Питання 1. Вичертите діаграму стану системи алюміній-мідь. Опишіть взаємодію компонентів у рідкому і твердому станах, вкажіть структурні складові у всіх областях діаграми стану і поясніть характер зміни властивостей сплавів в даній системі за допомогою правил Курнакова.
Найбільш важливою домішкою в дуралюмина є мідь.
Діаграма стану сплавів А1-Сі (рис.1.) Відноситься до діаграм стану III типу, коли компоненти утворюють твердий розчин з
обмеженою розчинністю, зменшується з пониженням температури. У сплавах, що мають діаграму стану такого типу, протікає вторинна
кристалізація, пов'язана з частковим розпадом твердого розчину. Такі сплави можна піддавати термічній обробці III і IV груп, тобто загартуванню
0
.
100
0,05 5,7 10 20 30 33
Діаграма стану сплавів алюміній - мідь.
і старіння. З діаграми стану А1 - Сі випливає, що найбільша розчинність міді в алюмінії спостерігається при 548 °, коли вона становить
5,7%; при зниженні температури розчинність міді в алюмінії зменшується і при кімнатній температурі складає 0,5%. Якщо сплави із вмістом міді від 0,5 і до 5,7% піддати загартуванню з нагрівом вище температур фазових перетворень (наприклад, вище точки 5 на діаграмі стану сплавів А1 - Сі), то сплав перейде в однорідний твердий розчин а. Після гарту у сплаві буде протікати розпад твердого розчину, що супроводжується виділенням надлишкової фази високого ступеня дисперсності. Такий фазою в сплавах А1 - Сі, є тверде і крихке хімічна сполука СіА1 2.
Розпад пересиченого твердого розчину може протікати протягом тривалого часу при вилежуванні сплаву при кімнатній температурі (природне старіння) і більш швидко при підвищеній температурі (штучне старіння). У результаті старіння твердість і міцність сплаву підвищуються, а пластичність і в'язкість знижуються.
Відповідно до теорії старіння, найбільш повно розробленої за допомогою правил Курнакова, процес старіння в сплавах протікає в декілька стадій. Зміцнення сплавів, що спостерігається в результаті старіння, відповідає періоду виділення надлишкових фаз у високодисперсному стані. Що відбуваються в структурі зміни можна спостерігати лише за допомогою електронного мікроскопа. Зазвичай ця стадія процесу протікає у загартованих сплавів при природному старінні. При цьому твердість і міцність сплаву підвищуються.
При нагріванні загартованих сплавів до порівняно низьких температур, різних для різних сплавів (штучне старіння), протікає друга стадія, що складається в укрупненні частинок виділилися фаз. Цей процес можна спостерігати за допомогою оптичного мікроскопа. Поява в мікроструктурі укрупнених виділень фаз-упрочнителей збігається з новим зміною властивостей - зниженням міцності і твердості сплаву і підвищенням його пластичності і в'язкості. Старіння спостерігається тільки у сплавів, які мають діаграму стану з обмеженою розчинністю, зменшується з пониженням температури. Так як велика кількість сплавів має діаграму цього типу, то явище старіння досить поширене. На явищі старіння заснована термічна обробка багатьох кольорових сплавів - алюмінієвих, мідних та ін
У розглянутих вище сплавах А1 - Сі цей процес протікає в такий спосіб. При природному старінні в загартованому сплаві відбувається утворення зон (дисків) з підвищеним вмістом міді. Товщина цих зон, званих зонами Гинье - Престона, дорівнює двом-трьом атомним верствам. При нагріванні до 100 ° і вище ці зони перетворюються на так звану Ө - фазу, яка є нестійкою Аллотропических модифікацією хімічної сполуки СіА1 2. При температурі вище 250 ° фаза 9 'перетворюється у фазу Ө (СіА1 2). Далі відбувається укрупнення виділень фази Ө (СіА1 2). Найбільшу твердість і міцність має сплав в першій стадії старіння.
У дуралюмина марки Д1 у процесі розпаду твердого розчину виділяється також фаза Ө, а в дуралюмина марки Д16 таких фаз декілька.
Технологія термічної обробки деталей з дуралюмина складається з гарту, що проводиться з метою отримання пересиченого твердого розчину, і природного або штучного старіння. Для гарту деталі нагрівають до 495 ° і охолоджують у холодній воді.
Загартовані деталі піддають природного старіння шляхом витримування їх при кімнатній температурі. Після 4-7 діб вилежування деталі набувають найбільш високу міцність і твердість. Так, межа міцності дуралюмина марки Д1, що знаходиться в отожженном стані, становить 25 кг / мм 2, а твердість його дорівнює Н В = 45; після гартування і природного старіння межа міцності дорівнює 40 кг / мм 2, а твердість підвищується до Н в = 100.
Час, необхідний для розпаду твердого розчину, може бути скорочено до кількох годин шляхом нагрівання загартованого дуралюмина до 100 - 150 ◦ (штучне старіння), однак значення твердості і міцності при штучному старінні трохи нижче, ніж при природному. Кілька сніжае5тся і корозійна стійкість. Найбільш високу твердість і міцність після гартування і старіння мають дуралюмина марок Д16 і Д6.Дуралюміни марок ДЗП і Д18 є сплавами з підвищеною пластичністю.
Дуралюмина отримали широке застосування в різних галузях промисловості, особливо в авіабудуванні, внаслідок малого питомої ваги і високих механічних властивостей після термічної обробки.
При маркуванні дуралюмінінов літера Д позначає «дуралюмин», А цифра - умовний номер сплаву.
Найбільш важливою домішкою в дуралюмина є мідь.
Діаграма стану сплавів А1-Сі (рис.1.) Відноситься до діаграм стану III типу, коли компоненти утворюють твердий розчин з
обмеженою розчинністю, зменшується з пониженням температури. У сплавах, що мають діаграму стану такого типу, протікає вторинна
кристалізація, пов'язана з частковим розпадом твердого розчину. Такі сплави можна піддавати термічній обробці III і IV груп, тобто загартуванню
0
.
100
0,05 5,7 10 20 30 33
Діаграма стану сплавів алюміній - мідь.
і старіння. З діаграми стану А1 - Сі випливає, що найбільша розчинність міді в алюмінії спостерігається при 548 °, коли вона становить
5,7%; при зниженні температури розчинність міді в алюмінії зменшується і при кімнатній температурі складає 0,5%. Якщо сплави із вмістом міді від 0,5 і до 5,7% піддати загартуванню з нагрівом вище температур фазових перетворень (наприклад, вище точки 5 на діаграмі стану сплавів А1 - Сі), то сплав перейде в однорідний твердий розчин а. Після гарту у сплаві буде протікати розпад твердого розчину, що супроводжується виділенням надлишкової фази високого ступеня дисперсності. Такий фазою в сплавах А1 - Сі, є тверде і крихке хімічна сполука СіА1 2.
Розпад пересиченого твердого розчину може протікати протягом тривалого часу при вилежуванні сплаву при кімнатній температурі (природне старіння) і більш швидко при підвищеній температурі (штучне старіння). У результаті старіння твердість і міцність сплаву підвищуються, а пластичність і в'язкість знижуються.
Відповідно до теорії старіння, найбільш повно розробленої за допомогою правил Курнакова, процес старіння в сплавах протікає в декілька стадій. Зміцнення сплавів, що спостерігається в результаті старіння, відповідає періоду виділення надлишкових фаз у високодисперсному стані. Що відбуваються в структурі зміни можна спостерігати лише за допомогою електронного мікроскопа. Зазвичай ця стадія процесу протікає у загартованих сплавів при природному старінні. При цьому твердість і міцність сплаву підвищуються.
При нагріванні загартованих сплавів до порівняно низьких температур, різних для різних сплавів (штучне старіння), протікає друга стадія, що складається в укрупненні частинок виділилися фаз. Цей процес можна спостерігати за допомогою оптичного мікроскопа. Поява в мікроструктурі укрупнених виділень фаз-упрочнителей збігається з новим зміною властивостей - зниженням міцності і твердості сплаву і підвищенням його пластичності і в'язкості. Старіння спостерігається тільки у сплавів, які мають діаграму стану з обмеженою розчинністю, зменшується з пониженням температури. Так як велика кількість сплавів має діаграму цього типу, то явище старіння досить поширене. На явищі старіння заснована термічна обробка багатьох кольорових сплавів - алюмінієвих, мідних та ін
У розглянутих вище сплавах А1 - Сі цей процес протікає в такий спосіб. При природному старінні в загартованому сплаві відбувається утворення зон (дисків) з підвищеним вмістом міді. Товщина цих зон, званих зонами Гинье - Престона, дорівнює двом-трьом атомним верствам. При нагріванні до 100 ° і вище ці зони перетворюються на так звану Ө - фазу, яка є нестійкою Аллотропических модифікацією хімічної сполуки СіА1 2. При температурі вище 250 ° фаза 9 'перетворюється у фазу Ө (СіА1 2). Далі відбувається укрупнення виділень фази Ө (СіА1 2). Найбільшу твердість і міцність має сплав в першій стадії старіння.
У дуралюмина марки Д1 у процесі розпаду твердого розчину виділяється також фаза Ө, а в дуралюмина марки Д16 таких фаз декілька.
Технологія термічної обробки деталей з дуралюмина складається з гарту, що проводиться з метою отримання пересиченого твердого розчину, і природного або штучного старіння. Для гарту деталі нагрівають до 495 ° і охолоджують у холодній воді.
Загартовані деталі піддають природного старіння шляхом витримування їх при кімнатній температурі. Після 4-7 діб вилежування деталі набувають найбільш високу міцність і твердість. Так, межа міцності дуралюмина марки Д1, що знаходиться в отожженном стані, становить 25 кг / мм 2, а твердість його дорівнює Н В = 45; після гартування і природного старіння межа міцності дорівнює 40 кг / мм 2, а твердість підвищується до Н в = 100.
Час, необхідний для розпаду твердого розчину, може бути скорочено до кількох годин шляхом нагрівання загартованого дуралюмина до 100 - 150 ◦ (штучне старіння), однак значення твердості і міцності при штучному старінні трохи нижче, ніж при природному. Кілька сніжае5тся і корозійна стійкість. Найбільш високу твердість і міцність після гартування і старіння мають дуралюмина марок Д16 і Д6.Дуралюміни марок ДЗП і Д18 є сплавами з підвищеною пластичністю.
Дуралюмина отримали широке застосування в різних галузях промисловості, особливо в авіабудуванні, внаслідок малого питомої ваги і високих механічних властивостей після термічної обробки.
При маркуванні дуралюмінінов літера Д позначає «дуралюмин», А цифра - умовний номер сплаву.
2. ДІАГРАМА СТАНУ Залізовуглецеві СПЛАВІВ
Сплави заліза з вуглецем умовно відносять до двокомпонентним сплавів. У їх складі, крім основних компонентів - заліза і вуглецю, містяться в невеликих кількостях звичайні домішки-марганець, кремній, сірка, фосфор, а також гази - азот, кисень, водень і іноді сліди деяких інших елементів. Залізо з вуглецем утворює стійке хімічна сполука Fe 3 C (93,33% Fe і 6,67% С), зване карбідом заліза або цементитом. У застосовуваних сплавах заліза з вуглецем (сталях, чавунах) зміст вуглецю не перевищує 6,67%, і тому практичне значення мають сплави заліза з карбідом заліза (система Fe-Fe 3 C), в яких другим компонентом є цементит.
При змісті вуглецю вище 6,67% у сплавах не буде вільного заліза, так як воно все увійде в хімічну сполуку з вуглецем. У цьому випадку компонентами сплавів будуть карбід заліза і вуглець; сплави будуть ставитися до другої системі Fe 3 C-С, яка досліджена недостатньо. Крім того, железоуглеродістиє сплави із вмістом вуглецю вище 6,67% володіють великою крихкістю і практично не застосовуються.
Сплави Fe-Fe 3 C (з вмістом С до 6,67%), навпаки, мають велике практичне значення. На рис. 2 наведена структурна діаграма стану сплавів Fe-Fe 3 C, побудована в координатах температура - концентрація. По осі ординат відкладені температури нагріву сплавів, а по осі абсцис - концентрація вуглецю у відсотках. Ліва ордината відповідає 100% вмісту заліза, а права ордината-змістом вуглецю 6,67% (або 100%-ної концентрації Fe 3 C).
На правій ординаті відкладена температура плавлення Fe 3 C, відповідна 1550 ° (точка D на діаграмі).
У зв'язку з тим що залізо має модифікації, на лівій ординаті, крім температури плавлення заліза 1535 ° (точка А на діаграмі), відкладені також температури аллотропических перетворень заліза: 1390 ° (точка N) і 910 ° (точка G).
Таким чином, ординати діаграми відповідають чистим компонентів сплаву (залізо і цементит), а між ними розташовуються точки, відповідні сплавів різної концентрації від 0 до 6,67% С
Рис. 2. Структурна діаграма стану сплавів Fe - Fe 3 C.
У певних умовах хімічна сполука (цементит) може не утворитися, що залежить від змісту кремнію, марганцю та інших елементів, а також від швидкості охолодження злитків або виливків. При цьому вуглець виділяється у сплавах у вільному стані у вигляді графіту. Двох систем сплавів (Fe-Fe 3 C і Fe 3 C-С) в цьому випадку не буде. Вони замінюються однією системою сплавів Fe-С, яка не має хімічних сполук.
2.1 Структурні складові залізовуглецевих сплавів.
Мікроскопічний аналіз показує, що у залізовуглецевих сплавах утворюється шість структурних складових, а саме: ферит, цементит, аустеніт і графіт, а також перліт і ледебурит.
Феритом називають твердий розчин впровадження вуглецю в Fe a. Так як розчинність вуглецю в Fe «незначна, то ферит можна вважати практично чистим Fe a. Ферит має об'ємно-центровану кубічну решітку (Кб). Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд світлих зерен різної величини. Властивості фериту однакові з властивостями заліза: він м'який і пластичний, межа міцності 25 кг / мм 2, твердість Н В = 80, відносне подовження 50%. Пластичність фериту залежить від величини його зерна: чим дрібніше зерна, тим пластичність його вище. До 768 ° (точка Кюрі) він феррімагнітен, а вище - парамагнітен.
Цементитом називають карбід заліза Fe 3 C. Цементит має складну ромбічну грати. Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд пластинок або зерен різної величини. Цементит твердий (Н В> 800 од.) І тендітний, а відносне подовження його близько до нуля. Розрізняють цементит, що виділяється при первинній кристалізації з рідкого сплаву (первинний цементит або Ц 1), і цементит, що виділяється з твердого розчину Y-аустеніту (вторинний цементит або Ц 2). Крім того, при розпаді твердого розчину а (область GPQ на діаграмі стану) виділяється цементит, званий на відміну від попередніх третинним цементитом або Ц 3. Всі форми цементиту мають однакове кристалічну будову і властивості, але різну величину частинок - платівок або зерен. Найбільш великими є частки первинного цементиту, а найбільш дрібними частки первинного цементиту. До 210 ° (точка Кюрі) цементит феррімагнітен, а вищий її - парамагнітен.
Аустенітом називають твердий розчин впровадження вуглецю в Fe Y. Аустеніт має гранецентрированную кубічну решітку (К12). Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд світлих зерен з характерними подвійними лініями (двійниками). Твердість аустеніту дорівнює Н В = 220. Аустеніт парамагнітен.
Графіт має неплотноупакованную гексагональну решітку із шаруватим розташуванням атомів. Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд пластинок різної форми і величини в сірих чавунах, пухкі форму в ковких чавунах, кулясту форму у високоміцних чавунах. Механічні властивості графіту надзвичайно низькі.
Всі перераховані чотири структурні складові одночасно є також фазами системи сплавів заліза з вуглецем, так як вони однорідні - тверді розчини (ферит і аустеніт), хімічна сполука (цементит) або елементарне речовина (графіт).
Структурні складові ледебурит і перліт не однорідні. Вони являють собою механічні суміші, що володіють особливими властивостями (евтектику і евтектоід).
Перлітом називають евтектоїдних суміш фериту і цементиту. Він утворюється з аустеніту при вторинної кристалізації і містить 0,8% С. Температура освіти перліту 723 °. Цю критичну температуру, що спостерігається тільки у сталі, називають точкою А ±. Перліт може мати пластинчаста будова, якщо цементит має форму пластинок, або зернисте, коли цементит має форму зерен. Механічні властивості пластинчастого і зернистого перліту дещо відрізняються. Пластинчастий перліт має межу міцності 82 кг / мм 2, відносне подовження 15%, твердість Н в = 190 - ^ -230. Межа міцності зернистого перліту дорівнює 63 кг / мм 2, відносне подовження 20% і твердість Я »= = 1.60-р-190.
Ледебуріта називають евтектичну суміш аустеніту і цементиту. Він утворюється в процесі первинної кристалізації при 1130 °. Це найнижча температура кристалізації в системі сплавів заліза з вуглецем. Аустеніт, що входить до складу ледебуріта, при 723 ° перетворюється в перліт. Тому нижче 723 ° і аж до кімнатної температури ледебурит складається з суміші перліту і цементиту. Він дуже твердий (Н в ^ 700) і крихкий. Наявність ледебуріта є структурною ознакою білих чавунів. Механічні властивості залізовуглецевих сплавів змінюються в залежності від кількості структурних складових, їх форми, величини і розташування.
Структурна діаграма стану Fe-Fe 3 C є складною діаграмою, так як у сплавах залізо - вуглець відбуваються не тільки перетворення, пов'язані з кристалізацією, а й перетворення у твердому стані.
Межею між сталями і білими чавунами є концентрація вуглецю 2%, а структурною ознакою - наявність або відсутність ледебуріта. Сплави із вмістом вуглецю менш 2% (у яких ледебуріта немає) називають сталями, а з вмістом вуглецю понад 2% (у структурі яких є ледебурит) - білими чавунами.
Залежно від концентрації вуглецю і структури стали я чавуни прийнято поділяти на наступні структурні групи: доевтектоїдних сталі (до 0,8% С); структура - ферит і перліт; евтектоїдних сталь (0,8% С); структура - перліт;
заевтектоідние сталі (понад 0,8 до 2% С); структура - перліт у вторинний цементит;
доевтектичні білі чавуни (понад 2 до 4,3% С); структура - ледебурит (розпався), перліт і вторинний цементит;
евтектичних білий чавун (4,3% С); структура-ледебурит;
заевтектичних білі чавуни (понад 4,3 до 6,67% С); структура-ледебурит (розпався) і первинний цементит.
Це підрозділ, як видно з діаграми стану Fe-Fe 3 C, відповідає структурному станом цих сплавів, що спостерігається при кімнатній температурі.
Питання 3.
Виберіть інструментальний твердий сплав для чистового фрезерування поверхні деталі зі сталі 30ХГСА. Дайте характеристику, розшифруйте обрану марку сплаву, опишіть особливості структури і властивості сплаву.
Інструменти поділяються на три групи: ріжучі (різці, свердла, фрези та ін), вимірювальні (калібри, кільця, плитки та ін), і інструменти для гарячої та холодної обробки металів тиском (штампи, волочильні дошки та ін.) Залежно від виду інструментів вимоги, які пред'являються до сталей для їх виготовлення, різні.
Основною вимогою, що пред'являються до сталей для різальних інструментів, є наявність високої твердості, не знижується при високих температурах, що виникають у процесі обробки металів різанням (красностойкості). Твердість для металорізальних інструментів повинна становити R c = 60ч65. Крім того, стали для різальних інструментів повинні володіти високою зносостійкістю, міцністю і задовільною в'язкістю.
Найбільше застосування для виготовлення ріжучих інструментів отримали швидкорізальні сталі. Швидкорізальна сталь є багатокомпонентним сплавом і відноситься до карбідної (ледебуритного) класу сталей. До її складу, крім заліза і вуглецю, входять хром, вольфрам і ванадій. Основним легирующим елементом у швидкорізальної сталі є вольфрам. Найбільшого поширення набули (табл. 3) марки швидкорізальної сталі Р18 (18% W) і Р9 (9% W).
Високу твердість R C = 62 і красностойкость швидкоріжуча сталь набуває після термічної обробки, що складається з гарту і багаторазового відпустки.
Таблиця 1
Хімічний склад швидкорізальної сталі
(За ГОСТ 5952-51)
На рис.3 наведено графік термічної обробки швидкорізальної сталі Р18.
Ми вибираємо її в якості інструментального твердого сплаву для чистого фрезерування тому ця марка стали підходить нам за своїми характеристиками.
Термічна обробка швидкорізальної сталі має ряд особливостей, які зумовлюються її хімічним складом. Нагрівання швидкорізальної сталі, при загартуванню проводиться до високої температури (1260-1280 °), необхідної для того, щоб розчинити в аустеніт карбіди хрому, вольфраму і ванадію. До 800-850 ° нагрівання виробляється повільно, щоб уникнути • великих внутрішніх напружень у сталі внаслідок її малої теплопровідності і крихкості, потім проводять швидкий нагрів до 1260-.1280 ° з метою уникнення зростання зерна аустеніту і зневуглецювання. Охолодження швидкорізальної сталі виробляється в маслі. Широке застосування одержала також ступінчаста гарт швидкорізальної сталі в солях при температурі 500-550 °.
Структура швидкорізальної сталі після загартування складається з мартенситу (54%), карбідів (16%) і залишкового аустеніту (30%). Після гарту швидкоріжуча сталь піддається багаторазовому відпуску при 560 °. Зазвичай виробляють триразовий відпустку з витримкою по 1 годині для того, щоб зменшити кількість залишкового аустеніту і підвищити твердість сталі. Під час витримки при температурі відпустки з аустеніту виділяються карбіди, а при охолодженні аустеніт перетворюється у мартенсит. Відбувається як би вторинна гарт. Структура швидкорізальної сталі після відпустки - мартенсит відпустки, високодисперсні карбіди і невелика кількість залишкового аустеніту. Для ще більшого зниження кількості залишкового аустеніту швидкорізальні стали піддають обробці холодом, яка проводиться перед відпусткою. Дуже ефективно для підвищення твердості і зносостійкості застосування низькотемпературного ціанування.
Швидкорізальні стали отримали широке розповсюдження для виготовлення різних різальних інструментів; виготовлені з цих сталей інструменти працюють зі швидкостями різання, у 3-4 рази перевищують швидкості різання інструментів з вуглецевих сталей, і зберігають ріжучі властивості при нагріванні в процесі різання до 600 є - 620 є.
Питання. 4 Виберіть найбільш раціональну та економічну марку сталі для виготовлення пружини, яка після термічної обробки повинна отримати високу пружність і твердість не менше 44 ... 45 НRC Е. Дайте характеристику, вкажіть склад сталі, виберіть і обгрунтуйте режим термообробки. Опишіть і замалюйте мікроструктуру і властивості сталі після термообробки.
Пружини використовують для накопичення енергії (пружинні моторчики), для сприйняття і амортизації ударів, для компенсації теплового розширення в механізмах клапанного розподілу та ін Деформація пружини може виявлятися у формі її розтягування, стиснення, вигину або скручування.
Залежність між силою Р і деформацією пружини F називається характеристикою пружини.
Згідно довідника конструктора - машинобудування, авт. Ануров. В.І., вибираємо найбільш раціональну та економічну марку сталі:
Сталь - 65Г (марганцева сталь), що має пружність і твердість рівну 42 ... 48 HRC Е. по Реквелю. Термічна обробка стали: температура гарту - 830 є З, (середа масло.), Відпустка - 480? З. Межа міцності (δ В) - 100 кг / мм 2, межа текучості (δ т) - 85 кг / мм 2, відносне подовження (δ 5) - 7%, відносне звуження (ψ) - 25%.
Характеристика - ресорно-пружинна сталь, високої якості з вмістом P - S не більше 0,025%. Підрозділяється на 2 - категорії: 1 - обезуглероженного шару, 2 - з нормованим обезуглероженним шаром
Питання 5. Для виготовлення дисків компресора авіадвигуна застосували сплав АК4-1. Дайте характеристику, вкажіть склад і характеристику механічних властивостей сплаву, спосіб і природу зміцнення сплаву, способи захисту від корозії.
АК4-1 - сплав на основі алюмінію, який вони переробляють у виріб методом деформування, зміцнюючої термічної обробкою, жароміцний.
Склад сплаву: Mg - 1.4 ... 1.8%. Cu - 1.9 ... 2.5%. Fe - 0.8 ... 1.3%. Ni - 0.8 ... 1.3%. Ti - 0.02 ... 0.1%, домішки до 0,83%. Межа міцності сплаву 430 МПа, межа текучості 0,2 - 280 МПа.
Легирован залізом, нікелем, міддю, і ін елементами утворюють упрочняющие фази
Питання 6. Економічні передумови застосування неметалічних матеріалів в промисловості. Опишіть групи, властивості газонаповнених пластмас, наведіть приклади з кожної групи, їх властивості і область застосування в конструкціях літальних апаратів.
Останнім часом все більш широке застосування як конструкційних матеріалів знаходять неметалеві полімерні матеріали. Головна особливість полімерів полягає в тому, що вони мають ряд властивостей не властивих металам, і можуть служити гарним доповненням до металевих конструкційних матеріалів або бути їх заміною, а різноманіття фізико-хімічних і механічних властивостей, притаманних різним видам пластмас, і простота переробки у вироби обумовлюють широке застосування у всіх галузях машинобудування, приладобудування, апаратобудування і побуті. Пластичні маси відрізняються малою питомою вагою (від 0,05 до 2,0 г / см 3), мають високі ізоляційні властивості, добре протистоять корозії, відрізняються широким діапазоном коефіцієнта тертя і високим опором стиранню.
У разі необхідності отримання виробів, що мають антикорозійною стійкістю, кислотоупорностью, безшумністю в роботі з одночасним забезпеченням легкості конструкції пластичні маси можуть служити замінниками чорних металів. Завдяки прозорості і високим пластичним властивостям деяких видів пластмас їх широко застосовують для виготовлення небиткого скла для автомобільної промисловості. При виготовленні виробів з високими електроізоляційними властивостями пластмаси замінюють і витісняють високовольтний фарфор, слюду, ебоніт та інші матеріали. Нарешті, паро-, бензо-і газопроникність, а також висока водо-і світлостійкість при гарному зовнішньому вигляді забезпечують широке застосування пластмас у ряді галузей промисловості.
З пластмас виготовляють вкладиші для підшипників, сепаратори, безшумні зубчасті колеса, лопаті вентиляторів, лопатки для мийних машин і мішалок, радіоапаратуру, футляри для радіоприймачів і годин, електричну апаратуру, дистриб'ютори, шліфувальні круги, непромокальні й декоративні тканини і різноманітні предмети широкого вжитку.
Пінопласти є легкими газонаповнені пластичні маси на основі синтетичних смол. Пінопласти поділяються на дві групи: 1 - матеріали з сполученими порами - губки (щільність менше 300 кг / м 3), 2 - матеріали з ізольованими порами - піни (щільністю більше 300кг / м 3).
Властивості пінопластів дуже різноманітні: одні мають твердість, як скло, інші - еластичністю, подібно гумі. Всі пінопласти добре піддаються механічній обробці столярним інструментом, легко пресуються в нагрітому стані в вироби складної форми і склеюються. У авіабудуванні пінопласти застосовують як заповнювач між двома обшивками з метою підвищення жорсткості і міцності конструкції, а також як тепло - і звукоізоляційний матеріал.
Сплави заліза з вуглецем умовно відносять до двокомпонентним сплавів. У їх складі, крім основних компонентів - заліза і вуглецю, містяться в невеликих кількостях звичайні домішки-марганець, кремній, сірка, фосфор, а також гази - азот, кисень, водень і іноді сліди деяких інших елементів. Залізо з вуглецем утворює стійке хімічна сполука Fe 3 C (93,33% Fe і 6,67% С), зване карбідом заліза або цементитом. У застосовуваних сплавах заліза з вуглецем (сталях, чавунах) зміст вуглецю не перевищує 6,67%, і тому практичне значення мають сплави заліза з карбідом заліза (система Fe-Fe 3 C), в яких другим компонентом є цементит.
При змісті вуглецю вище 6,67% у сплавах не буде вільного заліза, так як воно все увійде в хімічну сполуку з вуглецем. У цьому випадку компонентами сплавів будуть карбід заліза і вуглець; сплави будуть ставитися до другої системі Fe 3 C-С, яка досліджена недостатньо. Крім того, железоуглеродістиє сплави із вмістом вуглецю вище 6,67% володіють великою крихкістю і практично не застосовуються.
Сплави Fe-Fe 3 C (з вмістом С до 6,67%), навпаки, мають велике практичне значення. На рис. 2 наведена структурна діаграма стану сплавів Fe-Fe 3 C, побудована в координатах температура - концентрація. По осі ординат відкладені температури нагріву сплавів, а по осі абсцис - концентрація вуглецю у відсотках. Ліва ордината відповідає 100% вмісту заліза, а права ордината-змістом вуглецю 6,67% (або 100%-ної концентрації Fe 3 C).
На правій ординаті відкладена температура плавлення Fe 3 C, відповідна 1550 ° (точка D на діаграмі).
У зв'язку з тим що залізо має модифікації, на лівій ординаті, крім температури плавлення заліза 1535 ° (точка А на діаграмі), відкладені також температури аллотропических перетворень заліза: 1390 ° (точка N) і 910 ° (точка G).
Таким чином, ординати діаграми відповідають чистим компонентів сплаву (залізо і цементит), а між ними розташовуються точки, відповідні сплавів різної концентрації від 0 до 6,67% С
Рис. 2. Структурна діаграма стану сплавів Fe - Fe 3 C.
У певних умовах хімічна сполука (цементит) може не утворитися, що залежить від змісту кремнію, марганцю та інших елементів, а також від швидкості охолодження злитків або виливків. При цьому вуглець виділяється у сплавах у вільному стані у вигляді графіту. Двох систем сплавів (Fe-Fe 3 C і Fe 3 C-С) в цьому випадку не буде. Вони замінюються однією системою сплавів Fe-С, яка не має хімічних сполук.
2.1 Структурні складові залізовуглецевих сплавів.
Мікроскопічний аналіз показує, що у залізовуглецевих сплавах утворюється шість структурних складових, а саме: ферит, цементит, аустеніт і графіт, а також перліт і ледебурит.
Феритом називають твердий розчин впровадження вуглецю в Fe a. Так як розчинність вуглецю в Fe «незначна, то ферит можна вважати практично чистим Fe a. Ферит має об'ємно-центровану кубічну решітку (Кб). Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд світлих зерен різної величини. Властивості фериту однакові з властивостями заліза: він м'який і пластичний, межа міцності 25 кг / мм 2, твердість Н В = 80, відносне подовження 50%. Пластичність фериту залежить від величини його зерна: чим дрібніше зерна, тим пластичність його вище. До 768 ° (точка Кюрі) він феррімагнітен, а вище - парамагнітен.
Цементитом називають карбід заліза Fe 3 C. Цементит має складну ромбічну грати. Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд пластинок або зерен різної величини. Цементит твердий (Н В> 800 од.) І тендітний, а відносне подовження його близько до нуля. Розрізняють цементит, що виділяється при первинній кристалізації з рідкого сплаву (первинний цементит або Ц 1), і цементит, що виділяється з твердого розчину Y-аустеніту (вторинний цементит або Ц 2). Крім того, при розпаді твердого розчину а (область GPQ на діаграмі стану) виділяється цементит, званий на відміну від попередніх третинним цементитом або Ц 3. Всі форми цементиту мають однакове кристалічну будову і властивості, але різну величину частинок - платівок або зерен. Найбільш великими є частки первинного цементиту, а найбільш дрібними частки первинного цементиту. До 210 ° (точка Кюрі) цементит феррімагнітен, а вищий її - парамагнітен.
Аустенітом називають твердий розчин впровадження вуглецю в Fe Y. Аустеніт має гранецентрированную кубічну решітку (К12). Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд світлих зерен з характерними подвійними лініями (двійниками). Твердість аустеніту дорівнює Н В = 220. Аустеніт парамагнітен.
Графіт має неплотноупакованную гексагональну решітку із шаруватим розташуванням атомів. Під мікроскопом ця структурна складова має вигляд пластинок різної форми і величини в сірих чавунах, пухкі форму в ковких чавунах, кулясту форму у високоміцних чавунах. Механічні властивості графіту надзвичайно низькі.
Всі перераховані чотири структурні складові одночасно є також фазами системи сплавів заліза з вуглецем, так як вони однорідні - тверді розчини (ферит і аустеніт), хімічна сполука (цементит) або елементарне речовина (графіт).
Структурні складові ледебурит і перліт не однорідні. Вони являють собою механічні суміші, що володіють особливими властивостями (евтектику і евтектоід).
Перлітом називають евтектоїдних суміш фериту і цементиту. Він утворюється з аустеніту при вторинної кристалізації і містить 0,8% С. Температура освіти перліту 723 °. Цю критичну температуру, що спостерігається тільки у сталі, називають точкою А ±. Перліт може мати пластинчаста будова, якщо цементит має форму пластинок, або зернисте, коли цементит має форму зерен. Механічні властивості пластинчастого і зернистого перліту дещо відрізняються. Пластинчастий перліт має межу міцності 82 кг / мм 2, відносне подовження 15%, твердість Н в = 190 - ^ -230. Межа міцності зернистого перліту дорівнює 63 кг / мм 2, відносне подовження 20% і твердість Я »= = 1.60-р-190.
Ледебуріта називають евтектичну суміш аустеніту і цементиту. Він утворюється в процесі первинної кристалізації при 1130 °. Це найнижча температура кристалізації в системі сплавів заліза з вуглецем. Аустеніт, що входить до складу ледебуріта, при 723 ° перетворюється в перліт. Тому нижче 723 ° і аж до кімнатної температури ледебурит складається з суміші перліту і цементиту. Він дуже твердий (Н в ^ 700) і крихкий. Наявність ледебуріта є структурною ознакою білих чавунів. Механічні властивості залізовуглецевих сплавів змінюються в залежності від кількості структурних складових, їх форми, величини і розташування.
Структурна діаграма стану Fe-Fe 3 C є складною діаграмою, так як у сплавах залізо - вуглець відбуваються не тільки перетворення, пов'язані з кристалізацією, а й перетворення у твердому стані.
Межею між сталями і білими чавунами є концентрація вуглецю 2%, а структурною ознакою - наявність або відсутність ледебуріта. Сплави із вмістом вуглецю менш 2% (у яких ледебуріта немає) називають сталями, а з вмістом вуглецю понад 2% (у структурі яких є ледебурит) - білими чавунами.
Залежно від концентрації вуглецю і структури стали я чавуни прийнято поділяти на наступні структурні групи: доевтектоїдних сталі (до 0,8% С); структура - ферит і перліт; евтектоїдних сталь (0,8% С); структура - перліт;
заевтектоідние сталі (понад 0,8 до 2% С); структура - перліт у вторинний цементит;
доевтектичні білі чавуни (понад 2 до 4,3% С); структура - ледебурит (розпався), перліт і вторинний цементит;
евтектичних білий чавун (4,3% С); структура-ледебурит;
заевтектичних білі чавуни (понад 4,3 до 6,67% С); структура-ледебурит (розпався) і первинний цементит.
Це підрозділ, як видно з діаграми стану Fe-Fe 3 C, відповідає структурному станом цих сплавів, що спостерігається при кімнатній температурі.
Питання 3.
Виберіть інструментальний твердий сплав для чистового фрезерування поверхні деталі зі сталі 30ХГСА. Дайте характеристику, розшифруйте обрану марку сплаву, опишіть особливості структури і властивості сплаву.
Інструменти поділяються на три групи: ріжучі (різці, свердла, фрези та ін), вимірювальні (калібри, кільця, плитки та ін), і інструменти для гарячої та холодної обробки металів тиском (штампи, волочильні дошки та ін.) Залежно від виду інструментів вимоги, які пред'являються до сталей для їх виготовлення, різні.
Основною вимогою, що пред'являються до сталей для різальних інструментів, є наявність високої твердості, не знижується при високих температурах, що виникають у процесі обробки металів різанням (красностойкості). Твердість для металорізальних інструментів повинна становити R c = 60ч65. Крім того, стали для різальних інструментів повинні володіти високою зносостійкістю, міцністю і задовільною в'язкістю.
Найбільше застосування для виготовлення ріжучих інструментів отримали швидкорізальні сталі. Швидкорізальна сталь є багатокомпонентним сплавом і відноситься до карбідної (ледебуритного) класу сталей. До її складу, крім заліза і вуглецю, входять хром, вольфрам і ванадій. Основним легирующим елементом у швидкорізальної сталі є вольфрам. Найбільшого поширення набули (табл. 3) марки швидкорізальної сталі Р18 (18% W) і Р9 (9% W).
Високу твердість R C = 62 і красностойкость швидкоріжуча сталь набуває після термічної обробки, що складається з гарту і багаторазового відпустки.
Таблиця 1
Хімічний склад швидкорізальної сталі
(За ГОСТ 5952-51)
| Марка стали | Зміст елементів у% | ||||
| C | W | Cr | V | Mo | |
| Р 18 | 0,70 - 0,80 | 17,5 - 19,0 | 3,8 - 4,4 | 1,04 - 1,4 | ≤ 0,3 |
| Р 9 | 0,85 - 0,95 | 8,5 - 10,0 | 3,8 - 4,4 | 2,0 - 2,6 | ≤ 0,3 |
Ми вибираємо її в якості інструментального твердого сплаву для чистого фрезерування тому ця марка стали підходить нам за своїми характеристиками.
Термічна обробка швидкорізальної сталі має ряд особливостей, які зумовлюються її хімічним складом. Нагрівання швидкорізальної сталі, при загартуванню проводиться до високої температури (1260-1280 °), необхідної для того, щоб розчинити в аустеніт карбіди хрому, вольфраму і ванадію. До 800-850 ° нагрівання виробляється повільно, щоб уникнути • великих внутрішніх напружень у сталі внаслідок її малої теплопровідності і крихкості, потім проводять швидкий нагрів до 1260-.1280 ° з метою уникнення зростання зерна аустеніту і зневуглецювання. Охолодження швидкорізальної сталі виробляється в маслі. Широке застосування одержала також ступінчаста гарт швидкорізальної сталі в солях при температурі 500-550 °.
Структура швидкорізальної сталі після загартування складається з мартенситу (54%), карбідів (16%) і залишкового аустеніту (30%). Після гарту швидкоріжуча сталь піддається багаторазовому відпуску при 560 °. Зазвичай виробляють триразовий відпустку з витримкою по 1 годині для того, щоб зменшити кількість залишкового аустеніту і підвищити твердість сталі. Під час витримки при температурі відпустки з аустеніту виділяються карбіди, а при охолодженні аустеніт перетворюється у мартенсит. Відбувається як би вторинна гарт. Структура швидкорізальної сталі після відпустки - мартенсит відпустки, високодисперсні карбіди і невелика кількість залишкового аустеніту. Для ще більшого зниження кількості залишкового аустеніту швидкорізальні стали піддають обробці холодом, яка проводиться перед відпусткою. Дуже ефективно для підвищення твердості і зносостійкості застосування низькотемпературного ціанування.
Швидкорізальні стали отримали широке розповсюдження для виготовлення різних різальних інструментів; виготовлені з цих сталей інструменти працюють зі швидкостями різання, у 3-4 рази перевищують швидкості різання інструментів з вуглецевих сталей, і зберігають ріжучі властивості при нагріванні в процесі різання до 600 є - 620 є.
Питання. 4 Виберіть найбільш раціональну та економічну марку сталі для виготовлення пружини, яка після термічної обробки повинна отримати високу пружність і твердість не менше 44 ... 45 НRC Е. Дайте характеристику, вкажіть склад сталі, виберіть і обгрунтуйте режим термообробки. Опишіть і замалюйте мікроструктуру і властивості сталі після термообробки.
Пружини використовують для накопичення енергії (пружинні моторчики), для сприйняття і амортизації ударів, для компенсації теплового розширення в механізмах клапанного розподілу та ін Деформація пружини може виявлятися у формі її розтягування, стиснення, вигину або скручування.
Залежність між силою Р і деформацією пружини F називається характеристикою пружини.
Згідно довідника конструктора - машинобудування, авт. Ануров. В.І., вибираємо найбільш раціональну та економічну марку сталі:
Сталь - 65Г (марганцева сталь), що має пружність і твердість рівну 42 ... 48 HRC Е. по Реквелю. Термічна обробка стали: температура гарту - 830 є З, (середа масло.), Відпустка - 480? З. Межа міцності (δ В) - 100 кг / мм 2, межа текучості (δ т) - 85 кг / мм 2, відносне подовження (δ 5) - 7%, відносне звуження (ψ) - 25%.
Характеристика - ресорно-пружинна сталь, високої якості з вмістом P - S не більше 0,025%. Підрозділяється на 2 - категорії: 1 - обезуглероженного шару, 2 - з нормованим обезуглероженним шаром
Питання 5. Для виготовлення дисків компресора авіадвигуна застосували сплав АК4-1. Дайте характеристику, вкажіть склад і характеристику механічних властивостей сплаву, спосіб і природу зміцнення сплаву, способи захисту від корозії.
АК4-1 - сплав на основі алюмінію, який вони переробляють у виріб методом деформування, зміцнюючої термічної обробкою, жароміцний.
Склад сплаву: Mg - 1.4 ... 1.8%. Cu - 1.9 ... 2.5%. Fe - 0.8 ... 1.3%. Ni - 0.8 ... 1.3%. Ti - 0.02 ... 0.1%, домішки до 0,83%. Межа міцності сплаву 430 МПа, межа текучості 0,2 - 280 МПа.
Легирован залізом, нікелем, міддю, і ін елементами утворюють упрочняющие фази
Питання 6. Економічні передумови застосування неметалічних матеріалів в промисловості. Опишіть групи, властивості газонаповнених пластмас, наведіть приклади з кожної групи, їх властивості і область застосування в конструкціях літальних апаратів.
Останнім часом все більш широке застосування як конструкційних матеріалів знаходять неметалеві полімерні матеріали. Головна особливість полімерів полягає в тому, що вони мають ряд властивостей не властивих металам, і можуть служити гарним доповненням до металевих конструкційних матеріалів або бути їх заміною, а різноманіття фізико-хімічних і механічних властивостей, притаманних різним видам пластмас, і простота переробки у вироби обумовлюють широке застосування у всіх галузях машинобудування, приладобудування, апаратобудування і побуті. Пластичні маси відрізняються малою питомою вагою (від 0,05 до 2,0 г / см 3), мають високі ізоляційні властивості, добре протистоять корозії, відрізняються широким діапазоном коефіцієнта тертя і високим опором стиранню.
У разі необхідності отримання виробів, що мають антикорозійною стійкістю, кислотоупорностью, безшумністю в роботі з одночасним забезпеченням легкості конструкції пластичні маси можуть служити замінниками чорних металів. Завдяки прозорості і високим пластичним властивостям деяких видів пластмас їх широко застосовують для виготовлення небиткого скла для автомобільної промисловості. При виготовленні виробів з високими електроізоляційними властивостями пластмаси замінюють і витісняють високовольтний фарфор, слюду, ебоніт та інші матеріали. Нарешті, паро-, бензо-і газопроникність, а також висока водо-і світлостійкість при гарному зовнішньому вигляді забезпечують широке застосування пластмас у ряді галузей промисловості.
З пластмас виготовляють вкладиші для підшипників, сепаратори, безшумні зубчасті колеса, лопаті вентиляторів, лопатки для мийних машин і мішалок, радіоапаратуру, футляри для радіоприймачів і годин, електричну апаратуру, дистриб'ютори, шліфувальні круги, непромокальні й декоративні тканини і різноманітні предмети широкого вжитку.
Пінопласти є легкими газонаповнені пластичні маси на основі синтетичних смол. Пінопласти поділяються на дві групи: 1 - матеріали з сполученими порами - губки (щільність менше 300 кг / м 3), 2 - матеріали з ізольованими порами - піни (щільністю більше 300кг / м 3).
Властивості пінопластів дуже різноманітні: одні мають твердість, як скло, інші - еластичністю, подібно гумі. Всі пінопласти добре піддаються механічній обробці столярним інструментом, легко пресуються в нагрітому стані в вироби складної форми і склеюються. У авіабудуванні пінопласти застосовують як заповнювач між двома обшивками з метою підвищення жорсткості і міцності конструкції, а також як тепло - і звукоізоляційний матеріал.