Материаловедение

По диаграмме состояния железо-углерод опишите превращения при охлаждении сплава

Вариант 10
1. По диаграмме состояния железо-углерод опишите превращения при охлаждении сплава, содержащего 6,2% углерода. Постройте кривую охлаждения сплава и классифицируйте его.
Диаграмма фазового равновесия системы железо-углерод (рисунок 1) относится к типу диаграмм с ограниченной растворимостью углерода в железе, имеющем полиморфные модификации с наличием эвтектического, перитектического и эвтектоидного превращений.

Рисунок 1. Диаграмма состояния железо-цементит и линия заданного сплава

Для заданного состава проводим линию сплава. Отмечаем каждое пересечение линии сплава с линиями диаграммы. Сносим каждую точку пересечения на диаграмме для построения кривой охлаждения.
Рассмотрим фазовые превращения, происходящие при охлаждении заданного сплава. Выше температуры ликвидуса (до точки 1) сплав находится в области однофазного жидкого раствора. В точке 1 начинается кристаллизация цементита (первичного) из жидкого раствора. Сплав является двухфазным. Цементит выделяется в виде крупных пластинчатых кристаллов.
В точке 2 при температуре 1147°С первичная кристаллизация заканчивается эвтектическим превращением с образованием ледебурита. На кривой охлаждения изображаем горизонтальный участок.

Рисунок 2. Микроструктура заэвтектического чугуна: цементит (светлые пластины) и ледебурит
Ниже точки 2 состав сплава представлен первичным цементитом и ледебуритом (аустенит + цементит). В точке 3 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого аустенит превращается в перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре, поэтому на кривой охлаждения изображаем горизонтальный участок.
При дальнейшем охлаждении от точки 3 до комнатной температуры сплав представлен первичным цементитом и ледебуритом (смесь перлита и цементита). Данный сплав называется чугун заэвтектичекий, микроструктура которого представлена на рисунке 2.

2. Алюминиевые сплавы. Дюралюмины и силумины. Их марки, свойства, области применения.
Из-за низкой прочности технический алюминий применяется для изготовления малонагруженных элементов конструкций. Широкое применение в качестве конструкционных материалов имеют сплавы на основе алюминия. Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью на всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкой применение в авиации, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.
В зависимости от легирующего элемента алюминиевые сплавы можно классифицировать на деформируемые и литейные. Деформируемые сплавы делаться на упрочняемые термической обработкой и неупрочняемые термической обработкой. Литейные сплавы также могут упрочняться в результате термической обработки, но степень упрочнения тем меньше, чем больше легирован литейный сплав, т.е. чем больше эвтектики в структуре.
Кремний является одним из основных легирующих элементов в литейных алюминиевых сплавах (силуминах). Силумины обычно содержат от 5 до 14% Si, т.е. на несколько процентов больше или меньше эвтектической концентрации. Эти сплавы обычно имеют грубую игольчатую эвтектику, состоящую из (α + Si) и первичные кристаллы.
Литейные сплавы имеют маркировку «АЛ» с последующей цифрой, обозначающей номер марки в ГОСТе. АЛ2 – это нормальные силумины, АЛ4 и АЛ9 – это литейные сплавы с минимальным количеством кремния и повышенным содержанием магния и марганца. Аббревиатурами АЛ3, АЛ5, АЛ6 обозначаются алюминиевые сплавы, легированные медью, которые характеризуются слабыми литейными свойствами, но одновременно выгодно отличаются отличной способностью к любой механической обработке. Маркировкой АЛ11 обозначают литейный сплав с цинковой присадкой, который используют при отливке деталей сложной конфигурации. Литейный алюминиевый сплав АЛ7 применяется для изготовления небольших деталей путём литья, которые впоследствии подвергаются активной механической обработке. Сплав АЛ12 имеет ярко выраженную склонность к точному фасонному литью, однако механическая обработка деталей из этого металла нецелесообразна.
Обладая высокими литейными свойствами, силумины являются основным исходным материалом для создания технологичных и, в то же время, высокопрочных литейных алюминиевых сплавов, которые могут подвергаться упрочняющей термической обработке. При создании таких сплавов используют дополнительное легирование силуминов с целью образования в структуре силумина новых фаз, способных приводить к упрочнению при термической обработке.
Дюралюминий – это деформируемый сплав на основе алюминия, упрочняемый термической обработкой (закалкой и старением).
Дюралюминий обозначается буквой «Д» с последующим указанием процентной чистоты сплава в процентах. Металл под маркировкой Д1 – это обыкновенный дюраль для широкого использования, сплавы Д16 и Д6 отличается более высоким содержанием меди и магния соответственно. Для поковки и штамповки используют стандартный дюралюминий, обозначаемый АК1, и аналогичные алюминиевые сплавы, маркируемые аббревиатурой АК5, АК6 и АК8. Дюралюминиевые сплавы повышенной прочности маркируют буквой «В», например, В95, В96, В93 и активно используют в самолётостроении. В этих металлах преобладают цинковые включения (до 7% от общего объёма), что обеспечивает необходимый запас твёрдости внутренней структуры и поверхности.

Перечень использованной литературы
Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.
Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.

Основное ее преимущество – возможность автоматически регулировать углеродный потенциал

% природного газа. Основное ее преимущество – возможность автоматически регулировать углеродный потенциал. Под ним понимают науглероживающую способность атмосферы, обеспечивающую определенную концентрацию углерода на поверхности цементованного слоя.
Для сокращения длительности процесса широко используют газовую цементацию, при которой углеродный потенциал эндотермической атмосферы вначале поддерживают высоким, обеспечивающим получение в поверхностной зоне стали 1,2 – 1,3 % С, а затем его снижают до 0,8 % С.
Процессы цементации проводят при 930 – 950°С. При этом сталь имеет структуру аустенита, растворяющего до 2% С. Глубина цементованного слоя зависит не только от температуры, но и времени выдержки. Обычно для получения слоя толщиной 1,0 – 1,5 мм, процесс осуществляют за 8 – 12 часов.
Диффузия углерода возможна только в атомарном состоянии. Атомарный углерод, образующийся в насыщающей среде, адсорбируется поверхностью стали и диффундирует вглубь металла. Однако растворение углерода возможно только в γ-железе. Поэтому при цементации сталь необходимо нагревать выше линии GS на диаграмме железо-углерод.
 

Рис.56. Диаграмма диффузионных процессов при цементации:
1 -линия исходного состава стали; 2-линия состава поверхностного слоя;
a, b-точки начала и конца охлаждения; затемненный участок – поверхностный слой.

Цементованный слой имеет переменную концентрацию углерода по глубине, убывающую от поверхности к сердцевине детали.
Исходный состав стали соответствует линии 1 (рис.56). В результате цементации содержание углерода на поверхности достигает примерно 0,9% (линия 2). Для цементации сталь нагревается выше линии GS до аустенитной зоны (А), и в процессе насыщения сталь находится в однофазном состоянии. После цементации состав стали по глубине (от поверхности до сердцевины) изменяется по кривой, показанной на нижней части рисунка 1. После охлаждения поверхностная зона (0,8-0,9% С) будет состоять из цементита и перлита, затем следует зона перлита, далее зона феррита и перлита (первоначальная структура стали). Эффективную толщину цементированного слоя по структуре принято измерять на металлографических шлифах в отожженном состоянии при увеличении от 100 до 500 крат. Границей цементированной зоны считается структура, состоящая из 50% перлита и 50% феррита, что соответствует концентрации углерода равной 0,4%.
При рассмотрении процесса охлаждения поверхностной зоны (линия 2) видно, что вначале (точка a) из аустенита начинает выделяться вторичный цементит, а затем при пересечении с линией эвтектоидного превращения (точка b) аустенит превращается в перлит и образуется структура цементит и перлит. При охлаждении более глубокого слоя (линия точки S) аустенит сохраняется до температуры эвтектоидного превращения, при котором он превращается в перлит. Сердцевина стали (линии 1) содержит очень мало углерода, поэтому при охлаждении из аустенита начинает выделяться феррит. Аустенит при последующем медленном охлаждении претерпевает распад с образованием феррито-цементитной структуры.

Рис.57. Схема изменения структуры и свойств стали при цементации:
а- диаграмма железо-углерод; б – изменение содержания углерода и твердости стали; в – схема изменения микроструктуры.

После медленного охлаждения в структуре цементированного слоя можно различить три зоны (рис.57): заэвтектоидную 1, состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную 2, состоящую из одного пластинчатого перлита, и доэвтектоидную 3, состоящую из перлита и феррита. Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине.
 

 
Рис.58 – Микроструктура цементированного слоя стали с содержанием
углерода менее 0,1%.

За эффективную толщину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и половины переходной (доэвтектоидной) областей – до 0,40 – 0,45 % С или после закалки толщину до твердости HRC 50 или НV 500 – 600.Толщина цементованного слоя составляет 1 – 2 мм, но может быть и больше. Степень цементации-это среднее содержание углерода в поверхностном слое (обычно не более 1,2 % С). В связи с этим после медленного охлаждения в структуре науглероженного слоя можно различить (от поверхности к сердцевине) три зоны (pиc.58 ): заэвтектоидную (а), состоящую из перлита и вторичного цементита, образующего сетку по бывшему зерну аустенита; эвтектоидную (б) из одного пластинчатого перлита и доэвтектоидную (в) из перлита и феррита.
При высокой концентрации углерода на поверхности стали (более 1,2-1,3%) в микроструктуре образуется грубая цементитная сетка по границам зерен, что отрицательно сказывается на прочности и износостойкости. При насыщении стали углеродом диффузия его протекает со скоростью, значительно превышающей скорость диффузии элементов, входящих в исходный состав стали, диффузия последних практически не оказывает влияния на формирование диффузионного слоя и состав образующихся фаз.
Легирующие элементы в стали оказывают различное влияние на массоперенос. Они влияют на скорость процесса цементации, глубину цементированного слоя и концентрацию углерода в поверхностной зоне. Не карбидообразующие элементы, такие как никель, кремний кобальт, ускоряют диффузию углерода в аустените, но одновременно с этим уменьшают максимальное содержание углерода в поверхностной зоне. Карбидообразующие элементы наоборот понижают коэффициент диффузии углерода в аустените, но зато увеличивают его содержание в поверхностной зоне.
Образование карбидов ведет к обеднению аустенита легирующими элементами. Это ведет к уменьшению прокаливаемости стали. Таким образом, карбидообразующие элементы (Cr, W, Si) уменьшают эффективный коэффициент диффузии углерода.
Легирование стали не карбидообразующими элементами (Ni, Co) увеличивают эффективный коэффициент диффузии углерода. Сила связи не карбидообразующих элементов с углеродом меньше, чем с железом, поэтому они не могут затруднить его диффузию. Кроме того, они искажают кристаллическую решетку аустенита. Чем сильнее искажения кристаллической решетки аустенита, тем больше эффективный коэффициент диффузии углерода.
Окончательные свойства цементированных изделий достигаются в результате термической обработки (ТО) после цементации. В результате такой обработки цементированный слой приобретает структуру мартенсита отпуска с мелкими включениями карбидов, а сердцевина состоит из закалочных структур перлитного класса и феррита (рис.59).
 

Рис.59. Микроструктура цементированного слоя стали после термообработки

Этой обработкой можно исправить структуру, измельчить зерно сердцевины и цементированного слоя, неизбежно увеличивающееся во время длительной выдержки при высокой температуре цементации. В результате можно получить высокую твердость в цементированном слое (60-62 HRC) и высокие механические свойства сердцевины. В цементированном слое устраняется карбидная сетка на границах зерен, которая может возникнуть при насыщении его углеродом до заэвтектоидной концентрации.
Применяется несколько вариантов термической обработки. Схемы различных вариантов термообработки приведены на рис.60.
После цементации изделия подвергают закалке с отпуском. Это обеспечивает получение в поверхностном слое изделий высокой твердости при сохранении мягкой вязкой сердцевины, возникновение напряжений сжатия, увеличивающих предел выносливости и долговечность деталей.
По окончании газовой цементации используют закалку без повторного нагрева, а непосредственно из печи после подстуживания изделий до 840 –860°С. Такая обработка не исправляет структуры науглероженного слоя и сердцевины и не приводит к измельчению зерна. Поэтому она применима только к наследственно мелкозернистой стали. Для уменьшения деформации цементованных изделий используют ступенчатую закалку в горячем масле 160 – 180°С.
Иногда для ответственных деталей термическая обработка состоит из двойной закалки и отпуска. Первую закалку (или нормализацию) с нагревом до 880 – 900°С назначают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется цементитная сетка, которая при быстром охлаждении вновь не образуется. Вторую закалку проводят с разогревом до 760 – 780°С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему высокой твердости. Недостаток такой термической обработки заключается в большом объеме технологического процесса, повышенном короблении, возникающем в изделиях сложной формы, и возможности окисления и обезуглероживания.
Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160 – 180°С, переводящий мартенсит закалки в поверхностном слое в отпущенный мартенсит.
 

 
Рис. 60. Схемы возможных вариантов термообработки после цементации
 
В результате термической обработки поверхностный слой приобретает структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количеством остаточного аустенита и избыточных карбидов (рис.61).
Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет HRC 60 – 64, а для легированной HRC 58 – 61; снижение твердости объясняется образованием повышенного количества остаточного аустенита.
Сердцевина деталей из углеродистой стали имеет структуру сорбита. В легированных – бейнита или низкоуглеродистого мартенсита. Низкоуглеродистый мартенсит обеспечивает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Твердость сердцевины обычно составляет HRC 30 – 40.
Цементацию рекомендуется применять для сталей, обладающих хорошей прокаливаемостью и закаливаемостью цементированного слоя, которые должны обеспечить требуемый уровень прочности, износостойкости и твердости. Прокаливаемость сердцевины должна регулироваться в весьма узком диапазоне твердости, который составляет 30-43 HRC. У цементируемых наследственно-мелкозернистых сталей размер зерна не должен превышать 6-8 баллов. В противном случае в ходе цементации отмечается значительный рост зерна сердцевины изделия, что приводит к снижению его эксплуатационных свойств в условиях контактного трения и знакопеременных нагрузках.

Цементуемые стали принято разделять на три группы:

1.Углеродистые стали с не упрочняемой сердцевиной (10, 15, 20);
2.Низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной (15ХР, 20Х, 20ХНР, 18ХГТ);
3.Высоколегированные стали с сердцевиной сильно упрочняемой при термообработке (12ХН3А, 20Х2Н4А, 18ХНМА и др.).

Детали, подвергаемые цементации, предназначены для работы в условиях поверхностного трения. Это шестерни, поршневые пальцы, различные валы, оси, втулки и т.д.

Рассмотрим пример

Для цементуемых изделий применяют низкоуглеродистые (0,1–0,25% С) стали. После цементации, закалки и низкого отпуска этих сталей цементованный слой должен иметь твердость HRС 58–62, а сердцевина HRC 20–40. Сердцевина цементуемых сталей должна иметь высокие механические свойства, особенно повышенный предел текучести, кроме того, она должна быть наследственно мелкозернистой.
Для деталей ответственного назначения, испытывающих в эксплуатации значительные динамические нагрузки, применяют хромоникелевые и более сложно-легированные стали.
Одновременное легирование хромом и никелем повышает прочность, пластичность и вязкость сердцевины. Никель, кроме, того, повышает прочность и вязкость цементованного слоя.
Хромоникелевые стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к пересыщению поверхностных слоев углеродом. Большая устойчивость переохлажденного аустенйта в области перлитного и промежуточного превращений обеспечивает высокую прокаливаемость хромоникелевой стали.

Рисунок 2 – Диаграмма изотермического превращения переохлажденного аустенита для цементуемых стали 12ХН3А в нецементованном (слева) и цементованном (справа) состояниях.

Цементация поверхности заготовок

1.1 Общие положения

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в науглероживающей среде (карбюризаторе). Окончательные свойства цементованных изделий приобретают после закалки и низкого отпуска. Назначение цементации и последующей термической обработки – придать поверхностному слою высокую твердость и износостойкость, повысить предел контактной выносливости и предел выносливости при изгибе при сохранении вязкой сердцевины.
Цементация широко применяется для упрочнения среднеразмерных зубчатых колес, валов коробки передач автомобилей, отдельных деталей рулевого управления, валов быстроходных станков, шпинделей и многих других деталей машин. На цементацию детали поступают после механической обработки с припуском на грубое и окончательное шлифование 0,05–0,010 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали, тогда участки, не подлежащие упрочнению, покрывают тонким слоем малопористой меди (0,02–0,04 мм), которую наносят электролитическим способом, или изолируют специальными обмазками, состоящими из смеси огнеупорной глины, песка и асбеста, замешанных на жидком стекле. Для обеспечения стабильности и качества рекомендуют детали перед цементацией подвергнуть промывке в 3 – 5% содовом растворе.
Процесс газовой цементации обладает рядом преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе:
повышается производительность процесса по сравнению с цементацией в твердом карбюризаторе, так как не нужно затрачивать время на упаковку и прогрев ящиков;
сокращается потребная производственная площадь и количество рабочей силы, так как отпадает необходимость в упаковке и распаковке деталей, хранении и транспортировке ящиков и карбюризатора;
сокращается потребность в жаростойком материале, так как расход его на муфели и приспособления при газовой цементации гораздо меньше, чем на ящики при цементации в твердом карбюризаторе;
появляется возможность регулирования процесса для получения цементованного слоя

S=0 3…0 35 мм об Уточняем подачу по паспорту станка Окончательно принимаем подачу S=0

S=0,3…0,35 мм/об. Уточняем подачу по паспорту станка. Окончательно принимаем подачу S=0,3 мм/об.
Скорость резания в метрах в минуту при аналитическом методе рассчитывается по эмпирической формуле:
v=CvTm∙txv∙Syv∙Kмv∙Kиv∙Knv∙Kφv∙Kφ1v
где Cv, m, xv, yv – постоянный коэффициент и показатели степени (приложение 10); Т – период стойкости резца, равный 60 мин; t и S – соответственно глубина резания, мм и подача, мм/об; Kмv, Kφv, Kφ1v – коэффициенты, учитывающие соответственно влияние механических свойств обрабатываемого материала (приложение 11) главного и вспомогательного углов в плане φ и φ1 на скорость резания.
Kмv=Кг∙750σв=0,9∙750750=0,9
v=420600,2∙10,15∙0,30,2∙0,9∙1,0∙1,0∙0,92∙0,87=169,7 м/мин
Частота вращения заготовки:
nз=1000·V/(π·D)=1000·169,7/(3,14·84)=643,4 об/мин
По паспорту станка уточняем частоту: nз=630 об/мин, тогда действительная скорость резания:
V= π·D·n/1000=3,14·84·630/1000=166,17 м/мин.
Главная составляющая силы резания в ньютонах рассчитывается по формуле:
Pz=3000∙11∙0,30,75∙166,17-0,15∙1∙1,0∙0,94=530,9 H
Изгибающая сила R=1,2·Pz=1,2·530,9=637,1 H.
Основное технологическое время для продольного наружного точения:
t0=630+1+1,7+2630∙0,3=3,36 мин.
Рассчитаем упругие деформации заготовки и станка в координатных сечениях:
Координата сечения Х=0:
fз=0 мкм; fст=R∙1jз.б.+1jсуп,
где jз.б.=53Hмкм; jсуп=63,7 Hмкм – жесткость соответственно задней бабки и суппорта станка 16Б16П.
fст=637,1∙153+163,7=22,02 мкм;
Координата сечения Х=0,25L:
fз=11,72∙R∙L3E∙J∙μ, где
J – момент инерации сплошного сечения заготовки, мм4
J=0,05∙D04,
где – D0 – диаметр обработанной поверхности, мм, полученной на данной операции;
J=0,05∙824=2260608,8 мм4
μ – коэффициент, учитывающий гироскопический эффект, состоящий в повышении жесткости заготовки при ее вращении;
μ=1+0,0014·v=1+0,0014·166,17=1,23
fз=11,72∙637,1∙70032,1∙105∙2260608,8∙1,23=4,39 мкм
fст=R∙0,0625jп.б.+0,5625jз.б.+1jсуп
где jп.б.=100Hмкм
fст=637,1∙0,0625100+0,562553+163,7=17,16 мкм
Координата сечения Х=0,5L:
fз=20,83∙R∙L3E∙J∙μ=20,83∙637,1∙70032,1∙105∙2260608,8∙1,23=7,8 мкм
fст=R∙0,25jп.б.+0,25jз.б.+1jсуп=637,1∙0,25100+0,2553+163,7=14,6 мкм
Координата сечения Х=0,75L:
fз=11,72∙R∙L3E∙J∙μ=11,72∙637,1∙70032,1∙105∙2260608,8∙1,23=4,39 мкм
fст=R∙0,5625jп.б.+0,0625jз.б.+1jсуп=637,1∙0,5625100+0,062553+163,7=
=14,34 мкм
Координата сечения Х=0,9L:
fз=2,7∙R∙L3E∙J∙μ=2,7∙637,1∙70032,1∙105∙2260608,8∙1,23=1,01 мкм
fст=R∙0,81jп.б.+0,01jз.б.+1jсуп=637,1∙0,81100+0,0153+163,7=15,28 мкм
Координата сечения Х Прогиб заготовки fз, мкм Упругая деформация станка fст, мкм
0 0 22,02
0,25L 4,39 17,16
0,5L 7,8 14,6
0,75L 4,39 14,34
0,9L 1,01 15,28

Размерный износ лезвия резца в микрометрах, измеряемый по нормали к обработанной поверхности, рассчитывается по формуле:
u=uн+u0∙v∙τ,
где uн=6 мкм – начальный износ;
u0=8∙10-3мкм/м – относительный износ;
v – скорость резания;
τ=xn∙s – время резания.
Координата сечения Х=0:
τ=0 мин; u=0 мкм.
Координата сечения Х=0,25L:
τ=0,25·Ln∙s=0,25·700630∙0,3=0,93 мин
u=6+8∙10-3∙166,2∙0,93=7,24 мкм.
Координата сечения Х=0,5L:
τ=0,5·Ln∙s=0,5·700630∙0,3=1,85 мин
u=6+8∙10-3∙166,2∙1,85=8,46 мкм.
Координата сечения Х=0,75L:
τ=0,75·Ln∙s=0,75·700630∙0,3=2,78 мин
u=6+8∙10-3∙166,2∙2,78=9,7 мкм.
Координата сечения Х=0,9L:
τ=0,9·Ln∙s=0,9·700630∙0,3=3,33 мин
u=6+8∙10-3∙166,2∙3,33=10,43 мкм.
Температурная деформация резца. Удлинение резца, соответствующее моменту времени резания при неустановившемся тепловом состоянии:
ξр=ξ∙τ,
где ξ – удлинение резца, мкм, за минуту резания;
τ – время резания, мин.
ξ=α∙lр∙θ∙103,
где α=12∙10-6 – коэффициент линейного расширения материала корпуса резца, К-1, lр=1,5∙h=1,5∙16=24 мм – вылет резца, мм; h – высота корпуса резца, мм. θ – средняя температура нагрева корпуса резца, К.
θ=β∙Qис∙ρ∙W
где β=0,5 – коэффициент, учитывающий долю теплоты Qи, направляемой в корпус резца.
с=4,187∙102 Дж/(кг·К) – удельная теплоемкость материала корпуса резца;
ρ=7,81∙103 кг/м3 – плотность материала корпуса резца;
W=hbL·10-9 = 25·16·140·10-9 =56·10-6 м3 – объем корпуса резца;

Qи=0,0175·Pz∙v=0,0175∙530,9∙166,17=1544 Дж
θ=0,5∙1544418,7∙7810∙56∙10-6=4,22 К
ξ=12∙10-6∙24∙4,22∙103=1,22 мкм/мин
Координата сечения Х=0:
ξр=0;
Координата сечения Х=0,25L:
ξр=1,22·0,93=1,14 мкм
Координата сечения Х=0,5L:
ξр=1,22·1,85=2,26 мкм
Координата сечения Х=0,75L:
ξр=1,22·2,78=3,39 мкм
Координата сечения Х=0,9L:
ξр=1,22·3,33=4,06 мкм
Координата сечения Х Время резания τ, мин Размерный износ лезвия резца u, мкм Удлинение резца ξр , мкм
0 0 0 0
0,25L 0,93 7,24 -1,14
0,5L 1,85 8,46 -2,26
0,75L 2,78 9,7 -3,39
0,9L 3,33 10,43 -4,06

Температурная деформация заготовки.
Отклонение профиля обработанной поверхности в микрометрах от номинальной образующей цилиндра можно рассчитать по формуле:
ξз=Ки∙α∙d2∙θ∙103
где Ки – коэффициент, учитывающий неравномерную температурную деформацию заготовки: для сечения, удаленного от начала резания на Х=0, Ки=0; для сечений, удаленных на Х=(0,25…0,75)L, Ки=0,65; для сечения, удаленного на Х=0,9L Ки=2.
α=13·10-6 – коэффициент линейного расширения материала заготовки;
d=82 мм – номинальный диаметр обработанной поверхности, мм;
θ – повышение температуры заготовки за время резания, К.
θ=Qзс∙ρ∙W
Qз=0,24∙Pz∙v∙τ – теплота, поступившая в заготовку за время ее обработки, Дж.
W=0,785∙d2∙l∙10-9=0,785∙822∙630∙10-9=0,0033 м3 – объем обрабатываемой части заготовки;
Координата сечения Х=0:
ξз=0;
Координата сечения Х=0,25L:
θ=0,24∙530,9∙166,2∙0,93418,7∙7810∙0,0033=1,83 К
ξз=0,65∙13∙10-6∙822∙1,83∙103=0,63 мкм
Координата сечения Х=0,5L:
θ=0,24∙530,9∙166,2∙1,85418,7∙7810∙0,0033=3,63 К
ξз=0,65∙13∙10-6∙822∙3,63∙103=1,26 мкм
Координата сечения Х=0,75L:
θ=0,24∙530,9∙166,2∙2,78418,7∙7810∙0,0033=5,46 К
ξз=0,65∙13∙10-6∙822∙5,46∙103=1,89 мкм
Координата сечения Х=0,9L:
θ=0,24∙530,9∙166,2∙3,33418,7∙7810∙0,0033=6,54 К
ξз=2,0∙13∙10-6∙822∙6,54∙103=6,97 мкм
Координата сечения Х Температурная деформация заготовки ξз , мкм
0 0
0,25L -0,63
0,5L -1,26
0,75L -1,89
0,9L -6,97

Координата сечения Х Суммарная погрешность обработки y, мкм
0 22,02
0,25L 27,02
0,5L 27,34
0,75L 23,15
0,9L 15,69

Отклонение формы обработанной поверхности заготовки от цилиндричности (величина бочкообразности):
Δ=ymax-ymin=27,34-15,69=11,65 мкм.
По приложению 15 определяем степень точности формы обработанной поверхности – 7я степень точности формы по ГОСТ 24643-81, т.к. Δ<16 мкм.
По приложению 17 определяем уровень относительной геометрической точности обработанной поверхности заготовки – повышенный (В).

Расшифруйте марочный состав сталей и классифицируйте их по назначению

30. Расшифруйте марочный состав сталей и классифицируйте их по назначению: Ст1кп; 10; А20; 15ХСНД; ШХ8; У8; 7ХГ2ВМФ; Р9К5. Опишите влияние добавок хрома на свойства стали. Расшифруйте марки чугунов и укажите вид графита: СЧ25; ВЧ40; КЧ33-8.
Ст1кп – сталь углеродистая конструкционная обыкновенного качества, номер марки 1 (содержание углерода 0,06…0,12%), кипящая, при поставке гарантируются механические свойства (группа А), категории 1 (нормируемые показатели: временное сопротивление при растяжении и относительное удлинение).
10 – сталь углеродистая конструкционная качественная с содержанием углерода 0,1%.
А20 – сталь углеродистая конструкционная повышенной обрабатываемости (автоматная), содержит 0,2% углерода.
15ХСНД – сталь легированная для сварных конструкций. Содержит 0,15% углерода, 1% хрома, 1% кремния; 1% никеля, 1% меди.
ШХ8 – сталь шарикоподшипниковая, содержит 0,8% хрома.
У8 – сталь инструментальная углеродистая, содержащая 0,8% углерода.
7ХГ2ВМФ – сталь инструментальная легированная, содержит 0,7% углерода, 1% хрома, 2% марганца, 1%, 1% вольфрама, 1% молибдена, 1% ванадия.
Р9К5 – сталь инструментальная быстрорежущая, содержит 9% вольфрама, 5% кобальта.
Хром является важнейшим легирующим элементом сталей. Он растворяется в цементите, оказывая благоприятное влияние на механические свойства стали. Хром повышает способность сталей к термическому упрочнению, их стойкость к коррозии и окислению, обеспечивает повышение прочности при повышенных температурах, а также повышает сопротивление абразивному износу высокоуглеродистых сталей.
Карбиды хрома, образующиеся в результате его взаимодействия с углеродом, являются и износостойкими. Сложные хроможелезистые карбиды входят в твердый раствор аустенита очень медленно – поэтому при нагреве таких сталей под закалку требуется более длительная выдержка при температуре нагрева.
При высоком содержании хрома (более 12%), сталь становится коррозионностойкой (нержавеющей), за счет повышения плотности упаковки атомов железа на поверхности материала и уменьшения количества и величины микродефектов, концентрирующих напряжение кристаллической структуры (сколы, облегчающие выход с поверхности катиона железа).
СЧ25 – серый чугун с пределом прочности при растяжении 250 МПа. Форма графитовых включений – пластинчатая.
ВЧ40 – высокопрочный чугун с пределом прочности при растяжении 400 МПа. Форма графитовых включений – шаровидная.
КЧ33-8 – ковкий чугун с пределом прочности при растяжении 330 МПа и относительным удлинением 8%. Форма графитовых включений – хлопьевидная.

30. Назначьте режим закалки и отпуска зубила, изготовленного из стали У8. Приведите график термической обработки и структуру после закалки и отпуска. Опишите, как изменяются свойства стали после отпуска.
Сталь У8 – это инструментальная углеродистая сталь, содержащая в среднем 0,8% углерода.
Термическая обработка – это воздействие температуры на изделие из заданного сплава. В результате этого воздействия изменяются структура и, соответственно, свойства материала в заданном направлении.
Для заданной стали оптимальной термообработкой являются закалка и отпуск. Закалка – термическая операция, состоящая в нагреве выше критической температуры, с последующим быстрым охлаждением для получения структурно неустойчивого состояния сплава. Температура и время выдержки должны быть такими, чтобы произошли все необходимые структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть достаточно высокой, чтобы при понижении температуры не успели произойти обратные превращения.
Отпуск – термическая операция, состоящая в нагреве закаленного материала ниже температуры превращения для получения более устойчивого структурного состояния сплава.
Для сплава У8 производится полная закалка, которая достигается нагревом стали на 30…50°С выше критической точки Ас1 и быстром охлаждении в воде. Температура полной закалки равна 790…820°С. Время выдержки будет складываться из времени, необходимого для совершения всех необходимых структурных изменений (1…2 часа). После закалки получится структура мартенсита с остаточным аустенитом. Твердость составляет HRC 62…65.
После закалки проводим низкотемпературный отпуск при температуре 250…320°С. Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до температуры ниже критической точки Ас1, выдержке при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь приобретает требуемые механические свойства.
При отпуске снижаются закалочные микронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости (твердость снижается до HRC 56…58). Продолжительность отпуска 1…2,5 часа. Охлаждение после отпуска осуществляется на спокойном воздухе.
Микроструктура до отпуска та же, что и после закалки – мартенсит и остаточный аустенит. Структура отпущенной стали формируется в период выдержки при температуре отпуска, следовательно, именно в этот период происходит образование отпущенного мартенсита из закалочного. Охлаждение не оказывает влияния на структурное состояние стали.
Графики термической обработки и микроструктура стали представлены на рисунке 1.

закалка отпуск
Рисунок 1. График термообработки

2 Для изготовления высадочных и чеканочных штампов выбрана сталь 4ХВС

2. Для изготовления высадочных и чеканочных штампов выбрана сталь 4ХВС. Укажите состав и определите группу стали по назначению. Назначьте режим термической обработки, приведите его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения при термической обработке этой стали. Опишите структуру и свойства штампов после термической обработки.

Сталь 4ХВС относится к штамповым сталям с высокой ударной вязкостью, которая может работать при повышенных температурах. Ее химический состав приведен в таблице 2.1.

Таблица 2.1
Химический состав в % стали 4ХВС
C Si
Mn
Ni
S P Cr
W Cu
0,35 – 0,45 0,6 – 0,9 0,15 – 0,4 до   0,35 до   0,03 до   0,03 1 – 1,3 1 – 1,5 до   0,3

Из стали 4ХВС делают вставки, прокладки в штампах, матрицы для штамповки болтов, заклепок. Содержание углерода снижено для повышения ударной вязкости стали, легирование хромом приводит к образованию специальных карбидов. Хром существенно снижает температуру их растворения и увеличивает тем самым легированность твердого раствора. Увеличение хрома и вольфрама в аустените благоприятно сказывается на прокаливаемости стали, а после закалки – на теплостойкость инструмента.
Вольфрам может входить в состав твердого раствора и карбидов Ме23С6, Ме6С. Увеличение содержания вольфрама способствует измельчению зерна аустенита, т.е. увеличивает стойкость к перегреву, а также повышает механические свойства стали при комнатных и повышенных температурах.
Кремний – некарбидообразующий элемент, в основном он находится в твердом растворе. Он значительно упрочняет ферритную матрицу и увеличивает окалиностойкость.
При назначении режима термической обработки необходимо ориентироваться на условии эксплуатации изделия. Типовой обработкой является закалка и отпуск, причем температуру отпуска следует выбирать на 50°С выше, чем предполагаемые условия эксплуатации.
Для штампов горячего деформирования сталь необходимо калить от повышенных температур ~1000°С для обеспечения насыщения аустенита легирующими элементами и затем проводить отпуск при ~500°С на вторичную твердость.
По заданию сталь 4ХВС применяется для производства высадочных и чеканочных штампов, т.е. предполагается незначительный разогрев рабочей поверхности. Поэтому закалку следует проводить от обычных температур, а температуру отпуска нужно выбрать из интервала 200…400°С.
Нагрев стали 4ХВС под закалку производится с температуры t=Ас3+(30…50)°С. По справочным данным Ас3=820°С [1], тогда t=820+(30…50)°С=850…870°С.
Закалочная среда должна обеспечить скорость охлаждения выше критической. Для ее выбора воспользуемся диаграммой термокинетического распада аустенита. В литературе была найдена диаграмма для стали 4ХВ2С, которая приведена на рис. 2.1, она отличается от стали 4ХВС повышенном содержанием вольфрама.

Рис. 2.1 – Диаграмма термокинетического распада переохлажденного аустенита стали 4ХВ2С [2] В соответствии с рис. 2.1, критическая скорость охлаждения находится на уровне:
Vкр=tн-tмτ
где tн- температура нагрева стали, °С;
tм – температура начала мартенситного превращения (около 315°С – рис. 2.1);
τ – время охлаждения, с.
V1=900-315100=5,85 ℃/сек
Тогда критическая скорость охлаждения для стали 4ХВС с меньшим содержанием вольфрама будет несколько выше, тем не менее закалочная среда для стали 4ХВС и 4ХВ2С должна быть одинаковой.
Согласно справочным данным такую скорость охлаждения может обеспечить индустриальное масло или сжатый воздух, но термические цеха оборудованы гораздо чаще только масляными баками, поэтому выберем эту охлаждающую среду.
Таблица 2.2
Скорость охлаждения стали в разных средах [3] Охлаждающая среда Скорость охлаждения (°С/с) при температуре, °С

650-550 300-200
Вода при температуре, °С:

18 600 270
25 500 270
50 100 270
75 30 200
Мыльная вода 30 200
Эмульсия масла в воде 70 200
Вода, насыщенная углекислотой 150 200
10%-ный водный раствор при 18°С:

едкого натра 1200 300
поваренной соли 1100 300
соды 800 270
5%-ный раствор марганцевокислого калия 450 100
Керосин 160-180 40-60
Индустриальное масло 120 25
Спокойный воздух 3 1
Сжатый воздух 30 10

Микроструктура после закалки будет состоять из мартенсита, остаточного аустенита (до 20%) и некоторого количества карбидов. Если штамп имеет большие размеры, то в центре его может после закалки получиться структура нижнего бейнита. Высокое содержание остаточного аустенита приводит к малому изменению объема стали при закалке и отпуска.
Далее необходимо провести отпуск. Температуру отпуска нужно выбрать такую, что обеспечит максимальную ударную вязкость при высокой твердости (см. табл. 2.3).
Таблица 2.3
Механические свойства стали в зависимости от температуры отпуска после закалки в масле от 880°С [4] tотп, °С Ϭ0,2, МПа Ϭв, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2
Твердость HRC
200 1600 1810 6 36 23 54
300 1530 1660 9 37 22 51
400 1350 1520 10 38 29 48
500 1160 1270 11 39 34 40
600 1040 1080 12 49 41 37

Согласно приведенным данным, высокая твердость и ударная вязкость обеспечивается при tотп~300°С, повышение температуры отпуска выше 400°С приводит к значительному падению твердости. Поэтому назначим tотп=250..300°С. Длительность отпуска должна быть увеличена для стабилизации размеров инструмента. Охлаждение можно вести на воздухе, т.к. сталь 4ХВС не склонна к отпускной хрупкости. Такой отпуск можно считать низким для стали 4ХВС, т.к. легирующие элементы сдерживают распад мартенсита при отпуске.

а)б)
Рис. 4.3 – Микроструктура стали 4ХВ»С после закалки (а) и отпуска (б)

Микроструктура после термической обработке будет состоять из мартенсита отпуска, остаточного аустенита и некоторого количества карбидов.

3. Для деталей, работающих в слабых коррозионных средах, используется сталь 20X13. Укажите состав и объясните причину введения хрома в эту сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки и опишите микроструктуру после обработки.

Сталь 20Х13 – это коррозионностойкая сталь мартенсито-ферритного. Ее марочный состав приведен в таблице 3.1.

Таблица 3.1
Химический состав в % стали 20Х13 по ГОСТ 5632 – 72 [1] C Si
Mn
Ni
S P Cr
0,16 – 0,25 до   0,6 до   0,6 до   0,6 до   0,025 до   0,03 12 – 14

Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и оборудования и конструктивных элементов (в основном сварных), работающих в разных агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода кислоты, растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.). Легирование коррозионностойких сталей и сплавов преследует достижение высокой коррозионной стойкости в рабочей среде и обеспечение заданного комплекса физико-механических характеристик.
Легко пассивирующимися металлами являются алюминий, хром, никель, титан, вольфрам, молибден. Легирование ими слабо пассивирующихся металлов, например железа, сообщает сплавам склонность к пассивации при условии образования твердых растворов. При переходе в пассивное состояние наблюдается повышение электродного потенциала, который становится более электроположительным (рис. 3.1). Такое состояние для железа наступает при содержании хрома в твердом растворе свыше 12 % скорость коррозии снижается (рис. 3.2), при этом устойчивость пассивного состояния зависит от состава коррозионной среды [5].
Смещение электродного потенциала сплава в положительную сторону происходит и при добавках меди, платины, палладия, введение которых называется катодным легированием, что также может облегчить пассивирование сталей и сплавов. Это позволяет значительно повысить коррозионную стойкость коррозионностойких сталей во многих агрессивных средах (рис. 3.2).

Рис. 3.1 – Влияние хрома на изменение потенциала φ железохромистых сталей с 0,1%С в нормальном растворе сульфатного железа (а) и скорость коррозии К в морской воде (б) [5]

Рис. 3.2 – Влияние катодных присадок на скорость К коррозии стали 10Х18Н9 в серной кислоте различной концентрации при испытании в течение 300 ч.[5]

Основной легирующий элемент коррозионностойких сталей хром. В составе применяемых в настоящее время сталей содержание хрома обычно находится в пределах от 11% до 30%.
Коррозионностойкие стали принято классифицировать по структуре на стали аустенитного класса, мартенситного, ферритного, феррито-мартенситного класса.
Сталь 20Х13 относится к мартенситно-ферритному классу. Микроструктура стали этого класса приведена на рис. 3.3.

Рис. 3.3 – Сталь 20Х13 после нормализации

Сталь 20Х13 обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в слабых растворах солей, кислот) и имеет высокие механические свойства. В основном ее используют для изделий, работающих на износ, в качестве режущего инструмента, в частности ножей, для упругих элементов и конструкций в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со слабоагрессивными средами (например, 4—51%-ная уксусная кислота, фруктовые соки и др.).
Эта сталь применяется после закалки и отпуска на заданную твердость. Благодаря малой критической скорости закалки сталь 20Х13 калятся на мартенсит при охлаждении на воздухе (см. рис. 3.4.)

а)б)
Рис. 3.4. – Изотермическая (а) и ССТ-диаграмма (б) распада переохлажденного аустенита стали 20Х13 [2]

Закалку изделий проводят от температур 950-1020°С, так как только выше этих температур происходит полное растворение в аустените карбидов Сг23С6. После закалки сталь отпускают на требуемую твердость. В интервале 480-520 °С наблюдается существенное снижение пластичности и ударной вязкости сталей из-за развития отпускной хрупкости, поэтому после отпуска сталь 20Х13 нужно охлаждать в воде.
Таблица 3.2
Механические свойства при Т=20oС стали 20Х13 в зависимости от температуры отпуска [1] tотп, °С Ϭ0,2, МПа Ϭв, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2
Твердость HRC
200 1300 1600 13 50 81 46
300 1270 1460 14 57 98 42
450 1330 1510 15 57 71 45
500 1300 1510 19 54 75 46
600 920 1020 14 60 71 29
700 650 780 18 64 102 20
После закалки сталь 20Х13 имеет высокую коррозионную стойкость. Отпуск при 200-400°С проводят для снятия внутренних напряжений; он не оказывает влияния на коррозионную стойкость. При отпуске выше 500 °С происходит распад мартенсита на феррито-карбидную смесь и выделение карбидов типа Ме23С6, структура стали становится гетерогенной, ферритная матрица обедняется хромом, коррозионная стойкость резко снижается. Отпуск при более высоких температурах повышает коррозионную стойкость. Чем больше в стали углерода, тем больше выделяется карбидов хрома и тем сильнее снижается коррозионная стойкость. В связи с этим в практике используют стали с переменным содержанием углерода и хрома: чем выше в стали содержание углерода, тем больше требуется хрома для обеспечения необходимой коррозионной стойкости. Так, если при 0,2-0,4 %С необходимо 13-15% Cr – что и обуславливает интервал химического состава стали 20Х13.

4. Для изготовления ответственных деталей (втулки, клапаны, зубчатые колеса и т.п.) выбран сплав БрАЖН10-4-4. Расшифруйте состав, укажите режим термической обработки, механические свойства и опишите структуру, используя диаграмму состояния медь-алюминий.

Сплав БрАЖН10-4-4 – это алюминиевая бронза, дополнительно легированная железом и никелем. Бронзы – это сплавы на основе меди, основными, легирующими элементами которых являются иные, кроме цинка, компоненты, прежде всего: олово (оловянные бронзы); алюминий (алюминиевые бронзы); кремний (кремнистые бронзы); бериллий (бериллиевые бронзы); свинец (свинцовые бронзы). Марочный состав сплава БрАЖН10-4-4 приведен в таблице 4.1.

Таблица 4.1
Химический состав в % сплава БрАЖН10-4-4 по ГОСТ 493 – 79 [6] Fe
Si
Mn
Ni
P Al
3,5 – 5,5 до   0,2 до   0,5 3,5 – 5,5 до   0,1 9,5 – 11
Примечание: Cu – основа

Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu – Al приведен на рисунке 4.1. а. В промышленных бронзах содержание алюминия не превышает 11% (по массе). В сплавах могут присутствовать следующие фазы:
α-твердый раствор алюминия в меди с ГЦК-решеткой;
β-фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения Cu3Al ( n = 3/2 );
1 -фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе электронного соединения с примерной формулой Cu9Al4 ( n = 21/13 );
2 -фаза – промежуточная фаза переменного состава на базе соединения, примерно описываемого формулой Cu32Al19 ;
фазы – промежуточные фазы переменного состава на базе соединений между медью и алюминием при различном соотношении компонентов;
φ- твердый раствор меди в алюминии.

а)б)
Рис. 4.1 – Участок диаграммы состояния сплавов системы Cu – Al, соответствующий концентрации промышленных сплавов (а) и кривые изменения свойств алюминиевых бронз (б)

Медь с алюминием образуют -твердый раствор, растворимость алюминия в котором при понижении температуры от 1035 до 565°С увеличивается от 7,4 до 9,4 %. При температуре Т=1035 – Т,°С, в сплавах с содержанием алюминия от 7,4 до 9% происходит эвтектическое превращение: Ж эвтектика. При температуре Т = 565 – Т,°С, -фаза претерпевает эвтектоидное превращение: ).
Несмотря на то, что предельная растворимость алюминия в – твердом растворе составляет 9,4 %, при реальных скоростях охлаждения, в отличие от равновесного состояния, эвтектоид появляется в структуре алюминиевых бронз при содержании 6 – 8 % алюминия. Это влияет на характер изменения свойств алюминиевых бронз. С увеличением содержания алюминия до 4-5% наряду с твердостью и прочностью повышается и пластичность алюминиевых бронз. Появление эвтектоида приводит к резкому снижению пластичности сплавов, прочность же продолжает расти при увеличении содержания алюминия до 10-11%.
Алюминиевые бронзы отличаются высокими механическими, антикоррозионными и антифрикционными свойствами. По сравнению с оловянными бронзами, они характеризуются меньшей стоимостью, более высокими механическими и некоторыми технологическими свойствами. Вследствие небольшого интервала кристаллизации алюминиевые бронзы имеют высокую жидкотекучесть, концентрированную усадку и хорошую герметичность, малую склонность к дендритной ликвации. Однако, из-за большой усадки иногда трудно получить сложные фасонные отливки из алюминиевой бронзы.
По своей структуре алюминиевые бронзы подразделяются на:
– однофазные со структурой – твердого раствора; они содержат, в основном, до 7-8% алюминия;
– двухфазные, в структуре которых, кроме твердого раствора , содержатся участки эвтектоида ( + ).
Сплав БрАЖН10-4-4 относится к двухфазным бронзам, содержащим 9-11% алюминия. Двухфазные бронзы выпускают в виде деформируемого полуфабриката, а также применяют для изготовления фасонных отливок. При наличии большого количества эвтектоида бронзы подвергают не холодной, а горячей обработке давлением. Двухфазные бронзы отличаются высокой прочностью ( в 600 Н/мм2) и твердостью. Они могут быть упрочнены термической обработкой. При закалке – фаза претерпевает мартенситное превращение (см. рис.4.2).

а)б)
Рис. 4.2 – Микроструктура железо-алюминиевой бронзы: а) в литом состоянии; г) после деформации и отжига: – твёрдый раствор (светлые кристаллы), участки эвтектоида +2 (темные поля), включения FeAl3 (темные точки в зерна – фазы): х100

Железо оказывает модифицирующее действие на структуру алюминиевых бронз, повышает их прочность, твердость и антифрикционные свойства, уменьшает склонность к охрупчиванию двухфазных бронз из-за замедления эвтектоидного превращения -фазы и измельчения кристаллов -фазы, образующейся при этом превращении. В -фазе алюминиевой бронзы растворяется до 4% железа. При большем содержании железа образуется избыточная фаза Al3Fe. Дополнительное легирование таких сплавов никелем и марганцем способствует появлению включений этой избыточной фазы при меньшем содержании железа. Наилучшей пластичностью Al – Fe – бронзы обладают после термической обработки, частично или полностью подавляющей эвтектоидное превращение -фазы (нормализация при 600-700°С или закалка от 950 °С). Отпуск закаленной бронзы при 250-300°С приводит к распаду -фазы с образованием тонкодисперсного эвтектоида ( + ) и повышению твердости до НВ 175-180 ед.
Никель улучшает технологические и механические свойства алюминиево – железных бронз, в том числе и при повышенных температурах. Приводя к резкому сужению области – твердого раствора при понижении температуры, никель способствует реализации дополнительного упрочнения алюминиевых бронз, легированных железом и никелем, после закалки вследствие старения.
Механические свойства сплава БрАЖН10-4-4 приведены в таблице 4.2.
Таблица 4.2
Механические свойства сплава БрАЖН10-4-4
Состояние Ϭв, МПа δ, % KCU, МДж/м2
Отжиг 650 35 0,42
Литье в кокиль >590 >6 —

Этот сплав жаропрочен до 250…400°С и имеет наименьшую ползучесть по сравнению с другими алюминиевыми бронзами (см. рис. 4.3).

Рис. 4.3 – Влияние температуры испытаний на механически свойства меди и ее сплавов [6]

Бронза марки БрАЖН10-4-4 в отожженном состоянии имеет следующие свойства: в=650 Н/мм2, = 35%, твердость НВ 140-160 ед. После закалки от 980°С и старения при 400°С, 2 часа, твердость увеличивается до НВ 400 ед.
Благодаря приведенным выше свойства из Al – Fe – Ni – бронз изготавливают ответственные детали, работающие в тяжелых условиях износа при повышенных температурах (400-500°С): седла клапанов, направляющие втулки выпускающих клапанов, части насосов и турбин, шестерни и т.д.

Литература
Сорокин В.Г. Марочник сталей и сплавов. – М.: Машиностроение, 1989. – 638с.
Попов А.А., Попова Л.Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. – М.: Металлургия, 1989. – 348 с.
Фиргер И.Ф. Термическая обработка сплавов: Справочник. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1982. – 304 с.
Мишиностроение. Эциклопедический справочник под ред. Е.А. Чудакова в 15 томах: Том 3. – М.: ГНТИМЛ, 1947. – 738 с.
Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали и сплавы. – М.: Металлургия, 1985. – 408 с.
Колачев Б.А., Елагин В.И., Ливанов В.А. Металловедение и термическая обработка цветных металлов и сплавов. – М.: МИСИС, 1999. – 416с.

Дать классификацию стали: по диаграмме «железо-цементит», по химическому составу, по качеству, по применению

1. Сталь 40ХН
1.1 Дать классификацию стали: по диаграмме «железо-цементит», по химическому составу, по качеству, по применению

Сталь 40ХН – конструкционная низколегированная среднеуглеродистая сталь. По химическому составу является хромоникелевой сталью. Сталь является качественной. Применяется в качестве нагруженных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам с повышенной прочностью и вязкостью.

1.2 По справочнику указать химический состав и основные механические свойства

Таблица 1 – Химический состав стали 40ХН, %
C Si Mn
Ni S P Cr Cu Fe
0,36-0,44 0,17-0,37 0,5-0,8 1-1,4 до 0,035 до 0,035 0,45-0,75 до 0,3 ~96

Таблица 2 – Механические свойства стали 40ХН
σ0,2, МПа σB, МПа δ, % ψ, % KCU, Дж/см2 HB
760-1220 910-1370 10-20 41-60 32-83 241-387

1.3 Указать фазовый и структурный состав стали при комнатной температуре

Микроструктура стали 40ХН в отожженном состоянии при комнатной температуре представляет собой феррит и перлит; в закаленном состоянии – мартенсит.

1.4-1.5 На диаграмме состояния «Fe-Fe3C» нанести линию сплава, соответствующей заданной стали; отметить критические точки. Описать превращения, происходящие в заданной стали при охлаждении согласно диаграмме состояния «Fe-Fe3C». Построить кривую охлаждения стали с указанием структурных составляющих и превращений.

Рисунок 1 – Диаграмма состояния Fe-Fe3C

До точки 1 сплав находится в жидком состоянии. В точке 1 начинается кристаллизация, то есть из него начинают выделяться кристаллы δ-твердого раствора (феррита). В процессе кристаллизации концентрация жидкости изменяется по линии АВ (часть линии ликвидус), а концентрация твердой фазы – по линии АН (линия солидус). При достижении точки 2 (перитектической горизонтали HJB) формируется аустенитная структура с избытком жидкой фазы, то есть перитектическое превращение заканчивается исчерпанием δ-фазы (феррита), где Ж+Ф→Ж+А.
При дальнейшем охлаждении в интервале температур 2-3 оставшаяся жидкость кристаллизуется в аустенит (γ-фазу). Концентрация жидкости изменияется по кривой АВ (линии ликвидус), а концентрация аустенита по кривой J3 (линии солидус).
В интервале температур 3-4 сплав охлаждается и никаких превращений не претерпевает. В точке 4 из аустенита начинает выделяться α- феррит и данный процесс продолжается до точки 5. При температуре 727 оС (точка 5) происходит эвтектоидное превращение, при котором аустенит распадается на перлит – механическую смесь феррита и цементита (А0,8→П(Ф+Ц)). В результате при комнатной температуре сплав имеет структуру перлита и избыточного феррита.
Сплав железа с углеродом, содержащий 0,5 % С, называется доэвтектоидной сталью. Его структура при комнатной температуре – Феррит + Перлит.
Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
C = K + 1 – Ф,
где  С – число степеней свободы системы;
К – число компонентов, образующих систему;
1 – число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

1.6 Область применения стали

Сталь 40ХН применяется для изготовления осей, валов, шатунов, зубчатых колес, валов экскаваторов, муфт, валов-шестерней, шпинделей, болтов, рычагов, штоков, цилиндров и других ответственных нагруженных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости. Также применяются в качестве валков рельсобалочных и крупносортных станов для горячей прокатки металлов.

2. Деформируемые сплавы на основе магния. Примеры. Их химический состав, структура, свойства, область применения.

Деформируемые магниевые сплавы  предназначены для изготовления полуфабрикатов (листов, прутков, профилей) обработкой давлением. Их маркируют буквами МА и цифрами, обозначающими порядковый номер сплава, например МА5.
Из деформируемых сплавов наиболее широко в промышленности и на транспорте применяются сплавы Mg–Al–Zn–Mn, Mg–Zn–Zr и Mg–Mn.
Сплавы Mg–Al–Zn–Mn  содержат 3…9,2 % Al, 0,2…1,5 % Zn и 0,15…0,7 % Mn. Алюминий и цинк имеют хорошую растворимость в магнии, чем обеспечивают большой эффект упрочнения.
При понижении температуры растворимость уменьшается, что дает возможность упрочнения сплавов закалкой и старением за счет выделения фаз Mg4Al3 и Mg3Zn3Al2.
Сплавы систем Mg–Al–Zn–Mn склонны к коррозии под напряжением тем сильнее, чем больше содержат алюминия. Цинк не влияет на коррозионную стойкость магниевых сплавов, а марганец ее повышает. В то же время марганец оказывает благоприятное влияние, взаимодействуя с вредными примесями, в частности с железом.
Вторая группа сплавов (систем Mg–Zn–Zr) отличается высокими механическими свойствами, обусловленными упрочняющим действием Zn и модифицирующим действием циркония. При введении циркония образуются тугоплавкие соединения Zr2Fe3 и ZrFe, которые оседают на дно расплава, очищая его от вредной примеси – железа. Кроме того, цирконий, связывая водород, препятствует развитию пористости. Оставшийся в растворе цирконий обеспечивает увеличение центров кристаллизации.
Цирконий повышает прочность, пластичность и коррозионную стойкость магниевых сплавов. Однако его введение связано со значительными трудностями из-за малой растворимости.
Сплавы систем Mg–Zn–Zr дополнительно легируются кадмием и редкоземельными элементами, что повышает пластичность и их прочностные свойства, особенно при повышенных температурах.
Сплавы, в которых основным легирующим элементом является марганец (систем Mg–Mn), отличаются повышенной коррозионной стойкостью и свариваемостью. Повышение коррозионной стойкости обеспечивается образованием соединения марганца с железом, которые, имея большую плотность, оседают на дно тигля и очищают расплав от железа.
Для улучшения свойств сплавов Mg–Mn дополнительно вводится церий, который, за счет образования соединения Mg9Ce, существенно измельчает зерно. Такие сплавы отличаются высокой технологической пластичностью и коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью. Термической обработкой сплав не упрочняется и полуфабрикаты поставляются в основном в отожженном состоянии.
Кроме отмеченных групп, в промышленности используются магниевые сплавы, в которых главными легирующими элементами являются редкоземельные металлы (МА11, МА12). В этих сплавах основным легирующим элементом является неодим, обеспечивающий высокую жаропрочность.

Сплав МА2-1 – панели, штамповки сложной конфигурации для сварных конструкций; предельная рабочая температура: 150°C -длительная, 200°C –кратковременная.
Таблица 3 – Химический состав сплава МА2-1, %
Mn
Al Mg Zn
0,2-0,6 3,8-5 92,9-95,4 0,6-1,5

Таблица 4 – Механические свойства сплава МА2-1
σв, МПа σт, МПа δ KCU, кДж/м2
270-310 160-230 8-12 70

МА2 –  кованые и штампованые детали сложной конфигурации для сварных конструкций; предельная рабочая температура: 150°C -длительная, 200°C –кратковременная

Таблица 5 – Химический состав сплава МА2, %
Fe Si Mn
Ni Al Cu Be Mg Zn
до 0,05 до 0,1 0,15-0,5 до 0,05 3-4 до 0,05 до 0,02 94,4-97,65 0,2-0,8

Таблица 6 – Механические свойства сплава МА2
σв, МПа σт, МПа δ KCU, кДж/м2
260-280 160-180 5-15 120

МА15 – для деталей сварных конструкций, требующих повышенного предела текучести при сжатии; предельная рабочая температура: 150 °C -длительная, 200 °C –кратковременная

Таблица 7 – Химический состав сплава МА15, %
Zn Cd
La Mg Zr
2,5-3,5 1,2-2 0,7-1 92,6-95,15 0,45-0,9

Таблица 8 – Механические свойства сплава МА2
σв, МПа σт, МПа δ KCU, кДж/м2
300-320 250-260 5-14 100

МА19 –  для деталей сварных конструкций, требующих повышенного предела прочности; предельная рабочая температура: 150 °C – длительная, 200 °C – кратковременная

Таблица 9 – Химический состав сплава МА15, %
Zn Nd
Mg Zr
5,5-7 1,4-2 90,1-92,6 0,5-0,9

Таблица 10 – Механические свойства сплава МА2
σв, МПа σт, МПа δ KCU, кДж/м2
380-400 330-360 5-8 50

3. Фторопласты. Их состав, структура, свойства, область применения

Группу фторсодержащих полимеров получаемых путем полимеризации тетрафторэтилена принято называтьфторопласт. Этот полимер обладает просто уникальными качествами. 
Фторопласт обладает исключительными свойствами, так по химической стойкости он превосходит платину, золото и все синтетические материалы. Фторопласт не взаимодействует с сильными окислителями и восстановителями, кислотами и щелочами, органическими растворителями (исключение полифторированные углеводороды при повышенной температуре). Реагирует лишь с расплавами щелочных металлов, их растворами в жидком аммиаке, с газообразным фтором и с трёхфтористым хлором при высокой температуре.
Температурный диапазон длительного использования изделий из фторопласта лежит в диапазоне от -200 до +250 °C. Температура использования сильно зависит от функции выполняемой изделием из фторопласта и продолжительности воздействия высокой температуры, так как температура плавления политетрафторэтилена 327 °C, при которой полимер не переходит в вязко-текучее состояние, а разлагается он при 415 °C.
Кроме уже перечисленных достоинств, фторопласт обладает очень маленьким коэффициентом трения, биологической совместимостью позволяющей использовать его в протезировании, и он отлично поддается сверлению, обработке ножом, фрезерованию, пилению и т.д.

Таблица 11 – Свойства фторопласта
Плотность, г/см3 2,14-2,26
Температура плавления, °C 327
Рабочий интервал температуры, °C от -269 до +260
Водопоглощение за 24 часа, % 0,0
Коэффициент теплопроводности, Вт/м.град. 0,25
Разрушающие напряжение при растяжении, МПа 20-30
Относительное удлинение при разрыве, % 350
Твердость по Бринеллю (при вдавливание шарика), МПа 30-40
Коэффициент трения по стали 0,2

Особые свойства фторопласта, их уникальное сочетание обуславливает сферы его применения и использования. К этим свойствам относится: стойкость к атмосферным и химическим воздействиям, замечательные антифрикционные и уплотнительные свойства, отличные анти адгезионные и превосходные диэлектрические и электрические свойства, высокая термостойкость и абсолютная инертность к пищевым и биологическим средам.
Фторсодержащие полимеры благодаря своим уникальным свойствам стали незаменимыми для электротехнической, химической, радиоэлектронной промышленности, машиностроения, производства кабельной продукции и проводов, авиастроении и приборостроении, автомобилестроении, энергетической и атомной промышленности. В производстве, применение фторопласта, модифицированного различными наполнителями, наиболее часто наблюдается в изготовлении:
узлов трения, выполняющих роль подшипников скольжения;
уплотнительных систем в виде уплотнительных колец, манжет, как прокладки из фторопласта, для механических и гидравлических устройств, а также плунжерных и поршневых компрессоров;
направляющих конструкций для перерабатывающего пищевые продукты оборудования, для загрузочных автоматов и сборочных конвейеров;
опор скольжения в конструкциях железнодорожных и автомобильных мостов;
направляющих для тросов строительных и промышленных механизмов;
 различных систем управления, систем реверсивных устройств, систем нейтрализации газа и жидкостей;
протезов кровеносных и сердечных сосудов, емкостей для хранения крови и других изделий в медицинской отрасли.
Детали и изделия из фторопласта, а также композиций на его основе, широко применяются в химической аппаратуре в виде: емкостей, диафрагм, мембран, клапанов, трубопроводов, уплотнительных устройств и прокладок, колонн, лент для транспортеров.
Чрезвычайно высокая стойкость к химическому воздействию, позволяет фторопластовым изделиям длительно противостоять воздействию солнечной радиации, морского тумана, плесневых грибков.
Нейтральность по отношению к органическим и неорганическим реагентам настолько высока, что даже, не имеется методов, для испытания на стойкость в таких средах. Высокая стойкость к радиации, позволяет применять фторопласт, для изолирования проводов оборудования атомных электростанций.
Провода во фторопластовой изоляции, можно применять как нагреватели, непосредственно работающие в растворах щелочей и кислот. Им не страшны протекания керосина, масла, гидравлических жидкостей, повышенные температуры, поэтому нашли широкое применение в качестве бортовых кабелей самолетов. Неоспоримо их преимущество при эксплуатации в условиях разреженной атмосферы, где теплоотводящие возможности уменьшены.

542925-14224054292533674055023485-123190551180-12319074231527355801041400273558044811952735580448564027298654481195272986548190152729865105029021240

542925-14224054292533674055023485-123190551180-1231907423152735580104140027355804481195273558044856402729865448119527298654819015272986510502902124075121094521240754472940213614055626014566905562601456690191516013823952372360138239543122851382395543560307340432498551689034848805295905435603200404248153533140A
A
49060103467735B
B
41656032746950
0
47434503282950100
100
25044403775075→%B
→%B
2647950333756050
50
3074035330708060
60
3543935331406570
70
4024630330708080
80
4423410331089090
90
796290329882510
10
1247775331025520
20
1729740330708030
30
2186305330708040
40
2857500122555325374026670L
L
4183380742315γ+L
γ+L
46958251054100γ
γ
5829302140585α
α
856615969645β
β
1552575648970β+ L
β+ L
11925301678305α+β
α+β
37363401678305β+γ
β+γ
16541752254885α+γ
α+γ
14865352835910α+δ
α+δ
46640753014345δ
δ
52622452609215γ+δ
γ+δ
4757420283146520320211455T1
T1
11430826135T2
T2
12701179195T3
T3
146051493520T4
T4
6351908175T5
T5
02214245T6
T6
260352526030T7
T7
260352914015T8
T8
2510155-6350
0
25901656108701
1
257111511430002
2
250063019081753
3
253873025107904
4
250444030441905
5

Фазовые превращения:
От точки 0 до точки 1 происходит охлаждение жидкой фазы;
От точки 1 до точки 2 происходит кристаллизация сплава с выделением β-фазы;
В точке 2 происходит эвтектическое превращение L→β+γ;
От точки 2 до точки 3 происходит охлаждение твердого сплава;
В точке 3 происходит эвтектоидное превращение β→α+γ;
От точки 3 до точки 4 происходит дальнейшее охлаждение твердого сплава;
В точке 4 происходит перитектоидное превращение α+γ→δ;
От точки 4 до точки происходит охлаждение конечного сплава.

а)
542925-17018054292533394655023485-151130551180-1511307423152707640104140027076404481195270764044856402701925448119527019254819015270192510502902096135121094520961354472940210883555626014287505562601428750191516013550902372360135509043122851355090543560280035432498548958534848805016505435602921004248153505200A
A
49060103439795B
B
41656032467550
0
47434503255645100
100
25044403747135→%B
→%B
2647950331025550
50
3074035327914060
60
3543935328676070
70
4024630327914080
80
4423410328358590
90
796290327088510
10
1247775328231520
20
1729740327914030
30
2186305327914040
40
2857500946153253740-635L
L
4183380714375γ+L
γ+L
46958251026160γ
γ
5829302112645α
α
856615941705β
β
1552575621665β+ L
β+ L
11925301650365α+β
α+β
37363401650365β+γ
β+γ
16541752226945α+γ
α+γ
14865352807970α+δ
α+δ
46640752987040δ
δ
52622452581275γ+δ
γ+δ
4757420280416020320183515T1
T1
11430798195T2
T2
12701151255T3
T3
146051465580T4
T4
6351880235T5
T5
02186305T6
T6
260352498090T7
T7
260352886075T8
T8
2802890312420279654010966452805430127952528187651737360280543020212052802890228092028028902639060279336529483051993265117030520383501812290113093523558508566153023870199326511677653329940115125520383501835150447294017932401130935237109046640752336800883285301625046329603016250254571516395704
4
25622258775702
2
257556011861803
3
26860503333751
1
255714519367505
5
249555021723356
6
253365025158707
7
253365028492458
8

Химический состав фаз определяется по правилу отрезков, для этого через заданную точку проводит горизонтальную линию (коноду) до пересечения с границами указанных областей, проецируем точку пересечения на концентрационную ось и находим химический состав.
Точка 1: 50% A, 50 % B
Точка 2: в жидкой фазе 60% В, 40% А; в β-фазе 30% В, 70% А
Точка 3: в β-фазе 40% В, 60% А; γ-фазе 82% В, 18% А
Точка 4: в β-фазе 32% В, 68% А; в γ-фазе 87% В, 13% А
Точка 5: в α-фазе 14% В, 86 %А; в γ-фазе 85% В, 15 % А
Точка 6: в α-фазе 13% В, 87% А%; в γ-фазе 90 % В, 10 % А
Точка 7: в α-фазе 10 % В, 90 % А; в γ-фазе 95% В, 5% А
Точка 8: в α-фазе 7% В, 93 % А; в δ-фазе 90% В, 10% А.
б)
Число степеней свободы определятся по правилу Гиббса
Число степеней свободы = число компонентов – число фаз +1
Эвтектическое превращение нонвариантное, т.е. число степеней свободы равно нулю (два компонента, три фазы).
При температуре T5 протекает эвтектоидная реакция, число степеней свободы равно нулю (два компонента, три фазы).
При температуре T6 число степеней свободы равно единице (два компонента, две фазы).
При температуре T7 протекает перитектоидная реакция, число степеней свободы равно нулю (два компонента, три фазы).
в)
542925-17018054292533394655023485-151130551180-1511307423152707640104140027076404481195270764044856402701925448119527019254819015270192510502902096135121094520961354472940210883555626014287505562601428750191516013550902372360135509043122851355090543560280035432498548958534848805016505435602921004248153505200A
A
49060103439795B
B
41656032467550
0
47434503255645100
100
25044403747135→%B
→%B
2647950331025550
50
3074035327914060
60
3543935328676070
70
4024630327914080
80
4423410328358590
90
796290327088510
10
1247775328231520
20
1729740327914030
30
2186305327914040
40
2857500946153253740-635L
L
4183380714375γ+L
γ+L
46958251026160γ
γ
5829302112645α
α
856615941705β
β
1552575621665β+ L
β+ L
11925301650365α+β
α+β
37363401650365β+γ
β+γ
16541752226945α+γ
α+γ
14865352807970α+δ
α+δ
46640752987040δ
δ
52622452581275γ+δ
γ+δ
4757420280416020320183515T1
T1
11430798195T2
T2
12701151255T3
T3
146051465580T4
T4
6351880235T5
T5
02186305T6
T6
260352498090T7
T7
260352886075T8
T8
285813513798554
4
303466526816058
8
278638015595602792730292290521437601644650883285302387021259801322705a
a
26174701275080b
b
43243501322705c
c
8775702716530d
d
26066752693035e
e
43611802703830f
f

Количество фаз также определяется по правилу отрезков.
Точка 4: Количество β-фазы = (bc/ac)*100% = ((85-50)/(85-33)*100%) = 67%
Количество γ-фазы = (ab/ac)*100% = ((50-33)/(85-33)*100%) = 33%

Точка 8: Количество α-фазы = (ef/df)*100% = ((90-50)/(90-8)*100%) = 49%
Количество δ-фазы = (de/af)*100% = ((50-8)/(90-8)*100%) = 51%

Укажите технологические свойства конструкционных материалов и дайте их определение

Вариант 18
1. Укажите технологические свойства конструкционных материалов и дайте их определение.
Технологические свойства характеризуют способность металлов или сплавов подвергаться обработке в холодном или горячем состояниях.
Обрабатываемость резанием – способность изменять свою форму под действием режущего инструмента (резца, фрезы, сверла и т. д.) при различных операциях механической обработки (обтачивании, фрезеровании, сверлении).
Ковкость – способность принимать определенную форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без разрушения.
Свариваемость – способность образовывать прочные соединения при нагреве свариваемых частей до расплавленного или до пластичного состояния.
Жидкотекучесть – способность расплавленного металла (сплава) заполнять полость литейной формы.
Усадка при кристаллизации – уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое.

Рисунок 1. Часть диаграммы Fe-Fe3C
2. Начертите диаграмму железо-цементит и определите режим нормализации стали 60. Опишите структуру и свойства после нормализации.
Нормализация – разновидность отжига. Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50°С выше Ас3, затем выдерживают при этой температуре и охлаждают на воздухе. В результате нормализации из-за большей скорости охлаждения, в сравнении с отжигом, получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит).
Критическая точка Ас3 стали равна 750°С (справочное значение, рис. 1). Поэтому температура нагрева для осуществления нормализации составляет 780-800°С.
Нормализацию, как правило, применяют для устранения крупнозернистой структуры, образовавшейся в результате вынужденного или случайного увеличения времени нахождения заготовок в печи для исправления структуры перегретой стали (перегрева), измельчения зерна, смягчения стали перед обработкой резанием и получения при резании более чистой поверхности, а также общего улучшения структуры перед закалкой. В результате нормализации сталь получается несколько тверже и менее пластичной, чем после низкого отжига. Нормализация по сравнению с отжигом более экономичная операция, так как не требуется охлаждения вместе с печью.

3. Что такое композиционные материалы, в чем их особенность. Опишите состав композиционных материалов и укажите, что влияет на свойства композиционных материалов. Приведите пример композиционного материала на металлической основе с нульмерным армирующим элементом, укажите его свойства, область применения и способ получения.
Композиционные материалы (КМ) – однородные материалы, которые получают искусственным объединением разнородных веществ. Их изготавливают из пластичной основы (матрицы), армированной различными наполнителями, которые обладают высокой прочностью, жесткостью и т.д. Классификация композиционных материалов представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Классификация композиционных материалов
Сочетание разнообразных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого отличаются от свойств каждого из его составляющих. Изменяя состав матрицы и наполнителя, их соотношение, ориентацию наполнителя, получают широкий спектр материалов с требуемым набором свойств. Многие композиты превосходят традиционные материалы и сплавы по своим механическим свойствам и в то же время они легче. Использование композитов обычно позволяет уменьшить массу конструкции при сохранении или улучшении ее механических характеристик.
Матрицами в композиционных материалах являются металлы, полимеры, цементы и керамика. Роль матрицы состоит в придании формы и создании монолитного материала. Объединяя в одно целое армирующий наполнитель, матрица участвует в обеспечении несущей способности композита.
Композиты, в которых матрицей служит полимерный материал (неметаллическая матрица), являются одним из самых многочисленных и разнообразных видов материалов. При создании композиционных материалов основной задачей полимерной матрицы является обеспечение совместности работы волокон, обеспечение равномерности распределения усилий между волокнами, защита их поверхности от повреждения.
При получении композиционных материалов на полимерной основе (КПМ) в качестве матрицы используются как термо‐, так и реактопласты, а в ряде случаев приемлемыми, с точки зрения прочности, могут быть и пенопласты.
В качестве наполнителей используются самые разнообразные искусственные и природные вещества в различных формах (крупноразмерные, листовые, волокнистые, дисперсные, мелкодисперсные, микродисперсные, наночастицы).
По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяются на три группы:
с нульмерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;
с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превышает два других;
с двухмерными наполнителями, два размера которых значительно превышают третий.
В композиционных материалов на металлической матрице в качестве матричных составляющих преимущественно применяются алюминий, титан, сплавы на основе этих металлов, а также магниевые сплавы. Наполнителем служат высокопрочные волокна, тугоплавкие частицы различной дисперсности, нитевидными монокристаллы оксида алюминия, оксида бериллия, карбидов бора и кремния, нитридов алюминия и кремния и т.д. длиной 0,3-15 мм и диаметром 1-30 мкм.
Основными преимуществами композиционных материалов с металлической матрицей по сравнению с обычным (неусиленным) металлом являются: повышенная прочность, повышенная жесткость, повышенное сопротивление износу, повышенное сопротивление ползучести.
Рассмотрим металлокерамику – искусственный материал, представляющий собой гетерогенную композицию металлов или сплавов с неметаллами (керамикой). Получают данный материал методом порошковой металлургии. Свойства сплавов определяются, главным образом, химическим составом. Например, в сплавах вольфрамокобальтовых свойства определяются, главным образом, содержанием кобальта. При увеличении содержания его в сплавах прочность и теплопроводность повышаются, но твердость и износостойкость снижаются.

4. Рассмотрите сущность порошковой металлургии. Опишите, как можно повысить плотность порошкового изделия и каким образом это достигается.
Производство изделий из порошков относится к отрасли техники, которая называется порошковой металлургией или металлокерамикой. Этим способом получают большое количество сплавов различного назначения.
Методами порошковой металлургии можно получать сплавы из металлов, которые не растворяются друг в друге при расплавлении, а также сплавы из тугоплавких металлов и сплавы особо высокой чистоты. Порошковой металлургией можно получать и заготовки, и разнообразные детали точных размеров. Порошковая металлургия позволяет получить пористые материалы и детали из них, а также детали, состоящие из двух (биметаллы) или более различных металлов и сплавов.
Методы порошковой металлургии позволяют материалы и детали, обладающие высокой жаростойкостью, износостойкостью, твердостью, с заданными стабильными магнитными свойствами, особыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами.
Из различных разнообразных способов обработки металлов порошковая металлургия занимает особое место, поскольку позволяет получать не только изделия различных форм и назначений, но и создавать принципиально новые материалы, которые другим путем получить или очень трудно или невозможно.
Широкие возможности порошковой металлургии позволили создать композиционные материалы: металл-стекло; различные порошки с металлической связкой; дисперсно-упрочняемые композиты (ДКМ, САП); армирование металлов и сплавов металлическими, неметаллическими волокнами, нитевидными кристаллами. Материалы, получаемые только методом порошковой металлургии – высокопористые материалы, сверхтвердые материалы для инструмента, керметы.
Основными технологическими процессами при производстве изделий методом порошковой металлургии являются:
получение порошков;
приготовление смесей;
формование смесей;
спекание;
окончательная обработка.
Каждая из указанных операций оказывает значительное влияние на формирование свойств готового изделия.
Для получения порошков исходных компонентов используют различные технологии в зависимости от природы сырья. Условно различают два способа изготовления металлических порошков:
физико-механический;
химико-металлургический.
При физико-механическом способе изготовления порошков превращение исходного материала в порошок происходит путём механического измельчения в твердом или жидком состоянии без изменения химического состава исходного материала. К физико-механическим способам относят дробление и размол, распыление, грануляцию и обработку резанием измельчаемого материала. Механическим дроблением получают порошки (с частицами нужной крупности и формы) хрома, марганца, железа и бериллия.
При химико-металлургическом способе изменяется химический состав или агрегатное состояние исходного материала. Металлические порошки получают восстановлением металлов из их оксидов или солей, электролитическим осаждением, распылением струи расплавленного металла, термической диссоциацией и механическим дроблением. Наиболее распространённым способом является восстановления металлов (железа, меди или вольфрама) из соответствующих оксидов с последующим электрорафинированием. Вольфрам, например, получают в две стадии: на первой в результате разложения фольфрамовой кислоты образуется оксид вольфрама; на второй стадии этот оксид подвергают восстановлению в среде водорода.
Для получения карбида вольфрама (основного компонента большинства сплавов) используют карбидизацию порошкообразного металлического вольфрама в среде углеродсодержащего газа.
При приготовлении смесей наибольшее распространение получил метод размола в шаровых мельницах. Дозированные порции порошков определенного химического и гранулометрического состава и технологических свойств смешивают в барабанах или мельницах. При необходимости особо равномерного перемешивания шихты применяют добавки спирта, бензина, глицерина или дистиллированной воды. Иногда в процессе смешивания вводят специальные присадки различного назначения: пластификаторы, облегчающие прессование; легкоплавкие присадки и летучие вещества, которые позволяют получить изделия с заданной пористостью.
Формование заготовок для последующего спекания может осуществляться различными методами: прессование в пресс-формах, гидростатическое прессование, метод выдавливания, шликерное литье (отливка суспензий). Наиболее распространенной технологией в порошковой металлургии является прессование в пресс-формах.
При прессовании важно обеспечить высокую и равномерную плотность смеси по объему. От степени уплотнения зависит величина усадки при последующем спекании. Чем выше пористость заготовки, тем больше усадка, т.е. тем сильнее меняются размеры спеченного изделия. Если заготовка имеет неодинаковую плотность по объему, то вследствие различной усадки происходит искажение формы.
При прессовании, происходящем в закрытом объеме, возникает сцепление частиц, и получают заготовку требуемых формы и размеров. Такое изменение объема происходит в результате смещения и деформации отдельных частиц и связано с заполнением пустот между частицами порошка и заклинивания – механического сцепления частиц. У пластичных материалов деформация возникает вначале у приграничных контактных участков малой площади под действием огромных напряжений, а затем распространяется вглубь частиц. У хрупких материалов деформация проявляется в разрушении выступов частиц.
Спекание – заключительная стадия порошковой металлургии. В процессе спекания происходит превращение пористого материала в компактный малопористый или, в идеале, беспористый материал. В процессе спекания увеличивается плотность за счет снижения пористости.
Спекание может осуществляться без приложения нагрузки после холодного прессования или при совмещении процессов прессования и спекания – горячее прессование, а также в условиях всестороннего давления – горячее изостатическое прессование.
Спекание изделий из однородных металлических порошков производится при температуре, составляющей 70–90% температуры плавления металла. В смесях максимальное слипание частиц достигается вблизи температуры плавления основного компонента, а в цементированных карбидах – вблизи температуры плавления связующего. С повышением температуры и увеличением продолжительности спекания увеличиваются усадка, плотность и улучшаются контакты между зернами. Во избежание окисления спекание проводят в восстановительной атмосфере (водород, оксид углерода), в атмосфере нейтральных газов (азот, аргон) или в вакууме.
Спеканию подвергают изделия для придания им необходимой твердости и прочности.
В качестве окончательной обработки применяют химико-термическую обработку (азотирование, хромирование, цианирование и т.п.). Ее проводят так же, как и для металлов. Наличие пористости способствует более активному осуществлению химико-термических процессов.
Также, возможно повторное прессование, которое используют для изготовления деталей сложной формы. Повторное прессование обеспечивает

На рисунке приведена диаграмма плавкости системы Fe-Zr указаны температура плавления исходных веществ и образующихся соединений

1.
На рисунке приведена диаграмма плавкости системы Fe-Zr, указаны температура плавления исходных веществ и образующихся соединений, температуры эвтектик и полиморфных превращений. Ниже дается описание этой диаграммы плавкости, с указанием фазовых превращений: на линиях ликвидуса, солидуса и линии сольвуса. Для соединений приведены параметры и структура кристаллических решеток.
В системе образуются четыре соединения.
Соединение Fe3Zr, образуется по перетектической реакции: δ-Fe+Fe2Zr=Fe3Zr при температуре 14800. Граница области гомогенности фазы находится при 24-30ат%Zr. Эвтектика находится при температуре 13350С и концентрации ~8ат%Zr.
Соединение Fe2Zr является конгруэнтно плавящимся при температуре 16750С, имеет область гомогенности протяженностью 27,7…34,3ат%Zr при температуре 14500С и 30…37ат%Zr при температуре 6000С.
Соединение FeZr2 образуется по перетектической реакции: Ж+Fe2Zr=FeZr2 при температуре 11000С и существует в ограниченном интервале температур, претерпевая эвтектоидный распад при температуре 8630С. Эвтектика определяется при температуре 9470С. Для получения сплава FeZr2 в однофазном состоянии требуется длительный отжиг ~100ч при температуре ~9000С, а для предотвращения его эвтектоидного распада необходима резкая закалка из области существования соединения.
Соединение FeZr4, образуется по перетектоидной реакции: FeZr2+β-Zr=FeZr4 при температуре 8630С. Граница области гомогенности фазы на основе FeZr4 со стороны Fe находится при 79,2 ат%Zr. Эвтектоидная температура 7950С, состав 96,5ат%Zr (по диаграмме плавкости). Следует заметить, что Fe понижает температуру превращения β-Zr в α-Zr. Твердый раствор на основе β-Zr претерпевает эвтектоидный распад по реакции: β-Zr↔α-Zr+FeZr4. Приче температура эвтектоидной реакции оценивается в интервале 765±300С. Этот интервал температур образуется вследствие присутствия примеси кислорода в сплавах. Температура 7350С принята в качестве эвтектоидной температуры при нулевом содержании кислорода. Эвтектоидная концентрация составляет 3,55…4,02ат%Zr. Растворимость Fe в α-Zr незначительная ~0,033ат%Fe при эвтектоидной температуре и 0,02ат%Fe – при 7000С.
Zr понижает температуру плавления и температуру полиморфного превращения δ-Fe↔γ-Fe. Температура эвтектической реакции Ж↔γ-Fe+Fe2Zr равна 13350С. Концентрация Zr в эвтектической точке составляет 9,4ат%Zr. В γ-Fe при эвтектической температуре 13920С растворяется ~0,6ат%Zr. Температура распада δ-Fe равна 13550С, а максимальное содержание – 0,2ат%Zr. Температура превращения γ-Fe↔α-Fe с добавкой Zr повышается до 9250С. При этой температуре происходит реакция γ-Fe+Fe2Zr↔α-Fe, причем в α-Fe растворяется 0,2ат%Zr, в γ-Fe – 0,1ат%Zr.
Кристаллическая структура соединений системы Fe-Zr представлена в таблице.
Таблица
Кристаллическая структура соединений системы Fe-Zr
Соединение Тип
кристаллич.
решетки Простанств.
группа Параметры решетки, нм

a b c
Fe2Zr MgCu2 cF24;
Fd3m 0,695…0,706
0,704 — —
FeZr2 CuAl2 tI12;
14/mcm 0,636 — 0,582
FeZr4 искаженная
CuAu2, — 0,3283 0,3535 0,6867
При кристаллизации аморфных сплавов наблюдается также образование фазы FeZr2 с кубической структурой типа Ti2Ni или W3Fe3 и кристаллической решеткой Е93, которая возникает вследствие загрязнения сплавов примесями внедрения (О и N).
B
A
106680011430Рисунок 1. Диаграмма плавкости Fe-Zr.

2.
Рассчитаем состав сплава при заданной температуре – 9000С:
100%FeZr2 будет соответствовать 33,3ат%Fe
75%FeZr2 будет соответствовать Хат%Fe
Х=25ат%Fe.
На диаграмме плавкости проводим линию, отвечающую этому составу.
Точка А находится на пересечении, проведенной линии и эвтектики 9470С. Выше точки А компоненты находятся в расплавленном (жидком) состоянии.
В точке А – эвтектическая точка (нонвариантная). В равновесии находятся расплав, твердый раствор на основе FeZr2 и β-Zr.
Отрезок АВ соответствует существованию двух фаз FeZr2 и β-Zr.
В области ниже точки В существуют так же две фазы FeZr2 и FeZr4.

3.
Расчет будем вести по правилу фаз. С этой целью проведем при температуре 8500С горизонтальную линию – коноду.
Фазовая составляющая или фаза – это гомогенная часть системы определенного состава и агрегатного состояния, отделенная от остальных частей системы поверхностями раздела.
Структурная составляющая, в отличие от фазовой составляющей, – это гомогенная или квазигомогенная часть системы, состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая во всем объеме этой составляющей одинаковый средний химический состав и регулярное строение, обусловленное особенностями механизмов ее образования.
Структурными составляющими для системы Fe-Zr при температуре 8500С являются:
–α-Fe твердый раствор Zr в Fe. Состав: ~0,2ат%Zr, 99,8ат%Fe;
–соединение Fe3Zr и твердый раствор на его основе. Состав: со стороны Fe – 24…27ат%Zr, со стороны Zr – 27…30ат%Zr;
–область между α-Fe и тв. р. на основе Fe3Zr;
–соединение Fe2Zr и тв. р. на его основе. Состав: со стороны Fe – 30…33,3ат%Zr, со стороны Zr – 33,3…37ат%Zr;
–область между тв. р. на основе Fe2Zr; и соединением FeZr2. Состав: 37…61ат%Zr.
–тв. р. на основе FeZr2. Состав: 61…63ат%Zr.
–область между тв. р. на основе FeZr2 и соединением FeZr4. Состав: 63…80ат%Zr.
–область между соединением FeZr4 и β-Zr. Состав: ~80…~95ат%Zr.
–область между β-Zr и α-Zr. Состав: ~0,1ат%ZrFe;
–α-Zr – твердый раствор на основе Состав: `0,03ат%ZrFe.

4.
Исходя из диаграммы состояния и имеющихся литературных данных, фазовый и структурный состав ниже 7000С остается постоянным, поэтому при температуре 200С он будет такой же, как описан в пункте 3. Только исчезнут твердые растворы на основе Fe и Zr.
5.
В производстве чистый сплав Fe-Zr не используется. Применение находят сплавы на основе железа или магния с добавкой циркония и неодима: Fe(Mg)-Nd-Zr. Структура сплавов представляет собой твердый раствора неодима и циркония в железе (магнии) и эвтектики по границам зерен, в состав которой входит соединение Fe(Mg)9Nd. Микроструктура сплавов представлена на рисунке 2. После термической обработки соединение Fe(Mg)9Nd принимает округлую форму. Внутри зерна появляются мелкодисперсные частицы продуктов распада твердого раствора (рис.3).

Рисунок 2. Микроструктура сплавов системы Fe(Mg)-Nd-Zr: увеличение:×200 и ×500

Рисунок 3. Микроструктура сплавов системы Fe(Mg)-Nd-Zr в литом состоянии после термической обработки: увеличение:×200 и ×500.

1) Начертите диаграмму состояния железо-цементит укажите структуры во всех областях и опишите превращения

1) Начертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структуры во всех областях и опишите превращения, протекающие в стали, содержащей 1% углерода, при медленном охлаждение от 1600 до 20°С.

Рисунок 1. Диаграмма состояния «железо-цементит» и линия заданного сплава

Для заданного состава проводим линию сплава. Отмечаем каждое пересечение линии сплава с линиями диаграммы (рисунок 1). До точки 1 существует только жидкий раствор. В точке 1 начинается кристаллизация аустенита:
Ж→Ж+А
В точке 2 кристаллизация аустенита заканчивается:
Ж+А→А
Между точками 2-3 существует только аустенит. В точке 3 происходит выделение из аустенита вторичного цементита, вследствие уменьшения растворимости углерода в решетке γ-железа:
А→А+ЦII
В точке 4 (температура 727°С) происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит (0,02 % углерода) и цементит. Такая смесь называется перлит. Эвтектоидное превращение идет при постоянной температуре:
А+Ц→Ф+ЦII
При дальнейшем охлаждении от точки 4 до комнатной температуры сплав представлен ферритом и цементитом (феррит и перлит). Микроструктура сплава при комнатной температуре представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Микроструктура заданного сплава при комнатной температуре

2) Выберите и обоснуйте марки сплавов для:
а) центра задней бабки токарного станка,
б) штампа для горячей штамповки,
в) пружинящего контакта.
Задняя бабка необходима для установки конца длинных заготовок в процессе обработки, а также для закрепления и подачи стержневых инструментов (сверл, зенкеров, разверток). Центр задней бабки неподвижен. Заготовка, опираясь на рабочую поверхность центра задней бабки, вращается, и поэтому под действием выделяющейся от работы трения теплоты происходит нагрев центра. От нагрева задний центр преждевременно изнашивается. Стали должны отличаться высокой твердостью, прочностью и износостойкостью, а в некоторых случаях должны удовлетворять и ряду дополнительных требований, в частности быть стойкими против коррозии, сохранять неизменными размеры и форму инструмента в течение длительного времени, обладать способностью противостоять значительным динамическим нагрузкам. Поэтому задние центры необходимо изготавливать из быстрорежущей стали, не уменьшающей своей твердости при повышенных температурах. Такими марками сталей могут быть Р18, Р12, Р9.
Материал для горячих штампов должен удовлетворять комплексу требований. К ним в первую очередь относятся высокая прочность (не менее 1000 МПа), необходимая для сохранения формы штампа при высоких удельных давлениях во время деформирования, и высокая теплостойкость, позволяющая сохранить высокие твердость и прочностные свойства при длительном температурном воздействии. В рабочих условиях штамп должен деформировать заготовку, а не наоборот. Стали должны иметь достаточную вязкость для предупреждения поломок при ударных нагрузках. Они должны обладать высоким сопротивлением термической усталости, сохраняя способность выдерживать многократные нагревы и охлаждения без образования сетки трещин. Стали для изготовления штампов горячей штамповки должны иметь хорошую окалиностойкость и высокую прокаливаемость для обеспечения необходимых механических свойств по всему сечению, что особенно важно для массивных штампов.
Таким образом, для штампов горячего штампования рекомендуется применять легированные стали, содержащие 0,3…0,6 % углерода, подвергаемые закалке и отпуску при 550…680°С.
Например, для молотовых штампов применяют сталь 5ХНМ, 4ХМФС, 5Х2СФ. Для изготовления крупногабаритных прессовых и молотовых штампов применяют сталь 5Х2НМФС. Для пресс-форм литья под давлением и прессования цветных металлов и сплавов используют сталь 3Х2В8Ф или 3Х2М2Ф. Для изготовления крупного прессового инструмента применяют стали 3ХВ4СФ и 4ХСН2МВФ.
Материалы для изготовления пружинящих контактов должны сохранять высокие упругие свойства в процессе работы, быть надежными и долговечными. Для данного изделия возможно использование бронзы БрОЦ4-3, которая применяется для изготовления пружинящих деталей в электротехнике и машиностроении благодаря высокому модулю упругости и высокому пределу текучести.
БрОЦ4-3 – это сплав оловянной бронзы с цинком, обрабатываемый давлением. Изделия из него имеют высокие показатели упругости и предела текучести среди аналогичных бронз, но низким пределом прочности и твёрдостью. Теплопроводность и электропроводность этого материала находятся в пределах средних значений для бронз и уступают чистой меди. Для изготовления нетоковедущих элементов контактных устройств возможно использование пружинных сплавов на основе железа марок 36НХТЮ или 40КНХМВ.

3) Выберите и обоснуйте способ литья для получения бронзовой втулки. Кратко опишите этот способ.
Одним из наиболее распространенных способов получения бронзовых втулок является центробежное литье. Центробежное литьё – изготовление отливок в формах, при котором расплавленный металл подвергается действию центробежных сил. Заливаемый металл отбрасывается к стенкам формы и, затвердевая, образует отливку.
Центробежное литье осуществляется на специальных машинах. Расплав, заливаемый во вращающуюся форму, центробежными силами плотно прижимается к внутренним: стенкам формы и воспринимает ее конфигурацию. Формы могут вращаться вокруг горизонтальной, вертикальной и наклонной осей. Наиболее распространены машины с горизонтальной осью вращения. Методом центробежного литья, как правило, получают отливки, представляющие собой тела вращения (втулки, трубы, диски).
Центробежные силы не только распределяют жидкий металл в форме, но и способствуют перемещению на внутреннюю поверхность отливки более легких, чем сплав, шлаковых и газовых включений. Отливка получается более чистой и плотной. Для получения втулок применяют машины с горизонтальной (рисунок 3-а) и вертикальной (рисунок 3-б) осями вращения.

а б
Рисунок 3. Машины центробежного литья:
а – с горизонтальной осью вращения; б – с вертикальной осью вращения

Определенная доза расплава из ковша заливается во вращающуюся форму через металлоприемник. Под действием центробежных сил металл отбрасывается к стенкам формы. Форма вращается до тех пор, пока расплав не затвердеет, затем отливку извлекают из формы. Перед каждой заливкой внутреннюю полость формы покрывают противопригарной краской или присыпкой.
Преимуществом центробежного литья является получение отливок без литниковых систем. Отливки имеют плотную, мелкозернистую структуру и повышенные механические свойства по сравнению с отливками, изготовленными литьем в песчаные формы.
Недостатком способа центробежного литья является необходимость больших припусков на механическую обработку наружных поверхностей 1,5-2,5 мм, внутренних поверхностей 2,5-3,5 мм.

4) Выберите и обоснуйте термическую обработку для шестерни из стали 38ХМЮФ.
Шестерни и зубчатые колеса наиболее часто выходят из строя из-за контактного усталостного разрушения, торцового износа, заедания зубьев и их поломки при кратковременных перегрузках. Поэтому материал для них должен обеспечивать высокую поверхностную износостойкость, достаточную статистическую усталостную прочность при изгибе. Для придания детали требуемых свойств производят химико-термическую обработку – азотирование.
Азотирование стали – химико-термическая обработка поверхностным насыщением стали азотом. Целью азотирования является создание поверхностного слоя с высокой твердостью, износостойкостью, повышенной усталостной прочностью и сопротивлением коррозии.
Процесс азотирования состоит в выдержке в течение довольно длительного времени (до 60 часов) деталей в атмосфере аммиака при 500…600°С. При более высокой температуре образуются более крупные нитриды и твердость уменьшается.
Азотированные стали сохраняют высокую твердость до сравнительно высоких температур (500…520°С). Азотированные изделия не коробятся при охлаждении.
Азотированию обычно подвергают готовые изделия, прошедшие механическую и окончательную термическую обработку (закалку с высоким отпуском). После такой термической обработки металл приобретает структуру сорбита (разновидность перлита), имеющую высокую прочность и вязкость. Эта структура сохраняется в сердцевине детали и после азотирования. Высокая прочность металлической основы необходима для того, чтобы тонкий и хрупкий азотированный слой не продавливался при работе детали. Высокая твердость после азотирования достигается сразу и не требует последующей термической обработки. Это важное преимущество процесса азотирования.
Технология процесса азотирования заключается в следующих последовательных операциях:
предварительная термическая обработка заготовки. Эта операция состоит из закалки и высокого отпуска стали для получения повышенной прочности и вязкости в сердцевине изделия. Отпуск проводят при высокой температуре 600-675°С, превышающей максимальную температуру последующего азотирования и обеспечивающей получение твердости, при которой сталь можно обрабатывать резанием. Структура стали после этого отпуска – сорбит;
механическая обработка деталей, а также шлифование, которое придает окончательные размеры детали;
защита участков, не подлежащих азотированию, нанесением тонкого слоя (10-15 мкм) олова электролитическим методом или жидкого стекла. Олово при температуре азотирования расплавляется на поверхности стали в виде тонкой не проницаемой для азота пленки;
азотирование;
окончательное шлифование или доводка изделия.
Азотирование сталей широко применяют в машиностроении для повышения твердости, износостойкости, предела выносливости и коррозионной стойкости ответственных деталей, например, зубчатых колес, валов, гильз цилиндров.

5) Выберите и обоснуйте способ получения ленты толщиной 1 мм из бронзы при мелкосерийном производстве. Кратко опишите сущность этого способа.
Для производства бронзовой ленты с толщиной 1 мм применяется только холодная прокатка, поскольку в горячем состоянии такие сплавы разрушаются. Прокатка – процесс пластического деформирования заготовки на прокатном стане между вращающимися приводными валками. Холодная прокатка – это процесс, во время которого уменьшается толщина заготовки при температурах ниже процесса горячей прокатки.

Рисунок 4. Схема прокатного стана
Способ продольной прокатки является наиболее распространенным. При продольной прокатке (рисунок 4) полоса подводится к валкам, вращающимся в разные стороны, и втягивается в зазор между ними за счет сил трения на контактной поверхности. Полоса обжимается по высоте и принимает форму зазора (калибра) между валками. При этом способе прокатки полоса перемещается только вперед, то есть совершает только поступательное движение. В зависимости от калибровки валков форма поперечного и продольного сечения проката может быть разной.

6) Выберите и обоснуйте способ сварки стальных изделий толщиной 300 мм. Опишите этот способ, укажите его достоинства.

Рисунок 1. Схема процесса электрошлаковой сварки
Для получения сворного соединения изделий заданной толщины возможно применение электрошлаковой сварки (рисунок 5). В процессе сварки основной и электродный металлы расплавляют теплотой, выделяющейся при прохождении электрического тока через шлаковую ванну. Шлак представляет собой расплавленный, обладающий электропроводностью флюс. Процесс электрошлаковой сварки начинается с образования шлаковой ванны в пространстве между кромками основного металла и формирующими устройствами типа пластин, которые охлаждаются водой. Шлаковая ванна получается путем расплавления флюса электрической дугой, возбуждаемой между сварочной проволокой и вводной планкой.
После накопления определенного количества жидкого шлака дуга шунтируется шлаком и гаснет, а подача проволоки и подвод тока продолжаются. При прохождении тока через расплавленный шлак в нем выделяется теплота, достаточная для поддержания высокой температуры шлака (до 2000°С) и расплавления основного металла и электродной проволоки. За счет разницы в плотности электродный металл (плотность выше, чем у шлака) опускается на дно расплава, образуя металлическую ванну, а расплавленный флюс находится в верхней части расплава, образуя шлаковую ванну. Шлаковая ванна защищает жидкий металл от окисления воздухом.
Технологические особенности данного способа сварки позволяют сваривать детали толщиной от 30 до 3000 мм. Для сварки используют проволоку, плавящиеся мундштуки, пластинчатые электроды, ленточные электроды. В качестве источников питания применяют специальные сварочные трансформаторы с жесткой внешней характеристикой, напряжением 30…55 В и токами от 50 до 3000А.
Преимущества электрошлаковой сварки: возможность получения за один проход сварных соединений практически любой толщины (до 3000 мм); отсутствие подготовки специальной подготовки кромок свариваемых деталей; небольшой расход флюса в сравнении с обычной электродуговой сваркой; возможность применения электродов различной формы; высокая производительность процесса; сокращенный расход электроэнергии; надежная защита сварочной ванны от воздуха; возможность получения за один проход швов переменной толщины.

7) Кратко опишите сущность основных способов получения резиновых изделий.
Резиной называется продукт специальной обработки (вулканизации) смеси каучука и серы с различными добавками. Вулканизация – превращение каучука в резину, осуществляемое с участием так называемых вулканизирующих агентов и под действием ионизирующей радиации. Вулканизацию применяют для придания резине механической прочности, высокой эластичности и стойкости к растворителям.
Технология изготовления резиновых изделий состоит из следующих операций: смешение каучука с ингредиентами в смесителях или на вальцах, изготовление полуфабрикатов; получение предпрессов; резка и раскрой полуфабрикатов; сборка заготовок изделия сложной конструкции с применением специального сборочного оборудования; вулканизация изделий в аппаратах периодического (прессы, автоклавы) или непрерывного действия (тоннельные, барабанные вулканизаторы). При этом используется высокая пластичность резиновых смесей, благодаря которой им придают форму будущего изделия, закрепляемую в результате вулканизации. Широко применяют формование в вулканизационном прессе или литье под давлением (формование и вулканизацию изделий совмещают в водной опреации).
Резина как технический материал отличается от других материалов высокими эластическими свойствами, которые присущи каучуку – главному исходному компоненту резины. Она способна к очень большим деформациям (относительное удлинение достигает 1000%), которые почти полностью обратимы. При нормальной температуре резина находится в высокоэластическом состоянии, и ее эластические свойства сохраняются в широком диапазоне температур.
Резиновые изделия находят самое широкое применение во всех отраслях промышленности. Основное применение резина находит в производстве шин. Кроме шин, в автомобиле насчитывается около 200 самых различных резиновых деталей: шланги, ремни, прокладки, втулки, муфты, буфера, мембраны, манжеты и т.д. Резина обладает высокими электроизоляционными свойствами, поэтому ее широко применяют для изоляции кабелей, проводов, магнето, защитных средств.

Перечень использованной литературы
Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.
Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Перебоева А.А. Технология термической обработки металлов. Курс лекций / А.А. Перебоева – Красноярск: Сибирский федеральный университет, 2007. – 143 с.
Черепахин А.А. Материаловедение / А.А. Черепахин, И.И. Колтунов, В.А. Кузнецов. – М.: КНОРУС, 2011. – 240 с.
Сварка в машиностроении: Справочник в 4-х т. / Под ред. Г.А. Николаева и др. – М.: Машиностроение, 1979.
Технология конструкционных материалов / Под редакцией А.М. Дальского – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.

ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали

(НВ 180), 70С3А, БрОФ4-0,25

Сталь 20
ГОСТ 1050-88 Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Общие технические условия
Сталь 20 – конструкционная углеродистая качественная. Химический состав стали представлен в таблице 1.
Таблица 1
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Cu
As
0,17 – 0,24 0,17 – 0,37 0,35 – 0,65 до 0,25 до 0,04 до 0,04 до 0,25 до 0,25 до 0,08
Химический состав, %

Данная сталь является низкоуглеродистой. Для придания ей требуемых свойств необходимо провести нормализацию.
Нормализация – нагрев стали до определенной температуры (на 30…50°С выше температуры критической точки Ас3) с последующим охлаждением на воздухе. Скорость охлаждения при нормализации значительно влияет на количество перлита, его размеры и толщину перлитных пластин. Чем выше скорость охлаждения, тем больше образуется перлита, а его пластины становятся тоньше и ближе друг к другу. Увеличение доли перлита в структуре и его измельчение дают повышение прочности и твердости стали (относительно отжига). Более низкие скорости охлаждения означают менее прочную и твердую сталь.
Нормализация вызывает полную фазовую перекристаллизацию. После нормализации получают структуру перлита и феррита. Температура отжига для стали 20 составляет 880…900°С. График термической обработки представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. График термической обработки стали 20

Сталь 70С3А
ГОСТ 14959-79 Прокат из рессорно-пружинной углеродистой и легированной стали. Технические условия
Сталь 70С3А – сталь конструкционная рессорно-пружинная, легированная высококачественная. Химический состав стали представлен в таблице 2
Легирование пружинной стали необходимо для улучшения прокаливаемости. Кроме того, легирующие элементы повышают предел упругости. Кремний способствует образованию фаз, вытягивающихся в направлении деформирования, и обуславливает анизотропию свойств. В пружинных сталях это положительное явление, т.к. повышается ударная вязкость в направлении деформирования. Другими словами, кремний создает в твердом растворе α-железа направленные ионные связи и упорядочение, что повышает напряжение трения решетки и сопротивление движению дислокаций на стадии микропластической деформации.
Таблица 2
C Si
Mn
Ni
S P Cr
Cu
0,66 – 0,74 2,4 – 2,8 0,6 – 0,9 до 0,25 до 0,025 до 0,025 до 0,3 до 0,2
Химический состав, %

Кремний, растворенный в аустените, при переохлаждении с высоких температур увеличивают устойчивость его к распаду. Это сильно уменьшает критическую скорость закалки, позволяет проводить закалку легированных сталей в масле, что снижает опасность образования закалочных трещин, уменьшает коробление изделий и увеличивает прокаливаемость сталей. Растворенный в переохлажденном аустените кремний понижает точки начала и конца мартенситного превращения.

Сплав БрОФ4-0,25
ГОСТ 5017-74. Бронзы оловянные, обрабатываемые давлением. Марки

Сплав БрОФ4-0,25 – бронза оловянная, обрабатываемая давлением. Химический состав бронзы представлен в таблице 3.
Таблица 3
Химический состав сплава, %
Fe
Si
P Al
Cu
Pb
Sb Bi Sn
Примесей
до 0,02 до 0,002 0,2 – 0,3 до 0,002 95,6 – 96,3 до 0,02 до 0,002 до 0,002 3,5 – 4,0 всего 1,5

Алюминий придает сплавам на основе меди высокую коррозионную стойкость, хорошие механические и технологические свойства. Такие бронзы хорошо обрабатываются в горячем состоянии.
Железо снижает жидкотекучесть, но повышает прочность и твердость, уменьшая пластичность и плотность. Резко снижает коррозионную стойкость.

71. Стали обыкновенного качества.
Углеродистые стали обыкновенного качества отличаются от других сталей более высоким содержанием вредных примесей, а также газонасыщенностью и загрязненностью неметаллическими включениями. Стали обыкновенного качества выпускают в виде проката в нормализованном состоянии.
В России принята буквенно-цифровая система маркировки сталей. Каждая марка стали содержит определенное сочетание букв и цифр. В настоящее время классификация сталей углеродистых обыкновенного качества осуществляется согласно ГОСТ 380-2005.
Углеродистые стали обыкновенного качества обозначают буквами Ст (индекс данной группы стали) и цифрами от 0 до 6 (это условный номер марки стали). С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали (таблица 4).
Таблица 4
Марки стали
Обозначение стали Содержание углерода
Ст0
0,23%,
Ст1
0,06 – 0,12%,
Ст2
0,09 – 0,15%,
Ст3 0,14 – 0,22%,
Ст4
0,18 – 0,27%,
Ст5 0,28 – 0,37%,
Ст6
0,38 – 0,49%.

В зависимости от назначения и гарантируемых свойств существует три группы сталей: А, Б и В (таблица 5). Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства (таблица 6), в обозначении индекс группы А не указывается. Для сталей группы Б гарантируется химический состав. Для сталей группы В при поставке гарантируются и механические свойства, и химический состав.
Таблица 5
Углеродистые стали обыкновенного качества
Группа Гарантируемые свойства в состоянии поставки Марки (с учетом степени раскисления) Категории
А Механические свойства Ст0, Ст1кп, Ст1пс, Ст1сп, Ст2кп, Ст2пс, Ст2сп, Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп, Ст3Гпс, Ст4кп, Ст4пс, Ст4сп, Ст5пс, Ст5сп, Ст5Гпс, Ст6пс, Ст6сп 1, 2, 3
Б Химический состав БСт0, БСт1кп, БСт1сп, БСт2кп, БСт2пс, БСт3кп, БСт3пс, БСт3сп, БСт3Гпс, БСт4кп, БСт4пс, БСт6пс, БСт6сп 1, 2
В Механические свойства и химический состав ВСт1кп, ВСт1пс, ВСт1сп, ВСт2кп, ВСт2пс, ВСт2сп, ВСт3кп, ВСт3пс, ВСт3сп, ВСт3Гпс, ВСт4кп, ВСт4пс, ВСт4сп, ВСт5пс, ВСт5сп 1, 2, 3,
4, 5, 6

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп – кипящая, пс – полуспокойная, сп – спокойная. Между индексом и номером марки может стоять буква Г, что означает повышенное содержание марганца (массовая доля в стали 0,80 % и более).
В зависимости от нормируемых показателей сталь каждой группы делится на категории. Номер категории обозначается второй арабской цифрой (от 1 до 6). Сталь 1-ой категории цифрой не обозначается. Чем выше категория, тем больше нормируемых параметров.
Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали.
Таблица 6
Механические свойства углеродистой стали обыкновенного качества
Марка Предел прочности σв, МПа Относительное удлинение δ, % Назначение
Ст0
310 20 Малонагруженные детали: шайбы, прокладки
Ст1
Ст2
310-400
330-420 32
30 Малонагруженные детали: болты, шпильки, гайки
Ст3
Ст4
370-470
410-520 24
22 Средненагруженные детали: рычаги, оси, кронштейны
Ст5
Ст6
500-640
600 17
12 Средненагруженные детали: оси, валы
Например:
Ст1кп2 – углеродистая сталь обыкновенного качества, кипящая, № марки 1, второй категории, поставляется потребителям по механическим свойствам (группа А);
ВСт5Г – углеродистая сталь обыкновенного качества с повышенным содержанием марганца, спокойная, № марки 5, первой категории с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В);
БСт0 – углеродистая сталь обыкновенного качества, номер марки 0, группы Б, первой категории (стали марок Ст0 и БСт0 по степени раскисления не разделяют).

Перечень использованной литературы
Адаскин А.М. Материаловедение (металлообработка) / А.М. Адаскин – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
Козлов Ю.С. Материаловедение / Ю.С. Козлов – М.: АГАР, 1999. – 182 с.
Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева – М.: Машиностроение, 1990. – 528 с.
Основы материаловедения / Под редакцией И.И. Сидорина – М.: Машиностроение, 1976. – 436 с.
Черепахин А.А. Материаловедение / А.А. Черепахин, И.И. Колтунов, В.А. Кузнецов. – М.: КНОРУС, 2011. – 240 с.
Технология конструкционных материалов / Под редакцией А.М. Дальского – М.: Машиностроение, 1990. – 352 с.