Системный анализ свойств материалов для изготовления деталей общего машиностроения.

По дисциплине: «Технология проектирования»

для специальности 180103.65

«Судовые энергетические установки»

 

Мурманск

 

Составители – Людмила Сандуовна Баева,

профессор, зав. кафедрой

технологии металлов и судоремонта;

Наталья Евгеньевна Петрова,

канд. техн. наук, доцент кафедры

технологии металлов и судоремонта

 

 

Рецензент: Н. А. Чеченин, зам. главного инженера

ООО «МСВ-СДП»

 

 

Методические указания рассмотрены и одобрены на заседании кафедры Технологии металлов и судоремонта 17.06.2009, протокол № 09/09.

 

 

Зав.кафедрой ТМ и С Баева Л.С.

 

 

Методические указания одобрены учебно-методической комиссией ИДО_________на__________ учебный год,

«____» _____________________г., протокол № ______________ .

 

 

Председатель УМК _______________________________

 

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .4

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.

Системный анализ свойств материалов

для изготовления деталей общего

машиностроения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2.

Разработка технологического процесса

получения заготовок деталей методом

пластической деформации

(свободной ковкой). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .18

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3.

Выбор режимов резания и оформление

операционной карты. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .29

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 4.

Выбор режимов термообработки

деталей общего назначения. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

ЛИТЕРАТУРА . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

ВВЕДЕНИЕ

 

Настоящие методические указания к выполнению практических работ по дисциплине: «Технология проектирования» составлены в соответствии с учебными планами заочной и заочно-ускоренной формы обучения с использованием ДОТ для специальности 180103.65 «Судовые энергетические установки».

Методические указания разработаны для 4 практических работ. Описание каждой работы содержит методические рекомендации о порядке выполнения работ и составлении отчета, а также необходимую справочную литературу.

Целью практических работ является получение студентами профессиональных навыков выбора материала и разработки технологических процессов для изготовления деталей общего назначения.

 

Вариант задания студент выбирает по сумме двух последних цифр зачетной книжки.

Пример: № 2345647

4+7=11 Þ вариант 11

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 1.

 

Системный анализ свойств материалов для изготовления деталей общего машиностроения.

 

Цель работы: изучить основные свойства (механические, физические, технологические и эксплуатационные) материалов.

 

Задание: дать сравнительную характеристику свойств 2-3 марок одноименной группы материалов.

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

 

Для выполнения работы студент должен изучить характеристики прочности и пластичности материалов, иметь представление о спо­собности материала сопротивляться разрушению при зарождении трещин и их распространении, о технологических свойствах и эксплуатационных требованиях к материалам.

Студент должен знать:

– механические свойства материалов (предел прочности при растяжении sв, предел текучести sт, относительное удлинение d, относительное сужение y, ударную вязкость КС);

– технологические характеристики материалов и методы их определения (обрабатываемость резанием, способность к холодной и горячей пластической деформации, свариваемость);

– эксплуатационные требования к материалам (чувствительность к образованию трещин и склонность к деформационному старению, хладностойкость, жаропрочность, коррозионная стойкость, жаростойкость, износостойкость);

– классификацию материалов по химическому составу, структуре, качеству, применению;

– маркировку сталей и чугунов, цветных сплавов на основе меди, алюминия, титана.

 

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

 

1. Изучить свойства материалов и методы их определения (табл. 1.1).

2. Определить по рекомендуемой литературе химический состав, механические и др. свойства заданных марок материалов (табл. 1.2), результаты занести в таблицу 1.3.

3. Определить и зарисовать микроструктуру заданных марок материала.

4. Дать сравнительную характеристику свойств и области применения заданных марок материала.

При решении задачи использовать приведенный алгоритм (рис. 1.1).

5. Оформить отчет. Отчет должен включать: алгоритм выполнения задания с записью исходных данных и результатов выполнения задания, таблицу химического состава и свойств заданных марок материала, характеристику и схематическую зарисовку микро­структуры материала, сравнительный анализ свойств и область применения материала.

АЛГОРИТМ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧИ.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЗАНЕСЕНИЕ ДАННЫХ В ТАБЛИЦУ
ВАРИАНТ ЗАДАНИЯ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ МАТЕРИАЛА ПО ГРУППЕ (ЧЕРНЫЕ, ЦВЕТНЫЕ)  
МАРКИ МАТЕРИАЛОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА МАРОК МАТЕРИАЛА И ЗАПОЛНЕНИЕ ТАБЛИЦЫ
НАЧАЛО

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ЗАНЕСЕНИЕ В ТАБЛИЦУ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ХАРАКТЕРИСТИКА СТРУКТУРНЫХ СОСТАВЛЯЮЩИХ СПЛАВОВ
ЗАРИСОВКА СХЕМЫ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ
КОНЕЦ
Рис. 1.1. Блок схема алгоритма решения задачи.
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СВОЙСТВ ЗАДАННЫХ МАРОК
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ЗАДАННЫХ МАРОК СПЛАВОВ
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ЗАНЕСЕНИЕ ДАННЫХ В ТАБЛИЦУ

 

 


КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Таблица 1.1

 

№ п/п Вопросы Ответы на страницах
1* 2* 3* 4*
Как подразделяются механические свойства, определяемые различными способами нагружения материалов? 79-123 – –
Какие механические свойства материала выявляются при испытании на растяжение? 80-81 88-89 – –
Что позволяют определить конструктору, выбирающему материал, показатели пластичности d, y? – 88-92 – 125-126
Какому из материалов, имеющим равные пределы прочности sв, но различные значения d, следует отдать предпочтение при изготовлении детали? – 88-92 –
Что такое конструктивная прочность и какие параметры используются для ее оценки? 100-106 87-88 – 125-126
Как связано число твердости НВ с временным сопротивлением sв? – –
Для чего используются динамические испытания? 84-87 102-105
Что больше KCU, KCV или KCT одного и того же материала? Почему? –
В каком случае будет меньше разность между KCV или KCT у пластичного или у хрупкого материала? – 103-105
Какие вы знаете наиболее распространенные методы оценки техно­логических характеристик судостро­ительной стали, соответствующие требованиям Российского морского регистра судоходства? – – 90-98 –
Для каких материалов проводят испытания на осадку, сплющивание, раздачу и отбортовку? – – 92-94 –

 

Что такое углеродный эквивалент Сэкв при оценке свойств стали на свариваемость? – – 94-95 –
Какие показатели свойств материалов являются критерием при испытаниях на склонность к механическому, деформационному старению? – – 96-98 –
Чем отличаются истинные напряжения от условных? – 68-69 – –
Что такое концентраторы напряжений и почему они опасны? –
Каковы признаки вязкого и хрупкого разрушений? 51-57 77-80 –
Объясните механизм образования и рост трещины? – 77-80 99-102 126-127
Каковы особенности структуры вязкого и хрупкого изломов? 51-57 77-80 99-102 –
Какое практическое применение может найти вязкость разрушения К1с в конструкторских разработках? 105-110 92-95 –
Для каких материалов наиболее целесообразно определять вязкость разрушения К1с? 105-110 94-95 –
Какой материал будет иметь максимальную и минимальную трещиностойкость: 1) s0,2 = 500 МПа 2) s0,2 = 1200 МПа 3) s0,2 = 120 МПа – 94-95 –
Какими методами определяется порог хладноломкости и как можно использовать на практике знание температурного запаса вязкости? – – 127-128
Какие механические характеристики материала служат для оценки проч­ности при циклическом нагружении? 87-91 102-103 – 129-130
В чем характерная особенность поверхности разрушения при усталостных изломах? 87-88 101-102 –
Чем отличается малоцикловая усталость от многоцикловой? – 102-103 – 130-131

 

 

Определить приближенно предел вы­носливости sR для стали с sв = 300 МПа? – – –
Что называется ползучестью металла? 91-94 – 284-285
Какие механические характеристики служат для оценки жаропрочных свойств материала? 91-94 – 284-285
Как расшифровать выражение ? 91-94 – 284-285
Как расшифровать выражение ? 91-94 – 284-285
Назовите основные виды изнашивания и повреждаемости при трении в машинах. 320-321 104-108 – 133-134
Почему окислительное изнашивание считают допустимым? – – –
Назовите неразрушающие методы контроля качества заготовок и готовых изделий. 123-143      
Какие существуют методы упрочнения металлов? – 110-117 – 134-138
Какие меры являются наиболее радикальными в борьбе с усталостью? – – –

 

 

Примечание:

1.* Солнцев, Ю. П. Материаловедение : учебник для вузов / Ю. П. Солнцев, Е. И. Пряхин ; под ред. Ю. П. Солнцева. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб. : Химиздат, 2004. - 736 с. : ил.

2.* Лахтин, Ю. М. Материаловедение : учебник для втузов / Ю. М. Лахтин, В. П. Леонтьева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Машиностроение, 1990. - 527 с. : ил.

3.* Технология судостроительных материалов: учебное пособие. / В. И. Васильев, А. Д. Гармашев, А. Д. Озерский и др. – Л. : Судостроение, 1990. – 312 с. : ил.

4.* Материаловедение : учебник для втузов / Б. Н. Арзамасов, В. И. Макаров, Г. Г. Мухин и др. ; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. – 3-е изд., перераб. и доп. – М. : МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2001. – 648 с. : ил.

 

ВАРИАНТЫ ЗАДАНИЯ

Таблица 1.2

 

Вариант Марки сплавов ГОСТ
Ст1кп, Ст2пс, Ст3сп 380-94
Ст3Гсп, Ст4пс, Ст6 380-94
сталь 15, 50, 70 1050-88
сталь 20Х, 18ХГТ, 12Х2Н4А 4543-71
сталь 40Х, 40ХН2МА, 30ХМ 4543-71
сталь Е32, Е36, Е40 5521-93
сталь 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД 5521-93
сталь 12Х13, 12Х18Н10Т, 08Х21Н6М2Т 5632-32
сталь 55С2, 50ХФА, 65С2ВА 14959-79
сталь 09Г2, 09Г2С, 10ХСНД 19281-89
ВСт3Гпс2, ВСт3сп3, ВСт3Гпс4 5521-93
сталь А, В, D32 5521-93
сталь В, А32, D36 5521-93
сталь 14Г2, 17ГС, 14ХГС 19281-89
сталь 30ХГС, 40ХНМ, 38ХН3М 4543-71
сталь 65Г, 70С3А, 40ХФА 14959-79
сталь У7, У10, У13А 1435-90
сталь 13Х, ХВГ, 9Х5ВФ 5950-73

 

 

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ И МЕХАНИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА СПЛАВОВ

Таблица 1.3

 

Марка ГОСТ Химический состав Механические свойства
        s0,2 (sт) sв МПа d % y % КСU Дж/см2 НВ
                         
                         
                         

 

 

Технологические свойства:

температура ковки –

свариваемость –

обрабатываемость резанием –

склонность к отпускной хрупкости –

 

Эксплуатационные свойства:

предел выносливости –

предел ползучести –

предел длительной прочности –

 

Корпусные стали и их назначение
(ГОСТ 5521–93)

Таблица 1.4

Марка стали Категория стали по правилам РМРС Область применения
ВСт3пс2 А Неответственные корпусные конструкции
ВСт3сп4 ВСт3сп3 В Корпусные конструкции судов всех типов, классов и назначений
ВСт3сп2 А Корпусные конструкции судов всех типов, классов и назначений
ВСт3Гпс4 ВСт3пс4 ВСт3Гпс3 ВСт3пс3 ВСт3Гпс2 ВСт3пс2 А или В Неответственные корпусные конструкции судов всех типов, классов и назначений. Для конструкций ответственного назначения применяется по согласованию с органами надзора
09Г2 А32; Д32; Е32 Корпусные конструкции судов всех типов, классов и назначений
10ХСНД А40; Д40; Е40 Корпусные конструкции судов всех типов, классов и назначений
09Г2С А32; Д32; Е32 Судостроительные конструкции морских судов и плавсредств

 

В процессе ремонта судовых корпусов, особенно за пределами страны-строителя, часто приходится ре­шать задачу выбора материала, эквивалентного использованному при постройке. Учитывая это, Международная ассоциация классификационных обществ (МАКО) разработала унифицированные требования к стали как основному материалу, при­меняемому при строительстве корпусов судов, согласно которым все ста­ли разделяются на две группы:

1) обычные угле­родистые стали – ОУС (mild steel);

2) стали повы­шенной прочности – СПП (high tensile steel).

Стали первой группы, в свою очередь, делятся по категориям в зависимости от вязкости, второй – по показателям прочности и категориям вязкости.

В качестве основной характеристики прочности стали принимается номинальный предел текучести, равный для ОУС 235 МПа, для СПП – 315, 355, 390 МПа, а в качестве основной характеристики ка­тегории – вязкость стали.

Для ОУС предусмотрены четыре категории вязкости – А, В, Д, Е, для СПП 315, 355, 390 – три (А, Д, Е) категории вязкости.

Категория стали кроме вязкости опреде­ляется также требованиями к химическому составу, раскислению, числу испытаний образ­цов. Наименее жесткие требования предъявляются к стали категории А, наиболее высокие – к стали катего­рии Е. Требования к химическому составу, раскислению, ударной вязкости для сталей всех групп и категорий приведены в ХIII части ("Ма­териалы") "Правил классификации и постройки морских судов" Российского морского регистра судоходства.

Категория вязкости назначается в зави­симости от ответственности связи в составе корпуса. Различают три группы ответственности связей в со­ставе корпуса судна: III группа – наиболее ответствен­ные связи; II группа – связи средней ответственности; I группа – связи малой ответ­ственности.

Группа ответственности связи, расчетная температура конструкции и толщина элемента конструкции опре­деляют категорию вязкости стали, которая должна применяться при постройке и ремонте корпуса судна. Чем ниже рас­четная температура и больше толщина связи, тем бо­лее высокой категории вязкости сталь необходимо применять.

Назначение корпусных сталей в зависимости от категории стали приведено в табл. 1.4.

 

КОНТРОЛЬНЫЙ ПРИМЕР ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ

 

 

Группа Ф.И.О.

 

1. Вариант: 01

 

2. 35ХМ, 30ХГСА, 30ХН3МФА

 

3. Сталь легированная конструкционная

ГОСТ 4543-71 – легированные улучшаемые стали

 

4. Химический состав:

 

Сталь Содержание элементов, %
C Mn Cr Ni др. эл-ты
35ХМ хромоникелевая сталь
0,32-0,40 0,40-0,70 0,80-1,10 0,30 Mo 0,15-0,25
30ХГСА хромомарганцевокремнистая сталь высококачественная*
0,28-0,34 0,80-1,10 0,80-1,10 0,30 Si 0,90-1,20
30ХН3МФА хромоникельмолибденованадиевая сталь высококачественная*
0,33-0,40 0,25-0,50 1,2-1,5 3,0-3,5 Mo 0,35-0,45 V 0,10-0,18

 

* – высококачественные стали содержат меньшее количество серы и фосфора

 

5. Механические свойства:

 

Сталь s0,2 МПа sв МПа d % y % КСU Дж/см2 НВ
не менее не более
35ХМ –
30ХГСА –
30ХН3МФА –

 

6. Технологические свойства:

 

  35ХМ 30ХГСА 30ХН3МФА
Температура ковки: начала конца      
     
12600С 12400С 11800С
8000С 8000С 7000С
Свариваемость ограниченно свариваемая ограниченно свариваемая не применяется для сварных конструкций
Обрабатываемость резанием 0,80 0,85 –
Склонность к отпускной хрупкости не склонна не склонна не склонна

 

7. Эксплуатационные свойства сталей после улучшения (закалка, высокий отпуск):

 

  35ХМ 30ХГСА 30ХН3МФА
Предел выносливости s-1 , МПа
Число циклов, n , МПа * , МПа **
– –
– –
Предел ползучести sn , МПа – –
Скорость ползучести, %/ч 1/100000 – –
Предел длительной прочности sд , МПа – –

 

* – запись означает,

что напряжение 255 МПа при 5000С после 200 часов нагружения вызывает разрушение материала;

 

** – запись означает,

что напряжение 59 МПа вызывает при 5000С в данной стали пластическую деформацию, равную 1% за 200 часов.

8. Характеристика структуры сталей:

конструкционные улучшаемые легированные стали 35ХМ, 30ХГСА, 30ХН3МФА по структуре являются доэвтектоидными сталями со структурой легированного феррита (твердый раствор легирующих элементов в α-железе) и перлита;

после улучшения (закалка, высокий отпуск) структура – сорбит отпуска.

 

9. Схемы структуры сталей:

 

 

 


исходное состояние после улучшения

 

10. Сравнительный анализ свойств сталей:

анализируемые стали являются углеродистыми (0,3 – 0,5 % С) и их подвергают улучшению – закалке (8200С – 8800С) в масле и высокому отпуску при 5500С – 6800С;

стали имеют высокий предел текучести, малую чувствительность к концентраторам напряжения, высокий предел выносливости и достаточный запас вязкости (KCU);

введение в сталь 35ХМ молибдена повышает механические свойства стали;

совместное легирование стали 30ХГСА марганцем и кремнием позволяет получить более высокие механические свойства после улучшения, но стали хромансил склонны к обратимой отпускной хрупкости и обезуглероживанию при нагреве;

введение в сталь 30ХН3МФА молибдена и ванадия способствует получению мелкозернистой структуры, обеспечивает высокую прокаливаемость, недостатком является трудность обработки резанием и высокая стоимость.

 

11. Область применения:

35ХМ – особо нагруженные детали ДВС, турбин, работающие при температуре до 4000С: шатуны, штоки, ответственные крепежные и соединительные детали;

30ХГСА – тяжелонагруженные детали, работающие при температуре до 2000С: зубчатые колеса, валы, рычаги, толкатели и т.д.;

30ХН3МФА – ответственные крупные тяжелонагруженные детали, работающие при температуре до 4000С: диски, валы, роторы турбин, детали редукторов.

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 2.