Лазерная и электронно-лучевая обработка

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Ярославская государственная сельскохозяйственная академия»

Кафедра технического сервиса

Контрольная работа

по дисциплине «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Выполнил: студент

заочного отделения 3 курса

инженерного факультета

(специальность «Электрификация и

автоматизация сельского хозяйства»)

Красавин Павел Николаевич

Проверил: Соцкая Ирина Марковна

Ярославль 2012

Вопросы

1. Опишите влияние углерода и постоянных примесей на механические и технологические свойства стали

2. Опешите технологию электронно-лучевой сварки, ее преимущества, недостатки и область применения. Ответ поясните схемой процесса

3. Приведите принципиальную схему и изложите сущность анодно-технической обработки. Укажите область применения, производительность и точность обработки

Литература

углерод сварка лучевая

1. Опишите влияние углерода и постоянных примесей на механические и технологические свойства стали

Постоянные (технологические) примеси являются обязательными компонентами сталей и сплавов, что объясняется трудностью их удаления как при выплавке (Р, S), так и в процессе раскисления (Si, Mn) или из шихты - легированного металлического лома (Ni, Сг и др.).

К постоянным примесям относят углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, а также кислород, водород и азот.

Постоянные примеси могут присутствовать в виде твердых и газообразных фаз. Однако они не оказывают существенного влияния на положение критических точек диаграммы Fe - Fе3С.

Характер влияния этих примесей на свойства сталей и сплавов определяется их возможностью образовывать самостоятельные фазы с основным компонентом, железом, а также местом возникновения этих фаз.

Углерод.

Углерод в соответствии с диаграммой состояния "железо-цементит" может образовать с железом твердый раствор -Fe и цементит Fе3С. Содержание цементита в сплавах можно оценивать прямо по диаграмме состояния, используя дополнительную шкалу абсцисс по содержанию цементита (рис.1), так как количество цементита в сталях пропорционально содержанию углерода.

Влияние углерода на свойства сталей, в основном, определяется свойствами цементита (закон аддитивности) и связано с изменением содержания основных структурных составляющих - феррита и цементита. Следовательно, при увеличении содержания углерода до 1,2% (рис. 3) возрастают прочность, твердость, порог хладноломкости (0,1%С повышает температуру порога хладноломкости на 20°С), предел текучести, величина электрического сопротивления и коэрцитивная сила. При этом снижаются плотность, теплопроводность, вязкость, пластичность, величины относительных удлинения и сужения, а также величина остаточной индукции.

Существенную роль играет то, что изменение физических свойств приводит к ухудшению целого ряда технологических, таких как деформируемость при штамповке, свариваемость и др. Так хорошей свариваемостью отличаются низкоуглеродистые стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедляющего охлаждение и других технологических операций, предупреждающих образование трещин.

Марганец.

Марганец вводят в стали как технологическую добавку для повышения степени их раскисления и устранения вредного влияния серы. Марганец считается технологической примесью при его содержании, не превышающем 0,8%. Марганец присутствует в сталях и сплавах в виде твердого раствора -Fe и как технологическая примесь и существенного влияния на свойства стали не оказывает.

Кремний.

Кремний также вводят в сталь для раскисления. Содержание кремния как технологической примеси обычно не превышает 0,37%. Кремний присутствует в сталях и сплавах в твердом растворе -Fe и как технологическая примесь влияния на свойства стали не оказывает. В сталях, предназначенных для сварных конструкций, содержание кремния не должно превышать 0,12...0,25%.

Сера.

Пределы содержания серы как технологической примеси составляют 0,035...0,06%. Сера практически нерастворима в аустените и присутствует в сталях и сплавах в виде хрупких сульфидов FeS и MnS, входящих в эвтектику с температурой плавления 985°С. Причем эта эвтектика, как правило, кристаллизуется по границам зерен.

Повышение содержания серы существенно снижает механические и физико-химические свойства сталей, в частности, пластичность, ударную вязкость, сопротивление истиранию и коррозионную стойкость. При горячем деформировании сталей и сплавов большое содержание серы ведет к красноломкости, проявляющейся появлением надрывов по включениям FeS. Кроме того, повышенное содержание серы снижает свариваемость готовых изделий.

Фосфор.

Пределы содержания фосфора как технологической примеси составляют 0,025...0,045%. Фосфор в сталях и сплавах присутствует в твердом растворе -Fe.

Фосфор, как и сера, относится к наиболее вредным примесям в сталях и сплавах. Увеличение его содержания даже на доли процента, повышая прочность, одновременно повышает текучесть, хрупкость и порог хладноломкости и снижает пластичность и вязкость. Это объясняется тем, что фосфор вызывает сильную внутрикристаллическую ликвацию и способствует росту зерен в металле. Вредное влияние фосфора особенно сильно сказывается при повышенном содержании углерода.

Кислород и азот.

Кислород и азот растворяются в ничтожно малом количестве и загрязняют сталь неметаллическими включениями (оксидами, нитридами, газовой фазой). Они оказывают отрицательное воздействие на свойства, вызывая анизотропию механических свойств, повыше-ние хрупкости и порога хладноломкости, а также снижают вязкость и выносливость. При содержании кислорода более 0,03% он вызывает старение стали, а более 0,1% -красноломкость. Азот увеличивает прочность и твердость стали, но снижает пластичность. Повышенное количество азота вызывает деформационное старение. Старение медленно развивается при комнатной температуре и ускоряется при нагреве до 250°С.

Водород.

Водород содержится в твердом растворе -Fe или скапливается в порах и на дислокациях. Увеличение его содержания в сталях и сплавах приводит к увеличению хрупкости. Кроме того, в изделиях проката могут возникать флокены, которые развивает водород, выделяющийся в поры. Флокены инициируют процесс разрушения. Металл, имеющий флокены, нельзя использовать в промышленности.

2.Опешите технологию электронно-лучевой сварки, ее преимущества, недостатки и область применения. Ответ поясните схемой процесса.

Рис. 1 1 - электронный луч; 2 - передняя стенка кратера; 3 - зона кристаллизации; 4 - путь движения жидкого металла

Электронно-лучевая сварка (ЭЛС) осуществляется в вакууме за счет расплавления кромок основного металла сфокусированным потоком электронов, имеющим высокую удельную мощность q2. Технологический диапазон для целей нагрева, плавления, испарения составляет ~104--5*108 Вт/см2. Сварка металлов малых толщин (до 3 мм) ведется с удельной мощностью q2?104 Вт/см2, когда испарение с поверхности сварочной ванны незначительно. Однопроходная сварка металлов больших толщин (до 200--300 мм) требует q2=105ч106 Вт/см2. В этом случае проникновение электронного луча на большую глубину сопровождается испарением металла и формированием канала проплавления, на стенках которого рассеивается практически вся мощность электронного луча. Канал проплавления, поверхность которого сильно перегрета относительно температуры плавления металла Тпл и может достигать температуры кипения Tкип, движется через толщу металла, образуя по всей глубине канала область расплава металла, который перемещается в хвостовую часть ванны и гам кристаллизуется. Переход от сварки металлов малых толщин к однопроходной сварке металлов больших толщин осуществляется по достижении критической удельной мощности q2*, величина которой для большинства металлов q2*=105ч106 Вт/см2. Верхнее значение удельной мощности электронного луча для технологических целей ограничено уровнем q2? Вт/см2 (выше процесс обработки материала становится неуправляемым из-за взрывного характера разлета образующейся плазмы). Высокая концентрация энергии в луче позволяет получать при больших скоростях ЭЛС узкие и глубокие сварные швы с минимальной зоной термического влияния и высокими механическими свойствами металла шва и околошовной зоны.

Несмотря на необходимость использования сложных, дорогостоящих установок, электронно-лучевая сварка может быть более экономична, чем сварка в камерах с защитной атмосферой, где применяют дорогостоящие защитные газы и расходуется больше электроэнергии. Для сварки крупногабаритных конструкций были созданы установки с местным вакуумированием или выводом луча в атмосферу. Наиболее рационально применение электронно-лучевой сварки в промышленности в следующих случаях:

Сварка изделий из тугоплавких активных металлов.

Сварка с минимальными деформациями и зоной термического влияния.

Сварка в труднодоступных местах, узких щелях.

Соединение разнородных металлов. Меньшее значение сварочных напряжений при электронно- лучевой сварке благоприятно сказывается на уменьшение склонности к образованию трещин при сварке разнородных металлов.

Сварка деталей малых толщин. Возможность тонкого регулирования мощности и диаметра электронного луча, небольшое давление его на сварочную ванну позволяет соединять детали толщиной в десятые и сотые доли миллиметра, что широко используется при изготовлении изделий электронной техники.

Сварка в космосе. Вакуум космического пространства может быть в перспективе использован для автоматической и ручной электронно-лучевой сварки отдельных деталей, узлов, при сборке космических платформ и различных ремонтных работах.

Недостатки электронно-лучевой сварки, которые следует учитывать при назначении этого метода для сварки конструкций и проектирования их узлов, заключается в необходимости, как правило, использования камер, ограничивающих размеры свариваемых деталей; наличие рентгеновского излучения, которое должно поглощаться стенками камеры и требует периодического контроля; сложности и высокой стоимости оборудования.

3. Приведите принципиальную схему и изложите сущность анодно-технической обработки. Укажите область применения, производительность и точность обработки

Анодно-механическая обработка, способ обработки металлов комбинированным электрохимическим и электроэрозионным воздействием электрического тока на изделие в среде электролита. Разработан в СССР в 1943 инженером В. Н. Гусевым.

Обрабатываемое изделие (анод) и электрод-инструмент (катод) включают, как правило, в цепь постоянного тока низкого напряжения (до 30 В). Электролитом служит водный раствор силиката натрия Na2SiO3 (жидкого стекла), иногда с добавлением солей других кислот. В качестве материалов для электродов-инструментов применяют малоуглеродистые стали (08 кп, 10, 20 и др.). Под действием тока металл и зделия растворяется и на его поверхности образуется пассивирующая плёнка. При увеличении давления инструмента на изделие плёнка разрывается и возникает электрический разряд. Его тепловое действие вызывает местное расплавление металла. Образующийся шлам выбрасывается движущимся инструментом. Изменяя электрический режим и давление, можно получить изделия с различной шероховатостью поверхности (до 9-го класса чистоты).

Работа по съёму металла при анодно-механической обработке осуществляется электрическим током в межэлектродном зазоре почти без силовой нагрузки на узлы анодно-механического стакана в противоположность металлорежущим станкам, в которых эти узлы сильно нагружены. Интенсивность съёма металла практически не зависит от механических свойств обрабатываемых металлов и инструмента (твёрдости, вязкости, прочности), поэтому анодно-механическую обработку целесообразно применять для изделий из высоколегированных сталей, твёрдых сплавов и т. п. Высокий технико-экономический эффект анодно-механической обработки даёт именно при обработке таких материалов: увеличивается производительность, уменьшаются количество отходов и расход энергии, резко снижаются затраты на инструмент. При доводочных работах анодно-механическая обработка позволяет получить высокое качество поверхности.

Анодно-механическая обработка осуществляется при включении обрабатываемой заготовки в цепь постоянного тока в качестве анода, а рабочего инструмента -- диска в качестве катода. В зазор подается рабочая жидкость (раствор жидкого стекла при черновой обработке или раствор хлористого или сернокислого натрия при доводке). При анодно-механической обработке металл заготовки подвергается анодному (электрохимическому) растворению, а также локальному плавлению от воздействия разрядов, как при электроискровой обработке, и механическому воздействию инструмента, который снимает оксидную пленку и расплавленный металл.

Производительность процесса в 2 -- 3 раза выше, чем при обычной механической обработке. Этот метод применяют для шлифования, хонингования цилиндрических отверстий, полирования, резки. Анодно-механическую обработку можно совмещать с абразивной обработкой, используя при этом в качестве инструмента электропроводящий абразивный диск или добавляя абразив в рабочую жидкость.

Процесс электроискрового упрочнения применяют для упрочнения поверхностей различных металлов и сплавов, чаще всего штамповой оснастки. В отличие от размерной электроискровой обработки здесь анодом является электрод-инструмент, материал с поверхности которого переносится на обрабатываемую заготовку -- катод.

Сущность метода заключается в том, что при сближении инструмента с деталью между ними возникает искровой электрический разряд, который оплавляет материал анода. На первой стадии капля расплавленного металла разогревается до высокой температуры, закипает, и металл анода в виде мелких частиц устремляется к катоду. Достигнув катода, расплавленные частицы свариваются с ним. На следующей стадии через раскаленный участок катода проходит второй импульс тока. Этот импульс сопровождается механическим ударом анода о катод, при котором происходит сварка металла анода с поверхностью катода, сопровождаемая химическими реакциями, диффузионными процессами и явлениями, характерными при ковке.

В качестве материала анода для упрочнения режущего инструмента (резцов, фрез, сверл, ножей и др.) используют твердые сплавы различных марок, феррохром и графит. Расход этих материалов невелик.

Литература

1. Материаловедение и технология металлов: Учеб. Для студентов М 34 машиностроит. спец. вузов/ Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др.; под ред. Г.П.Фетисова.- М.: Высш. шк., 2002.

2. Лазерная и электронно-лучевая обработка./ Рыкалин А.Л.. Углов А.А., Зуев И.И. и др. М.: Машиностроение, 1985

Размещено на Allbest.ru