Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Минобрнауки россии - файл


скачать (164.8 kb.)


МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина


Факультет

Инженерной механики

Кафедра

Металловедения и неметаллических материалов



Оценка комиссии:




Рейтинг:




Подписи членов комиссии:











(подпись)




(фамилия, имя, отчество)










(подпись)




(фамилия, имя, отчество)




(дата)












КУРСОВАЯ РАБОТА


по дисциплине «Материаловедение»




на тему

«Разработка технологического процесса термической, химико-термической, термомеханической обработки сталей и чугунов различного состава применительно к условиям работы заданных деталей машин и оборудования общемашиностроительных и нефтегазовой отраслей промышленности»










ВЫПОЛНИЛ:










Студент группы

МБ-19-08










(номер группы)







Фомкина Мария Вячеславовна







(фамилия, имя, отчество)
















(подпись)
















(дата)




Москва, 2021

МИНОБРНАУКИ РОССИИ
РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина


Факультет

Инженерной механики

Кафедра

Металловедения и неметаллических материалов


ЗАДАНИЕ НА КУРСОВУЮ РАБОТУ


по дисциплине

«Материаловедение»




на тему:

«Разработка технологического процесса термической, химико-термической, термомеханической обработки сталей и чугунов различного состава применительно к условиям работы заданных деталей машин и оборудования общемашиностроительных и нефтегазовой отраслей промышленности»




ДАНО студенту

Фомкиной Марии Вячеславовне

группы

МБ-19-08




(фамилия, имя, отчество в дательном падеже)




(номер группы)


Содержание работы:

    1. Введение;

    1. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств;

    1. Разработка технологического процесса термической обработки стали: выбор температуры закалки, описание влияния легирующих элементов на превращения при нагреве и охлаждении, определение температуры отпуска;

    2. Заключение.


Исходные данные для выполнения работы:

Несущие конструкции современных морских и речных танкеров должны иметь повышенные габариты и массу, если их изготавливают из углеродистой строительной стали обыкновенного качества. Выбрать марку строительной стали с примерно таким же относительно низким содержанием углерода, но с пределом текучести более высоким, чем у стали марки Ст3, и хорошей свариваемостью. Объяснить, какими путями может быть достигнуто указанное улучшение свойств.


Рекомендуемая литература:

1. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов-М.: Альянс, 2015. - 644 с.

2. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов-М.: Альянс, 2015. - 447 с.


3. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И. Материаловедение. Учебник для вузов. – СПб.: ХИМИЗДАТ, 2007. – 784 с.

4. Арзамасов В.Б., Черепахин А.А. Материаловедение. Учебник. – М,: Экзамен, 2009. – 351 с.: ил.

5. Богодухов С.И., Гребенюк В.Ф., Синюхин А.В. Курс материаловедения в вопросах и ответах: учеб. пособие для вузов-М.: Машиностроение, 2005. - 288 с.

6. Ефремов А.П., Казаков Б.М., Трофимова Г.А. Методическое руководство к лабораторным работам по курсу "Материаловедение", ч.1 и ч.2 - М.:РГУ нефти и газа имени И.М. Губкина, 2000. - 90 с. http://elib.gubkin.ru/content/16650; http://elib.gubkin.ru/content/16651

7. Материаловедение: образовательный ресурс – http://materialscience.ru/

8. Электронная библиотека нефть и газ, материаловедение - http://nglib-free.ru/catalog.jsp?rubric=37

9. Электронная библиотека - http://ru.bookzz.org/g/материаловедение

10. Металловедение. Лабораторный практикум.

http://gubkin.ru/faculty/mechanical_engineering/chairs_and_departments/metallurgy_and_non-metallic_materials/prakticum.php

11. Металловедение. Методическое пособие по курсовой работе.

http://www.gubkin.ru/faculty/mechanical_engineering/chairs_and_departments/metallurgy_and_non-metallic_materials/files/Kyrsovaya.pdf







Руководитель:



















Васильев А.А.




(уч.степень)




(должность)




(подпись)




(фамилия, имя, отчество)




Задание принял к исполнению:













Фомкина М.В.







(подпись)




(фамилия, имя, отчество)

Содержание:

1. Введение………………………………………………………………...5-6 стр.

2. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств……………………………………………………………………….7 стр.

2.2. Характеристика стали Ст3……………………………..…………….7-9 стр.

2.3. Условия выбора стали…………………………………………………9 стр.

2.3.1 Характеристика стали 09Г2С………………………………...….10-11 стр.

3.Термическая обработка стали 09Г2С……………..……………………12 стр.

3.1. Отжиг стали 09Г2С……………………………………………………12 стр.

3.2. Улучшение стали 09Г2С…………………..………………………12-14 стр.

Заключение…………………..……………………………………………15 стр.

Список использованной литературы…………………………………….16 стр.

Приложение 1……………………………………………………………..17 стр.

Приложение 2…………………………………………………………….18 стр.


  1. Введение

Танкер — грузовое самоходное судно, предназначенное для перевозки наливных грузов. Танкеры эксплуатируются на речных и морских водных путях и могут иметь различные размеры и грузоподъемность от 150 тонн до 500 тыс. тонн.

Наиболее распространены танкеры для перевозки нефти и нефтепродуктов, сжиженного природного газа (СПГ) и продукции химической промышленности. Существуют специализированные танкеры для перевозки других жидких грузов, в том числе пищевых продуктов [1].

На сегодняшний момент в мировом океане работает более 7000 нефтяных танкеров с явным преобладанием количества перевозчиков сырой нефти. Общую классификацию нефтяным танкерам дает SOLAS-74, подразделяя их с точки зрения пожарной безопасности на 2 категории:


  • Танкеры для перевозки сырой нефти и нефтепродуктов с температурой вспышки ниже 60° С и давлением паров ниже атмосферного;

  • Танкеры для перевозки нефтепродуктов с температурой вспышки свыше 60 °С.

Корпус танкера представляет собой жёсткий металлический каркас, к которому прикреплена металлическая обшивка. Корпус делится перегородками на ряд отсеков (танков), которые заполняются наливными грузами. Танкеры не могут быть построены с одинарной обшивкой. Также корпус должен быть антикоррозионным и стойким к перепадам температур.

Огромные размеры цельносварной конструкции и невозможность снятия остаточных напряжений предопределяют большой запас упругой энергии, накопленной в корпусе корабля. В этих условиях не исключена возможность самопроизвольного развития трещины на большом протяжении, что может привести к разрушению корпуса. При проектировании сварных соединений и узлов используют металл с высоким сопротивлением развитию трещин и предусматривают устранение концентрации напряжений, а в процессе изготовления принимают меры по предотвращению и устранению дефектов сварки.

Поэтому, для стали, которую применяют в судостроении, помимо прочности необходимо иметь хорошую свариваемость и большой предел текучести.

Рисунок 1 – Танкер



2. Аналитический обзор с обоснованием выбора стали и характеристикой ее свойств

Исходя из полученного задания, необходимо подобрать сталь, свойства которой будут удовлетворять следующим пунктам: относительно низкое содержание углерода, предел текучести выше, чем у стали Ст3, хорошая свариваемость. Выбранная сталь должна исключить любые повреждения объекта в условиях его эксплуатации. Наиболее широко применяемыми материалами для сооружения несущих нагруженных элементов сварных конструкций, которые смогут выдержать экстремальные нагрузки, являются специальные строительные стали.



2.2 Характеристика стали Ст3

Сталь марки Ст3 относят к конструкционным сталям обыкновенного качества. Согласно ГОСТ 380-2005 расшифровка марки стали Ст3 указывает на основные компоненты в ее составе – железо (97%), углерод (0,14-0,22%), марганец (0,8-1,1%), кремний (0,15-0,30%). Углерод определяет твёрдость, прочность, пластичность, показатели свариваемости, физико-механические свойства стали. Особенностью сплава Ст3 является жесткое регламентирование содержания вредных примесей – серы и фосфора. Фосфор снижает пластичность металла при действии высоких температур, а сера при взаимодействии с железом образует сульфиды, вызывающие явление красноломкости. Следует отметить и повышенную концентрацию азота, на который приходится почти 0,1%. В состав стали входят также небольшие количества: никеля и хрома – по 0,3%; мышьяка – 0,08%; меди – до 0,3%; серы – 0,05%; фосфора – 0,04%; азота – до 0,008% [2].

Сталь Ст3 — это самая используемая марка металла, применяемая в строительстве и в машиностроении.

Механические показатели Ст3:



  • предел текучести 240 МПа;

  • предел прочности 370-490 МПа;

  • относительное удлинение 22-26%;

  • ударная вязкость при температуре 20 оС составляет 108 Дж/см2;

  • твёрдость HB 10-1 = 131

Прочностные показатели, предел текучести и относительное удлинение, зависят от толщины и формы проката. Чем больше толщина металлопроката, тем ниже значение показателя. Плотность Ст3 составляет 7850 кг/м3. Сплав относится к хорошо свариваемым материалам [2].

Для улучшения эксплуатационных характеристик стали Ст3 применяется термообработка с помощью:



  • отжига, позволяющего добиться равновесной структуры металла и более низкой пластичности;

  • закалки, придающей сплаву максимальную твердость;

  • отпуска, который снимает внутренние напряжения, возникающие при закалке;

  • цементации, повышающей поверхностную твердость и износоустойчивость без изменения внутренней структуры.

Температурные режимы:

  • для закалки – 900-920 градусов;

  • отпуска – 180-250;

  • нормализации – 920-950 градусов.

Микроструктурный анализ говорит о мелкозернистости структуры (рис.2). Белые участки – феррит, темные – перлит.

Рисунок 2 – Микроструктура стали Ст3



2.3 Условия для выбора стали

Для изготовления несущих конструкций рекомендовано использовать низколегированную сталь. Низколегированная сталь, применение которой довольно обширно в силу сочетания ряда положительных характеристик. Так, механическая прочность стали позволяет снизить вес конструкций иногда до 30%, путем применения различной прокатной продукции. Благодаря хорошей сбалансированности легирующих элементов, толщина изделий значительно сокращается, поэтому низколегированная сталь находит применение в судостроении, магистральных трубопроводов, мостостроении.

Марки стали, содержащие кремний и марганец, высокопрочные и очень надежные, они успешно применяются в химической промышленности. Эти стали имеют хорошую пластичность, ударную вязкость и свариваемость.

Исходя из полученного задания, делаем выбор в пользу стали 09Г2С, которая отвечает всем вышеперечисленным требованиям.



2.3.1 Характеристика стали 09Г2С

Сталь 09Г2С – конструкционная низкоуглеродистая сталь с содержанием углерода (С) около 0,09%, марганца (Mn) – до 2%, кремния (Si) – до 1%. В химический состав 09Г2С входит минимальное количество легирующих добавок, поэтому металл является низколегированным. Предел текучести 09Г2С может составлять от 265 до 345 МПа в зависимости от объема конструкции и методов термообработки.

Получить сталь 09Г2С можно посредством легирования стали Ст3, вследствие чего получается более универсальный материал с более высокими показателями прочности и предела текучести с сохранением необходимой пластичности и сопротивлением к образованию трещин при длительных постоянных и переменных нагрузках.

Основная область применения марки 09Г2С - изготовление трубного проката, арматуры и пр. изделий для металлоконструкций на сварке. За счёт большой прочности сталь активно применяют в строительстве, так как из неё можно изготовить более тонкие и лёгкие детали и элементы, что обеспечивает экономию расхода металла. Простые сварочные работы для изделий и деталей из 09Г2С дают возможность изготовить из листов данной стали любые, самые сложные по конфигурации конструкции, которые используют в химической, нефтеперерабатывающей, судостроительной и пр. сферах. Благодаря закалке и отпуску, данная сталь незаменима при производстве трубопроката и арматуры для трубопроводов.

Стойкость к минусовым температурным режимам, морозоустойчивость, даёт возможность использования трубных изделий из 09Г2С в северных областях с низкими температурами. Помимо этого, такой большой диапазон температур обеспечивает применение стали при сильных деформациях при длительном эксплуатационном периоде [3].

Температура критических точек (в градусах Цельсия): Ac1 = 725, Ac3(Acm) = 860, Ar3(Arm) = 780, Ar1 = 625



Таблица 1 – механические свойства при Т=20оС материала 09Г2С

Несмотря на то, что сталь 09Г2С является низколегированной, она не проявляет такое свойство, как флокеночувствительность. Малое присутствие углерода в сплаве обеспечивает удовлетворительный показатель свариваемости деталей из стали этой марки. Нужно отметить, что высокое содержание углерода в сплавах при его выгорании приводит к возникновению дополнительных микропор, а также к образованию закалочной структуры, что отрицательно сказывается на качестве сварного шва, а в стали 09Г2С этого не наблюдается.

Сварка стали 09Г2С не требовательна к типу электродов и может проходить с использованием таких способов сварки, как ручная дуговая, электрошлаковая, автоматическая дуговая сварка под флюсом и с газовой защитой. Сплав марки 09Г2С не имеет ограничений по свариваемости материала, а детали из листового проката с сечением до 40 мм могут подвергаться сварке без предварительной разделки кромок. Детали, подготовленные к сварке, не нуждаются в дополнительной химической или термической обработке. Миграция легирующих элементов по всему сечению сварного шва обеспечивает его высокие прочностные характеристики и одновременно хорошие технические показатели ударной вязкости [5].



3.Термическая обработка стали 09Г2С

Различие в термической обработке легированной и углеродистой сталей состоит в выборе различных температур и скорости нагрева, длительности выдержки при этих температурах и способе охлаждения. Режим термообработки стали 09Г2С назначается согласно критическим точкам.

Сталь марки 09Г2С относится к классу феррито-перлитных сталей (доэвтектоидных), так как содержит в себе 0,09% углерода. Это значит, что ей подходит улучшение с предварительным отжигом.

3.1 Отжиг стали 09Г2С

Отжиг – вид термической обработки, при которой сталь нагревается на 30-50оС выше Ас3 (или только выше Ас1 – неполный отжиг) с последующим медленным охлаждением. Нагрев выше Ас3 обеспечивает полную перекристаллизацию стали. Медленное охлаждение при отжиге приводит к полному распаду аустенита и превращению его в перлитные структуры [4].

Так как выбранная сталь относится к низколегированным и малоуглеродистым, т.е. доэвтектоидным сталям, то нагрев будет осуществляться выше Ас3 (около 900оС), далее – выдержка 1-2 часа и последующее охлаждение вместе с печью. После отжига ферритно-перлитная крупнозернистая структура превращается в мелкозернистую, таким образом повышаются прочностные характеристики.

3.2 Улучшение стали 09Г2С

Улучшение – вид термической обработки, заключающийся в закалке с последующим высоким отпуском. Улучшение значительно повышает конструктивную прочность стали, уменьшая чувствительность к концентраторам напряжений, увеличивая работу развития трещин и снижая температуру порога хладноломкости. Однако износостойкость улучшенной стали вследствие ее пониженной твердости не высокая [5].

Закалка – вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали на 30-50оС выше температуры Ас3 и Ас1 для доэвтектоидных и заэвтектоидных (эвтектоидных) сталей соответственно, выдержке при этих температурах и последующем быстром охлаждении [5].

Так как выбранная сталь относится к доэвтектоидным, то нагрев будет проводиться выше Ас3 (около 910оС), до аустенитного состояния, выдержка примерно 30 минут. Охлаждение будет проводиться в одном охладителе – масле (т.к. сталь легированная), для образования мартенситной структуры, которая характеризуется высокой прочностью.

Отпуск стали заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже Ас1, выдержке при этой температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которого сталь получает требуемые механические свойства. Кроме того, отпуск частично или полностью устраняет внутренние напряжения, возникающие в результате закалки. Эти напряжения снимаются тем полнее, чем выше температура отпуска. Высокотемпературный отпуск проводят при 500-680оС. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска. Закалка с высоким отпуском весьма сильно одновременно повышает предел прочности, предел текучести, относительное сужение, особенно ударную вязкость [5].

Для выбранной стали нагрев будет осуществляться до 620оС, сплав выдерживается при ней от 4 до 6 часов, в зависимости от толщины изделия.

Во время термической обработки происходит три основных превращения:


  1. При отжиге: второе основное превращение - аустенита в перлит

  2. При закалке: третье основное превращение – аустенита в мартенсит

  3. При отпуске: четвертое основное превращение – мартенсита в сорбит отпуска

Рисунок 3 – схема термической обработки для стали 09Г2С



Заключение

В процессе выполнения работы была изучена сталь Ст3, на основе свойств которой была выбрана сталь для изготовления несущих конструкций речных и морских танкеров 09Г2С. Был определен процесс термической обработки стали 09Г2С - отжиг и улучшение - для достижения поставленных условий в задании. После выбранной термической обработки сталь обладает всеми необходимыми свойствами: высоким пределом текучести, коррозионной стойкостью на воздухе, сниженными внутренними напряжениями и высокой ударной вязкостью.



Список использованной литературы

1. Информационный портал Neftegaz.ru [Электронный ресурс] статья: «Танкер – проектирование и строительство» // 2015. Режим доступа:
https://neftegaz.ru/science/engineer/331747-tanker-proektirovanie-i-stroitelstvo

2.Информационный портал «Ваш путеводитель по сварке и пайке» [Электронный ресурс] статья: «Технические характеристики углеродистой стали 3». Режим доступа: Углеродистая сталь Ст 3: характеристики, применение, твердость, аналоги (svarkaipayka.ru)

3. Информационный портал Metal.place [Электронный ресурс] статья: «Сталь 09Г2С: характеристики, расшифровка, химический состав». Режим доступа: 09Г2С сталь: характеристики и расшифовка, применение и свойства стали (metal.place)

4. Гуляев А.П. Металловедение: учебник для вузов-М.: Альянс, 2015. - 644 с.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов: учебник для вузов-М.: Альянс, 2015. - 447 с.

Приложение 1



Приложение 2

Карта технологического процесса термообработки

Марка и состав стали

Несущие конструкции современных морских и речных танкеров должны иметь повышенные габариты и массу, если их изготавливают из углеродистой строительной стали обыкновенного качества. Выбрать марку строительной стали с примерно таким же относительно низким содержанием углерода, но с пределом текучести в 1,2 раза более высоким, чем у стали марки Ст3, и хорошей свариваемостью. Объяснить, какими путями может быть достигнуто указанное улучшение свойств.

09Г2С

Углерод (С) около 0,09%, марганец (Mn) – до 2%, кремний (Si) – до 1%.

Ϭ0,2=285 МПа; Ϭв=450 МПа; δ=21%; Ψ=52%; KCU=59 Дж/см2; НВ≤127

Феррит + перлит

Номер операции

Наименование
операции


Структура после
операции ТО



Температура
операции



Время
выдерж-
ки


Среда
охлаж-
дения


Механические свойства в готовом изделии
(сердцевина)


1

Полный отжиг

Мелкозернистая
ферритно-перлитная

900

1-2 часа

печь


σ0,2 =295 МПа; Ϭв =405 МПа;

δ=30%; Ψ=66%; НВ≤127



2

Улучшение

Закалка

Мартенсит

910


30 минут

масло

В поверхностном слое 20% феррита

Высокий
отпуск

Сорбит отпуска

620

4-6 часов

воздух

НВ
112-126

Глубина 50% феррита



Скачать файл (164.8 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации