Решение практических задач по материаловедению

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Назначьте режим термической обработки (температуру закалки, охлаждающую среду, температуру отпуска) для пружинного кольца из стали 55С2, для получения заданного предела прочности 550-600 МПа. Опишите микроструктуру и свойства материала до и после термической обработки

Сталь 55С2. Класс: Сталь конструкционная рессорно-пружинная.

Использование в промышленности: пружины и рессоры, применяемые в автомобилестроении, тракторостроении, железнодорожном транспорте и других отраслях машиностроения.

Табл. 1. Химический состав в % стали 55С2

C	0,52 - 0,6
Si	1,5 - 2
Mn	0,6 - 0,9
Ni	до 0,25
S	до 0,035
P	до 0,035
Cr	до 0,3
Cu	до 0,2
Fe	~96

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура критических точек: Ac1 = 755 , Ac3(Acm) = 810 , Ar3(Arcm) = 770 , Ar1 = 690 , Mn = 272.

Температура точки Ас3 для стали 55С2 составляет 810°С.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 840-860°С. Среда- масло. Для нагрева под закалку используют газовые или мазутные печи, а также электропечи. Для повышения производительности линий используют форсированный нагрев, предусматривающий значительный перепад температур между печью и нагреваемым металлом. Структура стали при температуре нагрева под закалку - аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической - мартенсит.

В зависимости от температуры отпуска меняется твердость закаленной стали. Например, при 600°С твердость НВ не более 200 ед., при 400°С - не более 280 ед., а при 200°С - не более 450 ед.

После закалки с печным нагревом и низкого отпуска (160-180°С) можно получить твердость стали не более 450 НВ. С увеличением температуры отпуска твердость закаленной стали снижается. Так, при высоком отпуске (580-600°С) твердость стали на глубину прокаливания не превышает 250НВ.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет получить твердость на 40-60 НВ выше, чем при закалке с печным нагревом. Это объясняется тем, что применение высокоскоростного нагрева и смещение превращений в область температур, превышающих температуру критической точки Ас3 (за счет высокой скорости нагрева), позволяет получить мелкозернистый аустенит, а после охлаждения на глубину прокаливания - мартенсит мелкоигольчатого и безыгольчатого строения.

Закалка ТВЧ проводится при температуре 920-940?С

После закалки ТВЧ изделие подвергают низкому отпуску 160-180?С. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости. Низкий отпуск, незначительно снижая твердость закаленного изделия, существенно повышает сопротивление стали хрупкому разрушению. Структура стали после низкого отпуска на глубину прокаливания - мартенсит отпуска.

В результате термической обработки твердость изделия на глубину прокаливания составит 550 -600 НВ.

2. Для изготовления картера коробки передач выбрана марка сплава МЛ-5: расшифруйте состав и определите, к какой группе относится данный сплав по назначению; назначьте режим термической обработки, приведите подробное его обоснование, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах термической обработки этой стали; опишите структуру и свойства стали после термической обработки

Марка: МЛ5.

Класс: Магниевый литейный сплав

Использование в промышленности: нагруженные детали; предельная рабочая температура: 150°C -длительная, 250°C -кратковременная

Табл. 2. Химический состав в % сплава МЛ5

Fe	до 0,06
Si	до 0,25
Mn	0,15 - 0,5
Ni	до 0,01
Al	7,5 - 9
Cu	до 0,1
Zr	до 0,002
Be	до 0,002
Mg	89,1 - 92,15
Zn	0,2 - 0,8

Литейные магниевые сплавы подвергают термической обработке для повышения механических свойств (закалка и старение) и уменьшения остаточных напряжений (отжиг Т2).

Так как магниевые сплавы при повышенных температурах могут вступать в реакцию с составляющими атмосферы печи, при нагреве используют только электрические печи. Нагревательные элементы должны быть тщательно экранированы, экраны и внутренний кожух печи изготавливают из нержавеющей стали. Нагрев полуфабрикатов из магниевых сплавов в жидких селитровых ваннах запрещен во избежание взрыва и пожаров.

Для уменьшения окисления нагрев проводят в нейтральной атмосфере углекислого газа, аргона и др. или в воздушной атмосфере с добавкой 0,5-1 % SO2.

В структуре отливок имеются неравновесные фазы, поэтому для ряда сплавов разработаны ступенчатые режимы нагрева под закалку.

Время выдержки при температуре нагрева под закалку колеблется в широких пределах и зависит от состава сплава и структуры отливок. Величина зерна в отливках в значительной мере определяется толщиной стенки сечения и применяемым способом литья.

Чем массивнее отливка и меньше скорость охлаждения при затвердевании, тем грубее зерно. В зависимости от этих факторов время выдержки при нагреве под закалку может изменяться в широких пределах.

Закалка литейных магниевых сплавов приводит к существенному повышению механических свойств, особенно в сплавах системы Mg-Al-Zn, поэтому ее часто проводят без последующего старения (режим Т4). Охлаждение после нагрева под закалку выполняют в спокойном воздухе.

Для интенсификации охлаждения при закалке некоторых сплавов применяют также обдувку струями воздуха или охлаждение в подогретой до 80-95 оС воде. Искусственное старение проводят в печах с воздушной атмосферой, а охлаждение - на спокойном воздухе.

Процессы распада при старении сопровождаются объемными эффектами, вызывающими изменение размеров отливок.

С целью повышения технологической пластичности при обработке давлением слитки магниевых сплавов подвергают гомогенизационному отжигу.

3. Опишите процесс газопламенного напыления

Напыление представляет собой процесс нанесения покрытия на поверхность детали с помощью высокотемпературной скоростной струи, содержащей частицы порошка или капли расплавленного напыляемого материала, осаждающиеся на основном металле при ударном столкновении с его поверхностью.

В ряду современных способов поверхностной обработки материалов напыление занимает особое место. Напыление имеет отличительные особенности, знание которых необходимо для правильного выбора технологии нанесения покрытий для каждого конкретного случая. Для выбора оптимального способа нанесения покрытия необходимо учитывать форму и размеры изделий; требования, предъявляемые к точности нанесения покрытия, его эксплуатационным свойствам; затраты на основное и вспомогательное оборудование, наплавочные материалы и газы, на предварительную и окончательную обработку покрытий; условия труда и другие факторы производственного и социального характера.

Существующую технологию напыления в зависимости от применяемого источника тепловой энергии можно разделить на два основных вида: газопламенное напыление, при котором используется теплота, выделяющаяся при сгорании смеси горючего газа с кислородом, и электрическое напыление, основанное на использовании теплоты, выделяющейся при горении электрической дуги.

Газотермическое напыление - это комплекс современных, хорошо отработанных методов нанесения функциональных, восстановительных и декоративных покрытий из широчайшего спектра материалов.

Область их применения чрезвычайно обширна - от реактивных двигателей и коленчатых валов до медицинских имплантантов и ободов велосипедных колес.

Под газотермическим напылением (Thermal Spray Coating) понимают совокупность процессов, при которых напыляемый материал расплавляется, диспергируется (распыляется) и переносится на обрабатываемую поверхность посредством газовой струи. При ударе о поверхность, частица напыляемого материала мгновенно остывает (скорости охлаждения могут достигать миллиона градусов в секунду) и деформируется, плотно сцепляясь с ней. Из-за этого, газотермические покрытия имеют ленточную или планарную ультрамелкозернистую микроструктуру. Покрытие также может содержать поры, а в случае напыления металлов - частицы их оксидов и нитридов.

Напыляться могут как металлы и сплавы, так и неметаллические соединения, карбиды, оксиды, стекла, керамики и полимеры, а также композиционные материалы. В принципе, данным способом можно напылить любой материал, который не разлагается при нагреве до температуры плавления. В роли подложки могут выступать металлы, керамики, древесина или пластмассы.

Процессы газотермического напыления принято классифицировать по природе источника тепловой энергии (см. рис. 3.1) В установках газопламенного, высокоскоростного и детонационного напыления, источником энергии является тепло, выделяемое при химической реакции горения топливного газа. В процессах электродугового и плазменного напыления, источником энергии является электрическая дуга.

Рис. 3.1 - Методы газотермического напыления

В методах и технологии газотермического напыления имеется много общего. При малом числе методов встречается большое количество их разновидностей, называемых способами газотермического напыления покрытий.

В основу классификации процессов газотермического напыления покрытий положены следующие признаки.

Вид энергии. Различают методы с использованием электрической энергии (газоэлектрические методы) и методы, в которых тепловая энергия образуется за счет сгорания горючих газов (газопламенные методы).

Вид источника теплоты. Для нагрева распыляемого материала используют дугу, плазму, высокочастотные индукционные источники и газовое пламя. Соответственно этому установились названия методов напыления: электродуговая металлизация, плазменное напыление, высокочастотная металлизация, газопламенное напыление, детонационно-газовое напыление. Первые три метода относятся к газоэлектрическим, последние - к газопламенным.

Вид распыляемого материала. Применяют порошковые, проволочные (стержневые) и комбинированные способы напыления. При комбинированных способах используют порошковую проволоку.

Вид защиты. Известны способы напыления без защиты процесса с местной защитой и с общей защитой в герметичных камерах. При общей защите различают ведение процесса при нормальном (атмосферном) давлении, повышенном и при разрежении (в низком вакууме).

Степень механизации и автоматизации процесса. При ручных способах напыления механизирована только подача распыляемого материала; механизированных - также и перемещение распылителя относительно напыляемого изделия. Часто используют движение напыляемых изделий относительно неподвижного распылителя. Уровень автоматизации процессов напыления зависит от конструкции установки. В простейших вариантах автоматизация отсутствует. В сложных комплексах возможна полная автоматизация процесса.

Периодичность потока. Большинство методов напыления осуществляется непрерывным потоком. Для некоторых методов возможно только циклическое ведение процесса. Покрытие формируется в импульсном режиме напыления, чередуемое паузами.

Газотермические методы напыления широко используют для нанесения покрытий различного назначения. В основном, это защитные покрытия, повышающие коррозионную стойкость изделий или снижающие износ рабочих поверхностей. На многие детали и узлы напыляют теплозащитные или электроизоляционные покрытия.

Параметры режима работы распылителя. Наибольшее влияние на эффективность процесса оказывает подводимая к распылителю энергия и расход распыляющего газа. Подводимая энергия реализуется в источник теплоты для нагрева распыляемого материала: дугу, непосредственно плавящую материал, плазму, газовое пламя и др. Степень использования энергии определяется значениями. Тепловая мощность источника нагрева определяет производительность процесса. Следует учитывать, что только часть тепловой мощности источника расходуется на нагрев распыляемого материала.

На рис.3.2 представлена схема универсальной установки для газопламенного напыления.



Рис. 3.2 - Схема универсальной установки газопламенного напыления: порошковый распылитель; проволочный распылитель; порошковый питатель; бухта проволоки на вращающемся столе; ротаметры газовые; газовые баллоны; фильтр; ресивер; воздушный ротаметр; компрессор

Современный российский проволочный газопламенный распылитель типа MDP-115, с приводом от электродвигателя мощностью 150 Вт работает на проволоке диаметром 3-3,17 мм из различных материалов (коррозионно-стойкие и углеродистые стали, латуни, бронзы, баббиты, Al, Cu, Mo, Zn, Sn, Pb, сплавы на никелевой и кобальтовой основах). Производительность по цветным металлам - до 15 кг/ч, по стали и сплавам - до 9 кг/ч, расход кислорода - 50 л/мин, расход ацетилена или пропана - до 20 л/мин. Давление воздуха - 0,5 МПа. Масса распылителя - 4,1 кг.

Он может комплектоваться автоматической установкой, оснащенной роботизированной системой, боксом и пультом дистанционного управления.

Газопламенное напыление осуществляется с помощью специальной горелки, в которую вдувается воздух (или кислород) и горючий газ (ацетилен, пропан, водород или др.)

В зону горения подается напыляемый материал, который расплавляется пламенем горелки, распыляется и переносится газовой струей на обрабатываемую поверхность. Процессы газопламенного напыления создают покрытия с относительно высокой пористостью (5-12 %) и невысокой адгезией к подложке.

Это обусловлено малой скоростью газовой струи (около 50 м/с). Температура пламени ограничивает спектр материалов, которые могут быть распылены газопламенным способом.

Напыляемый материал может подаваться в распылитель в виде стержня, проволоки, порошка или шнура.

Металлические материалы, как правило, используются в виде гибких проволок, что очень удобно и обеспечивает непрерывность процесса.

Керамические материалы - в виде порошков или специальных спеченных прутков.

Существенным недостатком при использовании прутков является нарушение непрерывности процесса.

При использовании для напыления многокомпонентных порошков, возможно нарушение однородности свойств покрытия, вызванное сегрегацией (расслоением) порошков.

Данная проблема устраняется использованием гибких шнуровых материалов, состоящих из того же порошка, удерживаемого гибкой связкой. При распылении материал связки полностью испаряется и на подложку оседает только материал порошка.

Основными достоинствами газопламенного напыления, обеспечившими ему широкое распространение, являются простота и надежность оборудования, а также мобильность.

Данный метод может использоваться в полевых условиях (на трассе).

Технологии газопламенного напыления с успехом применяются для ремонта и восстановления геометрии деталей, не испытывающих серьезных нагрузок.

4. Расшифруйте состав и определите, к какой группе относится сплав Д1 по назначению, где используется, зарисуйте и опишите микроструктуру сплава; укажите основные требовании, предъявляемые к этому сплаву при его использовании в машиностроении

Марка: Д1.Класс: Алюминиевый деформируемый сплав.

Д1 - это марка технического алюминия. Этот сплав представляет собой практически чистый алюминий. Удельный вес других химических веществ очень незначителен и, как правило, не превышает 1%.

Для упрочнения заготовок из Д1 используется только обработка давлением.

Д1 отличается высокой пластичностью. Но в то же время этому сплаву свойственна незначительная прочность, поэтому изделия из алюминия марки Д1 легко деформируются и плохо режутся.

К положительным свойствам сплава относятся очень высокая устойчивость к коррозии, легкость проката и сварки.

Д1 характеризируется большим коэффициентом удлинения. Благодаря этой особенности сплав идеально подходит для операции глубокой вытяжки.

Свойства марки Д1 предопределяются химическим составом сплава, однако на свойства заготовок влияют и различные виды обработки. Так, отожженные изделия обладают повышенной пластичностью, а нагартованные - прочностью.

Нагартовка - это обработка предметов из мягких материалов при помощи высокого давления. Различают множество степеней нагартовки. Также нагартовка может быть неполной, например, половинная, четвертная и тому подобное.

Д1 - практически полностью состоит из чистого алюминия. Кроме этого, в состав сплава входят следующие химические элементы:цинк;магний;медь;титан;марганец;кремний;железо;различные вредные примеси.

Перечисленные выше легирующие добавки делают алюминий более прочным. Однако они же уменьшают его пластичность и антикоррозийные свойства. Чем выше содержание вредных примесей в сплаве, тем хуже его механические свойства.

Табл. 3. Химический состав в % сплава Д1

Fe	до 0,7
Si	до 0,7
Mn	0,4 - 0,8
Ni	до 0,1
Ti	до 0,1
Al	91,6 - 95,4
Cu	3,8 - 4,8
Mg	0,4 - 0,8
Zn	до 0,3

Использование в промышленности: для лопастей винтов, узлов креплений, строительных конструкций и т.д

Алюминий Д1 широко применяется в машиностроении, металлообработке и строительстве. Основным достоинством этого материала является его очень высокая антикоррозийная устойчивость, поэтому зачастую алюминий марки Д1 используется не для изготовления отдельных изделий или заготовок, а для плакирования алюминиевых или других металлических изделий. Плакирование - это покрытие поверхности изделия сплошным слоем алюминия. Изделия, целиком состоящие из этого сплава, также в основном используются там, где необходимы высокие антикоррозийные свойства, например, кровельное покрытие, металлические баки, вентиляционные шахты, различные резервуары и тому подобное. Кроме этого, благодаря высоким отражающим свойствам из алюминия марки Д1 производят тепловые экраны. В среднем такие экраны отражают до 80% тепла.

Из алюминия марки Д1 производят следующие разновидности проката: уголки; прутки; листы; проволоку; плиты; другое.

Все эти разновидности проката принадлежат к одной из трех групп: отожженные; нагартованные; необработанные.

Удельный вес: 2700 кг/м3

Твердость материала: HB 10 -1 = 95 МПа

Закалка дуралюмина Д1: проводится при 495-510 °С (все виды полуфабрикатов), старение при 20 °С более 96 часов.

Согласно положению сплава на диаграмме состояния литейный дюралюмин марки Д1, содержащий 3,8 % Си, 0,8 % Mg, 0,6 % Мп, остальное Al, после затвердевания в условиях равновесия должен иметь однофазную структуру. Скорость охлаждения при кристаллизации сплава 1 °C/с соответствует литью в песчано-глинистые смеси и в оболочковые формы.

Однако при охлаждении сплава в кокиле, литье под давлением и прессовании при кристаллизации со скоростью охлаждения от 20 до 150 °C/с кристаллизация проходит в неравновесных условиях. В сплаве в некотором количестве появляются продукты эвтектической кристаллизации. Количество эвтектической составляющей тем больше, чем выше содержание меди и магния в сплаве.

Рис. 4.1 - Микроструктура сплава Д1

Табл. 4. Механические свойства сплава Д1 при Т=20С

Прокат	Толщина или диаметр, мм	E, ГПа	G, ГПа	у-1, ГПа	ув, (МПа)	у0,2, (МПа)	д5, (%)	KCV, (кДж/м2)
Пруток	до 50	72	27			260
Профиль прессованный	до 10				360	220	12
Профиль прессованный	свыше 20				410	250	10

Табл. 5. Механические свойства сплава Д1 при низких температурах

Прокат	T испытания	ув, (МПа)	у0,2, (МПа)	д5, (%)
Штамповка закаленная и состаренная, все размеры	20 -70 -196	460 460 580	280 310 380	21 25 23

Табл. 6. Физические свойства сплава Д1

T (Град)	E 10- 5 (МПа)	10 6 (1/Град)	(Вт/(м·град))	(кг/м3)	C (Дж/(кг·град))
20	0.72			2800
100		22.9	130		922

Опишите способы получения и применения клеевых соединений.

Клеевые соединения находят все большее применение в связи с созданием высококачественных синтетических клеев. Наиболее широко применяют клеевые соединения внахлестку, работающие на сдвиг. Соединения встык для обеспечения прочности изготавливают по косому срезу («на ус») или с накладками. При необходимости получить особо прочные соединения, применяю комбинированные соединения: клеевинтовые, клеезаклепочные, клеесварные.

Склеивание - один из наиболее применяемых способов получения неразъемных соединений.

Клеевые соединения имеют ряд преимуществ по сравнению с заклепочными, сварными, болтовыми и т.п. Это, в первую очередь, возможность соединять самые разнообразные материалы. В ряде случаев это единственный практически приемлемый метод соединения неметаллических материалов между собой и с металлами. В клеевых соединениях более равномерно распределены напряжения, исключены отверстия под болты и заклепки, ослабляющие скрепляемые элементы.

Важным достоинством соединений на основе синтетических клеев является их атмосферостойкость, способность противостоять коррозии и гниению. В ряде случаев клеевые соединения обеспечивают герметичность конструкций.

Основной недостаток большинства клеев заключается в их низкой теплостойкости. Разработан ряд клеев на основе органических, элементорганических и неорганических полимеров, которые могут работать при температурах выше 1000°С, но большинство из них не дает достаточно эластичной клеевой пленки, что пока ограничивает возможность их применения.

Недостатком клеевых соединений является также их относительно невысокая прочность при неравномерном отрыве и необходимость во многих случаях производить нагревание при склеивании.

Общие принципы выбора и применения клеящего материала

Современные клеи в большинстве случаев представляют собой композиции на основе полимерных материалов.

Выбор клея для соединения материалов в изделии определяется многими условиями. Универсального клея, способного склеить любые поверхности, нет. Однако имеется множество самых разнообразных по свойствам клеев, из которых нужно выбрать наиболее пригодный.

Прежде всего необходимо иметь четкое представление о свойствах и химической природе клеев и склеиваемых материалов, чтобы наметить для использования клей или группу клеев.

Одним из первых и, по-видимому, наиболее важным фактором , определяющим выбор клея, является характер и величина напряжения в шве, которое должно выдерживать соединение при эксплуатации.

Другим не менее важным фактором является интервал температур, при которых эксплуатируется клеевое соединение. В частности, при повышенных температурах не могут применены клеи на основе термопластов, тогда как термореактивные смолы можно использовать в условиях высоких температур.

Клеевые соединения неметаллических материалов должны иметь прочность, близкую к прочности склеиваемых материалов. Прочная характеристика клеевых соединений должны соответствовать условиям эксплуатации соединения. Основным показателям эксплуатационных свойств клеев является их клеящая способность и долговечность.

Перед применением готового клея в производственных условиях следует проверить его на соответствие требованиям действующей технической документации.

Наиболее крупными потребителями клеевых материалов являются деревообрабатывающая промышленность, строительство, легкая промышленность, машиностроение, авиационная промышленность, судостроение и др.

На долю деревообрабатывающей промышленности приходится почти 75% потребления синтетических клеев, преимущественно карбамидных и фенольных; в малых, но возрастающих количествах используются поливинилацетатные клеи.

В связи с расширением производства и применением синтетических строительных материалов значительно возросло значение клев в строительстве.

Сейчас в этой отрасли выделилась два основных направления в использовании синтетических клеев. Для первого (конструкционное применение) характерно использование высокопрочных клеев, а для второго (крепление отделочных, футеровочных, антикоррозионных, тепло- и звукоизоляционных материалов к строительным конструкциям и технологическому оборудованию) - использование эластичных и высоконаполненных клеев, которые могут соединять неровные толщины, способные воспринимать ударные и вибрационные нагрузки.

В машиностроении широко используются клеевые соединения материалов в разнообразных сочетаниях, успешно работающие при нормальной и повышенных температурах; клеи позволяют повысить прочность конструкций, уменьшить массу изделий и т.д.

В машиностроении применяются клеи, которые эксплуатируются в силовых соединениях при температурах до 250-350°С, а некоторые клеевые композиции могут использоваться в конструкциях, кратковременно подвергающихся воздействию температур до 1000°С и выше.

В станкостроении синтетические клеи находят применение при склеивании пластмассовых накладных направляющих с чугунными основаниями станин, резины с металлом, при склеивании режущих инструментов из твердых сплавов и керамических материалов с металлической оправками и других соединениях, к которым предъявляются требования высокой прочности.

В производстве автомобилей синтетические клеи используются для приклеивания облицовочных, уплотнительных, шумоизоляционных материалов, тормозных накладок, для крепления трафаретов и шаблонов, для изготовления болванок и т.д. Клеи применяются для изготовления кузовов легковых автомобилей из стеклопластиков.

Применяются клеи в устройствах связи, сигнализации и энергоснабжения.

Силовые клеевые соединения металлов применяются в производстве летательных аппаратов, главным образом для соединения обшивки с ребрами жесткости, стрингерами и другими элементами каркаса крыла и в производстве других силовых и в особенности сотовых конструкций.

Комбинированные соединения: клеесварные, клеерезьбовые, клееклепанные - значительно улучшают технические характеристики деталей и механизмов, обеспечивают высокую прочность и, в ряде случаев, герметичность конструкций.

Клеи классифицируются по областям их преимущественного применения: для склеивания металлов друг с другом и с неметаллическими материалами; для склеивания неметаллических материалов; для склеивания резин между собой и приклеивания их к металла; для склеивания силикатных оптических стекол и органических стекол между собой и приклеивания их к металлам.

Клеевые соединения находят возрастающее применение в различных конструкциях летательных аппаратов. Наиболее часто используются в конструкциях из композиционных материалов и конструкциях с заполнителями различного типа (сотовых, пенопластовых, гофровых, ячеистых).

Возрастающее применение клеевых соединений привело к созданию большого количества марок клеев на основе синтетических смол (фенольных, полиуретановых, эпоксидных, и пр.) с различными модифицирующими добавками. Клей должен обладать высокой адгезией, хорошо смачивать поверхности деталей и заполнять зазоры, быть стойким к воздействию бензина, керосина и масел, иметь близкий к материалу конструкции коэффициент термического расширения. Клей не должен вызывать коррозии и оказывать вредное влияние на здоровье рабочих.

Клеевые соединения хорошо работают на срез (сдвиг) и чистый отрыв. Плохо - на отдирание (неравномерный отрыв). Концы швов следует усиливать заклепками либо сварными точками. В ряде случаев используют комбинированные соединения - клеесварные, клееклепаные. Вследствие высокой способности клеев поглощать энергию клеевые соединения хорошо работают на усталость.

Допустимые напряжения для клеевых соединений [ф] < 300 кг/см2. С повышением температуры эта величина уменьшается. При этом также уменьшается и срок работы клеев. Максимальная температура работы клеев - tmax < 300°С.

Достоинства клеевых соединений

- высокое качество поверхности получаемого изделия - отсутствие рисок, забоин, вмятин и др. следов крепежа;

- малый привес конструкции - нет ослабления деталей отверстиями, не нарушены механические свойства металла;

- обеспечение герметичности соединения, защита от коррозии - клей выполняет одновременно роль крепежа, герметика и покрытия;

- малая трудоемкость выполнения соединений.

Недостатки клеевых соединений

- нестабильность прочностных свойств во времени и в зависимости от температуры эксплуатации;

- длительность цикла сборки - обусловлена длительностью процесса полимеризации (отверждения) клея;

- жесткие требования к производству - тщательный пооперационный контроль, соблюдение специальных правил обращения с клеями, хранения клеев, чистоты помещения, воздуха;

Рис. 4.2 - Схема процесса образования клеевых соединений

Подготовка деталей к склеиванию включает предварительную сборку и обезжиривание поверхностей сопряжения.

Цель предварительной сборки - обеспечение плотного прилегания деталей по сопрягаемым поверхностям для создания равномерной толщины клеевого слоя.

Цель обезжиривания поверхностей - обеспечение хорошего сцепления клея с металлом. Поверхности должны быть чистыми от грязи, пыли, смазки и пр. Основной способ очистки - обезжиривание ацетоном, бензином.

Нанесение клея. Клей наносится не позднее 6-8 часов после обезжиривания поверхностей. Допускается больший срок при условии хранения деталей в специальных боксах, резиновых мешках, полиэтиленовых пакетах.

Способ нанесения клея определяется характером и размерам и поверхностей сопряжения, конфигурацией деталей, маркой и состоянием клея. Большинство клеев жидкие. Наносят напылением пульверизаторами кистью, окунанием, поливом. Наносят на одну либо обе сопрягаемые поверхности, в один, либо несколько слоев (зависит от марки и вязкости клея).

Общая толщина клеевого слоя (прокладки) лежит обычно в пределах от 0,05 до 0,10 мм. Увеличение этого параметра снижает прочность соединения. Уменьшение может явиться причиной непроклея. Обычно толщина слоя выдерживается за счет регламентирования расхода клея (1 слой - 40-50 г/м2).

Наиболее технологичными в смысле обеспечения равномерности и толщины клеевого слоя являются клеевые пленки - клей с наполнителем либо без наполнителя в виде тонкой ленты, свернутой в рулон с прокладкой. Лента разрезается (кроится) при сборке. Наносится клей как прокладка между деталями с предварительным нанесением подслоя.

После нанесения клея производят подсушивание клеевого слоя на воздухе.

Сборка под склеивание производится в сборочном приспособлении либо по СО. Чаще в сборочные сборочном приспособлении.

Сборочные приспособления должны:

обеспечивать требуемую точность расположения деталей. Доработка конструкции (правка) после отверждения клея не допускается;

обеспечивать возможность запрессовки деталей. Базовые элементы должны быть достаточно жесткими чтобы выдерживать соответствующие давление без искажения формы и размеров;

обеспечивать возможность нагрева конструкции. При этом должны быть учтены искажения формы и размеров, обусловленные температурным расширением.

Склеивание- полимеризация (отверждение) клея. Происходит при нагреве конструкции по определенному режиму с выдержкой при определенным давлении запрессовки. Максимальная температура нагрева для используемых в настоящее время клеев - tmax=200°С. Потребное давление запрессовки - p < 10 кг/см2.

Способы запрессовки:

- применение механических, пневматических, гидравлических зажимных устройств. Общий недостаток - неравномерность запрессовки;

- метод избыточного давления. Резиновые мешки заполняются воздухом или жидкостью. Основные достоинства: простота реализации при сложной конфигурации изделия и равномерность давления запрессовки. Способ используется при жестком каркасе изделия;

Рис. 4.3 - Способы запрессовки деталей при склеивании: а - прижимными устройствами; б - метод избыточного давления; в - метод вакуума

- метод вакуума. Специальные резиновые накладки герметично устанавливают на изделие, воздух откачивают вакуумным насосом. Достоинства аналогичны методу избыточного давления. Способ используется при малой жесткости каркаса (pmax < 1 кг/см2).

Способы нагрева:

нагрев горячим воздухом (паром) в автоклавах, электрических печах;

нагрев электронагревателями (ТЭНами), встроенными в сборочное приспособление;

радиационный нагрев излучателями, экранами.

Контроль качества склеивания. Основной дефект - непроклей. Причины - плохое качество обезжиривания поверхностей деталей, неравномерное нанесение клея, недостаточное давление запрессовки, неравномерный нагрев конструкции.

Сложность контроля качества клеевых соединений обусловила необходимость создания разнообразных приборов и установок -- дефектоскопов, использующих различные принципы обнаружения непроклея.

Методы контроля клеевых соединений:

метод свободных колебаний - обнаружение дефекта по изменению частоты колебаний в местах непроклея;

резонансный метод - обнаружения дефекта по изменению амплитуды колебаний в местах непроклея;

импедансный метод - обнаружение дефекта по изменению силы реакции в местах непроклея;

вакуумный метод - обнаружение дефекта по деформации тонкой обшивки в местах непроклея;

контроль по образцам-свидетелям. Образцы изготавливают вместе с изделием в тех же условиях, при тех же режимах.

Основной способ обеспечения высокого качества клеевых соединений - тщательны пооперационный контроль, строгое соблюдение технологической дисциплины.

5. Вычертите диаграмму состояния системы свинец-сурьма (Рb - Sb). Опишите взаимодействие компонентов в жидком и твердом состоянии, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы состояния и объясните характер изменения свойств сплавов

Сплав Рb - Sb относится к сплавам смесям (I тип), составляющие которого неограниченно растворяются в жидком виде, а в твердом состоянии нерастворимы и представляют собой механическую смесь кристаллов компонентов, образующих сплав.

Рис. 5.1 - Диаграмма состояния системы свинец - сурьма

Линия ABC - линия ликвидуса (ликвидус - от лат. «жидкий»). Ниже линии DBE все сплавы системы находятся в твердом состоянии. Линия DBE - линия солидуса (солидус - от лат. «твердый»), ниже которой сплав находится в твердом двухфазном состоянии в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы (Рb + Sb). В точке В при массовом содержании 13 % Sb, 87 % Pb и при температуре 246 °С кристаллизация свинца и сурьмы происходит одновременно; образуется тонкая механическая смесь кристаллов свинца и сурьмы (двух фаз). Эта смесь называется эвтектикой.

При охлаждении сплавов различной концентрации на линии AC из жидкого расплава выделяются кристаллы свинца, а на линии CB - кристаллы сурьмы.

На линии DCE происходит образование эвтектики, т.е. из жидкой фазы состава точки C (13% Sb) одновременно при постоянной температуре выделяются дисперсные кристаллы свинца и сурьмы. Эта линия называется линией эвтектического превращения. На ней в равновесии находятся три фазы: жидкая, кристаллы свинца и сурьмы. Точка C называется эвтектической, а сплав состава этой точки - эвтектическим (Э). Сплавы с содержанием сурьмы менее 13% называются доэвтектическими (Э+Pb), а более 13% - заэвектическими (Э+Sb).

Проведение анализа сплава любой заданной концентрации, позволяет выявить закономерности структурообразования в процесс изменения температуры. По диаграмме состояния системы, пользуясь правилами фаз и отрезков, построим кривую охлаждения, например, заэвтектического сплава c концентрацией 45% Sb (рис. 6.2).

При охлаждении от исходной температуры t0 точки 0 до t1 точки 1 сплав находится в однофазном жидком состоянии.

Определяем число степеней свободы С0-1 = 2 - 1+1 = 2. Скорость охлаждения сплава максимальна, что характеризуется малым наклоном участка 0-1 кривой охлаждения.

С температуры t1 начинается кристаллизация сурьмы, которая продолжается до температуры t2, соответствующей линии эвтектического превращения. Сплав находится в двухфазном состоянии Ж+Sb, число степеней свободы С1-2 = 1. Скорость охлаждения замедляется, что обусловливает больший наклон участка 1-2 кривой охлаждения. Охлаждение сплава в интервале температур t1-t2приводит к его качественному изменению: в результате выпадения первичных кристаллов сурьмы жидкая фаза обедняется сурьмой и обогащается свинцом. Согласно правилу отрезков состав жидкой фазы меняется по линии ликвидус от точки 1 при температуре t1, до точки C при температуре t2.

Рис. 5.2 - Построение схематической кривой охлаждения (б) сплава ссодержанием 45% сурьмы по диаграмме состояния Pb-Sb (а)

Описанный процесс фазовых превращений записывают в виде уравнения металлургической реакции

На линии DCE образование первичных кристаллов сурьмы заканчивается, а из оставшейся жидкости состава точки C (13%) происходит кристаллизация эвтектики Э=(Pb+Sb). Для сплава в точке 2 конодой является линия диаграммы DCE, которая показывает одновременное существование трех фазы: жидкости, кристаллов свинца и сурьмы. Число степеней свободы С2 = 0, система безвариантна, следовательно образование эвтектики происходит при постоянной температуре. На кривой охлаждения наблюдается горизонтальный участок 2-2/. Процесс кристаллизация эвтектики описывается уравнением

После кристаллизации сплав состоит из двух структурных составляющих: крупных первичных кристаллов сурьмы и эвтектики, представляющей собой мелкозернистую смесь кристаллов сурьмы и свинца (рис. 3.5, в). Структурной составляющей называют обособленную часть структуры, имеющую при определенном увеличении микроскопа однообразное строение.

В доэвтектических сплавах в интервале температур от линии ликвидус до линии солидус из жидкой фазы выпадают первичные кристаллы свинца, а жидкость обогащается сурьмой (до 13%) и обедняется свинцом. Доэвтектические сплавы после затвердевания состоят также из двух структурных составляющих: крупных кристаллов свинца и эвтектики.

Сплавы смеси склонны к ликвации по удельному весу, т.е. к неоднородности по химсоставу в разных зонах слитка. Для предотвращения ее сплав перед разливкой интенсивно перемешивают либо вводят в него третий компонент, который образуя химическое соединение, препятствует возникновению ликвации..

Применение сплавов смесей:

1. В качестве литейных, обладающих хорошей жидкотекучестью благодаря наличию в их структуре эвтектики.

2. Припои для пайки, например ПОС-61 (61% олова, остальное свинец). Сплав эвтектический, кристаллизуется при постоянной минимальной температуре 183 0С.

3. Тепловые предохранители, т.к. сплавы смеси при любой концентрации имеют одинаковую температуру начала плавления (линия солидус). Это обеспечивает точность срабатывания предохранителей при повышении температуры до заданных значений.

4. Типографские шрифты (доэвтектический сплав Pb-Sb), дающие четкий отпечаток при повышенной, по сравнению с чистым свинцом, износостойкостью.

5. Вкладыши подшипников скольжения (баббиты), представляющие собой заэвтектические сплавы, состоящие из пластичной эвтектики с включениями кристаллов твердой фазы. Мягкая основа обеспечивает хорошую прирабатываемость к валу, а твердые включения повышают износостойкость и несущую способность подшипника.

6. Вычертите диаграмму состояния железо-карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур 1600-20 С для сплава, содержащего 2,2 % С. На кривой охлаждения укажите количество степеней свободы на каждом участке кривой, подсчитав их в соответствии с правилом фаз. Для заданного сплава определите количественное соотношение с правилом отрезка при температуре 750 С.

Диаграмма состояния Fe-Fe3C (рис. 6.1) показывает фазовый состав и превращения в сплавах с концентрацией от чистого железа до цементита.

Рис. 6.1 - Диаграмма состояния железо-карбид железа. По оси ординат - температура сплава, по оси абсцисс - содержание углерода. Линия ACD - линия начала кристаллизации сплава (линия ликвидуса), линия AECF - линия конца кристаллизации сплава (линия солидуса)

Область AESG на диаграмме соответствует аустениту. Линия GS - начало выделения феррита, а линия SE - вторичного цементита. Линия PSK соответствует окончательному распаду аустенита и выделению перлита. В области ниже линии PSK никаких изменений структуры не происходит.

напыление высокотемпературный клеевой

Табл. 7. Критические точки диаграммы «Железо-углерод»

Обозначение точки	Т0С	С,%
А	1539	0
Н	1499	0.1
I	1499	0.16
B	1499	0.51
N	1392	0
D	1250	6.67
E	1147	2.14
C	1147	4.3
F	1447	6.67
G	911	0
P	727	0.02
S	727	0.8
K	727	6.67
Q	? 600	0.01
L	? 600	6.67

Точка А определяет температуру плавления чистого железа, точка D - цементита. Точки N и G соответствуют температурам полиморфных превращений железа. Точки Н и P характеризуют предельную концентрацию углерода соответственно в высокотемпературном и низкотемпературном феррите. Точка Е определяет наибольшую концентрацию углерода в аустените.

В железоуглеродистых сплавах могут образовываться следующие фазы: жидкий раствор, аустенит, феррит, цементит.

Аустенит (обозначают A или ) - твердый раствор внедрения углерода в Feg. Имеет ГЦК - решетку, растворяет углерода до 2,14 %, немагнитен, твердость (HB 160-200).

Феррит (обозначают Ф или ) - твердый раствор внедрения углерода в Fea. Имеет ОЦК - решетку, растворяет углерода до 0,02 % (727 °C), при 20 °C менее 0,006 %, ферромагнитен до температуры 769 °C, твердость (HB 80-100).

Цементит (Ц) - химическое соединение железа с углеродом (Fe3C). Содержит 6,67 % C. При нормальных условиях цементит тверд (HB 800) и хрупок. Слабо ферромагнитен до 210 °C.

Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом (Л), а эвтектоидная смесь феррита и цементита - перлитом (П). Ледебурит содержит 4,3 % углерода. При охлаждении ледебурита ниже линий PSK входящий в него аустенит превращается в перлит и при нормальной температуре ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита и называется ледебуритом превращенным (Л пр). Цементит в этой структурной составляющей образует сплошную матрицу, в которой размещены колонии перлита. Такое строение ледебурита объясняет его большую твердость (HB 700) и хрупкость.

Рис. 6.2 - Кривая охлаждения для сплава, содержащего 2,0 % углерода

Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 - Ф,

где С - число степеней свободы системы; К - число компонентов, образующих систему; 1 - число внешних факторов (внешним фактором считаем только температуру, так как давление за исключением очень высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях); Ф - число фаз, находящихся в равновесии.

Сплав железа с углеродом, содержащий 2,2% С, называется доэвтектический чугун. Его структура при комнатной температуре - Перлит + Цементит + Ледебурит (рис. 6.3,а).

Рис. 6.3 - Микроструктура белых чугунов (слева схематическое изображение): а) доэвтектический; б) эвтектический; в) заэвтектический

Правило отрезков позволяет определить количественное соотношение фаз. Для определение концентрации компонентов в двух фазах через данную точку в , характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями , ограничивающими данную область ; проекции точек пересечения (а и с) на горизонтальную ось диаграммы покажут составы фаз. Отрезки коноды между точкой в и точками а и с, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам этих фаз (рис. 6.4):

Рис. 6.4 - Диаграмма состояния железо-карбид железа. Определение состава фаз

;

Qaустенит=(6,67-2,2)/(6,67-0,01)*100=67,117 %.

Qцементит =(2,2-0,01)/(6,67-0,01)*100=32,883 %.



7. Карданный шарнир изготавливают из стали 45. опишите структуру и свойства стали после закалки от различных температур (объясните сприменением диаграммы состояния железо-карбид железа). Какой режим закалки следует рекомендовать?

Закалка - термическая обработка - заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А3 для доэвтектоидной и А1 - для заэвтектоидной сталей) или температуры растворения избыточных фаз, в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

В результате закалки из аустенита образуется неустойчивая, метастабильная структура мартенсит. Для стали 45 температура АС3 = 770°С, поэтому температуру закалки выбираем 810-840°С.

Низкий отпуск снижает закалочные макронапряжения, мартенсит закалки переводится в отпущенный мартенсит, повышается прочность и немного улучшается вязкость без заметного снижения твердости. При отпуске уменьшается степень тетрагональности кристаллической решетки мартенсита вследствие выделения из нее углерода в виде е-карбида.

Низкий отпуск проводим при температуре 160-200єС. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости изделий. Структура стали 45 - отпущенный мартенсит.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки.

При нагреве до температуры 760°С (ниже точки Ас3) структура стали 45 - аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали - мартенсит + феррит.

Аустенит неоднороден по химическому составу. В тех местах, где были пластинки цементита, аустенит богаче углеродом, а где пластинки феррита - беднее. Поэтому при термической обработке для выравнивания химического состава зерен аустенита сталь нагревают немного выше критической точки Ас3 (на 30-50°С) и выдерживают некоторое время при этой температуре. Процесс аустенизации идет тем быстрее, чем выше превышение фактической температуры нагрева под закалку относительно температуры Ас3.

После закалки с печным нагревом и низкого отпуска (160-180°С) можно получить твердость стали 45 не более 500 НВ. С увеличением температуры отпуска твердость закаленной стали снижается. Так, при высоком отпуске (580-600°С) твердость стали на глубину прокаливания не превышает 250НВ. Закалка токами высокой частоты (ТВЧ) позволяет получить твердость на 40-60 НВ выше, чем при закалке с печным нагревом. Это объясняется тем, что применение высокоскоростного нагрева и смещение превращений в область температур, превышающих температуру критической точки Ас3 (за счет высокой скорости нагрева), позволяет получить мелкозернистый аустенит, а после охлаждения на глубину прокаливания - мартенсит мелкоигольчатого и безыгольчатого строения. Закалка ТВЧ проводится при температуре 920-940?С. После закалки ТВЧ изделие подвергают низкому отпуску 160-180?С. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости. Низкий отпуск, незначительно снижая твердость закаленного изделия, существенно повышает сопротивление стали хрупкому разрушению. Структура стали после низкого отпуска на глубину прокаливания - мартенсит отпуска. В результате термической обработки твердость изделия на глубину прокаливания составит 550 НВ.

Литература

1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 2005.- 648 с.

2. Конструкционные материалы : справочник / под ред. Б . Н. Арзамасова . - М. : МГТУ им. Н. Э . Баумана , 2005. - 688 с.

3. Короткова, Л. П. Конструкционные материалы : учеб . пособие / Л. П. Короткова ; ГУ КузГТУ. - Кемерово, 2005.- 156 с.

4. Лахтин, Ю. М. Материаловедение и термическая обработка / Ю. М. Лахтин - М.: Альянс, 2009. - 448 с.

5. Марочник сталей и сплавов / под ред. А. С. Зубченко . - М.: Машиностроение , 2003. - 784 с.

6. Материаловедение и технология металлов : учеб . для студентов машиностроит. специальностей . вузов / Г . П. Фетисов [ и др.] ; под ред. Г . П. Фетисова - 3- е изд., испр. и доп . - М. : Высш. шк., 2005. - 862 с.

7. Материаловедение. Методические указания к выполнению контрольно-курсовой работы / Н.Б.Фомичева, Г.В. Сержантова- Тула: Изд-во ТулГУ, 2008.

8. Микроструктура, свойства и маркировка углеродистых сталей :Методические указания к лабораторной работе по курсу « Материаловеде-ние» для студентов механических специальностей / сост .: В . В. Драчев, К. П. Петренко; ГУ КузГТУ. - Кемерово, 2013. - 16 с.

9. Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей ВУЗов / А.М. Дольский, И.А. Арутюнова, Т.М. Барсукова и др.; Под ред. А.М. Дольского. - М.: Машиностроение, 2005. - 448с.

Размещено на Allbest.ru

...