Задачи по материаловедению с решением

Прежде чем изучать готовые решения задач, нужно знать теорию, поэтому для вас я подготовила полный курс лекций по предмету «материаловедение», после которого, чуть ниже размещены подробные решения задач.

Эта страница подготовлена для студентов любых специальностей и охватывает полный курс предмета «материаловедение».

Если что-то непонятно вы всегда можете написать мне в воцап и я вам помогу!

Основные понятия о материаловедение

К оглавлению…

Одним из важнейших и широко применяемых строительных материалов в транспортном, гражданском и промышленном строительстве являются стали. Студентам необходимо знать и уметь использовать основные механические и технологические свойства сталей, которые в значительной мере определяются его структурой.

В материаловедение студенты на основе анализа диаграммы состояния «железо — цементит исследуют фазы,структурные составляющие, микроструктуру доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной углеродистой стали, изучают механические свойства стали:

  • статическую прочность, твёрдость, пластичность и ударную вязкость
  • устанавливают связь между содержанием, структурой углерода и механическими свойствами стали.

В процессе изучения задач по материаловедению студенты вырабатывают навыки анализа фазового и структурного составов стали, характера взаимодействия компонентов в твёрдом состоянии и последовательности фазовых превращений в сталях.

Данная страница с теорией и практикой поможет будущим инженерам строительных специальностей, изучающим дисциплину «Материаловедение. Технология конструкционных материалов» получить более глубокое представление решении задач по материаловедению.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Предмет материаловедение

Микроскопический анализ металлов и сплавов

К оглавлению…

Микроскопический анализ металлов и сплавов заключается в исследовании микроструктуры и пороков сталей с помощью оптического или электронного микроскопа.

С помощью микроанализа можно определить количество, форму, размеры отдельных фаз, их взаимное расположение , имеющиеся включения ,микродефекты, следовательно, судить о свойствах металлов и сплавов.

Исследованию подвергаются микрошлифы, приготовленные определённым способом.

Микроскопический анализ состоит из следующих этапов: а) приготовления шлифов, б) травления шлифов, в) исследования микроструктуры металлов и сплавов.

Микрошлифом называют небольшой образец металла, имеющий особо приготовленную поверхность для микроанализа.

После соответствующей шлифовки и полировки образцы подвергают травлению определённым химическим реактивом для выявления микроструктуры сплава.

Микроскопическое исследование приготовленных указанным способом шлифов осуществляется с помощью металлографического микроскопа, который в отличие от биологического позволяет рассматривать прозрачные тела в отражённом свете.

Структура сталей в равновесном состоянии

К оглавлению…

Сталями называют железоуглеродистые стали с содержанием углерода до

Основой для определения структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма состояния системы «железо — цементит»( )(рис. 1 и 2).

Под равновесным состоянием сплава понимается такое состояние, когда все фазовые превращения в сплаве полностью закончились в соответствии с диаграммой состояния. Оно достигается при очень медленном охлаждении, со скоростью в час, т.е при охлаждении вместе с печью.

Структурными составляющими сталей являются феррит, аустенит, цементит и перлит. Простые структурные составляющие сталей: феррит, аустенит и цементит — являются в то же время их фазами.

Железо известно в двух полиморфных модификациях: в виде — модификации железа () и — модификации железа ().

Феррит (Ф) — это твёрдый раствор внедрения углерода в a-модификации железа. Он имеет ОЦК-кристаллическую решётку, растворимость в которой мала. Предельная концентрация углерода в феррите составляет при температуре , а при комнатной температуре — .

Аустенит (А) — твёрдый раствор внедрения углерода в . Имеет ГЦК-решётку. Максимальная растворимость в нём углерода составляет при температуре , при . Аустенит пластичен, но более прочен, чем феррит.

Цементит (Ц) — сложная структурная составляющая, химическое соединение, карбид железа , с содержанием углерода . Имеет сложную ромбическую решётку. Цементит очень твёрд () и хрупок ().

Перлит (П) — сложная структурная составляющая, продукт распада аустенита с содержанием углерода , представляющая собой дисперсную эвтектоидную смесь кристаллов феррита и цементита. По своей структуре ( равномерное распределение одной фазы в другой) перлит напоминает эвтектику, но в отличие от эвтектики, образующейся при затвердевании жидкости, перлит получается при распаде твёрдого раствора и поэтому называется эвтектоидом.

Все точки и линии цементитной диаграммы в области сталей имеют следующие обозначения и физический смысл.

Линия — геометрическое место критических точек начала образования феррита вследствие перекристаллизации в .

Линия характеризует температуры конца превращения аустенита в феррит.

В соответствии с линиями и изменяется состав аустенита и феррита при изменении температуры сплава.

Линия — линия перлитовых превращений, представляющая собой геометрическое место точек распада аустенита с образованием перлита.

Точка показывает максимально возможное содержание углерода в

Линия характеризует предельную растворимость углерода в аустените в зависимости от температуры.

Точка показывает максимально возможное содержание углерода в .

Точка показывает содержание углерода в при комнатной температуре. ().

Линия характеризует предельную растворимость углерода в феррите в зависимости от температуры.

Линия показывает изменение растворимости углерода с понижением температуры.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие до углерода (с общим количеством примесей до ) называют техническим железом.

Если углерода в техническом железе меньше , то при охлаждении в интервале температур между линиями и происходит перекристаллизация аустенита в феррит. Однофазная ферритная структура сохраняется вплоть до комнатной температуры.

При содержании углерода более , после образования феррита, начиная с температуры на линии , происходит выделение из феррита кристаллов цементита, который получил название третичного цементита (рис.3). Этот процесс вызван уменьшением растворимости углерода в феррите по линии . Конечная структура будет двухфазной: феррит и третичный цементит, причём цементит располагается в виде прослоек по границам ферритных зёрен (рис.4а). Третичный цементит ухудшает технологическую пластичность железа и его магнитные свойства.

Третичный цементит присутствует при комнатных температурах во всех железоуглеродистых сплавах, содержащих более углерода. Однако его роль в формировании свойств в сплавах с содержанием углерода более невелика, так как в таких сплавах есть цементит в большем количестве, выделившийся при других фазовых превращениях, поэтому при рассмотрении структуры таких сплавов о третичном цементите не упоминают.

По микроструктуре стали подразделяют на доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные.

Доэвтектоидные — это стали с содержанием углерода до . Они имеют ферритно-перлитовую структуру (Рис. 46 и 5а).

При -модификация железа () должна переходить в -модификацию железа (), однако наличие углерода в кристаллической решётке расширяет область её устойчивости и аустенит сохраняется при температурах ниже .

Наименьшая температура, при которой в условиях медленного охлаждения ещё сохраняется аустенит, равна . При этом в аустените содержится углерода.

При дальнейшем охлаждении происходит распад твёрдого раствора с образованием феррита и цементита. Продукт распада аустенита, содержащего углерода называется перлитом и представляет собой равномерную дисперсную смесь феррита с цементитом.

При охлаждении доэвтектоидных сталей распад аустенита начинается с частичной перекристаллизации в с образованием феррита, т.е. образующаяся сохраняет в своей кристаллической решётке не более углерода (максимальная растворимость углерода в ).

Чем больше углерода содержит аустенит, тем при более низкой температуре начинаются эти превращения при охлаждении доэвтектоидных сталей. За счёт образования феррита оставшийся аустенит обогащаются углеродом, и его состав по мере понижения температуры изменяется по лини . При температуре аустенит содержит углерода и при дальнейшем охлаждении распадается образуя перлит.

При температуре ниже линии перлитовых превращений () доэвтектоидные стали состоят из феррита и перлита.

Эвтектоидные стали содержат углерода и имеют перлитовую структуру. В них при температуре линии () происходит эвтектоидное превращение, в результате которого из аустенита выделяются феррит концентрации 0,02% углерода и цементит (его называют эвтектоидным). Такую механическую смесь двух фаз называют перлитом. (рис. 4в, 5б и 5в). Эвтектоидное превращение идёт при постоянной температуре и концентрации фаз.

Заэвтектоидные — это стали с содержанием углерода от до . Их структура: перлит + вторичный цементит(рис. 4г и 5г).

При охлаждении заэвтектоидных сталей по линии из твёрдого раствора (аустенита) выделяется цементит вследствие уменьшения растворимости углерода в с понижением температуры.

Чтобы отличить цементит, образующийся из жидкого раствора при затвердевании сплавов, содержащих более углерода, от цементита, образующегося при охлаждении аустенита с содержанием углерода более . принято первый цементит называть первичным, второй — вторичным. Вследствие выделения вторичного цементита уменьшается содержание углерода в оставшемся аустените.

На линии перлитовых превращений аустенит содержит углерода и при дальнейшем охлаждении распадается с образованием перлита.

Следовательно, ниже линии в условиях медленного охлаждения ( в равновесном состоянии) стали состоят из следующих структурных составляющих: феррит + перлит (доэвтектоидные стали); перлит (эвтектоидные стали); перлит + цементит вторичный (заэвтекоидные стали)).

Механические свойства сталей

К оглавлению…

Механические свойства железа технической чистоты: предел прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву) , предел текучести , твёрдость по Бринеллю , относительное удлинение , относительное сужение , удельная ударная вязкость (сопротивление динамическим нагрузкам) .

Возможно эта страница вам будет полезна:

Лабораторные по материаловедению

Методы определения твёрдости сталей

К оглавлению…

Твёрдость — это способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твёрдого тела.

Определение твёрдости является широко применяемым в лабораторных и заводских условиях способом испытаний для характеристики механических свойств металлов.

Твёрдость металлов измеряют путём вдавливания в поверхность металла наконечника, изготовленного из малодеформирующе-гося материала (твёрдая закалённая сталь или алмаз), имеющего форму шарика, конуса или пирамиды).

В результате вдавливания с достаточно большой нагрузкой поверхностные слои металла, находящегося под наконечником и вблизи него, пластически деформируются. После снятия нагрузки остаётся отпечаток

Существует несколько методов определения твёрдости (рис. б).

Наиболее распространённым является метод Бринелля , когда в металлический образец под воздействием силы , внедряется шарик диаметром (рис. 7 и 8). Число твёрдости по Бринеллю представляет собой отношение нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка ( с диаметром ) и измеряется в или .

Площадь сферы отпечатка описывается следующим уравнением

Тогда число твёрдости по Бринеллю определяется по формуле

где — нагрузка в ;
— диаметр шарика в ;
— диаметр отпечатка.

В практической работе для определения твёрдости не делают вычислений по формуле , а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечаток и нагрузок. Шарики применяют диаметром Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной образца (табл.2). Число твёрдости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании записывается следующим образом:

Диаметр отпечатка измеряют при помощи отсчётного микроскопа (лупы Бринелля), на окуляре которого имеется шкала с делениями, соответствующими десятым долям миллиметра. Измерение проводят с точностью до в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Для определения твёрдости следует принимать среднее значение из полученных величин.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Рефераты по материаловедению

Метод Роквелла

К оглавлению…

При методе Роквелла (рис. 6) индентором служит алмазный конус (иногда маленький стальной шарик). Числом твёрдости является величина, обратная глубине вдавливания

Имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом под нагрузкой твердость определяют по шкале в единицах , а под нагрузкой — по шкале в единицах . При вдавливании стального шарика при твёрдость определяют по шкале в единицах .

Метод Виккерса

К оглавлению…

При методе Виккерса (рис. 6) вдавливаеся алмазная пирамида и измерив диагональ отпечатка () судят о твёрдости ().

Метод Бринелля применяют для сравнительно мягких металлов, у которых ,а метод Роквелла с использованием шкалы для твёрдых сплавов ( например, закалённых сталей).

Между различными методами существует определённая корреляция. По соответствующим таблицам, значения твёрдости полученного одним способом, можно определить, какому числу твёрдости другого метода оно соответствует, в том числе и методу Бринелля. Например, .

Измерение твёрдости по технике выполнения значительно проще, чем определение прочности, пластичности и вязкости. Измерения твёрдости выполняются быстро, при вдавливании конуса за 30-60 с, а при вдавливании шарика за 1 — 3 мин.

Поэтому весьма часто для определения прочности пользуются простым, не разрушающим образец, методом — измерением твёрдости.

Для доэвтектоиднах сталей существует довольно точная корреляция между прочностью и твёрдостью, а именно

Возможно эта страница вам будет полезна:

Методические указания по материаловедению

Влияние углерода на свойства стали

К оглавлению…

Углерод оказывает определяющее влияние на свойства стали.

Увеличение содержания углерода повышает прочность ( до углерода) и твёрдость стали, однако существенно понижает пластичность и удельную ударную вязкость, повышает порог хладноломкости (рис.9)

С увеличением содержания углерода изменяется структура стали.В равновесном состоянии структура стали представляет смесь феррита и цементита, в которой количество последнего увеличивается пропорционально содержанию углерода.

Зная механические свойства феррита и цементита, можно предположить, как будут меняться механические свойства сталей с изменением содержания углерода. Механические свойства феррита цементита и других структурных составляющих приведены в табл.1.

С увеличением содержания углерода возрастает количество хрупкого и твёрдого цементита, а следовательно повышается хрупкость и твёрдость, понижается пластичность и ударная вязкость стали.

Прочность стали с увеличением количества углерода в начале возрастает, а затем, достигнув максимума примерно при , начинает понижаться.

Это объясняется следующим. В доэвтектоидных сталях углерод в виде цементита входит в состав сложной структурной составляющей стали — перлита. При этом цементит располагается в перлите в виде отдельных, не соприкасающихся между собой пластинок, что придаёт перлиту по сравнению с чистым ферритом большие прочность и твёрдость.

Так как с увеличением содержания углерода в доэвтектоидных сталях возрастает количество перлита, то и прочность стали повышается.

В структуре же заэвтектоидных сталей входит вторичный цементит, который располагается оболочками вокруг зёрен перлита (рис.4г, 5г и 10в), образуя хрупкую сетку. Чем больше содержание углерода в заэвтектоидной стали, тем непрерывнее и толще сетка вторичного цементита, тем больше хрупкость стали и меньше её прочность.

Феррит малопрочен и пластичен. Цементит твёрд и хрупок. В связи с этим по мере повышения концентрации углерода повышается прочность и твёрдость, снижаются пластичность и вязкость стали

На механические свойства заэвтектоидных сталей сильное влияние оказывает вторичный цементит, образующий хрупкий каркас вокруг зёрен перлита. Под нагрузкой этот каркас преждевременно разрушается, вызывая снижение прочности сталей, у которых содержание углерода свыше . Именно при таком количестве углерода хрупкая сетка вторичного цементита приобретает сплошной характер.

Углерод изменяет технологические свойства стали: обрабатываемость резанием, давлением, свариваемость.

Увеличение содержания углерода вследствие упрочнения и ухудшения теплопроводности ведёт к снижению обрабатываемости резанием. С увеличением содержания углерода снижается технологическая пластичность — способность деформироваться в горячем и особенно в холодном состоянии. Для сложной холодной штамповки содержание углерода ограничивают .

Углерод затрудняет также свариваемость стали. Сварка средне- и особенно высокоуглеродистых сталей требует применения подогрева, замедленного охлаждения и других технологических операций, предупреждающих образование горячих и холодных трещин.

По микроструктуре углеродистой стали в равновесном состоянии можно определить содержание углерода следующим способом (рис.10).

Структура доэвтектоидной стали феррит и перлит. Феррит содержит углерода, а перлит — .

Поэтому, если известно количество феррита и перлита в общей массе металла, можно определить содержание углерода в стали умножением относительной площади ( в процентах) феррита и перлита, занимаемой каждой из этих структурных составляющих на просматриваемом поле шлифа.

Аналогично рассчитывают содержание углерода в заэвтектоидной стали, имея в виду, что её структура перлит и цементит, а цементит содержит углерода.

Этот расчёт можно произвести по формулам:

а) для доэвтектоидной стали

б) для заэвтектоидной стали

где Ф, П и Ц — относительная площадь (в ), занимаемая соответственно ферритом, перлитом и цементитом на поле шлифа.

Экспериментально определив твёрдость по Бринеллю () углеродистой доэвтектоидной стали , можно довольно точно установить прочность этой стали при растяжении () по формуле , а содержание в ней углерода по формуле

Возможно эта страница вам будет полезна:

Учебник по материаловедению

Задачи для студентов и порядок их решения

К оглавлению…

Тема данных задач — «Микроструктура сталей и влияние углерода на механические свойства сталей».

Это стандартная тема которую студенты проходят в течении 1 и 2 курса.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Задачи по материаловедению

Задача №1

К оглавлению…

  • изучить диаграмму состояния железоуглеродистых сплавов и начертить её часть , относящуюся к области сталей;
  • охарактеризовать фазы и структурные составляющие сталей;
  • исследовать типичные равновесные структуры углеродистых сталей;
  • исследовать механические свойства стали: статическую прочность, твёрдость, пластичность, удельную ударную вязкость;
  • изучить методику определения твёрдости стали по Бринеллю;
  • установить влияние содержания углерода на структуру и механические свойства стали;
  • определить концентрацию углерода в каждом шлифе сталей;
  • ознакомиться с процессом приготовления микрошлифов, устройством металлографического микроскопа и методикой работы на нём.

Решение:

1) Вычертить в масштабе график зависимости механических свойств стали от содержания углерода.

2) Зарисовать микроструктуру феррита, двух доэвтектоидных сталей, эвтектоидной стали и заэвтектоидной стали.

3) Определить содержание углерода в каждой из зарисованных структур стали по следующим формулам для доэвтектоидной стали:

для заэвтектоидной стали:

4) Дать определение твёрдости материала.

5) Зарисовать схему определения твёрдости металла по способу Бринелля.

6) Привести таблицу норм испытаний по Бринеллю для стали и чугуна(табл. 5 )

7) Определить твёрдость по Бринеллю () шести стальных образцов с различным содержанием углерода. Результаты испытаний занести в табл 2.

8) Перенести полученные значения твёрдости в табл.3. Рассчитать содержание углерода ()и прочность при растяжении () для всех испытанных образцов, используя следующие формулы

9) Построить график зависимости прочности при растяжении и твёрдости стали от содержания углерода (рис. 11)

Точность вычислений: содержание углерода — ; прочность — ; твёрдость — .

Возможно эта страница вам будет полезна:

Примеры решения задач по материаловедению

Задача №2

К оглавлению…

Вычертите диаграмму состояния железо-цементит, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы.

Опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава с указанным количеством углерода, укажите содержание углерода в образующихся фазах.

Какова равновесная структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Решение:

Сплав, содержащий

Указанный сплав отмечен вертикальной линией, на диаграмме железо-цементит.

Диаграмму состояния железо-цементит представим на рисунке 1.

  1. Сплав, содержащий углерода-сталь 50

Кривую охлаждения сплава, содержащего представим на рисунке 2.

Опишем процессы, происходящие при охлаждении сплава.

До температуры 1 сплав находится в жидком состоянии, происходит охлаждение расплава.

Правило фаз:

При температуре 1 из расплава начинает выделяться Феррит (Ф). На участке 1-2 сплав будет иметь структуру Ф+Ж.

Правило фаз.

В точке 2 происходит перитектическая реакция Ж + Ф А (участок 2-2′),

От точки 2’до точки 3 сплав находится в состоянии двух фаз — А+Ж.

В точках от 3 до 4 сплав имеет однофазную Аустенитную (А) структуру.

В точке 4 из Аустенита (А) начинает выделяться вторичный Феррит (Ф) и этот процесс продолжается до точки 5.

В точке 5 происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустенит распадается на Перлит (П) — механическую смесь Феррита и Цементита (А П (Ф + ЦП), в результате при комнатной температуре сплав имеет структуру Перлита и избыточного Феррита (участок 5-5′).

Ниже точки 5 сплав имеет двухфазную структуру П+Ф, которая охлаждается без ка-ких-либо изменений и без выделения скрытой теплоты.

При комнатной температуре сплав имеет структуру (П+Ф) — перлит +феррит. Сплав, содержащий углерода-доэвтектоидная сталь 50

Задача №3

К оглавлению…

Изобразите диаграммы состояния двойных систем для случаев образования устойчивых и неустойчивых химических соединений. Дайте необходимые пояснения к диаграммам. Что такое эвтектика?

Решение:

Химическое соединение характеризуется определенным соотношением компонентов, а это отражается на диаграмме вертикальной линией, проходящей на оси абсцисс через точку, отвечающую соотношению компонентов в химическом соединении. Если компоненты и образуют химическое соединение , то, следовательно, на n+ m его атомов приходится атомов и атомов . Определенному атомному соотношению соответствует и определенное соотношение по массе.

Химическое соединение устойчиво, если его можно нагреть без разложения до расплавления, и неустойчиво, если при нагреве оно разлагается. В зависимости от этого могут быть два вида диаграмм. Кроме того, возможно образование нескольких химических соединений между двумя компонентами, а также растворимость на базе химического соединения — эти обстоятельства также находят отражение в диаграмме состояния.

Диаграмма с устойчивым химическим соединением

Предположим, что оба компонента образуют одно устойчивое соединение , причем и это соединение, и чистые компоненты не образуют в твердомсостоянии растворов.

Компонентами системы являются вещества и , а твердыми фазами — , и . Из четырех возможных в этой системе фаз могут сосуществовать три или , .

Это химическое соединение устойчиво, поэтому оно может быть нагрето без разложения до своей температуры плавления (точка ). Химическое соединение плавится при постоянной температуре. Плавление химического соединения при постоянной температуре вполне соответствует правилу фаз. Химическое соединение можно рассматривать как однокомпонентную систему (один компонент — химическое соединение ), тогда при плавлении

В отличие от диаграммы с устойчивым химическим соединением на рис. 1 приведена диаграмма состояний, где два компонента образуют неустойчивое химическое соединение, которое при нагреве до определенной температуры () разлагается на жидкость и один из компонентов, т. е. не расплавляется полностью.

На линии находятся в равновесии три фазы: жидкость концентрации , кристаллы компонента и кристаллы химического соединения .

При нагреве неустойчивое химическое соединение распадается на жидкость концентрации и кристаллы .При охлаждении, следовательно, произойдет обратная реакция:

Реакция эта подобна псритектичсской; жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами, но образует не новый твердый раствор, как в случае псритектичсской реакции, а химическое соединение.

Процесс кристаллизации сплава в равновесных условиях будет протекать следующим образом. В точке 1 начинается кристаллизация, выпадают кристаллы , и концентрация жидкости изменяется по кривой 1— . B точке 2 при постоянной температуре образуется неустойчивое химическое соединение по уравнению, приведенному выше. По окончании реакции в избытке остается жидкость, которая кристаллизуется с выделением соединения до тех пор, пока концентрация жидкости не достигнет точки . Тогда оставшаяся жидкость кристаллизуется в эвтектику, состоящую из кристаллов и химического соединения. Следовательно, на кривой будем иметь две площадки: верхнюю, соответствующую образованию неустойчивого химического соединения, и нижнюю, соответствующую образованию эвтектики

Эвтектика (от греческого eutektos — легко плавящийся) тонкая смесь твердых веществ, одновременно начинающих кристаллизоваться из расплавов при температуре менее , отдельных компонентов или любых других их смесей (рис. Э-1). Примером эвтектики может служить, например, ледебурит.

Задача №4

К оглавлению…

Как изменяются структура и свойства стали и в результате закалки от температуры и (объясните с применением диаграммы состояния «железо-цементит»).

Решение:

Исходная структура среднеуглеродистой конструкционной стали до нагрева под закалку — перлит + феррит.

Критические точки для стали :

При нагреве до в стали не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру — перлит + феррит, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + феррит с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку. Например, после нормализации:

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше , но ниже , 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 (ниже точки ) структура стали — аустснит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали — мартенсит + феррит.

Доэвтектоидныс стали для закалки следует нагревать до температуры на выше . Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет . Структура стали при температуре нагрева под закалку — аустснит, после охлаждения со скоростью выше критической — мартенсит.

Нагрев и выдержка стали при температуре выше приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали.

Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали до нагрева под закалку — перлит + карбиды.

Критические точки для стали .

При нагреве до в стали не происходят аллотропические превращения и мы имеем ту же структуру — перлит + карбиды, быстро охлаждая (т.к. закалка), имеем также после охлаждения перлит + карбиды с теми же механическими свойствами (примерно), что и в исходном состоянии до нагрева под закалку.

Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей составляет , т.е. для . При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали .

Нагрев и выдержка стали при температуре перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки.

Задача № 5

К оглавлению…

Для детали задана определенная марка стали. Укажите состав и определите, к какой группе по назначению относится данная сталь. Назначьте и обоснуйте режим термической обработки, объяснив влияние легирования на превращения, происходящие на всех этапах обработки данной стали. Опишите микроструктуру и свойства стали после термической или химико-термической обработки.

Решение:

Данные по маркам сталей:

— Сталь конструкционная подшипниковая, содержащая

Влияние легирующих элементов на свойства стали

Хром замедляет превращение аустенита в перлит и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, поэтому, чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома применяют сталь для их изготовления.

Кроме того, высокая твердость карбидов хрома повышает износостойкость стали. Хром увеличивает устойчивость мартенсита против отпуска, уменьшает склонность стали к перегреву и придаст ей мелкозернистую структуру. Но при высоком содержании хрома трудно получить однородную структуру, поэтому содержание хрома в шарикоподшипниковых сталях обычно не превышает .

Марганец, как и хром, увеличивает твердость и сопротивляемость стали истиранию. Но одновременно он способствует росту зерна при нагреве, в результате чего при термической обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали.

Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и тещинообразованию при закалке.

Термическая обработка деталей шарикоподшипника из стали состоит из двух основных операций — закалки и низкого отпуска. Закалку проводят в масле, температура нагрева с последующим отпуском при в течение , что обеспечивает получение твердости не ниже .

Структура стали после термообработки отпущенный очень мелкоигольчатый мартенсит с равномерно распределенными избыточными карбидами, (рисунок 5.)

Несоблюдение правильных температурных режимов термической обработки, которые задаются в узких пределах, ухудшает качество подшипников, что отражается на их стойкости в работе.

Задача № 6

К оглавлению…

Расшифруйте марки заданных материалов; оцените свариваемость материала; опишите процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне. Отметьте, в чем заключается особенность технологии и техники сварки данного материала. Выберите и обоснуйте метод сварки. Рассчитайте режимы, нарисуйте разделку кромок шва, выберите оборудование для сварки и укажите основные характеристики. Выберите и опишите методы контроля сварного соединения.

Решение:

Сталь — конструкционная легированная, высококачественная; свариваемость стали — ограниченно свариваемая. Рекомендуемые способы сварки: ручная дуговая сварка и аргонно-дуговая сварка под флюсом. Химический состав стали представим в таблице 1. Таблица 1. Химический состав стали .

Дуговая сварка металла это сварка плавлением, при которой нагрев свариваемых кромок осуществляется теплом электрической дуги. Способ позволяет без замены сварочного инструмента и оборудования (при правильно выбранном сварочном режиме) выполнять швы различных типов и назначения, а также вести сварку в любом пространственном положении и в труднодоступных местах.

Устойчивый процесс сварки обеспечивается непрерывной подачей конца электрода в зону горения дуги без значительных отклонений ее длины. При длинной дуге усиливается окисление электродного металла, увеличивается разбрызгивание, снижается глубина провара, шов получается со значительными включениями оксидов. Основной объем работ выполняют при токе и напряжении дуги .

Возбуждение (зажигание) дуги 3 (рие.10) происходит при кратковременном замыкании электрической сварочной цепи, для чего сварщик прикасается к свариваемому металлу 1 концом электрода 5 и быстро отводит его на расстояние . В этот момент возникает электрическая дуга, устойчивое горение которой поддерживают поступательным движением электрода (вдоль оси) по мере его плавления. Дугу возбуждают также скользящим движением конца электрода по поверхности свариваемого металла (чирканием) с быстрым отводом его на необходимое расстояние.

В процессе сварки электрод перемещают: по направлению к изделию по мере плавления электрода; вдоль соединения; поперек соединения для получения необходимых формы и сечения шва.

Процессы, происходящие в зоне шва и околошовной зоне.

Процесс кристаллизации шва начинается сразу после отвода дуги от свариваемого участка. Застывание металла происходит в направлении, обратном отводу тепла в структуру основной поверхности, начиная от краев сварочной ванны к ее центру. Средняя скорость кристаллизации и скорость сварки равны. По границам шва формируются кристаллиты наплавляемого и основного металла, обеспечивающие монолитность строения слоев и прочность соединения.

Образование шва и околошовной зоны.

Остановка начального процесса кристаллизации происходит достаточно быстро, при остывании шва на , то есть до температуры . После его завершения в структуре металла не происходит никаких изменений до его остывания до , когда металл начинает выходить из аустенитной формы.

Затем происходит процесс вторичной кристаллизации в структуре строения шва и прилегающем к нему основном металле. Он также протекает в коротком температурном диапазоне. Структура сварного шва становится стабильной по достижении им температуры в .

Кристаллиты сварочного шва имеют столбчатое строение структуры, характерное для процесса литья металла. Этот вид кристаллизации способствует вытеснению газовых и шлаковых фракций.

Рассчитаем режимы дуговой сварки

Исходные данные:

Свариваемый материал:

Тип сварного соединения -встык

Расположение шва в пространстве — вертикальный.

Толщина свариваемых деталей: .

Стыковые соединения с толщиной свариваемых деталей выполняются с односторонней разделкой кромок.

На рисунке 9 приведем эскиз соединения

На рисунке 10 представим эскиз разделки кромок

Диаметр электрода выбираем в зависимости от толщины свариваемых деталей. При заданной толщине принимаем

Определим площадь сечения одностороннего стыкового шва выполненного без зазора можно определить по формуле:

где — ширина шва, мм; — высота усиления шва, мм; — толщина свариваемого металла, мм; — величина зазора в стыке, мм.

Площадь поперечного сечения шва найдем из расчетной схемы (рисунок 11).

Согласно ГОСТ 5264-80

При определении числа проходов следует учитывать, что сечение первого прохода не должно превышать и может быть определено по формуле:

где — площадь поперечного сечения первого прохода, ;

— диаметр электрода, мм.

Следовательно принимаем 1 проход.

Расчет сварочного тока при ручной дуговой сварке производим по диаметру электрода и допускаемой плотности тока по формуле:

где — допустимая плотность тока, — площадь поперечного сечения электрода, ; — диаметр электрода, мм.

Допустимая плотность тока зависит от диаметра электрода и вида покрытия: чем больше диаметр электрода, тем меньше допустимая плотность тока, так как ухудшаются условия охлаждения. Допустимая плотность тока в электроде при ручной дуговой сварке

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах и при проектировании технологических процессов ручной дуговой сварки не регламентируется. Поэтому напряжение на дуге принимаем .

Скорость перемещения дуги (скорость сварки) определяем по формуле:

где — коэффициент наплавки, — плотность наплавленного металла за данный проход, ( — для стали); — сила сварочного тока, — площадь поперечного сечения наплавленного металла, .

Результаты расчетов режима сварки представим в таблице 2

Выбираем оборудование для сварки. Принимаем трансформатор передвижной . Параметры трансформатора: сварочный ток , номинальное рабочее напряжение .

— сталь конструкционная легированная, высококачественная. Свариваемость без ограничений. Химический состав стали представим в таблице 3. Таблица 3. Химический состав стали

Газовая сварка конструкционной легированной стали

Низколегированные хромокремнемарганцовистые обладают хорошей прочностью, упругостью, хорошо выдерживают вибрационные нагрузки, но менее теплоустойчивы, чем хромомолибденовыс стали. Эти стали содержат и . При газовой сварке этих сталей хром и кремний частично выгорают, что может привести к появлению в сварном шве оксидов, шлаков и непроваров.

Для предупреждения окисления легирующих добавок сварку проводят нормальным пламенем. Мощность сварочного пламени выбирают из расчета расхода ацетилена на 1 мм толщины свариваемого металла.

В качестве присадочного металла для неответственные конструкций применяют низкоуглсродистую сварочную проволоку и , а для ответственных конструкций-сварочную проволоку, , , и .

Диаметр присадочной проволоки выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и способа сварки. Кромки свариваемых деталей должны быть тщательно очищены от загрязнений и подогнаны под сварку так, чтобы зазор по всей длине шва был одинаковым.

Металлургические процессы при газовой сварке

Металлургические процессы при газовой сварке характеризуются следующими особенностями: малым объемом ванны расплавленного металла; высокой температурой и концентрацией тепла в месте сварки; Большой скоростью расплавления и остывания метла; интенсивным перемешиванием металла гладкой ванны газовым потоком пламени и присадочной проволокой; химическим взаимодействием расплавленного металла с газами пламени.

Основными в сварочной ванне являются реакции окисления и восстановления. Наиболее легко окисляются магний, алюминий, обладающие большим сродством к кислоро-

Окислы этих металлов не восстанавливаются водородом и окисью углерода, поэтому при сварке металлов необходимы специальные флюсы. Окислы железа и никеля, наоборот хорошо восстанавливаются окисью углерода и водородом пламени, поэтому при газовой сварке этих металлов флюсы не нужны.

Водород способен хорошо растворятся в жидком железе. При быстром остывании сварочной ванны он может остаться в шве в виде мелких газовых пузырей. Однако газовая сварка обеспечивает более медленное охлаждение металла по сравнению, например с дуговой. Поэтому при газовой сварке углеродистой стали, весь водород успевает уйти из металла шва и последний получится плотным.

Структурные изменения в металле при газовой сварке

Вследствие более медленного нагрева зона влияния при газовой сварке больше чем при дуговой. Слои основного металла, непосредственно примыкающие к сварочной ванне непрерывны и приобретают крупнозернистую структуру.

В непосредственной близости к границе шва находится зона неполного расплавления. Основного металла с крупной структурой, характерной для не нагретого металла. В этой зоне прочность металла ниже, чем прочность металла шва, поэтому здесь обычно и происходит разрушение сварного соединения.

Далее расположен участок, нерекристализации, характеризуемый так же крупнозернистой структурой, для которого плавления металла, не выше . Последующие участки нагреваются до более низких температур и имеют мелкозернистую структуру, нормализованной стали.

Для улучшения структуры и свойств металла шва и околошовной зоны иногда применяют горячую проковку шва и местную термообработку нагревом сварочным пламенем или общую термообработку с нагревом в печи.

Расчет режимов газовой сварки

Исходные данные:

Свариваемый материал:

Тип сварного соединения -встык

Расположение шва в пространстве — потолочный.

Толщина свариваемых деталей: 20мм.

Стыковые соединения с толщиной свариваемых деталей 20мм выполняются с односторонней разделкой кромок.

На рисунке 12 приведем эскиз соединения

На рисунке 13 представим эскиз разделки кромок

Режимы газовой сварки определяют:

  • мощностью сварочного пламени
  • углом наклона присадочного материала и мундштука горелки
  • диаметром присадочного материала
  • скоростью сварки.

Мощность сварочного пламени напрямую зависит от расхода горючего газа и для ацетиленовой сварки ее приближенно можно определить по формуле:

где — мощность пламени, определяема расходом ацетилена, ; — толщина свариваемого материала, ; — коэффициент пропорциональности, величина которого зависит от вида свариваемого материала, для низкоуглеродистой стали стали , принимаем

Угол наклона мундштука сварочной горелки при толщине свариваемых листов , принимаем

Марку присадочной проволоки принимаем .

Подбираем диаметр присадочного материала в зависимости от толщины свариваемых деталей и метода наложения шва. При толщине металла более присадочный материал берут диаметром .

Принимаем диаметр присадочной проволоки принимаем равным .

Определяем скорость сварки.

где — коэффициент, зависящий от свойств материала, , — толщина свариваемого металла, .

Выбираем способ сварки

Низколегированную сталь сваривают правой сваркой, так как толщина свариваемого материала более

Результаты расчета режима сварки занесем в таблицу 4.

Оборудование для газовой сварки алюминия.

Принимаем ацетиленовый генератор — однопостовой, с одной ретортой, прерывистого принципа действия.

В качестве метода контроля сварного соединения применяем один из методов неразрушающего контроля — внешний осмотр . Внешнему осмотру подвергается сварных соединений. Осмотр выполняется невооруженным глазом или с помощью лупы, используя шаблоны и мерительный инструмент. При этом проверяются геометрические размеры швов, наличие подрезов, трещин, непроваров, кратеров и других наружных дефектов.

Задача № 7

К оглавлению…

По эскизу детали (рисунок 2) разработать эскизы элементов литейной формы, модельных плит, стержневого ящика и собранной литейной формы. Опишите последовательность изготовления формы одним из методов машинной формовки.

Решение:

Исходные данные

Разработка технологии изготовления литой заготовки

Применяем способ литья — литье в песчано-глинистые формы. Так как деталь имеет простую форму, согласно рекомендациям, принимаем класс точности отливки ряд припусков. В соответствии с ГОСТ 26645-85 это означает, что отливка 8-го класса точности размеров, 8-го класса точности массы.

Оценка технологичности конструкции детали

Заданная деталь имеет небольшие размеры и простое устройство. Это позволяет выполнить ее цельнолитой. Внешнее очертание детали простое и не требует изменений. Замкнутые внутренние полости отсутствуют. Имеющееся сквозное отверстие, выполняется при помощи стержня, имеет достаточные выходы для знаковых частей и стержень надежно фиксируется в форме.

Минимальная толщина стенки 22 мм. Эта толщина вполне обеспечивает благополучное заполнение формы жидким металлом.

Разработка модельно — литейных указаний

Определение положения отливки в форме

Для данной конструкции детали наиболее целесообразно принять положение отливки в форме, как показано на рисунке 3.

При этом варианте легко устанавливается стержень, имеется возможность его надежного закрепления и контроля всех размеров полости формы.

Определение данных для модельно-литейных указаний и чертежа отливки

Назначаем припуски на механическую обработку, допускаемые отклонения на размеры отливки, припуски на усадку. Допуски на размеры отливки, припуски на механическую обработку выбраны по ГОСТ 26645-85 по 8-му классу точности размеров и 4-му ряду припусков на механическую обработку и литья в песчаные формы отливок, максимальный размер которых менее .

Припуски назначаются на поверхности, подвергаемые механической обработке, и отмеченные на чертеже значком . Значение линейной усадки металла принимаем .

Результаты определения размеров отливки, модели, стержня сведены в табл. 1.

Формовочные уклоны и галтели

Формовочные уклоны на моделях выполняются согласно ГОСТ 3212-80. Для размера модели — уклон .. Этот уклон выполняется в сторону увеличения размера отливки.

Определение радиуса закругления (галтели)

Толщина сопрягаемых стенок . При этом радиус галтели засчитываем по соотношению:
Результаты определения размеров отливки, модели, стержня

Принимаем радиус галтелей из стандартного ряда. По ГОСТ 2716-44 .

Определение количества стержней, стержневых знаков и их конфигурации

Имеющаяся внутренняя полость отливки может быть выполнена при помощи одного стержня, по положению в форме он будет горизонтальным.

Размеры и уклоны знаковых частей стержней определяем по ГОСТ 3606-80. Размеры и являются исходными для выбора высоты знака. В соответствии с ГОСТЗ6О6-8О . Формовочный уклон знака составит , .

Боковой зазор между знаком формы и стержнем для модельного комплекта II класса точности из дерева согласно рекомендациям . зазор по высоте согласно этой же таблице .
Эскиз стержня с расчетными размерами показан на рис. 4.

Эскиз стержневого ящика представим на рисунке 5.

На основании расчетов и данных, выбранных по таблицам, выполняем эскиз детали с модельно-литейными указаниями (рис.6) и на его основе составляем эскиз отливки, который изображен на рис. 7.

Расчет элементов литниковой системы

Для расчета литниковой системы необходимо определить массу жидкого металла, заливаемого в форму.

Объем полости формы определяем по размеру модели и стержня. Для упрощения расчета принимаем, что полость формы состоит из двух пустотелых цилиндров. На рис. 10 дан упрощенный эскиз полости формы

где — общий объем полости формы; — объемы пустотелых цилиндров. Объем первого пустотелого цилиндра

Объем второго пустотелого цилиндра

Объем третьего пустотелого цилиндра

Таким образом,

Принимая удельную массу жидкой стали , вычисляем массу жидкого металла в форме:

Определим суммарное сечение питателей:

где — масса заливаемого в форму металла, кг; — коэффициент расхода (общее гидравлическое сопротивление формы движущемуся расплаву); — объемная масса жидкого металла, — ускорение свободного падения — расчетный напор, см.

согласно рекомендациям, принимаем количество питателей:2
Тогда площадь питателя

Руководствуясь ориентировочными соотношениями частей литниковой системы

Площадь поперечного сечения стояка

Площадь поперечного сечения шлакоуловителя,

Определим диаметры элементов литниковой системы.

Площадь поперечного сечсния питателя принимаем трапециевидной формы. Параметры питателя:

Площадь поперечного сечения шлакоуловителя принимаем трапециевидной формы. Принимаем параметры шлакоуловителя. Так как площадь поперечного сечения шлакоуловителя равна , тогда

Принимаем поперечное сечение стояка — круглое.

Определим диаметр стояка в нижнем сечении

Диаметр верхнего сечения стояка:

Принимаем 30мм.

Выбор размеров опок, составление эскиза формы

Для изготовления формы выбираем опоки прямоугольного сечения. На рис. 11 показана схема расположения отливки в форме, где — длина, — ширина опоки.

Определяем длину опоки. Согласно рекомендациям

Ширина опоки

Выбираем стандартные длину и ширину:

Высота нижней опоки

Высота верхней опоки

Ближайшая стандартная высота 175 мм. Согласно ГОСТ 2133-75 принимаем нижнюю опоку высотой 175 мм,

Таким образом, для производства литой заготовки — опора должны быть использованы опоки следующих стандартных размеров: верхняя опока и нижняя опока .

Процесс изготовления форм в парных опоках на машинах идет следующим образом:

  • Формовочная смесь транспортным средством (ленточным конвейером, электротсль-фером с бадьей) подастся в бункер, установленный над машиной.
  • Пустые верхние и нижние опоки с места выбивки форм подаются к машинам по рольгангам. Как правило, нижнюю полуформу изготовляют на одной машине, а верхнюю на другой. На модель с модельной плитой, закрепленную на столе машины, устанавливают опоку.
  • С помощью дозатора опоку заполняют смесью из бункера. Смесь уплотняют. Готовую полуформу снимают с машины и подают на приемное устройство (рольганг), где полуформу отделывают (устраняют дефекты, делают вентиляционные каналы, наносят покрытие) и транспортируют на сборку.

Если форма должна быть высушена, то ее помещают в сушило, после остывания отправляют на сборку.

В массовом производстве легких отливок иногда применяют безопочную формовку, а точнее безопочную заливку, т.к. формовку осуществляют в специальных опоках, которые после изготовления формы снимают. Способ позволяет значительно сократить парк опок и облегчить выбивку отливок.

Задача № 8

К оглавлению…

Опишите микроструктуру и свойства отливок из ковкого чугуна. Приведите примеры маркировки ковкого чугуна по Государственному стандарту. Изложите технологические особенности получения отливок из ковкого чугуна и укажите области их применения.

Решение:

Основной особенностью микроструктуры ковкого чугуна (КЧ), определяющей его свойства, является наличие компактных включений графита, что придаст чугуну высокую прочность и пластичность.

Обсзуглероженный КЧ является единственным конструкционным чугуном, который хорошо сваривается и может быть использован для получения сварноли-тых конструкций.

Детали можно соединять дуговой сваркой в среде защитного газа и стыковой сваркой с оплавлением. Ковкий чугун хорошо поддастся запрессовке, расчеканке и легко заполняет зазоры. Отливки из ферритного КЧ можно подвергать холодной правке, а из перлитного — правке в горячем состоянии.

Применяемый в промышленности ковкий чугун получается в результате графитизи-рующего отжига белого чугуна. Матрица ковкого чугуна может быть, как ферритной, так и перлитной. Основные преимущества ковкого чугуна заключаются в однородности его свойств по сечению, практическом отсутствии напряжений в отливках, высоких механических свойствах и очень хорошей обрабатываемости резанием.

Механические свойства ковкого чугуна регламентируются ГОСТ 1215-79 (табл. 1). В основу маркировки и стандартизации ковкого чугуна положен принцип регламентирования допустимых значений механических свойств при растяжении и Так же, как в сером и высокопрочном, в ковком чугуне твердость зависит главным образом от матрицы, а прочность и пластичность — от матрицы и графита.

В отличие от чугуна с шаровидным графитом, большое влияние оказывает не только форма, но и количество графита. В связи с этим максимальной прочности можно достичь при дисперсном перлите и малом количестве наиболее компактного графита, а наибольшей пластичности — при феррите и таком же графите.

Кроме свойств, обусловленных ГОСТом, в некоторых случаях представляют интерес и другие свойства, приведенные в табл. 2-4

Влияние химического состава на механические свойства ковкого чугуна проявляется в изменении структуры металла и степени легированности феррита и перлита.

Углерод в ковком чугуне является главным элементом, изменение содержания которого непосредственно определяет механические свойства. Чем выше марка ковкого чугуна, тем ниже должно быть содержание углерода, так как при этом не только уменьшаются количество графита и его размеры, но и улучшается его форма.

Основные физические свойства ковкого чугуна различных типов приведены в табл.5.

Влияние кремния на свойства ковкого чугуна в целом подобно рассмотренному выше его влиянию на свойства чугуна с шаровидным графитом. Повышение содержания кремния в допускаемых пределах увеличивает предел прочности и твердость и понижает коэффициент температурного расширения вследствие легирования феррита.

Марганец сверх количества, необходимого для связывания серы, оказывая тормозящее влияние на графитизацию и легируя феррит, снижает пластичность ковкого чугуна и повышает при этом прочность и твердость.

Сера, способствуя перлитизации структуры, повышает прочность и твердость ковкого чугуна. В КЧ сера, препятствуя ферритизации структуры, улучшает форму графита. Более совершенная форма графита при повышенном содержании серы делает перлитный ковкий чугун с отношением серы к марганцу в пределах 1,0-2,0 благоприятным конструкционным материалом.

Допустимое содержание фосфора в ковком чугуне обычно принимается до . При повышении содержания фосфора в ковком чугуне механические свойства изменяются подобно механическим свойствам чугуна с шаровидным графитом. Понижение содержания фосфора вызывает смещение порога хрупкости ковкого чугуна в сторону отрицательных температур.

Действие большинства легирующих элементов на механические свойства ковкого чугуна в целом подобно рассмотренному ранее легированию серого чугуна. При этом следует, конечно же, иметь в виду, что технология производства ковкого чугуна предусматривает отжиг.

Маркировка ковких чугунов

По рекомендации ГОСТ 1215—79 маркировка ковкого чугуна содержит первые буквы его названия — КЧ. Следующие за ними две цифры отражают временное сопротивление, иными словами, сопротивление разрушению и деформации — КЧЗО. Третья относится к относительному удлинению — величине пластической деформации материала при растяжении, и обозначается в процентах — КЧЗО-6.

Кроме того, марки ковкого чугуна имеют градацию в зависимости от структуры. Так, к классу ферритных или ферритно-перлитных относятся марки КЧ 30-6; КЧ 33-8; КЧ 35-10; КЧ 37-12. Перлитная структура представлена в ковких чугунах марок: КЧ 45-7; КЧ 50-5; КЧ 55-4; КЧ 60-3; КЧ 65-3; КЧ 70-2; КЧ 80-1,5.

ГОСТ 26358 регламентирует механические свойства марок ковкого чугуна: временное сопротивление разрыву, твердость по Бринеллю , относительное удлинение. Разрешено отклонение только в величине пластической деформации не более , и то лишь по согласованию с потребителем.

Получение ковкого чугуна

Белый чугун в литом виде вследствие своей высокой твердости и хрупкости не находит широкого применения. Изделия из белого чугуна являются исходным продуктом для получения ковкого чугуна с помощью термической обработки.

Для этой цели используют белый чугун, который содержит и

Исходная структура белого чугуна — перлит и ледебурит. Структура ледебурита встречается во всех белых чугунах, т.е. в железоуглеродистых сплавах с содержанием углерода более , который присутствует в сплаве в форме цементита.

Ледебурит при комнатной температуре представляет механическую смесь перлита и цементита.

Отжиг на ковкий чугун производят в нейтральной среде ( или ) для защиты от обезуглероживания и окисления, в специально предназначенных для этой цели печах непрерывного действия.

Детали укладывают на специальные поддоны, которые размещаются на роликовом поде. Поддоны проталкиваются с определенной скоростью по роликам. Длина камер нагрева первой и второй стадии отжига назначается с таким расчетом, чтобы детали находились в камерах необходимое для данной температуры время. Отжиг на ковкий чугун производится по режиму, показанному на рис. 1.

Первая стадия отжига преследует цель разложения цементита, входящего в состав ледебурита; в перлите цементит сохраняется.

Вторая стадия отжига преследует цель разложения цементита, входящего в состав перлита.

В результате прохождения только одной стадии отжига получают ковкий чугун со структурой псрлит+фсррит+углсрод отжига.

Такой чугун называют перлитным (перлитно-ферритным, рис. 2, а)

Он обладает хорошими прочностными свойствами, но невысокой пластичностью. Чугун с такой структурой используется в деталях, работающих на изгиб и трение.

Для повышения прочности чугун можно подвергать закалке и высокому отпуску, что улучшает его механические свойства.

После полного цикла отжига структура чугуна состоит из феррита и углерода отжига, т.е. образуется ферритный ковкий чугун фис. 2, б).

Применяют и другой способ получения ковкого чугуна

Нагрев изделий производится в окислительной среде, вследствие чего происходит выгорание углерода с поверхности, вызывающее снижение твердости и некоторое повышение пластических свойств, а также улучшение обрабатываемости.

В центре такой чугун сохраняет структуру белого чугуна. Полученный этим методом чугун называют белоссрдечным в отличие от черноссрдечного, получаемого при отжиге в нейтральной среде по вышеописанному способу.

При таком способе детали из белого чугуна загружают в ящики, пересыпают окалиной или рудой и нагревают в обычных камерных печах.

Отжиг ковкого чугуна является весьма длительной операцией. В настоящее время разработано много способов ускоренного отжига ковкого чугуна — предварительная закалка, отжиг в расплавленных солях при очень высоких температурах и др.

Все эти мероприятия сокращают длительность отжига на ковкий чугун. При плавке в вагранках обычно получают серый чугун, содержащий более углерода. Поэтому чугун с более низким содержанием углерода обычно получают последовательной плавкой в двух печах: вагранке и электропечи.

Шихтовые материалы сначала расплавляют в вагранке, а получаемый из нее расплав сливают в электрическую дуговую печь, где он дополнительно разогревается и доводится до требуемого химического состава. Таким путем удается получить чугун с более низким содержанием углерода и кремния.

На рис.3 показана схема трехфазной дуговой электропечи для получения ковкого чугуна. Через свод в полость печи входят три графитовых электрода 1, которым подводится от трансформатора трехфазный электрический ток. Между электродами и ванной расплава образуется электрическая дуга, служащая источником тепла.

Подина печи 4 опирается на специальное устройство, благодаря чему печь может поворачиваться для слива расплава в разливочные ковши. Свод печи 2 съемный, что облегчает ее ремонт. Движение электрода вверх и вниз осуществляется автоматически в зависимости от электросопротивления дуги. При увеличении расстояния от поверхности расплава до конца электрода сопротивление дуги увеличивается и привод опускает электрод; при уменьшении сопротивления дуги электрод поднимается.

Процесс доводки расплава по химическому составу в такой печи протекает непрерывно. Расплав из вагранки заливается в печь через заливочное окно 3 и после доводки химического состава его сливают в ковши через окно 5 для транспортировки к местам заливки литейных форм. Полученные отливки подвергаются отжигу и называются отливками из ковкого чугуна.

Применение ковкого чугуна

Отливки из ковкого чугуна широко используются во многих отраслях промышленности для широкого спектра номенклатуры деталей ответственного назначения: автомобилестроение, тракторное и сельскохозяйственной машиностроение, вагоностроение, судостроение, электропромышленность, станкостроение, санитарно-техническое и строительное оборудование, тяжелое машиностроение и пр. При этом масса отливок может быть от нескольких граммов до , минимальная толщина стснок отливки , максимальная для обезуглероженного чугуна , для графитизированного , а в отдельных случаях до . Кстати готовые на продажу задачи тут, и там же теория из учебников может быть вам поможет она.

Можно с уверенностью утверждать, что, обладая механическими свойствами, близкими к литой стали и ЧШГ, высоким сопротивлением ударным нагрузкам при комнатной и низких температурах, износостойкостью, лучшей, чем ЧШГ, обрабатываемостью резанием и свариваемостью, КЧ сохранит в ближайшие годы свое применение, особенно для мелких отливок, сварных конструкций, несмотря на склонность к образованию трещин и энергоемкость получения готовых отливок.

Отливки из ковкого чугуна применяют для деталей, работающих при ударных и вибрационных нагрузках. Из ферритных чугунов изготавливают картеры редукторов, ступицы, крюки, скобы, хомутики, муфты, фланцы.

Из перлитных чугунов, характеризующихся высокой прочностью, достаточной пластичностью, изготавливают вилки карданных валов, звенья и ролики цепей конвейера, тормозные колодки.