Курсовая работа по материаловедению

Если у вас нету времени на курсовою работу по материаловедению вы всегда можете попросить меня, вам нужно написать мне, и я вам помогу онлайн или в срок 1-3 дня всё зависит что там у вас за работа, вдруг она огромная! Чуть ниже размещён теоретический и практический материал, который вам поможет сделать работу если у вас много свободного времени и желания!

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

Заказать работу по материаловедению помощь в учёбе

 

Основы термической обработки и поверхностного упрочнения сплавов

Общие положения и определения

Основные предпосылки для получения необходимого комплекса механических и других свойств у конструкционных сплавов закладываются при их разработке и выплавке.

Реализация же требуемых свойств осуществляется на последующих этапах обработки, преследующих цель придать сплаву не только предусмотренные чертежом форму и размеры, но и рациональное внутреннее строение, под которым следует понимать структурно-фазовый состав и дислокационную структуру, от которых непосредственно зависит комплекс требуемых свойств. Важнейшими этапами обработки сплавов являются термическая обработка и поверхностное упрочнение. Термической обработкой обеспечивается заданный уровень свойств во всем объеме детали, а поверхностным упрочнением — только в определенных наиболее нагруженных и сильно изнашиваемых местах на поверхности детали.

Под термической обработкой понимают комплекс операций нагрева и охлаждения сплава, осуществляемых по определенному режиму с целью изменения его строения и получения заданных свойств. Основу термической обработки составляет изменение структурно-фазового состава и дислокационной структуры сплава, которое может быть достигнуто путем использования таких ключевых факторов, как наличие в нем аллотропических превращений или зависящей от температуры ограниченной взаимной растворимости компонентов.

Все существующие виды термообработки, имеющие целью существенно изменить фазовую и дислокационную структуру сплавов и получить оптимальный комплекс эксплуатационных свойств, основаны на использовании одного из упомянутых факторов. При их отсутствии термообработкой можно получить лишь весьма ограниченные результаты.

В данной главе рассматриваются две наиболее распространенные разновидности термической обработки. Одна из них основана на использовании специфики превращений в сплавах, обусловленной наличием в них аллотропических превращений, а другая базируется на переменной растворимости компонентов друг в друге при нагреве и охлаждении. В обоих случаях фундаментальной основой технологии термической обработки, гарантирующей получение ожидаемых результатов, является ее режим. Он включает в себя следующие элементы: температуру нагрева, скорость нагрева до заданной температуры, время выдержки при этой температуре и скорость охлаждения.

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

Решение задач по материаловедению с примерами онлайн

 

Конкретные величины, характеризующие каждый из элементов режима термообработки, зависят от химического состава обрабатываемого сплава, размера детали и целевого назначения выполняемого вида термообработки. Варьируя эти величины, можно существенно изменять фазовую и дислокационную структуры сплава и придавать ему заданные свойства.

От температуры нагрева зависят характер происходящих в сплаве превращений и сама возможность получения после термообработки требуемой структуры. Она выбирается в зависимости от химического состава сплава и цели производимой термообработки.

Скорость нагрева выбирается таким образом, чтобы обеспечить минимальные потери времени на нагрев, и в то же время ее величина должна исключить возникновение в обрабатываемой детали опасных термических напряжений, могущих привести к короблению и растрескиванию детали, что наблюдается при слишком быстром нагреве.

Скорость нагрева зависит от теплопроводности обрабатываемого сплава, которая, в свою очередь, определяется его химическим составом. С усложнением состава теплопроводность ухудшается. Поэтому нагрев неблагоприятных по составу сплавов до определенных температур осуществляется очень медленно, а затем ускоренно. (По достижении сплавом определенной температуры и возросшей пластичности возникающие в нем даже очень высокие термические напряжения не могут вызвать изменений, заканчивающихся искривлением формы детали или растрескиванием.)

Время выдержки детали по достижении заданной температуры должно быть достаточным для ее прогрева от поверхности до сердцевины в наибольшем сечении, а также для полного завершения в сплаве тех, имеющих диффузионный характер структурно-фазовых превращений, которые должны происходить в нем при заданной температуре.

Скорость охлаждения при термической обработке является очень важным элементом режима, от которого зависят особенности приобретаемой сплавом фазовой и дислокационной структуры. Она должна быть достаточной для протекания в сплаве необходимых превращений, но не слишком большой во избежание опасных термических и фазовых напряжений, могущих вызвать растрескивание или деформацию (коробление) детали.

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

Контрольная работа по материаловедению заказать

 

Термическая обработка стали

Термическая обработка стали является наиболее характерным и хорошо изученным процессом, базирующимся на наличии в ней аллотропических превращений, происходящих при нагреве и охлаждении в области определенных критических температур. Управляемые структурно-фазовые процессы в стали, которые обеспечивают получение требуемой фазовой и дислокационной структуры, происходят вследствие наличия аллотропии. Рассмотрим важнейшие из этих процессов.

Превращения в стали при равновесном нагреве и охлаждении

На диаграмме состояний железо—углерод стали занимают область до 2,14% С (см. рис. 4.1). Для того чтобы при термообработке стали реализовать возможности, предоставляемые аллотропическими превращениями, ее следует нагревать до температур, при которых происходят эти превращения и обусловленные ими очень важные структурно-фазовые изменения.

Сталь нагревают в специальных термических печах с пламенным или электрическим обогревом. Первое превращение стали происходит при температуре около 727 °С (см. рис. 4.1, изотерма PSK). Оно состоит в превращении феррито-цементитной смеси (перлит) в аустенит, являющийся твердым раствором внедрения углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe, содержащий при этой температуре 0,8% С независимо от количества последнего в обрабатываемой стали.

Температура превращения перлит—аустенит (П—А) является первой критической точкой (обозначают Aс1). При этой температуре, вследствие аллотропического превращения Курсовая работа по материаловедению-Fe → Курсовая работа по материаловедению-Fe, образуется более равновесная, чем перлит, фаза аустенита, обладающая меньшим запасом свободной энергии. В ней растворяется весь находившийся в перлите углерод.

Напомним, что открытие критических точек в стали, осуществленное в 1868 г. знаменитым русским ученым-металлургом Д. К. Черновым, поставило термическую обработку на научную основу.

Таким образом, при нагреве стали до точки Aс1 после определенной выдержки (необходимой для протекания приводящих к равновесию диффузионных процессов) сталь приобретает равновесный двухфазный состав соответственно: Ф0,02 + П0,8 → Ф0,02 + А0,8 (доэвтектоидная сталь) или П0,8 + Ц6,67 → A0,8 + Ц6,67 (заэвтектоидная сталь).

При этом в феррите содержится около 0,02% С (точка Р), в аустените — 0,8% С (точка S), в цементите — 6,67% С (см. рис. 4.1).

При дальнейшем повышении температуры поддержание равновесия между образовавшимися фазами обеспечивается диффузионными изменениями их химического состава. Так, в доэвтектоидных сталях составы феррита и аустенита изменяются соответственно по линиям PG и SG (т.е. в них фактически происходит растворение Ф в А).

В заэвтектоидных сталях равновесие между аустенитом и цементитом с ростом температуры поддерживается за счет растворения Ц в А, приводящего к обогащению аустенита углеродом (вплоть до 2,14% С в точке Е) и уменьшению количества цементита.

На линиях SG и SE находятся критические температуры, при которых сталь приобретает равновесную однофазную структуру аустенита. Точки, лежащие на линии SG, принято обозначать Ас3, а на линии SE — Асm. При дальнейшем нагреве доэвтектоидных сталей, начиная с температур, равных Ас3 + (30—50) °С, наблюдается заметный рост зерна аустенита, приводящий к снижению прочности термически обработанной стали. В заэвтектоидных сталях это неблагоприятное явление происходит начиная с температур нагрева Ас1 + (30—50) °С.

В связи с изложенным температуры нагрева стали при термической обработке обычно ограничиваются вышеуказанными величинами. (Хотя в интересах сокращения времени на обработку было бы желательно ускорять диффузионные процессы путем нагрева стали до более высоких температур.)

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

Помощь по материаловедению онлайн

 

В соответствии с режимом термообработки после нагрева и выдержки стали при заданной, зависящей от содержания углерода температуре следует процесс охлаждения аустенита. Вначале рассмотрим, какие структурно-фазовые изменения происходят в аустените доэвтектоидной стали при равновесном, т. е. достаточно медленном, охлаждении.

По достижении определенной температуры (точки на линии SG) аустенит начнет распадаться (А → Ф + А) и сталь снова будет состоять из двух фаз (Ф + А). Данный процесс протекает равновесно, если их химический состав изменяется соответственно по линиям PG и SG.

Достигаемая при охлаждении критическая температура, соответствующая началу выпадения феррита-из аустенита, обозначается критической точкой Аr3. Ее величина зависит от содержания углерода в стали.

Когда температура достигнет изотермы PSK, равновесный фазовый состав стали будет представлен ферритом и аустенитом, содержащими соответственно 0,02 и 0,8% С.

При температуре, обозначаемой критической точкой Аr1 аустенит превращается в перлит. Заметим, что феррит и цементит перлита, образующегося при распаде аустенита, имеют форму чередующихся пластинок (см. рис. 5.3, а). Таким образом, при равновесном охлаждении получается исходный равновесный структурно-фазовый состав доэвтектоидной стали: Ф + П.

Аустенит заэвтектоидной стали после равновесного охлаждения превращается в исходную смесь перлита и цементита (П + Ц). При этом начиная с температур, лежащих на линии SE, из него будет выделяться избыточный углерод в виде вторичного цементита, а при температуре Ar1 он по уже знакомой реакции превратится в перлит: A0.8 → Ф0,02 + Ц6,67 (и сталь приобретает свою исходную равновесную заэвтектоидную структуру: П + Ц).

Как уже подчеркивалось ранее, сплав с равновесной структурой имеет такую плотность дислокаций, которая обеспечивает ему минимальный предел текучести (Курсовая работа по материаловедению ≈107 см-2). Получению низкой прочности способствует и то обстоятельство, что при равновесном, т. е. достаточно медленном, охлаждении в доэвтектоидной стали формируются довольно крупные зерна избыточного феррита.

Однако термообработка в большинстве случаев производится с целью получения у стали более высоких показателей прочности. В связи с этим режим обработки должен быть построен таким образом, чтобы получающаяся после ее завершения дислокационная структура характеризовалась более высокой плотностью дислокаций и наличием в ней элементов, затрудняющих процесс пластической деформации (дислокационные стенки, атмосферы Коттрелла, стопоры).

Кроме того, режим термической обработки должен строиться и с учетом возможности управления прочностью за счет регулирования размера зерен структурных составляющих стали.

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

РГР по материаловедению расчетно графическая работа

 

 

Диаграмма изотермических превращений аустенита. Мартенситное превращение

Получающаяся в результате термообработки дислокационная структура стали и ее структурно-фазовый состав зависят в основном от скорости охлаждения аустенита и предопределяются содержанием углерода и легирующих элементов в стали.

С целью уяснения характера влияния скорости охлаждения аустенита на строение и свойства получающихся при его распаде продуктов рассмотрим диаграмму его изотермических превращений, т. е. таких превращений, которые происходят при постоянных температурах, лежащих ниже точки Аr1

Курсовая работа по материаловедению

Рис. 5.1 Диаграмма изотермических превращений аустенита (0,8% С)

Диаграмма изотермических превращений аустенита эвтектоидной стали (0,8% С) имеет простой вид (рис. 5.1). Диаграмма представлена двумя кривыми (их принято называть С-кривыми). Она составлена в координатах время — температура изотермической выдержки. Время откладывается в логарифмической шкале (для укорочения последней, так как отсчет ведется в секундах).

Собственно диаграмма заключена между двумя критическими изотермами, из которых изотерма А1 соответствует равновесному превращению аустенит—перлит, а изотерма Мн— началу так называемого мартенситного превращения, о котором будет сказано позже.

Левая С-кривая является геометрическим местом точек начала превращения (распада) аустенита при соответствующих температурах его изотермической выдержки — н. Время окончания превращения ограничивается правой С-кривой — к.

При построении С-кривых специальные образцы стали нагреваются до аустенитной структуры, а затем охлаждаются в ваннах с температурами в диапазоне А1Мн. При охлаждении с помощью специального прибора — дилатометра — фиксируется время начала и конца распада аустенита.

Весь диапазон температур изотермических превращений можно разбить на две части, существенно отличающиеся друг от друга по составу и особенностям строения фаз, получающихся при распаде аустенита. Границей между этими частями является температура, соответствующая выступу на С-кривых (примерно 550 °С). Для уяснения характера превращений аустенита в обеих температурных областях необходимо иметь в виду следующие два важных положения.

I. Ниже точки А1 (Аr1) ГЦК решетка аустенита обязательно должна бездиффузионно перестроиться в ОЦК решетку феррита, способную растворить намного меньшее количество углерода. Оказавшийся «лишним» углерод должен диффузионно выйти из ОЦК решетки и образовать карбиды железа.

Таким образом, интенсивность распада аустенита и характер образующихся при этом продуктов должны зависеть от уровня температуры, определяющей скорость диффузии углерода.

II. Основной причиной аллотропического превращения является стремление сплава обладать минимумом свободной энергии, следовательно, чем ниже температура переохлажденного аустенита при изотермическом превращении, тем сильнее окажется его склонность к распаду.
Рассмотрим характер превращений аустенита в верхней области температур (выше 550 °С). Прежде всего подчеркнем, что в этой области температур диффузионные процессы протекают достаточно эффективно. В связи с этим находившиеся ранее в ГЦК решетке аустенита атомы углерода имеют возможность выходить из бездиффузионно образовавшейся ОЦК решетки, тем самым обеспечивая возможность формирования ферритной фазы с равновесным (т. е. незначительным) содержанием растворенного в ней углерода.

 

Возможно, вас также заинтересует эта ссылка:

Задачи по материаловедению с решением

 

По этой же причине создаются благоприятные условия для образования освобождающимися из раствора атомами углерода пластинок карбидной фазы, приобретающей стабильный состав цементита Fe3C.

В связи с изложенным для всей рассматриваемой температурной области характерна такая реакция распада аустенита (А→ Ф + Ц), которая означает, что он превращается в смесь нормальных (равновесных) по составу двух фаз: Ф + Ц.

Началу распада аустенита предшествует подготовительный, или инкубационный, период (см. рис. 5.1). При снижении температуры его продолжительность уменьшается, что объясняется усилением склонности сплава к переходу в такое состояние, которое обеспечивает ему меньший запас свободной энергии. В связи с этим не только ускоряется процесс, но и уменьшается расстояние между С-кривыми (т. е. сокращается время распада аустенита).

Таким образом, при снижении температуры изотермической выдержки, с одной стороны, ослабляется интенсивность диффузионных процессов при распаде аустенита, а с другой — уменьшается время, в течение которого происходит распад. Оба эти фактора обусловливают уменьшение размера образующихся при распаде аустенита пластинок феррита и цементита (что неминуемо должно отразиться на прочности продуктов распада). Поэтому весь диапазон температур выше выступа С-кривых условно принято делить на три части, в каждой из которых образуются разные по свойствам продукты распада аустенита.

В верхней части образуется наиболее крупнопластинчатая, грубо дисперсная смесь (Ф + Ц), обладающая наименьшей твердостью. Ее называют собственно перлитом (П). Образующийся в средней части сорбит (С) состоит из более мелких пластинок (Ф и Ц). Он более тверд. В нижней части образуется самая мелкопластинчатая, тонкодисперсная смесь, называемая троститом Т, обладающим еще более высокой твердостью.

На рис. 5.2, 5.3 представлены фотографии, на которых виден пластинчато-фазовый состав этих продуктов.

Распад аустенита в области температур ниже выступа происходит при явно недостаточной скорости диффузионных процессов. Это в данной области является доминирующим обстоятельством, предопределяющим характер формирования образующихся при распаде продуктов, называемых бейнитами в честь американского ученого Бейна, впервые исследовавшего изотермические превращения аустенита. Скорость работы механизма формирования новых фаз в этих условиях полностью зависит от интенсивности диффузии. При Мн диффузия прекращается полностью.

Курсовая работа по материаловедению

Рис. 5.2. Фото микроструктур: а - перлита, х7500, б - сорбита, х7500; в - тростита, х1500; г — мартенсита, х250

Сказанное проявляется прежде всего в увеличении продолжительности инкубационного периода и постепенном увеличении расстояния между нижними ветвями С-кривых.

По вышеуказанным причинам образующиеся при изотермическом распаде аустенита в этой области фазы Ф´ и Ц´ должны отличаться от Ф и Ц и создавать структуры, отличающиеся от П, С и Т. С понижением температуры распада твердость бейнита должна возрастать, так как больше углерода остается в пересыщенном Курсовая работа по материаловедению-Fe (Ф´) (см. рис. 5.1).

Чтобы понять происходящие в рассматриваемой области процессы, необходимо исходить из того, что в ней (как и в предыдущей области) без особых трудностей совершается только бездиффузионный процесс перестроения ГЦК решетки в ОЦК, приводящий к образованию пересыщенного раствора углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe (Ф´).

Курсовая работа по материаловедению
Рис. 5.3. Фото строения перлита (а), сорбита (б), тростита (в), х1500

Однако для успешного завершения процесса выхода из раствора атомов углерода и формирования нормальных по составу и строению феррита и цементита необходимы такие же, как в верхней области, диффузионно-температурные условия.

В условиях резкого замедления диффузионных процессов в рассматриваемой области образовавшийся в результате аллотропического превращения пересыщенный твердый раствор углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe не может полностью освободиться от излишнего количества растворенного углерода.

Следовательно, образующаяся при распаде аустенита в данной области фаза на основе Курсовая работа по материаловедению-Fe — Ф´ должна представлять собой пересыщенный твердый раствор углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe, тем более отличающийся по содержанию углерода от феррита, чем ниже температура превращения.

Карбидная фаза Ц´, образующаяся в данной области при выходе углерода из пересыщенного твердого раствора, должна по составу и строению несколько отличаться от цементита. С понижением температуры это отличие должно возрастать, а количество образующейся фазы, естественно, должно уменьшаться, поскольку уменьшается количество высвобождающегося из раствора углерода. Благодаря снижению активности диффузионных процессов состав образующихся карбидов Ц´, по-видимому, должен отличаться от Fe3C и представлять какие-то промежуточные соединения FeхC.

Таким образом, при распаде аустенита в нижней температурной области диаграммы изотермических превращений (см. рис. 5.1) образуется смесь пересыщенного твердого раствора углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe и специфического карбида железа: Ф´ + Ц´, тем более отличающаяся от смеси Ф + Ц, чем ниже температура превращения.

По мнению ряда исследователей, при бейнитном превращении из аустенита предварительно выделяется какое-то количество углерода, в результате чего образуются частицы карбида железа.

Несколько обедненный при этом аустенит затем превращается в пересыщенный твердый раствор углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe — мартенсит М.

Если переохладить аустенит до точки Мн, то начнется так называемое мартенситное превращение, происходящее при непрерывном охлаждении в интервале температур от точки Мн до точки Мк, лежащей ниже 0°С при С Курсовая работа по материаловедению 0,8%. Суть его состоит в том, что в этих условиях происходит только бездиффузионное аллотропическое превращение Курсовая работа по материаловедению-Fe в Курсовая работа по материаловедению-Fe. Что касается растворенных в аустените атомов углерода, то вследствие отсутствия диффузионных процессов они не могут выйти из образовавшейся новой решетки и поэтому остаются в ней, внося в нее существенные изменена и внутренние напряжения.

Важнейшим условием А—М-превращения является непрерывное охлаждение аустенита в интервале от Мн до Мк. При остановках фиксируется нераспавшийся аустенит с неприятными последствиями (снижение твердости, изменение со временем размеров и т. д.).
Образующийся таким образом продукт — мартенсит — представляет собой пересыщенный, а потому неравновесный твердый раствор внедрения углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe. Он имеет игольчатую микроструктуру (см. рис. 5.2, г).

Еще раз подчеркнем, что главной причиной пересыщенности решетки мартенсита углеродом является отсутствие при температурах его образования необходимых по интенсивности диффузионных процессов.

В связи со значительной пересыщенностью элементарная ячейка кристаллической решетки мартенсита оказывается несколько вытянутой по оси oz и из кубической превращается в тетратональную при Курсовая работа по материаловедению (рис. 5.4).

Курсовая работа по материаловедению

Рис. 5.4. Схема трехцентровой ковалентной связи Fe-C-Fe в кристаллической решетке мартенсита

Атомы растворенного в мартенсите углерода размещаются в октаэдрических порах ячеек, как показано на рис. 5.4. Отношение с/а называется степенью тетрагональности мартенсита. Оно тем больше, чем больше углерода растворено в мартенсите.

Согласно современным взглядам об электронном строении кристаллической решетки мартенсита, находящийся в октапоре атом углерода двумя из четырех своих валентных электронов образует ковалентные связи с двумя ближайшими атомами железа (см. рис. 5.4). Остальные же два валентных электрона переходят в электронный газ, образуя металлическую связь между атомами решетки.

Образующиеся в мартенсите трехцентровые ковалентные связи Fe—С—Fe почти на порядок сильнее металлических. К тому же они являются очень жесткими связями, допускающими лишь небольшие упругие деформации, превышение которых влечет полное скачкообразное исчезновение взаимодействия. Эти особенности межатомного взаимодействия в мартенсите, сочетающие металлическую и ковалентную связи в его кристаллической решетке, являются основной причиной, предопределяющей его очень высокую твердость и хрупкость.

Имеются и другие факторы, которые вносят важный вклад в формирование вышеупомянутой специфики свойств мартенсита, в частности высокий уровень остаточных внутренних напряжений и большая плотность дислокаций.

В заключение напомним, что образование пересыщенного твердого раствора углерода в Курсовая работа по материаловедению-Fe происходит и при бейнитном превращении аустенита, начиная с выступа С-кривых.

 

Нормализация

Особенностями режима этого вида термообработки являются температура нагрева (на 30—50° выше линии GSE, см. рис. 5.6) и охлаждение на спокойном воздухе. Эти особенности обусловлены специфическими целями нормализации. Применительно к доэвтектоидным сталям, особенно низкоуглеродистым (0,05—0,25% С), нормализация за более короткое время и при большей простоте режима охлаждения позволяет получить те же результаты, что и при отжиге, т. е. весьма эффективное измельчение зерна у литых и кованых заготовок.

Так как охлаждение на воздухе обеспечивает более высокую степень переохлаждения аустенита, чем при отжиге, то продукты его распада оказываются более дисперсными, а плотность генерируемых дислокаций приближается к 108 см-2. Вследствие этого нормализацией можно получить более благоприятную мелкозернистую структуру стали, обладающую повышенными прочностными свойствами.

В ряде случаев, когда от материала изделия не требуется повышенных прочностных свойств, нормализация заменяет закалку. Особенно это касается деталей из низкоуглеродистой стали, для которых применение закалки исключается из-за очень высокой критической скорости закалки.

При нормализации заэвтектоидных сталей из-за ускоренного выделения из аустенита избыточного (вторичного) цементита (в интервале температур Асm—Аr1) нежелательная цементитная сетка вокруг перлитных зерен не образуется. В связи с этим одной из целей нормализации является разрушение упомянутой сетки у заэвтектоидных сталей.

 

Закалка

Исторически сложившееся понятие «закалка» предполагает такую термообработку, при которой сталь приобретает неравновесную структуру, что прежде всего выражается в повышении твердости стали. В связи с этим к закалке можно отнести термообработку на сорбит, тростит, бейнит и мартенсит. Степень неравновесности продуктов закалки с увеличением скорости охлаждения повышается и возрастает от сорбита к мартенситу.

Закалку на мартенсит принято считать истинной закалкой. Важнейшим преимуществом истинной закалки является возможность получения из мартенсита за счет последующего отпуска продуктов с такими ценными комплексами свойств, которые другими видами термообработки получить невозможно.

В связи с этим истинная закалка по сравнению с другими ее видами получила более широкое применение как предварительная обработка перед следующим за ней отпуском. Режим истинной закалки включает нагрев до температуры на 30—50° выше линии GSK (см. рис. 5.6) и охлаждение со скоростью не ниже критической (Курсовая работа по материаловедению, см. рис. 5.5).

Критическая скорость закалки имеет очень важное значение. От нее зависит такое технологическое свойство стали, как прокаливаемость, т. е. способность закаливаться на определенную глубину. Чем меньше величина Курсовая работа по материаловедению, тем на большую глубину от поверхности детали распространяется закалка (поскольку фактическая скорость охлаждения по мере увеличения расстояния от поверхности уменьшается и на каком-то удалении может оказаться меньше Курсовая работа по материаловедению). Критическая скорость закалки зависит от стабильности аустенита, которая, в свою очередь, определяется количеством растворенных в нем углерода и легирующих элементов.

Таким образом, введением в сталь углерода и легирующих элементов можно повысить прокаливаемость.

Прокаливаемость принято оценивать с помощью специальных цилиндрических образцов по глубине залегания в них полумартенситного слоя при охлаждении торца нагретого образца струей холодной воды. Полумартенситным принято считать слой стали, содержащий 50% М и 50% Т.

Поскольку изменение скорости охлаждения от поверхности в глубь детали зависит от температуры и рода охлаждающей среды, то при оценке прокаливаемости следует учитывать и эти факторы.

Одной из целей легирования конструкционных сталей является уменьшение критической скорости закалки и получение сквозной прокаливаемости изготовленных из них деталей при закалке не только в воде, но и в более мягких охлаждающих средах (масле, теплой воде, на воздухе). От резкости охлаждающей среды зависит уровень термических и фазовых напряжений и вероятность образования трещин в детали или ее коробления. В связи с изложенным при закалке предпочтительны более мягкие закалочные среды.

При закалке режущего инструмента из высокоуглеродистой стали с целью уменьшения внутренних напряжений применяют охлаждение в двух средах. При этом кратковременным в течение нескольких секунд охлаждением в воде обеспечивается переохлаждение аустенита до температуры несколько выше точки Мн. Дальнейшее охлаждение производится в мягкой среде — минеральном масле, вследствие чего мартенситное превращение происходит с меньшим уровнем возникающих внутренних напряжений. Такую закалку принято называть прерывистой или закалкой в двух средах.

Обработка холодом. При закалке в обычных охлаждающих средах в стали наряду с мартенситом сохраняется какое-то количество остаточного аустенита, тем большее, чем ниже точка Мк.

У высокоуглеродистых сталей и особенно у сталей с достаточно высоким содержанием легирующих элементов точка Мк лежит ниже комнатной температуры, а зачастую и ниже 0 °С. В связи с этим при обычной закалке в них сохраняется много остаточного аустенита. Его наличие снижает твердость закаленной стали и ее теплопроводность, что для режущего инструмента является особенно нежелательным.

В течение определенного времени остаточный аустенит претерпевает фазовые превращения, приводящие к изменению размеров изделия. Это крайне недопустимо для мерительного инструмента (скобы, пробки, шаблоны и т. д.).

Учитывая изложенные выше нежелательные явления, связанные с остаточным аустенитом, А. П. Гуляев в 1937 г. предложил обработку холодом. Сущность этой обработки состоит в том, что для устранения остаточного аустенита после обычной закалки изделие помещают в холодильную камеру с температурой, равной или близкой к точке Мк обрабатываемой стали (обычно около -80 °С). При этом продолжается мартенситное превращение, и она приобретает структуру мартенсита с минимальным количеством неизбежно сохраняющегося остаточного аустенита.

Таким образом, суть обработки холодом состоит в продолжении мартенситного превращения в стали после обычной закалки. В результате обработки холодом повышается твердость и стабилизируются размеры изделия, что очень важно для режущего и мерительного инструмента.

 

Отпуск стали

Отпуском называется операция нагрева закаленной стали для уменьшения имеющихся в ней остаточных напряжений и придания ей комплекса механических и других свойств, которые необходимы для долголетней эксплуатации изделия.

Высокотемпературный (высокий) отпуск осуществляется при 500—650 °С. При таких условиях нагрева при усилившихся диффузионных процессах происходит образование более крупных, чем у То, зерен феррита и цементита, сопровождающееся дальнейшим снижением плотности дислокаций (до 108—109 см-2) и практически полным устранением остаточных напряжений.

Получающийся при высоком отпуске продукт распада мартенсита, называемый сорбитом отпуска Со, обладает максимальной для стали вязкостью, сочетающейся с удовлетворительными показателями прочности. Такой комплекс является идеальным для деталей машин, подвергающихся динамическим и циклическим нагрузкам. Благодаря этому преимуществу термическую обработку, сочетающую закалку и высокий отпуск, издавна называют улучшением.

Отпуск при более высоких температурах (близ точки Ас1 нецелесообразен вследствие черезмерного роста зерен цементита, что приводит к образованию структуры зернистого перлита и, как следствие, к значительному снижению прочности и особенно вязкости.

 

1. Каким способом можно восстановить пластичность холоднокатаных медных лент? Назначьте режим термической обработки и опишите физическую сущность происходящих процессов.

С увеличением степени холодной деформации свойства, характеризующие сопротивление деформации повышаются, а способность к пластической деформации уменьшается. Это явление получило название наклепа.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности как первоначальную операцию перед холодной обработкой давлением (для придания материалу наибольшей пластичности), как промежуточный процесс между операциями холодного деформирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выходную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств).

При нагреве наклепанного металла не восстанавливается старое зерно, а появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Происходит образование новых, равноосных зерен вместо ориентированной волокнистой структуры деформированного металла.

Температура отжига для достижения рекристаллизации по всему объему и сокращения времени процесса превышает температуру порога рекристаллизации. Температура нагрева связана с температурой плавления: Тн≈ 0,4 Тпл (для чистых металлов).

Для меди: Тн = 0,4 (1083 + 273) - 273 ≈ 270 °С.

2. Вычертите диаграмму состояния Fe-Fе3C, 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.

Данные по концентрации углерода в сплаве и по температуре:

Курсовая работа по материаловедению

Сплав, содержащий 0,8%С - эвтектоидная сталь.

Кривую охлаждения стали, содержащей 0,8 % С представим на рисунке 1. Опишем процессы, процессы, происходящие при охлаждении сплава. До температуры точки 1 сплав находится в жидком состоянии, происходит охлаждение расплава.

Согласно правилу фаз (С = К- Ф+ 1, К - количество компонентов, Ф - количество фаз):

С = 2 - 1+1=2

При температуре 1 из расплава начинает выделяться Аустенит (А). И до точки 2 сплав находится в состоянии двух фаз - А+Ж.

С2 = 2 - 2 + 1 = 1

В точках от 2 до 3 сплав имеет однофазную Аустенитную (А) структуру.

С = 2 - 1+1=2

В точке 3 происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустенит распадается на Перлит (П) - механическую смесь Феррита и Цементита (А0,8% → П (Ф + ЦII).

СЗ = 2-3 + 1= 0

При комнатной температуре, ниже точки 3 сплав имеет структуру Перлита

С = 2 - 1+1=2

Курсовая работа по материаловедению Рисунок 1. Кривая охлаждения стали 80

Выберем температуру (а) 1450°С в двухфазной зоне (Ж + А) и посредством правила отрезков определим количество данных фаз и содержание в них углерода. Через точку (а) проведем горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы.

Количество Аустенита (QA) определяется как отношение ac/bc* 100: ас=22,46мм bс=35,21мм

Курсовая работа по материаловедению

Количество жидкости (ОЖ) определяется как:

QЖ=100-QA=100-63,8=36,2%

Состав аустенита: (•) b 0,37% С, 99,63% Fe.

Состав жидкости (•) с 1,6% С, 98,4% Fe.

 

 

Особенности применения закалки с газопламенным нагревом. Опишите свойства и получаемую структуру

 

Закалка с газопламенным нагревом применяется в основном для крупных деталей, толщина закаленного слоя - не менее 20 - 40 мм при минимальной твердости HRC55 - 58.

Поверхность детали нагревают газовым пламенем, имеющим температуру 2400 -3150°С. Для нагрева используют одно- и многопламенные горелки. Вследствие подвода большого количества тепла поверхность детали быстро нагревается до температуры выше фазовых превращений. Последующее спрейерное охлаждение обеспечивает закалку поверхностного слоя.

Наибольшее распространение получил нагрев ацетилено-кислородным пламенем (3150°С) и более дешевым и безопасным керосино-кислородным пламенем (2400°С). Горючий газ и кислород могут поступать из баллонов, генераторов, газгольдеров; в горелках газы смешиваются, и при их горении происходит быстрый нагрев поверхности.

Продолжительность нагрева обычно не превышает 10—15 с. За такое короткое время окалинообразования и обезуглероживания практически не происходит, и поэтому закаленная поверхность получается чистой, без следов окисления.

Результаты закалки зависят от правильного выбора и соблюдения технологического процесса. Сюда относятся: температура пламени; скорость перемещения горелки относительно закаливаемой поверхности; расстояние между наконечником горелки и поверхностью детали; расстояние между горелкой и охлаждающим устройством, продолжительность нагрева; интенсивность охлаждения.

Этот способ (как и закалка ТВЧ) обеспечивает меньшее коробление деталей по сравнению с объемной закалкой, более чистую поверхность (без окалины). Процесс легко механизировать и автоматизировать, включать в технологический поток; не требуется сложное, дорогостоящее оборудование. Наиболее целесообразно использовать этот способ при индивидуальном производстве и ремонте, когда закалка ТВЧ нерентабельна, при нагреве поверхностей большой площади; для деталей сложной формы, для которых невозможно изготовить индуктор.

Недостатки закалки с газопламенным нагревом: опасность перегрева, металла вплоть до оплавления поверхностного слоя; отсутствие возможности точно регулировать температуру и толщину закаленного слоя; использование газа требует дополнительных мероприятий по охране труда и технике безопасности.

Несмотря на эти недостатки газопламенная закалка с успехом применяется в некоторых областях техники. Например, газопламенная закалка стальных и чугунных прокатных валков увеличивает срок их службы в 2-3,5 раза и повышает производительность прокатных станов на 20 - 25 %.

4. Для детали задана определенная марка стали. Укажите состав и определите, к какой группе по назначению относится данная сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической или химико-термической обработки.
Исходные данные

Курсовая работа по материаловедению

Х12М - Сталь инструментальная штамповая, содержащая 1%С, 12%Сr, 1% Мо. Обладающая высокой износоустойчивостью, повышенной теплостойкостью, малой деформируемостью при термической обработке.

Высокое содержание хрома приводит к образованию большого количества хромистых карбидов (Сr7С3). Так, в отожженном состоянии присутствует 15 - 17% карбидной фазы М7С3,

Именно большое количество избыточной карбидной фазы (при всех режимах термической обработки) и делает сталь высокоизносоустойчивой. Способность этих карбидов частично переходить в раствор и в тем большей степени, чем выше нагрев под закалку, позволяет, изменяя температуру закалки, изменять свойства стали и ее поведение при термической обработке.

С повышением температуры закалки твердость стали возрастает. Это объясняется тем, что хромистые карбиды плохо растворяются в аустените, и при закалке 850 - 900°С получается недостаточно легированный мартенсит. Наибольшая твердость в стали Х12М получается при закалке с 1075° С. Дальнейшее повышение температуры приводит к снижению твердости вследствие еще большего растворения хромистых карбидов и увеличения количества остаточного аустенита.

Так как отрезной штамп - это инструмент, основным свойством которого является износостойкость, применяется следующий режим термической обработки:

1. Закалка при температуре 1070 ±10°С в масле.

2. Высокий отпуск при температуре 520°С.

Твердость, получаемая в результате операций термической обработки представим в таблице.

Курсовая работа по материаловедению

5. Волокнистые композиционные материалы с металлической матрицей. Строение. Свойства. Применение.

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту или иную композицию, получили название композиционные материалы.

Композиционные материалы с волокнистым наполнителем по механизму армирующего действия делят на дискретные и с непрерывным волокном. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50—100%), модуля упругости, коэффициента жесткости и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Прочность композиционных материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между армирующими элементами. По этой причине прочность и модуль упругости волокон должны быть значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. При этом волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения трещин, зарождающихся в матрице, к практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль и поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления в полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

6. Технология изготовления отливок методом литья по выплавляемым моделям. Приведите примеры деталей автотракторного машиностроения, полученных этим способом.

Сущность состоит в том, что по неразъемной легкоплавкой модели изготавливают неразъемную разовую форму. Модели из этой формы выплавляют, а образовавшуюся полость заливают жидким металлом. При этом способе получаемые отливки настолько точны, что объем механической обработки, уменьшается на 80... 100% ив 1,5...2 раза сокращается расход жидкого металла. Высокая точность и чистота поверхности отливки обеспечиваются: применением неразъемных моделей (модели выплавляют, и не требуется их расталкивать); отсутствием формовочных уклонов; изготовлением стержней в процессе формовки, а не отдельно в стержневых разъемных ящиках; использованием маршалита (кварцевая мука) в качестве наполнителя в формовочной смеси, что обеспечивает получение гладкой поверхности отливки.

Методом литья по выплавляемым моделям изготовляют отливки массой от нескольких граммов до нескольких десятков килограммов (корпуса и детали приборов, лопатки газовых турбин, арматуру, режущий и хирургический инструмент, мелкие автодетали, детали фотоаппаратов, киноаппаратов, швейных и текстильных машин, а также художественное литье). Отливки, полученные этим способом, имеют высокую точность и хорошую чистоту поверхности, позволяющие использовать их без механической обработки.

Литье по выплавляемым моделям применяют при производстве отливок очень сложной конфигурации из любых литейных сплавов, в том числе из высоколегированных сталей, имеющих высокую температуру плавления и трудно поддающихся механической обработке и ковке. Этим способом можно получать отливки массой 0,02... 100 кг, с толщиной стенок до 0,5 мм и отверстиями диаметром до 2 мм.

Технология получения отливок литьем по выплавляемым моделям включает следующие этапы: а) изготовление разъемных пресс-форм; б) получение неразъемных легкоплавких моделей в пресс-формах; в) изготовление неразъемной разовой формы по легкоплавким моделям; г) выплавление моделей из формы; д) обжиг формы; е) заливка формы металлом и выбивка готовых отливок.

Разъемные прссс-формы изготовляют из стали или алюминиевых сплавов. Полость пресс-формы точно повторяет конфигурацию и размеры будущей детали с учетом усадки модельного состава.

Неразъемные легкоплавкие модели получают запрессовкой в пресс-форму модельного состава, нагретого до тестообразного состояния. Для его изготовления широко используют легкоплавкие материалы: парафин, стеарин, воск, церезин, канифоль и др. Легкоплавкая модель в отличие от обычной является точной копией изготовляемой детали: она неразъемна, имеет все внутренние полости, отверстия, резьбу и не имеет стержневых знаков.

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 1 Литье по выплавляемым моделям

На рисунке 1 приведен чертеж отливаемой детали 1 и неразъемной модели, отличающейся от нее наличием питателя 2. Модели питателями «припаивают» к общему легкоплавкому стояку 3, и в результате получают блок моделей. Чтобы изготовить литейную форму, готовый блок моделей окунают в огнеупорную смесь, представляющую собой суспензию маршалита (60...70 %) в гидролизованном этилсиликате (30...40 %). После окунания на моделях, питателях и стояке остается тонкая огнеупорная пленка смеси 4. Эта же смесь заполняет все полости и отверстия в моделях, образуя стержни. Для упрочнения огнеупорной пленки блок моделей посыпают мелким сухим кварцевым песком 5. Прилипая к сырой пленке, песок образует огнеупорный слой, который сушат либо на воздухе, либо помещая блок моделей в аммиачную камеру для ускоренной химической сушки. Когда слой высыхает, операции окунания, посыпания песком и сушки повторяют от 3 до 5 раз. После сушки последнего огнеупорного слоя получают форму в виде многослойной оболочки с заформованными легкоплавкими моделями. Форму помещают в сушильный шкаф и выдерживают при температуре более 100 °С или погружают в горячую воду. Модели и элементы литниковой системы (стояк и питатели) плавятся и вытекают из формы. Для выжигания остатков модельного состава из полости, а также для упрочнения оболочки полученную литейную форму в металлическом ящике 6 засыпают металлической дробью и помещают в термическую печь, где обжигают при температуре 800... 900 °С. Заливку металла производят в горячую форму, что дает возможность получать тонкостенные сложной конфигурации отливки. Выбивку отливок и отделение литников осуществляют на виброустановках.

7. Какие требования предъявляют к конфигурации поковок, изготовляемых ковкой или штамповкой? Сделайте эскизы.

Технологические требования к деталям, получаемым из кованных поковок сводятся главным образом к тому, чтобы форма поковок должна быть наиболее простой, очерченной цилиндрическими поверхностями и плоскостями (рис.1, 1 ...4).

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 1. Правильные и нежелательные формы поковок

В поковках следует избегать конических (рис.1, 5) и клиновых (рис.1, 6) поверхностей, взаимных пересечений цилиндрических поверхностей (рис. 1, 7), а также пересечений цилиндрических поверхностей с призматическими участками деталей (рис. 1, 8). Предпочтительнее назначать односторонние выступы, взамен двухсторонних, особенно для мелких деталей. Следует избегать ребристых сечений, бобышек, выступов и т.п., так как эти элементы в большинстве случаев получить ковкой невозможно. Ребра жесткости в поковках недопустимы. Детали с резкой разницей размеров поперечных сечений или сложной формы следует заменять сочетанием более простых кованых деталей. Детали сложной формы целесообразно выполнять сварными из нескольких поковок или из кованых и литых элементов.

В местах сложной конфигурации приходится прибегать к напускам в целях упрощения конфигурации поковки, что вызывает удорожание детали. Необходимо стремиться, чтобы конфигурация поковки позволяла получить при ковке наиболее благоприятное расположение волокон (рисунок 2).

Ковкой можно переориентировать эти волокна или перепутать их, что будет способствовать получению более прочных деталей из поковок, чем из проката. Примеры приведем на рисунке 2.

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 2. Примеры ориентации волокон

Изготовить болт можно тремя способами (рис. 2, а): 1 — точением из проката диаметром D; 2 — ковкой из проката диаметром D; 3 — осадкой головки из проката диаметром d. Наибольшей прочностью будет обладать болт, изготовленный третьим способом. В шестерне (рис. 2, б), изготовленной из проката резанием, волокна направлены параллельно ее оси. При работе шестерни в зацеплении с зубчатым колесом силы будут направлены поперек волокон, т.е. неблагоприятно. При изготовлении той же шестерни из заготовки, полученной осадкой (рис. 2, в), волокна будут иметь радиальное направление, т. е. более благоприятное относительно действия на зуб силы от колеса.

Крюк, изготовленный гибкой и ковкой проката (рис. 2, г), будет прочнее, чем крюк, вырезанный из толстой плиты (рис. 2, д).

Коленчатый вал, изготовленный гибкой и ковкой проката (рие.2, е) имеет волокна, направленные вдоль действия рабочих растягивающих сил. Такой же вал, полученный из проката резанием (рис. 2, ж), имеет неблагоприятное направление волокон, а в некоторых частях волокна перерезаны при обработке. Следовательно, вал, изготовленный гибкой и ковкой, будет более прочным и может иметь меньший диаметр и массу для восприятия одинаковой силы с валом, изготовленным с применением обработки резанием.

На рис. 2, э показаны два способа образования уступов: при помощи топора и полукруглой пережимки. При получении уступа пережимкой вал будет более прочным.

8. Назовите и охарактеризуйте металлургические процессы, протекающие при сварке плавлением.

Плавление металла. В процессе электродуговой сварки плавлением металл сварного соединения плавится под воздействием мощной электрической дуги, горящей между электродом и свариваемым изделием. Температура дуги колеблется в пределах 5000—8000 °С. Под действием мощного сосредоточенного источника тепла плавятся свариваемый (основной) и электродный (сварочный) металлы.

Металлургические процессы при дуговой сварке протекают совершенно в других условиях, чем при производстве стали. Это объясняется прежде всего небольшим объемом расплавленного металла, называемого сварочной ванной, и быстрым его затвердеванием. При ручной дуговой сварке объем расплавленного металла не превышает 8 см³ (длина сварочной ванны 20—30 мм, ширина 8—12 мм, глубина 2—3 мм), а время затвердевания — несколько секунд. Между тем при производстве стали объем расплавленного металла измеряется десятками и сотнями тонн, а время плавления и затвердевания — часами, хотя температура расплавленного металла ниже, чем в сварочной ванне. В результате быстрого затвердевания металла сварочной ванны химические реакции, протекающие в расплавленном металле, не успевают закончиться. Поэтому при сварке незащищенной дугой содержание кислорода в металле сварного соединения примерно в 15 раз больше, чем у мартеновской стали. А чем больше кислорода, тем ниже механические свойства металла.

Расплавленный металл электрода переходит в сварочную ванну в виде небольших капель. Металл капель подвергается в дуговом промежутке воздействию шлака покрытия электрода и газов окружающей среды. При ручной сварке электродами, имеющими покрытие, одновременно с основным и электродным металлами плавится и покрытие, в результате чего образуется расплавленный неметаллический слой шлака. Назначение шлака — улучшать свойства расплавленного металла. Шлак защищает металл капли и сварочной ванны от воздействия окружающего воздуха, раскисляет и легирует металл сварочной ванны, в шлаке растворяются вредные примеси. В ряде случаев шлак способствует устойчивому горению дуги.

В процессе плавления электродного покрытия наряду с образованием слоя расплавленного шлака выделяются газы, возникающие при сгорании газообразующих компонентов покрытия (целлюлоза, крахмал, древесная мука) и разложении молекул мела, мрамора. Реакции между газообразными веществами и жидким металлом протекают быстрее, чем при использовании шлаковой защиты, поэтому действие последней более интенсивно.

Меры, принимаемые для защиты металла сварочной ваны от воздействия окружающего воздуха, не всегда достигают цели. Поэтому содержание кислорода в наплавленном металле всегда бывает выше, чем в основном и электродном. Для снижения количества кислорода в наплавленном металле, а следовательно, для повышения механических свойств металла его раскисляют и удаляют образовавшиеся окислы из сварочной ванны. Раскисляют металл с помощью углерода, марганца, кремния, алюминия (раскислители), которые вводят в электродную проволоку или электродные покрытия.

Для компенсирования выгорающих элементов, а также легирования основного металла с целью обеспечения равнопрочности и сближения химического состава наплавленного и основного металлов, легируют металл сварного шва. Легирование осуществляется хромом, молибденом, титаном, ванадием, вольфрамом и рядом других элементов, которые вводятся в состав электродного покрытия или основного металла.

Кристаллизация металла сварного соединения. Сварное соединение образуется из металла сварного шва (расплавленный основной и электродный металл) и участков основного металла, прилегающих к сварному шву (рис. 1). При ручной сварке покрытыми электродами металл шва в среднем состоит из 30—50% основного и 70—50% электродного металла.

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 1. Структура околошовной зоны сварного соединения и схема участков

1 — неполного расплавления; 2 — перегрева; 3 — нормализации; 4— неполной перскри-
сталлизации; 5 — рекристаллизации

При остывании металла сварочной ванны происходит его первичная и затем вторичная кристаллизация. Образование зерен при переходе металла из расплавленного в твердое состояние называется первичной кристаллизацией. При изменении температуры в затвердевшем металле меняется форма зерен. Этот процесс называется вторичной кристаллизацией (перекристаллизацией). При вторичной кристаллизации стремятся к измельчению зерна, что улучшает механические свойства стали. Легирование металла шва через покрытие электродов, а также надежная защита металла сварочной ванны способствуют получению достаточно чистого, без включений, металла шва необходимого химического состава с требуемыми свойствами.

Структура металла шва в некоторой степени зависит от формы шва. В узких швах, имеющих коэффициент формы шва (отношение ширины шва к глубине провара) меньше единицы, последние участки жидкого металла располагаются в центре сечения шва (рис. 2,а), поэтому в этом месте возможны скопления шлаков, газов и других нежелательных включений. У швов с коэффициентом формы шва больше единицы (рис. 2,6) последние участки жидкого металла находятся в середине поверхности шва, поэтому все вредные включения свободно удаляются.

Выделяющееся при сварке тепло уходит в основном в свариваемый металл через околошовные участки, называемые зоной термического влияния. От обычной термической обработки нагрев и охлаждение металла сварного соединения в зоне термического влияния отличается кратковременностью теплового воздействия и нагревом до высоких температур. Нагрев и охлаждение металла околошовной зоны оказывают серьезное влияние на его свойства, вызывая различные структурные изменения. Свойства сварного соединения определяются свойствами металла шва и металла зоны термического влияния. Зона термического влияния при сварке покрытыми электродами составляет около 6 мм (участки: перегрева — 2,2 мм, нормализации—1,6 мм, неполной перекристаллизации — 2,2 мм). Сварные соединения разрушаются главным образом в зоне термического влияния вследствие потери основным металлом пластических свойств.

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 2. Форма шва

а — узкого с коэффициентом формы шва меньше 1; б — коэффициентом формы шва больше

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.

Курсовая работа по материаловедению

ВСт.Зпс- Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, полу-спокойная. Свариваемость материала - без ограничений. Полный химический состав стали представим в таблице.

Таблица 1. Химический состав стали ВСт.Зпс

Курсовая работа по материаловедению

Для стали ВСт.Зпс применяем ручную дуговую сварку. Дуговая сварка металла это сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплом электрической дуги. Способ позволяет без замены сварочного инструмента и оборудования (при правильно выбранном сварочном режиме) выполнять швы различных типов и назначения, а также вссти сварку в любом пространственном положении и в труднодоступных местах. Устойчивый процесс сварки обеспечивается непрерывной подачей конца электрода в зону горения дуги без значительных отклонений ее длины. При длинной дуге усиливается окисление электродного металла, увеличивается разбрызгивание, снижается глубина провара, шов получается со значительными включениями оксидов. Основной объем работ выполняют при токе 90...350 А и напряжении дуги 18...30 В.

Возбуждение (зажигание) дуги 3 (рис.1) происходит при кратковременном замыкании электрической сварочной цепи, для чего сварщик прикасается к свариваемому металлу 1 концом электрода 5 и быстро отводит его на расстояние 2...4 мм. В этот момент возникает электрическая дуга, устойчивое горение которой поддерживают поступательным движением электрода (вдоль оси) по мере его плавления. Дугу возбуждают также скользящим движением конца электрода по поверхности свариваемого металла (чирканием) с быстрым отводом его на необходимое расстояние.

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 1. Схема ручной дуговой сварки
1 — основной металл; 2 — сварочная ванна; 3 — дуга; 4 — электродное покрытие; 5 — электрод; 6 — капли электродного металла; 7 — газовая защита; 8 — жидкая шлаковая пленка; 9 — шов; 10 — шлаковая корка

В процессе сварки электрод перемещают: по направлению к изделию по мере плавления электрода; вдоль соединения; поперек соединения для получения необходимых формы и сечения шва.

10кп-Сталь конструкционная углеродистая качественная, кипящая, содержащая 0,1%С - свариваемость материала - без ограничений.

Сталь 10кп подвергается газовой сварке в среде углекислого газа.

Газовой сваркой могут соединяться почтя все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в промышленности. Наиболее широкое применение газовая сварка получила при строительно-монтажных работах, в сельском хозяйстве и при ремонтных работах.

Для выполнения сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало достаточной тепловой мощностью. Мощность пламени горелки определяется количеством ацетилена, проходящего за один час через горелку, и регулируется наконечниками горелки. Мощность пламени выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и его свойств. Количество ацетилена в час, необходимое на 1 мм толщины свариваемого металла, устанавливается практикой. Например, при сварке низкоуглеродистой стали на 1 мм толщины свариваемого металла требуется 100—130 дм³ ацетилена в час. Чтобы узнать требуемую мощность пламени, надо умножить удельную мощность на толщину свариваемого металла в миллиметрах.

Для сварки различных металлов требуется определенный вид пламени — нормальное, окислительное, науглероживающее. Газосварщик регулирует и устанавливает вид сварочного пламени на глаз. При ручной сварке сварщик держит в правой руке сварочную горелку, а в левой — присадочную проволоку. Пламя горелки сварщик направляет на свариваемый металл так, чтобы свариваемые кромки находились в восстановительной зоне на расстоянии 2—6 мм, от конца ядра. Конец присадочной проволоки должен находиться в восстановительной зоне или в сварочной ванне.

Скорость нагрева регулируется изменением угла наклона (а) мундштука к поверхности свариваемого металла (рис. 1, а). Величина угла выбирается в зависимости от толщины и рода свариваемого металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла. В начале сварки для лучшего прогрева металла угол наклона устанавливают больше, затем по мере прогрева свариваемого металла его уменьшают до величины, соответствующего данной толщине металла, а в конце сварки постепенно уменьшают, чтобы лучше заполнить картер и предупредить пережог металла.

Рукоятка горелки может быть расположена вдоль оси шва или перпендикулярно к нему. То или иное положение выбирается в зависимости от условий (удобства) работы газосварщика, чтобы рука сварщика не нагревалась теплом, излучаемым нагретым металлом.

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 1. Угол наклона и способы перемещения мундштука горелки:

а — график угла наклона мундштука горелки, б — способы перемещения мундштука горелки

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное — перпендикулярно к оси шва и продольное — вдоль оси шва. Основным является продольное движение. Поперечное движение служит для равномерного прогрева кромок основного и присадочного металла и получения шва необходимой ширины.

Процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне.

Процесс кристаллизации шва начинается сразу после отвода дуги от свариваемого участка. Застывание металла происходит в направлении, обратном отводу тепла в структуру основной поверхности, начиная от краев сварочной ванны к ее центру. Средняя скорость кристаллизации и скорость сварки равны. По границам шва формируются кристаллиты наплавляемого и основного металла, обеспечивающие монолитность строения слоев и прочность соединения.

Образование шва и околошовной зоны.

Остановка начального процесса кристаллизации происходит достаточно быстро, при остывании шва на 20-30° С, то есть до температуры 1450-1500° С. После его завершения в структуре металла не происходит никаких изменений до его остывания до 850° С, когда металл начинает выходить из аустенитной формы.

Затем происходит процесс вторичной кристаллизации в структуре строения шва и прилегающем к нему основном металле. Он также протекает в коротком температурном диапазоне. Структура сварного шва становится стабильной по достижении им температуры в 720° С.

Кристаллиты сварочного шва имеют столбчатое строение структуры, характерное для процесса литья металла. Этот вид кристаллизации способствует вытеснению газовых и шлаковых фракций.

Рассчитает режимы дуговой сварки

Исходные данные:

Тип сварного соединения -встык

Расположение шва в пространстве - вертикальный.

Стыковые соединения с толщиной свариваемых деталей 16мм выполняются с односторонней разделкой кромок.

На рисунке 1 приведем эскиз соединения

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 1. Эскиз соединения

На рисунке 2 представим эскиз разделки кромок

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 2. Эскиз разделки кромок

Диаметр электрода выбираем в зависимости от толщины свариваемых деталей. При заданной толщине принимаем dэ=5мм [5].

Определим площадь сечения одностороннего стыкового шва выполненного без зазора можно определить по формуле:

Fн = 0,75 е · g, мм²,

где е - ширина шва, мм; g - высота усиления шва, мм; S - толщина свариваемого металла, мм; в - величина зазора в стыке, мм.

Площадь поперечного сечения шва найдем из расчетной схемы (рисунок 3).

Курсовая работа по материаловедению
Рисунок 3. Расчетная схема.

Fн = 0,75 · 24 · 0,5=9мм²
При определении числа проходов следует учитывать, что сечение первого прохода не должно превышать 30-35 мм² и может быть определено по формуле:

F1 = (6 - 8) · dэл, мм²,

где F1 - площадь поперечного сечения первого прохода, мм²;

dэл - диаметр электрода, мм.

F1 = (6 - 8) · 5=30...40мм²

Следовательно принимаем 1 проход.

Расчет сварочного тока при ручной дуговой сварке производим по диаметру электрода и допускаемой плотности тока по формуле:

Iсв = Fэл · j = (Курсовая работа по материаловедению · dэл² / 4) · j, А,

где j - допустимая плотность тока, А/мм²;

Fэл - площадь поперечного сечения электрода, мм²;

dэл - диаметр электрода, мм.

Допустимая плотность тока зависит от диаметра электрода и вида покрытия: чем больше диаметр электрода, тем меньше допустимая плотность тока, так как ухудшаются условия охлаждения. Допустимая плотность тока в электроде при ручной дуговой сварке J= 10 А/мм²

Iсв = (3,14 · 5² /4) · 10=196А

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах 20-36 В и при проектировании технологических процессов ручной дуговой сварки не регламентируется [4].

Поэтому напряжение на дуге принимаем 30В.

Скорость перемещения дуги (скорость сварки) определяем по формуле:

Курсовая работа по материаловедению

где Lн — коэффициент наплавки, г/А час; Lн=10 г/А час

Курсовая работа по материаловедению - плотность наплавленного металла за данный проход, г/см³ (7,8 г/см³ - для стали);

Iсв - сила сварочного тока, А;

Fн - площадь поперечного сечения наплавленного металла, мм².

Vсв= 10 · 196/7,8 · 9 · 100=28м/ч

Результаты расчетов режима сварки представим в таблице 2

Таблица 2 - Режимы сварки угловых швов

Курсовая работа по материаловедению

Выбираем оборудование для сварки.

Принимаем трансформатор передвижной ТДМ-317.

Параметры трансформатора: сварочный ток 315 А, номинальное рабочее напряжение 32,6 В.

 

 

Рассчитаем режимы газовой сварки

Исходные данные:

Свариваемый материал - сталь 10кп

Толщина свариваемых деталей - 5мм

Тип сварного соединения -тавровое

Тавровые соединения выполняются без подготовки кромок.

Расположение шва в пространстве - горизонтальный.

На рисунке 1 приведем эскиз соединения

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 1. Схема соединения

На рисунке 2 представим эскиз разделки кромок

Курсовая работа по материаловедению

Рисунок 2. Разделка кромок

Режимы газовой сварки определяют:

• мощностью сварочного пламени

• углом наклона присадочного материала и мундштука горелки

• диаметром присадочного материала

• скоростью сварки.

Мощность сварочного пламени напрямую зависит от расхода горючего газа и для ацетиленовой сварки ее приближенно можно определить по формуле:

Vа=k · S

где Vа — мощность пламени, определяема расходом ацетилена, л/час; S — толщина свариваемого материала, мм; к — коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от вида свариваемого материала, для низкоуглеродистой стали стали к = 100 — 130, принимаем к=100

Vа = 5 · 100 = 500л / час

Угол наклона мундштука сварочной горелки при толщине свариваемых листов 5мм, принимаем 40°

Марку присадочной проволоки принимаем Св-10.

Подбираем диаметр присадочного материала в зависимости от толщины свариваемых деталей и метода наложения шва. При толщине металла 5 мм диаметр присадочного материала принимаем равным половине толщины металла 2,5 мм.

Определяем скорость сварки.

V = A/S

где А - коэффициент, зависящий от свойств материала, А=12, S — толщина свариваемого металла, мм.

V = 12/5=2,4м/ч

Расход ацетилена принимаем в зависимости от толщины свариваемого металла: при толщине материала s= 1мм расход ацетилена 100 л/ч [4], следовательно, при s= 5 мм 500 л/ч . расход кислорода 120л/ч на 1мм толщины, следовательно расход кислорода составляет 600 л/ч.

Вид пламени принимаем - нормальный.

Выбираем способ сварки.

Низколегированную сталь сваривают левой сваркой, при толщине металла до 5 мм.

После сварки изделие помещают в нагревательную печь, нагрев ведут постепенно. Для низкоуглеродистых сталей температура нагрева достигает 600-680 °С. После нагрева изделие выдерживают в печи при этой температуре в течение 2,5 мин на 1 мм толщины металла и охлаждают вместе с печью. Такая обработка называется отжигом и применяется для снятия внутренних напряжений.

Результаты расчета режима сварки занесем в таблицу 4.

Таблица 4 - Режимы сварки в среде углекислого газа

Курсовая работа по материаловедению

Оборудование для газовой сварки.

Принимаем ацетиленовый генератор АНВ-1,25-68 — однопостовой, с одной ретортой, прерывистого принципа действия.

В качестве метода контроля сварного соединения применяем один из методов неразрушающего контроля - внешний осмотр . Внешнему осмотру подвергается 100% сварных соединений. Осмотр выполняется невооруженным глазом или с помощью лупы, используя шаблоны и мерительный инструмент. При этом проверяются геометрические размеры швов, наличие подрезов, трещин, непроваров, кратеров и других наружных дефектов.