Реферат: Конструирование машин

Для изготовления деталей машин широко применяют стали и чугуны, а также алюминиевые, магниевые, титановые и медные сплавы.

С Т А Л И -

Сталями называют железоуглеродистые сплавы с содержанием углерода до 2%. По сравнению с другими материалами стали имеют высокую прочность, пластичность, хорошо обрабатываются термически, химико-термически и механически.

Общая характеристика. В зависимости от содержания углерода стали подразделяют на низкоуглеродистые (С ≤ 0,25 %), среднеуглеродистые (С = 0,25 ÷ 0,6%) и высокоуглеродистые (С>0,6%). С увеличением содержания углерода возрастает прочность и снижается пластичность. В обозначении марки стали среднее содержание углерода в сотых долях процента показывают первые две цифры (например, сталь 45 содержит 0,45% углерода).

Для улучшения свойств (механических, коррозионных, тепловых и др.) сталей применяют легирующие присадки (в скобках указаны буквенные обозначения присадок в марке стали): вольфрам - (В)

марганец - (Г)

медь - (Д)

молибден - (М)

никель - (Н)

бор - (Р)

кремний - (С)

титан - (Т)

хром - (X)

ванадий - (Ф)

алюминий - (Ю)

Процентное содержание в стали легирующих присадок указывают цифрами после буквы (например, сталь 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12% углерода, 2% хрома и 4% никеля). По способу производства углеродистые стали подразделяют на стали обыкновенного качества и стали качественные конструкционные, а легированные стали — на качественные, высококачественные (в конце обозначения марки стали содержится буква А, например, ЗОХГСА) и особо высококачественные.

Из углеродистых сталей обыкновенного качества для изготовления неответственных деталей (корпусов, крепежа и др.) наиболее часто используют мартеновские стали, обозначаемые буквами Ст и номерами в порядке возрастания прочности (от СтО до Ст7, начиная со стали Ст4 номер соответствует 0,1σв min.; σв min. — минимальное значение предела прочности стали).

Легированные стали дороже углеродистых. Они, а также качественные углеродистые стали имеют высокую прочность (σв = 800 ÷ 1400 МПа) при массовой плотности ρ = 7,8 г/см3 и являются основными материалами для изготовления различных ответственных деталей машин (зубчатых колес, валов и т. п.).

Термическая обработка. Для придания стали определенных свойств (высокой прочности, пластичности и т. д.) выполняют термическую обработку заготовок или готовых деталей, которая состоит из трех последовательных стадий: нагрева до требуемой температуры с определенной скоростью, выдержки при этой температуре в течение требуемого времени и охлаждения с заданной скоростью.

Наиболее распространены четыре процесса термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг, характеризуемый медленным охлаждением (вместе с печью или на воздухе) после нагрева и выдержки при некоторой температуре деталей и заготовок, проводят для снижения твердости и улучшения обрабатываемости резанием отливок, проката и поковок из углеродистых легированных сталей, а также для снятия остаточных напряжений в конструкциях после сварки или предварительной (черновой) обработки резанием. Для углеродистых и углеродистых легированных сталей проводят полный отжиг — нагрев до температуры, превышающей на 30-50 °С температуру превращения объемно-центрированной решетки железа в гранецентрированную кубическую решетку (обычно 800-900 °С), выдержку при этой температуре, медленное охлаждение до 400-600 °С вместе с печью и далее на воздухе. Для низкоуглеродистых высоколегированных сталей 12Х2Н4А, 20Х2Н4А и др., используемых для изготовления зубчатых колес, применяют низкотемпературный (высокий) отжиг при температуре 650 — 670 °С и медленное охлаждение (чаще всего на воздухе). Используют и другие виды отжига, которые отличаются от высокого отжига температурой нагрева и скоростью охлаждения.

Нормализация отличается от полного отжига характером охлаждения, которое после выдержки производят на воздухе. Ее применяют для получения однородной структуры с более высокой твердостью и прочностью, чем после отжига, для исправления структуры сварных швов, выравнивания структурной неоднородности поковок и отливок, а также для улучшения обрабатываемости резанием сталей.

Закалка отличается от полного отжига и нормализации высокой скоростью охлаждения заготовок или деталей после нагрева до температуры превращения и выдержки при этой температуре. Высокая скорость охлаждения достигается за счет использования в качестве охлаждающей среды воды, масла, водных растворов солей NaOH, NaCl и др. В результате металл приобретает мелкозернистую однородную структуру с высокой твердостью, прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, но пониженной пластичностью и более трудной обрабатываемостью резанием.

Закалку широко используют для обработки отливок, поковок, штамповок и обработанных деталей из средне- и высокоуглеродистых и легированных сталей для получения высоких эксплуатационных характеристик.

Существует ряд разновидностей объемной закалки, отличающихся условиями и характером быстрого охлаждения.

Широко применяют поверхностную закалку - нагрев с большой скоростью поверхностного слоя стальной детали (токами высокой частоты, электронным лучом и др.) выше температуры превращений и последующее быстрое охлаждение с получением мелкозернистой структуры в поверхностном слое определенной толщины. При поверхностной закалке коробление (деформация) деталей меньше, чем при объемной.

Поверхностной закалке подвергают детали машин (зубья колес, кулачки, валы и др.), изготовленные из углеродистых и низколегированных сталей марок 40, 45, 50, 40Х 40ХН 45Х и др.

Высокая твердость и прочность поверхностных слоев деталей после поверхностной закалки обеспечивают им высокую износостойкость и контактную прочность.

Отпуск - нагрев до температуры ниже интервала превращений, выдержка и последующее охлаждение для повышения вязких свойств, уменьшения термических остаточных напряжений и улучшения обрабатываемости резанием. Обычно применяют после закалки (нормализации) стальных отливок, поковок, проката и механически обработанных деталей.