Влияние постоянных примесей на свойства стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Определение твердости металлов методами Бринелля и Роквелла. Обозначение единиц твердости. Достоинства прибора ТК

Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него более твердого тела, не получивших остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое. Для определения твердости применяют методы выдавливания, царапания, упругой отдачи.

Определение твердости металлов методами Бринелля.

Этот метод относится к методам вдавливания. Испытание проводится следующим образом: вначале подводят образец к индентору, затем вдавливают индентор в образец с плавно нарастающей нагрузкой в течение 2-8 с, после достижения максимальной величины, нагрузка на индентор выдерживается в определенном интервале времени (обычно 10-15 с для сталей). Затем снимают приложенную нагрузку, отводят образец от индентора и измеряют диаметр получившегося отпечатка. В качестве инденторов используются шарики из твердого сплава диаметром 1; 2,5; 5 и 10 мм. Величину нагрузки и диаметр шарика выбирают в зависимости от исследуемого материала, который разделен на 5 основных групп:

1 -- сталь, никелевые и титановые сплавы;

2 -- чугун;

3 -- медь и сплавы меди;

4 -- легкие металлы и их сплавы;

5 -- свинец, олово.

Кроме этого, вышеприведенные группы могут разделяться на подгруппы в зависимости от твердости образцов. При выборе условий испытаний следят за тем, чтобы толщина образца, как минимум, в 8 раз превышала глубину вдавливания индентора. И еще важно контролировать диаметр отпечатка, который должен находиться в пределах от 0,24D до 0,6D.

Твёрдость по Бринеллю HBW рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка (метод восстановленного отпечатка):

где  -- приложенная нагрузка, Н;

-- диаметр шарика, мм;

-- диаметр отпечатка, мм,

Пример обозначения твердости по Бринеллю:

600 HBW 10/3000/20,

где 600 -- значение твердости по Бринеллю, кгс/ммІ;

HBW -- символьное обозначение твердости по Бринеллю;

10 -- диаметр шарика в мм;

3000 -- приблизительное значение эквивалентной нагрузки в кгс (3000 кгс = 29420 Н);

20 -- время действия нагрузки, с.

Определение твердости металлов методами Роквелла.

Чем твёрже материал, тем меньше будет глубина проникновения наконечника в него. Чтобы при большей твёрдости материала не получалось большее число твёрдости по Роквеллу, вводят условную шкалу глубин, принимая за одно её деление глубину, равную 0.002 мм. При испытании алмазным конусом предельная глубина внедрения составляет 0.2 мм, или 0.2 / 0.002 = 100 делений, при испытании шариком -- 0.26 мм, или 0.26 / 0.002 = 130 делений. Таким образом формулы для вычисления значения твёрдости будут выглядеть следующим образом:

а) при измерении по шкале А (HRA) и С (HRC):

Разность представляет разность глубин погружения индентора (в миллиметрах) после снятия основной нагрузки и до её приложения (при предварительном нагружении).

б) при измерении по шкале B (HRB):

Обозначение единиц твердости.

- размерность единиц твердости по Бринеллю МПа (кг-с/ммІ). Число твердости по Бринеллю по ГОСТ 9012-59 записывают без единиц измерения. Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B -- Бринелль; Единица твёрдости по Роквеллу, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 (130) ? kd, где d -- глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k -- коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу по шкалам A и C составляет 100 единиц, а по шкале B - 130 единиц.

Достоинства прибора ТК.

В приборе Роквелла на индентор действуют две последовательно прилагаемые нагрузки -- предварительная Р0 в 10 кГ и общая Р (равная сумме предварительной и основной нагрузок) в 60,100 или 150 кГ. Предварительная нагрузка позволяет установить одинаково плотное соприкосновение между алмазом (или шариком) и образцом, избежав таким образом ошибок, вызываемых различной чистотой обработки поверхности образцов. Алмазный конус применяется для испытания твердых металлов (закаленной стали), а стальной шарик --для более мягких. Применяемая нагрузка устанавливается таким образом 150 кГ -- стандартная для алмаза; 100 кГ -- стандартная для шарика; 60 кГ -- нестандартная для алмаза (тонкие детали).



2. Свойства железа и углерода. Влияние постоянных примесей на свойства стали. Начертить диаграмму охлаждения чистого железа и описать его

бринелль углеродистый сталь порошковый

Свойства железа и углерода.

Железо -- серебристый металл с температурой плавления 1539 °С. Имеет следующие механические свойства: ув = 250 МПа, у02=120МПа, у~50%, НВ 80. Химически чистое железо, без примесей, получить чрезвычайно трудно. Техническое железо всегда содержит ряд элементов, которые попадают в него непроизвольно при производстве или вводятся специально для придания особых свойств.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях: Feб (объемно-центрированная кубическая решетка) и Feг (гранецентрированная кубическая решетка). Кристаллические решетки, приведенные на кривой охлаждения железа (рис. 28), характеризуют аллотропические превращения. Остановка при 1539 °С связана с первичной кристаллизацией железа. При этом образуется д-железо с кристаллической решеткой объемно-центрированного куба (высокотемпературную б-модификацию обозначают буквой д) с периодом 0,293 нм. При 1392 °С решетка объемно-центрированного куба превращается в гранецентрированную решетку, период которой при 911°С равен 0,364 нм (образуется г-железо). В интервале 1392...911 °С железо находится в аллотропической форме Feг. При температуре 911 °С гранецентрированная решетка Feг. превращается в объемно-центрированную решетку Feб с периодом 0,286 нм. Ниже этой температуры  решетка  железа объемно-центрированная.

Площадка на кривой охлаждения при 768 °С (точка Кюри) указывает не на перестройку решетки, а на возникновение магнитных свойств в железе: выше 768 °С железо немагнитно, ниже 768 °С магнитно. Изменение строения кристаллической решетки железа влечет за собой изменение некоторых его свойств (например, Feб почти не растворяет углерод, a Feг растворяет до 2,14 %). Аллотропические  превращения  всегда   сопровождаются выделением теплоты при охлаждении и поглощением скрытой теплоты при нагревании.

Углерод в природе существует в двух модификациях -- в виде графита и алмаза.

При нормальных условиях стабилен графит, алмаз представляет собой его метастабильную модификацию.

Углерод в железоуглеродистых сплавах присутствует или в виде графита в структуре чугунов, или в виде химического соединения карбида железа F3C (цементит). Углерод является неметаллическим    элементом прочностью    ув = 20...40 МПа.

Влияние постоянных примесей на свойства стали.

Любая сталь и чугун имеют в своем составе в качестве неизбежных спутников кремний, марганец, фосфор и серу. У обычных сталей допускается следующее количество указанных примесей: кремния - до 0,4%, марганца - до 0,8%, фосфора - до 0,05%, серы - до 0,05%. Следует выяснить, как располагаются эти примеси в структуре стали и какое влияние они оказывают на ее свойства. Такие примеси, как марганец, кремний и фосфор, не образуют в структуре стали самостоятельных зерен, - они в основном растворяются в феррите. В кристаллической решетке феррита расположены, кроме атомов углерода, также и атомы кремния, марганца и фосфора. Следовательно, рассматривая структуру стали, мы этих примесей не увидим. Сера в железе почти не растворима, а в структуре стали она образует химические соединения - сернистое железо (FeS) или сернистый марганец (MnS). Сульфиды железа и марганца, а также соединения кислорода с металлом (FeO, МпО), находящиеся в структуре стали, называют неметаллическими включениями. Они наблюдаются под микроскопом на нетравленом полированном микрошлифе. Влияние примесей на свойства стали неодинаково.

Наиболее серьезное влияние на свойства стали оказывает углерод. С увеличением содержания углерода твердость стали повышается, а относительное удлинение 5 и относительное сужение \|/ понижаются. Предел прочности и предел упругости стали повышаются с увеличением содержания углерода до 0,8-0,9%. При дальнейшем увеличении содержания углерода в структуре стали появляется свободный цементит, который располагается по границам зерен перлита в виде сетки. Вследствие исключительной хрупкости цементита понижается не только пластичность стали, но и ее упругость и прочность. Изменение механических свойств стали в зависимости от содержания углерода. Кремний и марганец в тех количествах, в каких они содержатся у обычной стали, не оказывают заметного влияния на ее свойства.

Сера и фосфор - вредные примеси стали. При повышенном содержании фосфора в стали наблюдается явление хладноломкости, т. е. сталь делается хрупкой, особенно при низкой температуре (на морозе). Причина этого явления состоит в том, что атомы фосфора, располагаясь в решетке железа, сильно искажают ее, так как атомы фосфора резко отличаются от атомов железа. Кроме того, фосфор неравномерно распределяется в стали, скапливаясь на отдельных участках в значительном количестве. Такое неравномерное распределение примесей в данном объеме стали и в объеме каждого кристалла называется ликвацией.

Вредное влияние фосфора особенно сильно проявляется в сталях с повышенным содержанием углерода, так как углерод уменьшает растворимость фосфора и стали. Вытесненный из твердого раствора фосфор располагается в виде хрупкой эвтектики по границам структурных составляющих, ослабляет сцепление между ними и способствует хрупкости стали.

Повышенное содержание в стали серы вызывает явление красноломкости: в стали при обработке ее давлением при температурах 900 - 1200° образуются трещины. Причина этого заключается в том, что сернистое железо располагается по границам зерен железа в виде механической смеси, которая имеет температуру плавления 985°. При высоких температурах эта смесь расплавляется, вследствие чего уменьшается связь между зернами. Если сера находится в виде сернистого марганца, то она оказывает менее вредное влияние на свойства стали. Сернистый марганец имеет более высокую температуру плавления (1620°), поэтому он затвердевает раньше стали и располагается не по границам зерен, а обособленными участками. В отдельных случаях примеси серы и фосфора в стали играют положительную роль, так как способствуют хорошей обрабатываемости ее на станках. Поэтому у некоторых сталей допускается содержание серы до 0,3% и фосфора до 0,15%. Такие стали называются автоматными. Они используются для изготовления изделий на станках-автоматах.

Диаграмма охлаждения чистого железа.

В системе железо -- цементит существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит, графит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит -- Твёрдый раствор внедрения углерода в б-железе с ОЦК (объёмно-центрированной кубической) решёткой.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную -- 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную -- 0,02 % при температуре 700 °C (точка P). Атомы углерода располагаются в центре грани или (что кристаллогеометрически эквивалентно) на середине рёбер куба, а также в дефектах решетки.

При температуре выше 1392 °C существует высокотемпературный феррит, с предельной растворимостью углерода около 0,1 % при температуре около 1600 °C (точка I)

Свойства феррита близки к свойствам чистого железа. Он мягок (твердость -- 130 НВ) и пластичен, магнитен (при отсутствии углерода) до 770 °C.

3. Аустенит (г) -- твёрдый раствор внедрения углерода в г-железе с ГЦК (гране-центрированной кубической) решёткой.

Атомы углерода занимают место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Предельная растворимость углерода в аустените -- 2,14 % при температуре 1147 °C (точка Е).

Аустенит имеет твёрдость 200--250 НВ, пластичен, парамагнитен.

При растворении других элементов в аустените или в феррите изменяются свойства и температурные границы их существования.

4. Цементит (Fe₃C) -- химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), со сложной ромбической решёткой, содержит 6,67 % углерода. Он твёрдый (свыше 1000 HВ), и очень хрупкий. Цементит фаза метастабильная и при длительным нагреве самопроизвольно разлагается с выделением графита.

В железоуглеродистых сплавах цементит как фаза может выделяться при различных условиях:

-- цементит первичный (выделяется из жидкости),

-- цементит вторичный (выделяется из аустенита),

-- цементит третичный (из феррита),

-- цементит эвтектический и

-- эвтектоидный цементит.

Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зёрен аустенита (после эвтектоидного превращения они станут зёрнами перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зёрен.

Эвтектический цементит наблюдается лишь в белых чугунах. Эвтектоидный цементит имеет пластинчатую форму и является составной частью перлита.

Цементит может при специальном сфероидизируюшем отжиге или закалке с высоким отпуском выделяться в виде мелких сфероидов.

Влияние на механические свойства сплавов оказывает форма, размер, количество и расположение включений цементита, что позволяет на практике для каждого конкретного применения сплава добиваться оптимального сочетания твёрдости, прочности, стойкости к хрупкому разрушению и т. п.

5. Графит -- фаза состоящая только из углерода со слоистой гексагональной решёткой. Плотность графита (2,3) много меньше плотности всех остальных фаз (около 7,5 -- 7,8) и это затрудняет и замедляет его образование, что и приводит к выделению цементита при более быстром охлаждении. Образование графита уменьшает усадку при кристаллизации, графит выполняет роль смазки при трении, уменьшая износ, способствует рассеянию энергии вибраций.

Графит имеет форму крупных крабовидных (изогнутых пластинчатых) включений (обычный серый чугун) или сфероидов (высокопрочный чугун).

Графит обязательно присутствует в серых чугунах и их разновидности -- высокопрочных чугунах. Графит присутствует также и в некоторых марках стали -- в графитизированных сталях.

3. Инструментальные углеродистые стали, качественные и высококачественные. Характеристика. Маркировка по ГОСТ. Примеры применения

Инструментамльная углеромдистая сталь -- сталь с содержанием углерода от 0,7 % и выше. Эта сталь отличается высокой твёрдостью и прочностью (после окончательной термообработки) и применяется для изготовления инструмента. Инструментальная углеродистая сталь делится на качественную и высококачественную. Содержание серы и фосфора в качественной инструментальной стали -- 0,03 % и 0,035 %, в высококачественной -- 0,02 % и 0,03 % соответственно.

Выпускается по ГОСТ 1435-99 следующих марок: У7; У8; У8Г; У9; У10; У11; У12; У7А; У8А; У8ГА; У9А; У10А; У11А; У12А. Стандарт распространяется на углеродистую инструментальную горячекатаную, кованую, калиброванную сталь, серебрянку.

К группе качественных сталей относятся марки стали без буквы А (в конце маркировки), к группе высококачественных сталей, более чистых по содержанию серы и фосфора, а также примесей других элементов -- марки стали с буквой А. Буквы и цифры в обозначении этих марок стали означают: У -- углеродистая, следующая за ней цифра -- среднее содержание углерода в десятых долях процента, Г -- повышенное содержание марганца.

Достоинство углеродистых инструментальных сталей состоит в основном в их малой стоимости и достаточно высокой твёрдости по сравнению с другими инструментальными материалами. К недостаткам следует отнести малую износостойкость и низкую теплостойкость.

Качественные углеродистые стали.

Качественные стали поставляют с гарантированными механическими свойствами и химическим составом (группа В). Степень раскисленности, в основном, спокойная.

Конструкционные качественные углеродистые стали Маркируются двухзначным числом, указывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента. Указывается степень раскисленности, если она отличается от спокойной. Сталь 08 кп, сталь 10 пс, сталь 45.

Содержание углерода, соответственно, 0,08 %, 0,10 %, 0.45 %.

Инструментальные качественные углеродистые стали маркируются буквой У (углеродистая инструментальная сталь) и числом, указывающим содержание углерода в десятых долях процента.Сталь У8, сталь У13.

Содержание углерода, соответственно, 0,8 % и 1,3 %

Инструментальные высококачественные углеродистые стали. Маркируются аналогично качественным инструментальным углеродистым сталям, только в конце марки ставят букву А, для обозначения высокого качества стали. Сталь У10А.

Высококачественные легированные стали.

Сталь 9ХС, сталь ХВГ.

В начале марки указывается однозначное число, показывающее содержание углерода в десятых долях процента. При содержании углерода более 1 %, число не указывается,

Далее перечисляются легирующие элементы, с указанием их содержания.

Некоторые стали имеют нестандартные обозначения.

Сталь 15Х25Н19ВС2

В начале марки указывается двухзначное число, показывающее содержание углерода в сотых долях процента. Далее перечисляются легирующие элементы. Число, следующее за условным обозначение элемента, показывает его содержание в процентах,

Если число не стоит, то содержание элемента не превышает ^ 1,5 %.

В указанной марке стали содержится 0,15 % углерода, 35% хрома, 19 % никеля, до 1,5% вольфрама, до 2 % кремния.

Для обозначения высококачественных легированных сталей в конце марки указывается символ А.

Обозначение буквенно-цифровое. Легирующие элементы имеют условные обозначения, Обозначаются буквами русского алфавита.

Обозначения легирующих элементов:

Х - хром, Н - никель, М - молибден, В - вольфрам,

К - кобальт, Т - титан, А - азот ( указывается в середине марки),

Г - марганец, Д - медь, Ф - ванадий, С - кремний,

П - фосфор, Р - бор, Б - ниобий, Ц - цирконий,

Ю - алюминий

Примеры применения.

У7, У7А Для инструментов по дереву: топоров, колунов, стамесок, долот; пневматических инструментов небольших размеров: зубил, обжимок, бойков; кузнечных штампов; игольной проволоки; слесарно-монтажных инструментов: молотков, кувалд, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек и др.

У8, У8А, У8Г, У8ГА, У9, У9А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: фрез, зенковок, поковок, топоров, стамесок, долот, пил продольных и дисковых; накатных роликов, плит и стержней для форм литья под давлением оловянно-свинцовистых сплавов. Для слесарно-монтажных инструментов: обжимок для заклепок, кернеров, бородок, отвёрток, комбинированных плоскогубцев, острогубцев, боковых кусачек. Для калибров простой формы и пониженных классов точности; холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

У10А, У12А Для сердечников.

У10, У10А Для игольной проволоки.

У10, У10А, У11, У11А Для изготовления инструментов, работающих в условиях, не вызывающих разогрева режущей кромки; обработки дерева: пил ручных поперечных и столярных, пил машинных столярных, сверл спиральных; штампов холодной штамповки (вытяжных, высадочных, обрезных и вырубных) небольших размеров и без резких переходов по сечению; калибров простой формы и пониженных классов точности; накатных роликов, напильников, шаберов слесарных и др. Для напильников, шаберов холоднокатаной термообработанной ленты толщиной от 2,5 до 0,02 мм, предназначенной для изготовления плоских и витых пружин и пружинящих деталей сложной конфигурации, клапанов, щупов, берд, ламелей двоильных ножей, конструкционных мелких деталей, в том числе для часов и т. д.

У12, У12А Для метчиков ручных, напильников, шаберов слесарных; штампов для холодной штамповки обрезных и вырубных небольших размеров и без переходов по сечению, холодновысадочных пуансонов и штемпелей мелких размеров, калибров простой формы и пониженных классов точности.

Классификация сталей

Стали классифицируются по множеству признаков.

По химическому: составу: углеродистые и легированные.

По содержанию углерода:

низкоуглеродистые, с содержанием углерода до 0,25 %;

среднеуглеродистые, с содержанием углерода 0,3…0,6 %;

высокоуглеродистые, с содержанием углерода выше 0,7 %

По равновесной структуре: доэвтектоидные, эвтектоидные, заэвтектоидные.

По качеству. Количественным показателем качества является содержания вредных примесей: серы и фосфора:

, - углеродистые стали обыкновенного качества:

- качественные стали;

- высококачественные стали.

По способу выплавки:

в мартеновских печах;

в кислородных конверторах;

в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

По назначению:

конструкционные - применяются для изготовления деталей машин и механизмов;

инструментальные - применяются для изготовления различных инструментов; специальные - стали с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами и др.

Маркировка по ГОСТ.

Принято буквенно-цифровое обозначение сталей

Углеродистые стали обыкновенного качества (ГОСТ 380).

Стали содержат повышенное количество серы и фосфора.Маркируются Ст.2кп., БСт.3кп, ВСт.3пс, ВСт.4сп.

Ст - индекс данной группы стали. Цифры от 0 до 6 - это условный номер марки стали. С увеличением номера марки возрастает прочность и снижается пластичность стали. По гарантиям при поставке существует три группы сталей: А, Б и В. Для сталей группы А при поставке гарантируются механические свойства, 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.

Индексы кп, пс, сп указывают степень раскисленности стали: кп - кипящая, пс - полуспокойная, сп - спокойная.



4. Элементы резания и геометрия срезаемого слоя. Процесс образования стужки. Схема образования различных видов стужки. Нарост и его влияние на геометрию резца, на точность и шероховатость обработки

Элементы резания и геометрия срезаемого слоя.

К элементам резания относят глубину, подачу и скорость резания.

Глубиной резания называют величину снимаемого слоя металла между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеряемую перпендикулярно последней и снимаемую за один проход режущего инструмента. Глубина резания измеряется в миллиметрах и обозначается буквой t. При точении глубина резания определяется как полуразность диаметров до и после прохода резца, т. е.

t = D₃ - d/2 мм.

Подача -- величина перемещения режущего лезвия резца в направлении вспомогательного движения за один оборот обрабатываемой заготовки (об/мм). При обтачивании различают подачу продольную Sпp (по направлению оси центров станка), поперечную Sп (перпендикулярно к оси центров станка) и наклонную Sп (под углом к оси центров станка, например, при обтачивании конической поверхности).

Скорость резания -- путь перемещения обрабатываемой поверхности заготовки относительно режущего лезвия резца в единицу времени. Скорость резания обозначается буквой V и измеряется в м/мин. На рис. 252 показано исходное положение и пунктиром новое положение резца в результате перемещения его за один оборот заготовки на величину подачи -- S мм/об. Заштрихованную площадь называют площадью поперечного сечения срезаемого слоя. Размер b обозначает ширину, размер a -- толщину срезаемого слоя.

Ширина срезаемого слоя b -- расстояние между Обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное по поверхности резания. Она равна проекции рабочей длины режущего лезвия резца на основную плоскость.

Толщина срезаемого слоя а -- расстояние, измеренное в направлении, перпендикулярном к ширине срезаемого слоя, между двумя последовательными положениями главного режущего лезвия за один оборот заготовки.Как видно из рис. 252, площадь поперечного сечения срезаемого слоя для резцов с прямолинейным режущим лезвием определяется по формуле

f = ab = tS мм²

Процесс образования стужки.

В процессе резания металлов и стружкообразования происходят сложные физические процессы, сопровождающиеся многими внутренними и внешними явлениями.

Образование и скалывание элемента стружки в процессе резания происходит при больших напряжениях, соответствующих пределу прочности данного металла.

Научное обоснование явлений, происходящих при резании металлов, было впервые выполнено в России. Опубликованные профессором Петербургского горного института И. А. Тиме труды «Сопротивление металлов и дерева резанию» в 1870 г., а затем «Мемуар о строгании металлов» в 1877 г. Были переведены на французский и немецкий языки. После этого И. А. Тиме был признан основоположником науки о резании металлов. Профессор И. А. Тиме установил, что скалывание элементов стружки происходит по поверхности, названной им плоскостью скалывания, а угол ш (рис. 253), определяющий положение этой плоскости, он назвал углом скалывания. Величина угла скалывания ш для всех вязких металлов постоянная, равная 145 -- 150°; она не зависит от положения передней поверхности резца.

Деформации металла в срезаемом слое происходят между плоскостью скалывания и передней поверхностью резца в пределах угла з, названного И. А. Тиме углом действия.

Глубокие и обширные исследованиями стружкообразования были проведены русским ученым А. Г. Усачевым в 1908 г.

Деформациям срезаемого слоя сопутствует ряд физических явлений: усадка стружки, появление опережающих трещин и нароста на резце, теплообразование и нагрев материала, трение и сопутствующий ему износ, возникновение вибраций.

В результате удаления срезаемого слоя с обрабатываемой поверхности образуются три вида стружки: скалывания, сливная и надлома.

Стружкой скалывания (рис. 254, а) называют стружку, элементы которой остаются соединенными между собою, образуя сплошную ленту с гладкой внутренней стороной, примыкающей к передней поверхности резца, и наружной стороной с зазубринами в местах скалывания отдельных элементов. Сливной стружкой (рис. 254, б) называют стружку, у которой отсутствуют зазубрины на внешней стороне. Стружкой надлома называют отдельные элементы неопределенной формы (рис. 254, в), не соединенные между собой, получающиеся при обработке хрупких металлов (чугун, фосфористая бронза и др.). Вид получающейся стружки зависит от качества обрабатываемого металла, режимов резания, геометрии режущего инструмента. Однако следует отметить, что при обработке одного и того же пластичного или хрупкого металла могут получиться все виды стружек, так как пластичность и хрупкость являются состоянием вещества, а не его свойствами.



Размещено на http://www.allbest.ru/

Нарост и его влияние на геометрию резца, на точность и шероховатость обработки.

Явление нароста, образующегося при резании вязких металлов, установленное и объясненное русским ученым Я.Г. Усачевым, состоит в следующем. При скольжении стружки по передней поверхности резца возникают силы трения, задерживающие ее движение. Вследствие этого дефор­мации в слоях металла, расположенных ближе к передней поверхности, увеличиваются. Частицы металла этих слоев отделяются от непрерывно движущихся слоев стружки и прилипают (привариваются) к передней поверхности резца (фиг. 8, а). Большое давление резания способствует упрочнению металла нароста. С течением времени нарост увеличивается (за счет наращивания новых слоев металла), причем часть нароста i.-or.caeT над задней поверхностью резца (фиг. 8, б). В некоторый момент эта часть нароста отрывается от его основной массы и, попадая между задней поверх­ностью резца и обработанной поверхностью (фиг. 8, б), вдавливается в по­следнюю (фиг. 8, г).

Частицы нароста, оставшиеся на передней поверхности, также отры­ваются от резца и уносятся со стружкой (фиг. 8, д). Такие срывы нароста происходят быстро один за другим (1-7срывов в секунду), что объяс­няется, по-видимому, вибрациями, возникающими в процессе резания.

При малых скоростях резания (до 5 м/мин) нарост не образуется. Это объясняется тем, что при таких скоростях температура резания получается низкой и недостаточной для приваривания частиц стружки к передней поверхности резца.

При увеличении скорости резания до Ю-т-20 м/мин температура резания получается достаточной для образования нароста, и именно при таких температурах имеет место наибольшая высота нароста. При более высоких скоростях резания (до бО-г-80 м/мин) стали средней твердости происходит более или менее заметное образование нароста. При скорости свыше 60ч-80 м/мин нарост наблюдается реже, а при еще более высоких скоростях он совсем не заметен.

Нарост обладает повышенной твердостью и поэтому может резать обрабатываемый материал, защищая режущую кромку от непосредствен­ного воздействия стружки. В этом случае соприкосновение стружки с рез­цом происходит на площадке передней поверхности его, удаленной от режу­щей кромки, что улучшает поглощение резцом теплоты резания. С обра­зованием нароста увеличивается передний угол резца, что способствует уменьшению сопротивления металла резанию. Все это создает более благо­приятные условия резания при черновых работах.

При чистовых работах нарост вреден: сорвавшиеся и вдавленные в обра­ботанную поверхность частицы нароста (фиг. 8, г) образуют неровности, недопустимые при чистовой обработке деталей. Полезное в данном случае уменьшение образования нароста достигается повышением скорости реза­ния, применением смазочно-охлаждающей жидкости и улучшением путем доводки чистоты передней поверхности резца.

5. Особенности процесса сверления. Силы резания, мощность и скорость резания при сверлении. Схема сил резания при сверлении

Особенности процесса сверления.

Сверление в отличие от других процессов резания имеет свои особенности. Они заключаются в том, что резание ведется инструментом, передний угол которого различен в разных точках режущего лезвия. При сверлении скорость резания равна окружной скорости периферийных точек режущих кромок сверла. Скорость резания меняется от нуля в центре сверла до максимального значения на периферии сверла. В центре отверстия, под перемычкой сверла, резание как таковое отсутствует, производится смятие и выдавливание обрабатываемого материала к периферии под режущие кромки. 

Основным инструментом для сверления является сверло, имеющее твёрдость выше, чем у сверлимого материала. В зависимости от назначения (от вида обрабатываемого материала),  свёрла  условно делятся на следующие типы: по металлу, по бетону, по дереву, по стеклу и кафельной плитке.

Стандартные свёрла  по металлу имеют винтовую форму с заострённым концом (с углом заострения - 120°). Наиболее распространённые спиральные  свёрла имеют две главные режущие кромки: поперечную режущую кромку (перемычка) и две вспомогательные режущие кромки.

Особенностью геометрии сверла является наличие пятой поперечной режущей кромки. Ленточка сверла не имеет вспомогательного заднего угла, что вызывает повышенно трение с обработанной поверхностью. Особенностью процесса является также и то, что сверло, окруженное обрабатываемым материалом, работает в стеснённых условиях. Это затрудняет отвод стружки и циркуляцию внешней среды, что приводит к худшим условиям охлаждения.

Каждое сверло состоит из хвостовика, рабочей и режущей части, и чаще - из элементов для отвода стружки.



Основным размером  сверла является его диаметр, так как для получения отверстия конкретного диаметра нужно использовать, в основном, сверло того же диаметра. Правда, если отверстие нужно с резьбой или с повышенной точностью, диаметр подбирается (по нормам) меньше - для последующей доводки метчиком, развёрткой или протяжкой.

Исходя из длины, свёрла выпускаются по типоразмерам с удлинённым хвостовиком и с укороченным. При этом хвостовик спирального  сверла  может быть цилиндрическим или коническим.

Свёрла с  диаметром до 12 мм часто выпускаются с цилиндрическим хвостовиком, предназначенным для крепления в кулачковом патроне или в другом приспособлении, передающим сверлу вращение от шпинделя сверлильного инструмента.

Обычно в  свёрлах  с цилиндрическим хвостовиком длина рабочей части  сверла равна, как правило, 50 мм плюс диаметр  сверла.

Конический хвостовик свёрл предназначен для его закрепления непосредственно в шпинделе станка или в переходной втулке, если конус  сверла  не совпадает с конусом шпинделя. Конусы эти стандартизованы и называются конус Морзе в честь предложившего его Стивена А. Морзе, который также изобрёл спиральное сверло приблизительно в 1864 г. 

Наименьший размер конуса Морзе обозначается № 0, а наибольший - № 6. Так как первые конусы Морзе изготовлялись в дюймовой системе, их размеры при переводе на метрические меры выражаются дробными числами.

Спиральные  свёрла  изготавливают из быстрорежущей стали марок Р6М5, Р6М5К5, Р9, Р18 и стали 9ХС в зависимости от материала, в котором необходимо просверлить отверстие. Наиболее универсальными являются свёрла по металлу, так как ими можно сделать отверстие и в металлах, и в дереве, и в пластике.

Свёрла в зависимости от условий работы и времени изнашиваются и требуют заточки. Это заметно по малой скорости сверления и перегреву, к тому же сверление сопровождается визжащим звуком, да и просверленные отверстия имеют грубую поверхность.  Затупившиеся свёрла диаметром до 12 мм затачивают вручную, а большего диаметра - на универсальных или специальных заточных станках.

Силы резания, мощность и скорость резания при сверлении.

Для разрушения материала срезаемого слоя и превращения его в стружку необходимо затратить некоторое количество энергии и произвести работу резания. Мощность, непосредственно затрачиваемая на осуществление процесса резания, называется эффективной мощностью и обозначается N_e. Если при резании направления действующей силы резания Р и скорости резания V совпадают, то Ne = 60 PV

Если выразить Р в килоньютонах, а V м/мин., то получим единицу мощности - килловатт.

Эффективная мощность N_e в общем случае является суммарной мощностью, затраченной в процессе резания всеми составляющими Р_х, Р_у и P_z силы резания Р.

Мощность осевой составляющей силы резания N_ex = Р_х * n * S, где n -частота вращения обрабатываемой заготовки; S - продольная подача.

Мощность радиальной составляющей силы резания

N_ey = Р_у * V * cos 90° = 0,

т.к. вектор Р_у перпендикулярен вектору V .

Мощность вертикальной составляющей силы резания P_z , направление которой совпадает с направлением скорости резания, определяется уравнением.

В процессе резания на лезвие инструмента действуют силы сопротивления перемещению его по траектории относительного рабочего движения. Результирующая этих сил называется силой резания.Взаимодействие режущего инструмента с обрабатываемым материалом осуществляется через контактные площади, расположенные на задней поверхностях режущего лезвия. Обрабатываемый материал, оказывая сопротивление рабочему движению инструмента, воздействует на контактные площадки неравномерно распределенной нагрузкой. Закон распределения давления по передней и задней поверхностям выглядит следующим образом.



Рис.16. Распределение давления на передней и задней поверхности.

На передней поверхности наибольшее давление Р_maх действует вблизи главной режущей кромки (точка 1). По мере удаления от нее давления Р убывает, и в точке 2, в которой прекращается контакт сбегающей стружки с лезвием, давление равно 0. Ширина 1-2 контактной площадки при образовании хрупких материалов, например чугуна, равна или немного больше толщины срезаемого слоя. При обработке пластичных материалов ширина контактной площадки в 1,5 ... 3 раза больше толщины срезаемого слоя. На заднюю поверхность лезвия также действует неравномерно распределенная нагрузка на Р'.

Для решения практических задач, распределенную нагрузку на лезвие заменяют эквивалентной по значению и направлению действия результирующей силой резания Р. Для удобства расчетов результирующую силу Р раскладывают на составляющие. Для этого вводят систему координат. Ось X располагается горизонтально и параллельна оси вращения обрабатываемой заготовки; ось Z вертикальна и направлена вниз. Вектор равнодействующей силы Р может быть проецирован на оси X , Y , Z. Проекция силы Р на ось X называется осевой составляющей силы резанья.Рис.17. Силы, действующие на резец.Осевая составляющая Р_ос равна сопротивлению обрабатываемого материала врезанию резца в направлении подачи S и действующих в этом направлении сил трения. Значение осевой составляющей Р_ос необходимо знать при расчетах на прочность опор и механизма подач станка. Проекция силы Р на ось Y называется радиальной составляющей Р силы резания. Она изгибает обрабатываемую заготовку в горизонтальной плоскости, что может служить причиной снижения точности обработки длинных заготовок, а также вызывает нежелательные вибрации.

Схема сил резания при сверлении.



6. Классификация порошковых материалов. Применение порошковых сплавов в сельскохозяйственном машиностроении и ремонтном производстве

Классификация порошковых материалов.

Основным документом, регламентирующим марки и свойства применяемых в России конструкционных материалов на основе железа, является ГОСТ 28378-89. Согласно этому нормативному документу, все материалы на основе железа делятся на: стали малоуглеродистые, углеродистые и медистые; стали никельмолибденовые. медьникелевые, медьникельмолибденовые; стали хромистые, марганцовистые, хромникельмарганцовистые; стали нержавеющие, предназначенные для деталей, применяемых в различных отраслях техники.

Классификация порошковых сталей подчиняется тем же правилам, что и принятым для сталей традиционных методов получения. Однако в дополнение к обычным методам классификации -- по равновесной структуре, по структуре, полученной при нагреве выше точки охлаждении на спокойном воздухе и т. п.--для порошковых сталей существует еще один способ классификации.

В зависимости от объемного содержания пор порошковые стали подразделяются на непроницаемые (содержание пор менее 5-8 %), полупроницаемые (от 8 до 14 % пор) и проницаемые (пористость более 12-14 %). По технологии производства их можно подразделить на: однократно и многократно прессованные в условиях статических нагрузок в закрытых пресс-формах при обычных и высоких температурах; стали, полученные при совмещении холодного прессования и спекания высокопористых заготовок с последующим динамическим горячим прессованием или горячей штамповкой; полученные экструзией, прокаткой, взрывным прессованием и т. п.

Конструкционные порошковые стали -- это спеченные материалы, используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии. Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр, например: сталь порошковая конструкционная медноникелевая со средней массовой долей углерода 0,4 %, никеля 2 %, меди 2 % и минимальной плотностью 6400 кг/м3 в соответствии с ГОСТ 28378-89 будет иметь следующее обозначение: ПК40Н2Д2-64.

Буквы в марке стали указывают: П -- на принадлежность материала к порошковому, К -- на назначение материала -- конструкционный, остальные буквы и цифры -- на содержание тех или иных легирующих элементов (Д -- медь, X -- хром, Ф -- фосфор, К -- сера, М -- молибден, Г -- марганец, Т -- титан, Н -- никель). Основу материала -- железо -- в обозначении марок не указывают. Цифры, стоящие за буквами ПК. указывают на среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода, равную 1 %, в обозначении марки материала, согласно ГОСТ 28378-89, не указывают. Цифры, стоящие за остальными буквами, означают содержание легирующих элементов в процентах: отсутствие цифры указывает на то, что массовая доля легирующего элемента не превышает одного процента.

Условное обозначение конструкционного порошкового материала состоит из обозначения его марки -- ПК40Н2Д2-64 и через дефис -- его минимальной плотности -- 6400 кг/м3.

Основой порошковых сталей служит железо, свойства которого при спекании оказывают большое влияние на формирование структуры и свойств стали. Наряду с порошковыми сталями порошковые изделия могут изготавливаться на основе одного железного порошка, а также железа, легированного другими элементами.

Применение в качестве исходного материала чистого железного порошка при изготовлении конструкционных деталей ограничено из-за низких прочностных свойств спеченного железа. В основном оно применяется для изготовления ненагруженных деталей, различных уплотнительных изделий и т. п. Свойства таких изделий зависят от их плотности, величины и характера межчастичных границ, метода получения порошка, гранулометрического состава, удельной поверхности частиц, внутренней их рыхлости, технологии прессования (величины давления и скорости прессования), кратности прессования, температуры и времени спекания.

Для получения практически беспористых изделий с повышенными механическими свойствами применяют горячее изостатическое прессование- экструзию, динамическое горячее прессование.

В связи с низкой прочностью и твердостью спеченного железа, для повышения его механических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смеси вводят легирующие добавки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спеченные изделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, сульфидированию. хромированию.

Медь в железные изделия вводят непосредственно в виде порошка или при изготовлении порошковой смеси в виде лигатуры. Введение меди в количестве 1,0-10 масс. % увеличивает предел текучести и временное сопротивление материала, но несколько снижает его пластичность и вязкость. Введение меди существенно повышает сопротивляемость порошкового материала атмосферной коррозии. Максимальная прочность на разрыв достигается при массовой доле меди 5-7 %. Медь снижает усадку материала при спекании. При введении 2-3 % меди спекание происходит практически без изменения размеров изделия, что позволяет избежать или существенно снизить объем его последующей механической обработки. Увеличение массовой доли меди свыше 3 % сопровождается ростом изделий при спекании, рост достигается при введении 8 % меди.

Широкое применение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Присадка к чистому железу 5 % никеля повышает прочность и твердость материала, оставляя его пластичность практически без изменений. При одновременном легировании никелем и медью (Ni -- 4 % и Си -- 2 %) прочность на разрыв образцов с пористостью 10% достигает 400--420 МПа, удлинение --7-8%, твердость -- 120-127 НВ. Такие же образцы, легированные только 2% меди, показывают следующие свойства при 10 % пористости: прочность на разрыв -- 280-300 МПа. удлинение -- 3-4 %. твердость -- 100 НВ. Наиболее благоприятное сочетание прочности и пластичности наблюдается в сплавах содержащих от 1 до 5 % каждого из этих элементов.

В связи со сравнительно низкой прочностью и твердостью спеченных железных изделий, основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируется углеродом, под действием которого спеченное железо приобретает способность закаливаться и во много раз повышать свою твердость и прочность.

Углеродистые порошковые стали и стальные изделия могут быть получены непосредственным введением в железный порошок углерода в виде графита, сажи или чугунного порошка, а также путем науглероживания изделий в процессе спекания или цементации после спекания. Наиболее распространен метод введения в порошковую смесь графита. Однако из-за неравномерного распределения графита по объему смеси при смешивании стальные изделия в спеченном состоянии отличаются непостоянством свойств и структурных составляющих. Наиболее насыщенные углеродом микрообъемы аустенита располагаются вблизи графитовых включений, что способствует появлению в структуре спеченной стали свободного избыточного цементита и феррита в соотношениях, не соответствующих диаграмме состояния железо--углерод.

При спекании железографитовых изделий графит частично выгорает. Для уменьшения выгорания применяют графитосодержащие засыпки, углеродсодержашие среды. Кроме этого при приготовлении порошковой смеси в ее состав дополнительно вводят избыточное количество графита. Так, для получения стальных порошковых изделий с 0,4-0,45 % углерода при спекании в атмосфере конвертированного природного газа в смесь необходимо вводить до 0.85 % графита. При применении эндогаза с точно регулированным потенциалом по углероду содержание графита в смеси должно превышать заданное на 0.3-035 %. В связи с этим при приготовлении стальных изделий в порошковую смесь взамен графита зачастую вводят сажистое железо и порошок из чугунной стружки. Более высокая плотность сажистого железа и порошка чугунной стружки по сравнению с графитом позволяет получать более однородную смесь, что обеспечивает стабильность структуры и свойств изделия.

К основным факторам, определяющим структуру и свойства порошковых углеродистых сталей, относятся температура, время и среда спекания. При содержании в смеси до 1,0-1,2% графита оптимальная температура спекания составляет 1150-1200 СС, при содержании графита выше 1,2-1,5 % --1050-1150 СС. Время спекания определяется масштабом садки и массой изделия.

Медь в порошковые стали (табл. 21.6) вводится в виде порошка чистой меди, омедненного графита, путем пропитки спеченных заготовок. В первых двух случаях при спекании медь, имея температуру плавления 1083 °С, находится в жидком состоянии и взаимодействует с железом, образуя твердый раствор замещения на основе у -железа с максимальной концентрацией меди в растворе до 8 %. 

Медь понижает концентрацию углерода в перлите, сдвигая точки S и Е на диаграмме железо-- углерод (см. гл. 1) влево. При содержании в стали до 1 % меди она способствует усадке при спекании, при дальнейшем повышении ее концентрации наблюдается рост спеченного изделия. Повышение в порошковых сталях углерода уменьшает влияние меди на рост спеченного изделия, что достигается образованием в структуре сплава тройной железомедноуглеродистой фазы, которая расплавляясь при 1100 "С, вызывает усадку. Введение углерода в железомедные сплавы также резко повышает прочность порошковых изделий, причем максимальное возрастание свойств наблюдается при содержании меди до 5-6 % и углерода до 0,3-0,6 %. Большое влияние на свойства спеченных изделий из медистой стали имеет метод введения меди. Более высокие свойства достигаются при использовании омедненного графита.

ведение никеля в порошковые стали приводит к повышению механических свойств материала, что связано как с повышением прочности феррита, так и благоприятным воздействием никеля на состояние межчастичных границ. Никель способствует «рассасыванию» межчастичных границ, увеличению протяженности металлического контакта, повышает усадку и плотность изделий. Никелевые порошковые конструкционные стали содержат обычно 0.3-0.6% углерода и 1-3% никеля. Увеличение содержания никеля понижает оптимальное содержание углерода. В связи с тем, что никель при спекании вызывает большую усадку, для получения безусадосньх изделий с высокими механическими свойствами порошковые стали легируют одновременно медью и никелем .

Легирование порошковых сталей молибденом производится только при изготовлении ответственных тяжелонагруженных деталей. В порошковые стали молибден вводится в количестве % (0,2-1,0) % при изготовлении порошковой смеси в составе порошков, полученных распылением и другими методами, либо в виде лигатуры, реже в виде чистого поро шка молибдена.

Введение хрома в порошковые стали положительно влияет на ее свойства. С железом хром образует а-у-твердые растворы и интерметаллидные соединения, которые появляются в сплаве при содержании хрома свыше 30 %. Являясь сильным карбидообразующим элементом, хром образует в структуре стали сложные и двойные карбиды.

Отличительной особенностью хрома является высокая устойчивость его оксидов, температура диссоциации которых почти достигает температуры плавления чистого хрома. Это осложняет процесс спекания, особенно когда хром вводится в смесь в виде чистого порошка хрома. Наличие оксидов затрудняет диффузионные процессы, а само спекание необходимо производить при высоких температурах в остроосушенных восстановительных средах (водороде, диссоциированном аммиаке). Поэтому структура спеченных хромсодержащих сталей отличается повышенной гетерогенностью и наличием фаз. которые по среднему составу материала не отвечают равновесной диаграмме его состояния.

Применение порошковых сплавов в сельскохозяйственном машиностроении и ремонтном производстве.

С целью повышения срока службы быстроизнашивающихся деталей сельскохозяйственных машин применяют наплавку твердых сплавов. Наибольшим сопротивлением износу обладают сплавы, содержащие карбиды или бориды, сцементированные соответствующей эвтектикой. Наплавку твердыми сплавами сейчас проводят не только при восстановлении изношенных, но и при изготовлении новых деталей машин. Это в зависимости от вида   твердого   сплава   и  технологии   работ повышает износостойкость деталей в 2... 10 раз; значительно сокращает потребность в новых деталях, время простоя машин и механизмов, а также расходы на монтажные работы.

Современные твердые сплавы в зависимости от способа изготовления подразделяют на литые и порошкообразные (зернообразные).

К первым относятся стеллиты В2К, ВЗК, ВЗК-ЦЭ, стеллитоподобные сплавы сормайт № 1 и сормайт № 2, порошковые электроды и ленты;

Ко вторым -- сталинит вокар, ВИСХОМ-9 и боридная смесь.

Стеллиты и стеллитоподобные сплавы представляют собой твердый раствор карбида хрома в кобальте, никеле или железе. Основой твердого раствора стеллитов является кобальт, а стеллитоподобных сплавов -- никель или железо. Данные сплавы выпускают в виде литых прутков и применяют в качестве присадочного металла при наплавке деталей машин, работающих в условиях сухого, полусухого и жидкостного трения в холодном и горячем состоянии.

...