Технология конструкционных материалов

Задание 1

Опишите методику выявления ликвации серы в стали (метод Баумана).

Ответ:

Сера и фосфор в стали опасны не только своим абсолютным количеством, но и склонностью к ликвации - неравномерному их распределению.

В ряде случаев, при общем небольшой количестве, сера и фосфор могут концентрироваться в отдельных зонах сечения и достигать опасных пределов. Поэтому важно знать не только абсолютное количество этих элементов в стали, но и характер их распределения, метод Баумана дает возможность решить эту задачу. Сущность метода заключается в следующем: фотографическую бромосеребряную бумагу, смоченную в 5% водном растворе серной кислоты, эмульсионной стороной накладывают на поверхность макрошлифа и выдерживают 1-2 минуты. При этом необходимо обеспечить плотный контакт между бумагой и металлом. Сера в стали находится в виде химических соединений с марганцем или железом. При наличии серы на поверхности макрошлифа будут происходить следующие реакции:

Ag2S образует на фотобумаге темные пятна, которые указывают на места расположения (скопления) серы. Чем темнее получается отпечаток, тем большее скопление серы.

Отпечатки промывают в воде и закрепляют в гипосульфите. Такой метод дает представление о качественном распределении серы по сечению металла.

Задание 2

Опишите кристаллизацию и структурные изменения в твердом состоянии при охлаждении белого чугуна с 3,5%-м содержанием углерода. Вычертите кривую охлаждения и нарисуйте конечную структуру чугуна.

Ответ:

Чугунами называются сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14 % углерода.

Структура чугуна, и, следовательно, его механические свойства зависят не только от химического состава, но и от условий кристаллизации и охлаждения отливки, а также режима ее термической обработки.

В зависимости от того, в какой форме присутствует углерод в сплаве, различает белые и серые чугуны.

Белыми называются чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде химического соединения Fe3C называемого цементитом. Такое название он получил по виду излома, который имеет матово-белый цвет. Фазовый состав белого чугуна (при нормальной температуре) цементит и феррит. Фазовые превращения, протекающие в этих чугунах при нагреве и охлаждении, отражает диаграмма Fe-Fe3C, представленная на рисунке 1.

Основными фазами в системе Fe - С являются: жидкий раствор углерода в железе; твердый раствор углерода в Feα - феррит, в Feγ - аустенит; химическое соединение железа с углеродом Fе3С - цементит.

Практический интерес представляют только твердые фазы.

Существуют еще механические смеси:

Ледебурит - эвтектическая механическая смесь: в области температур от 1147° С до 727° С состоит из аустенита и цементита (А+Ц), а ниже 727° С состоит из перлита и цементита (П+Ц). Содержит 4,3% С.

Перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита (Ф+Ц). Существует ниже 727° С и содержит 0,8% С.

Сплав содержащий 3,5 %С называется «Доэвтектическим чугуном», ниже 727°С будет иметь следующую структуру: Перлит + Вторичный цементит + Ледебурит (перлит + цементит).

При температуре 11470С (линия ЕС, т. 2) аустенит достигает предельной концентрации, указываемой точкой Е (2,14%С), а оставшаяся жидкость - эвтектического состава 4,3%С (тоска С). При температуре т.2 (лежащей на линии эвтектического превращения ЕСF) жидкая часть сплава, имеющая состав точки С, превращается в ледебурит, т.е. затвердевает при одновременной кристаллизации двух фаз (аустенита и цементита) (ЖС → АЕ + ЦF). Процесс эвтектической кристаллизации протекает при постоянной температуре (на кривой охлаждения имеется площадка 2 - 2’). Присутствуют три фазы аустенит (2,14% С), цементит (6,67% С) и жидкость (4,3% С) (С = 2 + 1 - 3 = 0). После затвердевания чугун состоит из кристаллов аустенита предельной концентрации и ледебурита (аустенит + цементит).

При последующем охлаждении (2' → 3) из аустенита, как входящего в структуру ледебуритной эвтектики, так и структурно свободного выделяется вторичный цементит. Цементит, выделившийся из структурно свободного аустенита, образует самостоятельную составляющую. Цементит же, выделяющейся из аустенита ледебурита, наслаивается на уже имеющиеся в ледебурите цементитные частицы. При температуре эвтектопдного превращения (линия PSK - 727°С) аустенит, концентраты углерода в котором становится равной 0,87 % (в соответствии с линией ES аустенит приобретает концентрацию точки S), претерпевает, как и в углеродистых сталях, эвтектоидное превращение, т.е. распадается с образованием эвтектондной смеси феррита с цементитом - перлита.

При этом аустенит, входящий в состав ледебурита, также превращается в перлит, поэтому ледебурит при температуре выше 727° С представляет собой смесь цементита с аустенитом, а ниже этой температуры - цементита с перлитом (ледебурит превращенный, ЛII).

Этот процесс можно записать следующим образом:

As + ЦII + ледебурит [АS + ЦII + ЦF] → перлит (ФР + Цк) + ЦII + ледебурит [перлит (Фр + Цк) + Цц +ЦF].

Задание 3

Кулачки, эксцентрики, копиры и некоторые другие детали должны иметь после термообработки минимальную деформацию и высокую износоустойчивость (твердость 750-1000 НВ). Для их изготовления выбрана азотируемая сталь 35ХМЮА. Расшифруете состав стали и опишите влияние легирующих элементов на ее свойства. Назначьте режим термообработки, дайте его обоснование; назначьте режим химико-термической обработки и опишите микроструктуру деталей в готовом виде.

Ответ:

ХМЮА - конструкционная легированная хромомолибденалюминиевая жаропрочная релаксационностойкая, содержащая 0,35% углерода, хрома, молибдена и алюминия до 1%, буква А - обозначает высококачественную сталь.

Назначение: шестерни, валы, цапфы, шпильки, гайки, и различные другие детали, работающие при температуре до 450-500°С.

Для получения высокой износостойкости поверхностного слоя требуется повести химико-термическую обработку стали - азотирование. Цель азотирования − придание поверхностному слою деталей высокой твердости, износостойкости и коррозионной стойкости. Азотирование осуществляется при выделении активного азота из диссоциирующего аммиака.

Перед азотированием заготовки подвергают закалке и высокому отпуску (улучшению), для получения оптимальных механических свойств, в нашем случае прочности. Азотирование производят в печах при температуре 500−600 °С. Активный азот, выделяющийся при диссоциации аммиака, диффундирует в поверхностный слой и вместе с перечисленными легирующими элементами и железом образует очень твердые химические соединения − нитриды (AlN, MoN, Fe3N и др.).

Азотирование на глубину 0,2−0,5 мм продолжается 25−60 ч и в этом его основной недостаток. Однако азотирование имеет ряд преимуществ перед цементацией: температура нагрева сравнительно низкая, а твердость более высокая (1100−1200 по Виккерсу, вместо 800−900 после цементации и закалки); у азотированных изделий большие коррозионная стойкость, сопротивление усталости и меньшая хрупкость. Поэтому азотирование широко применяют для деталей из стали и чугуна (шестерен, коленчатых валов, цилиндров двигателей внутреннего сгорания и т.д.).

Термическая обработка стали 35ХМЮА будет включать:

1)    Закалку маслом с 930-9500С;

2)      Высокий отпуск при 640-6800С воздух;

)        Азотирование 520-5400С с печью до 1000С.

При нагреве большинство легирующих элементов растворяются в аустените. Карбиды титана и ниобия не растворяются. Эти карбиды тормозят рост аустенитного зерна при нагреве и обеспечивают получение мелкоигольчатого мартенсита при закалке. Остальные карбидообразующие элементы, а также некарбидообразующие, при нагреве растворяются в аустените и при закалке образуют легированный мартенсит.

При отпуске легирующие элементы замедляют процесс распада мартенсита: никель, марганец - незначительно; хром, молибден, кремний - заметно. Это связано с тем, что процессы при отпуске имеют диффузионный характер, а большинство элементов замедляют карбидное превращение. Легированные стали сохраняют структуру мартенсита отпуска до температуры 400…500oС. Так как в легированных сталях сохраняется значительное количество остаточного аустенита, то превращение его в мартенсит отпуска способствует сохранению твердости до высоких температур. Таким образом, легированные стали при отпуске нагревают до более высоких температур или увеличивают выдержку.

Некоторые легирующие элементы (алюминий, кобальт) повышают мартенситную точку и уменьшают количество остаточного аустенита, другие не влияют на эту точку (кремний). Большинство элементов снижают мартенситную точку и увеличивают количество остаточного аустенита.

После азотирования в сердцевине изделия сохраняется структура сорбита, которая обеспечивает повышенную прочность и вязкость. Структура поверхности − имеет сорбитообразное строение и отличается от сорбитной структуры сердцевины тем, что травится более сильно вследствие высокого содержания азота.

Задание 4

Холодные трещины сварных соединений. Объясните причины их появления.

Ответ:

Холодные трещины - локальные хрупкие разрушения материала сварного соединения, возникающие под действием остаточных сварочных напряжений. Размеры холодных трещин соизмеримы с размерами зон сварного соединения. Локальность разрушения объясняется частичным снятием напряжений пpи образовании трещин и ограниченностью зон сварного соединения, в которыx возможно развитие трещин бeз дополнительного притока энергии oт внешних нагрузок.

Для большинства случаев возникновения холодных трещин характерны:

–   наличие инкубационного периода до образования очага трещин;

–       образование трещин при значениях напряжений, составляющих <0,9 кратковременной прочности материалов в состоянии после сварки.

Эти особенности позволяют отнести холодные трещины к замедленному разрушению свежезакаленного материала.

К образованию холодных трещин при сварке склонны углеродистые и легированные стали, некоторые титановые и алюминиевые сплавы.

При сварке углеродистых и легированных сталей холодные трещины могут образоваться, если стали претерпевают частичную или полную закалку. Трещины возникают в процессе охлаждения после сварки ниже температуры 150єС или в течение последующих нескольких суток. Холодные трещины могут образовываться во всех зонах сварного соединения и иметь параллельное или перпендикулярное расположение по отношению к оси шва. Место образования и направление трещин зависят от состава основного металла и шва, соотношения компонент сварочных напряжений и некоторых других обстоятельств.

В практике холодные трещины в соответствии с геометрическими признаками и характером излома получили определенные названия: «откол» - продольные в ЗТВ (зоне термического влияния), «отрыв» - продольные в зоне сплавления со стороны шва (аустенитного), «частокол» - поперечные ЗТВ и др.

Наиболее частыми являются холодные трещины вида «откол».

Основными факторами, обусловливающими образование холодных трещин в сварном соединении углеродистых и легированных сталей, являются:

–   структурное состояние металла сварного соединения, характеризуемое наличием составляющих мартенситного и бейнитного типов;

–       размером действительного аустенитного зерна;

–       концентрация диффузионного водорода в зоне зарождения очага трещины;

–       уровень растягивающих сварочных напряжений первого рода.

Критическое сочетание этих факторов приводит к бразованию холодных трещин.

сера кристаллизация трещина сварный

Задание 5

Опишите требования, предъявляемые к формовочным материалам.

Ответ:

) основные - огнеупорная основа смеси (кварцевый песок и т. д.), связующие материалы (глина, различные смолы, другие связующие вещества);

) вспомогательные, например различные добавки (уголь, древесная мука, торф и т. д.), придающие формовочной или стержневой смеси определенные свойства.

Формовочные и стержневые смеси приготовляют из исходных формовочных материалов и из отработанных смесей (смеси, бывшие в употреблении). Состав смесей зависит от назначения, способа формовки, рода заливаемого в форму металла. Вспомогательные формовочные составы - это материалы (краски, клеи, замазки), необходимые для отделки и исправления форм и стержней.

Для хорошего уплотнения формовочной смеси в опоке большое значение имеет пластичность смеси - способность деформироваться под действием приложенных внешних усилий или собственной массы, что обеспечивает получение отпечатка модели или заполнение полости стержневого ящика. Пластичность формовочной и стержневой смеси зависит от свойств составляющих смеси и применяемых связующих. Например, смесь с масляным связующим обладает большой пластичностью; песчано-глинистые смеси имеют небольшую пластичность. Литейная форма должна обладать достаточной прочностью, чтобы при сборке, транспортировке и заливке металлом она не разрушалась. Поэтому и формовочная смесь должна обладать определенной прочностью - способностью сопротивляться разрушению под действием нагрузки. Прочность формовочной смеси зависит от зернистости песка, влажности, плотности и от содержания глины или связующих в смеси. С увеличением плотности, уменьшением размера зерен песка, увеличением глиносодержания прочность смеси возрастает.

Сыпучесть смеси влияет на зависание ее в бункерах, на заполнение и равномерность распределения см е си при засыпке в опоку, качество и длительность перемешивания смеси в смесителях. С сыпучестью связана комкуемость - способность смеси образовывать комки. Сыпучесть и комкуемость зависят от прочности связей песчинок в местах контакта. Начальная (насыпная) плотность смеси повышает равномерность уплотнения формы. Поэтому смесь должна иметь хорошую сыпучесть - минимальную комкуемость. Большое значение имеет поверхностная прочность - сопротивление поверхностного слоя формы или стержня истиранию. Поверхностная прочность характеризуется осыпаемостью. В процессе заливки и охлаждения отливки стенки формы нагреваются металлом до высоких температур, равных практически температуре металла, поэтому формовочные материалы должны обладать высокой огнеупорностью. Это одно из главных требований, предъявляемых к формовочным материалам.

Огнеупорность - способность смеси сопротивляться размягчению или расплавлению под действием высокой температуры жидкого металла - зависит от огнеупорности составляющих смеси и количественного их соотношения. Чем больше примесей в песке и глине, тем меньше огнеупорность формовочных и стержневых смесей. Чем крупнее песок и чем меньше в нем примесей, пыли и больше кремнезема, тем более огнеупорна смесь. В процессе заливки формы металлом органические материалы, входящие в состав формовочной смеси (связующие, опилки), сгорают и выделяют газы, влага испаряется и образует большое количество паров. Способность смеси выделять газы при заливке называется газотворностью. Она определяется количеством газов, выделяющихся из 1 кг смеси.

Образующиеся газы, пары и воздух стремятся выйти из формы через поры формовочной смеси. Поэтому она должна иметь достаточную газопроницаемость. Газопроницаемость - свойство смеси пропускать через себя газы - зависит от качества и количества глинистых составляющих и кварцевого песка. Чем больше песка в формовочной смеси и чем он крупнее, тем выше газопроницаемость смеси, и наоборот. Газопроницаемость зависит также от формы зерен песка, влажности, наличия пыли, угля, степени уплотнения и т. п. Чем больше пыли в песке, тем меньше газопроницаемость. При быстром газообразовании и недостаточной газопроницаемости смеси давление газа превышает давление залитого металла, и газ стремится вы йти из формы не через смесь, а через металл. В этом случае в отливках могут появиться и газовые раковины. В процессе затвердевания и охлаждения размеры отливки уменьшаются вследствие усадки металла. Однако форма препятствует усадке, в результате в отливке могут возникать напряжения и появляться трещины. Поэтому формовочная смесь должна обладать податливостью - способностью сокращаться в объеме и перемещаться под действием усадки отливки. Высокая прочность и газопроницаемость формовочной смеси обеспечиваются однородностью - равномерным распределением в формовочной смеси составляющих компонентов в результате тщательного перемешивания. Формовочные и стержневые смеси должны обладать минимальной прилипаемостью к модели или стержневому ящику, что зависит от содержания влаги, связующей добавки и ее свойств. Прилипаемость смеси повышается с увеличением количества жидкости в смеси. Сульфитно-спиртовая барда увеличивает прилипаемость смеси, масляные связующие уменьшают ее.

Гигроскопичность - способность формовочной и стержневой смеси поглощать влагу из воздуха - зависит от свойств связующей добавки. Стержни, изготовленные из смесей на сульфитной барде, обладают большой гигроскопичностью. Поэтому собранные формы с такими стержнями нельзя выдерживать перед заливкой металла, в противном случае увеличивается брак по газовым раковинам.

Долговечность - способность смеси сохранять свойства при повторных заливках. Чем долговечнее смесь, тем меньше добавляют в отработанную смесь свежих формовочных материалов при ее переработке. Освобождение отработанной смеси от пыли, введение свежего песка и глины позволяют восстановить свойства смеси.

Выбиваемость - способность стержневой смеси легко удаляться при выбивке ее из охлажденной отливки - зависит от количества песка, глины и вида связующего в стержневых смесях.

Список литературы

1. Дриц, М.Е. Технология конструкционных материалов и материаловедение: учеб. для вузов / М.Е. Дриц, М.А. Москалев. - М.: Высш. шк., 1990. - 447 с.

2.       Металловедение и технология металлов: учеб. для вузов / Ю.П. Солнцев [и др.]; под ред. Ю.П. Солнцева. - М.: Металлургия, 1988. - 512 с.

.        Технология конструкционных материалов : учеб. для вузов / А.М. Дальский [и др.]; под общ. ред. А.М. Дальского. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1992. - 448 с.

.        Технология металлов и материаловедение: учеб. для вузов / Б.В. Кнорозов [и др.]; под общ. ред. Л.Ф. Усовой. - М.: Металлургия, 1987. - 800 с.

.        Технология обработки конструкционных материалов : учеб. для вузов / П.Г. Петруха [и др.]; под ред. П.Г. Петрухи. - М.: Высш. шк., 1991. - 512 с.

.        Фетисов, Г.П. Материаловедение и технология металлов : учеб. для студентов вузов / Г.П. Фетисов и др. - М.: Высш. шк., 2001. - 637 с.