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 s_в, предел текучести s_т, 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.