Файл: Расчетнографическая работа по дисциплине Материаловедение м 87 пз выполнил студент группы мсс1016 Кривоконев В. А. Принял к т..pdf

РОСЖЕЛДОР Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования Ростовский государственный университет путей сообщения
ФГБОУ ВО РГУПС Кафедра Технология металлов
РАСЧЕТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА по дисциплине Материаловедение М 87 ПЗ Выполнил студент группы МСС-1-016 Кривоконев В.А. Принял к.т.н., доцент Кротов В.Н.
Ростов-на-Дону
2023

Изм Лист
№ докум. Подпись Дата
Разраб
.
Провер
.
Н.контр.
Утв
. Литер. Лист
2 Листов
13
Кривоконев Кротов Материаловедение М 87 ПЗ
ФГБОУ ВО РГУПС
каф.ТехМ гр.МСС-1-016 Р ГР Содержание
1. Условия работы поршневого пальца и требования к его материалу 3 2. Кристаллизация и определение фазового состава сплава с содержанием углерода 0,12% …………………………………………………………………… 5 3. Термическая обработка поршневого пальца из стали ХНА ..………… 7 4. Контроль качества термообработки. Метод определения твердости 11 Список использованной литературы 13

3
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ
1. УСЛОВИЯ РАБОТЫ ПОРШНЕВОГО ПАЛЬЦА И ТРЕБОВАНИЕ К ЕГО МАТЕРИАЛУ. Поршневой палец — сплошной или полый цилиндрический стержень, служащий для подвижного шарнирного соединения поршня с шатуном. Аналогичные детали имеются в шарнирных соединениях ползунов, крейцкопфов, рычажных механизмов и обычно называются осью шарнира. Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня с шатуном. Вовремя работы палец подвергается значительным механическим нагрузкам в различных направлениях, а также воздействию сил трения и температуры. При четырехтактном процессе поршневой палец работает в условиях знакопеременной нагрузки, при двухтактном – в условиях, близких к пульсирующей нагрузке. Кроме механической нагрузки палец испытывает значительную тепловую нагрузку вследствие передачи теплоты от головки поршня, а также выделения теплоты при трении поршневого пальца оголовку шатуна и бобышку поршня. В результате этого создаются неблагоприятные условия для осуществления жидкостного трения. Из-за наличия полужидкостного трения поршневой палец и сопряженные с ним поверхности бобышек поршня и верхней головки шатуна сильно изнашиваются. Поршневой палец относится к деталям двигателя, совершающим вовремя работы возвратно-поступательное движение, поэтому его масса должна быть минимальной. Однако, как указывалось выше, через поршневой палец передаются значительные механические и тепловые нагрузки, поэтому размер и масса пальца, его конструкция, технология и материал изготовления, с учѐтом себестоимости массового производства, должны обеспечивать долговечную и безотказную работу. С учетом перечисленных выше условий, в которых работают поршневые пальцы, к их конструкции предъявляются определенные требования, с целью

4
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ достижения высокой надежности и долговечности. Требования, предъявляемые к поршневым пальцам высокая прочность минимальная масса высокая износостойкость. Надежность и долговечность поршневых пальцев - необходимое требование, поскольку их замена, монтаж и демонтаж связаны с выполнением ремонтных работ высокой трудоемкости. Сталь ХНА- конструкционная легированная хромоникелевая сталь используется для изготовления цементуемых особо ответственных крупных деталей, работающих при отрицательных до -120 С температурах или под воздействием ударных нагрузок – валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, ролики. В моѐм случае применение стали ХНА обоснованно условиями работы детали. Химический состав стали С, % С, % Ni, % Mn, % P, % S, %
Si, %
Cu, % Fe, %
0,09-
0,15 1,25-
1,65 3,25-
3,65 0,3- 0,6 до
0,025 до
0,025 0,17-
0,37 до 0,3 93 Для построения кривой охлаждения сплава по диаграмме железо-углерод возьму значение углерода 0,15%.

5
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ
2. КРИСТАЛЛИЗАЦИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ФАЗОВОГО СОСТАВА СПЛАВА С СОДЕРЖАНИЕМ УГЛЕРОДА 0,12%. Выше точки 1 сплав охлаждается без каких-либо видимых превращений жидкой фазы. В интервале 1-2 протекает кристаллизация сплава с появлением Феррита и при этом присутствует часть жидкой фазы. В интервале 2-2’ происходит перитектическое превращение, при котором кристаллы Ферриты взаимодействуют с Жидкой фазой, и образуются кристаллы Аустенита. В интервале 2-3 протекает кристаллизация сплава с появлением зѐрен Аустенита, также присутствует часть твѐрдого раствора Феррита. В интервале температур 3-4 никаких превращений не наблюдается, идет охлаждение Аустенита. В интервале 4-5 часть Аустенита переходит в Феррит. В интервале 5-5’ происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустенит переходит в Перлит. Ниже точки 5
’ не происходит никаких превращений. Структура будет состоять из продукта эвтектоидной реакции перлита и феррита. Перлит представляет собой эвтектоидную смесь двух фаз – феррита и

6
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ цементита. Перлит – продукт эвтектоидного распада аустенита при медленном охлаждении сплавов ниже 723°C. Аустенит (железо) переходит в Феррит (железо, в котором около 0,02% углерода избыточный углерод выделяется в форме цементита. Следовательно, при комнатной температуре структура будет состоять из двух фаз- феррита и цементита.

7
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ
3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ПОРШНЕВОГО ПАЛЬЦА ИЗ СТАЛИ
12Х2Н4А.
Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения строений и получения заданных свойств. Основой термической обработки является изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава. Фундаментальной основой технологии термической обработки является режим. Режим включает в себя температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения. Конкретные величины, характеризующие элементы режима термообработки зависят от химического состава сплава, от размера детали, и от назначения производимой термообработки. Для достижения требуемой твердости после изготовления пальцы из стали ХНА подвергаются цементации на глубину 1…2 мм с последующей закалкой и отпуском. Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементированных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки - придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины. Содержание углерода в слое достигает дона что требуется значительное время – примерно 1 час на каждые 0,1-0,12 мм толщины слоя. Температура цементации в карбюризаторе СВ связи с этим, после медленного охлаждения цементованной детали, структура ее поверхностного слоя соответствует заэвтектоидной стали и плавно переходит в структуру малоуглеродистой сердцевины.

8
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ Закалка состоит из 3 этапов нагревание, выдержка, охлаждение. Отпуск состоит из тех же пунктов, что и закалка. Сталь ХНА является доэвтектоидной, но была произведена цементация, поэтому структура на поверхности этой стали будет соответствовать структуре заэвтектоидной. Тогда формула, по которой будет вычисляться температура закалки
( ) , такая закалка называется неполной. При этом в моей стали присутствуют два легирующих элемента- это хром и никель. Как известно, никель снижает температуру критической точки на , а хром наоборот- повышает на . Следовательно, температура закалки
( )
( ) Предположим, что нам нужно закалить поршневой палец дизеля Д. Сечение такого пальца будет мм. Определим время нагрева по формуле где — удельное время нагрева, выбираемое в зависимости от формы поперечного сечения детали, в мин/мм; для круглого сечения 1;
— коэффициент, учитывающий плотность укладки деталей на поду печи,
d— геометрический размер детали в мм Следовательно, время пребывания изделия в нагревающей среде Скорость охлаждения зависит от свойств охлаждающей жидкости. Для получения максимальной твердости и минимальных внутренних напряжений после закалки охлаждение должно происходить быстро в интервале температур С, чтобы задержать распад аустенита в зоне его наименьшей устойчивости, и медленно ниже С, так как при протекании мартенситного превращения происходят значительные объемные изменения.

9
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ Они способствуют появлению фазовых внутренних напряжений, которые суммируются с термическими внутренними напряжениями, появляющимися в результате быстрого охлаждения. Суммарные внутренние напряжения могут привести к короблению и образованию трещин в закаленных деталях. На основании вышеизложенного возникает понятие об идеальной кривой охлаждения при закалке. Каждая охлаждающая жидкость характеризуется своей охлаждающей способностью в двух температурных интервалах Си ниже. Характеристика охлаждающих сред приведена в таблице. Из приведенных данных следует, что вода является очень резким охладителем, но обеспечивает требуемую критическую скорость охлаждения
(

270...300)°С/с. Нагрев воды ухудшает ее охлаждающую способность. Машинное масло – хороший охладитель, ноне обеспечивает критическую скорость охлаждения углеродистых сталей. Масло пригодно для закалки таких легированных сталей, у которых критическая скорость закалки ниже, чему
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ углеродистых сталей. Растворение солей вводе повышает скорость охлаждения в интервале температур Си практически не изменяет ее в нижнем интервале. Растворы солей являются более резкими охладителями, чем вода. Таким образом, охладителя, обеспечивающего идеальные условия охлаждения при закалке, в настоящее время не существует. Охлаждение после закалки произведу в масле.
Закалѐнная деталь имеет высокий уровень внутренних напряжений, для снижения которых производят отпуск. Низкотемпературный (низкий) отпуск выполняют, нагревая закалѐнную деталь до температуры 150...250 С. При таком нагреве твердость закаленной стали практически не изменяется, но существенно снижаются внутренние напряжения. Низкотемпературному отпуску обычно подвергают режущий инструмент и детали, твердость которых должна быть высокой. Так как есть условия твѐрдости поршневого пальца после термообработки, именно низкотемпературный отпуск будет оптимальный.

11
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ
4. КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ТЕРМООБРАБОТКИ. МЕТОД ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ. Под твердостью материала понимают сопротивление проникновению в него постороннего тела, то есть твердость характеризуется сопротивлением деформации. Рассмотрим методы определения твердости. Метод Бринелля: в испытуемый материал под определенной нагрузкой вдавливают стальной закаленный шарик определенного диаметра и по величине диаметра шарового отпечатка судят о твердости. Отпечаток имеет вид шарового сегмента. Твердость по Бринеллю (НВ) определяют из выражения
НВ=Р/F, где Р – нагрузка, F – площадь поверхности шарового отпечатка. К недостаткам метода Б. необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость меньше 450 МПа или толщину больше 2 мм. При испытании с твердостью более 450 МПа возможна деформация шарика и результаты будут неточными. Метод Роквелла: основан на том, что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине или закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус – для твердых, шарик – для мягких металлов. Шарик/алмазный конус вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной (0,1 кН) и основной. Соответственно с этими нагрузками на индикаторе прибора нанесены шкалы черные Аи Си красные В. Шкала А – измерение твердости изделий сочень твердым поверхностным слоем шкала С – для измерения твердости закаленных сталей шкала В – незакаленные стали, цветные металлы и сплавы, имеющие твердость HRB 100. Метод Р. отличается простотой и высокой скоростью измерения, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний, позволяет испытывать металлы как низкой, таки высокой твердости, при толщине изделий до 0,8 мм. Этот метод не

12
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные.
Твѐрдость стали ХНА после термообработки будет достигать на поверхности 57-60 HRC, в сердцевине- более 325 НВ.

13
Изм. Лист
№ докум. Подпись Дата Лист М 87 ПЗ Список использованной литературы
1. Бондаренко, Г. Г. Материаловедение : учебник для вузов / Г. Г. Бондаренко, ТА. Кабанова, В. В. Рыбалко. — е изд. — Москва : Издательство Юрайт,
2020. — 327 с. — (Высшее образование. — ISBN 978-5-534-07090-3.
2. Методическое обеспечение самостоятельно работы студентов по дисциплине Материаловедение и технология конструкционных металлов. В 2 ч. Ч. 1 /
В.Н. Кротов, Л.А. Кармазина под ред. И.С. Морозкина; ФГБОУ РГУПС. –
Ростовн/Д, 2013. – 46 сил Библиогр.: с. 32.