LABORATORIUM MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE W BUDOWIE MASZYN	ĆWICZENIE NR 12	Temat ćwiczenia: Dobór materiałów na elementy maszyn
	M11/ I	Ocena ze sprawdzianu:

1. Skorygowane odpowiedzi na pytania kontrolne

1. W jakim stanie obróbki cieplnej stal charakteryzuje się wysoką wytrzymałością, plastycznością i udarnością.

Po przeprowadzeniu ulepszania cieplnego stal charakteryzuje się wysoką wytrzymałości plastycznością i udarnością

2. Jak wpływa temperatura odpuszczania na wytrzymałość, plastyczność i udarność stali.

Wyższa temperatura zwiększa te właściwości, natomiast mniejsza je obniża

3. Na czym polega ulepszanie cieplne stali.

Polega na hartowaniu i wysokim odpuszczaniu stali.

4. Jaką strukturę uzyskuje stal po ulepszeniu cieplnym.

Stal uzyskuje strukturę  sorbityczną.

5. Ile węgla i jakie pierwiastki stopowe występują w stalach do ulepszania cieplnego.

0,25-0,5%  - węgiel (C),

do 3,3%  - chrom (Cr),

 do 3,8% - nikiel (Ni),

0,45-1,25% - mangan (Mn),

do 0,95% molibden (Mo),

do 0,2% - wanad (V),

dodatek boru (B)

6. W jakim celu do stali stosowanych w stanie ulepszonym cieplnie dodaje się Cr, Ni, Mn, Mo.

Cr, Mo – w celu uzyskania struktury ferrytycznej

Ni, Mn – w celu uzyskania struktury austenitycznej

7. Jak wpływa węgiel na twardość stali w stanie hartowanym.

Zwiększa twardość stali.

8. Wymień kilka gatunków stali do ulepszania cieplnego.

40CrMoV13-9   34CrNiMo6   34Cr4   30CrMo4

9. W jakich jednostkach wyrażamy granicę plastyczności stali.

Granice plastyczności wyrażamy w Megapaskalach [MPa]

10. Która ze średnic krytycznych stali jest większa:

a)  D50 (woda)    czy     D50 (olej),

b)  D80 (woda)    czy     D99 (woda),

11. Jak wpływa zawartość węgla i % udział martenzytu na granicę plastyczności stali.

Im większa zawartość węgla i procentowy  udziału martenzytu tym granica plastyczności jest wyższa.

12. Podaj tok postępowania przy doborze stali w oparciu o kryteria: wytrzymałościowe, hartowności i minimalizacji kosztów materiałowych.

Kryterium wytrzymałościowe

Z  wymaganej granicy plastyczności wyznaczamy twardość stali po odpuszczaniu

Z twardość stali po odpuszczaniu wyznaczamy twardość stali po hartowaniu

Z twardości po hartowaniu oraz dla wymaganej zawartości martenzytu w strukturze wyznaczamy minimalną zawartość węgla w stali

Kryterium hartowności

wyznaczamy średnicę krytyczną, gdy przedmiot nie jest prętem wyznaczamy średnicę pręta równoważnego - takiego pręta który w osi stygnie z analogiczną prędkością jak wyrób.

Kryterium minimalizacji kosztów materiałowych

W przypadku istnienia kilku gatunków stali spełniających nasze wymagania wybieramy taki gatunek, który (ze względu na skład chemiczny) będzie wykazywał najniższą cenę oraz najmniejsze koszty obróbki.

13. Jak przedstawia się zależność pomiędzy średnicą krytyczną stali a jej hartownością.

Im większa jest średnica krytyczna stali tym większa jest jej hartowność.

14. Co rozumiesz pod pojęciem średnicy pręta równoważnego i do jakich celów można wykorzystać to pojęcie.

Średnica pręta równoważnego jest to średnica takiego pręta który w osi stygnie z analogiczną prędkością jak wyrób o innym przekroju niż walcowy.

15. Jak za pomocą pasma hartowności możemy sprawdzić czy wybrany gatunek stali na określony wyrób zapewnia każdorazowo uzyskanie w rdzeniu wymaganych własności mechanicznych i % udziału martenzytu w strukturze.

Posługując się dolną granicą pasma hartowności  wybranego gatunku stali oraz wykresem korelacji dla zastosowanego ośrodka oziębiającego, sprawdzamy czy wybrany przez nas gatunek zapewnia uzyskanie w osi wyrobu wymaganą twardość po operacji hartowania. W tym celu odczytuję się  z dolnej granicy pasma hartowności wybranego gatunku stali odległość od czoła próbki Jominy, w której twardość wskazuje na występowanie wymaganej dla wyrobu zawartości martenzytu, a następnie z właściwego wykresu korelacyjnego odczytuję się jakiej ta odległość odpowiada średnicy pręta. Średnica tak wyznaczona powinna być większa lub równa średnicy wyrobu lub średnicy pręta równoważnego.

16. Czy i jakie występują podobieństwa pomiędzy strukturą sorbityczną i bainityczną.

Obie struktury to mieszaniny przesyconego ferrytu z cementytem ( w postaci pierzastej lub dyspersyjnych cząstek), występują w podobnym zakresie temperatur.

Zadanie nr  1.

Dobierz gatunek stali na wał wirnika sprężarki o wymiarach: l =  1250 mm, d =  60 mm, który po ulepszaniu cieplnym powinien osiągnąć w środku przekroju granicę plastyczności R_0,2 ≥ 950 MPa.

Po hartowaniu wymagana zawartość martenzytu w środku przekroju wynosi 95 %. Preferuje się hartowanie w oleju. Odpowiednio wysoką ciągliwość i udarność zapewni przeprowadzenie po hartowaniu operacji odpuszczania w temperaturze 500 ^OC.

Rys.1 Twardość ulepszonych cieplnie stali konstrukcyjnych

1. Z rys.1 odczytujemy, że granicy plastyczności Re_0,2 =950MPa odpowiada twardość 33HRC. Twardość taką  winien wykazywać wałek w środku przekroju po przeprowadzeniu operacji odpuszczania.

Rys 2. Wykres twardości stali konstrukcyjnych po hartowaniu i odpuszczaniu.

1. Z rys.2 odczytujemy, że twardości 33HRC po odpuszczaniu w temperaturze 500°C, odpowiada twardość 40HRC po hartowaniu.

rys.3 Wykres zależności twardości stali od zawartości martenzytu.

1. Z rys.3 wynika, że twardość 40HRC przy 95%-wym udziale martenzytu w strukturze można uzyskać w stali o zawartości węgla minimum 0,20%.

rys.4

1. Ponieważ wyrób jest prętem o przekroju okrągłym to nie wyznaczamy średnicy równoważnej.

2. Z pośród stali do ulepszania cieplnego  wybieramy gatunki o zawartości C ≥ 0,20% i o średnicy krytycznej

D_{50 (olej)} ≥ 60 mm. Warunki te spełnia stal w gatunku 20H2N4A oraz wszystkie gatunki usytuowane w tablicy 1 pod stalą 20H2N4A.

rys. 5 rys.6

1. Z dolnej granicy pasma hartowności dla stali 20H2N4A. odczytujemy, że twardość 40 HRC wystąpi w odległości 5 mm od czoła próbki Jominy. Z wykresu korelacji dla chłodzenia w oleju (rys. 6) wynika, że odległości 5 mm od czoła próbki Jominy odpowiada średnica pręta 15 mm. Wynik stąd, że w skrajnym przypadku gatunek 20H2N4A może nie spełnić oczekiwań.

Dla osi pręta o średnicy 60 mm odpowiednia odległość od czoła próbki Jominy nie powinna być mniejsza niż 15 mm. Z pasm hartowności  gatunków o zbliżonym składzie chemicznym do stali 20H2N4A  oczekiwania spełnia gatunek 20HN3A.

Tabela 1. przedstawia zestawienie tabelaryczne wyników otrzymanych podczas wykonywania ćwiczenia

wymagana granica plastyczności	Re, MPa	33HRC
wymagana twardość po odpuszczaniu	HRC	40 HRC
wymagana twardość po hartowaniu	HRC	27 HRC
wymagana zawartość martenzytu	%	95
minimalna zawartość węgla w stali	%	0,20
współczynnik przekroju dla wyrobu	W	1
średnica krytyczna Dk (%M, o.Ch) ≥ dr = W x g	Dk (%M, o.Ch), mm	>=60mm
gatunek stali	oznaczenie wg PN	20HN3A

Zadanie nr  2.

Dobierz gatunek stali na koło wirnika sprężarki o wymiarach: d = 600 mm, g = 120 mm, który po ulepszaniu cieplnym zapewni w środku przekroju granicę plastyczności R_0,2 ≥ 900 MPa.

Po hartowaniu wymagana zawartość martenzytu w środku przekroju wynosi 90 %. Preferuje się hartowanie w oleju. Odpowiednio wysoką ciągliwość i udarność zapewni przeprowadzenie po operacji hartowania odpuszczania w temperaturze 500^OC.

Zadanie zostało wykonane w analogiczny sposób do zadania nr 1 .

1. Z rys.1 odczytujemy, że granicy plastyczności Re_0,2 =900MPa odpowiada twardość 34HRC.

2. Z rys.2 odczytujemy, że twardości 34HRC po odpuszczaniu w temperaturze 500°C, odpowiada twardość 44HRC po hartowaniu.

3. Z rys.3 wynika, że twardość 44HRC przy 90%-wym udziale martenzytu w strukturze można uzyskać w stali o zawartości węgla minimum 0,29%.

4. Z rys.4 odczytujemy współczynnik, który wynosi 1,5 i wyliczamy średnicę krytyczną która wynosi 180 mm.

5. Z pośród stali do ulepszania cieplnego  wybieramy gatunki o zawartości C ≥ 0,29% i o średnicy krytycznej

D_{50 (olej)} ≥ 180 mm. Warunki te spełnia stal w gatunku 30H2N2M.

1. Z pasma hartowności odczytujemy, że wybrana stal spełnia nasze oczekiwania

Tabela 2. przedstawia tabelaryczne zestawienie wyników otrzymanych podczas rozwiązywania zadania

wymagana granica plastyczności	Re, MPa	34
wymagana twardość po odpuszczaniu	HRC	44
wymagana twardość po hartowaniu	HRC	26
wymagana zawartość martenzytu	%	0,3
minimalna zawartość węgla w stali	%	0,29
współczynnik przekroju dla wyrobu	W	1,5
średnica krytyczna Dk (%M, o.Ch) ≥ dr = W x g	Dk (%M, o.Ch), mm	1,5*120=180
gatunek stali	oznaczenie wg PN	30H2N2M

Wnioski

Z przeprowadzonych wyliczeń do zadań wynika, że:

• gatunek stali 20HN3A jest odpowiedni do wykonania wału wirnika sprężarki o podanych wymiarach. Stal ta posiada potrzebne właściwości na dany element maszyny.

• gatunek stali 30H2N2M jest odpowiedni do wykonania koła wirnika sprężarki o podanych wymiarach. Stal ta spełnia wymogi na dane elementy maszyny.

Wyszukując tych gatunków stali w bazie materiałowej „Leksykon materiałoznawstwa” odczytujemy w zakładce „ zastosowanie”, że są one wykorzystywane do elementów o których mowa była w zadaniu.