Материал: Методические указания к выполнению деловой игры по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления подготовки бакалавров. Ткаченко Ю.С., Симонова Ю.Э
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Кафедра автоматизированного оборудования
машиностроительного производства
Методические указания
к выполнению деловой игры
по дисциплине «Материаловедение»
для студентов направления подготовки бакалавров
150700.62 «Машиностроение» (профиль
«Технологии, оборудование и автоматизация
машиностроительных производств»)
всех форм обучения
В
оронеж
2015
Составители: д-р техн. наук Ю.С. Ткаченко,
ст. преп. Ю.Э. Симонова
УДК 658 012
Методические указания к выполнению деловой игры по дисциплине «Материаловедение» для студентов направления подготовки бакалавров 150700.62 «Машиностроение» (профиль «Технологии, оборудование и автоматизация машиностроительных производств») всех форм обучения / ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»; сост. Ю.С. Ткаченко, Ю.Э. Симонова. Воронеж, 2015. 28 с.
Предназначены для закрепления теоретических знаний и приобретения навыков самостоятельной работы по дисциплине «Материаловедение». Приведены вопросы индивидуальных заданий, изложены требования по выполнению, содержанию и оформлению контрольной работы.
Предназначены для студентов 2 - 3 курсов.
Методические указания подготовлены в электронном виде в текстовом редакторе MS WORD 97 и содержатся в файле димат.doc.
Рецензент канд. техн. наук, доц. В.И. Корнеев
Ответственный за выпуск зав. кафедрой д-р техн. наук, проф. С.В. Сафонов
Издается по решению редакционно-издательского совета Воронежского государственного технического университета
ФГБОУ ВПО «Воронежский
государственный технический
у ниверситет», 2015
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель дидактической игры - приобретение навыков по рациональному выбору материалов деталей машин, механизмов и устройств в соответствии с заданными эксплуатационными условиями.
Содержание игры
Группа из 4 человек организует совместную деятельность по рациональному выбору конкретного материала, из которого необходимо изготовить конкретную деталь с учетом ее технологичности.
Работа завершается оформлением группового отчета.
Научные основы выбора материала
Рациональный выбор материала - важнейшая задача конструктора, когда на определенной стадии разработки закладываются такие показатели как надежность и экономичность машины, которые зависят с одной стороны от правильности конструкции, а с другой - правильности выбора материала для этой конструкции.
При создании новых деталей и устройств или изменении условий эксплуатации (коррозионная среда, радиация, повышенные температуры, космический вакуум и др.) приходится производить поиск материала методом проб и ошибок.
Можно сформулировать некоторые общие положения, которые будут полезны для конструктора (механика) и помогут ему грамотно ориентироваться в конструкционных и инструментальных материалах.
Материал можно считать выбранным правильно, если он наилучшим образом отвечает трем основным требованиям:
- эксплуатационная надежность:
- технологичность;
- экономичность.
Э ксплуатационная надежность обеспечивает работоспособность материала с вероятностью обеспечения безотказности работы изделии в течение заданною периода времени (срока службы).
В каждом конкретном случае ведущая характеристика надежности будет своя: у пружин — выносливость, у подшипника - износостойкость, у лопатки газовой турбины жаропрочность.
Для правильного выбора материала следует ясно представлять, какие характеристики материала для данного изделия являются лимитирующими, и подобрать материал, пригодный в первую очередь, по этим характеристикам.
Например, повышение твердости может привести к такому снижению ее пластичности, что материал окажемся таким же непригодным, как и при не достаточной твердости.
Основной задачей является исследование оптимальных характеристик для ряда изделий. В одних случаях важным является коррозионная стойкость, в других - минимальный вес, в третьих - высокая стабильность формы и размеров или низкий предел хладноломкости. Зная природу физико-механических свойств металлов и сплавов, можно предвидеть, какие из них и в каком состоянии целесообразно использовать, для данного изделия, а при необходимости внести исправления в нужную сторону. При обеспечении необходимой надежности важное значение имеет разброс характеристик материала относительно средних значений, а также статистика этих свойств.
Второе основное требование, предъявляемое к материалу в процессе разработки конструкции, является его технологичность, т. е. пригодность к обработке теми или иными способами. Наиболее дешевым способом получения заготовок сложной формы является литье. Поэтому, если деталь сложная, то надо постараться подобрать материал с хорошими литейными свойствами, учитывая его усадку, жидкотекучесть, температуру плавления, горючесть и т. д. Известно, что литые изделия из металлов и сплавов обладают хрупкостью и не имеют высокой конструкционной прочности. Если эксплуатационные требования не позволяют использовать литье, то необходимо выбрать материал, который подвергается обработке давлением, т. е. обладающий достаточной ковкостью, пластичностью в горячем и холодном состоянии, учитывая при этом красноломкость. Сложные детали могут быть получены сочетанием штамповки со сваркой. В этом случае ведущим технологическим свойством будет наряду со штампуемостью еще и свариваемость, т. е. способность образовывать прочные швы без образования трещин, больших остаточных напряжений и других дефектов.
Точные формы и размеры изделий требуют обработки резанием. В этом случае, выбирая материал, необходимо учитывать обрабатываемость его резанием, т. е. чтобы он не был ни очень твердым, ни очень вязким, не вызывал усиленного износа инструмента и обеспечивал бы хорошую (расчетную) чистоту обработанной поверхности. Кроме этого, следует учитывать возможность термической обработки, так как она не может привести к изменению свойств материала в несколько раз.
При этом необходимо принимать во внимание закаливаемость, прокаливаемостъ, наследственное зерно, склонность к короблению при закалке и отпускной хрупкости, образованию шиферного излома, обезуглероживанию и т. д.
Технологичность металла играет очень важную роль, которую конструкторы должны постоянно помнить.
Выбирая материал, необходимо стремиться к минимальной его стоимости. Такой прямолинейный подход не отражает экономичности производства в целом. Например, у детали из дешевого материала может оказаться дорогая технология и, наоборот, из дорогого - дешевая, а себестоимость изделия будет ниже именно во втором случае, так как отходы металла будут меньшими (высокий коэффициент использования материала).
МЕТОДИКА ВЫБОРА МАТЕРИАЛА
В процессе проектирования конструктор опирается на техническое задание, в котором содержатся основные требования к будущей детали. На выбор конструкции изделия большое влияние оказывает размер партии, который формируется из годового объема производства. Какая-либо деталь при мелкосерийном производстве изготавливается по одному технологическому процессу, а при крупносерийном - по другому. Так, если количество деталей небольшое, то целесообразным является выбор более дорогих легированных сталей и отказ от сложного технологического оборудования. И наоборот, при массовом производстве имеет смысл применить производительное технологические оборудование, используя прогрессивные методы упрочнения, но изготавливать детали из недефицитных и недорогих материалов.
Размеры деталей определяют расчетным путем, а окончательное конструктивное решение принимается исходя из оптимального распределения напряжений. Долговечность отдельных деталей может значительно отличаться от долговечности агрегата или машины в целом, поэтому не всегда целесообразно повышать качество деталей, если вся машина рассчитана на короткий срок работы. Отказ одной детали может значительно сократить надежность конструкции. Таким образом, выбор материалов и их технологических методов изготовления и упрочнения должны согласоваться со значимостью конкретной детали в механизме.
Качество детали формируемся в процессе всех этапов ее изготовления, начиная с отливки, пластической деформации и кончая механической, термической и химико-термической обработкой. Кроме того, на долговечность деталей в значительной степени оказывают влияние условия эксплуатации - своевременность смазки, крепления, замены изношенных элементов.
Выбор метода получения заготовки может оказать большое влияние па характеристики прочности и пластичности готовой детали. Так, замена литья на литье в оболочковую форму или применение штамповки вместо обработки резанием позволяет в ряде случаев повысить реальные характеристики в несколько раз. При этом стоимость обработки (например, обработка проката намного дороже обработки литья). Экономические соображения могут определять выбор способа получения заготовки.
Эксплуатационные требования к служебным характеристикам деталей определяют выбор материала, Деталь должна обладать необходимой конструктивной прочностью, долговечностью и надежностью. На основании сформулированных требований определяют стандартные характеристики материала, из которого предполагается изготовление детали. В зависимости от назначения и условий работы материал должен удовлетворять эксплуатационным требованиям (например, не охрупчиваться при низких температурах).
Кроме того, большое значение имеют технологические особенности материала: жидкотекучееть, если заготовку получают методом литья; способность хорошо обрабатываться резанием и давлением: способность хорошо свариваться, если деталь сварная; ремонтопригодность (в тех случаях, когда ресурс детали достаточно большой и целесообразно использовать после ремонта).
Стоимость материала при прочих равных условиях должна быть минимальной. Применение дорогих легированных материалов должно быть технически и экономически оправдано.
Часто эксплуатационные, технологические и экономические требования вступают в противоречие друг с другом. Например, более прочные стали обрабатывать труднее, чем менее прочные, и их стоимость выше. Таким образом, в каждом отдельном случае приходится принимать компромиссное решение, в первую очередь, удовлетворяя эксплуатационным требованиям и в то же время по возможности, используя малолегированные не дефицитные материалы.
Для многих деталей решающее значение при выборе стали имеет прокаливаемостъ. Такие детали, как шатуны, ответственные рычаги, тяги и другие изделия должны, по условиям работы, иметь по всему сечению однородную структуру (чаще всего одну из отпускных структур). Чтобы выполнить данное требование, деталь необходимо прокаливать насквозь. В центре заготовки должно быть не менее 95 % мартенсита, а это возможно только для деталей с малой критической скоростью закалки, в составе которых достаточное количество легирующих элементов. Когда изделие работает на изгиб или кручение, сквозная прокаливаемость не обязательна, так как распределение напряжений у деталей такой группы не равномерное - на поверхности напряжения максимальные, а в центре - минимальные, близкие к нулю. Тогда глубина закаленного слоя может быть ограничена 0,5 радиуса сечения детали.
В каждом отдельном случае при назначении материала, кроме схемы напряженного состояния в условиях эксплуатации необходимо учитывать встречающиеся на практике характерные виды дефектов подобных деталей. Выбирая материал для проектируемой детали, конструктор учитывает опыт работы сходных конструкций как в нашей стране, так и за рубежом. Для многих деталей разработаны стандарты, которые регламентируют конструктивные формы, размеры, требования к качеству и технологии обработки.
Если опыт показывает, что прежняя конструкция подобных деталей имела повышенный износ, частые поломки или другие дефекты, то в новую конструкцию должны быть заложены мероприятия, повышающие долговечность и надежность проектируемых деталей. Работоспособность ответственных деталей и узлов обычно проверяют на стендах или натурных испытаниях.
Рассматривая схемы напряженного состояния в условиях эксплуатации, можно наметить несколько групп конструкционных деталей. Каждая из таких групп (табл. 1) характеризуется определенными условиями работы, требованиями к свойствам материалов, а также типовыми видами упрочняющей обработки, обеспечивающими эти требования.
Приведенная табл. 1 позволяет избежать возникновения грубых ошибок у обучающихся и охватывает только некоторые варианты выбора материалов.
ПРИМЕР ВЫБОРА МАТЕРИАЛА ДЕТАЛИ
Детали машин при эксплуатации испытывают различные виды напряжений, оценить которые достаточно сложно, поэтому, приступая к выбору материала для конкретной детали, необходимо выделить основные напряжения, ответственные за работоспособность детали.
Анализируя условия работы изделия, можно определить свойства, которыми должен обладать материал. Их нужно сопоставить с характеристиками материала, приведенными в справочнике, после чего из группы близких по свойствам материалов выбрать материал, наиболее полно отвечающий основным и дополнительным требованиям.
Дополнительными могут быть такие требования, как лучшая технологичность, более низкая стоимость, меньшая склонность к деформациям при термической обработке и т. д.
Для определения группы материалов, удовлетворяющих основным требованиям эксплуатации, можно воспользоваться данными, приведенными в табл. 1, в которой даны характеристики условий работы для некоторых деталей и рекомендуемые материалы для их изготовления.
После этого анализируются следующие факторы: размер партии, технологические характеристики, дополнительные требования.
Последовательность действий при выборе материала рассмотрим, решая задачу изготовления модульной шестерни редуктора.
Деталь предусмотрена для серийного производства. Условия работы зуба шестерни - изгибающие напряжения, высокие контактные нагрузки при циклических воздействиях, трение скольжения. Расчетные напряжения, полученные для зубьев шестерни, допускают применение материалов с пределом текучести σ 0,2 > 350МПа, δ = 12%, σ к > 1290МПа, модуль шестерни принимается равным 4.
По данным эксплуатации определяют основные виды дефектов шестерен. Применяя данные табл. 1 находят группу деталей, условия работы которой в наибольшей степени совпадают с условиями эксплуатации проектируемой детали. Это 9 группа для изделий, испытывающих динамические воздействия при высоких контактных напряжениях и трении скольжения. В этом случае рекомендуют стали е массовой долей углерода 0,1 ...0,3 % (цементуемые). В качестве упрочняющей технологии применяют нитроцементацию или цементацию. Эти виды обработки обеспечивают вязкость сердцевины и износостойкость поверхности, а также высокое сопротивление заеданию и предел выносливости.
Таблица 1
Классификация конструкционных деталей по условиям работы
Группа |
Условия работы, конструктивные особенности |
Основные требуемые свойства |
Типовые детали |
Примеры применяемых материалов, марки |
Типовая упрочняющая технология |
Примечание |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
1 |
Напряжения от внешних нагрузок и термические напряжения. Сложная конструктивная форма изделия |
Механическая прочность. Сопротивление циклическим напряжениям при изменении температуры. Хорошая технологичность и теплопроводность. |
Направляющие станков, крышки плавающих головок, стяжные колоды, корпуса, днища. |
Серые чугуны: СЧ15, СЧ18, СЧ20, СЧ25. Алюминиевые сплавы: АЛ9, АЛ4. Магниевые сплавы: МЛ5. Стали: 15Х5М |
Старение, отжиг для снятия напряжений, нормализация, высокий отпуск |
Крупнографитовые включения более высокую износостойкость по сравнению с мелкими |
2 |
Напряжения от термических и внешних нагрузок, механический износ в агрессивной среде и при повышенной температуре |
Износостойкость и задиристость при повышенных температурах. Коррозионная стойкость. Хорошая технологичность (литейные свойства, обрабатываемость резанием, шлифуемость). |
Корпуса, днища, внутренние детали аппаратов |
Специальные чугуны (нирезист, хромоникеливые и др.). Металлокерамика, серые чугуны с прирабатывающимися покрытиями, алюминиевые сплавы АЛ2, АЛ10В, АК4, АЛ25, АЛ30. Стали 08Х18Н10Т, 08Х13 |
Старение, различные покрытия для приработки (хромирование, лужение, сульфационирование, азотирование, фосфотирование) закалка |
|
|
||||||
Продолжение табл. 1 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
3 |
а. Небольшие напряжения. По условиям работы деформация не планируется. б. То же, но возможны небольшие деформации в процессе эксплуатации |
Хорошие литейные свойства при удовлетворительной пластичности. То же и способность к пластической деформации (δ = 3…12%). |
Днища, плоские фланцы, муфты, пробки, корпуса и обечайки |
Серые чугуны СЧ15, алюминиевые сплавы, стали: ВСт3кп2, 20, ковкие чугуны КЧ35-10, КЧ37-12. Высокопрочные чугуны, стальное литье ВСт3пс6 |
Для стали нормализация. Отжиг, старение. Закалка, отпуск. |
Необходимость термообработки обусловлена условиями изготовления. Ковкие чугуны применяются для тонкостенных деталей
|
4 |
Трение скольжения при повышенной температуре в агрессивной среде |
Износостойкость, противозадиристые свойства, теплопроводность, выносливость, сопротивление пластической деформации, коррозионная стойкость |
Подшипники скольжения, втулки |
Баббиты Б83, Б89, БТ и др. Алюминиевые, медные и цинкованные подшипниковые материалы и многослойные композиции. |
|
Оловянистые и свинцовые баббиты применяются при давлениях 1500МПа. При более высоких давлениях используют свинцовистую бронзу или алюминиевые сплавы
|
|
||||||
Продолжение табл. 1 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
5 |
Трение качения при высоких контактах |
Износостойкость и контактная выносливость, отсутствие деформации в процессе работы |
Ролики, шарики подшипников, кольца подшипников |
ШХ6, ШХ9, ШХ15, ШХ15ГС, 95Х18 |
Закалка и низкий отпуск. Закалка с низким отпуском и обработка холодом |
|
6 |
Невысокие динамические напряжения при циклических воздействиях и трении скольжения. Конструкционная форма простая |
Высокая ударная вязкость сердцевины и износостойкая поверхность. Повышенный предел выносливости |
Оси, валы, пальцы, тяги |
Ст3, Ст4, Ст5, Сталь35, 40, 45 |
Улучшение. Для малоответственных деталей применяют нормализацию без термической обработки. Номализация с последующей поверхностной закалкой ТВЧ и низким отпуском |
Требуется сквозная прокаливаемость. Для повышения выносливости применяют обработку дробью, роликами. Могут применяться малоуглеродистые стали 10, 15Х, 20, 20Х с последующей цементацией, закалкой и низким отпуском.
|
|
||||||
Продолжение табл. 1 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
7 |
То же, но высоконагруженные |
То же |
Валы |
Стали 45, 40ХГР, 18Х, 2Н4ВА, 45Х, 38Х, 2МОА |
Нормализация с последующей поверхностной закалкой и низким отпуском. Улучшение с последующей закалкой ТВЧ и низким отпуском. Улучшение с последующим азотированием
|
|
|
||||||
Продолжение табл. 1 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
Высокие динамические контактные напряжения при циклических воздействиях и трении |
Высокая ударная вязкость и износотойкость поверхности, высокая контактная выносливость, сопротивление заеданию, усталостная прочность |
Шестерни, шлицевые детали |
Цементуемые сплавы 25ХГТ, 30ХГТ, 15Х, 18ХГТ, 20ХНМ, 12ХНЗА. Нитроцементуемые стали 25ХГМ, 19ХГН, 20ХГНМ и др.
|
Цементация, закалка и низкий отпуск. Нитроцементация, закалка и низкий отпуск |
Твердость поверхности HRC 52…62, сердцевины HRC 35…45 |
9 |
Большая упругая деформация при циклическом нагружении
|
Высокий предел упругости, выносливость |
Пружины, торсионы, мембраны |
Сталь 65Г, 55С2, 70С3А, 60С2ХФА, 60С2ВА |
Закалка и средний отпуск, обработка дробью |
Твердость HRC 40…50 |
|
||||||
Окончание табл. 1 |
||||||
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
10 |
Трение в абразивной среде и в потоке газов при высоких температурах и динамических нагрузках |
Износотойкость, жаропрочность и жаростойкость, сопротивление механической и термической усталости. Термостойкость |
|
40Х, 40Х9С2, 40Х10С2М, 80Х20НС, 45Х14Н14, 40Х14Н14В2М, 12Х18Н9Т |
Закалка с последующим старением (отпуска) при температурах выше рабочей температуре детали |
Рабочая температура до 700…9000С |
11 |
Силовые нагрузки в условиях коллебаний температуры +50 - -500С |
Повышенная прочность, коррозионная стойкость, тепло и морозо стойкость |
Детали силовых конструкций |
Ст3сп, 10ХСНД, 15ХСНД |
Нормализация |
|
По механическим характеристикам можно подобрать и улучшаемые стали, которые после улучшения и поверхностной закалки с последующим низким отпуском имеют высокую вязкость сердцевины и поверхностную износостойкость. Анализируя особенности конструктивного решения данной детали (малый модуль), от второго варианта, по-видимому, придется отказаться, исходя из следующего соображения: зуб шестерни должен иметь равномерный упрочненный слой.
Глубина его по условиям работы должна быть в пределах 0,5...0,8 мм, так как толщина зуба небольшая. Такое требование накладывает на точность изготовления индуктора жесткие допуски, что практически невозможно осуществить. Различная величина зазора между деталью и индуктором но поверхности зуба приведет к неравномерной глубине слоя, а это при данных размерах шестерни недопустимо.
Можно попытаться использовать сталь пониженной прокаливаемости 58 (55ПП), применяя сквозной нагрев венца шестерни при закалке. Благодаря низкой прокаливаемости данной стали можно получить неполную прокаливаемость зуба. Сталь 55ПП имеет критический диаметр 6,6...9,0 мм и рекомендуется для шестерен с модулем 4,2...4,5 мм, а в нашем случае модуль зуба равен 4.
Таким образом, наиболее целесообразно применить для изготовления проектируемой шестерни одну из цементуемых сталей. Выбор сталей большой, и почти любая из них может обеспечить необходимые свойства сердцевины (σ0,2≥ 350 МПа, δ =12 %. σк > 1290 МПа). Кроме этого, стали этой группы могут подвергаться цементации, нитроцементации или цианированию.
Применение цианирования ограничено из-за токсичности цианистых ванн, и поэтому данный процесс не желателен. При сравнении нитроцементации и цементации становится очевидно, что нитроцементация предпочтительнее, так как она проводится при более низких температурах 820...8600 С по сравнению с цементацией 920...950°С. Это позволяет избежать больших деформаций после химико-термической обработки и закалки.
Оптимальная глубина слоя после нитроцементации меньше, чем при цементации, но в нашем случае для тонкого зуба проектируемой шестерни требуется небольшая глубина слоя.
Кроме того, нитроцементация более интенсивно повышает выносливость и износостойкость сталей. После нитроцементации требуется закалка с последующим низким отпуском. Сложная форма детали определяет охлаждающую среду при закалке. Вода как охладитель в данном случае неприемлема, потому что вызывает большие внутренние напряжения и влечет за собой деформацию изгиба. Поэтому чтобы исключить этот недостаток следует использовать масло в качестве охлаждающей среды после закалки.
Однако, следует учитывать, что при этом скорость охлаждения в масле оказывается ниже критической.
В рассматриваемом случае сквозная прокаливаемость не требуется, поскольку сердцевина зуба состоит из малоуглеродистой стали и должна сохранять пластичность.
Можно использовать стали 15ХФ, 15ХФМ. 25ХГГ, 25ХГМ, 20ХН и др наиболее дешевая сталь этой группы - 15ХФ.
Индекс стоимости у нее, 1,14. Однако выбор материала обусловливается не только приведенными выше соображениями, но и затратами на обработку. В нашем случае основные расходы на изготовление шестерни падают па механическую обработку (токарные и зуборезные работы), поэтому скорость резания и износостойкость инструмента могут оказать существенное влияние на выбор стали.
По условию задания изготовление шестерни намечено проводить большими партиями. Определяется по справочнику значение коэффициента обрабатываемости Кv. Данный коэффициент показывает отношение допустимой скорости резания при 60-ти минутной стойкости резца при обработке исследуемой стали к допустимой скорости резания при обработке эталонной стали 45.
Для стали 45 при твердосплавном инструменте допустима скорость резания 145 м/мин. а при инструменте из быстрорежущей стали - 70 м/мин. Из перечисленных выше сталей наибольший коэффициент обрабатываемости Кv у стали 15ХФ, равный 1,7 для твердосплавного и 1,3 для быстрорежущего инструмента.
Окончательный выбор материала определяется экоономическими соображениями.
По современным нормам изменение технологического процесса для материала должно быть экономически оправданным, т. е. давать экономический эффект в размере не менее 15 % прибыли.