Проектирование композиционных материалов с короткими волокнами

Работа № 4

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления валов диаметром 50 мм редуктора. По расчету сталь должна иметь предел прочности:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²
Задача №2:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала двигателя. Вал должен иметь предел прочности при растяжении не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м² . Диаметр вала:

а) 35 мм; б) 50 мм; в) 120 мм.
Задача №3:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала диаметром 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 800 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²
Задача №4:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для шатунов с поперечным сечением стержня 40 мм двигателя внутреннего сгорания. Сталь должна иметь предел прочности при растяжении:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 900 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²
Задача №5:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для изготовления коленчатых валов с диаметром шейки 60 мм двигателя. Предел текучести стали должен быть:

а) не ниже 600 МПа, ударную вязкость не ниже 0,7 МДж/м²

б) не ниже 750 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м²

в) не ниже 850 МПа, ударную вязкость не ниже 0,9 МДж/м²
Задача №6:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для вала тяжелонагруженного прицепа. Вал должен иметь предел прочности не ниже 700 МПа, ударную вязкость не ниже 0,8 МДж/м² .

Диаметр вала: а) 40 мм; б) 75 мм; в) 150 мм.

Задача №7:

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 50 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58 … 60, толщина поверхностного твердого слоя 0,7 … 0,9 мм.

Предел текучести в сердцевине должен быть:

а) не ниже 500 МПа;

б) не ниже 600 МПа;

в) не ниже 800 МПа.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для стаканов цилиндров мощных дизельных двигателей, которые должны обладать повышенной износостойкостью поверхностного слоя (HV 1000 … 1050); толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм; предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 750 МПа.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки поршневых пальцев диаметром 50 мм автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60), толщину поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес редуктора диаметром 30 мм. Твердость поверхности зубьев должна быть HRC 58 … 60; толщина поверхностного твердого слоя 0,30 … 0,35 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 700 МПа.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для поршневого пальца диаметром 15 мм двигателя мотоцикла. Поршневые пальцы должны иметь высокую износостойкость поверхности (HRC 58 … 60) и предел текучести в сердцевине не ниже 650 МПа. Толщина поверхностного твердого слоя 1,5 … 1,6 мм.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не ниже HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,6 … 0,8 мм. Предел текучести в сердцевине должен быть не ниже 600 МПа.

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора до комнатной температуры в сплаве Х₁ = 80% Zn системы алюминий – цинк.

1. 
   Вычерчиваем диаграмму фазового равновесия (рис. 49, а).
   

2. 
   Анализ фазовых превращений.
   

t  t₁ Ф=1 (Ж) С = 2-1+1=2

t – переменная,

С – переменная

t – переменная,

С – сonst
t = t₂ Ф=3 (Ж,,) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С - сonst
t₃  t  t₂ Ф=2(,) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst
t₄  t  t₃ Ф=1() С = 2-1+1=2

t – переменная,

С – сonst
t = t₄ Ф=3(,,) С = 2-3+1=0

t – сonst,

С – сonst
t  t₄ Ф=2(,) С = 2-2+1=1

t – переменная,

С – сonst
2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х₁ (рис. 49, б).
2.3. Запишем фазовые превращения, происходящие при медленном охлаждении сплава Х_1, с указанием температур превращений и соответствующих концентраций фаз:

2.4. Количество жидкой и  - твердой фаз в точке В:

Количество  и  фаз в точке 5:

Работа № 2
Анализ фазовых превращений в железоуглеродистых сплавах
Задание:

Выполнить анализ фазовых превращений, происходящих при медленном охлаждении из области жидкого раствора до комнатной температуры в сплаве состава Х₁ = 4,6 % системы железо – углерод.

1. Вычерчиваем диаграмму состояния железо – углерод (рис. 50).

Рис. 50. Диаграмма фазового равновесия железо-углерод

2. Анализ фазовых превращений.

2.1. Подсчитаем число степеней свободы С для сплава Х₁ при различных температурах по правилу фаз.

Число компонентов К=2 (железо, углерод). Число фаз Ф и степеней свободы С при различных температурах:

t  t₁ Ф = 1 (Ж) С=2-1+1=2

t – переменная, С – переменная.
t₂ t t₁ Ф = 2 (Ж, Ц₁) С=2-2+1=1

t – переменная, С – const.

t – const, С – const.

t – переменная, С – const.

t – const, С – const.

t  t₄ Ф = 2 (Ф, Ц) С=2-2+1=1

t – переменная, С – const.

2.2. С учетом полученных при расчетах данных о температурах представляется схема кривой охлаждения сплава Х₁ (рис. 51).

Рис. 51. Кривая охлаждения сплава Х₁

2.4. Количественные расчеты для сплава Х₁ по правилу отрезков:

В точке 12: В точке 3: В точке 5:



Работа № 3
Проектирование композиционных материалов

с короткими волокнами
Задание № 1:

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N = 55000 (Н). Деталь имеет длину L = 900 (мм); площадь поперечного сечения S = 95 (мм²); масса детали М = 450 (г); рабочая температура детали t = 900 ⁰С.

1. Выполнить для заданной детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учета материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.
Расчет № 1

1. Рассчитываем предел прочности при растяжении:

2. Определяем верхнее и нижнее значение

плотности детали (плотность КМ допускается

меньше на 10%):

3. 
   Рассчитываем верхнее и нижнее значение удельной прочности:
   

Расчеты КМ для данной детали:

Материал матрицы – УУМ. Материал волокон – Al₂О₃.

1. 
   Расчет критической длины волокон:
   

2. 
   Рассчитываем объемную концентрацию волокон:
   

3. 
   Рассчитываем плотность спроектированного КМ:
   

4. 
   Расчет удельной прочности спроектированного КМ:
   

5. 
   Проверяем выполнение необходимого условия для спроектированного КМ:
   

Неравенство выполняется. Делаем вывод, что КМ спроектирован правильно.

На цилиндрическую деталь летательного аппарата действует растягивающая сила N=65000 Н. Деталь имеет длину L = 800 мм; площадь поперечного сечения S=85 кв. мм.; масса детали М = 350 г; рабочая температура детали t=250 ⁰С.

1. Выполнить для детали расчеты прочности, плотности и удельной прочности без учёта материала детали.

2. Выполнить проектирование композиционного материала (КМ) для заданной детали.

Исходные данные: N = 65000 Н; М = 0,35 кг; L = 0,8 м; t =250 ⁰С;

S =85^.10^-6 мм².

1. 
   Определяем расчётное напряжение растяжения в детали:
   

2. 
   Определяем верхнее и нижнее значения плотности детали:
   

3. 
   Вычисляем верхнее и нижнее значения удельной прочности:
   

Выбираем в качестве материала матрицы алюминиевый высокопрочный сплав 1950 (В95).

Характеристики материала:


Выбираем в качестве наполнителя керамические волокна Al₂О₃.

Характеристики наполнителя:

1. 
   Расчёт критической длины волокон:
   

2. 
   Расчёт минимальной объёмной концентрации волокон:
   

3. Расчёт удельных энергетических затрат на изготовление материалов матрицы и волокна:

4. Расчёт общих энергетических затрат на изготовление детали из проектируемого КМ:

6. Расчёт удельной прочности для спроектированного КМ:

Имеем

Как видно .
Вывод: Расчёт удельной прочности показывает, что для спроектированного КМ выполняется требование по удельной прочности. Таким образом, для изготовления детали можно выбрать матрицу из сплава 1950 (В95), наполнитель из керамических волокон Al₂О₃ диаметром 127 мкм и длиной 364 мкм при концентрации 27,2 об. %.


Работа № 4
Выбор стали и термической обработки деталей машин.
Задание № 1:

На вал машины диаметром 40 мм действуют напряжения кручения и изгиба. Предел текучести материала в середине детали должен быть _0,2  800 МПа.

1. 
   Обосновать выбор упрочняющей термической обработки детали.
   
2. 
   Обосновать выбор группы и марки стали.
   
3. 
   Обосновать условия и режим термообработки.
   
4. 
   Выбрать нагревательное устройство.
   
5. 
   Составить технологическую маршрутную карту обработки детали.
   

Исходя из условий задачи видно, что на деталь действуют напряжения изгиба и кручения, т.е. деталь находится в сложнонапряженном состоянии. Принимаем объемное упрочнение и назначаем термическую обработку, состоящую из полной закалки и высокого отпуска.

Используем группу улучшаемых конструкционных сталей, у которых прокаливаемость при закалке не менее 40 мм. Исходя из заданных численных значений предела текучести _0,2  800 МПа, принимаем группу стали для высоконагруженных деталей машин. Предварительно выбираем хромоникелевую сталь марки 40ХН. Проверка по справочным данным показала, что использование стали 40ХН при d = 40 мм обеспечивает _0,2  800 МПа. После проведенного анализа назначаем окончательно марку стали 40ХН и операции упрочняющей термической обработки, включающие полную закалку и высокий отпуск.

Назначаем режимы термической обработки.

Температура нагрева:

t_нагр = t_Ас3 +(30…50) = 820 + (30…50) =850…870 ⁰С;

время нагрева и выдержки для размера сечения 40 мм составляет при норме 1 мин./мм:

1 мин./мм  40 мм = 40 мин;

Охлаждающая среда – минеральное масло.

По справочным материалам для стали 40ХН с целью обеспечения _0,2  800 МПа назначаем температуру отпуска 550 ⁰С. В качестве нагревательных устройств принимаем:

Составим технологическую маршрутную карту на операции термообработки.

Выбрать марку стали, вид и режим термической обработки для зубчатых колес диаметром 60 мм коробки перемены передач. Твердость поверхности зубьев должна быть не менее HRC 58; толщина поверхностного твердого слоя 0,8…1,0 мм.

Предел текучести в сердцевине должен быть не менее 600 МПа.

Требуется: обосновать выбор марки стали, упрочняющей термической обработки. Назначить режимы проведения обработки, нагревательные устройства. Составить технологическую маршрутную карту термической обработки детали.

Решение: В соответствии с заданием выбираем поверхностное упрочнение: цементация, закалка и низкий отпуск. Типовая глубина упрочняемого слоя в данном случае составит 1,5…1,8 мм, что удовлетворяет заданным условиям. Выбираем сталь марки 20Х.

Упрочнение детали осуществляется проведением цементации, закалки и низкого отпуска. В соответствии со справочными данными это позволяет получить для стали 20Х предел текучести _0,2 = 700 МПа.

Принимаем на основе анализа цементуемую сталь 20Х.

Назначение режимов термообработки.

Режим цементации:

Температура нагрева – 930 ⁰С; время цементации составит 9 часов; науглероживающая среда – эндогаз.

Температура нагрева – 850 ⁰С; среда охлаждения – минеральное масло.

Закаленные детали подвергают отпуску при 160…180 ⁰С в течение 1 часа.

Шахтная печь Ц-105. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – науглероживающая. Максимальная температура 950 ⁰С.

Камерная печь СНО-4.8.2,5/10. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – воздушная. Максимальная температура 1000 ⁰С.

Шахтная печь ПН-32. Вид нагрева – электрический. Атмосфера – воздушная. Максимальная температура 650 ⁰С.

Составляем технологическую маршрутную карту на операции цементации и термической обработки цементованных деталей.

Таблица 58

Маршрутная карта термической обработки

Разраб.		Сдобняков Е.В.	НГТУ
Согл.
Утв.		Сорокин В.К.	Зубчатое колесо
МО1		Сталь 20Х ГОСТ4543		Диаметр 60 мм 0,2 = 800 МПа,
МО2
А 03	Цементация
Б 04	Шахтная печь Ц-105
О 05	Цементовать деталь
Т 06	Корзинка, подвеска
07
А 08	Закалка
Б 09	Электропечь СНО-4.8.2,5/10
О 10	Закалить деталь
Т 11	Поддон
12
А 13	Отпуск высокотемпературный
Б 14	Электропечь ПН-32
О 15	Отпустить деталь
МК

Справочные материалы

Нагревательные устройства термических производств

машиностроения (примеры)

Обозна-чение серии	Тип нагревательного устройства	Конструк-ция устройства	Характер среды	Максимальная рабочая температура, 0С	Назначение при термообработке
Вид нагрева – электрический
СНО	СНО-4.8.2,5/10	камерная	воздушная атмосфера	1000	закалка, отжиг
СН3	СН3-3.6.2/10	камерная	защитная атмосфера	1000	закалка, отжиг
ОКБ	ОКБ-210	камерная	защитная атмосфера	1300	закалка
СШ3	СШ3-6.6/7	шахтная	защитная атмосфера	700	отпуск закаленных изделий
ПН	ПН-32	шахтная	воздушная атмосфера	650	отпуск закаленных изделий
Ш	Ш-30	шахтная	воздушная атмосфера	950	закалка
Ц	Ц-105Б	шахтная	науглероживающая атмосфера	950	цементация
США	США-6.6/6	шахтная	аммиак	600	азотирование
СВС	СВС-2.4.4/10	ванна электродная	расплавленная соль	1000	закалка
СВГ	СВГ-20/8,5	печь-ванна	расплавленная соль	850	отпуск закаленных изделий
Вид нагрева – индукционный
МГ3	МГ3-208АК	машинный генератор ТВЧ	воздух	частота тока 8000 Гц	поверхностная индукционная закалка

Время нагрева и выдержки в электрических и газовых печах,

соляных ваннах при закалке стали

Сечение поперечное (диаметр детали), мм	Продолжительность, мин
	Печи электрические	Печи газовые		Соляные ванны (жидкая среда)
	Нагрев и выдержка	Нагрев	Выдержка	Нагрев	Выдержка
25	1,0 на 1 мм сечения	20	5	7	3
50		40	10	17	8
100		80	20	33	17
150		120	30	50	25
200		160	40	65	35

Таблица 49

Группы улучшаемых конструкционных сталей по степени нагруженности

деталей машин и механическим свойствам после закалки и высокого отпуска

Улучшаемые стали (основные разновидности, примеры марок)	Механические свойства сердцевины
	Предел прочности, в, МПа	Предел текучести, 0,2, МПа
1. Малонагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 10-12 мм; 0,2  600 МПа).
Углеродистые стали марок 35,40,45	600…700	400…600
2. Средненагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 20-50 мм; 0,2  850 МПа).
Хромистые: 40Х, 45Х Марганцовистые: 45Г2 Хромомарганцовистые (дополнительно вводят титан или бор): 30ХГТ; 40ХГР	900…1100	700…850
3. Высоконагруженные детали машин (прокаливаемость при закалке в сечениях до 75-100 мм; 0,2  1100 МПа).
Хромоникелевые: 40ХН Хромоникельмолибденовые: 40ХН2М Хромоникельмолибденованадиевые: 38ХН3МФА	1000…1200	800…1100

Таблица 50

Механические свойства некоторых типовых конструкционных

среднеуглеродистых сталей после закалки и высокого отпуска

при температуре 540…600 ⁰С

* Относительные единицы: за 1,0 принята оптовая цена углеродистой качественной стали;

** Диаметр образца, закаливающегося насквозь с получением в центре микроструктуры из 90% мартенсита и 10% троостита.
Таблица 51

Основные способы поверхностного упрочнения деталей машин

Группы цементуемых конструкционных сталей по степени

нагруженности деталей машин и механическим свойствам

сердцевины деталей после цементации, закалки и низкого отпуска