Пример решения задачи. Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками

 

Заводу нужно изготовить вал диаметром 70 мм для работы с большими нагрузками. Сталь должна иметь предел текучести не ниже 750 МПа, предел выносливости не ниже 400 МПа и ударную вязкость не ниже 0, 9 МДж/м².

Завод имеет сталь: Ст. 4, 45 и 20ХНЗА.

Сталь С Мп Si Сг Ni Р S Ст.4 0, 18- 0, 4- 0, 12- 0, 3 0, 3 0, 050 0, 040 Сталь 45 0, 27   0, 3 0, 8 0, 3 0, 050 0, 040 20ХНЗА 0, 42- 025- 0, 17- 0, 9 2, 7- 0, 025 0, 025   0, 50   0, 37   3, 2       0, 17- 0, 3- 0, 17-           0, 23 0, 6 0, 37

Решение задачи Стали марок Ст.4, 45 и 20ХНЗА имеют состав, %.

Какую из этих сталей следует применить для изготовления вала?

Нужна ли термическая обработка выбранной стали и если нужна, то какая?

Дать характеристику микроструктуре и указать механические свойства после окончательной обработки.

Сталь марки Ст.4, согласно ГОСТ, имеет
следующие свойства в состоянии поставки: σ _в= 420-540 МПа, σ _{0, 2}= 240-260 МПа.

Сталь 45, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твердость не более НВ 207. При твердости НВ 190-200 сталь имеет предел прочности не выше 600-620 МПа, а при твердости ниже НВ 180 предел прочности не превышает 550-600 МПа. А предел текучести составляет 270-320 МПа.

Сталь 20ХНЗА, согласно ГОСТ, в состоянии поставки имеет твердость не более НВ 250. Предел прочности при твердости НВ 230-250 не превышает 670-750 МПа. Предел текучести составляет 350-400 МПа. Таким образом, для получения заданной величины предела текучести вал необходимо подвергнуть термической обработке.

Низкоуглеродистая сталь Ст.4, как сталь обыкновенного качества, имеет повышенное содержание серы и фосфора, которые понижают механические свойства, и особенно сопротивление ударным нагрузкам. Для такого ответственного изделия, как вал двигателя, поломка которого нарушает работу машины, применение более дешевой по составу стали обыкновенного качества нерационально.

Сталь 45 относится к классу качественной углеродистой, а сталь 20ХНЗА – к классу высококачественной легированной стали. Эти стали содержат соответственно 0, 42-0, 5 и 0, 17-0, 23% С и принимают закалку.

Для повышения прочности можно применять нормализацию или закалку с высоким отпуском.

Последний вариант обработки сложнее, но позволяет получить не только высокие характеристики, но и более высокую ударную вязкость. В стали 45 минимальные значения ударной вязкости после нормализации составляют0, 2-0, 3 МДж/м², а после закалки и высокого отпуска (500°С) достигают 0, 6-0, 7 МДж/м².

Так как вал двигателя в работе воспринимает динамические нагрузки, а также и вибрации, более целесообразно принимать закалку и высокий отпуск.

После закалки в воде углеродистая сталь 45 получает структуру мартенсита, однако, вследствие небольшой прокаливаемости углеродистой стали, эта структура в изделиях диаметром более 20-25 мм образуется только в сравнительно тонком и поверхностном слое толщиной до 2­4 мм.

Последующий отпуск вызывает превращение мартенсита в сорбит только в тонком поверхностном слое, но не влияет на структуру и свойства перлита и феррита в основной массе изделий.

Сорбит отпуска обладает более высокими механическими свойствами, чем феррит и перлит.

Наибольшие напряжения от изгиба, кручения и повторно переменных нагрузок воспринимают наружные слои, которые и должны обладать повышенными механическими свойствами. Однако в сопротивлении динамическим нагрузкам, которые воспринимает вал, участвуют не только поверхностные, но и нижележащие слои металла.

Таким образом, углеродистая сталь не будет иметь требуемых свойств по сечению вала диаметром 70 мм.

Сталь 20ХНЗА легирована никелем и хромом для повышения прокаливаемости и закаливаемости. Она получает после закалки достаточно однородные структуру и механические свойства в сечении диаметром до 75 мм.

Для стали 20ХНЗА рекомендуется термическая обработка:

1. Закалка с 820-835°С в масле.

При закалке с охлаждением в масле (а не в воде как это требуется для стали 45) возникают меньшие напряжения, а, следовательно, и меньшая деформация. После закалки сталь имеет структуру мартенсит и твердость

не ниже HRC 50.

2. Отпуск 520-530°С. Для предупреждения отпускной хрупкости, к которой чувствительны стали с хромом, вал после нагрева следует охлаждать в масле.

Механические свойства стали 20ХНЗА в изделии диаметром до 75 мм после термической обработки:

Предел прочности σ _в = 900-1000 МПа

Предел текучести σ _Т = 750-800 МПа

Предел выносливости σ _-1 = 400-430 МПа

Относительное удлинение δ = 8-10%

Относительное сужение ψ = 45-50%

Ударная вязкость КСУ = 0, 9 МДж/м²

Таким образом, эти свойства обеспечивают требования, указанные в задаче, для вала диаметром 70 мм.