Контрольная работа: Машиностроительные материалы. Сопротивление материалов
Одна из важнейших задач Сопротивление материалов – установление причин и характера разрушения материалов, требующее всестороннего теоретического и экспериментального изучения процессов, происходящих в микрообъёмах тела, в частности характера возникновения и развития трещин. Установлено существование таких (предельных) напряжений, превышение которых влечёт за собой прогрессирующий рост уже появившихся трещин, приводящий в конечном счёте к разрушению тела. Если напряжения меньше указанного предела, то тело, имеющее трещины, находится в состоянии трещиноустойчивости. В некоторых случаях под действием нагрузки разрушения в микроэлементах распространяются на весь объём тела (особенно при высоких температурах). Исследование этих вопросов требует создания нового важного раздела механики деформируемого тела – механики разрушения. Ещё недостаточно изучен ряд вопросов т. н. усталостной прочности материалов, в частности прочность элементов (деталей) машин при их длительном циклическом нагружении.
В связи с появлением новых конструкционных материалов (например, пластмасс, лёгких сплавов) возникла необходимость создания теорий прочности, отражающих специфические свойства этих материалов. Современные технологические процессы (например, с применением высоких давлений) позволяют получать материалы с весьма высокой прочностью, поведение которых под нагрузкой недостаточно изучено и требует целенаправленных исследований.
3. Машиностроительные материалы
Чугун ВЧ50 ГОСТ 7293–85. Высокопрочный чугун, предел прочности на растяжение 50 кгс/мм2 .
Высокопрочными называют чугуны с шаровидным графитом, который образуется в литой структуре в процессе кристаллизации.
Шаровидный графит, имеющий минимальную поверхность при данном объеме, значительно меньше ослабляет металлическую основу, чем пластинчатый графит, и не является активным концентратором напряжений.
Для получения шаровидного графита чугун модифицируют чаще путем обработки жидкого металла магнием (0,03–0,07%) или введением 8–10% магниевых лигатур с никелем или ферросилицием.
Под действием магния графит в процессе кристаллизации принимает не пластинчатую, а шаровидную форму. Чугуны с шаровидным графитом имеют более высокие механические свойства, не уступающие свойствам литой углеродистой стали, сохраняя при этом хорошие литейные свойства и обрабатываемость резанием, способность гасить вибрации, высокую износостойкость и т.д.
Чугун ВЧ 50, имеет d=2% и 180–260 HB. Вязкость разрушения перлитных чугунов составляет 180–250 Н´мм3/2 . Температура плавления tпл »1200°С, sТ =35 кгс/мм2 , теплоемкость (при 0°С) 0,129 ккал/кг´град, теплопроводность (при 20°С) 43 ккал/м´ч´град, плотность 7,4 г/см3 , удельное сопротивление 0,5 Ом´мм2 /м.
Для повышения механических свойств (пластичности и вязкости) и снятия внутренних напряжений, отливки ЧШГ подвергают термической обработке (отжигу, нормализации, закалке и отпуску).
Отливки из высокопрочного чугуна широко используют в различных отраслях народного хозяйства; в автостроении и дизелестроении для коленчатых валов, крышек цилиндров и других деталей; в тяжелом машиностроении – для многих деталей прокатных станов; в кузнечно-прессовом оборудовании (например, для шабот-молотов, траверс прессов, прокатных валков); в химической и нефтяной промышленности – для корпусов насосов, вентилей и т.д.
Высокопрочные чугуны применяют и для изготовления деталей станков, кузнечно-прессового оборудования, работающих в подшипниках и других узлах трения при повышенных и высоких давлениях (до 1200 МПа).
АС40 ГОСТ 1414–54 сталь автоматная, легированная свинцом, содержит 0,4% углерода, 1,0–1,5% свинца.
Обрабатываемость резанием является одной из важных технологических характеристик стали. Хорошая обрабатываемость резанием повышает производительность труда и сокращает расход инструмента, что имеет особо важное значение для массового производства.
Поэтому в промышленности широко применяют автоматные стали, позволяющие проводить обработку резанием с большой скоростью, увеличить стойкость инструмента и получить высокое качество обрабатываемой поверхности.
Сера в автоматной стали находится в виде сульфидов марганца MnS, т.е. вытянутых вдоль прокатки включений, которые способствуют образованию короткой и ломкой стружки. При повышенном содержании серы уменьшается трение между стружкой и инструментом из-за смазывающего действия сульфидов марганца.
Фосфор, повышая твердость, прочность и охрупчивая сталь, способствует образованию ломкой стружки и получению высокого качества поверхности.
Свинец присутствует в стали в виде дисперсных частиц, улучшает обрабатываемость резанием инструментом из быстрорежущей стали.
Автоматные стали хорошо обрабатываются, но склонны к красноломкости, т.е. к хрупкости при горячей механической обработке. Модуль упругости Е=2´105 МПа, модуль сдвига G=8,1´104 МПа, коэффициент Пуассона m=0,25 (при температуре 20°С). Твердость по Бринелю 170–200 HB, температура плавления 1400–1500°С.
Р12Ф3 ГОСТ 19265–73 быстрорежущая сталь, содержит 12% вольфрама, 3% ванадия.
В отличие от других инструментальных сталей быстрорежущие стали обладают высокой теплостойкостью (красностойкостью), т.е. способностью сохранять мартенситную структуру и соответственно высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах, возникающих в режущей кромке при резании с большой скоростью. Эти стали сохраняют мартенситную структуру при нагреве до 600–650°С, поэтому применение их позволяет значительно повысить скорость резания (в 2–4 раза) и стойкость инструментов (в 10–30 раз) по сравнению со сталями, не обладающими теплостойкостью.
Основными легирующими элементами быстрорежущих сталей, обеспечивающими их теплостойкость, являются в первую очередь вольфрам и его химический аналог – молибден. Сильно повышает теплостойкость (до 645–650 °С) и твердость после термической обработки (67–70 HRC) кобальт и в меньшей степени ванадий. Ванадий, образуя очень твердый карбид VC, повышает износостойкость инструмента, но ухудшает шлифуемость.
Для снижения твердости (250–300), улучшения обработки резанием и подготовки структуры стали в закалке после ковки быстрорежущую сталь подвергают отжигу при 800–830°С. Для придания стали теплостойкости инструменты подвергают закалке и многократному отпуску. Температура закалки стали 1220°С. Во избежание образования трещин при нагреве до температуры закалки применяют подогрев инструмента при 800–850°С 10–15 минут или при 1050–1100°С 3–5 минут, а крупного инструмента, кроме того, еще при 550–600°С 15–20 минут. Для получения более высокой твердости 63 HRC и теплостойкости 59 HRC при 620°С выдержку при нагреве под закалку увеличивают на 25%. Для уменьшения деформации инструментов применяют ступенчатую закалку в расплавленных солях температурой 400–5000 С. Структура быстрорежущей стали после закалки представляет собой высоколегированный мартенсит, содержащий 0,3–0,4% С, избыточные нерастворенные карбиды и остаточный аустенит. Обычно содержание остаточного аустенита составляет 28–34%. Остаточный аустенит понижает режущие свойства стали, и поэтому его присутствие в готовом инструменте недопустимо.
После закалки следует отпуск при 550–5700 С, вызывающий превращение остаточного аустенита в мартенсит и дисперсионное твердение в результате частичного распада мартенсита и выделения дисперсных карбидов. Это сопровождается увеличением твердости (вторичная твердость). Оптимальный режим отпуска, обеспечивающий наибольшую твердость и высокие механические свойства: 3500 С 1 час (первый отпуск) и 560–5700 С по 1 часу (последующие два отпуска). Иногда для уменьшения содержания остаточного аустенита непосредственно после закалки инструмент простой формы из быстрорежущей стали охлаждают до -800 С. твердость стали после закалки составляет 62–63 HRC, а после отпуска – 63–65 HRC.
Режущие свойства и твердость инструмента, не подвергающегося переточке по всем граням можно повысить низкотемпературным азотированием при 550–5600 С. продолжительность процесса 10–30 мин. Твердость слоя 1000–1100 HV и толщина его 0,03–0,05 мм.
Сталь Р12Ф3 применяется в фасонных резцах и резцовых головках на автоматах, в плашках круглых для нарезания твердых металлов, в развертках машинных. Сталь Р12Ф3 с высоким содержанием ванадия нашла применение в чистовых инструментах для обработки вязкой аустенитной стали и материалов, обладающих абразивными свойствами. Эту сталь можно применять для резания металлов с HB 250–280.
МА18 ГОСТ 14957–76 деформируемый магниевый сплав номер 18.
Магниевые сплавы обладают малой плотностью »1,76 г./см3 . tпл »650°C, sВ =200 МПа, d=11,5%, 30–40 НВ. Теплоемкость 0,233 ккал/кг´град (при 0°C).
Магниевые сплавы, имеющие гексагональную решетку, при низких температурах малопластичны, так как сдвиг происходит только по плоскостям базиса. При нагреве до 200–300°C появляются дополнительные плоскости скольжения, и пластичность возрастает, поэтому обработку давлением ведут при повышенных температурах. Чем меньше скорость деформации, тем выше технологическая пластичность магниевых сплавов. Прессование в зависимости от состава сплава ведут при 300–480°C, а прокатку в интервале температур от 340–440 (начало) до 225–250°C (конец). Штамповку проводят в интервале температур 480–280°C в закрытых штампах под прессами. Вследствие текстуры деформации полуфабрикаты (листы, прутки, профили и др.) из магниевых сплавов обнаруживают сильную анизотропию механических свойств. Холодная прокатка требует частых промежуточных рекристаллизационных отжигов.