Курсовая по материаловедению

Введение
Для того чтобы деталь служила долго и без различных погрешностей, необходимо правильно выбрать марку стали и термическую обработку.
Коленчатый вал является наиболее дорогостоящей и ответственной деталью двигателя. С его помощью возвратно-поступательное движение преобразовывается во вращательное движение. В процессе работы двигателя силы, разные по характеру воздействия оказывают влияние на коленчатый вал. Коленчатый вал обычно представляет собой цельный конструктивный элемент. Поэтому выбирая материал для тяжело нагруженного коленчатого вала необходимо учитывать принцип работы и нагрузки, испытывающие коленвалом.
Цель курсового проекта: изучить общие сведения о тяжело нагруженных валах, на основе этих данных, выбрать правильные и качественные марки стали, обосновать сделанный выбор, а также рекомендовать термическую обработку тяжело нагруженного коленчатого вала.
 
1. ВЫБОР И ОБОСНОВАНИЕ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ТЯЖЕЛО НАГРУЖЕННОГО ВАЛА
1.1. Устройство и принцип работы тяжело нагруженного вала
Валы имеют ступенчатую форму с уменьшающимися по диаметру ступенями к обоим концам. Конструкция валов (рис. 1) зависит от характера работы двигателя. Вал тягового электродвигателя более нагружен, поэтому переход от одной ступени к другой выполнен плавным, в форме радиуса, называемого галтелью. Этим достигается снижение концентрации напряжений в местах перехода. У вала электродвигателя единой серии в местах перехода ступеней имеется небольшое занижение диаметра, предназначенное для выхода круга при шлифовании. Для крепления пакета сердечника на валу предусмотрена шпоночная канавка. У валов небольшого диаметра вместо шпоночной канавки делают рифление. Валы электрических машин изготавливаются из углеродистой стали марки 45 (ГОСТ 1050 - 60). Для наиболее нагруженных валов применяется легированная сталь марки 20ХНЗА или 30ХГСА.
Для получения мелкозернистой структуры заготовки валов подвергают термообработке (нормализации). Вал является наиболее точной деталью электродвигателя машины.
Вал — деталь машины, предназначенная для передачи крутящего момента и восприятия действующих сил со стороны расположенных на нём деталей и опор. Валы являются основными деталями для передачи вращательного движения и крутящего момента в конструкциях машин и механизмов. В процессе работы материал валов испытывает сложные деформации - кручение, изгиб, растяжение и сжатие. Поэтому, чтобы обеспечить нормальную работу деталей, передающих движение на вал, и сборочной единицы в целом, валы должны быть жесткими. Валы очень разнообразны как по форме, так и по размерам, однако по технологическим признакам их можно привести к двум исходным формам: гладкому и ступенчатому валам.
Прямые гладкие валы постоянного диаметра имеют наиболее простую геометрическую форму, но их применение весьма ограничено. Наиболее распространены в машиностроении ступенчатые валы, основными технологическими параметрами которых являются: общая длина вала, количество ступеней, неравномерность их перепада по диаметрам, диаметр наибольшей ступени, наличие шлицев и их форма.
Жесткость конструкции вала определяется геометрической формой (отношением длины вала к диаметру); увеличение жесткости вала за счет уменьшения длины не всегда возможно.
Наиболее технологичными являются валы с возрастающими или убывающими диаметрами ступеней. Участки вала, имеющие один и тот же номинальный диаметр, но разные посадки, должны быть разделены канавками, четко разграничивающими обрабатываемые поверхности от необрабатываемых, при этом желательно, чтобы обрабатываемые участки вала имели равные или кратные длины, а перепады ступеней вала были бы невелики.
Конструкция вала должна допускать обработку ступеней на проход и обеспечить удобный подход и выход режущего инструмента.
Исходя из требуемых механических характеристик, можно заключить, что рассматриваемый вал является деталью ответственного назначения, работающей в тяжелых условиях.
 
1.2. Материал и способы получения заготовок для тяжело нагруженных валов
Коленчатые валы изготовляют из углеродистых, хромомарганцевых, хромоникельмолибденовых, и других сталей, а также из специальных высокопрочных чугунов.
Для тяжело нагруженных коленчатых валов использую сталь: 40ХН2МА, 20ХНЗА, 18ХНВА, 25ХГТ и др. В связи с высокими требованиями механической прочности вала большое значение имеет расположение волокон материала при получении заготовки во избежание их перерезания при последующей механической обработке. Для этого применяют штампы со специальными гибочными ручьями. После штамповки перед механической обработкой, заготовки валов подвергают термической обработке.
Подберем сталь для изготовления тяжело нагруженных коленчатых валов диаметром 120 мм: предел прочности должен быть не ниже 800 МПа.
Для сравнительного анализа будем использовать следующие марки стали: 20ХНЗА, 40ХНМА, 40Х, режимы их термической обработки, структуру и механические свойства после закалки и после отпуска.
Сталь 40ХНМА
40ХНМА - хромоникельмолибденовая сталь. Легированная конструкционная сталь.
Сталь 40ХНМА содержит (в среднем) 0,40% С, 0,17-0,37% Si, 1,25-1,65% Ni, 0,6-0,9% Cr, 0,15-0,25% Mo и относится к высококачественным, на что указывает в конце марки буква «А». Сталь относится к среднеуглеродистой, приобретает высокие механические свойства после термического улучшения- закалки (в масле) и высокого отпуска (550-700С). Данная сталь относится к глубоко прокаливающимся сталям, предназначенным для деталей с поперечным сечением 100мм и более. Их комплексное легирование обусловлено тем, что применение чисто хромоникелевых сталей нецелесообразно, так как они имеют сильно выраженную склонность к обратимой отпускной хрупкости. Для ее устранения многие детали небольших размеров из этих сталей охлаждают после высокого отпуска в масле, а более крупные детали - в воде. Но охлаждение в воде для многих крупногабаритных деталей из данного материала не приводит к достаточно быстрому охлаждению внутренних частей, в которых развивается отпускная х