При решении вопроса о выборе стали для деталей машин и инструментов необходимо учитывать, что выплавка и обработка легированных сталей сложнее, Чем углеродистых, а стоимость их выше. Поэтому легированные стали следует выбирать только в тех случаях, когда использование более дешевых и простых в обработке углеродистых сталей нерентабельно. Большое значение имеет использование вместо углеродистых — сталей с низким содержанием легирующих элементов (до 2,5%), так называемых низколегированных сталей, имеющих более высокую прочность. Эти стали в настоящее время с успехом заменяют углеродистые строительные стали.
Прокаливаемость стали определяют по виду излома или путем измерения
твердости по сечению изделия. Прокаливаемость учитывают при выборе стали для деталей машин и инструментов.
Разрушение металла под влиянием повторно-переменных нагрузок получило название усталости металла. При выборе металла для деталей машин, работающих с приложением повторно-переменных нагрузок нужно учитывать сопротивление его разрушению от усталости. Механической характеристикой этого сопротивления является предел усталости, или предел выносливости 0 1 Пределом выносливости называют наибольшее напряжение, при котором металл выдерживает заданное число циклов N повторно-переменных нагрузок без разрушения. Для стали N равно I0 а для цветных металлов — 10.
Многие детали машин, насосов, гидропрессов и других механизмов, работающие в условиях кавитационного воздействия, изготовляют из легированных сталей перлитного класса. В этих условиях наиболее эффективно применение перлитных сталей после соответствуюш сейтермической обработки. Поэтому их применение для изготовления крупных деталей связано с известными трудностями из-за необходимости выполнения термической обработки. Однако такой простой вид термической обработки, как нормализация, для некоторых легированных сталей этого класса дает весьма значительный эффект (по сравнению с углеродистой сталью). Выбор сталей для работы в условиях гидроэрозии следует выполнять с учетом необходимых конструкционных свойств. Некоторые стали могут иметь высокую эрозионную стойкость, но оказаться непригодными по технологическим или механическим свойствам поэтому эрозионную стойкость сталей следует оценивать в сочетании с их основными характеристиками.
При выборе металлов для дорожных машин особое внимание следует обращать на температуру перехода от вязкого состояния стали к хрупкому. Ударная вязкость наряду с пределом текучести или пределом прочности должна являться исходной характеристикой стали. Во всех узлах и деталях запрещается применение кипящей стали.
При решении задачи и выборе сплава, а также режима его обработки необходимо в качестве общего правила прежде всего рассмотреть возможность использования наиболее дешевого материала из числа применяемых в промышленности, например для деталей машин —углеродистой стали обыкновенного качества или серого чугуна. Если при рассмотрении свойств этих сплавов окажется, что они не удовлетворяют требованиям задачи, например, по прочности или по вязкости, то следует выбрать режим термической или химико-термической обработки, повышающий свойства сплава. Более дорогие легированные стали, особенно содержащие никель, вольфрам, молибден, или цветные сплавы, следует рекомендовать в тех случаях, когда выбор более дешевых материалов не может обеспечить требований, указанных в задаче. Сделанный выбор сплава надо обосновать.
Правильный выбор температуры нагрева при обработке давлением имеет особое значение для углеродистых конструкционных сталей, значительная часть которых не подвергается термической обработке и применяется для изготовления деталей машин непосредственно после холодной или горячей обработки давлением.
Целесообразный выбор соответствующей марки стали для изготовления наиболее ответственных деталей машин должен определяться не только её прочностью, но и обрабатываемостью резанием.
Улучшаемые легированные стали применяют для большой группы деталей машин, работающих не только при статических, но и в условиях циклических и ударных нагрузок (валы, штоки, шатуны и др.),концентрации напряжений, а в некоторых случаях и при пониженных температурах. При выборе стали кроме предела текучести, вязкости, чувствительности к надрезу важное значение имеют верхний и нижний пороги хладноломкости, сопротивление усталости.
По техническим условиям на приемку-сдачу стали ее прочность характеризуется величинами и <3т, пластичность величинами и 6%. По ним судят о механических свойствах стали и производят выбор соответствующего сорта металла для создания деталей машин, аппаратов и сооружений. Так как в большинстве случаев для этих деталей остаточные пластические деформации недопустимы, то допускаемое расчетное напряжение принимается меньше предела текучести.
В специальных сортах жаропрочной стали явление ползучести наблюдается лишь при более высокой температуре (выше 500°) и напряжении, в цветных и легких сплавах — при низких температурах (200—100), а в свинце даже при 20°. Для многих машин и аппаратов, работающих при высокой температуре, выбор материала и расчет размеров деталей следует производить, исходя из величины предела ползучести.
Объем книги значительно сокращен за счет исключения разделов, не предусмотренных новой программой курса Металловедение и термическая обработка, установленной для машиностроительных вузов. Кроме того, исключен ряд менее типичных задач по выбору состава сплава и режимов термической обработки для деталей и конструкций машин, более широко применяемых в технике. Некоторые задачи по конструкционным и инструментальным сталям переработаны.
При выборе конструкционной стали для изготовления деталей машин должны учитываться прокаливаемость, циклическая прочность(выносливость),ударная вязкость, сопротивление износу и некоторые другие характеристики.
Выбор листовой стали для холодной штамповки. При выборе тонколистовой стали для холодной штамповки различных деталей автомобилей и других машин необходимо иметь в виду следующие три основных фактора является ли деталь наружной (лицевой) или скрытой какая степень вытяжки или загиба применяется при ее холодной штамповке какие требования в отношении механических свойств и микроструктуры должны быть предъявлены поставщику стали.
Стали, применяемые в условиях холодного климата, должны сохранять заданные свойства несмотря на воздействие климатических условий. Рекомендуемые стали приведены в табл. 402. Выбор конкретной марки для отдельных деталей машин и конструкций осуществляется по совокупности различных требований, обусловленных особенностями конструирования, технологии изготовления и эксплуатации.
Выбор материалов и допускаемых напряжений для резьбовых деталей. Выбор материалов для изготовления резьбовых деталей зависит от условий работы (температура, возможность коррозии и т. п.), величины и характера нагрузки (статическая или переменная) и способа изготовления. Например, для неответственных стандартных резьбовых крепежных деталей применяют мало- и среднеуглеродистые стали обыкновенного качества. В машинах средней напряженности применяют резьбовые изделия из качественной углеродистой стали, в ответственных случаях, при переменных нагрузках и высокой рабочей температуре (до 400° С), применяют легированные стали. При рабочей температуре 400—700° С применяют нержавеющие стали.
Технологией термической обработки предусматривается выбор операций и режимов термической обработки в соответствии с условиями обработки и работы деталей машин, конструкций, инструментов, а также требованиями, предъявляемыми к структуре и свойствам материалов ГОСТами и техническими условиями. Технологические процессы термической обработки стали (выбор операций и режимов) основываются на теории фазовых превращений при нагреве и охлаждении, изложенной в предыдущей главе. Режимы термической обработки для конкретных деталей выбирают по соответствующим справочникам [4, 5]. Необходимое для термической обработки оборудование подразделяют на основное, дополнительное и вспомогательное. К основному относят оборудование для нагрева (нагревательные печи, ванны, аппараты и установки), для охлаждения после закалки (закалочные баки, машины и прессы) и для обработки холодом (холодильные установки) к вспомогательному — установки для приготовления защитных атмосфер и охлаждения закалочного масла к дополнительному — установки для очистки от соли, масла или окалины (моечные машины, травильные установки, дробеструйные аппараты) и устройства для правки и гибки (правильные и гибочные прессы и машины).
Для изготовления деталей машин применяют различные материалы—металлические и неметаллические. Правильный выбор материала для изготовления конструируемой детали имеет большое технико-экономическое значение. Общими предпосылками выбора материала детали являются эксплуатационная надежность, технологичность и экономичность. Наиболее распространенными материалами машиностроения являются сталь, чугун, алюминиевые и медно-цинковые сплавы, бронзы и различные виды пластмасс.
Контрольная работа № 2 ставит своей целью использовать знания, полученные при изучении курса, для решения задач по выбору материала и упрочняющей обработки деталей машин и инструмента. Работа над этим заданием позволит будущим инженерам-механикам лучше ориентироваться в выборе сталей различного назначения и обоснованном определении оптимальных режимов их термической обработки.
Проектирование корабля — сложный и многогранный раздел корабельной науки. Основные знания, которые дают теория и строительная механика корабля, слу кат фундаментом для решения многообразных вопросов, связанных с созданием столь величественного сооружения. Выбор типа машинной установки, мощности главных и вспомогательных механизмов, оснащение системами вооружения, бронирования и противоминной защиты, обеспечение корабля радионавигационными и локационными средствами, проектирование внутреннего расположения — вот далеко не полный перечень вопросов, которые наряду с выбором системы набора корпуса, размеров его основных деталей и марок судостроительной стали определяют лицо будущего корабля.
Мощным резервом сокращения машинного времени является совершенствование и создание новых видов режущего инструмента и новых материалов для его изготовления. Например, применение твердосплавного режущего инструмента позволило увеличить скорости резания в 3—6 раз по сравнению со скоростями, допускаемыми инструментом, изготовленным из быстрорежущей стали. Разработка ряда новых конструкций резцов с широкой режущей кромкой (резцы КВЕБЕК, Колесова, ЛПИ и др.) позволило вести обработку ряда деталей с увеличенной в несколько раз подачей, что, обеспечивая требуемое качество поверхностей, сократило машинное время в несколько раз. Новые конструкции червячных фрез с измененной геометрией режущей части позволили вести нарезание зубчатых колес с увеличенной подачей на один оборот изделия. Новые конструкции протяжек позволили в несколько раз сократить машинное время обработки втулок, в том числе и тонкостенных. Современные шлифовальные круги позволили увеличить скорость шлифования до 50— 90 м сек. Правильный выбор режущего инструмента, в зависимости от условий обработки и материала обрабатываемых деталей.
При конструировании новых изделий и выборе сталей для деталей машин большое значение имеет прокаливаемость стали. В одном случае нужна высокая прокаливаемость (торсионные валы, шатуны, штоки), в другом — низкая (зубья
Для материалов, работающих в агрессивных средах, необходимо учитывать характер последних, концентрацию и температуру. При выборе материалов для деталей химических машин следует избегать контакта двух металлов со значительно отличающимися электрохимическими потенциалами. Так, чтобы предупредить коррозионное разрушение, следует избегать непосредственного контакта меди, никеля, благородных металлов и их сплавов со сталью. В этих случаях стальные детали целесообразно оцинковывать или кадмировать либо устанавливать между ними оцинкованные прокладки или шайбы. Недопустим также контакт алюминия, меди и их сплавов с нержавеющими сталями. Следует учитывать, что при одновременном воздействии на материал знакопеременных нагрузок и агрессивной среды предел усталостной прочности металлов понижается.
При решении задачи и выборе рекомендуемого сплава необходимо в качестве общего правила прежде всего рассмотреть, пригоден ли для целей, указанных в задаче, наиболее дешевый сплав из числа применяемых в технике, например, для деталей машин углеродистая сталь обыкновенного качества или серый чугун. Если окажется, что эти материалы по свойствам, в частности, по пределу прочности или по пластичности не удовлетворяют требованиям задачи, следует выяснить возможность применении я качественной стали и повышения ее свойств путем термической обработки. Более дорогие легированные стали или цветные сплавы следует по экономическим соображениям рекомендовать в решении задачи, если дешевые материалы не могут обеспечить требований, приведенных в задаче. В таких случаях надо обосновать рекомендуемый выбор более дорогого сплава. При назначении режимов термической обработки необходимо выбирать наиболее производительные и экономичные способы, например, обработку с нагревом токами высокой частоты, газовую цементацию и др.
Величина и знак остаточных напряжений после механической обработки зависят от обрабатываемого материала, его структуры, геометрии и состояния режущего инструмента, от эффективности охлаждения, вида и режима обработки. Величина остаточных напряжении может быть значительной (до 1000 МПа и выше) и оказывает существенное влияние на эксплуатационные характеристики деталей машин, их износостойкость и прочность. Выбором метода и режима механической обработки можно получить поверхностный слой с заданной величиной и знаком остаточных напряжений. Так, при точении закаленной стали 35ХГСА резцом с отрицательным передним углом 45° при скорости резания 30 м/мин, глубине резания 0,2-0,3 мм было получено повышение предела выносливости образцов на 40-50% и обнаружены остаточные сжимающие напряжения первого рода, доходящие до 600 МПа [25]. При шлифовании закаленной стали в поверхностном слое были обнаружены остаточные сжимающие напряжения до 600 МПа [26]. В некоторых случаях напряжения первого рода создаются намеренно в целях упрочнения. Например, для повышения усталостной прочности. Такой эффект получают наложением на поверхностный слой больших сжимают их напряжений путем обкатки поверхности закаленным роликом или обдувкой струей стальной дроби. Такой прием позволяет создать остаточные напряжения сжатия до 900-1000 МПа на глубине около 0,5 мм.
Учитывая результаты этих исследований, можно сформулировать основные рекомендации, пользуясь которыми, следует подходить к выбору углеродистых сталей для изготовления деталей, работающих при ударе по закрепленному и незакрепленному абразивам. Для изготовления деталей оборудования и инструмента, подвергающихся при эксплуатации ударам большой энергии об абразивную поверхность, следует рекомендовать эвтектоидные стали. Для изготовления деталей машин и инструмента, работающих в режиме ударно-абразивного изнашивания при небольших энергиях удара, можно рекомендовать среднеуглеродистые стали. Применение в этом случае инструментальной и, прежде всего, заэвтектоидной стали нецелесообразно, так как инструментальная сталь в этом случае не имеет существенных преимуществ перед конструкционной. При выборе оптимального содержания углерода в легированных сталях необходимо учитывать влияние легирующих элементов на концентрацию углерода в эвтектоиде.
Все эти изменения нашли отражение в содержании данного справочника, издаваемого в пяти томах. В отличие от четырехтомного Справочника по машиностроительным материалам, выпущенного Магизмом в 1959—1960 гг., в новом издании не приведены сведения по металлургии, а данные по металловедению освещены в той степени, в которой это необходимо для понимания влияния технологических и конструктивных факторов на свойства материалов в деталях машин. Во всех томах особое внимание уделено сравнительной оценке материалов, их выбору и рациональному использованию рассмотрены особенности и преимущества различных марок стали, цветных металлов, сплавов, неметаллических материалов указаны области применения, влияние методов обработки на служебные свойства изделий учтен опыт предыдущих изданий, а также замечания и пожелания различных организаций и отдельных специалистов.
Прокат из углеродистых сталей обыкновенного качества предназначен для изготовления различных металлоконструкций, а также слабонагруженных деталей машин и приборов. Этим сталям отдают предпочтение в тех случаях, когда работоспособность деталей и конструкций определяется жесткостью. Для них геометрические размеры часто оказываются такими, что прочность конструкции заведомо обеспечивается. На выбор сталибольшое влияние оказывают также технологические свойства, прежде всего свариваемость и способность к холодной обработке давлением. Этим технологическим требованиям в наибольшей степени отвечают низкоуглеродистые стали, из которых изготавливают сварные фермы, рамы и другие строительные металлоконструкции.
После таких испытаний образец имеет характерную бороздчатую поверхность, свидетельствующую о царапании абразивными частицами поверхности металла. На рис. 23 показана поверхность двух образцов из углеродистой стали 25, подвергнутых коррозионнбэрозионным испытаниям при вращении со скоростью 15 м/с При выборе конструкционных материалов для деталей гидро машин, работающих в условиях коррозионно-эрозионного износа важно установить эрозионную прочность коррозионных пленок образующихся на поверхности этих материалов. Как показывают результаты испытаний, наиболее прочные пленки имеют коррозионно-стойкие стали и латуни (рис. 24). Все остальные испытанные материалы имеют непрочные и даже рыхлые пленки, которые сравнительно легко разрушаются и смываются водой.
Метод выполнения заготовок для изготовления деталей машин определяется конструкцией детали, техническими требованиями к материалу детали и типом производства. При проектировании машин конструктор назначает марку материала, из которого будет изготовлена деталь, руководствуясь характером работы детали в машине, требуемой прочностью и геометрической формой. Одной из первых задач, решаемых при разработке технологического процесса, является выбор заготовки. Технолог, руководствуясь чертежом, определяет способ получения заготовки в зависимости от марки материала, формы и размеров детали, производственной программы, предусматривая возможно большую экономию средств и времени на изготовление заготовки. Например, если в чертеже детали указан материал марки сталь Ст. 5, 12ХНЗА, 40Х и т. п., то заготовки из этих материалов получают кузнечным способом или из проката если же указан материал — литая сталь, чугун, цветные сплавы(бронза, силумин и т. п.), то заготовки получают методом литья.
Как правило, предпочтение следует отдать более высокому отпуску. Выше указанные обстоятельства для большей части изготовляемых деталей машин и конструкций не являются существенными, и для них основой выбора марки стали может служить главным образом прокаливаемость. Необходимая прокаливаемость конструкционной стали может быть достигнута за счет сочетания различных легирующих элементов, поэтому необходимо выбирать такое сочетание, при котором стоимость их будет относительно ниже. Так, например, в конструкционной стали стоимость легирующих элементов (по ее возрастанию) можно представить в виде следующего ряда марганец, кремний, хром, никель, вольфрам, молибден.
Выбор марки стали первых двух групп является относительно легкой задачей, так как критериями в данном случае служат их механические свойства и технологические особенности (свариваемость), а также технико экономические показатели их применения. Стали 3, 4 и 5-й групп, применяемые для изготовления деталей машин, работающих при обычных температурах, представляют подавляющую массу легированных марок конструкционной стали, подвергаемых термической обработке. Свойства этих марок стали могут изменяться в значительных пределах в зависимости от условий термической обработки, в частности температуры отпуска и массы (сечения), обрабатываемой заготовки. Поэтому характеристики свойств марок стали, приводимые в справочниках и стандартах, не могут служить достаточным критерием при их выборе.
Правильный выбор температуры нагрева при обработке давлением имеет большое значение, особенно для углеродистых конструкционных сталей, значительная часть которых не подвергается термической обработке и применяется для изготовления деталей машин и конструкций непосредственно после холодной или горячей обработки давлением. В ряде случаев существенно влияет также скорость охлаждения горячо обработанного металла.
Выбор марки стали для определенных деталей подчас вызывает затруднения, так как многие марки стали обладают приблизительно одинаковыми механическими свойствами. Обычно конструкторы и технологи предпочитают применять легированные стали. Между тем выбор легированных сталей целесообразен только тогда, когда необходимо получить высокую прочность по всему сечению детали, учитывая, что углеродистые стали обладают меньшей прокаливаемостью, чем легированные, поэтому при конструировании деталей небольшого сечения (20—25 мм) целесообразно применение углеродистых сталей, так как при этих сечениях они воспринимают сквозную закалку и их механические свойства мало отличаются от свойств легированных сталей. Только в случае изготовления высоконагруженность х деталей больших сечений целесообразно применение легированных сталей. При этом выбор марки легированной стали преимущественно обусловливается ее прокаливаемостью. В зависимости от условий эксплуатации машин аппаратов и предъявляемых к ним требований можно рекомендовать применение следующих марок сталей.
Материалы трущейся пары торцового уплотнения. Они должны удовлетворять комплексу требований, обеспечивая долговечность и износостойкость в заданном режиме работы и применяемой среде. Эти материалы должны быть совместимы с рабочей средой, обладать высокой коррозионной стойкостью, достаточной прочностью, хорошими антифрикционными свойствами (стабильный низкий коэффициент трения, отсутствие склонности к заеданию и схватыванию), высокой термостойкостью и сопротивляемостью тепловому удару, стабильностью размеров в течение всего срока эксплуатации. (ля мало агрессивных сред с хорошими смазывающими способностями могут быть применены различные материалы, и их выбор определяется в основном соображениями надежности и долговечности работы уплотнения, а также технологии, себестоимости и обеспеченности производства сырьем. Чем агрессивнее среда и выше требования к уплотнению, тем уже круг материалов, из которых можно произвести их выбор. В этом случае главным условием выбора материала является его совместимость со средой. Например, при изготовлении торцовых уплотнений на заводах изготовителях объемных гидроприводов целесообразно применить пару бронза — сталь, принятую для основного узла трения гидро машин, так как материалы, технология и оборудование для изготовления деталей уплотнений и деталей гидро машин будут одинаковы В химических машинах и специальных агрегатах требуются уплотнения для различных агрессивных сред. Их изготовление производится на специализированных заводах, приспособленных обрабатывать дефицитные и трудоемкие материалы.
Выбор того или иного типа грузоподъемной машины для производства погрузочно-разгрузочных или технологических операций проводят на основе анализа различных факторов, включающих требуемую грузоподъемность, характеристики перемещаемого груза, вид энергии, приводящей машину в действии, режим работы и др. Увеличение грузооборота требует постоянного совершенствования средств и методов перемещения и складирования грузов на базе широкого внедрения комплексной механизации и автоматизации всех технологических процессов и ликвидации тяжелого ручного труда. Автоматизация технологических операций достигла такого уровня, что традиционные способы транспортирования и складирования деталей, разгрузки и загрузки технологического оборудования стали ограничивать производительность производственного участка и производства в целом.
Заключение
В действительности при сложнонапряженном состоянии сердцевина детали может испытывать довольно значительные напряжении. В этом случае к металлу сердцевины предъявляются определенные требования по прочности (прокаливаемости).
При выборе стали для детали необходимо учитывать и экономическую сторону вопроса. Чем больше сталь содержит легирующих элементов, тем она дороже. Основное назначение легирующих элементов – увеличение прокаливаемости, т.е. получение высокого комплекса свойств в крупных сечениях, поэтому легированные стали надо применять для массивных деталей с обязательной термической обработкой.
Литература
1. https://reftrend.ru/838867.html
2. https://studopedia.ru/6_136049_vibor-stali-i-uprochnyayushchey-termicheskoy-obrabotki-dlya-detaley-mashin-i-instrumentov.html
3. https://www.hardholod.ru/ehlementy-oborudovaniya/materialy-primenyaemye-dlya-izgotovleniya-detalejj-mashin/