышенных температурах. Этот  элемент, повышая твёрдость и прочность, не снижает пластичность и вязкость.

Вольфрам (W) сильнее хрома повышает устойчивость стали против отпуска. Вольфрам отрицательно влияет на теплопроводность стали.

Ванадий (V) является сильным карбидообразующим элементом, способен упрочнять твёрдый раствор. При взаимодействии с углеродом ванадий образует карбид VC.

Зная, влияние легирующих элементов на структуру и свойства сталей и основных принципов химико-термической и термической обработки различных сталей и сплавов, можно рекомендовать следующий режим для стали 20Х3МВФ:

 Нормализация при температуре С, закалка (С) в масло и высокий отпуск при температуре 670-С, охлаждение с печью до С. Прочность стали при нормализации становится выше, так как во время этого процесса подавляется выделение избыточной фазы феррита или вторичного цементита.

 Во время закалки в масло, уменьшая скорость охлаждения в области мартенситного превращения, тем самым стремятся уменьшить структурные напряжения. После высокого отпуска сталь имеет структуру сорбита. Качество закалки сильно сказывается на свойствах стали после отпуска. Деталь должна прокаливаться насквозь. После такого комплексного процесса  материал  имеет стабильную структуру и достаточно прочную поверхность, что позволяет ему  хорошо сопротивляться износу.

Сталь 20Х3МВФ после данного режима имеет свойства: =390 МПа,    =400 МПа, =18%, KCU=98 кДж/, НRC= 60.

Из приведенных данных следует, что сталь 20Х3МВФ обеспечивает (с некоторым запасом) технические требования, изложенные в задаче по выбору материала для поршня работающего при температурах до.




           5 Анализ возможных дефектов при термообработке и способы их предотвращения или устранения
 Достигнутые механические свойства, обеспечивающие надёжную и долговечную работу изделия, возможны только при точном соблюдении технологических режимов его изготовления и термической обработки. При изготовлении материалов необходимо строго следить за химическим составом.

Время выдержки при температуре закалки, необходимое для растворения интерметаллидных фаз, зависит от структурного состояния сплава, типа печи и толщины изделия. Скорость охлаждения при закалке должна быть выше критической, под которой понимают наименьшую скорость охлаждения, не вызывающую распад твердого раствора.

Нарушение режимов нагрева под закалку приводит к снижению прочности и твердости закаленной стали из-за наличия феррита в структуре (недогрев), или укрупнению зерна (перегрев), прежогу и обезуглероживанию. Наличие этих дефектов обнаруживается металлографически. Недогрев и перегрев устраняются повторным нагревом до оптимальной температуры закалки. После пережога и обезуглероживания изделия отправляются на переплав. При закалке важно обеспечить нормальную скорость охлаждения, поэтому охлаждение проводят масле. Даже незначительный распад твердого раствора в процессе охлаждения с выделением интерметаллидных фаз по границам зёрен снижает сопротивление межкристаллитной коррозии.

Брак по недогреву при отпуске не обеспечивает необходимой вязкости, а перегрев – определенного уровня прочности. Это означает, что нарушение температурных режимов  при отпуске приводит к неблагоприятному сочетанию параметров прочности и пластичности. Устранение брака при отпуске достигается или подогревом (при недогреве), или повторением операций закалка – отпуск с соблюдением режимов (при перегреве).

Во избежание необратимой отпускной хрупкости легированных стали охлаждение после отпуска следует проводить в печи.

Таким образом, достижение заданных эксплуатационных характеристик достигается только при строгом выполнении всех режимов в процессах изготовления и упрочняющей термической обработки изделия.
        
6 Оценка показателей выбранного металла
Окончательный выбор материала осуществлен с учетом основного экономического критерия – стоимости материала и технологичности изготовления детали.

Рассмотрев ряд материалов для изготовления поршня, мы видим, что алюминиевые сплавы Д16 и АК4-1 следует исключить и списка, так как им  присущ ряд серьезных недостатков, основными из которых являются невысокая усталостная прочность, уменьшающаяся при повышении температуры, высокий коэффициент линейного расширения, не значительная износостойкость, сравнительно большая стоимость. А также работа поршней из алюминиевых сплавов не возможна при заданной нам температуре С [3].

Серый чугун СЧ-4 не подходит по причине большой плотности, которая не позволяет использовать его широко для поршней высокооборотных автомобильных двигателей.

Сталь 03Н18К9М5Т, не смотря на все свои преимущества, с экономической точки зрения очень не выгодна. 

Следовательно среди пяти предлагаемых материалов Д16 , АК4-1,СЧ-45, 20Х3МВФ, 03Н18К9М5Т заданному условию и экономическим требованиям  соответствует только конструкционная теплоустойчивая сталь 20Х3МВФ.
Заключение
Выбор сплава осуществлялся исходя из условия задания подбора пяти возможных материалов (Д16, АК4-1, СЧ-45, 20Х3МВФ, 03Н18К9М5Т), подходящим по технологическим, техническим, эксплуатационным и в особенности экономическим требованиям. С учетом всех этих требований для поршня двигателя внутреннего сгорания, работающего при температурах до С, была выбрана  жаропрочная сталь 20Х3МВФ.
Список литературы
1 Лахтин Ю.М. Материаловедение: учебник / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1980. – 494 с.

          2 Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина – М.: Машиностроение, 1989. – 639 с.

3 Новиков И.И.Теория термической обработки металлов. – М.: Металлургия, 1986. – 480 с.

4 Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин Материаловедение: учебник для вузов /.; под ред. Б.Н. Арзамасова, Г.Г. Мухина. – 5-е изд., стереотип. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2005. – 648 с.

5 Белихов А.Б. Основы практической металлографии: учебное пособие /

Белихов А.Б., Белкин П.Н.-Кострома:КГУ,2006.-64с.