Детали машин и основы конструирования. Стали и чугуны для деталей силовых редукторов и мультипликаторов

Содержание

Слайд 2

В учебном пособии представлены материалы, посвященные сталям и чугунам, применяемым в

В учебном пособии представлены материалы, посвященные сталям и чугунам, применяемым

в общем машиностроении при производстве таких достаточно сложных конструкций, как редукторы и мультипликаторы. Подбор информации осуществлен на основе учебных программ. Пособие предназначено для студентов обучающихся по направлению 150100 «Металлургия».
Слайд 3

Снижение материалоемкости конструкции - важный источник повышения эффективности общественного производства. Пути

Снижение материалоемкости конструкции - важный источник повышения эффективности общественного производства.

Пути

экономии материалов:

выбор оптимальной схемы машины и узла;

уточнение расчетов и снижение коэффициентов безопасности ;

выбор оптимальных типов и конструктивных исполнений деталей;

выбор оптимальных материалов и их термической обработки;

применение прогрессивных технологий и приближение форм деталей к формам наиболее простых и дешевых заготовок

Слайд 4

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в

ОПРЕДЕЛЕНИЯ И ПОНЯТИЯ


Легирующими элементами называют химические элементы, специально введенные в

сталь для получения требуемых строения, структуры, физико-химических и механических свойств.
Основными легирующими элементами в сталях являются Mn, Si, Cr, Ni, Mo, W, Co, Cu, Ti, V, Zr, Nb, Al, B. В некоторых сталях легирующими элементами могут быть также P, S, N, Se, Te, Pb, Ce, La и др. Перечисленные элементы, а также H, O, Sn, Sb, As, Bi могут быть также применены в стали. Содержание легирующих элементов в стали может колебаться от тысячных долей процента до десятков процентов.
Примесями называют химические элементы, перешедшие в состав стали в процессе ее производства как технологические добавки или как составляющие шихтовых материалов. Содержание примесей в стали обычно ограничивается следующими пределами: Mn≤0,8%, Si≤0,4%, Cr≤0,3%, Ni≤0,3%, Cu≤0,3%, Mo≤0,10%, W≤0,2%, P≤0,025-0,040%, S≤0,015-0,050%.
Как видно, примесями и легирующими добавками могут быть одни и те же химические элементы. Отнесение их к тому или иному признаку зависит от количества и роли в стали.
Легированные стали – это сплавы на основе железа, в химический состав которых специально введены легирующие элементы, обеспечивающие при определенных способах производства и обработки требуемую структуру и свойства.
Слайд 5

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ Существуют несколько признаков классификации машиностроительных сталей: по составу: углеродистые,

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ

Существуют несколько признаков классификации машиностроительных сталей:
по составу: углеродистые, легированные;
по обработке:

улучшаемые, нормализуемые, цементуемые, азотируемые, мартенситно-стареющие и т.д.;
по назначению: пружинные, шарикоподшипниковые, криогенные и т.п.
Нет единой классификации сталей.
Существует много признаков, по которым классифицируют стали, но зачастую и они не могут быть однозначными для большого числа марок сталей.
Слайд 6

Конструкционные стали Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для изготовления различных деталей

Конструкционные стали


Конструкционной сталью называется сталь, применяемая для
изготовления различных деталей

машин, механизмов и конструкций в
машиностроении и строительстве и обладающая определенными
механическими, физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали подразделяют на:
строительные;
машиностроительные;
стали и сплавы с особыми свойствами – теплоустойчивые,
жаропрочные, жаростойкие, коррозионностойкие.
Слайд 7

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ СТАЛЯМ высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным

ОСНОВНЫЕ ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИОННЫМ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫМ СТАЛЯМ

высокая конструктивная прочность, определяемая оптимальным сочетанием

прочности, вязкости и пластичности;
необходимые технологические свойства – хорошая обрабатываемость давлением, резанием и свариваемость, малая склонность к образованию трещин, короблению, обезуглероживанию при термической обработке;
специальные свойства: износостойкость, теплоустойчивость, определенные физические свойства и т.д.
Слайд 8

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО КАЧЕСТВУ По качеству стали подразделяют на: стали обыкновенного

КЛАССИФИКАЦИЯ СТАЛЕЙ ПО КАЧЕСТВУ


По качеству стали подразделяют на:
стали обыкновенного качества;
качественные

стали;
высококачественные стали;
особовысококачественные стали.
Главными качественными признаками стали являются более жесткие требования по химическому составу и прежде всего по содержанию вредных примесей, таких как фосфора и серы.
Слайд 9

СОДЕРЖАНИЕ СЕРЫ И ФОСФОРА В СТАЛЯХ РАЗНОГО УРОВНЯ КАЧЕСТВА Ниже приведено

СОДЕРЖАНИЕ СЕРЫ И ФОСФОРА В СТАЛЯХ РАЗНОГО УРОВНЯ КАЧЕСТВА

Ниже приведено предельное

содержание фосфора и серы, % (не более), в сталях разной категории качества:

Категория обыкновенного качества может относится только к углеродистым сталям. Все остальные категории качества могут относится к любым по степени легирования сталям.

Слайд 10

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

В России принята буквенно-цифровая система обозначения марок сталей и сплавов.


Углеродистые конструкционные к качественные стали обозначают двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента (например, 05; 08; 10; 15; 20; 25 ... 80; 85).
Для сталей, полностью не расчисленных (при С < 0,20%), в обозначение добавляются индексы: КП - кипящая сталь, ПС - полуспокойная сталь (например, 15кп, 20пс). Для спокойных сталей индекс не указывается. Углеродистые инструментальные стали обозначают буквой «У» и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (например, У7; У8; У9; УI0; У11; У12; У13).
Слайд 11

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Цифры после буквы в обозначении марки стали показывают примерное количество

того или иного элемента округленное до целого числа. При среднем содержании легирующего элемента до 1,5 % цифру за буквенным индексом не приводят. Содержание углерода указывается в начале марки в сотых (конструкционные стали) или десятых (инструментальные стали) долях процента.
Так, конструкционная сталь, содержащая 0,42 – 0,50 % С; 0,5 – 0,8 % Mn; 0,8 – 1,0 % Cr; 1,3 – 1,8 % Ni; 0,2 – 0,3 % Mo и 0,10 – 0,18 % V, обозначается маркой 45ХН2МФ.
Слайд 12

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Буква «А» в конце марки указывает, что сталь относится к

категории высококачественной (30ХГСА), если та же буква в середине марки, то сталь легирована азотом (16Г2АФ), а в начале марки буква «А» указывает на то, что сталь автоматная, повышенной обрабатываемости (А35Г2). Индекс «АС» в начале марки указывает, что сталь автоматная со свинцом (АС35Г2).
Особовысококачественная сталь обозначается добавлением через дефис в конце марки буквы «Ш» (30ХГС-Ш или 30ХГСА-Ш).
Сталь, не содержащая в конце марки букв «А» или «Ш», относятся к категории качественных (30ХГС).
Слайд 13

Трансляция российских марок сталей Принятая в России система маркировки наглядна и

Трансляция российских марок сталей

Принятая в России система маркировки наглядна и проста.

В других странах применяют другие принципы обозначения сталей.
Слайд 14

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества в зависимости

УГЛЕРОДИСТЫЕ СТАЛИ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Углеродистые горячекатаные стали обыкновенного качества в зависимости от

назначения и гарантируемых при поставке свойств подразделяются на три группы: А, Б, В.
Стали группы А поставляют с регламентируемыми механическими свойствами. Химический состав их не нормируется. Поэтому стали этой группы наиболее часто применяются в конструкциях, узлы которых не подвергаются горячей обработке.
Слайд 15

Углеродистые стали обыкновенного качества Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим

Углеродистые стали обыкновенного качества

Стали группы Б поставляют с регламентированным химическим составом,

без гарантии механических свойств. Поэтому их применяют для изделий, подвергаемых горячей обработке, технология которой зависит от состава стали, а конечные механические свойства определяются самой обработкой.
Стали группы В поставляют с регламентируемыми механическими свойствами и химическим составом. Как правило, такие стали применяют для изготовления сварных металлоконструкций, так как свариваемость стали определяется составом стали, а механические свойства вне зоны сварки определены в состоянии поставки. Стали группы В дороже, чем стали группы А и Б, их применяют для ответственных изделий.
Слайд 16

Углеродистые стали обыкновенного качества Углеродистые стали обыкновенного качества бывают спокойными (сп),

Углеродистые стали обыкновенного качества

Углеродистые стали обыкновенного качества бывают спокойными (сп),

полуспокойными (пс), и кипящими (кп). В их составе разное содержание кремния, %:
спокойные 0,12 – 0,30;
полуспокойные 0,05 – 0,17;
кипящие ≤ 0,07.
Каждая марка стали может иметь различную категорию в зависимости от количества нормируемых показателей химического состава и механических свойств.

Обозначаются углеродистые стали обыкновенного качества буквами «Ст», за которыми следует цифра, указывающая порядковый номер марки стали, а не среднее содержание углерода в ней, хотя с повышением номера от Ст 1 до Ст 6 содержание углерода в стали увеличивается. Группы Б и В указывают впереди марки. Группа А в обозначении марки не указывается. Для обозначения степени раскисления после номера марки добавляют один из индексов сп, пс, кп, а категория нормируемых свойств (кроме категории 1) указывается последующей цифрой. Полуспокойные стали могут иметь повышенное содержание марганца (до 1,2 %). В этом случае после номера стали ставится буква «Г».

Слайд 17

Углеродистые стали обыкновенного качества ВСт3сп5 означает, что сталь Ст3 спокойная, группы

Углеродистые стали обыкновенного качества

ВСт3сп5 означает, что сталь Ст3 спокойная, группы

В, категории 5 (нормируемыми для этой категории показателями являются: химический состав, временное сопротивлении е при растяжении, предел текучести, относительное удлинение, изгиб в холодном состоянии, ударная вязкость при -20°С и после механического деформационного старения).
Ст2кп означает что сталь Ст2, кипящая, группы А, категории 1 (нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение).
БСт5Гпс2 означает, что сталь Ст5, полуспокойная, с повышенным содержанием марганца, группы Б, категории 2 (нормируется содержание C, Mn, Si, P, S, As, N, Cr, Ni, Cu).
Слайд 18

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ УГЛЕРОДИСТЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Слайд 19

СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СПОКОЙНЫХ И ПОЛУСПОКОЙНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СПОКОЙНЫХ И ПОЛУСПОКОЙНЫХ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ ОБЫКНОВЕННОГО КАЧЕСТВА

Слайд 20

Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества

Применение конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества

Слайд 21

УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ В машиностроении находят применение для изготовления деталей и

УГЛЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ

В машиностроении находят применение для изготовления деталей и

изделий, чаще всего неответственного назначения, дешевые углеродистые качественные стали.
Свойства углеродистых сталей определяются содержанием углерода и применяемой обработкой. Горячекатаные, нормализованные и отожженные стали имеют феррито-перлитную структуру. С увеличение содержания углерода количество перлита возрастает и при ~ 0,8 % С сталь имеет полностью перлитную структуру. В заэвтектоидной стали наряду с перлитом появляется избыточный цементит. Увеличение содержания углерода (перлита) приводит к росту прочности и падению пластичности вязкости феррито-перлитной стали , при этом порог хладноломкости существенно повышается.
Слайд 22

УГЛНЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ Марки углеродистых качественных сталей: 08; 10; 15; 20;

УГЛНЕРОДИСТЫЕ КАЧЕСТВЕННЫЕ СТАЛИ

Марки углеродистых качественных сталей:
08; 10; 15; 20; 25;

30; 35; 40; 45; 50; 55; 60
Цифры в обозначении марки стали показывают содержание углерода в сотых долях процента.
Пример химического состава (содержания углерода и примесей) качественной углеродистой стали.
Слайд 23

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ

МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТАЛЕЙ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ

Слайд 24

Применение конструкционных углеродистых качественных сталей

Применение конструкционных углеродистых качественных сталей

Слайд 25

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому

ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫЕ СТАЛИ

Шарикоподшипниковая сталь прежде всего должна обладать высокой твердостью, поэтому

применяют высокоуглеродистые стали типа инструментальной (иногда низкоуглеродистые в цементованном состоянии).
Чтобы шарикоподшипниковая сталь легко принимала закалку (т.е. итмела низкую критическую скорость закалки) и в качестве закалочной среды для нее можно было бы применять масло, сталь легируют (обычно) хромом. Государственный стандарт предусматривает четыре основные марки шарикоподшипниковой стали.
Слайд 26

МАРКИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫХ СТАЛЕЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

МАРКИ ШАРИКОПОДШИПНИКОВЫХ СТАЛЕЙ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Слайд 27

СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

СВОЙСТВА ЛЕГИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ СТАЛЕЙ

Слайд 28

Примеры применения конструкционных легированных сталей

Примеры применения конструкционных легированных сталей

Слайд 29

ЧУГУНЫ Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома; структура

ЧУГУНЫ

Белый чугун – название получил по матово-белому цвету излома;
структура в

не нагретом состоянии: Ц + П(Ф + Г); т.е. весь углерод находится в форме цементита;
свойства: высокая твердость и износостойкость, хрупкость, практически не поддается обработке режущим инструментом;
марки: ИЧХ3, ИЧХ5, ИЧХ15… (износостойкий хромистый чугун с содержанием хрома 3%, 5%, 15% соответственно…);
применение: детали, работающие в условиях интенсивного износа без ударных нагрузок(например, линейки направляющих, детали шаровых мельниц);
не нашел широкого применения в общем машиностроении.
Слайд 30

Процесс графитизации При определенных кинетических условиях и диффузионных процессах при охлаждении

Процесс графитизации

При определенных кинетических условиях и диффузионных процессах при охлаждении

вместо цементита образуется графит (Г).
Диаграмма Fe – C называется стабильной, а Fe – Ц – метастабильной. Образование графита из жидкости или аустенита происходит в узком интервале температур между линиями стабильной и метастабильной диаграмм то есть в условиях малых переохлаждений и, следовательно при малых скоростях охлаждения

Кроме того, образование графита возможно при нагреве цементита (Ц – неустойчивое соединение) с образованием А + Г или Ф + Г.

Е'С'F‘ (1153°) – линия фазового равновесия L ↔ А + Г.
P'S'K‘ (738°) - линия фазового равновесия А ↔ Ф + Г

Слайд 31

ЧУГУНЫ Излом серого чугуна имеет матовый серый цвет. Обладает хорошими литейными

ЧУГУНЫ

Излом серого чугуна имеет матовый серый цвет. Обладает хорошими литейными

свойствами. В структуре присутствует графит, количество, форма и размеры которого изменяются в широких пределах. По строению металлической основы серые чугуны разделяют на: серый перлитный чугун (1) ; серый феррито-перлитный чугун (2); серый ферритный чугун (3). В обычном сером чугуне графит имеет пластинчатую форму (1 – 3).
Слайд 32

ЧУГУНЫ В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита,

ЧУГУНЫ

В высокопрочном сером чугуне графит находится в форме шаровидного графита,

который принимает такую форму благодаря присадке магния или церия (модификаторов) (1). В ковком сером чугуне углерод находится в форме хлопьевидного графита (углерода отжига)(2), который образуется в процессе отжига белого чугуна.
Слайд 33

МАРКИ СЕРЫХ ЧУГУНОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ σв- предел прочности при растяжении;

МАРКИ СЕРЫХ ЧУГУНОВ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

σв- предел прочности при растяжении; δ%

- относительное удлинение после разрыва; σи – предел прочности при изгибе.
Слайд 34

АСПЕКТЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН Механические (конструкционные) свойства материалов.

АСПЕКТЫ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН


Механические (конструкционные) свойства

материалов.
Технологические свойства материалов. Это часть общих физико-химических свойств, по которым на основании практического опыта проектируют и реализуют процесс получения узлов и деталей макшин с наилучшими служебными свойствами. Методы определения технологических свойств стандартизованы.К числу важнейших относятся: свариваемость, паяемость, упрочняемость, обрабатываемость резанием, литейные свойства и технологическая деформируемость.
Экономические параметры, связанные с затратами на изготовление деталей.
Слайд 35

Механические свойства металлических материалов и методы их определения Детали должны выдерживать

Механические свойства металлических материалов и методы их определения

Детали должны выдерживать (передавать)

различные нагрузки: статические, динамические, циклические, тепловые и др.
Способность материала в конструкции сопротивляться внешним воздействиям, (т.е. свойства материала), принято оценивать механическими характеристиками. Один и тот же материал при различных внешних условиях (температура, скорость нагружения и т.д.) может иметь различные механические свойства.
Количественная оценка механических свойств материалов производится путем испытаний образцов в специальных испытательных машинах при определенных условиях. Размеры образцов и методики проведения испытаний стандартизованы.
Слайд 36

Испытание на растяжение Разрушение образца из пластичного материала Образец для испытаний Относительное удлинение сужение

Испытание на растяжение

Разрушение образца из пластичного материала

Образец для испытаний

Относительное

удлинение

сужение
Слайд 37

Диаграмма растяжения с площадкой текучести σпц, σуп и σт– пределы пропорциональности,

Диаграмма растяжения с площадкой текучести
σпц, σуп и σт– пределы пропорциональности,

упругости и
текучести;
σв – временное сопротивление;
σр – напряжение в момент разрыва.

Закон Гука σ = E·ε

Слайд 38

Диаграмма растяжения без площадки текучести σ0,2 – условный предел текучести σр,ист

Диаграмма растяжения без площадки текучести

σ0,2 – условный предел
текучести
σр,ист – истинное

напряжение в момент
разрыва

σ0,2

0,2%

Слайд 39

Испытание на сжатие d0 h0 Образец для испытаний Деформация образца из пластичного материала из хрупкого материала

Испытание на сжатие

d0

h0

Образец для испытаний

Деформация образца

из пластичного материала

из хрупкого материала

Слайд 40

Диаграммы растяжения и сжатия пластичного (например, стали) и хрупкого (например, чугуна)

Диаграммы растяжения и сжатия пластичного (например, стали) и хрупкого (например, чугуна)

материалов

σ

σВС > σВР

F

Разрушение образца из хрупкого материала

σвс

σТС ≈σТР

Слайд 41

Кривая усталости σr - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла

Кривая усталости

σr - предел выносливости - максимальное значение напряжения цикла

изменения напряжений, при котором разрушение не происходит после практически неограниченного числа циклов изменения напряжений.
Цикл изменения напряжений – совокупность последовательных значений переменных напряжений за один период их изменения.
Слайд 42

Методы определения твердости материалов. Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности.

Методы определения твердости материалов.

Измерение твердости – упрощенный метод определения прочности. Твердость

– одна из характеристик сопротивления деформации.
Метод Бринелля: в испытуемый материал под действием силы Р внедряется шарик (индентор) диаметром D; число твердости по Бринеллю – НВ = Р / S, где S – сферическая поверхность отпечатка с диаметром d.
Метод Роквелла: индентор – алмазный конус или стальной шарик; числом твердости считают величину обратную глубине вдавливания h; прибор имеет три шкалы: HRB – при вдавливании стального шарика; HRA и HRC при вдавливании алмазного конуса ( с различной нагрузкой).
Метод Виккерса: индентор – алмазная пирамида; критерий числа твердости HV – диагональ отпечатка d.