Выбор инструментальных сталей

Размещено на http://www.allbest.ru

Факультет промышленных технологий

Кафедра «Техническое управление качеством»

Дисциплина «Материаловедение»

РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

на тему: «Выбор инструментальных сталей»

Выполнил:

студент группы 20УА1бз

Епифанов Р. А

Пенза, 2021

Задание на контрольную работу

по дисциплине "Материаловедение"

студенту группы _20УА1бз_ _ Епифанову Р.А._

Вариант 7

1. В чем причина хрупкости тел с ковалентным типом связи?

2. Используя правило фаз, установите, как должна происходить кристаллизация чистого вещества: при постоянной температуре или в интервале температур?

3. Выбрать материал для изготовления шестерни. Рекомендовать термическую и химико - термическую обработку, обеспечивающую заданные свойства. Привести химический состав выбранного материала, а также микроструктуру в готовом изделии.

4. Выбрать материал для изготовления инструмента "Машинный метчик". Рекомендовать термическую и химико - термическую обработку, обеспечивающую заданные свойства. Привести химический состав выбранного материала, а также микроструктуру в готовом изделии.

5. Выбрать неметаллический материал для изделия "Тара для хранения серной кислоты" с учетом особенностей его функционирования. Привести строение и механические свойства материала в готовом изделии.

1.В чем причина хрупкости тел с ковалентным типом связи?

Типы связей между атомами и молекулами.

К главным из них относятся ионная, ковалентная, молекулярная и металлическая. Первые два типа связи образуются за счет перераспределения электронной плотности. При этом в случае ковалентной неполярной связи валентные электроны просто обобществляются между соседними атомами (алмаз), а в случае ковалентной полярной и, особенно, ионной дополнительно происходит смещение электронной плотности к атому более электроотрицательного элемента (от к ). Эти два типа связи направленные, т.к. каждый атом вступает в обменное взаимодействие с вполне определенным числом соседних атомов.

Следствием этого является низкая пластичность и, соответственно, высокая хрупкость. К характерным свойствам также относятся высокая твердость, высокая температура плавления и сублимации, высокий модуль упругости и низкие коэффициенты сжимаемости и теплового расширения. Отсутствие свободных носителей электричества, поскольку поляризованные атомы включены в состав кристаллической решетки, а валентные электроны находятся на электронных орбитах атомов, делает кристаллы данных типов диэлектриками.

2.Используя правило фаз,установите, как должна происходить кристаллизация чистого вещества: при постоянной температуре или в интервале температур?

Фаза - часть системы, ограниченная поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачком. В гетерогенной системе имеется несколько фаз, в гомогенной - лишь одна.

Степень свободы - возможность изменения концентрации, температуры или давления без изменения числа фаз. Число степеней свободы системы. Правило фаз Гиббса: С = К - Ф + П,где К - число компонентов (простых веществ). В данном случае - чистое вещество (1)Ф - число фаз. При кристаллизации - твердая и жидкая (2). П - число внешних переменных, влияющих на фазовый состав. В данном случае - температура (1)С - 1 - 2 + 1 = 0. Это означает, что процесс кристаллизации будет идти при постоянной температуре.

Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

Рисунок 1 -- Изменение свободной энергии в зависимости от температуры

В соответствии с этой схемой выше температуры ТS вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже ТS - в твердом. При температуре равной ТS жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура ТS - равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры ТS. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения (ДT):

ДT = Ттеор -- Ткр

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация - это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров. Кристаллизация протекает в условиях, когда система переходит к термодинамически более устойчивому состоянию с минимумом свободной энергии.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время - температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 -- Кривая охлаждения чистого металла

Ттеор -- теоретическая температура кристаллизации;

Ткр -- фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла. До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 - 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называетсяскрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

3.Выбрать материал для шестерни. Рекомендовать термическую и химико-термическую обработку, обеспечивающую заданные свойства. Привести химический состав выбранного материала, а также микроструктуру в готовом изделии.

Дано: ут,Мпа 300, 200НВ,Смазка достаточная. Динамические нагрузки. Необходимость хорошей прирабатываемости.

Шестерня - это деталь цилиндрической или конической формы, с зубьями, которые зацепляются за зубья другой шестерни и приводят в движение разнообразные механизмы. Используются они парами, число зубьев должно быть разным Стали используемые для изготовления шестерни: Углеродистая с 0,05...0,25 % С:

Ст0 - Ст4, 08, 08кп, 20, 15Г , Легированная: средней прочности с 0,12...0,15 % С: 15Х,20Х, 15ХФ, 15ХМ, 20ХМ, 20ХТ, 12ХН2, 15ХР, 18ХГТ, 20ХН, 15ХФ, 15Г, 20НМ,

В зависимости от условий работы шестерни подвергают различной термической обработке: нормализации, улучшению, закалке и низкому отпуску, цианированию (нитроцементации) с последующей закалкой и отпуском.

Шестерни, работающие при средних скоростях, средних давлениях н небольших ударных нагрузках, изготовляют из легированных среднеуглеродистых сталей.

Характеристика материала. Сталь 15Г.

Термическая и химико-термическая обработка.

Режимы термической обработки зубчатых колес из этих сталей следующие:

а) закалка в масле и отпуск прн 180 - 200В° С (HRC 50 - 55);

б) цианирование (нитроцементация) при 830 - 850В° С, толщина слоя должна быть в пределах 0,2 - 0,3 мм, для чего

необходима выдержка 30 - 50 мин при цианировании и 1 - 2 ч при нитроцементации.

Химический состав в % материала 15Г

Температура критических точек материала 15Г.

Механические свойства при Т=20oС материала 15Г .

Физические свойства материала 15Г .

Технологические свойства материала 15Г .

Легированные низкоуглеродистые стали после отжига имеют структуру феррит + перлит, а так же после закалки малоуглеродистый мартенсит.

Установлено, что добавки азота вместе с нитридообразующими элементами способствует значительному измельчению зерна и повышению температуры начала роста зерна аустенита. Нитриды влияют на свойства стали также путём воздействия на кинетику превращения аустенита и на дисперсное твердение.

Высокая пластичность, мелкое зерно и особенно высокая температура его роста способствуют получению качественных сварных соединений листов толщиной от 20 мм - сталь с нитридами алюминия и до 100 мм (сталь с нитридами ванадия). Низколегированная сталь с нитридным упрочнением удовлетворительно деформируется в холодном и горячем состояниях. Сталь такого типа характеризуется высоким сопротивлением хрупкому разрушению и достаточно низким порогом хладно ломкости.

4.Выбрать материал для изготовления инструмента «Машинный метчик».Рекомендовать термическую и химико-термическую обработку. Привести химический состав выбранного материала, а также микроструктуру в готовом изделии.

Разновидность сталей для детали машинный метчик

Углеродистые инструментальные стали

Углеродистые стали поставляют после отжига на зернистый перлит с гарантией на химический состав и твердость. Благодаря невысокой твердости в состоянии поставки (HB 187...217) углеродистые стали хорошо обрабатываются резанием и деформируются, что позволяет применять накатку, насечку и другие высокопроизводительные методы изготовления инструмента. Из-за низкой прокаливаемости углеродистые стали пригодны для мелкого инструмента или для инструмента сечением до 25 мм с незакаленной сердцевиной, в которой режущая часть приходится на поверхностный слой (метчики, развертки, напильники и т.п.). Несквозная закалка уменьшает деформации инструмента и повышает за счет вязкой сердцевины его устойчивость к ударам и вибрациям. В сечениях более 25 мм закаленный слой получается тонким и продавливается во время работы. После закалки их отпускают при 275...350 °С на троостит (HRC 48...51). Заэвтектоидные стали У10, У11, У12 используют после низкого отпуска (150...180 °С) со структурой мартенсита и включениями карбидов, обеспечивающих повышенную износостойкость. Их применяют для инструментов с высокой твердостью на рабочих гранях HRC 62...64): режущего (напильники, пилы, метчики, сверла, резцы и т.д.),

измерительного (калибры простой формы и невысоких классов точности) и

небольших штампов холодной высадки и вытяжки, работающих при невысо-ких нагрузках.65

Высококачественные стали имеют то же назначение, что и качественные, но из-за несколько лучшей вязкости их чаще используют для инструментов с более тонкой режущей кромкой.

Легированные стали для режущего инструмента

По теплостойкости эти стали делятся на две группы:

· низколегированные стали, не обладающие теплостойкостью;

· высоколегированные быстрорежущие стали с теплостойкостью до

600...640 °С.

Низколегированные стали содержат повышенное количество углерода и до 5 % легирующих элементов. По структуре они относятся к заэвтектоидным сталям перлитного класса. Их подвергают неполной закалке от температуры несколько выше A1 и низкому отпуску. Стали имеют структуру мартенсита и избыточных карбидов (легированный цементит) и характеризуются высокой твердостью (HRC 62...69) и износостойкостью. Однако, как и углеродистые, они не обладают теплостойкостью и имеют практически одинаковые с ними режущие свойства. Их применяют для инструмента, работающего при небольших скоростях резания, не вызывающих нагрева свыше 200...260 °С. В отличии от углеродистых они меньше склонны к перегреву и позволяют изготавливать инструмент больших размеров и более сложной формы.

Быстрорежущие стали - группа высоколегированных сталей, предназначенных для изготовления высокопроизводительного инструмента.

Основное свойство этих сталей - высокая теплостойкость, которая обеспечивается введением большого количества вольфрама совместно с другими карбидообразующими элементами (Мо, V), а также кобальтом. Инструмент из этих сталей сохраняет высокую горячую твердость до 600...640 °С и допускает в 3...5 раз более производительные режимы резания, чем из сталей, не обладающих теплостойкостью.

Особенности термической обработки, структуры и свойств быстрорежущих сталей рассмотрим на примере сталей Р18 и Р9, которые по количеству легирующих элементов (W, Cr, V) обозначают 18-4-1 и 9-4-2.

По структуре отжига быстрорежущие cтали относятся к ледебуритному

классу. В литом виде имеют ледебуритную эвтектику. Ее устраняют горячей деформацией путем измельчения первичных карбидов. Для снижения твердости (до HB 207...255 деформированную сталь перед механической обработкой подвергают изотермическому отжигу. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов. Общее количество карбидов в стали Р18 составляет примерно 28 %, в стали Р9 -17 %. Основным карбидом стали Р18 является сложный карбид вольфрама переменного состава Fe3W3C (M6C), который растворяет в себе часть ванадия и хрома. В остальных случаях, кроме M6C и небольшого количества карбида (Fe, Cr)23C6, присутствует карбид VC (MC).В карбидах находится 80...95 % вольфрама и ванадия и около половины

хрома. Остальная часть растворена в феррите.

Высокие режущие свойства инструмент из быстрорежущих сталей приобретает после закалки и трехкратного отпуска Из-за низкой тепло-

проводности быстрорежущие стали при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 °С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Особенность закалки быстрорежущих сталей - высокая температура нагрева. Она необходима для обеспечения теплостойкости - получения после закалки высоколегированного мартенсита в результате перехода в раствор максимального количества специальных карбидов. Степень легирования аустенита (мартенсита) увеличивается с повышением температуры нагрева. При температуре 1300 °С достигается предельное насыщение аустенита - в нем растворяется весь хром, около 8 % W, 1 % V и 0,4...0,5 % С.

Легирование аустенита происходит при растворении вторичных карбидов. Первичные карбиды не растворяются и тормозят рост зерна аустенита. Благодаря им при нагреве, близком к температуре плавления, быстрорежущие стали сохраняют мелкое зерно.

Быстрорежущие стали по структуре нормализации относятся к мартен-

ситному классу. С температуры закалки мелкий инструмент охлаждают на воздухе, крупный - в масле. Сложный инструмент для уменьшении деформаций подвергают ступенчатой закалке с выдержкой в горячих средах при температуре 500...550 °С.

После закалки стали не обладают максимальной твердостью

(HRC 60...62), так как в структуре, кроме мартенсита и первичных карбидов,

содержат 30...40 % остаточного аустенита, присутствие которого вызвано снижением точки Мк ниже 0 °С. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске или обработке холодом.

Быстрорежущие стали - вторично твердеющие; наибольшая твердость

достигается после отпуска при 550...570 °С. В процессе выдержки при отпуске из мартенсита и остаточного аустенита выделяются дисперсные карбиды М6С.

Аустенит, обедняясь углеродом и легирующими элементами, становится менее устойчивым и при охлаждении ниже Мн испытывает мартенситное превращение. Однократный отпуск не обеспечивает превращения всего остаточного аустенита. Применяют двух-, трехкратный отпуск с выдержкой по 1 ч и охлаждением на воздухе. При этом количество аустенита снижается до 3...5 %. Применение после закалки обработки холодом сокращает цикл термической обработки. В термически обработанном состоянии быстрорежущие стали имеют структуру, состоящую из мартенсита отпуска и карбидов, и твердость HRC 62...65 . Режущие свойства дополнительно улучшают низкотемпературным цианированием (табл. 16 приложения).

По своим режущим свойствам быстрорежущие стали делят на две группы:

нормальной и повышенной производительности.

Группу нормальной производительности образуют вольфрамовые (Р18,Р12, Р9, Р9Ф5) и вольфрамомолибденовые (Р6М3, Р6М5) стали, сохраняющие твердость не ниже HRC 58 до температуры 620 °С. Из-за одинаковой теплостойкости эти стали имеют близкие режущие свойства и отличаются главным образом механическими и технологическими свойствами. Лучшей обрабатываемостью давлением и резанием, а также прочностью и вязкостью обладают стали Р6М3 и Р6М5. Стали Р9, Р9Ф5 отличаются плохой шлифуемостью из-за присутствия твердых карбидов ванадия.

К группе с повышенной производительностью относятся стали, содержащие кобальт или повышенное количество ванадия: Р18Ф2, Р14Ф4, Р6М5К5, Р9М4К8, Р9К5, Р9К10, Р10К5Ф5, Р18К5Ф2. Они превосходят стали первой группы по теплостойкости (630...640 °С), твердости (HRC і 64) и износостойкости, но уступают им по прочности и пластичности. Стали повышенной производительности применяют для обработки высокопрочных сталей, коррозионностойких и жаропрочных сталей с аустенитной структурой и других труднообрабатываемых материалов, где их высокая стоимость окупается более высокими режущими свойствами.

Учитывая высокие требуемые скорость резания и теплостойкость при обработке твердых конструкционных и легированных сталей, останавливаем свой выбор на быстрорежущих сталях повышенной производительности при

Расчет индекса стоимости показывает, что наиболее дешевой является сталь Р12Ф3, которую и выбираем.

Химический состав стали Р12Ф3

критический сталь хрупкость

Быстрорежущие стали относятся к карбидному (ледебуритному) классу. В состоянии поставки фазовый состав стали представляет собой легированный феррит и карбиды. Для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием сталь подвергают отжигу при температуре 840...860 °С. Структура отожженных сталей состоит из сорбитообразного перлита, вторичных и более крупных первичных карбидов.

Для обеспечения высоких режущих свойств необходимо провести закалку и трехкратный отпуск. Во избежание появления трещин заготовки при закалке нагревают медленно с прогревами при 450 и 850 °С, применяя соляные ванны для уменьшения окисления и обезуглероживания. Температура закалки 1230...1260 °С (табл. 15 приложения). Для уменьшения деформации инструмента применяем ступенчатую закалку с выдержкой в соляной ванне при 500...550 °С.

Микроструктура стали в готовом изделии

После закалки сталь не обладает максимальной твердостью

(HRC 60...62), так как в структуре кроме мартенсита и первичных карбидов присутствует 30...40 % остаточного аустенита. Остаточный аустенит превращают в мартенсит при отпуске (550...570 °С) или обработке холодом. Проведение трехкратного отпуска обеспечивает повышение твердости до HRC 65...69.Таким образом, применение выбранной стали обеспечит сохранение мартенситной структуры и твердости при нагреве режущей кромки до 620...635 °С,

повышение допустимой скорости резания в 2...4 раза и стойкости инструмента 83 до переточки в 10...30 раз по сравнению с обычными легированными инструментальными сталями

5.Выбрать материал для изделия «Тара для хранения серной кислоты» с учетом особенностей его функционирования. Привести строение и механические свойства материала в готовом изделии.

Серная кислота -- сильная двухосновная кислота. Безводная стопроцентная кислота при комнатной температуре представляет из себя в сильной степени ассоциированное соединение с длинными, образованными за счет водородных связей, цепевидными молекулами. При повышении температуры эти цепочки разрушаются.

Серная кислота имеет огромное промышленное значение и производится в гораздо больших количествах, чем, например, соляная кислота или другие кислоты. Коммерческая H2SО4 обычно это 98%-ный раствор в воде (18 молярный раствор). Чистую кислоту получают в виде бесцветной жидкости добавлением нужного количества SО3 для реакции с оставшейся воды. В твердом и жидком состоянии кислота построена из тетраэдров SО4, связанных водородными связями

H2SО4 не стои в ряду самых сильных окислителей, но она представляет собой мощное дегидратирующее вещество для углеводов и других органических веществ и может разрушать их до элементарного состава.

Список литературы

1. Рыжаков В.В., Рудюк М.Ю. Материаловедение. Руководство по вы-

полнению практических работ. Учебное пособие. -Пенза: Изд-во Пенз. государственной технол. академии, 2014. 236 с.: 48 ил., 27 табл.,

2. . Конструкционные материалы: Справочник / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова.-М.: Машиностроение, 2018.- 688 с.

Размещено на Allbest.ru