Выбор материала для поршневых пальцев диаметром 30 мм (твердость на поверхности 58-62 HRC)

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

Физико-технический  факультет

 

Кафедра материаловедения и физики металлов

 

 

КУРСОВАЯ  РАБОТА

 

по дисциплине «Физическое материаловедение»

 

Тема «Выбор материала для поршневых пальцев диаметром 30 мм (твердость на поверхности 58-62 HRC)»

 

Расчетно-пояснительная записка

 

 

Разработала студентка               ____________________О.Г.Москалева____

                                                            Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Руководитель                                 ____________________ Д.Г.Жиляков______

                                                            Подпись, дата         Инициалы, фамилия

Члены комиссии                            ____________________А.А.Лукин_________

                                                            Подпись, дата         Инициалы, фамилия

                                                         ____________________В.М.Рощупкин_____

                                                            Подпись, дата         Инициалы, фамилия                   

Нормоконтролер                            ____________________Д.Г.Жиляков_______

                                                            Подпись, дата         Инициалы, фамилия

 

 

Защищена ___________________ Оценка _____________________________

                              Дата

 

2012

 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ВОРОНЕЖСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «ВГТУ», ВГТУ)

 

Кафедра материаловедения и физики металлов

 

ЗАДАНИЕ

на  курсовую работу

 

по  дисциплине «Физическое материаловедение»

 

Тема работы «Выбор материала для поршневых пальцев диаметром 30 мм (твердость на поверхности 58-62 HRC)»

 

В содержании курсовой работы по обоснованному выбору материала для указанного изделия должны быть раскрыты следующие под темы:

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.

 

Сроки выполнения этапов 27.05.2012 по 25.05.2012______________________

________________________________________________________________

Срок  защиты курсовой работы 28.05.2012______________________________

 

Руководитель                             ___________________Д.Г.Жиляков________

                                                    Подпись, дата                Инициалы, фамилия 

Задание принял студент           ____________________О.Г.Москалева_______

                                            Подпись, дата               Инициалы, фамилия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Замечание руководителя

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание

 

 

Задание на курсовую работу                                                                                  2                                                                         

Замечания руководителя                                                                                         4

Введение                                                                                                                  6

1 Анализ условий работы материала                                                                    7

2 Поиск и выбор материала на основе заданных параметров                            8

3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств

 материала, контроля качества термической обработки                                    10

4 Установление режимов термообработки, ТМО, обеспечивающих достижение заданных свойств                                                                             11

5 Анализ возможных дефектов при термообработке                                       12

6 Оценка показателей выбранного металла                                                      13

Заключение                                                                                                           14

Список литературы                                                                                             15           

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 фундаментальной  проблемой выбора материала и  его обработки для изготовления деталей ответственного назначения в различных областях техники  и машиностроения. Выполнение этой задачи не только закрепит полученные теоретические знания, но и поможет  приобрести практические навыки самостоятельного решения конкретных инженерных задач  материаловедения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 Анализ условий работы материала

 

Поиск и обоснованный выбор материала  необходимо проводить на основе технических, технологических, эксплуатационных и  экономических требований. Основными  критериями выбора являются эксплуатационные (служебные) характеристики. В заданном примере изделие – поршневой палец, необходимая твердость на поверхности которого 58-60 HRC.

Поршневой палец работает в условиях знакопеременной нагрузки при четырехтактном процессе и в условиях близких  к пульсирующей нагрузке в случае двухтактного процесса. Кроме того, поршневой палец испытывает тепловую нагрузку вследствие передачи теплоты  от головки поршня, выделения теплоты  при трении поршневого пальца о головку шатуна и бобышки поршня.

Для обеспечения нормальных условий  работы поршневого пальца его конструкция  должна удовлетворять следующим  требованиям: малая масса, минимальная  деформация при работе, хорошая сопротивляемость ударной нагрузке, высокая износостойкость  и прочность при переменной нагрузке, также материал должен обладать усталостной прочностью.

Износостойкость - это свойство материала оказывать сопротивление изнашиванию (процесс, ведущий к износу в результате трения) [1].

Прочность - это способность материала (или конструкции) сопротивляться внешним механическим воздействиям, не деформируясь необратимо выше заданного предела, т.е. не разрушаясь.

Под усталостью понимают процессы постепенного накопления повреждений в материале  под действием циклических нагрузок, приводящих к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и  разрушению [2].

 

 

 

 

2 Поиск и выбор материала на основе заданных параметров

 

Анализ функционального назначения заданного изделия (поршневого пальца), условий его работы, заданных параметров заставляет вести его поиск среди легированных и углеродистых сталей, подвергаемых ТМО и ХТО.

Рассмотрим, в качестве возможного материала изделия, стали четырех  марок: 15Х,18ХГТ, 12Х2Н4А, 15ХМА.

Химический состав указанных сталей:

Сталь 15Х: 0.12-0.18%С,0.17-0.37%Si,0.4-0.7%Mn,до 0.3%Ni,до 0.035%S,до 0.035%P,до 0.3%Cu [3].

Сталь 18ХГТ:0.17-0.23%С,0.17-0.37%Si,0.8-1.1%Mn,1.0-1.3%Cr,0.03-0.09%Ti [3].

Сталь 12Х2Н4А: 0.09 - 0.15%C,0.17 - 0.37%Si ,

0.3 - 0.6%Mn,3.25-3.65%Ni,до 0.025%S,до 0.025%P,1.25 - 1.65%Cr,до 0.3%Cu[3].

Сталь 12ХНЗА:0.09-0.16%С,0.6-0.9%Сr, 2.75-3.15%Ni,0.17-0.37%Si,0.3-0.6%Mn [3].

В состоянии поставки указанные  марки стали характеризуются  следующими механическими свойствами:

Сталь 15Х:=490 H/,690 H/,d=12 %,y = 45%,KCU = 69Дж/.

Сталь 18ХГТ:= 800 H/,1000 H/,d = 9 %,y = 50%,KCU = 80Дж/,HRC = 56-62,HB = 240-300.

Сталь12Х2Н4А: = 685H/,835H/,d = 10 %,y = 50%,KCU = 78Дж/,HRC = 58-63,HB ≥ 302.

Сталь12ХНЗА:= 930H/,1180H/,d = 10 %,y = 50%,KCU = 78Дж/,HRC = 58-62,HB = 255-302.

Из  приведенных параметров прочности  и пластичности следует, что только сталь 12ХН3А в состоянии поставки обеспечивает заданный уровень свойств.

Однако это никак не означает, что именно сталь этой марки следует  применять для изготовления данной детали.

Проанализируем свойства сталей 15Х, 18ХГТ, 12Х2Н4А после их термической упрочняющей обработки.

Сталь 15Х относится к классу легированных низкоуглеродистых сталей. После закалки в масло при 865-895ºС,затем  отпуска при температуре 180ºС свойства стали отвечают требованиям твердости, однако, по размеру деталей сталь не подходит. Таким образом, сталь 15Х не удовлетворяет заданным параметрам( 30мм диаметр пальца) и поэтому исключается из рассмотрения.

Сталь 18ХГТ относится к классу конструкционных легированных. После  закалки при 820-860 ºС в масло и отпуска при 180-200ºС на воздухе сталь имеет следующие параметры твердости HRC = 56-62 в целом удовлетворяющие требованиям, но на нижней границе заниженное значение, поэтому для ответственных деталей такое значение не подходит. Данную сталь убираем из рассмотрения.

Сталь 12Х2Н4А относится к классу конструкционных легированных сталей. После цементации при 920-950ºС, затем закалке при 780-800 ºС и отпуске при 180-200 ºС сталь получает необходимые параметры для изготовления детали при заданных размерах и твердости, но недостатком является стоимость такого материала после обработки до нужных свойств. 

 

 

 

 

 

 

 

3 Выбор методов и оборудования для определения структуры и свойств материала, контроля качества термической обработки

 

С целью определения структуры  и свойств стали 12ХН3А необходимо провести: металлографические и рентгенографические исследования, а также испытания на растяжение, выносливость, твердость, ударную вязкость и прокаливаемость.

Для достижения указанной цели используются стандартные печи для термообработки, металлографический микроскоп и  рентгеновский аппарат, разрывная  машина Р-10, маятниковый копер, установка  для циклических испытаний, твердомер [6].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Установление режимов термообработки, ТМО, обеспечивающих достижение заданных свойств

 

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 12ХН3А: цементация при температуре 920-950 ºС, закалка(800-820 ºС) в масло и низкий отпуск при температуре 160-200 ºС с охлаждением на воздухе. После такого комплексного процесса концентрация углерода на поверхности детали доводится до , структура низкоотпущенного мартенсита с мелкими сфероидальными карбидами хорошо сопротивляется износу. Сталь имеет достаточно прочную сердцевину, устойчивую к воздействию циклических и ударных нагрузок. Сталь 12ХН3А после данного режима имеет свойства: сечение 10-60 мм,= 930H/,1180H/,d = 10 %,y = 50%,KCU = 78Дж/,HRC = 58-62,HB = 255-302.

Из приведенных данных следует, что сталь 12ХН3А обеспечивает  технические требования, изложенные в задаче по выбору материала для  вала диаметром 30мм.

 

 

 

 

5 Анализ возможных дефектов при термообработке

 

Достигнутые механические свойства, обеспечивающие надежную и долговечную  работу вала, возможны только при точном соблюдении технологических режимов  её изготовления и термической обработки.