Технология конструкционных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

1. Что такое аллотропические превращения в металлах? Изобразите кривую охлаждения при аллотропических превращениях железа и дайте необходимые пояснения к ней

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe₃C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для сплава определенной концентрации. Для этого же сплава определите по правилу отрезков при заданной температуре: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз

3. После закалки углеродистой стали со скоростью охлаждения выше критической была получена структура, состоящая из феррита и мартенсита. Проведите на диаграмме состояния “железо-карбид железа” ординату, соответствующую примерному составу заданной стали, укажите принятую в данном случае температуру нагрева под закалку и опишите превращения, которые произошли в стали при нагреве и охлаждении. Как называется такой вид закалки?

4. Для изготовления матриц штампов горячего прессования используется сплав Х11Н10М2Т. Расшифруйте состав, укажите, к какому классу относится сплав. Опишите режим упрочнения и объясните природу упрочнения

Для поршней двигателя внутреннего сгорания, работающих при температурах 200...250°С, используется сплав АК4-1. Расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из данного сплава. Опишите режим упрочняющей термической обработки и кратко объясните природу упрочнения

5. Выбрать литую деталь (из числа автотракторных деталей), привести ее эскиз с необходимыми размерами и по чертежу детали разработать чертеж модели с указанием знаков, припусков на механическую обработку, литейных уклонов и галтелей

6. Опишите характер явлений, происходящих в металле при его нагреве. Как влияет температура нагрева на перегрев, угар и обезуглероживание стали?

Особенность сварки магния и его сплавов

7. Расшифруйте марки заданных материалов; оцените свариваемость материала; опишите процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне. Отметьте, в чем заключается особенность технологии и техники сварки данного материала. Выберите и обоснуйте метод сварки. Рассчитайте режимы, нарисуйте разделку кромок шва, выберите оборудование для сварки и укажите основные характеристики. Выберите и опишите методы контроля сварного соединения

Список использованных источников



1. Что такое аллотропические превращения в металлах? Изобразите кривую охлаждения при аллотропических превращениях железа и дайте необходимые пояснения к ней

аллотропический металл сварка охлаждение

Многие металлы в зависимости от температуры могут существовать в разных кристаллических формах или, другими словами, в разных полиморфных модификациях. В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющие решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Способность некоторых металлов существовать в различных кристаллических формах в зависимости от внешних условий (давление, температура) называется аллотропией или полиморфизмом.

Используя явление полиморфизма, можно упрочнять и разупрочнять сплавы при помощи термической обработки.

Железо - металл серебристо-белого цвета, который обладает свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты.

Рисунок 1. Кривая охлаждения чистого железа



Кривая охлаждения чистого железа представлена на рисунке 1. При охлаждении железо затвердевает при температуре 1539°С. При этом образуется д-Fe, имеющее объёмноцентрированную кубическую решетку. При последующем охлаждении при температуре 1392°С д-Fe превращается в г-модификацию Fe, т. е. в железо с гранецентрированной решеткой. В интервале температур 910-1392°С стабильна г-модификация Fe. При температуре 910°С г-железо превращается в б-Fe, для которого характерна объемноцентрированная решетка. Остановка на кривой охлаждения, имеющая место при 768°С, не связана с перестройкой кристаллической решетки, а вызывается изменением магнитных свойств. Ниже этой температуры железо магнитно, выше - немагнитно. От температуры 910°С до комнатной железо существует в б-модификации.

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fe₃C, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от 1600 до 0°С (с применением правила фаз) для сплава определенной концентрации. Для этого же сплава определите по правилу отрезков при заданной температуре: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз. Концентрация углерода в сплаве, % - 0,8 Температура, °С - 1450

Рисунок 2. Диаграмма состояния «Железо-цементит» и кривая охлаждения сплава, содержащего 0,8% углерода



Для заданного состава проводим линию сплава.

Отмечаем каждое пересечение линии сплава с линиями диаграммы.

Сносим каждую точку пересечения на диаграмме для построения кривой охлаждения.

До точки 1 существует только жидкий раствор.

В точке 1 начинается кристаллизация аустенита из жидкого раствора. В точке 2 кристаллизация заканчивается.

Между точками 2-3 существует только аустенит.

В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит (0,02 % углерода) и цементит. Такая смесь называется перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения изображаем горизонтальный участок.

При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен перлитом.

Рассчитаем число степеней свободы для сплава. Правило фаз дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количества фаз и компонентов:

С = К + П - Ф

где С - число степеней свободы (вариантность), т.е. число внешних и внутренних факторов, которое может изменяться без изменения числа фаз в системе;

К - количество компонентов (веществ, образующих систему);

П - число внешних и внутренних факторов (температура, давление и концентрация), воздействующих на систему;

Ф - число фаз.

Так как рассматриваем влияние температуры (нагрев системы) на двухкомпонентную систему, то правило фаз можно записать следующим образом:

С = 2 + 1 - Ф

С(выше 1) = 2+1-1 = 2 (фазы: жидкость)

С(1-2) = 2+1-2 = 1 (фазы: жидкость, аустенит)

С(2-3) = 2+1-1 = 2 (фазы: аустенит)

С(по линии, соответствующей точке 3) = 2+1-3 = 0 (фазы: аустенит, феррит, цементит)

С(ниже 3) = 2+1-2 = 1 (фазы: цементит, феррит).

Сплав, содержащий 0,8% углерода, называется эвтектоидным. При температуре 1450°С сплав является двухфазным: жидкость, аустенит. Количественное соотношение фаз определяем по правилу отрезков.

Содержание углерода:

составим пропорцию для жидкости

0,8 % углерода 100%

x 42,9%

составим пропорцию для аустенита

0,8 % углерода 100%

x 57,1%



Рисунок 3. Температура закалки для стали Ст3

3. После закалки углеродистой стали со скоростью охлаждения выше критической была получена структура, состоящая из феррита и мартенсита. Проведите на диаграмме состояния “железо-карбид железа” ординату, соответствующую примерному составу заданной стали, укажите принятую в данном случае температуру нагрева под закалку и опишите превращения, которые произошли в стали при нагреве и охлаждении. Как называется такой вид закалки?

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Такая закалка называется неполной. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. Термообработка обеспечивает хорошие механические свойства и штампуемость.

Из доэвтектоидных сталей выбираем сталь Ст3 (сталь углеродистая конструкционная, обыкновенного качества), содержащую 0,14 - 0,22% углерода. Ее критические точки: А_с1=735°С, А_с3=850°С.

Неполная закалка стали Ст3 производится от температуры 800°С. При нагреве происходит переход перлита в аустенит. Таким образом при температуре нагрева структура - аустенит+феррит. При охлаждении со скоростью выше критической происходит мартенситное превращение. В результате получаем структуру феррит+мартенсит. Температура под неполную закалку указана на рисунке 3.

Для получения заданной структуры необходимо провести неполную закалку.

4. Для изготовления матриц штампов горячего прессования используется сплав Х11Н10М2Т. Расшифруйте состав, укажите, к какому классу относится сплав. Опишите режим упрочнения и объясните природу упрочнения

Среднее содержание элементов в стали, %

Углерод - 1%,

Хром - 11%,

Никель - 10%,

Молибден - 2%,

Титан - 1%.

Сплав заэвтектический, поскольку содержит более 0,8% углерода.

Термическая обработка штампов проводится с целью получения нужной структуры металла, определенной твердости и стойкости поверхности гравюры штампа. Завышенная твердость ведет к выкрашиванию поверхности ручьев, недостаточная - к их смятию.

Технологическая схема обработки инструмента для горячего деформирования включает следующие стадии:

1) горячая пластическая деформация (ковка);

2) отжиг;

3) механическая обработка;

4) закалка и отпуск;

5) механическая обработка.

В качестве предварительной термической обработки штампов горячего прессования применяют отжиг, т.е. термическую обработку, заключающуюся в нагреве до определённой температуры, выдержке и последующем, обычно медленном, охлаждении. Цели отжига - снижение твёрдости для повышения обрабатываемости, улучшение структуры и достижение большей однородности металла, снятие внутренних напряжений.

В качестве окончательной термической обработки инструмента для горячего деформирования применяют закалку и отпуск. Закалка - упрочняющая термообработка, которую проводят для получения в металле неравновесной структуры с заданными свойствами. При повышении температуры нагрева под закалку возрастает теплостойкость и прокаливаемость штамповых сталей, но из-за укрупнения зерна снижается их вязкость. Поэтому для инструмента, работающего с большим разогревом, но без значительных динамических нагрузок, целесообразно повышать температуру нагрева под закалку для получения большей теплостойкости.

Повышение температуры отпуска повышает вязкость стали, но снижает ее твердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохранения износостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной, однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.

5. Для поршней двигателя внутреннего сгорания, работающих при температурах 200...250°С, используется сплав АК4-1. Расшифруйте состав и укажите способ изготовления деталей из данного сплава. Опишите режим упрочняющей термической обработки и кратко объясните природу упрочнения

Сплав АК4 - это алюминиевый деформируемый сплав. Сплав по назначению относятся к группе жаропрочных материалов. По своему химическому и фазовому составу они весьма близки к сплавам типа дуралюмин.

Таблица 1

Химический состав сплава АК4-1, %

Fe	Si	Mn	Ni	Ti	Al	Cu	Mg	Zn
0,8 - 1,4	0,35	до 0,2	0,8 - 1,4	до 0,1	91,2 - 94,6	1,9 - 2,7	1,2 - 1,8	до 0,3

Сплав хорошо деформируется в горячем состоянии (температурный интервал деформации 350-470°C); интенсивно упрочняется термической обработкой (путем закалки и искусственного старения горячепрессованных профилей). Сплав удовлетворительно соединяется точечной и шовной сваркой, хорошо обрабатывается резанием.

Коррозионная стойкость удовлетворительная. Для защиты от коррозии детали подвергаются анодированию, оксидированию и покрываются лакокрасочными материалами. Отличается высокой износостойкостью (низкий коэффициент трения).

Сплав применяют для изготовления деталей реактивных двигателей, работающих при повышенных температурах, поэтому его свойства при увеличении температуры практически не изменяются.

Механические свойства сплава АК4

Модуль упругости первого рода Е, ГПа	Временное сопротивление разрыву (предел прочности при растяжении) уВ, МПа	Предел текучести условный у0,2, МПа	Относительное удлинение после разрыва д, %	ударная вязкость KCU, (кДж/м2)
72	380	310	6	0,2

Получать детали из данного сплава можно штамповкой. При штамповке алюминиевых сплавов АК4 учитывать следующие важные особенности:

на поверхности исходной заготовки не должно быть даже неглубоких трещин, плен, вмятин, пузырей. Перед штамповкой все поверхностные дефекты должны быть удалены;

при штамповке деталей из алюминиевых сплавов необходимо строго соблюдать температуру и время нагрева заготовок, выдержку при заданной температуре, а также температурные интервалы штамповки. Особо строгий контроль температур необходим при нагреве заготовок из малопластичных сплавов, чувствительных к перегреву. Перед началом штамповки обязателен подогрев штампов до 250-300°С; штамповка в холодных или в недостаточно нагретых штампах затрудняет заполнение полости металлом и вызывает образование трещин на штампуемых заготовках;

скорость и степень деформации предусматривают такими, чтобы обеспечить требуемые механические свойства штампованной заготовки;

при штамповке на молоте рекомендуется вначале деформирование проводить легкими ударами.

Термическая обработка: закалка с 525-540°С. Охлаждение заготовок при этом способе производят непосредственно с температуры закалки. После закалки производят искусственное старение при 165-180°С в течение 10-16 ч. Структура закаленного сплава имеет малую стабильность. При комнатной температуре она изменяется. За счет неравномерности распределения атомов в кристаллической решетке твердого раствора возникают искажения решетки. Они приводят к значительному повышению твердости и прочности с одновременным снижением пластичности сплава.

Процесс при комнатной температуре носит название естественного старения. Оно наиболее интенсивно происходит в течение первых нескольких часов. Полностью завершается - через 4-6 суток, придавая сплаву максимальную для него прочность.

При подогреве сплава до 100-150°C происходит искусственное старение. В этом случае процесс изменения структуры закаленного материала завешается быстрее, чем при естественном старении но упрочнение меньше. Объясняется это тем, что при более высокой температуре диффузионные перемещения атомов осуществляются более легко.

6. Выбрать литую деталь (из числа автотракторных деталей), привести ее эскиз с необходимыми размерами и по чертежу детали разработать чертеж модели с указанием знаков, припусков на механическую обработку, литейных уклонов и галтелей

Основой для разработки технологического процесса изготовления отливки является чертеж детали (в контрольном задании даны эскизы деталей). На чертеже детали в соответствии с ГОСТ наносят технологические указания, необходимые для изготовления модельного комплекса, формы и стержня, и получают чертеж отливки с модельно - литейными указаниями.

На рисунке 4-а изображена деталь, на рисунке 4-б - ее модель. При разработке чертежа добавляется припуск на механическую обработку отливки и припуск на усадку при кристаллизации и охлаждении. Выбирается плоскость разъема модели, и назначаются литейные уклоны (для удобства извлечения модели при изготовлении формы) и галтели - скругления острых углов модели (для предотвращения образования трещин в отливке при её усадке).

а	б
Рисунок 4. Чертеж детали и отливки 1 - припуск на механическую обработку и усадку; 2 - литейные уклоны; 3 - плоскость разъема



По чертежу отливки в модельном отделении изготавливаются модель отливки (рисунок 5) и стержневой ящик - из металла, текстолита или дерева.

Рисунок 5. Чертеж модели: 1 - стержневые знаки; 2 - фиксаторы

Модель имеет разъём, её половинки скрепляются коническими штифтами - фиксаторами. В местах выхода отверстий у модели делаются выступы - стержневые знаки для получения отпечатков в формовочной смеси, в которые будет уложен стержень.

В стержневом ящике из стержневой смеси формуется стержень. Длина стержня больше длины отверстия на величину стержневых знаков.

7. Опишите характер явлений, происходящих в металле при его нагреве. Как влияет температура нагрева на перегрев, угар и обезуглероживание стали?

Чтобы правильно вести процесс ковки необходимо знать температуру начала и конца ковки каждого металла, каждой марки стали, т. е. знать режимы нагрева.

Под режимом нагрева понимают определенные правила, порядок и способы нагрева металла, обеспечивающие температуры и скорость, которые необходимы для получения заготовок, пригодных для ковки и получения из них качественных поковок.

Температура ковки для различных марок сталей не одинакова и зависит от их химического состава. Для углеродистых сталей нагрев их определяется наличием углерода, т. е. чем больше углерода встали, тем ниже температура плавления и ковки. Нагрев металла под ковку и горячую штамповку сопровождается рядом отрицательных явлений, таких, как угар, обезуглероживание, перегрев.

Угар (окалинообразование) получается в результате образования оксидов железа на поверхности заготовки при ее нагреве. Образование окалины обычно называют угаром металла.

Окалина - это хрупкое и непрочное вещество с содержанием до 30% железа. Угар стали, в результате образования окалины, может достигать 4 ... 5% от массы заготовки за один нагрев в горнах и несколько меньше (до 3%) в нагревательных печах. Если учесть, что при ковке заготовку приходится нагревать несколько раз (иногда до шести), то станет ясно, какое большое количество металла идет в отходы в результате угара металла.

Для уменьшения потерь металла на окалинообразованне или угар необходимо соблюдать следующие условия. По возможности применять малосернистое топливо. Нагревать металл так, чтобы при горении топлива не было избытка воздуха и не получалось окислительного пламени. По возможности уменьшать время нагрева заготовок и выдержки их в зоне нагрева. Транспортировать заготовки от места нагрева до места ковки надо осторожно, не допуская разрушения слоя окалины. С заготовки окалину следует счищать непосредственно перед самой ковкой.

Обезуглероживание происходит одновременно с окислением железа и выражается в том, что при нагреве стали углерод, содержащийся в ее верхних слоях, выгорает и сталь становится более мягкой. Значит химический состав стали изменится и не будет соответствовать той марке, из которой должна быть изготовлена деталь. При уменьшении содержания углерода уменьшается прочность и твердость стали, ухудшается способность ее закаливаться.

Процесс обезуглероживания начинается при температуре 800 ... 850°С. Интенсивность его зависит от содержания углерода в стали. Чем больше углерода, тем медленнее идет обезуглероживание.

Для крупных заготовок обезуглероживание не опасно, так как в процессе ковки и остывания заготовки углерод перемещается из внутренних слоев к наружным и химический состав стали выравнивается.

Для уменьшения обезуглероживания следует, по возможности, не допускать соприкосновения заготовок с окислительным пламенем.

Перегрев нельзя обнаружить по внешнему виду нагретой заготовки и даже в процессе ее ковки. Деталь, изготовленная из перегретого металла, быстро ломается, так как перегретый металл имеет крупнозернистую структуру и поэтому не прочен. Сильно перегретая заготовка иногда разрушается уже при ковке - в углах появляются трещины. Для предотвращения перегрева не следует допускать выдержки заготовки в горне или печи при высокой температуре больше, чем рекомендуется расчетами или нормативами.

Перегрев можно устранить, если заготовку охладить и снова нагреть до температуры 800 ... 850°С и медленно охладить.

8. Особенность сварки магния и его сплавов

Особенности сварки магниевых сплавов состоят в следующем: магний обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду. Активное окисление магния происходит с образованием рыхлой окисной пленкой MgO (t_{плавления} 2800єС). Пленка затрудняет сварку.

Основные легирующие элементы: марганец, алюминий, цинк и добавки - цирконий, церий.

Особенности сварки магния:

1. Образующаяся при сварке тугоплавкая пленка окисла магния MgO затрудняет процесс сварки. Для ее разрушения необходимо применять флюс либо использовать эффект катодного распыления при сварке вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов (ток переменный).

2. Склонность к появлению кристаллизационных трещин связана с возможностью образования легкоплавких эвтектик: MgCu (Т_пл = 485°С); MgAl (Т_пл = 436°С); MgNi (Т_пл = 508°С). Поэтому начало и конец сварных швов необходимо располагать на выводных планках. Последовательность сварки: после сварки длинных швов и швов с большим сечением следует сваривать более короткие швы и швы с меньшим сечением.

3. Склонность сплавов, особенно содержащих марганец, к росту зерна металла в зоне термического влияния не допускает значительный перегрев металла (например, при скоплении в одном месте сварных швов, при многослойной сварке без перерыва для охлаждения металла и т. п.).

4. Повышенное поглощение активных газов жидким металлом порождает склонность его к образованию пор, что также требует надежной зоны сварки от окружающего воздуха.

5. Высокий коэффициент линейного расширения магниевых сплавов приводит к значительному короблению сварных конструкций.

Основной способ сварки магниевых сплавов - дуговая сварка вольфрамовым электродом в среде инертных защитных газов. Такие способы сварки, как газовая, угольным и металлическим электродом с покрытием, при которых обязательно применение фторидно-хлоридных флюсов различных составов применяют редко. Остатки флюсов и шлаков на поверхности швов вызывают коррозию магниевых сплавов, поэтому по окончании сварки их остатки необходимо смывать горячей водой.

Сварку в среде инертных газов (аргон высшего и первого сортов, гелий повышенной чистоты) вольфрамовым лантанированным или иттрированным электродом выполняют на переменном токе. Присадочная проволока по составу близка к основному металлу либо имеет примеси (например, церий), обеспечивающие более пластичный металл шва.

Сварка осуществима для любых видов соединений. При сборке необходима тщательная подгонка кромок. Металл толщиной до 3 мм сваривают без скоса кромок, при толщине листов 3-6 мм необходима V-образная разделка и при толщине более 6 мм - Х-образная с притуплением 1,5-2 мм.

Для предупреждения попадания в металл окисной пленки с обратной стороны кромок сварку следует вести с полным проплавлением кромок, на подкладках из металлов с малой теплопроводностью (обычно из высоколегированной стали). Они также служат и для защиты обратной стороны шва. С этой точки зрения нахлесточные, угловые и тавровые соединения менее технологичны.

Прочность сварных соединений составляет примерно 60 … 80% прочности основного металла.

9. Расшифруйте марки заданных материалов; оцените свариваемость материала; опишите процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне. Отметьте, в чем заключается особенность технологии и техники сварки данного материала. Выберите и обоснуйте метод сварки. Рассчитайте режимы, нарисуйте разделку кромок шва, выберите оборудование для сварки и укажите основные характеристики. Выберите и опишите методы контроля сварного соединения

Способ сварки - дуговая

Марка стали - ВСт3кп

Классификация сварного соединения по виду и расположению шва в пространстве - угловое нижний

Толщина свариваемой детали - 22 мм.

Способ сварки - газовая

Марка стали - 10кп

Классификация сварного соединения по виду и расположению шва в пространстве - тавровое, вертикальный

Толщина свариваемой детали - 13 мм.

Сталь ВСТ3кп - углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 3 (содержание углерода 0,14 - 0,22%), при поставке гарантируются механические свойства и химический состав (группа В). Сваривается без ограничений (кроме химико-термически обработанных деталей).

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну. Вместе со стержнем плавится покрытие электрода, образуя газовую защитную атмосферу вокруг дуги и жидкую шлаковую ванну на поверхности расплавленного металла. Металлическая и шлаковые ванны вместе образуют сварочную ванну. По мере движения дуги сварочная ванна затвердевает и образуется сварочный шов. Жидкий шлак после остывания образует твердую шлаковую корку.

Электроды для ручной сварки представляют собой стержни с нанесенными на них покрытиями. Стержень изготовляют из сварочной проволоки повышенного качества. Сварочную проволоку всех марок в зависимости от состава разделяют на три группы: низкоуглеродистая, легированная и высоколегированная.

Подготовка металла под сварку заключается в очистке, разметке, резке и сборке. Правка в моем узле не применяется. Очистка применяется для того, чтобы очистить металл от ржавчины, краски, шлака, и.т. д.

Перенос размеров детали на натуральную величину с чертежа на металл называют разметкой. При этом пользуются инструментом: рулеткой, линейкой, угольником и чертилкой. Проще и быстрее разметка выполняется шаблоном, изготовляемый из тонкого металлического листа.

Под техникой выполнения сварных швов понимают выбор режимов сварки и приемы манипулирования электродом.

Зажигание дуги является одной из основных операций сварочного процесса. Зажигание производится каждый раз до начала процесса сварки, повторное возбуждение дуги - в процессе сварки при ее обрыве. При сварке угловых соединений. Конструкции из среднеуглеродистой стали могут быть хорошо сварены при непременном соблюдении следующих указаний. При сборке соединяемых элементов следует сохранять между кромками зазоры, предусмотренные ГОСТ, чтобы сварочная поперечная усадка происходила более свободно и не вызывала кристаллизационных трещин.

Строение сварного шва после затвердевания следующий: наплавленный металл получается в результате перевода присадочного и частично основного металлов в жидкое состояние, образования жидкой ванночки и последующего затвердевания, в процессе которого расплавленный металл соединяется с основным. В узкой зоне сплавления кристаллизуются зерна, принадлежащие основному и наплавленному металлу. В сварном шве образуется зона термического влияния, которая располагается в толще основного металла. В этой зоне под влиянием быстрого нагрева и охлаждения в процессе сварки изменяется лишь структура металла, а его химический состав остается неизменным.

Рисунок 6. Структурные превращения в стали в зоне термического влияния (1- полного расплавления, 2 -перегрев, 3 - нормализации, 4 неполной перекристаллизации, 5 рекристаллизации, 6 - синеломкости).



Строение сварного шва после затвердевания и распределения температуры в малоуглеродистой стали на рисунке 6. Зона 1 примыкает непосредственно к металлу шва. Основной металл на этом участке в процессе сварки частично расплавляется и представляет собой смесь твердой и жидкой фаз. Наплавленный металл имеет столбчатое крупнозернистое строение, характерное для литой стали. Если наплавленный металл или соединенный с ним участок был перегрет, то при охлаждении на этом участке (зона 2) зерна основного металл (малоуглеродистой стали) образуют грубо игольчатую так называемую видманштетную структуру.

Режим сварки

Режимом сварки называют совокупность основных характеристик сварочного процесса, обеспечивающую получение сварных швов заданных размеров, формы и качества.

Ручную дуговую сварку выполняют сварочными электродами, которые вручную подают в дугу и перемещают вдоль заготовки. В процессе сварки металлическим покрытым электродом - дуга горит между стержнем электрода и основным металлом. Стержень электрода плавится, и расплавленный металл каплями стекает в металлическую ванну.

Расчет сварного соединения

Обозначение сварного шва - У6 (односторонний, со скосом одной кромки, выполняется при толщине свариваемых деталей 3-66 мм). Сварной шов изображен на рисунке 7.

Рисунок 7. Угловое соединение



Диаметр электрода выбираем в зависимости от катета при сварке угловых и тавровых соединений.

Катет шва равен

К = 0,4s + 2 мм = 0,4·22 +2 = 10,8 мм

Выбираем d_э = 5 мм. Марку электрода выбирают в зависимости от химического состава свариваемого металла. Тип электрода выбирают таким образом, чтобы прочность металла шва и прочность основного металла были примерно равны.

Зная катет шва (К), определяем площадь поперечного сечения наплавленного металла, которая для шва без выпуклости высоты усиления определяется по формуле:

, мм²

Коэффициент пропорциональности (для расчета сварочного тока) принимаем равным 45 А/мм.

Сила сварочного тока

Длина дуги. Она влияет на качество сварки: короткая дуга горит устойчиво и спокойно, что обеспечивает получение высококачественного шва, но слишком короткая или прерывистая дуга нарушает процесс сварки.



Напряжение на дуге

,

где б - коэффициент, характеризующий падение напряжения на электродах (принимаем 10-12 В);

в - коэффициент, характеризующий падение напряжения на 1 мм длины дуги (принимаем 2-2,5 В/мм).

Определяем длину электрода, которая зависит от его диаметра и равна l_э = 450 мм.

Масса расплавленного металла

где г - плотность электродного металла (принимаем 7,8 г/см³);

l_ог - длина огарка (принимаем 50 мм).

Скорость сварки

где L_н - коэффициент наплавки (принимаем равным 8,0 г/А·ч в зависимости от напряжения на дуге);

г - плотность наплавленного металла, г/см³ (7,8 г/см³ - для стали);

F_н - площадь поперечного сечения наплавленного металла углового шва, см²;

I_св - сила сварочного тока, А.

10кп

10кп - углеродистая качественная сталь, кипящая, с содержанием углерода 0,1%. Свариваемость - без ограничений.

Химический состав, %

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As
0,07 - 0,14	до 0,07	0,25 - 0,5	до 0,3	до 0,04	до 0,035	до 0,15	до 0,3	до 0,08

Газовая сварка - сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых частей производят пламенем газов, сжигаемых на выходе горелки. Главное технологическое отличие газовой сварки от электрической или дуговой - наличие медленного и более плавного процесса нагрева металла. Для данного вида сварки используют, главным образом, ацетилен в смеси с кислородом. Ацетилено-кислородное пламя достигает высокой температуры порядка 3000-3200°С.

Основные технологические указания по газовой сварке сталей сводятся к следующему.

В целях уменьшения окислительных реакций в сварочной ванне пламя следует регулировать с небольшим избытком ацетилена. Полезным также является применение флюсов.

Чтобы получить более пластичный металл шва при достаточной его прочности, в качестве присадочного металла используется проволока марок Св-08Г, Св-10ГА, Св-10ГС и Св-10ГСМ по ГОСТу 2246-60.



Рисунок 8. Разделка кромки таврового соединения

В целях уменьшения перегрева и времени пребывания ванны в расплавленном состоянии сварку следует производить максимально быстро. Увеличение скорости сварки возможно либо при общем предварительном нагреве свариваемого изделия до 300-400°С, либо при местном нагреве в районе сварки до 650-700°С. Мощность пламени при этом берется 75-90 л/ч на 1 мм толщины свариваемой стали.

Во избежание получения хрупких структур в околошовной зоне, производят замедление охлаждения (достаточен предварительный подогрев до 200-250°С) или последующий отпуск при 600-650°С.

Способ разделки кромки представлен на рисунке 8.

Расчет режима сварки

Диаметр электродной проволоки (d_эл) выбирается в зависимости от толщины свариваемых деталей д и способа сварки. Определяется по формуле (для правого способа сварки)

Глубина провара (h) определяется по формуле:

h = д/2 ± 1 мм



где д - толщина свариваемых деталей, мм.

h = 13/2 ± 1 = 5,5…7,5 ? 6,5 мм

Мощность пламени (W) выбирается в зависимости от вида материала (по значению коэффициента пропорциональности k = 100) и толщины свариваемого металла

Скорость сварки (V_св) определяют в зависимости от диаметра электродной проволоки и свойств свариваемого материала

Принимаем для стали А = 13.

Расход газа (q_r) выбирают в зависимости от марки свариваемого металла и толщины металла. Для данного случая q_r = 24-25 л/мин.

Контроль качества сварного соединения

Для контроля качества сварного шва могут применяться различные методы, основанные на использовании разных материалов, приспособлений и устройств.

Визуальный осмотр. Самый простой и очевидный метод, призванный определить явные дефекты шва. Он может производиться без сторонних приспособлений либо с применением лупы. В рамках подготовки к осмотру производится специальная обработка сварных швов: поверхность очищают от загрязнений и шлаков, некоторые виды сталей дополнительно подвергают химической обработке.

При осмотре оценивают размер сварного шва, замеряют обнаруженные дефектные участки. Если были обнаружены трещины, их границы определяют засверливанием, подрубкой, шлифовкой и завершающим травлением. Трещины обнаруживаются при нагреве металла, выявляясь зигзагообразными линиями.

По внешнему виду сварные швы должны быть мелкочешуйчатыми и плотными по всей длине, не иметь скоплений или цепочек пор и шлаковых включений. Размеры сварных швов следует контролировать измерительным инструментом, имеющим точность измерений ±0,1 мм, или специальными шаблонами для контроля.

Просвечивание сварного шва. В этом случае используют гамма-лучи или рентген (пленку прикладывают с обратной стороны металлической заготовки). Если оборудование для сварных швов подвело, то в местах, где имеются дефекты, на пленке будут видны пятна более темного оттенка.

Именно так можно выявить шлаковые включения, непровар и поры. Метод не дает возможности выявить трещины, расположенные под углом менее пяти градусов относительно центрального луча и слипания металлов без шлаковой или газовой прослойки. Этот метод позволяет определять дефекты в металлических заготовках толщиной до 6 сантиметров, поэтому для заданных материалов данный метод целесообразен только для стали ВСт5пс.

Магнитографический метод. В его основе лежит обнаружение поля рассеивания, которое образуется на месте наличия дефектов при намагничивании заготовки. Рассеиваемые поля фиксируются на магнитной ленте, прижатой к поверхности швов. Запись проводится на дефектоскоп, а потом считывается. Если сварка и обработка сварных швов были проведены недостаточно качественно, то этот метод выявит трещины, поры, непровары, шлаковые включения.

С меньшей точностью таким образом можно обнаружить поперечные трещины, широкие непровары, округлые поры. Метод подходит для работы с металлом толщиной в 0,4-1,2 сантиметра.



Список использованных источников

Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина - М.: Машиностроение, 1976. - 436 с.

Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов - М.: АГАР, 1999. - 182 с.

Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин - М.: Издательский центр «Академия», 2004. - 240 с.

Технология конструкционных материалов / Под редакцией А.Н. Ростовцева - М.: Просвещение, 1980. - 224 с.

Акулов А.И. Технология и оборудование сварки плавлением / А.И. Акулов - М.: Машиностроение, 1977.

Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Под ред. Г.А. Николаева и др. - М.: Машиностроение, 1979.

Размещено на Allbest.ru