15. 03. 01 Машиностроение
 Скачать 68.83 Kb.
|
|
ВВЕДЕНИЕ В соответствии с утвержденными учебными планами курс «Материаловедение» входит в блок общепрофессиональных дисциплин трех направлений подготовки бакалавров: - 15.03.01 «Машиностроение»; - 15.03.02 «Технологические машины и оборудование»; - 15.03.04 – Автоматизация технологических процессов и производств Дисциплина преподается в первом и втором семестре по единой методике, состоящей из лекционного цикла, лабораторных и практических работ и курсовой работы. Цель дисциплины - предоставить студенту комплекс современных знаний по материаловедению, применяемых в машиностроительном производстве. Основными задачами дисциплины является: - предоставить студенту комплекс знаний о химическом составе и строении конструкционных материалов и их влиянии на механические и эксплуатационные свойства металлов и сплавов; - дать студенту представление о современных способах формирования у конструкционных материалов заданного комплекса механических и эксплуатационных свойств: деформационном упрочнении, термической, химико-термической обработке, легировании и др.; - сформировать у студента устойчивые навыки проведения исследования строения материалов, оценки и анализа результатов исследований, обоснованного выбора конструкционных материалов и управления их механическими свойствами. Основной целью курсовой работы является закрепление знаний теоретического курса и лабораторных и практических работ в области выбора состава и строения металлических конструкционных материалов и методов придания материалам заданных свойств. В процессе выполнения курсовой работы студент должен овладеть методикой разработки технологических процессов термической обработки стали и микроструктурного анализа. При выполнении курсовой работы студент должен проявить максимум самостоятельности в решении поставленной задачи, подготовив себя к выполнению последующих курсовых проектов и выпускной бакалаврской работы. За качество работы и выполнение ее в срок отвечает студент. Содержание курсовой работы должно точно соответствовать установленному варианту задания и методической последовательности изложения, приведенной в данном учебно-методическом пособии. Работы, выполненные в произвольной форме и не соответствующие заданию, к рассмотрению не принимаются. Тематика курсовой работы Прогресс в современной машиностроительной отрасли связан с созданием машин и оборудования, способных работать в сложных природных условиях, под воздействием различных технологических параметров (нагрузка, давление, температура, среда). Успешное проектирование, изготовление и эксплуатация всего комплекса машиностроительного оборудования невозможно без знаний широкой номенклатуры современных сталей и чугунов - от углеродистых до высоколегированных сталей, от сталей обыкновенного качества до особо высококачественных, от серых до легированных высокопрочных чугунов, материалов способных улучшать свои свойства в процессе термической, термомеханической и химико-термической обработки. В зависимости от назначения сталям предъявляют различные требования. Некоторые из них должны отличаться высокой прочностью, другие – пластичностью, высокой износостойкостью, сопротивлением усталости и коррозии. Получение тех или иных свойств определяются структурой. В свою очередь строение стали зависит от состава и характера предварительной обработки, следовательно, между всеми этими характеристиками существуют определенные связи: между химическим составом и строением (первая связь), между обработкой и строением (вторая связь), между строением и свойствами (третья связь). С помощью термической обработки можно придавать различные значения свойствам стали без изменения ее химического состава. Темой работы является разработка технологического процесса термической, химико-термической, термомеханической обработки сталей и чугунов различного состава применительно к условиям работы заданных деталей машин и оборудования общемашиностроительных и нефтегазовой отраслей промышленности. Исходные данные для курсовой работы приведены в Приложении 1. Различные операции термической обработки характеризуются следующими элементами: скоростью нагрева, температурой максимального нагрева, продолжительностью выдержки при температуре нагрева, скоростью охлаждения. В свою очередь изменение значения свойств сталей при проведении термической обработки объясняется изменением внутреннего строения, которое испытывает железоуглеродистый сплав при его нагревании и охлаждении. Структура курсовой работы Задание на курсовую работу студенты получают на 8-й неделе обучения в весеннем семестре 1 курса. Выполнение курсовой работы в срок признается в случае, если она защищена не позднее окончания экзаменационной сессии 1 курса. Преподаватель при выдаче задания на курсовую работу закрепляет за студентом номер задания в соответствии с номером студенческого билета. Расчетно-пояснительная записка (РПЗ) курсовой работы печатается без рамки на одной стороне листа формата А4 шрифтом Times New Roman, размер 14, полуторный интервал, выравнивание абзацев по ширине, абзацные отступы – 1,25 или 1,27 см, автоматическая расстановка переносов, левое поле – 25 мм, правое – 10 мм, верхнее и нижнее – по 20 мм, нумерация страниц в правом верхнем углу. Рисунки, таблицы, формулы нумеруются в пределах раздела (номер раздела и номер рисунка, таблицы или формулы, разделенные точкой, например: 3.2). Структура РПЗ является типовой, рекомендуемый объем – 10-20 страниц. В РПЗ должны быть представлены следующие последовательно расположенные разделы: - титульный лист (пример оформления приведен в Приложении 2); - задание; - аннотация; - содержание, которое включает в себя следующие разделы: - оглавление; - введение; - аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств; - разработка технологического процесса термической обработки стали: выбор температуры закалки, описание влияния легирующих элементов на превращения при нагреве и охлаждении, определение температуры отпуска; - выводы; - список использованной литературы. 3 Содержание курсовой работы Аннотация должна кратко отражать основное содержание работы. В ней указывается тема работы, год защиты, фамилия студента, дается краткая характеристика работы, ее задачи и сущность, а также сведения о технических результатах. Во введении приводятся сведения по заданным характерным размерам детали, области её применения, условиям работы и требования к механическим свойствам, которые должны обеспечить заданные эксплуатационные характеристики. Аналитический обзор предусматривает обоснованный выбор группы сплавов и их обработки, обеспечивающий в наибольшей степени надежность заданного объекта в условиях эксплуатации. Требуется проанализировать условия работы детали, конструкции и др., выяснить напряженное состояние, которое возникает в них в заданных условиях, возможные виды разрушения и другие причины выхода из строя. Далее надо определить группу сплавов (например, конструкционных сталей общего назначения, инструментальных сталей и т.п.), обладающих свойствами, близкими к требуемым. В данном разделе необходимо привести химический состав выбранных сталей или чугунов, их механические и технологические свойства в состоянии поставки, критические точки Ас1 и Ас3, дать описание исходной микроструктуры в условиях поставки. В процессе анализа могут уточняться и дополняться исходные данные, приведенные в техническом задании. Для поиска требуемых данных можно воспользоваться приведенной в методическом пособии литературой, а также интернет ресурсами. В основном разделе курсовой работы необходимо осуществить на основе проведенного анализа технически и экономически обоснованный выбор сплава, разработать, в соответствии с техническим заданием, технологический процесс его термической или др. обработки, обеспечивающей заданные эксплуатационные свойства. Технологическая схема процесса должна соответствовать маршруту изготовления, то есть содержать последовательность выполняемых этапов и операций. Термическая обработка (термообработка) - процесс изменения структуры при нагревании и последующем охлаждении с определенной скоростью. Определение режимных параметров термообработки опирается на научные представления о температурных зависимостях структурных превращений железоуглеродистых сплавов различного состава, сконцентрированных в диаграмме железо-углерод (Fe-C). На диаграмме Fe-C критическим точкам Ас1 отвечает линия PSK, критическим точкам Ас3 (для доэвтектоидной стали) – линия GS. Температуры закалки и отжига обычно на 20-400 С выше Ас3 для доэвтектоидной и на 30- 700 С выше Ас1 для заэвтектоидной углеродистой стали. Диаграмма характеризует состояние чистых железоуглеродистых сплавов, промышленные сплавы содержат, кроме того, марганец, кремний, серу, фосфор (а также в небольших количествах хром, никель и др.). В углеродистых сталях влияние этих примесей на положение критических точек незначительно и это позволяет определять положение критических точек по диаграмме. При увеличении содержания марганца и кремния, введение в сталь других легирующих элементов, положение критических точек изменяется и определить их по диаграмме Fe-C становится невозможным. В этом случае критические точки Ас1 и Ас3 определяют экспериментальным путем и вносятся соответствующими организациями в нормативно-техническую документацию и справочную литературу. Термическая обработка (термообработка) приводит к существенным изменениям свойств сталей и сплавов. Химический состав сплава в среднем не меняется. Широкое применение получили такие виды термообработки, как отжиг, нормализация, закалка и отпуск. Отжиг — термическая обработка, при которой производится нагревание металла выше критической температуры, выдержка при этой температуре, а затем медленное охлаждение (в основном с печью). Закалка — термическая обработка, основанная на перекристаллизации структуры при нагреве до температуры выше критической; после достаточной выдержки при критической температуре для завершения термической обработки следует охлаждение со скоростью равной или выше критической. Закалка является основной операцией, формирующей структуру и свойства материала, которые, например, сталь должна иметь в эксплуатации. Значения критических точек необходимы не только для характеристики превращений, но для практики выполнения термической обработки (температура нагрева для закалки, отжига, нормализации, отпуска). Нормализация — термическая обработка схожая с отжигом. Различия этих термообработок (нормализации и отжига) состоит в том, что при нормализации сталь охлаждается с повышенной скоростью на воздухе (при отжиге — с печью). Отпуск — термическая обработка стали, сплавов, проводимая после закалки для уменьшения или снятия остаточных напряжений, формирующая окончательную микроструктуру в стали и сплавах, повышающая вязкость, уменьшающая твердость и хрупкость металла. Отпуск производится путем нагрева деталей, закаленных на мартенсит до температуры ниже критической. При этом в зависимости от температуры нагрева могут быть получены состояния мартенсита, троостита или сорбита отпуска. Эти состояния несколько отличаются от соответственных состояний после нормализации по структуре и свойствам: при нормализации цементит (в троостите и сорбите) получается в форме удлиненных пластинок, как в пластинчатом перлите. А после закалки и отпуска он получается мелкозернистым, или точечным. Преимуществом точечной структуры является более благоприятное сочетание прочности и пластичности. При одинаковом химическом составе и одинаковой твердости сталь с точечной структурой имеет значительно более высокое относительное сужение, ударную вязкость, повышенное удлинение и предел текучести по сравнению со сталью с пластинчатой структурой. Отпуск является заключительной операцией термической обработки, придающей изделию требуемые свойства. Температура отпуска – наиболее существенный фактор, влияющий на свойства отпущенной стали. В зависимости от нее отпуск подразделяется на низкий, средний и высокий. Нагрев заготовки — ответственная операция. От правильности ее проведения зависят качество изделия, производительность труда. Необходимо знать, что в процессе нагрева металл меняет свою структуру, свойства и характеристику поверхностного слоя и в результате от взаимодействия металла с воздухом атмосферы, и на поверхности образуется окалина, толщина слоя окалины зависит от температуры и продолжительности нагрева, химического состава металла. Стали окисляются наиболее интенсивно при нагреве больше 900°С, при нагреве в 1000°С окисляемость увеличивается в 2 раза, а при 1200°С — в 5 раз. Хромоникелевые стали называют жаростойкими потому, что они практически не окисляются. Легированные стали образуют плотный, но не толстый слой окалины, который защищает металл от дальнейшего окисления и не растрескивается при ковке. Углеродистые стали при нагреве теряют углерод с поверхностного слоя в 2-4 мм. Это грозит металлу уменьшением прочности, твердости стали и ухудшается закаливание. Особенно пагубно обезуглероживание для поковок небольших размеров с последующей закалкой. В зависимости от условий работы деталей машин, их упрочнения достигается закалкой и отпуском, поверхностной закалкой или химико-термической обработкой. При выборе технологического процесса необходимо учитывать как требования, предъявляемые к свойствам поверхности, так и к свойствам сердцевины детали. Этого можно добиться за счет комплексного применения термического и химико-термического упрочнения. Поверхностная закалка при индукционном нагреве стали применяется для деталей машин, испытывающих максимальные напряжения на поверхности в результате изгиба, кручения и износа. Номенклатуру основных изделий, подвергающихся данному виду упрочнения, составляют валы машин, коленчатые и распределительные валы двигателей, мало- и средненагруженные зубчатые колеса и многие другие детали машин. Индукционная закалка позволяет получить в зависимости от марки стали твердость поверхности 45-63 HRC и показатели прочности сердцевины в зависимости от предшествующей термической обработки σв = 700 – 1200 МПа, σ0,2= 500 – 1000 МПа, δ = 6 – 30%. Для данного процесса наиболее используемыми являются машиностроительные стали с содержание углерода 0,4 – 0,5% С (например 40Х, 40ХН, 40 ХНМ и др.). Толщина закаленного слоя для изделий работающих на износ или усталость составляет 1,5 – 3,0 мм, в условиях высоких контактных нагрузок – 4 – 5 мм. Поверхностная закалка при индукционном нагреве по сравнению с химико-термической обработкой менее трудоемка и во многих случаях не уступает цементации, но при ее назначении необходимо учитывать конфигурацию и размеры деталей. Химико-термическая обработка (ХТО) стали — совокупность операций термической обработки с насыщением поверхности изделия различными элементами (углерод, азот, алюминий, кремний, хром и др.) при высоких температурах. ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитационную, коррозионную стойкость. Химико-термическая обработка, создавая на поверхности изделий благоприятные остаточные напряжения сжатия, увеличивает надежность, долговечность деталей машин. Цементация стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением малоуглеродистой (С<0,2%) или легированных сталей при температурах 900 – 950°С – твердым (цементация твердым карбюризатором), а при 850 – 900°С – газообразным (газовая цементация) углеродом с последующей неполной закалкой и низким отпуском. Толщина слоя в зависимости от технологических параметров колеблется в пределах 0,5 – 2,5 мм. Цель цементации и последующей термической обработки — повышение твердости, износостойкости, контактной выносливости поверхности изделия при вязкой сердцевине, что обеспечивает прочностные характеристики изделия в целом при изгибе и кручении. Цементация и нитроцементация рекомендуется для наиболее напряженных деталей машин – зубчатые колеса, валы, шпиндели, крупногабаритные подшипники качения и др. При этом можно обеспечить на поверхности твердость 58-64 HRC, а показатели прочности сердцевины в зависимости от марки стали до значений σв = 1300 МПа, σ0,2 = 1200 МПа, δ = 12%. Азотирование стали — химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом путем длительной выдержки ее при нагреве до 600 – 650°С в атмосфере аммиака NН3. Процесс применяется для деталей машин, склонных к короблению, работающих на износ при небольших контактных нагрузках. Азотированный слой (толщиной 0,3 – 0,6 мм) стали обладают очень высокой твердостью (HV = 6500 – 12000 МПа в зависимости от марки стали и режима термообработки), прочностью и обладают повышенной сопротивляемостью износу и коррозии в таких средах, как атмосфера, вода, пар. Показатели прочности сердцевины в зависимости от марки стали повышаются до значений σв = 1100 МПа, σ0,2 = 950 МПа, δ = 12%. Азотирование используют для упрочнения шпинделей, направляющих скольжения и ходовых винтов металлорежущих станков, мало- и среденагруженных зубчатых колес, деталей топливной аппаратуры, клапанов, коленчатых и распределительных валов, гильз цилиндров двигателей и др. Термомеханическая обработка (ТМО) стали — совокупность операций термической обработки с пластической деформацией, которая проводится либо выше критических точек (ВТМО), либо при температуре переохлажденного (500 – 700°С) аустенита (НТМО). Термомеханическая обработка позволяет получить сталь высокой прочности (до 2700 МПа). Формирование структуры стали при ТМО происходит в условиях повышенной плотности и оптимального распределения дислокаций. Окончательными операциями ТМО являются немедленная закалка во избежание развития рекристаллизации и низкотемпературный отпуск при Т=100 – 300 °С. Термомеханическая обработка с последующими закалкой и отпуском позволяют получить очень высокую прочность (σв= 2200…3000 МПа) при удовлетворительных пластичности (δ = 6…8%) и вязкости. В практических целях большее распространение получила ВТМО, обеспечивающая наряду с высокой прочностью хорошее сопротивление усталости, высокую работу распространения трещин, а также сниженные критические температуры хрупко-вязкого перехода, чувствительность к концентраторам напряжений. В данной части расчетно-пояснительной записки следует обосновать: выбор температуры основной термической обработки (закалка, нормализация, отжиг, ХТО и др.) и ее технологические параметры (режим нагрева, выдержка при заданной температуре, среду охлаждения); технологические параметры операции отпуска; микроструктуру и механические свойства после окончательной обработки; виды термического оборудования; другие дополнительные сведения, указанные в задании. При этом каждый этап должен сопровождаться необходимыми графиками, таблицами, диаграммами. Все принятые решения заносятся в карту технологического процесса термообработки (Приложение 3). В процессе анализа поставленных технических проблем студент должен выбрать и обосновать принятое техническое решение. При разработке технологического процесса в целом ставится задача найти наиболее приемлемый вариант получения оптимального сочетания механических свойств при обеспечении экономически оправданного решения. При назначении режима термической обработки легированных сталей необходимо особое внимание уделить влиянию содержания углерода и легирующих элементов на превращения при нагреве и охлаждении, описать это влияние в РПЗ, с анализом микроструктуры и свойств закаленной стали. В РПЗ необходимо назначить температуру отпуска в зависимости от требований, предъявляемых к данной детали или инструменту, описать превращения при отпуске, структуру и свойства отпущенной стали. В конце расчетно-пояснительной записки должны быть сформулированы выводы по проделанной работе, в которых указываются достигнутые результаты разработки процесса термической обработки стали. Список использованной литературы и интернет источников, приведенный в РПЗ, должен реально отражать использованные в работе материалы, по тексту записки должны быть указаны ссылки на литературу в квадратных скобках. |