Основы материаловедения

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Классификация и маркировка сталей. Конструкционные машиностроительные стали: углеродистые обыкновенного качества и качественные, экономно и комплексно легированные, улучшаемые, цементуемые и др.

Сталями принято называть сплавы железа с углеродом, содержащие до 2,14% углерода. В зависимости от химического состава различают стали углеродистые (ГОСТ 380-71, ГОСТ 1050-75) и легированные (ГОСТ 4543-71, ГОСТ 5632-72, ГОСТ 14959-79).

В свою очередь углеродистые стали могут быть:

- малоуглеродистыми, т. е. содержащими углерода менее 0,25%;

- среднеуглеродистыми, содержание углерода составляет 0,25-0,60%

- высокоуглеродистыми, в которых концентрация углерода превышает 0,60%

Легированные стали подразделяют на:

- низколегированные содержание легирующих элементов до 2,5%

- среднелегированные, в их состав входят от 2,5 до 10% легирующих элементов;

- высоколегированные, которые содержат свыше 10% легирующих элементов.

По назначению стали делятся на:

- конструкционные, предназначенные для изготовления строительных и машиностроительных изделий.

- инструментальные, из которых изготовляют режущий, мерительный, штамповый и прочие инструменты. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

- с особыми физическими свойствами, например, с определенными магнитными характеристиками или малым коэффициентом линейного расширения: электротехническая сталь, суперинвар.

- с особыми химическими свойствами, например, нержавеющие, жаростойкие или жаропрочные стали.

Классификация конструкционных сталей

1. по химическому составу.

2. по качеству.

3. по степени раскисления.

4. по структуре.

5. по прочности.

1. По химическому составу - углеродистые, легированные.

Углеродистые делятся на:

- низкоуглеродистые - С< 0,3%;

- среднеуглеродистые - С= 0,3-0,7%;

- высокоуглеродистые - С>0,7%.

Легированные делятся на:

- низколегированные - до 5% л.э.;

- среднелегированные - 5-10% л.э.;

- высоколегированные - более 10% л.э.

2. По качеству - обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные.

3. По степени раскисления.

По степени удаления кислорода из стали, т. е. по степени её раскисления, существуют:

- спокойные стали, т. е., полностью раскисленные; такие стали обозначаются буквами "сп" в конце марки (иногда буквы опускаются);

- кипящие стали - слабо раскисленные; маркируются буквами "кп";

- полуспокойные стали, занимающие промежуточное положение между двумя предыдущими; обозначаются буквами "пс".

4. По структуре стали классифицируют учитывая особенности её строения в отожжённом и нормализованном состоянии.

В отожжённом (равновесном) состоянии конструкционные стали разделяют на четыре класса:

- Доэвтектоидные имеющие в структуре избыточный феррит.

- Эвтектоидные в структуре только перлит.

- Аустенитные.

- Ферритные.

После нормализации стали подразделяют на четыре класса:

- Перлитные.

- Мартенситные.

- Аустенитные.

- Ферритные.

5. По прочности.

- Нормальной (средней) прочности у_в ? до 1000 МПа.

- Повышенной прочности у_в ? до 1500 МПа.

- Высокопрочные у_в ? более 1500 МПа

Углеродистые стали

Составляют 80% от общего объёма всех сталей. Они дёшевы, удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением. Однако они менее технологичны при ТО. Из-за высокой критической скорости закалки их охлаждают только в воде, что вызывает значительные деформации и коробления деталей.

Легированные стали

Марка легированных сталей состоит из сочетания букв и цифр, обозначающих её химический состав. (ГОСТ).

Некоторые группы сталей содержат дополнительные обозначения:

Ш - шарикоподшипниковая сталь;

Э - электротехническая сталь;

А - автоматная сталь, хорошо обрабатывается резанием.

Легированные стали производят качественными, высококачественными и особо высококачественными. Их применяют после закалки и высокого отпуска (улучшения), поскольку в отожженном состоянии они по механическим свойствам практически не отличаются от углеродистых.

Улучшение механических свойств обусловлено влиянием легирующих элементов на:

1. Свойства феррита.

2. Дисперсность карбидной фазы.

3. Устойчивость мартенсита при отпуске.

4. Прокаливаемость.

5. Размер зерна.

Легированные стали нормальной и повышенной статической прочности.

Из сталей нормальной и повышенной прочности наибольшее применение имеют низкоуглеродистые (цементуемые) и среднеуглеродистые (улучшаемые) стали, содержащие, как правило, в сумме не более 5 % л.э.

Нормальной прочности

Низкоуглеродистые - (0,1 - 0,3 % С) легированные стали. Т.О. - закалка + низкий отпуск со структурой низкоуглеродистого мартенсита или бейнита. Повышенные прочностные свойства этих структур сочетаются с хорошей пластичностью, вязкостью, малой чувствительностью к надрезам и высоким сопротивлением развитию вязкой трещины.

Стали повышенной прочности.

Комплексно-легированные, низкоуглеродистые (С = 0,25 - 0,30 %).

Хромоникелевые - 12ХН3А, 20ХН3А, 12Х2Н4А, 20Х2Н4А применяют для крупных деталей ответственного значения. Закалка в масле. Прокаливаемость до 100 мм. Структура - низкоуглеродистый мартенсит с нижним бейнитом, обеспечивает сочетание высокой прочности и вязкости.

Хромоникельмолибденовая (вольфрамовая сталь) 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА наиболее высоколегированные, закаливаются на воздухе и прокаливаются практически на любое сечение. Отжиг для них не применим, только высокий отпуск на сорбит.

Хромомарганцевые стали с титаном и молибденом - 18ХГТ, 30ХГТ, 25ХГМ являются экономно-легированными и предназначены для замены хромоникелевых сталей. Прокаливаемость - 35…60 мм. По прочности и твёрдости они превосходят хромоникелевые стали, но уступают по вязкости. Применяют для деталей крупносерийного и массового производства (зубчатых колёс автомобилей). Легированные, среднеуглеродистые (С = 0,30 - 0,50 %). Т.О. - З + В.О. (500 - 600⁰С) на сорбит. Улучшение этих сталей в отличие от нормализации обеспечивает: повышенный предел текучести в сочетании с хорошей пластичностью и вязкостью, заметно снижает порог хладноломкости.

Хромистые стали 40Х, 45Х, 50Х - дешёвый конструкционный материал. Склонны к отпускной хрупкости. Прокаливаемость - 15…25 мм. Применяются для деталей, работающих без значительных динамических нагрузок.

Хромокремнемарганцевые стали (хромансили - Cr, Mn, Si ) 30ХГСА, 35ХГСА. Дешёвые, хорошо свариваются, штампуются, удовлетворительно обрабатываются резанием, прокаливаются 30-40мм. Применяют в автомобилестроении - валы, сварные конструкции, детали рулевого управления.

Хромоникелевые стали 40ХНМА, 38ХН3МА, 38ХН3МФА, а также глубокопрокаливающиеся 18Х2Н4МА, 18Х2Н4ВА. Прокаливаемость свыше 100мм. (Молибден и вольфрам вводят для устранения отпускной хрупкости, которую вызывает никель).

Легированные высокопрочные стали (у_в > 1500МПа).

Эти стали имеют высокую чувствительность к концентраторам напряжения и эксплуатационно ненадёжны. Для предупреждения хрупкого разрушения таким сталям необходимо определённый запас вязкости (как минимум КСU = 0,2 МДж/м²).

Высокопрочное состояние в сочетании с достаточно высоким сопротивлением хрупкому разрушению может быть получено при использовании:

- среднеуглеродистых комплексно-легированных сталей после низкого отпуска или термомеханической обработки.

- мартенситно-стареющих сталей.

- метастабильных аустенитных сталей.

2. Влияние температуры на строение и свойства пластически деформированного металла. Стадии и механизмы рекристаллизации. Влияние примесей и исходного состояния материала на протекание рекристаллизации

Деформированный металл находится в неравновесном состоянии. Переход к равновесному состоянию связан с уменьшением искажений в кристаллической решетке, снятием напряжений, что определяется возможностью перемещения атомов.

При низких температурах подвижность атомов мала, поэтому состояние наклепа может сохраняться неограниченно долго.

При повышении температуры металла в процессе нагрева после пластической деформации диффузия атомов увеличивается и начинают действовать процессы разупрочнения, приводящие металл в более равновесное состояние - возврат и рекристаллизация.

Возврат.

Небольшой нагрев вызывает ускорение движения атомов, снижение плотности дислокаций, устранение внутренних напряжений и восстановление кристаллической решетки

Процесс частичного разупрочнения и восстановления свойств называется отдыхом (первая стадия возврата). Имеет место при температуре:

Т = (0,25…0,3)Т_пл

Возврат уменьшает искажение кристаллической решетки, но не влияет на размеры и форму зерен и не препятствует образованию текстуры деформации.

Полигонизация - процесс деления зерен на части: фрагменты, полигоны в результате скольжения и переползания дислокаций.

При температурах возврата возможна группировка дислокаций одинаковых знаков в стенки, деление зерна малоугловыми границами (рис. 1).

Рис. 1. Схема полигонизации: а - хаотическое расположение краевых дислокаций в деформированном металле; б - дислокационные стенки после полигонизации.

В полигонизированном состоянии кристалл обладает меньшей энергией, поэтому образование полигонов -- процесс энергетически выгодный.

Процесс протекает при небольших степенях пластической деформации. В результате понижается прочность на (10…15) % и повышается пластичность (рис.2).

Границы полигонов мигрируют в сторону большей объемной плотности дислокаций, присоединяя новые дислокации, благодаря чему углы разориентировки зерен увеличиваются (зерна аналогичны зернам, образующимся при рекристаллизации). Изменений в микроструктуре не наблюдается (рис.3 а). Температура начала полигонизации не является постоянной. Скорость процесса зависит от природы металла, содержания примесей, степени предшествующей деформации.

При нагреве до достаточно высоких температур подвижность атомов возрастает и происходит рекристаллизация.

Рекристаллизация - процесс зарождения и роста новых недеформированных зерен при нагреве наклепанного металла до определенной температуры.

Нагрев металла до температур рекристаллизации сопровождается резким изменением микроструктуры и свойств. Нагрев приводит к резкому снижению прочности при одновременном возрастании пластичности. Также снижается электросопротивление и повышается теплопроводность.

1 стадия - первичная рекристаллизация (обработки) заключается в образовании центров кристаллизации и росте новых равновесных зерен с неискаженной кристаллической решеткой. Новые зерна возникают у границ старых зерен и блоков, где решетка была наиболее искажена. Количество новых зерен постепенно увеличивается и в структуре не остается старых деформированных зерен.

Движущей силой первичной рекристаллизации является энергия, аккумулированная в наклепанном металле. Система стремится перейти в устойчивое состояние с неискаженной кристаллической решеткой.

2 стадия - собирательная рекристаллизация заключается в росте образовавшихся новых зерен.

Движущей силой является поверхностная энергия зерен. При мелких зернах поверхность раздела большая, поэтому имеется большой запас поверхностной энергии. При укрупнении зерен общая протяженность границ уменьшается, и система переходит в более равновесное состояние.

Температура начала рекристаллизации связана с температурой плавления:

Т_рек = аТ_пл

а = 0,4 - для металлов;

а = 0,5…0,8 - для твердых растворов;

а = 0,1…0,2 - для металлов высокой чистоты.

На свойства металла большое влияние оказывает размер зерен, получившихся при рекристаллизации. В результате образования крупных зерен при нагреве до температуры t₁ начинает понижаться прочность и, особенно значительно, пластичность металла.

Основными факторами, определяющими величину зерен металла при рекристаллизации, являются температура, продолжительность выдержки при нагреве и степень предварительной деформации (рис. 4).

С повышением температуры происходит укрупнение зерен, с увеличением времени выдержки зерна также укрупняются. Наиболее крупные зерна образуются после незначительной предварительной деформации 3…10 %. Такую деформацию называют критической. И такая деформация нежелательна перед проведением рекристаллизационного отжига.

Практически рекристаллизационный отжиг проводят дпя малоуглеродистых сталей при температуре 600…700^oС, для латуней и бронз - 560…700^oС, для алюминевых сплавов - 350…450^oС, для титановых сплавов - 550…750С.

3. Проектирование ТП: анализ исходных данных, выбор заготовки, выбор аналога ТП. Технологический код детали

В целом проектирование технологических процессов обработки деталей и сборки узлов представляет собой сложную, трудоемкую и многовариантную задачу. Поэтому его выполняют в несколько последовательных этапов.

Вначале делают предварительный проект технологического процесса; на последующих стадиях его уточняют и конкретизируют на основе детальных технологических расчетов. Последовательным уточнением предварительного проекта получают законченные разработки технологического процесса. Правильное решение удается получить только после разработки и сравнения нескольких технологических вариантов.

Исходными данными для проектирования технологических процессов механической обработки являются:

- рабочий чертеж обрабатываемой детали с указанием ее материала, конструктивных особенностей и размеров;

- технические условия на изготовление детали, характеризующие точность и качество обрабатываемых поверхностей, а также особые требования к твердости и структуре материала, термической обработке, балансировке и т.п.;

- объем выпуска изделий, в состав которых входит изготовляемая деталь, с учетом выпуска запасных частей;

- планируемый интервал времени (обычно в годах) выпуска изделий.

При проектировании технологических процессов для действующего производства необходимо располагать информацией о имеющемся оборудовании, площадях и других местных производственных условиях. При проектировании используют справочные и нормативные материалы, каталоги и паспорта оборудования, альбомы приспособлений; ГОСТы и нормали на режущий и измерительный инструменты, нормативы точности, шероховатости, расчета припусков, режимов резания и технического нормирования времени; тарифно-квалификационные справочники и другие материалы. Оформление технологических разработок производится на бланках технологической документации.

Проектированию технологического процесса предшествует подробное изучение рабочего чертежа детали, технических условий на ее изготовление и условий ее работы в изделии. Особое внимание уделяется возможности улучшения технологичности конструкции детали, так как в результате может быть получен значительный эффект от снижения трудоемкости и себестоимости выполнения процессов обработки.

При разработке технологии обработки детали одной из первых решается задача выбора заготовки, который зависит от конструктивной формы детали, технических требований, материала, ее назначения, условий работы в машине, испытываемых напряжений.

Выбор вида заготовки определяется еще и масштабом производства, а также экономичностью изготовления.

Выбрать заготовку - значит установить способ ее получения, определить припуски на обработку поверхностей, рассчитать размеры и установить допуски на неточность изготовления.

При правильно выбранном методе получения заготовки уменьшается трудоемкость механической обработки, сокращается расход металла, электроэнергии, высвобождается оборудование и производственные площади.

При выборе заготовки технолог руководствуется техническими возможностями заготовительных цехов предприятия.

Форма и размеры заготовки должны быть максимально приближены к форме и размерам детали; идеальной (прецизионной) является заготовка, не требующая механической обработки, т.е. фактически являющаяся готовой деталью.

Но чем ближе форма и размер заготовки к форме и размерам детали, тем выше расходы на ее изготовление, следовательно, применять такие заготовки целесообразно в массовом и крупносерийном производстве.

Если заготовку можно получить несколькими способами, то выполняется экономический расчет по стоимости каждого вида и сравнение, какой метод выгоднее. При расчете учитывается не только стоимость материала, требующегося на изготовление заготовки (сравнение по коэффициенту использования материала), но и стоимость изготовления самой заготовки, которая включает и амортизационные отчисления со стоимости оборудования, и стоимость оснастки для изготовления, и затраты электроэнергии, газа, пара и других ресурсов.

Разработка единичных технологических процессов осуществляется или путем индивидуального проектирования, или на основе использования типовых процессов (процессов-аналогов).

Индивидуальную разработку единичных технологических процессов осуществляют при отсутствии процессов-аналогов.

Технологический процесс разрабатывают на основе предварительно составленного межцехового технологического маршрута (расцеховки). Расцеховка определяет поэтапное движение деталей, сборочных единиц и самого изделия в процессе их изготовления.

При использовании процесса-аналога структура и содержание единичного процесса и его операций в значительной степени определяется аналогом.

Рис. 5 Последовательность разработки единичного технологического процесса на основе процесса-аналога

При разработке единичных технологических процессов изготовление деталей на основе процессов-аналогов выполняют в соответствии с этапами, приведенными на рис. 5.

Важным этапом решения является выбор процесса-аналога на основании имеющейся классификации деталей. Для этого используется конструкторско-технологический классификатор, с помощью которого определяется принадлежность изготавливаемой детали соответствующей группе по конструктивно-технологическим признакам.

В промышленности нашел применение технологический классификатор деталей (ТКД) машиностроения и приборостроения, являющийся продолжением и дополнением классификатора ЕСКД (классы 71 - 76), разработанного в качестве информационной части ГОСТ 2.201-80.

Классификатор ЕСКД включает 100 классов, из которых 51 составляют пока резерв для размещения новых видов изделий.

Классификатор деталей имеет важное значение, так как с его помощью проводится анализ изготавливаемых деталей, их группирование, унификация и стандартизация как самих деталей, так и технологических процессов, а также производится поиск процессов-аналогов.

Технологический классификатор деталей представляет собой систематизированный в виде классификационных таблиц свод наименований общих признаков деталей, состоящий из частных признаков и кодовых обозначений. Структура полного конструкторско-технологического кода детали состоит из обозначения детали по ГОСТ 2.201-80 и технологического кода, содержащего четырнадцать знаков. Технологический код состоит из двух частей:

- постоянной части из шести знаков (рис. 6, а);

- переменной части из восьми знаков (рис. 6, б). Структура переменной части (см. рис. 6, б) технологического кода зависит от технологического метода изготовления деталей: литье; ковка и объемная штамповка; листовая штамповка; процессы резания; термическая обработка и т. д.

Рисунок 6.

Существенные недостатки данного классификатора состоят в том, что в нем не находят отражение связи между поверхностями, дифференциация требований качества поверхностей детали.

4. В условиях массового производства необходимо изготовить деталь из бронзы БрО-6. На основе анализа технологических свойств материала выберите метод изготовления заготовки

В бронзе БрО-6 содержится около 6% олова, остальное - медь. Деталь из данного вида бронзы целесообразнее получить методами обработки материалов давлением. Получение литых заготовок не вполне подойдет, так как для придания лучших литейных свойств в бронзы вводят легирующие элементы, такие как никель и фосфор.

Литература

сталь пластический деформированный рекристаллизация

1. Маталин А. А. Технология машиностроения: учеб. для вузов: - Л.: Машиностроение, Ленинградское отд - ние, 1985. - 496 с.: ил.

2. Солнцев Ю. П. Материаловедение: учеб. для вузов: - СПб.: Химиздат, 2007. - 784 с.: ил.

3. Стерин И. С. Материаловедение. - М.: Дрофа, 2009. - 352 с.: ил.

Размещено на Allbest.ru