Размещено на http://www.allbest.ru/

Задание 1. Какие фазы образуются при изменении состава и температуры железо - углеродистых сплавов в соответствии с диаграммой «железо-углерод»

Металлические сплавы -- это сложные по составу вещества на основе металлов, сохраняющие их основные свойства: высокую электро - и теплопроводность, литейные свойства, ковкость и др. Сплав может быть в жидком и твердом состоянии. В жидком состоянии существует только одна жидкая фаза, а в твердом у сплавов может быть несколько фаз в виде твердых растворов, химических соединений и механических смесей.

Твердые растворы состоят из двух и более компонентов, в которых атомы растворимого компонента располагаются в кристаллической решетке основного компонента, замещая его атомы, либо внедряясь в кристаллическую решетку.

Химические соединения могут быть в виде металлов с неметаллами (Fe3C) или металлов с металлами (CuAl2, CuNi). Они обладают конкретными физико - механическими свойствами. Например, цементит (Fe3C) имеет высокую твердость, повышенную хрупкость и низкую электропроводность.

железо сплав машина электрофизический

Механические смеси состоят из нескольких компонентов, которые при затвердевании (кристаллизации) не взаимодействуют друг с другом. Каждая из фаз сохраняет свою кристаллическую решетку. Например, у сталей могут одновременно быть смеси феррита и аустенита, или перлита и цементита. Диаграммы состояния строятся на основе кривых нагрева и охлаждения. Рассмотрим сплав (рис. 1) медь - никель (Cu -- Ni). Атомы Cu и Ni могут соединяться в любых пропорциях (0…100%), образуя твердый раствор, при этом атомы Ni могут замещать в кристаллической решетке Cu все атомы. По горизонтальной оси откладывается содержание компонентов в твердом растворе, а по вертикальной - температура. Точка 1083 ° C показывает температуру плавления меди, а точка 1452 ° C -никеля. Нижняя линия (солидус) - то граница твердого раствора. Ниже ее оба металла и смесь находятся в твердом состоянии (в кристаллическом виде). Выше верхней линии (ликвидуса) располагается область жидкого раствора обоих этих металлов и сплавов. В чечевице, очерченной нижней и верхней линиями, лежит область смеси кристаллов и более тугоплавкового металла с капельками более легкоплавкого.

В правой части рисунка 1 находятся кривые нагрева и охлаждения смеси (в данном случае представлена 50 % смесь) этих металлов. На основании таких кривых, полученных для различных смесей в интервале 0…100% и построена диаграмма состояний. На кривых нагрева и охлаждения видны горизонтальные линии: при разрушении кристаллов тепло подводится, но повышения температуры нет, т.к. это тепло расходуется на разрушение кристаллов; при кристаллизации, наоборот, выделяется тепло, поэтому температура сплава по времени не снижается.

Для компонентов (пример для смеси свинец -с урьма), неограниченно растворимых в жидком состоянии и совершенно нерастворимых в твердом состоянии, с образованием механической смеси (эвтектики), диаграмма представлена на рис. 2.

На первом участке диаграммы ниже линии температур 327…243 ° C кристаллизуется свинец, а далее на участке температур 243…631 ° C -- сурьма. В точке С кристаллизуется свинец и сурьма, и жидкость без промежуточных фаз переходит в твердое состояние. Эта смесь называется эвтектикой. До нее будет доэвтектический сплав (Р b + Э), а после заэвтектический сплав (Sb + Э). В точке С самая низкая температура плавления (243 ° C) сплава.

Имеется связь характера диаграмм состояний со свойствами (электропроводность, твердость, прочность и т. д.). Так для первой группы сплавов -твердых растворов, с ростом концентрации компонента (например, Ni на рис. 1) механические свойства (твердость., прочность) увеличиваются, а для второй группы (рис. 2) имеется точка экстремума, т. е. сначала механические характеристики повышаются, а далее снижаются.

Структурные составляющие железо - углеродистых сплавов представлены в виде твердых растворов (рис. 3) (феррит и аустенит), химического соединения (цементит) и механических смесей (перлит, ледобурит)

Феррит это твердый раствор внедрение углерода в a --ж елезо. Он очень мягкий и пластичный, хорошо проводит тепло и электричество, сильно магнитен. Углерода в нем очень мало (около 0,002 %). В микроструктурах металла цементит имеет белый цвет. Углерод замещает центральный атом объемно - центрированной кубической решетки (a -- железо) или вакансии кристаллической решетки.

Фазовые превращения (рис. 4) происходят по мере изменения температуры. При нагреве до 768° С a -- железо теряет свои магнитные свойства, но кристаллическая решетка не меняется.

При 898° С - эта решетка превращается в гранецентрированную кубическую решетку, называемую g -- железом. Аустенит это твердый раствор внедрения углерода в y -железо. Он не магнитен, сравнительно мягкий, углерода содержится в нем максимально до 2 %.

При 1401° С g -- железо превращается в s -- железо с объемно -- центрированной решеткой, существующей до температуры плавления железа (1539 ° С).

Цементит -- это химическое соединение (карбид железа Fe3C), содержащее 6,67 % углерода и имеющее высокую твердость и хрупкость, плохо проводящее электрический ток и тепло. Цементная сетка является светлой на микроструктурах сплава. Цементит является неустойчивым химическим соединением и при высоких температурах происходит его распад на железо и углерод:

Fe3 C ® Fe + C.

Ледебурит--это механическая смесь (эвтектика), состоящая из аустенита и цементита и содержащая 4,3 % углерода, образуется при температурах ниже 1147° С , имеет высокую твердость и хрупкость.

Перлит - механическая смесь (эвтектоид), состоящая из тонких пластинок или зерен цементита и феррита, образуется в результате распада аустенита при температурах ниже 727 ° С. Углерода в перлите 0,8 %.

На основе кривых (рис. 4) охлаждения и нагрева сплавов Fe-C строится диаграмма состояний (рис.5) системы железо-углерод. На ней имеются линии: ликвидуса - АСД; солидуса - AECF. Выше линии ликвидуса металл находится в жидком состоянии, а ниже линии солидуса - в твердом (кристаллическом) состоянии. Остальные линии отражают превращения в сплавах, происходящие после затвердевания. Ниже линии солидуса, при дальнейшем снижении температуры происходят структурные изменения, т.е. перекристаллизация уже в твердом состоянии (вторичная кристаллизация).

В точке S аустенит распадается на твердую однородную смесь кристаллов феррита и цемента -- перлит. Сплав в точке S -- эвтектоидный, при содержании углерода меньше 0,8% доэвтектоидный, а более 0,8% -- заэвтектоидный. После 0,8% происходит распад аустенита с выпаданием из него вторичного цементита.

Точка А -это температура плавления чистого железа Fe, а точка Д -- температура плавления цементита Fe3C. Точка Е (2,14 % С) делит сплав на две группы: стали и чугуны. Левее точки Е будут стали, а правее - чугуны.

Температура плавления стали с увеличением количества углерода С в ней снижается, а чугунов после 4,3 % -- увеличивается.

Сразу после затвердевания структура сталей состоит из аустенита, а чугунов из смесей: аустенит + ледебурит; цементит + ледебурит.

При охлаждении доэвтектоидных сталей (С < 0,8%, т.е. левее точки S) аустенит распадается, из него выделяется феррит.

В эвтектоидной точке С будет механическая смесь кристаллов аустенита и цементита -- ледебурит. Правее точки С выделяется цементит. Сплавы чугунов левее точки С -- доэвтектоидные, правее -- заэвтектоидные.

Белые чугуны (белый оттенок на изломе). с остоят из ледебурита и цементита Они твердые, хрупкие, трудно механически обрабатываются. Используются для передела в сталь.

Если углерод в сплаве находится в свободном состоянии, т.е. в виде графита, то это серые чугуны.

Диаграмма железо -- углерод имеет большое практическое значение для инженеров. По ней можно определить температуру плавления и затвердевания сталей и чугунов, интервалы температур при обработке сталей давлением (ковка, штамповка) и термической обработке (закалка, отпуск), т.е. она нужна металлургу, кузнецу и термисту.

Задание 2. Электрофизические методы обработки деталей машин. Оборудование и инструмент, применяемые при обработке. Преимущества и недостатки

С развитием таких ведущих отраслей техники, как электронная, авиационная, приборостроительная, увеличилась потребность в высокопрочных сталях и сплавах, очень хрупких и твердых материалах типа германия, ферритов, кварца, рубина, алмаза. Обрабатывать такие материалы механическими методами (резцом, сверлом, фрезой; см. Металлорежущие станки и инструмент), чрезвычайно трудно. Кроме того, в современных конструкциях машин и приборов появились детали, имеющие фасонные прорези, иногда сверхмалых размеров и в труднодоступных местах. Обработать их обычными методами вообще невозможно.

Во всех этих случаях на помощь традиционным механическим методам обработки приходят новые методы: электрофизические (электроэрозионные, ультразвуковые, лучевые) и электрохимические. В чем же сущность этих новых методов обработки?

Электроэрозионная обработка. Все знают, какое разрушительное действие может произвести атмосферный электрический разряд -- молния. Но не каждому известно, что уменьшенные до малых размеров электрические разряды с успехом используются в промышленности. Они помогают создавать из металлических заготовок сложнейшие детали машин и аппаратов.

Температура в месте воздействия этих электрических разрядов достигает 5000--10 000° С. Ни один из известных металлов и сплавов не может противостоять таким температурам: они мгновенно плавятся и испаряются. Электрические разряды как бы «разъедают» металл.

Поэтому и сам способ обработки получил название электроэрозионного (от латинского слова «эрозия» -- «разъедание»).

Каждый из возникающих разрядов удаляет маленькую частичку металла, и инструмент, например мягкая латунная проволочка, постепенно погружается в заготовку, копируя в ней свою форму. Разряды возникают прежде всего там, где расстояние между инструментом и заготовкой минимально. Именно в этом месте расплавляется и испаряется металл заготовки.

Разряды между заготовкой и инструментом в электроэрозионных станках следуют один за другим с частотой от 50 до сотен тысяч в 1 с, в зависимости от того, какую скорость обработки и Шероховатость поверхности мы хотим получить. Чем чаще разряды и чем меньше их мощность, тем меньше шероховатость поверхности, но скорость обработки при этом уменьшается.

Электроэрозионный станок обычно имеет устройства для перемещения инструмента в нужном направлении и источник электрического питания, возбуждающий разряды. Автоматическая система следит за размером промежутка между обрабатываемой заготовкой и инструментом.

Инструментом может служить проволочка, стержень, диск. Так, используя инструмент в виде стержня сложной объемной формы, получают как бы оттиск его в обрабатываемой заготовке. Вращающимся диском прожигают узкие щели и режут прочные металлы.

При некоторых видах электроэрозионной обработки инструмент почти не изнашивается. Для сравнения скажем, что в некоторых случаях при механических методах стоимость инструмента достигает 50% стоимости обработки.

Ультразвуковая обработка. Еще сравнительно недавно никто не мог и предположить, что звуком станут не только измерять глубину моря, но и сваривать металл, сверлить стекло и дубить кожи (см. Акустика, акустическая техника).

Если говорить точнее, не звук, а ультразвук оказался тем мастером-универсалом, который нашел такое широкое применение во многих областях человеческой деятельности: в промышленности, медицине (см. Медицинская техника), в быту. Сравнительно просто можно получить от искусственных источников ультразвук интенсивностью в несколько сотен Вт/см2, т. е. в 1012 раз больше допустимой для слуха интенсивности звука, но этот ультразвук совершенно безвреден для человека.

Здесь мы расскажем только об ультразвуковых колебаниях, используемых в станках для обработки хрупких и твердых материалов. Как же устроены и работают такие станки?

Сердце станка -- преобразователь энергии высокочастотных колебаний электрического тока. Ток поступает на обмотку преобразователя от электронного генератора и превращается в энергию механических (ультразвуковых) колебаний той же частоты. К преобразователю присоединен специальный волновод, который, увеличивая амплитуду колебаний, передает инструменту колебания такой формы, какой хотят иметь отверстие. Инструмент прижимают к материалу, в котором надо получить отверстие, а к месту обработки подводят зерна абразива размером меньше 100 мкм, смешанные с водой. Эти зерна попадают между инструментом и материалом, и инструмент, как отбойный молоток, вбивает их в материал. Если материал хрупкий, то зерна абразива откалывают от него микрочастицы размером 1--5 мкм. Казалось бы, немного! Но частиц абразива под инструментом сотни, и инструмент наносит 20 000 ударов в 1 с, поэтому процесс обработки проходит достаточно быстро, и отверстие диаметром 20--30 мм в стекле толщиной 10--15 мм можно сделать за 1 мин.

Светолучевая обработка. Чтобы с помощью линзы сфокусировать свет в очень малое пятно и получить при этом большую удельную мощность, он должен обладать трем» свойствами: быть монохроматичным, т. е. одноцветным, распространяться параллельно (иметь малую расходимость светового потока) и быть достаточно интенсивным. Ни один из обычных источников света не обладает этими тремя свойствами.

В 1960 г. был создан источник света, обладающий всеми необходимыми свойствами,-- лазер, или квантовый генератор оптического излучения. С его помощью мы получаем усиленный монохроматический луч. На рисунке показан светолучевой станок с лазером из искусственного рубина, полученного из оксида алюминия, в котором небольшое число атомов алюминия замещено атомами хрома.

В качестве внешнего источника энергии применяется импульсная лампа 1, подобная той, что используют для вспышки при фотографировании, но значительно более мощная. Источником питания лампы служит конденсатор 2. При излучении лампы ионы хрома, находящиеся в рубине 3, поглощают кванты света с длинами волн, которые соответствуют зеленой и синей частям видимого спектра, и переходят в возбужденное состояние. Лавинообразный возврат в основное состояние достигается, с помощью параллельных зеркал 4. Выделившиеся кванты света, соответствующие красной части спектра, многократно отражаются в зеркалах и, проходя через рубин, ускоряют возврат всех возбужденных электронов в основное состояние. Одно из зеркал делается полупрозрачным, и через него луч выводится наружу. Этот луч имеет очень малый угол расхождения, так как состоит из квантов света, многократно отраженных и не испытавших существенного отклонения от оси квантового генератора.

Такой мощный монохроматический луч с малой степенью расходимости фокусируется линзой 5 на обрабатываемую поверхность и дает чрезвычайно маленькое пятно (диаметром до 5--10 мкм). Благодаря этому достигается колоссальная удельная мощность, порядка 108--1010 Вт/см2. Такой удельной мощности достаточно, чтобы в зоне фокусного пятна в тысячные доли секунды испарить даже такой тугоплавкий металл, как вольфрам, и прожечь в нем отверстие.

Лазер не только производит обработку микроотверстий. Уже созданы и успешно работают светолучевые установки для резания изделий из стекла и металла, для сварки как миниатюрных деталей и полупроводниковых приборов, так и крупногабаритных деталей в машиностроении.

Электроннолучевая обработка. Обработка материалов (сварка, резание и т.п.) пучком электронов -- совсем новая область техники. Она родилась в 50-х гг. XX в. В современной технике, приходится иметь дело с очень твердыми или очень хрупкими труднообрабатываемыми материалами. В электронной летающие с подогретого катода, остро фокусируются и ускоряются специальными электростатическими и магнитными устройствами. Благодаря им электронный луч может быть сфокусирован на площадке диаметром менее 1 мкм. Обработка ведется в высоком вакууме. Это необходимо, чтобы создать для электронов условия свободного, без помех, пробега от катода до заготовки.

Обрабатываемое изделие устанавливается на столе, который может двигаться по горизонтали и вертикали. Луч благодаря специальному отклоняющему устройству также может перемещаться на небольшие расстояния (3--5. мм). Когда отклоняющее устройство отключено и стол неподвижен, электронный луч может просверлить в изделии отверстие диаметром 5--10 мкм. Если включить отклоняющее устройство (оставив стол неподвижным), то луч, перемещаясь, будет действовать как фреза и сможет прожигать небольшие пазы различной конфигурации. Когда же нужно «отфрезеровать» более длинные пазы, то перемещают стол, оставляя луч неподвижным.

Оказалось, что электронный луч, так же как и лазерный, обладает заманчивыми для технологии свойствами. Попадая на обрабатываемый материал, он в месте воздействия нагревает его до 6000° С (температура поверхности Солнца) и почти мгновенно испаряет, образовав в материале отверстие или углубление. Современная техника позволяет регулировать плотность излучения электронов, а следовательно, и температуру нагрева металла. Чрезвычайно ценно также, что действие электронного луча не сопровождается ударными нагрузками на изделие. Особенно это важно при обработке хрупких материалов, таких, как стекло, кварц.

Размещено на Allbest.ru