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

АрестАлександрович 4.9

ответственный, исполнительный пишу работы по экономике, юриспруденции, менеджменту, маркетингу и журналистике

Нанять автора