Здравствуйте, Вильжунас Егор Игоревич!

При решении подобных задач целесобразно придерживаться некоторой последовательности действий, например, такой:
1) проанализировать назначение данного изделия и его конфигурацию, а также условия работы (величину и характер действующих нагрузок, температуру, внешнюю среду и т. д.); выбрать класс материала: инструментальные, конструкционные, а среди них теплостойкие, жаропрочные, коррозионно-стойкие и т. п.;
2) определить марку материала с учётом предполагаемой технологии получения заготовки (литьё, обработка давлением); для стальных изделий дополнительным ориентиром по выбору конкретного материала может служить также размер поперечного сечения детали. Это связано с тем, что в таких изделиях требуется, как правило, сквозная прокаливаемость, величина которой зависит от химического состава и, следовательно, марки стали.

Следует учитывать, что для получения требуемых свойств большинство стальных изделий подвергается объемной термической, а иногда, дополнительно и поверхностной обработке. Во всяком случае, для ответственных изделий из легированных и качественных углеродистых сталей обязательной является термическая обработка, состоящая из закалки и отпуска. Режимы закалки и отпуска выбираются исходя из марки (химического состава) стали и требований, предъявляемых к изделию по механическим свойствам.
3) оценить выбор материала с позиций экономичности конструкции.

Обычно студенты и преподаватели обращают мало внимания на третий пункт данных рекомендаций. Это связано с трудностью получения достоверной информации, необходимой для экономического анализа. В реальной инженерной практике, однако, роль третьего пункта является определяющей.

Решение задачи может быть существенно облегчено, если учитывать имеющиеся рекомендации по применению конкретных марок материалов в различных источниках информации. Это представляется существенным, поскольку анализ конструкции и условий работы изделия сам по себе представляет сложную инженерную задачу, требующую от того, кто её решает довольно-таки высокого уровня компетентности. Сразу оговорюсь, что я не являюсь специалистом в области автомобилестроения, об устройстве автомобиля имею весьма приблизительное представление и претендовать на роль высококомпетентного специалиста в области автомобильного материаловедения никак не могу. Поэтому буду исходить из имеющегося опыта работы в общем машиностроении и приборостроении.

Рассмотрим с этих позиций первую задачу.

Для получения некоторого представления о конструкции полуоси заднего моста автомобиля предлагаю Вам обратиться по этой ссылке, где есть рисунок и описание конструкции заднего моста.

Конструкция полуоси, по-моему, должна существенным образом зависеть от конструкции трансмиссии автомобиля, которая, в свою очередь, определяется тем, является автомобиль переднеприводным или заднеприводным и ещё рядом других факторов, о которых в рамках данной консультации можно не упоминать. Заметим, что если полуось передаёт крутящий момент от редуктора дифференциала к колёсам, то её правильнее называть валом.

В условии задачи не содержится никаких сведений, позволяющих выделить особенности конструкции, влияющие на выбор материала. Поэтому примем в рассмотрение некую обезличенную ось заднего моста, учитывая, что одним из её конструктивных элементов являются шлицы, а наличие фланца обусловливает значительный перепад диаметров от одного конца полуоси к другому. При этом имеем в виду, что в любом случае полуось будет испытывать сложное напряжённое состояние в процессе работы, которое обусловлено действием на неё знакопеременных нагрузок (крутящего и изгибающего моментов, контактных сил в шлицевом соединении).

Перепад диаметров от внутреннего конца полуоси к наружному (с позиций её расположения в заднем мосте) при условии крупносерийного или массового производства предполагает получение заготовки горячей объёмной штамповкой (по моим представлениям, на горизонтально-ковочной машине). Шлицы должны обладать высокой твёрдостью, чтобы сопротивляться износу и смятию рабочих поверхностей. С целью повышения использования материала их целесообразно получать по бесстружечной технологии - холодным накатыванием.

Таким образом, материал полуоси должен быть пластичным (чтобы обрабатываться горячей штамповкой и холодным накатыванием), а также упрочняться термической обработкой (чтобы обеспечить требуемую твёрдость шлицев). Таким, в известной степени противоречивым, набором свойств обладают углеродистые качественные и легированные конструкционные стали. Для выбора конкретной марки нам не хватает данных об уровне нагрузок, действующих на полуось. Поэтому будем ориентироваться, как принято в таких случаях, на "невысокие" циклические и контактные нагрузки, чтобы не усложнять себе задачу. Будем полагать, что должна быть обеспечена прокаливаемость сечения размером 30 ... 40 мм.

Сформулированным выше (весьма приблизительным) требованиям удовлетворяет, например, сталь 40, применяемая после улучшения, нормализации и поверхностной закалки [1, с. 147] (указанный источник приводится, поскольку снабжён хорошо иллюстрирующим написанное рисунком) . Она имеет следующий химический состав: 0,37 ... 0,45 % C, 0,17 ... 0,37 % Si, 0,50 ... 0,80 % Mn, не более 0,035 % S, не более 0,035 % P, не более 0,25 % Cr, не более 0,30 % Ni, не более 0,08 % As, не более 0,008 % N, не более 0,30 % Cu. [2, с. 124]. Температуры критических точек этой стали следующие: Ac₁ = 730 [$186$]C (температура начала [$945$] [$8594$] [$947$] превращения при нагреве), Ac₃ = 790 [$186$]C (температура конца [$945$] [$8594$] [$947$] превращения при нагреве), Ar₁ = 690 [$186$]C (температура конца [$947$] [$8594$] [$945$] превращения при охлаждении), Ar₃ = 780 [$186$]C (температура начала [$947$] [$8594$] [$945$] превращения при охлаждении). Достигаемая поверхностная твёрдость после поверхностной закалки с нагревом токами высокой частоты (ТВЧ) и отпуска при 160 ... 180 [$186$]C 40 ... 53 HRC. Сталь обладает ограниченной свариваемостью (рекомендуется подогрев) и обрабатывается резанием в горячекатаном состоянии при 170 HB [2, с. 100].

Легирующие элементы в стали 40 отсутствуют, а из постоянных примесей отметим, что марганец и кремний вводятся в сталь для раскисления (уменьшения содержания кислорода). Марганец, кроме того, повышает прочность стали в горячекатаном состоянии и уменьшает её красноломкость, вызванную влиянием серы. Кремний, растворяясь в феррите, сильно упрочняет его и понижает пластичность стали. Фосфор уменьшает пластичность и вязкость феррита и резко повышает порог хладноломкости.

Для наших условий применения сталь 40 должна быть подвергнута нормализации, а участок со шлицами ещё и поверхностной индукционной закалке с нагревом ТВЧ.

Сталь 40 является доэвтектоидной сталью (к которым относятся стали с одержанием углерода до 0,8 %). Нормализация, или нормализационный отжиг, доэвтектоидной стали заключается в нагреве до температуры Ac₃ + (40 ... 50 [$186$]C) (в нашем случае она составляет 830 ... 840 [$186$]C), непродолжительной выдержке для прогрева и завершения фазовых превращений и охлаждении на воздухе. Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию стали и устраняет крупнозернистость структуры, полученной при штамповке. Ускоренное охлаждение на воздухе приводит к распаду аустенита при более низких температурах, что повышает дисперсность феррито-цементитной структуры и увеличивает количество перлита. В результате нормализации сталь 40 состоит из двух фаз: феррита и цементита, а структурными составляющими её являются феррит и перлит. Согласно [2, с. 100], механические характеристики стали 40 после нормализации следующие: [$963$]_0,2 = 335 МПа, [$963$]_в = 570 МПа, [$948$] = 19 %, [$968$] = 45 %, KCU = 59 Дж/см².

Рассмотрим теперь, как должна проводиться термическая обработка шлицевого участка полуоси. В общем случае доэвтектоидные стали при закалке нагревают до температуры Ac₃ + (20 ... 30 [$186$]C) (в нашем случае она составляет 810 ... 820 [$186$]C). В этом случае сталь с исходной структурой феррит + перлит при нагреве приобретает структуру аустенита, которая при последующем охлаждении со скоростью выше критической превращается в мартенсит. Однако при больших скоростях нагрева превращение перлита в аустенит сдвигается в область более высоких температур. Поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в индукционных печах. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше должна быть температура для достаточно полной аустенизации и получения при охлаждении оптимальной структуры (мелкокристаллический мартенсит) и максимальной твёрдости. Согласно [3, с. 188], при индукционном нагреве стали с 0,4 % C со скоростью 250 [$186$]C/с температура закалки составляет 880 ... 920 [$186$]C, а при скорости нагрева 500 [$186$]C/с - 980 ... 1020 [$186$]C.

В результате проведения низкотемпературного отпуска, заключающегося в выдержке закалённой полуоси в течение определённого времени при 160 ... 200 [$186$]C, мартенсит закалки превратится в мартенсит отпуска, прочность и вязкость поверхностного слоя увеличатся без заметного снижения твёрдости. Так будут сняты внутренние напряжения в полуоси при сохранении требуемой твёрдости и износостойкости.

Литература
1. Материаловедение / Под общ. ред. Б. Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986.
2. Марочник сталей и сплавов / Под общ. ред. А. С. Зубченко. - М.: Машиностроение, 2003.
3. Лахтин Ю. М. Основы металловедения. - М.: Металлургия, 1988.

Таким образом, первая задача решена. Её решение стоило мне приблизительно трёх часов времени ("чистого", за вычетом различных перерывов). Считаю себя вправе ограничить своё участие в консультировании одной задачей. Приведу для Вас цитату из правил портала :

Не задавайте несколько разных вопросов в одном.

Не задавайте несколько разных, не связанных с друг другом вопросов, в одном. Это не запрещено (если все вопросы относятся к теме рассылки), но вероятность того, что Вы получите на них ответы, будет гораздо выше, если Вы зададите их по отдельности. Например, мало кому из экспертов захочется отвечать на вопрос, в котором просто перечислено несколько задач из задачника. Отвечать на такие вопросы неудобно, ответы трудно читаются в выпусках рассылок, затрудняется обсуждение в форуме. Поэтому большинство экспертов просто игнорируют вопросы, в которых под видом одного дано несколько вопросов или задач. Гораздо лучше, если Вы в одном вопросе спросите про решение одной проблемы, особенно, если Вы покажете, что пытались решить ее самостоятельно, и укажете, что именно вызвало трудности. Тогда многие захотят Вам помочь.

Думаю, Вы не должны быть в обиде на меня. Рад был Вам помочь.

С уважением.