Раздел 2. Основы металловедения




ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

Программой дисциплины «Материаловедение и технология материалов» для заочной формы обучения предусматривается изучение металлургии черных и цветных металлов, основ металловедения и термической обработки, конструкционных и инструментальных сталей, цветных металлов, твердых сплавов и неметаллических материалов, обработки металлов давлением, литейного и сварочного производств.

Изучение дисциплины «Материаловедение и технология материалов» основывается на знаниях полученных учащимися по дисциплинам: «Физика», «Химия», «Инженерная графика», «Нормирование точности и технологические измерения».

В процессе изучения дисциплины необходимо обеспечить: формирование у учащихся знаний о значении материалов в современном производстве, их строении, составе и свойствах, методах испытания и маркировки, видах термической и химико-термической обработки металлов и ее связях с диаграммой состояния железоуглеродистых сплавов;

формирование знаний по основам порошковой металлургии, литейного и сварочного производств, обработки металлов давлением;

формирование у учащихся умений по выбору марок материалов для машин и инструментов, выбору вида обработки конкретных изделий с целью достижения заданной структуры и свойств;

воспитание потребности в бережном отношении и рациональном использовании конструкционных и инструментальных материалов, их экономном расходовании;

развитие технического мышления.

По каждой теме определены цели ее изучения и результаты их достижения с учетом основных уровней усвоения учебного материала.

Приведены примерные критерии оценки результатов учебной деятельности учащихся по дисциплине.

При изложении учебного материала необходимо соблюдать единство терминологии, обозначений и единиц измерений в соответствии с действующими техническими нормативными правовыми актами.

Для усвоения знаний, активизации познавательной деятельности и развития технического мышления учащихся программой предусмотрено проведение лабораторных и практических работ.

С целью контроля результатов учебной деятельности учащихся программа предусматривает две домашние контрольные работы.

По итогам изучения дисциплины «Материаловедение и технология материалов» проводится экзамен. Условием допуска к экзамену является наличие зачтённых домашних контрольных работ и отработанных лабораторно-практических занятий.

 


ПРОГРАММА ДИСЦИПЛИНЫ
«МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ МАТЕРИАЛОВ»

Введение

Раздел 1. Металлургия чёрных и цветных металлов

Темы 1.1. Производство чугуна

Темы 1.2. Производство стали

Темы 1.3. Производство цветных металлов

1.(с.132-159), 2.(с.39-73)

Вопросы для самоконтроля:

1. Дать определение чугуну и назвать состав шихтовых материалов для его производства.

2. Охарактеризовать доменную печь и назвать продукты доменного производства.

3. Раскрыть сущность передела чугуна в сталь.

4. Охарактеризовать способы получения стали в кислородных конверторах, мартеновских и электрических печах.

5. Описать методы рафинирования стали.

6. Охарактеризовать основные способы получения из руд меди, алюминия, титана и магния.

 

Раздел 2. Основы металловедения

Темы 2.1. Строение и кристаллизация металлов

Темы 2.2. Свойства металлов и сплавов

Лабораторная работа: Измерение твердости металлов по методам Бринелля и Роквелла.

Темы 2.3. Основные сведения о металлических сплавах. Диаграммы состояния двойных сплавов

Темы 2.4. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов

Лабораторная работа: Микроанализ железоуглеродистых сплавов (сталей и белых чугунов) в равновесном состоянии

Темы 2.5. Термическая обработка

Темы 2.6. Химико-термическая обработка

Темы 2.7. Углеродистые стали

Темы 2.8. Легированные стали

Темы 2.9. Твёрдые сплавы, минералокерамика, сверхтвёрдые инструментальные материалы

Темы 2.10. Чугуны

Темы 2.11. Цветные металлы и их сплавы

Темы 2.12. Коррозия металлов

1.(с.5-97), 2.(с.4-37, 80-187)

Вопросы для самоконтроля:

1. Дать понятие о кристаллическом строении металлов и процессе кристаллизации.

2. Назвать основные свойства металлов и сплавов, а также методы их испытаний.

3. Дать понятие о сплавах и типах диаграмм состояния двойных сплавов.

4. Охарактеризовать диаграмму состояния железо-цементит, с указанием всех линий и точек.

5. Описать структуры диаграммы железо-цементит.

6. Описать виды термообработки.

7. Описать виды химико-термической обработки.

8. Классифицировать стали, объяснить характер влияния постоянных примесей и легирующих элементов на свойства стали.

9. Охарактеризовать твердые сплавы, минералокерамические и сверхтвердые инструментальные материалы.

10. Дать полную характеристику чугунам.

11. Охарактеризовать цветные металлы и сплавы на их основе, а также их практическое значение для машиностроения.

12. Назвать виды коррозии и способы защиты металлов от коррозии.

 

Раздел 3. Неметаллические конструкционные материалы

Темы 3.1. Пластические массы и способы получения изделий из них

Темы 3.2. Резиновые и древесные материалы

1.(с.117-129), 2(с.450-488)

Вопросы для самоконтроля:

1. Охарактеризовать пластмассы, как конструкционные материалы.

2. Указать разновидности и способы изготовления изделий из пластмасс.

3. Дать понятие о составе резины, её свойствах и области применения.

4. Дать понятие о структуре древесины, её свойствах и области применения.

 

 

Раздел 4. Порошковая металлургия. Прогрессивные материалы в машиностроении

Темы 4.1. Порошковая металлургия и напылённые покрытия

Темы 4.2. Композиционные материалы

Темы 4.3. Аморфные металлы. Сплавы с эффектом памяти формы. Техническая керамика

1.(с.99-116), 2.(с.438-450)

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскрыть сущность порошковой металлургии и область применения порошковых материалов.

2. Раскрыть сущность и общую схему процессов нанесения защитных покрытий на детали машин, конструкции и инструменты.

3. Дать краткую характеристику прогрессивным машиностроительным материалам.

 

Раздел 5. Литейное производство

Темы 5.1. Общие положения

Темы 5.2. Изготовление отливок в разовых песчаных формах

Темы 5.3. Специальные способы литья

 

1.(с. 162-223), 2.(с. 188-301)

 

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскрыть сущность получения заготовок литьем в песчано- глинистые формы.

2. Указать состав формовочной смеси, свойства и назначение каждого компонента.

3. Описать свойства литейных сплавов.

4. Указать состав и назначение модельного комплекта.

5. Дать характеристику специальным способам литья: в одноразовые и многоразовые формы.

6. Назвать преимущества и недостатки получения отливок в песчано-глинистых формах и специальными способами.

 

Раздел 6. Обработка металлов давлением

Темы 6.1. Основы теории обработки металлов давлением

Темы 6.2. Нагрев металла перед обработкой давлением

Темы 6.3. Прокатка

Темы 6.4. Прессование и волочение

Темы 6.5. Ковка

Темы 6.6. Горячая объёмная штамповка

Практическая работа: Разработка чертежа поковки, проектирование отдельных этапов технологического процесса её изготовления горячей штамповкой

Темы 6.7. Холодная штамповка

1.(с.224-269), 2.(304-367)

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскрыть сущность обработки металлов давлением, влияние пластической деформации на структуру и свойства.

2. Охарактеризовать явления происходящие в металле при нагреве.

3. Определение режимов нагрева для углеродистых и легированных сталей.

4. Дать понятие о сущности процесса прокатки, указать её виды.

5. Охарактеризовать величины возникающие в процессе прокатки и сортамент выпускаемой продукции.

6. Указать классификацию прокатных станов.

7. Дать понятие о сущности процессов прессования и волочения, указать область их применения.

8. Указать продукцию, получаемую прессованием и волочением.

9. Охарактеризовать величины, возникающие в процессе деформации металла при волочении и прессовании.

10. Описать инструмент и оборудование, применяемые при прессовании и волочении.

11. Дать понятие о сущности ковки и области её применения.

12. Указать общие принципы разработки технологического процесса изготовления поковки.

13. Описать основные операции ковки, применяемое оборудование, инструмент и средства механизации.

14. Дать понятие о сущности горячей объемной штамповки и области её применения.

15. Указать технологический процесс изготовления поковки горячей объёмной штамповкой.

16. Описать применяемое оборудование и инструмент в процессе ГОШ.

17. Дать понятие о сущности холодной штамповки.

 

Раздел 7. Сварочное производство

Темы 7.1. Общие сведения о сварке

Темы 7.2. Электродуговая сварка и резка металлов

Темы 7.3. Способы сварки давлением

Темы 7.4. Газовая сварка и резка металлов

Практическая работа: Решение задач по выбору методов получения заготовок (даны наглядные изображения деталей и марки материалов) и методов упрочняющей обработки изделий (если это возможно)

Темы 7.5. Пайка, наплавка, металлизация

1.(с.276-322), 2.(368-435)

Вопросы для самоконтроля:

1. Раскрыть сущность процессов сварки. Классификация сварки.

2. Охарактеризовать электродуговую сварку и резку металлов.

3. Дать характеристику способам сварки давлением.

4. Охарактеризовать газовую сварку и резку металлов.

5. Раскрыть сущность и назначение процессов пайки, наплавки иметаллизации.


 

ОБЩИЕ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Выполнение контрольной работы следует начинать с изучения методических указаний, а затем в рекомендованной литературе находить соответствующий материал, после чего повторно прочитывать вопрос задания для убеждения в соответствии найденного материала.

2. Ответы на вопросы контрольной работы даются в объеме материала, изложенного в рекомендованной литературе. Может быть использована и другая литература, но ответы на вопросы задания должны охватывать материал, не меньший данного в рекомендованной литературе.

3. Ответы на вопросы даются кратко, четко, полно, в соответствии с рекомендованной методическими указаниями литературой.

4. Рекомендуем ответы на вопросы писать на черновике и только после вдумчивого редактирования переписывать в тетрадь разборчиво и аккуратно.

5. Контрольная работа выполняется в отдельной тетради "в клеточку" с пронумерованными страницами с полями шириной 3 см. Высылается в колледж в соответствии с учебным графиком. Если тетради для выполнения контрольной работы не хватило, то к ней подшиваются или подклеиваются дополнительные листы.

6. Наклейка установленного образца помещается на лицевой стороне обложки тетради. Следует заполнить все ее графы, за исключением касающихся рецензирования (фамилии преподавателя, оценки, даты и подписи). Имя и отчество учащегося пишется полностью.

7. Вопросы и задачи контрольной работы переписываются по порядку, без сокращений.

8. На каждый переписанный вопрос сразу же дается ответ.

9. После каждого ответа на вопрос оставляется незаполненное пространство, а в конце работы 1-2 страницы для рецензии.

10. Контрольная работа должна быть написана разборчиво и выполнена аккуратно.

11. Незачтенные работы дорабатываются в тетради, и после доработки повторно представляется на рецензию. В незачтенной работе должны быть сохранены все замечания

12. Чертежи, диаграммы, схемы, графики, рисунки выполняются карандашом или тушью на отдельном листе нелинованной бумаги (но не на кальке или миллиметровке) в соответствии с ЕСКД и с применением чертежных инструментов (циркуль, линейка и т.д.), а затем вклеиваются или подшиваются в текст ответа, но не в конце тетради. Надписи делаются чертежным шрифтом. Чертежи, выполненные на отдельных листах по размерам, превышающим формат тетради, складываются так, чтобы они не выходили за ее края.

13. В конце работы дается перечень использованной литературы с указанием года издания, ставятся подпись, дата её выполнения.

14. Работы, выполненные не в соответствии с требованиями методических указаний или без учета указаний, данных в рецензиях по предыдущим работам, не зачитываются.

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ
ПО ВЫПОЛНЕНИЮ КОНТРОЛЬНОЙ РАБОТЫ

1. Ответы на теоритические вопросы 1,2,6,7,8 даются в соответствии с материалом учебников, которые указаны после текста каждого варианта.

2. Третий вопрос практического характера имеет 25 вариантов.

В каждом из вариантов требуется начертить диаграмму состояния железо-углерод и построить кривую охлаждения сплава с заданным содержанием углерода при его медленном охлаждении от 1600 до 0 °С.

Описать превращения, происходящие в сплаве; после чего дать определение всем образующимся структурам.

Диаграмма должна быть начерчена в соответствии с пунктом 12 общих методических указаний на листе размером 204´334 мм, равном формату развернутой тетради.

Диаграмма чертится полностью, как на рисунке1 приложения, с указанием структур во всех ее зонах и в масштабе: по вертикали в 1 см – 100 °C и по горизонтали в 2,5 см – 1% углерода.

Обозначения структур в зонах диаграмм должны быть выполнены, как показано на рисунке 1. Для кривой охлаждения масштаб по вертикали тот же, что и для диаграммы, а по горизонтали (время в секундах) выбирается с расчетом, чтобы кривая поместилась справа от диаграммы (см. рис.1). Температуры на кривой охлаждения показываются в градусах, а не буквами или цифрами.

При ответе на вопрос №3 руководствуйтесь следующими рекомендациями:

2.1. Вычертить полностью диаграмму состояния железо-углерод, справа от нее систему координат (температура – время) для построения кривой охлаждения. По оси «время» цифры не ставятся, т.к. эта кривая схематическая.

2.2. На горизонтальной оси содержания компонентов отмечаем заданную концентрацию углерода и через нее проводим вертикальную линию, пересекающую все линии диаграммы. Точки пересечения отмечаем (например, точками). В каждой такой точке в структуре сплава по мере охлаждения происходит какое-либо превращение. Через каждую отмеченную точку ведем вправо тонкую (или пунктирную) горизонтальную линию. Пересечение этой линии с вертикальной осью покажет температуру соответствующего превращения в сплаве, поэтому на кривой охлаждения будет точка изменения наклона и горизонтальный участок.

2.3. Если линия заданного состава пересекает линию АСД диаграммы – ликвидус, где происходит первичная кристаллизация из жидкого состояния, то охлаждение замедляется, и кривая охлаждения ниже данной температуры становится более пологой.

2.4. Если линия состава пересекает линию GSE (вторичная кристаллизация), где происходит выделение избыточной твердой фазы, то охлаждение замедляется, и кривая охлаждения ниже данной температуры становится более пологой.

2.5. Если линия заданного состава пересекает линию ЕС (эвтектического леде-буритного превращения) при 1147 °С или линию Р5К (эвтектоидного перлитного превращения) при 727 °C, то на кривой охлаждения при данных температурах обязательно будет горизонтальный участок.

2.6. На участке АЕ, линии солидус, при аустенитном превращении сплава, дальнейшей кристаллизации не происходит, поэтому кривая охлаждения ниже этих температур становится более крутой, т.к. охлаждение замедляется.

Рассмотрим пример охлаждения сплава (заэвтектоидной стали), содержащего 1,4% углерода (см. рис.1)

В интервале температур 1600…1470 °C сплав жидкий и охлаждается быстро, т.к. превращений в нем не происходит, кривая охлаждения круто опускается вниз.

При 1470 °C на линии ликвидус АС начинается первичная кристаллизация. Из жидкого сплава (в данном примере) выделяются избыточные по отношению к эвтектике кристаллы аустенита. Поэтому скорость охлаждения замедляется, т.к. выделяется скрытая теплота кристаллизации (см. пункт 2.2).

Процесс кристаллизации продолжается до температуры 1300°C на линии АЕ. В интервале температур от 1300 до 900 °C кристаллизация не происходит, твердый сплав имеет структуру аустенита.

Сплав охлаждается быстрее, и кривая охлаждения (см. пункт 2.6) становится круче.

При температуре 900° на линии начинается вторичная кристаллизация.

В интервале температур 900…727 °C из аустенита кристаллизуется цементит вторичный, выделяется теплота кристаллизации. Охлаждение замедляется, и кривая становится более пологой.

При 727 °C линия состава пересекает линию PSK, и сплав приобретает эвтектоидную концентрацию. Аустенит превращается в перлит, происходит эвтектоидное перлитное превращение. На кривой охлаждения (см. пункт 2.5) образуется горизонтальный участок. Ниже температуры 727 °C структурных превращений не происходит, и сплав продолжает охлаждаться.

Окончательная структура данного сплава – перлит и цементит вторичный.

Далее даются описания полученных структур (в данном случае перлита и вторичного цементита).

3. В четвёртом вопросе практического характера включено 25 вариантов, каждый из которых представляет задание на термическую обработку деталей, приведенных в таблице 5.

Например, на вопрос: «Укажите назначение, определите температуры нагрева, продолжительность нагрева и охлаждающие Среды для отжига, нормализации, закалки и отпуска заданной детали». Ответ должен быть дан по форме таблицы 1 методических указаний, где приведен пример для марки стали У12 с толщиной детали 20 мм.

Виды термообработки – отжиг и нормализация заполнены для примера. По такому принципу должны заполняться все графы таблицы.

Назначение различных видов термообработки, методы определения температуры нагрева, продолжительности нагрева, скорости охлаждения и соответствующие охлаждающие среды даны в указаниях по изучению термической обработки.

Определение температур нагрева для отжига, нормализации и закалки заданной марки стали следует показать на диаграмме, как это рекомендовано в указаниях по изучению термической обработки металлов для отжига, нормализации и закалки сталей, содержащих 0,4 и 1,6% углерода.

Указания по изучению термической обработки металлов

Термической (тепловой) обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева, выдержки и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств при неизменном химическом составе.

Режим термической обработки характеризуют следующие основные параметры:

1. Температура нагрева.

2. Время выдержки сплава при температуре нагрева.

3. Скорость нагрева и скорость охлаждения. Превращения в стали при нагреве

При отжиге, нормализации и закалке сталь следует нагревать до состояния аустенита. Температура определяется по диаграмме (рис. 2) в зависимости от содержания в стали углерода и вида термообработки.

Температуры нагрева для термической обработки могут задаваться не только линиями на диаграмме, но и критическими точками, так как линии диаграммы представляют собой геометрические места критических точек. Линия PSK на диаграмме есть геометрическое место точек Ас1, при нагреве или Аr1, при охлаждении. Таким образом, можно задать температуру нагрева линией РSК или точкой Ас1, лежащей на ней. Линия GS представляет геометрическое место точек Ас3 или Аr3 , т.е. построена из точек Ас3, полученных при нагревании, или из точек Аr3 – при охлаждении, а линия – геометрические места точек Асm и Аrm. Температуры точек Ас и Аr несколько отличаются друг от друга.

После достижения нужной температуры нагрева деталь должна выдерживаться при этой температуре в течение времени, достаточного для ее прогрева по всему течению.

Для отжига, нормализации и закалки время на нагрев в основном зависит от размеров и формы детали, от ее химического состава, от вида нагревательного устройства и определяется по справочнику. При отсутствии справочника для деталей из углеродистой стали время на нагрев в камерных печах ориентировочно может быть определено в зависимости от формы и размеров детали. Для отжига, нормализации и закалки время на нагрев и выдержку в печи при заданной температуре ориентировочно берется из расчета по 1,5-2 минуты на каждый миллиметр диаметра или толщины детали.

Для низкого отпуска время выдержки при 200 °C принимается равным 30 минутам, для среднего отпуска при 400 °C – равным 20 минутам и высокого отпуска при 600 °C – равным 10 минутам. Кроме того, для всех видов отпуска прибавляется по 1 минуте на каждый миллиметр диаметра или толщины детали.

Скорость охлаждения выбирается в зависимости от вида термообработки. Превращение при нагреве стали изучите по учебнику [1].

Таблица l — Режимы термообработки детали из углеродистой стали

Марка стали ………………. Диаметр детали ……….. мм

Вид термообработки Назначение термообработки Температура нагрева Время нагрева в минутах Охлаждение
по точкам диаграммы в град. °C среда скорость
Отжиг (полный или неполный)   Ас1 +(30-50) 7270+(30-50) 30-40 Медленное вместе с печью град/час
Нормализация   Асm +(30-50)        
Закалка на сорбит            
Закалка на троостит            
Закалка на мартенсит            
Отпуск низкий            
Отпуск средний            
Отпуск высокий            

Пример приведен для стали У12, толщина детали 20 мм

ОТЖИГ

Отжиг является первоначальной операцией термической обработки, цель которой – либо устранить некоторые дефекты предыдущих операций горячей обработки (литья, ковки и т.п.), либо подготовить структуру к последующим технологическим операциям (например, обработке резанием, закалке).

Основные цели отжига: устранение внутренних напряжений и перекристаллизация стали.

Для отжига углеродистые стали нагревают на 30-50 °C выше линии GSK. Охлаждение медленное (обычно вместе с печью) со скоростью 20-100 град/час. В большинстве случаев доэвтектоидные стали подвергают полному отжигу – нагревают выше линии GS, а эвтектоидные и заэвтектоидные – неполному отжигу с нагревом выше линии (рис. 2).

Для нахождения этих температур на оси абсцисс диаграммы находят точку, соответствующую стали с заданным содержанием углерода, и из нее восстанавливают перпендикуляр до пересечения с линиями диаграммы, затем из полученных точек пересечений проводят линии, параллельные оси абсцисс, до пересечения с осью ординат и на ней находят температуры критических точек, соответствующих температурам нагрева, к которым добавляют еще 30+50 °C.

Так, например, для отжига стали, содержащей 0,4% углерода, потребуется нагрев на 820°+(30+50), а для стали, содержащей 1,6% углерода – 727° +(30+50). Превращения при отжиге второго рода изучите по учебнику [2].

НОРМАЛИЗАЦИЯ

Нормализация также является первоначальной операцией термической обработки, цель которой – полная фазовая перекристаллизация стали и устранение крупнозернистой структуры, полученной при литье или прокатке, ковке или штамповке, получение более высокой прочности стали.

Для нормализации сталь нагревают на 30-50 °C выше линии GSE (точка Ас3 для доэвтектоидных сталей и Acm для заэвтектоидных, как это показано на диаграмме для стали, содержащей 1,6% углерода).

Охлаждают на спокойном воздухе со скоростью 50-100 °C град/час.

В результате сталь из крупнозернистой превращается в мелкозернистую, из хрупкой в более вязкую.

Превращение при нормализации стали изучите по учебнику [1].

АКАЛКА

Закалка способствует повышению прочности и твердости, понижению пластичности стали.

Для закалки сталь нагревают до состояния аустенита на 30-50 °C выше линии GSK (точки Ас3 для доэвтектоидной стали или Ас1 для заэвтектоидной). Охлаждают быстро. Ориентировочно, при условии, что детали имеют обычные размеры и форму, охлаждающая среда имеет нормальную температуру цеха (18-20 °C), можно принять, что скорость охлаждения между металлическими плитами или обдувкой воздухом составляет 10-50 °C в сек, в масле 100 °C в сек и в воде 200 °C в сек. Более точно скорости охлаждения определяют по справочнику.

В зависимости от скорости охлаждения аустенит превращается в следующие основные структуры: перлит, сорбит, троостит и мартенсит (см. рис.3).

Скоростью и временем распада аустенита (g–a превращением) управляют два фактора. Первый фактор – величина переохлаждения ниже А1, от которой зависит движущая энергия превращения. Второй фактор – температура стали, от которой зависит скорость диффузии (подвижность) атомов, поэтому на распад аустенита необходимо время.

Слева от кривых распада лежит область переохлажденного (нераспавшегося), несмотря на большое переохлаждение, аустенита.

Если кривая охлаждения (V1...Vn) пересечет кривую распада, то произойдет один из видов перлитного распада. Если кривая охлаждения пройдет левее кривых распада, то переохлажденный аустенит просуществует до 240 °C и превратится в мартенсит по бездиффузионнуму механизму, т.к. температура уже слишком низкая, чтобы произошла перегруппировка атомов.

В эвтектоидной углеродистой стали при ее медленном охлаждении аустенит на линии перлитного превращения при 727 °C или при V1 и V2 при переохлаждении до 650 °C превращается в перлит.

При скорости охлаждения V3 около 10-50 °C в сек. аустенит, так же как перлит, превращается в сорбит закалки, представляющий собой механическую смесь пластинчатых кристаллов цементита вторичного, равномерно распределенных в феррите, только в результате переохлаждения более тонких.

Превращение аустенита в сорбит происходит при переохлаждении до 600 – 650 °C. Охлаждение для закалки на сорбит обычно производят между металлическими плитами или обдувкой воздухом. Сорбитом называется структура дисперсной пластинчатой смеси цемента и феррита. Сорбит обладает повышенной выносливостью, он хорошо сопротивляется ударным и переменным нагрузкам, его твердость НRС = 30. Структуру сорбита должны иметь коленчатые валы, шатуны и другие детали, работающие при ударных и знакопеременных нагрузках.

При скорости охлаждения около 100 °C в сек. аустенит превращается в троостит закалки. Превращение аустенита в троостит происходит при переохлаждении до 500-600 °C. Охлаждение для закалки на троостит обычно производят в машинном масле.

Трооститом называется тонкодисперсная пластинчатая смесь цементита и феррита. Троостит обладает высокой упругостью, его твердость — 40 НRС. Структуру троостита должны иметь рессоры, пружины и другие детали, от которых требуется высокая упругость.

При скорости охлаждения более 200 °C в сек. аустенит превращается в мартенсит. В этом случае успевает произойти только перестройка решетки (a-железа в несколько искаженную решетку g-железа без выделения углерода, которого в аустените содержится значительно больше, чем может раствориться при нормальных условиях в a-железе (феррите). Однако в мартенсите остается некоторое количество аустенита, не успевшего превратиться в мартенсит, так называемого остаточного аустенита. Остаточный аустенит в эвтектоидной стали превращается в мартенсит при его дальнейшем охлаждении до 50 °C ниже нуля. Таким образом, превращение аустенита в мартенсит начинается при переохлаждении до 240 °C, а заканчивается при минус 50 °C. Охлаждение для закалки на мартенсит производят в воде.

Мартенситом называется пересыщенный твердый раствор углерода в a-железе. Мартенсит имеет игольчатую структуру, его тонкие вытянутые кристаллы похожи на иглы. Мартенсит очень тверд и хрупок, его твердость НRС = 60-65. Твердость мартенсита зависит от степени перенасыщенности углеродом, поэтому, чем больше в стали углерода, тем выше ее твердость после закалки.

Стали, содержащие углерода меньше 0,3%, закалку практически не принимают (не закаливаются).

Структуру мартенсита должны иметь металлорежущие инструменты, от которых требуется высокая твердость. Однако мартенсит обладает также и высокой хрупкостью, что недопустимо для инструмента, поэтому детали, закаленные на мартенсит, для уменьшения их хрупкости без заметного снижения твердости подвергаются отпуску. Превращения в стали при закалке изучите по учебнику [1].

ОТПУСК

Отпуск производят для снижения или полного устранения внутренних напряжений, уменьшения хрупкости закаленной стали и получения требуемой структуры и механических свойств.

Отпуск – заключительная операция термической обработки, придающая стальному изделию окончательные свойства. Для отпуска нагрев закаленной стали осуществляют до температуры не выше Ас (727 °C).

При нагреве до 100-150 °C происходит искусственное старение мартенсита, при этом остаточный аустенит превращается, а мартенсит, что стабилизирует размеры деталей.

При нагреве до 150-250 °C (низкий отпуск) мартенсит превращается в отпущенный мартенсит, значительно уменьшает свою стойкость при незначительном уменьшении твердости. При этом из мартенсита (пересыщенного раствора) начинает выделяться излишне растворенный в нем углерод в виде цементита. Однако цементит не успевает образовать обособленные кристаллы, оставаясь коггерентно (через общий пограничный слой атомов) связанным с мартенситом.

При нагреве 350-450 °C (средний отпуск) мартенсит превращается в троостит отпуска. При этом кристаллы цементита становятся уже обособленными, хотя и очень мелкими.

Сталь приобретает упругость.

При 450-650 °C (высокий отпуск или улучшение) образуется сорбит отпуска, у которого кристаллы цементита становятся еще больше. Сталь приобретает выносливость к переменным нагрузкам.

Дальнейший нагрев ведет за собой последовательные превращения в перлит и аустенит согласно диаграмме состояния сплавов.

Отпуск на отпущенный мартенсит называется также низким отпуском, отпуск на троостит – средним, а на сорбит – высоким отпуском или улучшением.

Таким образом, структуры сорбита и троостита можно получить двояким путем – либо охлаждением из аустенита, либо нагреванием из мартенсита, однако структуры отпуска обладают лучшими механическими свойствами.

Охлаждением при отпуске углеродистой стали обычно производится на воздухе. Теорию и практику отпуска изучите по учебнику [1], [2].

При ответе на вопрос №4 рекомендуем следующий порядок:

а) Вычерчивать таблицу 1;

б) Вычерчивать стальной угол диаграммы железо-углерод (рис.2) и на оси абсцисс находят содержание углерода в заданном составе (например, заэвтектоидная сталь, 1,6% С). Из точки заданного состава восстанавливают перпендикуляр, пересекающий линии диаграммы. Так как для отжига и любого вида закалки сталь нагревают на (30+50) °C выше линии , то для заданной стали температура нагрева (а не точка превращения при охлаждении) равна Ас1 +(30+50) °C. Записываем эти цифры: 727°+(30+50) °C в графы таблицы.

Для нормализации стали нагревают на (30+50) °C выше линии Е. Поэтому температура нагрева для заданной стали равна Acm (30+50) °C, значение Асm составляет в данном случае ≈ 950 °C, поэтому в таблицу вписывают 960 °C+(30+50) °C.

Аналогично поступают, если, например, задан состав доэвтектоидной стали, содержащей 0,4%С;

в) Назначение термообработки находят в учебнике или в Методических указаниях пункт 3, и вписываем в графу таблицы;

г) Время нагрева до температуры термообработки (ТО) вычисляют по данным учебника [1] или Методических указаний п.3;

д) Режим охлаждения (среда и примерная скорость охлаждения) находят в учебнике или в Методических указаниях п.3 и рис.3 и вписывают в таблицу;

е) После заполнения таблицы дается описание метода определения температуры нагрева и режима охлаждения и полученных после термической обработки структур.

4. Пятый вопрос практического характера имеет 25 вариантов, включенных в таблицу 6.

По каждому из вариантов следует расшифровать марки заданных конструкционных и инструментальных материалов, указать номер стандарта, по которому изготовляется этот материал, привести химический состав, значения прочности, твердости.

Затем привести примеры применения каждого материала, используя литературу, рекомендуемую в Методических указаниях (4) и (5), а также перечень ГОСТов на стали и сплавы; Таблицы 8-11 Приложения.

Ниже приводится образец ответа на вопрос 6.

1. 15ХСНД – низколегированная качественная сталь по ГОСТ1050-88. Содержит 0,15% С, примерно по 1% хрома (X), кремния (С), никеля (Н) и меди (Д), имеет (sв=460 МПа, sа2= 33МПа, d= 21%).

Применяется для сварных строительных ферм, конструкций мостов, осей, тяг, корпусов аппаратов и сосудов. Стойкая к атмосферной коррозии.

2. СЧ15 – серный чугун по ГОСТ1412-85 ферритный, с графитом пластинчатой формы. Имеет sв не менее 147 МПa, sизг ≥ 314 МПа, относительное удлинение d 1%.

Применяется для изделий неответственного назначения (крышки люков, шкивы, корпуса редукторов, насосов).

3. 20 – машиностроительная углеродистая конструкционная качественная сталь по ГОСТ1050-88 содержит 0,2% С, упрочняется в поверхностном слое, sв =700 МПа, d = 12%.

Применяется для изготовления цементируемых, нитроцементируемых, цианируемых деталей, не требующих высокой прочности сердцевины (оси каретки велосипеда, сельскохозяйственные машины).

4. 6C2ХФА – пружинная легированная высококачественная сталь с высокими механическими свойствами после термической обработки. sв после ТО = 1300 МПа, твердость после ТО = 45-48 НRС. Содержит 0,6%С, 2% кремния (С), примерно по одному проценту хрома (X) и ванадия (Ф). А – высококачественная.

Применяется для особо ответственных толстых пружин, работающих при нагреве до 200-250 °C, требует поверхностного упрочнения обдувкой дробью.

5. 45Х14Н14В2М – легированная жаропрочная до 650 °C сталь по ГОСТ5632-72. Структура аустенитная с карбидным упрочнением. содержит 0,45% С; 14% хрома (X14), 14% никеля (H14), 2% вольфрама (В2) и 1% молибдена (М). Имеет предел длительной прочности s10000 =130 МПа.

Применяется для изготовления выпускных клапанов форсированных двигателей внутреннего сгорания, деталей особо ответственных трубопроводов, жаропрочных болтов, лопаток и дисков газовых турбин, работающих при 650 °C.

6. 12Х18Н9Т – легированная, коррозионностойкая сталь аустенитной структуры. Содержит 0,12% С, 18% хрома (Х18), 9% никеля (Н9) и примерно 1% титана (Т); имеет sв = 520 МПа, d =40%, НВ = 1000.

Применяется для изготовления баков, труб, деталей, сопротивляющихся коррозии в морской воде, лаках, органических и азотных кислотах, в слабых щелочах. Также жаропрочна до 600°C. Хорошо сваривается аргонодуговой сваркой.

7. ЗХ2В8Ф – инструментальная легированная сталь по ГОСТ5950-73. Содержит 0,3% С, 2% хрома (Х2), 8% вольфрама (В8) и 1% ванадия (Ф); теплостойкая, штамповая.

Применяется для изготовления штампов, форм для машин литья под давлением, стойкая к образованию поверхностных трещин. Необходимая термообработка состоит в закалке с 10504-1100°C в масло + отпуск при 550+ 650 °C. Твердость после ТО составляет НRС = 45... 50.

8. ТТ7К12 – твердый металлокерамический инструментальный сплав по ГОСТ3882-74. С



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-10-25 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: