Металловедение и обработка металлов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Вопрос № 1. Выберите углеродистую сталь для изготовления напильников. Назначьте режим термической обработки, опишите сущность происходящих превращений, структуру и свойства инструмента после термической обработки

Напильники изготавливаются из высокоуглеродистой инструментальной стали У10--У13. Зная, что напильник изготовлен из инструментальной стали указанных марок, по таблице определяют режим ее термической обработки.

Режим термической обработки инструментальных углеродистых сталей

Из таблицы видно, что сталь У11--У13, из которой сделан напильник, отжигается при температуре 750°С, а затем охлаждается постепенно на воздухе. Отжиг производят в муфельной печи, кузнечном горне или же в топке обычной печи. Отожженная и обработанная инструментальная сталь становится достаточно мягкой: хорошо обрабатывается напильником, пилится и куется. При минимальной твердости она имеет максимальную пластичность и вязкость. Затем металл закаляют нагреванием согласно таблице до 780°С с последующим охлаждением в воде. После закалки сталь становится хрупкой, поэтому ее отпускают: нагревают до 180°С и охлаждают в воде или машинном масле. При отпуске температуру нагрева металла контролируют по так называемым цветам побежалости, которые соответствуют определенной температуре нагрева.

Рис. 1. Схема микроструктуры углеродистых инструментальных сталей

в) Сталь У12 после отжига - перлит зернистый + цементит вторичный

г) СтальУ12 после закалки и низкого отпуска - мартенсит отпуска + цементит вторичный

Доэвтэктоидные и эвтектоидные инструментальные стали в исходном (отожженном) состоянии имеют структуру зернистого перлита В структуре заэвтектоидных сталей дополнительно присутствует вторичный цементит. Стали с такой структурой имеют низкую твердость и хорошо обрабатываются резанием. Температура закалки у доэвтектоидных сталей должна быть выше верхней критической точки

Ас3 (t = Ас3 + 20 - 40) єС,

а у эвтектоидных и заэвтектоидных выше нижней критической точки

Ас1 (t = Ас1 + 20 - 40) єС,

чтобы в результате закалки сталь получила мартенситную структуру. У заэвтэктоидных сталей при этом сохраняется вторичный цементит. Закалку проводят в воде или в водных растворах солей.

После закалки, инструментальные углеродистые стали подвергаются низкому отпуску при 150 - 170єС, снимающего значительную часть закалочных напряжений при сохранении высокой твердости. Формируется структура мартенсит отпуска. У заэвтектоидных инструментальных сталей в структуре дополнительно присутствует вторичный цементит.

Поскольку углеродистые стали обладают низкой прокаливаемостью, из них изготовляют в основном инструмент небольшой толщины (напильники, ножовочные полотна, хирургический инструмент).

Вопрос №2. В результате термической обработки пружины должны получить высокую упругость. Для их изготовления выбрана сталь 50ХГФА. Укажите состав, назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие при термической обработке данной стали. Опишите структуру и свойства пружин после термической обработки

Сталь конструкционная рессорно-пружинная 50ХГФА служит для изготовления пружины особо ответственного назначения, рессоры легковых автомобилей.

Химический состав в %

Механические свойства при Т=20oС

Технологические свойства

Сталь 50ХГФА обладает высокой закаливаемостью, прокаливаемостью и хорошей прочностью. Применяется для изготовления крупных деталей, работающих при повышенных температурах (до 300°С), подвергающихся в процессе работы многократным переменам нагрузок и требующих длительного цикла работы.

Для получения оптимальных эксплуатационных свойств рекомендуется выполнять следующую термическую обработку: закалка в масло с температуры 850°С и высокий отпуск при температуре 520°С. Указанная термообработка обеспечивает получение следующих механических свойств (не менее): у-1= 550 МПа; ув=1300 МПа, ут=1200 МПа, д=6%, ш=35%, твердость не более 269 НВ. Структура после закалки - мартенсит, структура после отпуска - троостит.

Легирование стали небольшим количеством ванадия, образующего труднорастворимые в аустените карбиды, измельчает зерно, что понижает порог хладноломкости, повышает работу распространения трещины КСТ и уменьшает чувствительность к концентраторам напряжений. Легирующие элементы повышают устойчивость мартенсита к отпуску и задерживают коагуляцию карбидов. Карбидообразующие элементы (хром, ванадий) сильно измельчают зерно.

Легирование хромом повышает прочностные свойства и уменьшает склонность к хрупкому разрушению. Наличие ванадия в стали увеличивает твердость и износостойкость, повышает теплостойкость.

Вопрос №3. Для деталей, работающих в окислительной атмосфере, применяется сталь 12X13. Укажите состав и определите класс стали по структуре. Объясните назначение хрома в данной стали и обоснуйте выбор марки стали для этих условий работы

углеродистый сталь алюминиевый сплав

Сталь 12Х13 является не только коррозионно-стойкой, но и жаропрочной. Она может использоваться при температурах 500-650°С в нагруженном состоянии. Легированная сталь с большим содержанием хрома (13%).

Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость. Недостатком хромистых сталей с 13% хрома является низкая стойкость против коррозионного растрескивания и точечной коррозии в средах, содержащих ионы хлора.

Химический состав в % (по ГОСТ 5632)

Сталь 12X13 относится к мартенситно-ферритному классу. Обычно сталь применяется в отожженном состоянии (840…900°С, охлаждение со скоростью 15° в час до 600°С и далее на воздухе) или после улучшения. Отпуск в интервале 400…550°С вызывает незначительное снижение ударной вязкости стали.

Для повышения механических свойств и коррозионной стойкости стали подвергаются упрочняющей термической обработке.

Коррозионная стойкость сталей повышается также после шлифования и полирования. Чем больше в хромистых сталях углерода, тем больше выделяется карбидов хрома и тем сильнее снижается коррозионная стойкость. С повышением содержания углерода возрастает также хрупкость сталей. С понижением содержания углерода хромистые стали по структурному признаку переходят из мартенситного класса в мартенситно-ферритный (сталь марки 12X13) и даже чисто ферритный (сталь марки 08Х13) классы.

Стали мартенситно-ферритного класса, содержатся в структуре, кроме мартенсита 10-25 % феррита. Основная легирующая добавка и в этих сталях -- Cr (11-13 %), наряду с которым присутствуют менее значительные присадки Ni, W, Mo, Nb, V (модифицированные хромистые стали). Их термическая обработка заключается либо в закалке с отпуском, либо в нормализации с отпуском. Механические свойства при надлежащей температуре отпуска практически равноценны. Уровень жаропрочных свойств после оптимальной термической обработки для большинства сталей мартенситно-ферритного класса также примерно одинаков.

Из вышеуказанного следует, что марка стали 12Х13 является коррозионно-стойкой в агрессивных средах работы из-за большого содержания хрома в её составе.

Вопрос №4. Для изготовления некоторых деталей двигателей внутреннего сгорания выбран сплав АК4. Расшифруйте состав, укажите способ изготовления деталей из данного сплава и приведите характеристики механических свойств сплава при повышенных температурах

Сплав АК4 относится к системе Al-Cu-Mg-Ni-Fe, является одним из жаропрочных сплавов и вследствие этого в последнее время находит довольно широкое применение в конструкциях работающих при повышенных температурах.

Сплав удовлетворительно деформируется в горячем состоянии, температурный интервал деформации 350-470°C. Сплав интенсивно упрочняется термической обработкой. Путем закалки и искусственного старения горячепрессованных профилей. Предел прочности может быть доведен до 43-45 кг/мм2 и предел текучести до 30-38 кг/мм2. Общая коррозионная стойкость сплава невысока. Поэтому профили из него желательно подвергать анодированию или окраске. Сплав удовлетворительно сваривается.

Химический состав и типичные механические свойства алюминиевого сплава АК4 после закалки и старения.

Химический состав в %

Физические свойства материала АК4.

Термическая обработка: закалка с 525-540°С, охлаждение в воде, искусственное старение при 165-180°С в течение 10-16 ч.

Типичные механические свойства прессованных профилей из сплава АК4 после закалки и искусственного старения.

Сплав АК4 по назначению относятся к группе жаропрочных материалов. По своему химическому и фазовому составу они весьма близки к сплавам типа дуралюмин. Основными упрочняющими фазами при термической обработке этих сплавов, также как и у дуралюминов, служат фазы S и и. Отличие заключается в том, что вместо марганца в качестве легирующих элементов в значительных количествах содержится железо, никель и кремний. Сплавы менее легированы по меди.

При добавке железа к сплаву 2%Al; 1,6%Mg прочностные свойства резко снижаются, железо образует с медью нерастворимое интерметаллическое соединение Cu2FeAl7, снижающее концентрацию меди в твердом растворе, тем самым уменьшая эффект упрочнения. Аналогичным образом влияют добавки никеля, который образует практически нерастворимую тройную с медью фазу Al6Cu3Ni. Однако при одновременном введении железа (до 2,5 %) и никеля (1,6 %) наблюдается резкое повышение прочностных свойств в закаленном и состаренном состоянии, при этом максимальные значения достигаются при содержании железа 1,6%.

При других концентрациях железа и никеля максимальные значения прочностных свойств, обнаруживаются при соотношении железа и никеля, равном примерно 1:1. Железо и никель образуют тройное соединение FeNiAl9, которое уменьшает возможность образования нерастворимых соединений AlCuFe и AlCuNi, что увеличивает концентрацию меди в твердом растворе. С увеличением содержания фазы FeNiAl9 в сплаве повышается эффект термической обработки. Фаза FeNiAl9 улучшает обычные характеристики механических свойств и жаропрочность сплава.

Вопрос №5. Физические основы сварки пластмасс. Опишите методы сварки непосредственным нагревом

Процесс сварки пластмасс состоит в образовании соединения за счет контакта активированных нагревом соединяемых поверхностей.

Последовательность операций сварки может быть различной:

- свариваемые материалы сначала приводят в плотный контакт, а затем происходит активация соединяемых поверхностей;

- соединяемые поверхности сначала подвергают активации, а затем обеспечивают их контакт;

- контактирование и активацию соединяемых поверхностей осуществляют одновременно;

При сварке пластмасс, так же как и при сварке металлов, в сварочной зоне протекают следующие процессы:

- подвод и преобразование энергии, обеспечивающей активацию соединяемых поверхностей;

- взаимодействие активированных поверхностей при их контакте;

- формирование структуры материала в зоне контакта;

Активация свариваемых поверхностей может достигаться за счет:

- контакта их с теплоносителями - нагретыми инструментами, газами, либо присадочными материалами;

- поглощения и преобразования высокочастотных электрических или механических колебаний, механической энергии трения или лучистой энергии;

В конечном счете, активация независимо от способа ее осуществления состоит в нагреве свариваемых поверхностей и проявляется в повышении энергии теплового движения макромолекул. Вблизи температуры стеклования возникает возможность движения только отдельных сегментов макромолекул и сварка здесь невозможна. При температурах, близких к Тт, макромолекулы могут уже перемешаться друг относительно друга, и здесь уже возможна сварка.

Следующая стадия процесса сварки - взаимодействие активированных поверхностей при контакте друг с другом, наиболее ответственна за свойства образовавшегося соединения, так как только при реализации взаимодействия между макромолекулами полимера возможно получение соединения, близкого по свойствам к основному материалу. Сущность процесса сварки состоит в сближении макромолекул активированных поверхностей на такие расстояния, чтобы между ними образовались силы межмолекулярного взаимодействия.

Процесс сварки пластмасс может происходить только при определенных условиях:

1. Повышенная температура. Величина ее должна достигать температуры вязкотекучего состояния Тт, но быть не более температуры деструкции термопласта Тр, то есть Тт < Тсв < Тр.

2. Плотный контакт активированных свариваемых поверхностей.

3. Оптимальное время сварки - время выдержки при Тсв, время выдержки при давлении, время охлаждения.

Снижение температуры сварки в область высокоэластического состояния не может обеспечить стабильного качества сварного шва, так как при этом не обеспечивается достаточная подвижность макромолекул, и поэтому в шве могут появиться многие дефекты: непровары, поры и другие. Кроме того, как показано выше, при Тс < Тсв< Тт деформации пластмасс обратимы, а отсюда прочность соединения со временем может понизиться. Следует иметь в виду, что температурный коэффициент линейного расширения пластмасс в несколько раз больше, чем у металлов, а отсюда в процессе сварки и охлаждения в пластмассах возникают остаточные напряжения и деформации, которые снижают, порой значительно, прочность сварных соединений пластмасс.

На прочность сварных соединений пластмасс большое влияние оказывают: химический состав пластмассы, ориентация макромолекул, температура окружающей среды и другие факторы. Как и при сварке металлов, при сварке пластмасс следует стремиться к тому, чтобы материал сварного шва и околошовной зоны по механическим и физическим свойствам был максимально приближен к соответствующим свойствам основного материала.

Сварка пластмасс плавлением, как и другие методы их переработки, основана на переводе полимера сначала в высокоэластическое, а затем в вязкотекучее состояние и возможна лишь в том случае, если свариваемые поверхности материалов (или деталей) могут быть переведены в состояние вязкого расплава. При этом переход полимера в вязко-текучее состояние не должен сопровождаться разложением материала термодеструкцией.

Температурный интервал вязко-текучего состояния (разница между температурами Тр и Тт) должен быть достаточно широким, так как незначительные отклонения от оптимального режима сварки пластмасс с малым интервалом между этими температурами могут привести к дефектам сварки (если Тсв будет меньше Тг), либо в виде деструкции, если Тсвбудет больше Тр. Переход полимера в вязко-текучее состояние не должен вызывать также существенного изменения формы макромолекул и их относительного расположения, то есть ориентации, которая обеспечивает прочность материала, а, следовательно, и прочность сварного шва.

Особенность течения в полимерах состоит в том, что длинные гибкие цепные молекулы полимера не могут перемешаться как единое целое. Деформация вязкого течения осуществляется путем перемещения только отдельных сегментов макромолекул, которые тем легче переходят в соседнее положение, чем больше запас тепловой энергии, то есть чем выше температура и чем слабее они связаны с соседними сегментами своей макромолекулы и с сегментами соседних макромолекул.

Контактно-тепловая сварка пластмасс.

При контактно-тепловой сварке термопластов образование соединения происходит за счет нагрева соединяемых поверхностей нагревательным инструментом и приложения давления. Существует два основных способа контактно-тепловой сварки: сварка оплавлением и проплавлением.

При сварке оплавлением нагреватель плотно прилегает непосредственно к поверхностям, подлежащим сварке, и оплавляет их. Затем нагревательный элемент удаляют из зоны сварки, детали соединяют, прикладывают давление и выдерживают некоторое время до остывания сварного шва.

Основные параметры контактной сварки оплавлением: температура сварки; время нагрева (оплавления); величина давления при нагреве и осадке; время осадки и выдержки под давлением; величина и скорость осадки; глубина проплавления. Температура нагрева при сварке с помощью сварочных аппаратов стыковой сварки и последующее охлаждение определяются кинетикой тепловых процессов, структурными превращениями в шве и околошовной зоне. При этом не должно происходить разложение полимера. Температуру нагревательного элемента обычно устанавливают на 100-120 0С выше температуры плавления термопласта. Величина давления и скорость осадки при сварке должны обеспечить удаление прослоек (газовая и окисленный слой).

Прочность сварных соединений увеличивается с повышением длительности сварки и температуры торцов оплавляемых деталей только до определенного предела, до температуры активного разложения полимера. С увеличением давления при осадке прочность сварных соединений возрастает. Прочность по сечению шва имеет максимальное значение в середине стыка. Это объясняется течением расплава в процессе формирования и остывания шва. Течение расплава особенно интенсивно в периферийной зоне. Прочность изделий из пластмасс определяется также конструкцией соединения.

Типы сварных соединений, выполняемые контактно-тепловой сваркой оплавлением

Оплавление кромок фигурным нагревателем приводит к повышению прочности сварного соединения за счет увеличения поверхности соединения. Для интенсификации разрушения поверхностных пленок и перемешивания расплава в начальной стадии осадки рекомендуется одной из свариваемых деталей сообщать осевые или поперечные колебания частотой 1,5-2 Гц с амплитудой 1-3 мм или УЗ колебания. Сварку оплавлением применяют для соединения листов, сварки пластиковых труб, пластин и блоков с подготовкой кромок механической резкой.

Разновидностью контактной сварки оплавлением является метод сварки закладными нагревателями. Этот метод наиболее широко используется для соединения труб, трубных элементов, блоков. При этом в зону контакта между свариваемыми поверхностями, при сборке закладывают электрический нагреватель сопротивления (металлическая спираль). После сборки и плотного сжатия, снаружи к спирали подводится электрический ток.

При сварке трубопроводов используют соединительные детали в виде муфт, в которых при отливке размещают нагревательные элементы. Долговечность сварных соединений при этом методе сварки приближается к долговечности материала труб.

При контактной сварке проплавлением нагревательный элемент контактирует с внешними поверхностями деталей, и теплота передается к свариваемым поверхностям за счет теплопроводности сквозь их толщу. Нагрев деталей осуществляется с одной или двух сторон. Двусторонний нагрев материала облегчает условия сварки, позволяет быстрее нагреть материал до требуемой температуры. Можно соединять изделие по всей длине или проводить шаговую сварку. Для получения непрерывных швов использую роликовые и ленточные аппараты.

В зависимости от свойств свариваемого материала, толщины прокладок, температуры инструмента продолжительность сварки составляет 3-5 с. Для предупреждения коробления детали охлаждают под давлением.

Контактно-тепловой сваркой проплавлением соединяют листы и пленки толщиной до 2-3 мм в нахлестку. Изменяя величину нахлестки можно изменять прочность сварного шва в широких пределах.

Конструкция сварных соединений пленок: а - нахлесточное; б, в - с накладками

Различают сварку в длительном (статическом) режиме, (время сварки может быть продолжительным) и термоимпульсную (быстрый нагрев импульсом тока).

Размещено на Allbest.ru