Конструкционные материалы, их применение и обработка
1. Дайте определение следующим понятиям
Вакансия - отсутствие атомов в узлах
кристаллической решетки, «дырки», которые образовались в результате различных
причин.
Дислокация - линейный дефект
<#"878574.files/image001.gif">
Рис. 1
Усталость - процесс постепенного
накопления напряжения в металле при действии циклических нагрузок, приводящий к
образованию трещин и разрушению.
. Начертите диаграмму
железо-цементит, укажите структуры во всех областях и постройте кривые
охлаждения для сплавов с заданным количеством углерода (в %). Все получающиеся
структуры охарактеризуйте.
а) 0.5, б) 3.1
В зависимости от температуры и
содержания углерода железоуглеродистые сплавы образуют ряд структурных
составляющих (фаз): феррит (Ф), аустенит (А), цементит (Ц), перлит (П),
ледебурит (Л)
Основой для определения структуры и
свойств железоуглеродистых сплавов является диаграмма состояния железо -
углерод (цементит, карбид железа), представленная в упрощенном варианте. Ось
концентраций (абсцисс) двойная, она отражает содержание углерода и цементита.
Превращения для сплава, содержащего
0,5% С:
1. Феррит + Перлит
. Перлит
Перлит (эвтектоид) представляет
собой смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из
аустенита при температуре 727°С и содержит 0,8% углерода. В зависимости от
формы частиц цементита перлит может быть пластинчатым или зернистым, его твердость,
соответственно 200- 220НВ.
Рис. 1
Стали с содержанием углерода до 0,8
называются доэвтектоидными сталями.
При охлаждении твердых сплавов в них
происходят фазовые и структурные изменения, связанные с аллотропическими
превращениями Fe и изменением растворимости в нем углерода. Эти изменения
(фазовые превращения) в сплавах Fe-С характеризуют линии GSE, PSK, GPQ.
Линия PSK (727 °С) - это линия
эвтектоидного равновесия. В точке S (температура 727°С) при содержании углерода
0,8 % аустенит распадается с образованием перлита. Поэтому по линии PSK во всех
сплавах Fe-С из аустенита идет образование перлита. Критические точки, лежащие
на линии PSK, обозначаются А1.
Ниже температуры 727°С сплавы Fe-С
имеют следующие структуры:
В точке S при
температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8% образуется
эвтектоидная смесь, состоящая из феррита и цементита, которая называется
перлитом. Перлит получается в результате одновременного выпадения из аустенита
частиц феррита и цементита.
Точка Р соответствует максимальной
растворимости углерода в α-железе при
температуре 727°С; она составляет 0,02%С.
Линия PQ показывает
на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении
цементита, который называется третичным цементитом.
Построим кривую охлаждения, применяя
правила фаз.
Фазой называется однородная часть
системы, имеющая одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и
отделяющееся от остальных частей системы поверхностями раздела. Фазы могут быть
газообразными, жидкими и твердыми. Число степеней свободы системы это число
внешних и внутренних факторов (t, P и концентрация С%), которые можно изменять,
не изменяя число фаз в системе. Оно определяется правилом фаз:
С = К + 1 - Ф
где С - число степеней свободы; К -
число компонентов; Ф - число фаз.
Правило фаз применяется при анализе
процессов, совершающихся в сплавах при нагреве и охлаждении для расчета числа
фаз в конкретных термодинамических условиях.
АНJ - линия
ликвидус
АВ - линия солидус
При температуре t1 в равновесии
находится 2 фазы: жидкий раствор и аустенит, число степеней свободы С = 2+1-2 =
2. Это означает, что в области двухфазного равновесия независимо можно изменять
только один параметр: или температуру сплава, или химический состав фаз, т.е.
каждой заданной температуре соответствует определенный химический состав фаз.
До температуры t2 (линия
ликвидус) сплав находится в области аустенита, следовательно, Ф=1, С = 2 + 1 -
1 = 2. Две степени свободы означают, что в однофазной области независимо можно
менять температуру и химический состав фазы.
Химический состав сплава задан (0,5
% С), следовательно, изменение температуры не вызывает изменение химического
состава жидкого раствора. Следовательно, кристаллизация не протекает, скрытая
теплота кристаллизации не выделяется и сплав постепенно охлаждается. Поэтому на
кривых охлаждения однофазному равновесию соответствует наклонная,
характеризующая равномерное охлаждение.
С = 2 + 1 - 1 = 1
Рис. 2 t1 = 1500°С, t2 = 1425°С
Превращения для сплава, содержащего
3,1% С:
Перлит + Цементит + Ледебурит
Перлит (эвтектоид) представляет
собой смесь феррита и цементита. Перлит образуется при медленном охлаждении из
аустенита при температуре 727°С и содержит 0,8% углерода.
Цементит (Ц) - химическое соединение
железа с углеродом (карбид железа Fе2С), содержит 6,67% С,
температура плавления точно не установлена, принимается примерно равной 1260°С.
Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (> НВ 800) и низкой
пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных
условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от условий
образования различают цементит первичный, который образуется из жидкости при
затвердевании расплава, вторичный - при распаде аустенита и третичный - при
выделении углерода из феррита.
Ледебурит (Л) - механическая смесь
(эвтектика) аустенита и цементита. Твердость НВ 600-700, хрупок. Так как при
температуре ниже эвтектоидной (ниже 727 °С) аустенит превращается в перлит, то
ледебурит ниже эвтектоидной прямой Е'К состоит из цементита и перлита.
При охлаждении твердых сплавов в них
происходят фазовые и структурные изменения, связанные с аллотропическими
превращениями Fe и изменением растворимости в нем углерода. Эти изменения
(фазовые превращения) в сплавах Fe-С характеризуют линии GSE, PSK, GPQ.
Линия PSK (727 °С) - это линия
эвтектоидного равновесия. В точке S (температура 727°С) аустенит распадается с
образованием перлита. Поэтому по линии PSK во всех сплавах Fe-С из аустенита
идет образование перлита. Критические точки, лежащие на линии PSK, обозначаются
А1.
Построим кривую охлаждения, применяя
правила фаз.
При температуре t1 в равновесии
находится 2 фазы: жидкий раствор и аустенит, число степеней свободы С = 2 + 1-
2 = 2. Две степени свободы означают, что в однофазной области независимо можно
менять температуру и химический состав фазы.
Это означает, что в области
двухфазного равновесия независимо можно изменять только один параметр: или
температуру сплава, или химический состав фаз, т.е. каждой заданной температуре
соответствует определенный химический состав фаз.
До температуры t2 (линия
ликвидус) сплав находится в области аустенита, следовательно, Ф=1, С = 2+1- 3=
0. Это означает, что в данной области нельзя менять температуру и химический
состав фазы.
Рис. 3 t1 = 1297°С, t2 = 1147°С
. Для заданных материалов приведите
состав, свойства и примеры применения
ХГН - легированная сталь,
хромомарганцевая, с содержанием углерода - 0,19%, хрома, марганца, никеля по
одному проценту.
Свойства данного материала: детали
из данной стали требуют высокой поверхностной твердости и прочной вязкой
сердцевины. После закалки и отпуска поверхностный слой должен иметь твердость
не ниже HRC58 - 62.
Примеры применения материала:
шестерни зубчатой передачи колесомоторного блока локомотивов и электропоездов.
ХС - легированная инструментальная
сталь, с содержанием углерода - 0,9%, хрома 1%, кремния 1%.
Свойства данного материала: сталь
9ХС имеет прокаливаемость до 35 мм, повышенную теплостойкость до 250 - 260 °С.
Недостатками сталей, содержащих кремний, являются чувствительность их к
обезуглероживанию при термообработке, плохая обрабатываемость резанием и
деформированием из-за упрочнения феррита кремнием.
Примеры применения материала: из нее
изготавливают сверла, зенкеры, развертки, фрезы, метчики, плашки и т.п.
Х16Н6 - легированная сталь,
хромоникелевая, с содержанием углерода - 0,7%, хрома 16%, никеля 6%.
Свойства данного материала: сталь
очень прочная и пластичная
Примеры применения материала: детали
предназначены для сред средней агрессивности.
ЕХ3 - магнитная сталь, с содержанием
хрома 3%.
Свойства данного материала:
характеризуются большим значением коэрцетивной силы (Нс), легко обрабатываются
резанием и деформируются, но применяют их лишь для не очень ответственных
деталей.
Примеры применения материала:
применяют для изготовления постоянных магнитов.
АКЧ-1 - антифрикционный ковкий чугун
Свойства данного материала: обладают
высокой износостойкостью, хорошей работоспособностью при высоких давлениях,
работой при повышенных температурах, низкой стоимостью.
Примеры применения материала:
втулки, вкладыши, подшипники скольжения, уплотнения, ролики.
В95 - высокопрочный сплав, номер
сплава 95.
Свойства данного материала: имеют
предел прочности около 650 МПа, высокую теплопроводность, стойкость против
окисления.
Примеры применения материала:
основной потребитель - авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).
Фторопласт - термопластичный
полимер, высокомолекулярные соединения на основе фтора и хлоропроизводных
этилена.
Свойства данного материала: они
обладают высокой химической стойкостью, прочностью, теплостойкостью (до 250°С)
и низким коэффициентом трения.
Примеры применения материала: из них
изготовляют химически стойкие прокладки, подшипники, уплотнения для сальников и
резьбовых соединений.
Гайка
Условия работы данной детали:
1. повышенная прочность;
2. высокая поверхностная твердость;
. износостойкость;
. работа при знакопеременных нагрузках;
Выбор марки материала для изготовления детали:
качественная углеродистая конструкционная сталь, сталь 45.
Обработка: нормализация, улучшение и
поверхностная закалка.
Крюк подъёмного крана
Условия работы данной детали:
. работа в интервале температур от -40 до
60°С;
2. высокая твердость;
. выносливость;
. работа при переменных нагрузках;
. коррозионная стойкость.
Выбор марки материала для изготовления детали:
углеродистая конструкционная сталь, Ст15.
Обработка: нормализация.
Сверло
Условия работы данной детали:
. повышенная износостойкость;
2. усталостная прочность при изгибе,
кручении и контактном нагружении;
. упругие свойства;
Выбор марки материала для изготовления детали:
легированная сталь, 9ХС.
Обработка: закалка, отпуск
Бензопровод
Условия работы данной детали:
. работа в агрессивной среде;
2. прочность и стойкость к растворителям;
Выбор марки материала для изготовления детали:
алюминиевый сплав, АМг3.
Обработка: не упрочняется термической
обработкой.
Облицовка гальванических ванн.
Условия работы данной детали:
. хрупкость при низких температурах;
4. низкая теплостойкость;
. чувствительность к надрезам;
Выбор марки материала для изготовления детали:
термопластичный пластмасс - винипласт.
. Дайте определения следующим понятиям
Модель.
Понятие модели используют в литейном
производстве. Формы служат для заливки жидкого металла, временные формы
изготовляются путем оттиска формы модели в формовочной массе (земляной или
песчаной смеси). Модели выполняются из дерева, гипса, цемента, воска или
металла. Деревянные, гипсовые и цементные модели покрывают лаком для их лучшего
сохранения и защиты от влаги.
Волока - инструмент волочильных
станов
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%B8%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%81%D1%82%D0%B0%D0%BD>,
в котором осуществляется обжатие металла при его обработке волочением
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%92%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D1%87%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5>.
Основная часть волоки - волочильный глазок (или матрица), представляющий
рабочее отверстие постепенно уменьшающегося сечения, через которое
протягивается обрабатываемый металл. Волока с одним волочильным глазком
называется также фильером, а с несколькими - волочильной доской. Рабочая часть
волоки изготовляется из стали
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D0%BB%D1%8C>, чугуна
<http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A7%D1%83%D0%B3%D1%83%D0%BD>, твёрдых
сплавов, технических алмазов и др.
. Ответьте на следующие вопросы
Газовая сварка.
Газовая сварка относится к группе
способов сварки плавлением. Для осуществления процесса сварки возможно
применение разных горючих, соответственно чему можно различать сварку
водородно-кислородную, бензинокислородную и т. д. Преобладающее значение имеет
ацетиленокислородная сварка; другие виды; горючих имеют ограниченное
применение. Существенное технологическое отличие газовой сварки от дуговой
сварки - более плавный и медленный нагрев металла. Это основное отличие
сварочного газового пламени от сварочной дуги является в одних случаях
недостатком, в других - преимуществом газового пламени и определяет следующие
основные области его применения для сварки:
) сталей малых толщин, 0,2-5 мм;
) цветных металлов;
) металлов, требующих при сварке
постепенного мягкого нагрева и замедленного охлаждения, например многих
инструментальных сталей;
) металлов, требующих подогрева при
сварке, например чугуна и некоторых сортов специальных сталей;
) для твердой пайки;
) для некоторых видов наплавочных
работ.
Сравнительно медленный нагрев
металла газовым пламенем быстро снижает производительность газовой сварки с
увеличением толщины металла, и при толщине стали выше 8-10 мм газовая сварка
обычно экономически невыгодна, хотя технически еще возможна сварка стали
толщиной 30-40 мм. При замедленном нагреве разогревается большой объем
основного металла, прилегающего к сварочной ванне, что, в свою очередь,
вызывает значительные деформации (коробление) свариваемых изделий. Это важное
обстоятельство делает газовую сварку технически нецелесообразной, не говоря уже
об экономической невыгодности. Значительные деформации металла, возникающие при
газовой сварке, ограничивают возможности выбора рациональных форм сварных
соединений. При газовой сварке пользуются, как правило, лишь простейшим
стыковым соединением. Угловые швы и соединения нахлесточные и тавровые при
газовой сварке используются лишь в случаях необходимости из-за затруднений,
создаваемых значительными деформациями металла, свойственными газовой сварке.
Применяются стыковые соединения как без скоса кромок, без отбортовки и с
отбортовкой кромок (особо удобное соединение для газовой сварки), так и с одно-
и двусторонним скосом кромок.
Тепловое воздействие пламени на
металл зависит не только от мощности пламени, но и от угла наклона оси пламени
к поверхности металла. Наиболее интенсивно действует пламя, когда его ось
нормальна к поверхности металла. Таким образом, кроме подбора соответствующего
размера горелки, сварщик может плавно регулировать тепловое действие пламени на
металл, делать пламя более мягким или жестким, меняя угол наклона пламени к
поверхности изделия. Газовая сварка может производиться в нижнем, вертикальном
и потолочном положениях.
Применение газовой сварки обширно и
разнообразно. Газовую сварку применяют в самолетостроении, где преобладает
сварка металлов малых толщин (1-3 мм), в производстве химической аппаратуры.
Важное значение имеет газовая сварка в прокладке и монтаже трубопроводов самых
разнообразных назначений, в особенности малых диаметров, до 100 мм. Газовая
сварка является незаменимым мощным средством при ремонте и с этой целью широко
используется в ремонтных мастерских для всех видов транспорта, в сельском
хозяйстве и т. д.
сплав сталь сварка
термический
Литература
1. Фетисов Г.П., Карпман М.Г. и
другие - Материаловедение и технология металлов, М., Высшая школа, 2002г.
. Никифоров В.М. - Технология
металлов и конструкционные материалы, М., Высшая школа, 1986г,
. Адаскин А.М., Зуев В.М. -
Материаловедение (металлообработка), М., Академия, 2003г.
. Кузьмин Б.А. - Технология металлов
и конструкционные материалы, М., Высшая школа, 1989г.
. Лахтин Ю.М. - Основы
металловедения, М., Металлургия, 1988г