СОДЕРЖАНИЕ
1. Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?. 3
2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180оС. 4
3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850оС? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его. 7
4. Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки. 8
5. Опишите резины специального назначения (приведите классификацию по группам, охарактеризуйте свойства, области применения). 12
Список использованной литературы.. 15
1.
Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?
Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок.
Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.
Характеристики пластичности определяют при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить нескольких важных механических характеристик металла или сплава. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы. Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения.
Относительное удлинение δ представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:
,
где lк – длина образца после разрыва
Под относительным сужением понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:
,
где Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
1.
2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180оС.
При определенных условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии одновременно три фазы. В системе железо-карбид железа происходят три изотермических превращения (на кривых охлаждения им соответствуют горизонтальные площадки):
Линия HIB (1499 °С) соответствует перитектическому превращению:
ФН + ЖВ → АI;
Линия ECF (1147 °С) соответствует эвтектическому превращению:
ЖС → [АЕ + Ц] ледебурит;
Линия PSK (727 °С) соответствует эвтектоидному превращению
АS → [ФР +Ц] перлит.
Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – F,
где С – число степеней свободы системы (вариантность) – количество факторов (температура, концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз системы;
К – число компонентов, образующих сплав;
F – число фаз в сплаве.
При охлаждении заэвтектического чугуна (4,3<С<6,69) в интервале температур от точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация первичного цементита, состав жидкости при этом стремится к точке С (F=2, С=1). При достижении температуры точки 2 (линия ECF) происходит изотермическое эвтектическое превращение оставщейся жидкости с образованием ледебурита по реакции 2 (F=3, C=0), на кривой охлаждения – площадка 2-2'. В интервале температур от точки 2 до точки 3 происходит выделение из аустенита вторичного цементита, состав аустенита при этом стремится к точке S (F=2, C=1). При достижении температуры точки 3 (линия PSK) происходит изотермическое эвтектоидное превращение с образованием перлита по реакции 3 (F=3, C=0), на кривой охлаждения – площадка 3 - 3'. При температуре ниже точки 3 происходит выделение из феррита цементита третичного (F=2, C=1).
Структура белого заэвтектического чугуна при комнатной температуре – ледебурит и цементит первичный.
По правилу Карнакова количественное соотношение фаз в сплаве:
Для их определения необходимо провести коноду a-b-c (линию, параллельную оси состава диаграммы – абсциссе, и проходящую через двухфазную область).
При температуре 1180 °С (точка b) в сплаве находятся две фазы: жидкий расплав и первичные кристаллы цементита.
Точки пересечения коноды с линиями, ограничивающими данную двухфазную область, определяют химический состав присутствующих в сплаве фаз. Таким образом, проекция точки a – точки пересечения коноды и линии ликвидус – на ось абсцисс покажет состав жидкости (Жа). Проекция точки c на ось асцисс покажет состав цементита – 6,67%.
Ордината заданного в условии задачи сплава делит коноду на два отрезка a-b и b-c. Отношение каждого из отрезков к длине всей коноды a-b-c позволит определить количество соответствующей фазы.
Количество жидкости: Жа = b-c/a-b-c;
Количество цементита: Цс = a-c/a-b-c;
Количественное соотношение фаз: Ж/Ц = b-c/a-b.
Рисунок 3: диаграмма железо-цементит; кривая охлаждения для сплава, содержащего 5,4% углерода.
3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850оС? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11 до нагрева под закалку – перлит + карбиды.
Критические точки для стали У11: Аc1=730ºС, Аcm=810ºС.
Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет АС1+(30÷50º), т.е. для У11 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У11.
Нагрев и выдержка стали У11 при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 30 составляет 820°С.
Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки Ас3) структура стали 30 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 850-870°С. Структура стали 30 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки.
5ХНМ - Сталь инструментальная штамповая. Использование в промышленности: молотовые штампы паровоздушных и пневматических молотов с массой падающих частей свыше 3 т, прессовые штампы и штампы машинной скоростной штамповки при горячем деформировании легких цветных сплавов, блоки матриц для вставок горизонтально-ковочных машин.
Химический состав в % материала 5ХНМ в соответствии с ГОСТом 5950-2000
| Химический элемент | % |
| Углерод (С) | 0,5 - 0,6 |
| Кремний (Si) | 0,1 - 0,4 |
| Медь (Cu), не более | 0,3 |
| Марганец (Mn) | 0,5 - 0,8 |
| Молибден (Mo) | 0,15 - 0,3 |
| Никель (Ni) | 1,4 - 1,8 |
| Фосфор (P), не более | 0,03 |
| Хром (Cr) | 0,5 - 0,8 |
| Сера (S), не более | 0,03 |
Для изготовления штампов применяются следующие марки сталей: углеродистые и легированные 5ХНМ и некоторые другие.
Основные требования, предъявляемые к стали для изготовления штампов, следующие:
1) высокая прочность, достаточное сопротивление удару и высокая износоустойчивость при повышенных температурах, - чтобы штампы не разрушались и сохраняли свою форму во время работы;
2) хорошая теплопроводность для быстрого отвода тепла от рабочей поверхности в глубь штампа;
3) значительная прокаливаемость (что особенно важно для крупных штампов);
4) высокая сопротивляемость возникновению трещин разгара, возникающих на рабочей поверхности вследствие периодичности нагрева и охлаждения штампов.
Штампы, изготовленные из углеродистой стали, быстро выходят из строя, вследствие малой глубины закалённого слоя и низкого предела температур (325-350°), до которых штамп может нагреваться во время работы. Поэтому углеродистую сталь можно применять для малых штампов простой формы.
Для изготовления штампов, работающих в тяжёлых условиях, наиболее часто применяется сталь 5ХНМ или её заменитель сталь 5ХГМ. Никель в стали 5ХГМ заменён марганцем, который, сохраняя глубокую прокаливаемость стали, несколько уменьшает ударную вязкость. Для получения необходимой вязкости штампы из стали 5ХГМ отпускают при более высокой температуре, чем штампы из стали 5ХНМ.
Кованые заготовки штампов подвергают отжигу, чтобы снизить твёрдость, снять внутренние напряжения и подготовить структуру для последующей закалки. Поковки, остывающие после их изготовления медленно, в утеплённых ямах или шлаке, можно загружать для отжига в печь, нагретую до требуемой температуры, и греть со скоростью, которую допускает данная печь. Поковки, остывающие после их изготовления быстро, на полу мастерской, загружают в печь при температуре 400-500° и греют до требуемой температуры вместе с печью.
Если нагрев происходит неравномерно, то необходимо во всех случаях замедлять его, производя одну-две выдержки при промежуточных температурах. Медленное остывание после нагрева мелких и средних поковок можно достичь упаковкой их в ящики с засыпкой, а крупных поковок - периодическим отключением и включением печи.
Штампы, поступающие в капитальный ремонт, вместо отжига подвергают высокому отпуску. Для этого штампы закладывают в печь, нагретую до требуемой температуры, выдерживают 2-3 часа, вынимают из печи и оставляют на воздухе до полного охлаждения.
Иногда крупные штампы подвергаются закалке в заготовках (кубиках) до механической обработки. При этом потеря твёрдости компенсируется отсутствием деформации готового штампа. Такие заготовки нагревают под закалку без упаковки.
При закалке полностью обработанных штампов необходимо принять меры для предохранения рабочей поверхности от окисления (рисунок слева). В качестве изолирующей засыпки применяют отработанный карбюризатор или пережжённую чугунную стружку.
Мелкие и средние штампы, а также кубики можно загружать в печь, нагретую до температуры закалки, без опасения образования трещин или деформации, тем более, что рабочая часть штампа прогревается сравнительно медленно, так как находится под слоем засыпки. Прогрев при температуре закалки должен обеспечить полное растворение углерода и других элементов в аустените.
Ниже приводим режим термической обработки штампов, изготовленных из стали 5ХНМ в электропечи Н15, применяемый на одном из заводов в течение ряда лет и полностью себя оправдавший (штамп Ф 150 мм, высотой 140 мм):
1) загрузка в печь, нагретую до температуры 830-850°, и выдержка в течение 2 час.;
2) закалка в масле, выдержка до достижения температуры 100-200° примерно 15-20 мин.;
3) загрузка в отпускную печь, нагретую до температуры 350 -400°, нагрев до температуры 520-560° при общей выдержке 6 час.;
4) выгрузка на воздух, зачистка и контроль твёрдости (Rc = 41 -47).
При загрузке нескольких штампов в печь следует для ускорения нагрева ставить их на расстоянии 100-150 мм один от другого.
Повышение температуры отпуска, как правило, повышает вязкость стали, но снижает ее твердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохранения износостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной, однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.
5.