по конструкционным сталям.

Вариант 2
Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов. По расчету сталь для одного из валов должна иметь предел текучести не ниже 350 МПа, а для другого – не ниже 500 МПа. Указать: состав и марку выбранных сталей; рекомендуемый режим термической обработки; структуру после каждой операции термической обработки; механические свойства в готовом изделии. Можно ли применять углеродистую сталь обыкновенного качества для изготовления валов требуемого сечения и прочности?

Вал – деталь машин, предназначенная для поддержания сидящих на нем деталей и передачи крутящего момента. При работе вал испытывает деформации кручения и изгиба, иногда – растяжения-сжатия. Основными материалами для изготовления валов служат углеродистые и легированные стали, благодаря их прочности, большому модулю упругости, хорошей способности к упрочнению.
Для изготовления первого вала (с пределом текучести не ниже 350 МПа) следует подобрать сталь 45. Химический состав стали приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав стали, %
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Cu
As
0,42 – 0,5 0,17 – 0,37 0,5 – 0,8 до 0,25 до 0,04 до 0,035 до 0,25 до 0,25 до 0,08

Термическая обработка вала из стали 45 включает в себя закалку и высокий отпуск. Для доэвтектоидных сталей (в т.ч. и стали 45) применяют полную закалку, температура которой на 30…50°С выше критической точки Ас3. Критическая точка Ас3 стали 45 равна 755°С. Закалку производят с температуры 785…805°С. Для проведения закалки нужно не только нагревать металл до заданной температуры, но и выдерживать при этой температуре до полных структурных превращений (растворения карбидов, гомогенизации аустенита) и полного прогрева деталей.
Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки и выдержке при этой температуре превращается в аустенит. Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкокристаллического аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита (пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в α-железо), который является наиболее твердой железоуглеродистой фазой.
Значительный перегрев выше критической температуры приводит к образованию крупнокристаллического аустенита, что впоследствии снижает механические свойства стали. При закалке не весь аустенит превращается в мартенсит, и структура закаленной стали представляет собой мартенсит и остаточный аустенит. Охлаждение после закалки осуществляется в масло.
Образование мартенсита в результате закалки приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, но резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. Поэтому проводят окончательную операцию термической обработки – отпуск при температуре 600°С. В результате отпуска в поверхностном слое получают структуру сорбита отпуска и частично снимаются напряжения. Охлаждение производится на воздухе со скоростью примерно 500°С/ч.
Механические свойства после термической обработки представлены в таблице 2.

Таблица 2
Механические свойства
Предел прочности σв, МПа Предел текучести
σ0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Относительное сужение ψ, % Ударная вязкость KCU, кДж/м2
Твердость НВ
610 410 18 61 90 170

Для изготовления первого вала (с пределом текучести не ниже 500 МПа) следует подобрать сталь 40Х. Химический состав стали приведен в таблице 3.
Таблица 3
Химический состав стали, %
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Cu
0,36 – 0,44 0,17 – 0,37 0,5 – 0,8 до 0,3 до 0,035 до 0,035 0,8 – 1,1 до 0,3

Доэвтектоидные стали подвергают полной закалке, при этом оптимальной температурой нагрева является температура Ас3 + 30…50°С. Исходная структура стали феррит + перлит при нагреве стали до температуры закалки (выше Ас3) и выдержки при этой температуры превращается в аустенит. Такая температура обеспечивает получение при нагреве мелкокристаллического аустенита, а после охлаждения – мелкокристаллического мартенсита, который является наиболее твердой железоуглеродистой фазой. Температура закалки составляет, в среднем, 830°С.
Для обеспечения необходимых механический свойств, необходимо сталь подвергнуть отпуску при температуре 580°С.
Т.о. сталь подвергают закалке в масле от 820…840°С и отпуску при 580°С. Образование мартенсита в результате закалки приводит к большим остаточным напряжениям, повышению твердости, прочности, но резко возрастает склонность материала к хрупкому разрушению, особенно при динамических нагрузках. Поэтому проводят окончательную операцию термической обработки – отпуск, при котором снимаются остаточные напряжения и обеспечиваются необходимые механические свойства материала
Механические свойства после термической обработки представлены в таблице 4.
Таблица 4
Механические свойства
Предел прочности σв, МПа Предел текучести
σ0,2, МПа Относительное удлинение δ, % Относительное сужение ψ, % Ударная вязкость KCU, кДж/м2
Твердость НВ
750 550 15 45 59 210

Применение сталей обыкновенного качества для производства сталей нерационально, так как сталь обыкновенного качества содержит повышенное количество серы и фосфора, которые понижают механические свойства и особенно сопротивление разрушению. Для такого изделия, как вал, поломка которого нарушает работу редуктора, применять более дешевой по составу стали обыкновенного качества не желательно.

2.3. Практическое занятие 3

по конструкционным сталям Вариант 2 Выбрать сталь для изготовления валов диаметром 50 мм для двух редукторов