Задачи по материаловедению

На этой странице я собрала задачи с решением по всем темам материаловедения, надеюсь они вам помогут.

Если что-то непонятно, Вы всегда можете написать мне в воцап и я помогу!

Задача № 1

К оглавлению…

Механизм и физическая сущность процесса кристаллизации.

Решение:

Любое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Возможен переход из одного состояния в другое, если новое состояние в новых условиях является более устойчивым, обладает меньшим запасом энергии.

С изменением внешних условий свободная энергия изменяется по сложному закону различно для жидкого и кристаллического состояний. Характер изменения свободной энергии жидкого и твердого состояний с изменением температуры показан на рисунке 1.

задачи по материаловедению

В соответствии с этой схемой выше температуры задачи по материаловедению вещество должно находиться в жидком состоянии, а ниже задачи по материаловедению — в твердом.

При температуре равной задачи по материаловедению жидкая и твердая фаза обладают одинаковой энергией, металл в обоих состояниях находится в равновесии, поэтому две фазы могут существовать одновременно бесконечно долго. Температура задачи по материаловедению — равновесная или теоретическая температура кристаллизации.

Для начала процесса кристаллизации необходимо, чтобы процесс был термодинамически выгоден системе и сопровождался уменьшением свободной энергии системы. Это возможно при охлаждении жидкости ниже температуры задачи по материаловедению. Температура, при которой практически начинается кристаллизация называется фактической температурой кристаллизации. Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением, которое характеризуется степенью переохлаждения задачи по материаловедению:

задачи по материаловедению

Степень переохлаждения зависит от природы металла, от степени его загрязненности (чем чище металл, тем больше степень переохлаждения), от скорости охлаждения (чем выше скорость охлаждения, тем больше степень переохлаждени).

При нагреве всех кристаллических тел наблюдается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое. Такая же граница существует при переходе из жидкого состояния в твердое.

Кристаллизация — это процесс образования участков кристаллической решетки в жидкой фазе и рост кристаллов из образовавшихся центров.

Процесс перехода металла из жидкого состояния в кристаллическое можно изобразить кривыми в координатах время — температура. Кривая охлаждения чистого металла представлена на рисунке 2.

задачи по материаловедению

задачи по материаловедению — теоретическая температура кристаллизации;

задачи по материаловедению — фактическая температура кристаллизации.

Процесс кристаллизации чистого металла:

До точки 1 охлаждается металл в жидком состоянии, процесс сопровождается плавным понижением температуры. На участке 1 — 2 идет процесс кристаллизации, сопровождающийся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой кристаллизации. Оно компенсирует рассеивание теплоты в пространство, и поэтому температура остается постоянной. После окончания кристаллизации в точке 2 температура снова начинает снижаться, металл охлаждается в твердом состоянии.

Механизм кристаллизации металлов:

При соответствующем понижении температуры в жидком металле начинают образовываться кристаллики — центры кристаллизации или зародыши. Для начала их роста необходимо уменьшение свободной энергии металла, в противном случае зародыш растворяется.

задачи по материаловедению

Центры кристаллизации образуются в исходной фазе независимо друг от друга в случайных местах. Сначала кристаллы имеют правильную форму, но по мере столкновения и срастания с другими кристаллами форма нарушается. Рост продолжается в направлениях, где есть свободный доступ питающей среды. После окончания кристаллизации имеем поликристаллическое тело.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из образования центров кристаллизации и роста кристаллов из этих центров.

В свою очередь, число центров кристаллизации (ч.ц.) и скорость роста кристаллов (с.р.) зависят от степени переохлаждения (рисунок 4).

задачи по материаловедению

Размеры образовавшихся кристаллов зависят от соотношения числа образовавшихся центров кристаллизации и скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации. При равновесной температуре кристаллизации задачи по материаловедению число образовавшихся центров кристаллизации и скорость их роста равняются нулю, поэтому процесса кристаллизации не происходит.

Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей т. задачи по материаловедению то образуются крупные зерна (число образовавшихся центров небольшое, а скорость роста — большая).

При переохлаждении до температуры соответствующей т. задачи по материаловедению — мелкое зерно (образуется большое число центров кристаллизации, а скорость их роста небольшая).

Если металл очень сильно переохладить, то число центров и скорость роста кристаллов равны нулю, жидкость не кристаллизуется, образуется аморфное тело. Для металлов, обладающих малой склонностью к переохлаждению, экспериментально обнаруживаются только восходящие ветви кривых.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Предмет материаловедение

Задача № 2

К оглавлению…

Вычертите диаграмму состояния задачи по материаловедению, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения в интервале температур от задачи по материаловедению до задачи по материаловедению (с применением правила фаз) для сплава определенной концентрации. Для этого же сплава определите по правилу отрезков при заданной температуре: процентное содержание углерода в фазах, количественное соотношение фаз.

Решение:

Данные по концентрации углерода в сплаве и по температуре:

задачи по материаловедению

Сплав, содержащий задачи по материаловедению — доэвтектоидная сталь.

Указанный сплав содержит задачи по материаловедению углерода и отмечен вертикальной линией, на диаграмме железо-цементит.

Кривую охлаждения сплава, содержащего задачи по материаловедению представим на рисунке 5.

Опишем процессы, происходящие при охлаждении сплава.

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

Правило фаз: задачи по материаловедению

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

Правило фаз. задачи по материаловедению

В точке 2 происходит перитектическая реакция задачи по материаловедению (участок задачи по материаловедению),

задачи по материаловедению

От точки 2′ до точки 3 сплав находится в состоянии двух фаз задачи по материаловедению

В точках от 3 до 4 сплав имеет однофазную Аустснитную (А) структуру. задачи по материаловедению

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

В точке 5 происходит эвтектоидное превращение, при котором Аустснит распадается на Перлит (П) — механическую смесь Феррита и Цементита задачи по материаловедению в результате при комнатной температуре сплав имеет структуру Перлита и избыточного Феррита (участок задачи по материаловедению). задачи по материаловедению

Ниже точки 5 сплав имеет двухфазную структуру, которая охлаждается без каких-либо изменений и без выделения скрытой теплоты. задачи по материаловедению

Выберем температуру задачи по материаловедению в двухфазной зоне задачи по материаловедению и посредством правила отрезков определим количество данных фаз и содержание в них углерода. Через точку задачи по материаловедению проведем горизонтальную линию до встречи с основными линиями диаграммы.

Количество жидкости задачи по материаловедению определяется как отношение задачи по материаловедению задачи по материаловедению

задачи по материаловедению

Количество феррита задачи по материаловедению определяется как: задачи по материаловедению

Состав жидкости: задачи по материаловедению Состав феррита задачи по материаловедению

задачи по материаловедению

Возможно эта страница вам будет полезна:

Решение задач по материаловедению

Задача № 3

К оглавлению…

Требуется произвести поверхностное упрочнение изделий из стали 20. Назначьте вид обработки, опишите технологию, происходящие в стали превращения, структуру и свойства.

Решение:

Сталь 20-конструкционная углеродистая качественная. Содержит задачи по материаловедению.

Для получения необходимого комплекса эксплуатационных свойств сталь 20 подвергают цементации, закалке и последующему низкому отпуску.

Так как сталь 20 является малоуглеродистой, т.е. содержит задачи по материаловедению закалку она не воспринимает, однако, она подвергается упрочняющей химико-термической обработке-цементации. Цементация проводится при нагреве на задачи по материаловедению в специальных цементационных печах.

Цементация — это поверхностное диффузионное насыщение малоуглеродистой стали углеродом с целью повышения твердости, износоустойчивости. Насыщение поверхности углеродом идет со скоростью задачи по материаловедению

Вид применяемой цементации для стали 20 — цементация в газовом карбюризаторе. Этот процесс осуществляют в среде газов, содержащих углерод.

В случае с газовой цементацией можно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса, так как отпадает необходимость прогрева ящиков, наполненных малотсплопроводным карбюризатором; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов, и значительно упрощается последующая термическая обработка деталей, так как последующую закалку можно проводить непосредственно из цементационной печи.

Микроструктуру цементованного слоя представим на рисунке 6. На поверхности изделия образуется слой заэвтектоидной стали, состоящий из перлита и цементита. По мерс удаления от поверхности, содержание углерода снижается и следующая зона состоит только из перлита. Затем появляются зерна феррита, их количество, по мере удаления от поверхности увеличивается. И, наконец, структура становится отвечающей исходному составу.

задачи по материаловедению
задачи по материаловедению

Для гарантированного получения мелкоигольчатого мартенсита детали после цементации охлаждают до температуры ниже температуры задачи по материаловедению, а затем нагревают под закалку до температуры задачи по материаловедению. Температуру нагрева под закалку выбирают для цементованного слоя. Температура Асздля данной стали составляет задачи по материаловедению. Закалку для стали 20 производят в воде.

Охлаждение в воде заготовок обеспечивает скорость охлаждения цементованного слоя выше критической. Структура поверхностного слоя после закалки — мартенсит, структура сердцевины зависит от размеров детали. Для небольших изделий получаем сквозную прокаливасмость.

Структура мартенсит по всему сечению. С увеличением размеров изделия от поверхности к сердцевине получаем мартенсит —* троостит —* сорбит —* перлит + феррит. Низкий отпуск проводим при температуре задачи по материаловедению. Более высокие температуры применять не следует, так как это приводит к снижению твердости, статической и усталостной прочности, износостойкости цементовано-закаленных изделий.

Охлаждение после отпуска на воздухе. Структура поверхностного слоя — отпущенный мартенсит. С увеличением размеров изделия от поверхности к сердцевине получаем отпущенный мартенсит троостит * сорбит ~~* перлит + феррит.

Твердость поверхности готового изделия задачи по материаловедению. Механические свойства в сердцевине готового изделия задачи по материаловедениюзадачи по материаловедению

Возможно эта страница вам будет полезна:

Примеры решения задач по материаловедению

Задача № 4

К оглавлению…

Коррозионно-стойкий подшипник изготовлен из стали задачи по материаловедению. Расшифруйте состав, укажите к какому классу относится сталь. Опишите режим упрочнения и объясните природу упрочнения.

Решение:

Сталь задачи по материаловедению-Сталь коррозионно-стойкая обыкновенная, содержащая задачи по материаловедению

Сталь является высокоуглеродистой, высоколегированной, качественной, принадлежит к мартенситному классу.

Шарикоподшипниковые стали подвержены воздействию высоких нагрузок переменного характера. Основными требованиями являются высокая износостойкость, прочность, предел выносливости, отсутствие концентраторов напряжений, неметаллических включений, а также их размерная стабильность.

Для обеспечения работоспособности основных деталей подшипников, работающих в условиях высоких контактных напряжений и изнашивания, материал должен иметь повышенную прочность, структурную однородность и твердость

Для обеспечения заданных свойств, изделия из этих сталей закаливают, обрабатывают холодом и однократно отпускают.

Для нагрева под закалку используют соляные ванны и печи с защитной атмосферой, в качестве закалочной среды используют масло. Недостатки такой ТО: а) применение соляных ванн и печей с защитной атмосферой не даст полной гарантии отсутствия окисления; б) возможно перераспределение легирующих элементов в поверхностном слое из-за их внутреннего окисления; в) необходимость тщательной очистки изделий после термической обработки.

Режимы термообработки:

Закалка задачи по материаловедению масло или воздух. Обработка холодом задачи по материаловедению Отпуск задачи по материаловедениюзадачи по материаловедению воздух

В результате данной термообработки сталь имеет следующие свойства задачи по материаловедению свыше задачи по материаловедению

Задача № 5

К оглавлению…

Для изготовления деталей выбран сплав задачи по материаловедению. Расшифруйте состав, опишите способ упрочнения сплава и объясните природу упрочнения. Укажите характеристики механических свойств сплава.

Сплав задачи по материаловедению (другое обозначение 1110) является алюминиевым деформируемым сплавом, применяемым для лопастей винтов, узлов креплений, строительных конструкций и др.

задачи по материаловедению

Примечание: задачи по материаловедению — основа; процентное содержание задачи по материаловедению дано приблизительно. Титан + Цирконий до задачи по материаловедению

задачи по материаловедению

Сплав задачи по материаловедению — относится к системе задачи по материаловедению Он упрочняется термической обработкой. Сплав хорошо обрабатывается в холодном и горячем состояниях. Температурный интервал горячей деформации задачи по материаловедению Охлаждение после горячей деформации на воздухе. Прессованные профили имеют пониженную коррозионную стойкость. Сплав хорошо сваривается точечной сваркой. Профили из сплава задачи по материаловедению могут поставляться в закаленном и естественно состаренном, а так же в отожженном состояниях.

Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до температуры выше линии солидус.

Выдержка должна быть такой, чтобы обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно. Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени начинает распадаться. Процесс распада называется старением.

Процесс распада твердого раствора можно разбить на 4 стадии:

  • В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной формы;
  • Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами Гиньс-Престона (ГП);
  • На месте этих зон образуются задачи по материаловедению — фазы. В зонах, обогащенных медью, образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и упрочняющей фазой;
  • Образуется задачи по материаловедению — фаза.

Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки, т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается.

На 4 стадии происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше, прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют псрестариванием. Если требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3 стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.

Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур.

Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее выделений.

Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур, близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением. Такой отжиг называют отжигом на возврат.

Тсрмомеханическая обработка алюминиевых сплавов:

Для алюминиевых сплавов можно применять практически всс виды т.м.о. Однако чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Методические указания по материаловедению

Задача № 6

К оглавлению…

Изложить технологический процесс изготовления фасонных отливок в оболочковых формах. Указать технико-экономические преимущества литья в оболочковые формы и привести примеры его применения.

Решение:

Способ литья в оболочковые формы основан на получении разовых полуформ и стержней в виде оболочек толщиной задачи по материаловедению Их изготавливают путем отверждения на металлической оснастке слоя смеси, в которой связующее вещество при нагреве вначале расплавляется, а затем затвердевает (необратимо), придавая оболочке высокую прочность.

Технология литья в оболочковые формы включает ряд операций, выполнение которых при литье данным способом имеет ярко выраженные особенности. К ним относятся: приготовление специальной песчано-смоляной смеси; формирование на модельной оснастке тонкостенных оболочковых форм и стержней; сборка форм и их подготовка к заливке. Для приготовления оболочковых форм выпускают специальное связующее, представляющее собой смеси фенолформальдегидной смолы с катализатором отверждения смолы, вводимым в количестве задачи по материаловедению

Предварительное формирование оболочки наиболее часто производят, используя поворотный бункер 1, в который засыпают песчано-смоляную смесь 2 (рис. 7, а). На верхнюю часть бункера, снабженную кольцевым каналом 3 для подачи охлаждающей воды, устанавливают моделями вниз и закрепляют нагретую до задачи по материаловедению металлическую модельную плиту 4. На ней закреплена с помощью четырех направляющих колонок 5 плита 6 толкателей

Толкатели, равномерно распределенные по всей плите, выходят на рабочую поверхность, как модели, так и модельной плиты. Их фиксируют специальными хвостовиками в гнездах плиты 6 и закрепляют в ней прижимной плитой 8. Модельная плита с выталкивающим устройством помещена в корпус 9. Для фиксации плиты толкателей в исходном положении на направляющих колоннах 5 установлены пружины 10.

задачи по материаловедению

Для предварительного формирования оболочки бункер 1, снабженный цапфами 11 и поворотным механизмом, поворачивают на 1800, и формовочный материал падает на горячую модельную плиту (рис.7, б), уплотняясь под действием гравитационных сил. В прилегающем к плите слое смеси смола плавится (при температуре задачи по материаловедению), смачивая зерна песка, а затем начинает полимсризоваться, загустевая и отвсрждаясь по мере прогрева до более высокой температуры. За задачи по материаловедению выдержки смола успевает оплавиться в слое толщиной около задачи по материаловедению

Слой остается на модельной плите после поворота бункера в исходное положение (рис.7, в) и сброса на дно бункера не прореагировавшей, сохранившей свои начальные свойства и пригодной для последующего использования части смеси.

Теперь модельную плиту со сформированной оболочковой полуформой снимают с бункера (рис.7, г) и подают в печь 12 (рис.7, д), где при температуре задачи по материаловедению за задачи по материаловедению заканчивается полимеризация, и смола приобретает высокую технологическую прочность.

Затем готовую оболочковую полуформу снимают с модельной плиты (рис.7, е) и соединяют с другой полуформой (например, склеиванием) на специальном пневмопрессе (рис.7, ж). Для исключения прорыва расплава, формы с вертикальным разъемом обычно заформовывают (рис.7, з) в опорный наполнитель (песок, дробь и т.п.). Формы небольшой высоты с горизонтальным разъемом в большинстве случаев не заформовывают и заливают на поддонах с песчаной постелью.

В оболочковые формы получают отливки практически из любых промышленных сплавов массой до задачи по материаловедению Преимущества литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые разовые формы заключаются в следующем:

  • уменьшение параметров шероховатости поверхности и существенное улучшение внешнего товарного вида отливок;
  • возможность получения отливок с тонким и сложным рельефом, а также толстостенных отливок с литыми каналами малых сечений;
  • уменьшение трудоемкости ряда операций технологического процесса (приготовление смеси, изготовление формы, очистка отливок и пр.);
  • сокращение в 8-10 раз и более объема переработки и транспортирования формовочных материалов;
  • уменьшение металлоемкости формовочного оборудования.

Кроме того, для литья в оболочковые формы характерна меньшая жесткость оболочки, что следует рассматривать как достоинство метода в сравнении с методами литья в кокиль.

Основные недостатки метода литья в оболочковые формы:

  • относительно высокая стоимость смоляного связующего;
  • сложность модельной и стержневой оснастки;
  • повышенное выделение вредных химических веществ в ходе термического разложения смоляного связующего;
  • недостаточная прочность оболочек при получении тяжелых отливок;
  • склонность к появлению некоторых специфических видов дефектов, сопровождающих низкую
  • газопроницаемость литейной формы

Возможно эта страница вам будет полезна:

Учебник по материаловедению

Задача № 7

К оглавлению…

Характер изменения структуры и механических свойств металла при горячей обработке давлением. Укажите наиболее рациональное направление волокон на эскизе продольного сечения кованого (штампованного) коленчатого вала трактора или автомобиля.

Решение:

Обработка давлением основана на способности некоторых металлов и сплавов пластически деформироваться, т. е. под действием нагрузок изменять внешнюю форму и сохранять измененную форму после того, как нагрузки перестают действовать.

Хрупкие металлы и сплавы обрабатывать давлением нельзя, так как они не обладают достаточной пластичностью. Например, чугун как в холодном, так и в нагретом состоянии под давлением разрушается, не изменяя внешней формы, и потому для обработки давлением непригоден.

Некоторые металлы и сплавы, недостаточно пластичные при обычной температуре, при высоком нагреве обладают пластической деформацией и могут быть обработаны давлением. К числу таких сплавов относится сталь.

При пластической деформации изменяется не только внешняя форма металлов, но и внутреннее их строение, а следовательно, и свойства.

задачи по материаловедению

Из рисунка 8 видно, как изменяются механические свойства отожженной стали в зависимости от температуры при нагревании.

Кривая задачи по материаловедению показывает, что прочность стали при нагревании до задачи по материаловедению повышается, а при дальнейшем нагревании резко снижается. Показатели пластичности задачи по материаловедению и задачи по материаловедению, наоборот, при нагревании стали до задачи по материаловедению понижаются, а при дальнейшем повышении температуры сильно возрастают, что и требуется для обработки давлением.

Из сказанного следует, какое значение при горячей обработке давлением имеет правильное определение температуры нагрева металлов. Однако для успешных результатов обработки требуется соблюдать и другие условия нагрева.

В технике часто используют холодную обработку давлением без нагрева металлов и сплавов: прокатку, штамповку, волочение в холодном состоянии или с нагревом до температуры ниже температуры рекристаллизации.

При холодной обработке давлением также изменяются механические и другие свойства металлов и сплавов.

На рисунке 9 показаны кривые изменения механических свойств низкоуглеродистой стали задачи по материаловедению при холодной прокатке. В результате этого процесса увеличиваются прочность и твердость стали, пластичность, наоборот, уменьшается.

Физико-механические свойства стали при холодной обработке давлением изменяются: уменьшаются электропроводность и сопротивление коррозии.

Изменение свойств металлов, вызванное деформацией в холодном состоянии, называется наклепом, или нагартовкой.

задачи по материаловедению

Состояние наклепа объясняется изменением нормальной кристаллической решетки, т. е. сдвигами ее частиц под влиянием внешних воздействий.

Холодной обработке давлением подвергают листовые и полосовые заготовки из низкоуглеродистой стали, из цветных металлов и сплавов. Часто наклеп сообщают проволоке, применяемой для пружин.

Преимущества холодной обработки давлением — чистая поверхность и высокая точность изделий.

Если изменение свойств металла под влиянием холодной обработки нежелательно, наклеп может быть устранен путем нагревания изделий.

Уже при невысокой температуре (для стали задачи по материаловедению) измененная холодной обработкой кристаллическая решетка частично восстанавливается, и в наклепанном слое понижается прочность и твердость, возрастает пластичность. Эти явления называются возвратом.

При более высоком нагреве происходит рекристаллизация, т. е. образование новых зерен взамен деформированных, частичное восстановление структуры металла и возвращение первоначальных свойств.

Установлено, что наименьшая температура для рекристаллизации железа задачи по материаловедению, меди задачи по материаловедению, алюминия и магния задачи по материаловедению, вольфрама задачи по материаловедению.

Легкоплавкие металлы — олово, цинк, кадмий и другие — имеют низкую температуру рекристаллизации. Например, температура начала рекристаллизации у цинка задачи по материаловедению, свинца задачи по материаловедению и т. п. Поэтому у таких металлов при обычной температуре явлений наклепа при холодной обработке давлением не возникает.

Температура рекристаллизации не является постоянной для каждого металла и зависит: от степени деформации (чем больше деформация, тем нагревание должно быть выше); от времени выдержки (чем выдержка при температуре рекристаллизации продолжительнее, тем легче протекает процесс рекристаллизации);

от величины зерна (для крупнозернистого металла температура должна быть выше, чем для мелкозернистого).

Сталь обрабатывают давлением преимущественно в нагретом состоянии. Температура, при которой производят горячую обработку стали, значительно превышает температуру ее рекристаллизации, поэтому наклеп, образующийся при обработке, уничтожается вследствие рекристаллизации, и горячекатаная сталь наклепа не получает.

задачи по материаловедению

При выборе температуры нагрева для горячей обработки стали давлением следует опасаться ее пережога. В то же время нужно иметь в виду, что если сталь обрабатывать давлением при сравнительно низкой температуре, в ней сохранятся следы наклепа.

Следовательно, для правильного ведения горячей обработки давлением нужно знать, до какой температуры следует нагревать металл и при какой температуре прекращать эту обработку. Правильное определение температуры начала и конца горячей обработки (она установлена Д. К. Черновым) имеет исключительно важное значение для качества изделий.

Температура нагрева для обработки давлением углеродистой стали зависит от содержания в ней углерода.

Из рисунка 10 следует: чем меньше углерода содержит сталь, тем выше должна быть температура ее нагревания для успешной обработки давлением.

Горячая обработка давлением литых металлов способствует улучшению их свойств:

  • • химический состав металла становится более равномерным;
  • • металл приобретает мелкозернистое строение:
  • • пустоты и газовые пузыри завариваются, и металл уплотняется.

Вместе с тем при горячей обработке давлением механические свойства металлов могут оказаться неодинаковыми в различных направлениях (ярко выраженная анизотропность), вследствие образования волокнистой структуры.

задачи по материаловедению

Волокнистое строение является результатом удлинения зерен при вытяжке металла и легко обнаруживается при рассмотрении излома в направлении вытяжки . Эта особенность структуры металла вызывает неодинаковые механические свойства вдоль и поперек направления вытяжки. Расположение волокон очень важно учитывать при обработке давлением. Необходимо добиваться, чтобы усилия, прилагаемые к изделию, были направлены не вдоль, а поперек волокон. Несоблюдение этих условий приводит к понижению ударной вязкости кованых изделий.

Коленчатый вал (коленвал) — деталь кривошипно-шатунного механизма, предназначенная для преобразования усилия от шатунов в крутящий момент. Для уменьшения напряжений в поковках вала направление волокон должно соответствовать конфигурации колен.

В массовом производстве стальных коленчатых валов для получения заготовки используется ковка в закрытых штампах на прессах или молотах посредством нескольких операций. Окончательная ковка коленвала завершается обрезкой облоя с использованием обрезного пресса и горячей правкой под молотом.

При получении заготовки большое внимание уделяется расположению волокон материала, так как этот фактор влияет на механическую прочность коленчатого вала. Чтобы предотвратить перерезание волокон во время механической обработки используют специальные штампы с гибочными ручьями. После этого заготовки коленвала подвергают термической обработке, очищают от окалины и обрабатывают на дробеметной машине, и только после этого отправляют на механическую обработку.

На рисунке 12 представим наиболее рациональное расположение волокон в заготовке коленчатого вала, полученного ковкой

задачи по материаловедению

Вопрос 8. Ручная дуговая наплавка плавящимся и неплавящимся электродами, область применения.

Ручная дуговая сварка выполняется плавящимся или неплавящимся (угольным, графитовым, вольфрамовым, гафниевым) электродом. При сварке плавящимся электродом (рис. 13) дуга горит между ним и изделием.

задачи по материаловедению

Формирование металла шва осуществляется за счет материала электрода и расплавления основного металла в зоне действия дуги. При сварке неплавящимся электродом для формирования металла шва в зону дуги извне подается присадочный материал.

Наибольшее применение нашла сварка плавящимся электродом, так как ее можно применять во всех пространственных положениях, сваривая черные, цветные металлы и различные сплавы. При этом используются электроды диаметром задачи по материаловедению Однако основной объем работ выполняется электродами диаметром задачи по материаловедению

Электроды классифицируются по материалу, из которого они изготовлены, по назначению, по виду покрытия, по свойствам металла шва, по допустимым пространственным положениям сварки или наплавки, по роду и полярности тока.

По назначению электроды подразделяются на следующие группы:

  • для сварки углеродистых и низколегированных конструкционных сталей — У;
  • для сварки теплоустойчивых легированных сталей — Т;
  • для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами — В;
  • для наплавки слоев с особыми свойствами — Н.

По толщине покрытия существуют следующие группы электродов:

  • с тонким покрытием — М;-
  • со средним покрытием — С;
  • с толстым покрытием — Д;
  • с особо толстым покрытием — Г.

Покрытия могут быть кислые — А, основные — В, целлюлозные — Ц, рутиловые — Р и прочие — П.

В настоящее время при ремонте техники на железнодорожном транспорте находят наибольшее применение кислые, основные и рутиловые покрытия.

Кислое покрытие состоит в основном из оксидов металла, алюмосиликатов и раскис-лителей. Газовая защита осуществляется за счет сгорания органических составляющих покрытия.

Сварку электродами с кислым покрытием можно производить при помощи постоянного и переменного тока. В процессе сварки сварочная ванна бурно кипит вследствие активного раскисления металла углеродом, что способствует хорошей дегазации металла шва. Поэтому даже при сварке по окалине или ржавчине получаются сравнительно плотные швы, уступающие по характеристикам пластичности и ударной вязкости металла шва электродам с другими видами покрытий. При использовании электродов с кислым покрытием существует склонность к образованию кристаллизационных трещин, большое разбрызгивание металла, значительное выделение в процессе сварки вредных марганцевых выделений. К электродам с кислым покрытием относятся электроды следующих марок: задачи по материаловедению и др.

Основное покрытие состоит преимущественно из мрамора, плавикового шпата, рас-кислителей и легирующих элементов (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и др.). Газовая защита расплавленного металла обеспечивается углекислым газом и окисью углерода, которые образуются в результате диссоциации карбонатов.

Электроды с основным покрытием задачи по материаловедениюзадачи по материаловедению и ряд других) обеспечивают получение наплавленного металла с малым содержанием газов и вредных примесей, с высокими пластическими характеристиками и ударной вязкостью при нормальной и отрицательных температурах, с хорошей стойкостью против образования кристаллизационных трещин и старения. Поэтому такие электроды предназначаются для сварки конструкций из углеродистых и конструкционных сталей, жестких конструкций из литых углеродистых и низколегированных высокопрочных сталей.

Недостатком этого вида покрытий является повышенная чувствительность к порообразованию при увлажнении покрытия, увеличении длины дуги, при наличии окалины, ржавчины или масла на кромках свариваемых изделий.

Сварка электродами с основным покрытием ведется, как правило, на постоянном токе обратной полярности. Чтобы использовать такие электроды для сварки на переменном токе, в покрытие вводятся компоненты, содержащие легкоионизирующие элементы: калиевое жидкое стекло, кальцинированную соду, поташ и др.

Рутиловое покрытие содержит в основном рутиловый концентрат, различные алюмосиликаты и ферромарганец. Раскисление и легирование металла шва достигается наличием ферромарганца, а газовая защита — целлюлозой. Марки электродов с рутиловым покрытием: задачи по материаловедению и др.

Электроды с рутиловым покрытием обладают высокими сварочно-технологическими свойствами, обеспечивают хорошее формирование шва, имеют небольшое разбрызгивание, легкую отделимость шлаковой корки, малую склонность металла к образованию пор. Сварку можно вести как на постоянном, так и переменном токе.

Перед сваркой и наплавкой необходима прокалка электродов: с рутиловой обмазкой при задачи по материаловедению, с карбонато-рутиловым покрытием при задачи по материаловедению и с основным -при задачи по материаловедению. Время прокаливания задачи по материаловедению часа.

Несмотря на широкое распространение ручной дуговой сварки при производстве сва-рочно-наплавочных работ, она имеет ряд недостатков: сравнительно низкое качество наплавленного металла по причине слабой защиты сварочной ванны от воздействия окружающей среды; большое колебание сварочного тока; значительную вероятность возникновения нспроваров, подрезов и других дефектов соединения; большие потери (до задачи по материаловедению) присадочного материала на угар, разбрызгивание, огарки; малую производительность из-за невозможности использования высокой плотности тока и перерывов при смене электродов; сложность технологического процесса, что требует длительного времени подготовки сварщиков и др. Все это следует учитывать при выборе способа сварки и наплавки.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Рефераты по материаловедению

Задача № 8

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:

задачи по материаловедению

задачи по материаловедению — Сталь жаропрочная высоколегированная, мартенситного класса Свариваемость материала — трудносваривасмая. Полный химический состав стали представим в таблице.

задачи по материаловедению

Для стали задачи по материаловедению применяем ручную дуговую сварку. 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 задачи по материаловедению и напряжении дуги задачи по материаловедению.

Возбуждение (зажигание) дуги 3 (рис.14) происходит при кратковременном замыкании электрической сварочной цепи, для чего сварщик прикасается к свариваемому металлу 1 концом электрода 5 и быстро отводит его на расстояние задачи по материаловедению.

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.

задачи по материаловедению

ВСтЛпс — Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества, полуспокойная, свариваемость материала — без ограничений.

Полный химический состав стали представим в таблице 2

задачи по материаловедению
задачи по материаловедению

Сталь ВСт 1пс подвергается газовой сварке в среде углекислого газа.

Газовой сваркой могут соединяться почтя все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в промышленности. Наиболее широкое применение газовая сварка получила при строительно-монтажных работах, в сельском хозяйстве и при ремонтных работах.

Для выполнения сварочных работ необходимо, чтобы сварочное пламя обладало достаточной тепловой мощностью. Мощность пламени горелки определяется количеством ацетилена, проходящего за один час через горелку, и регулируется наконечниками горелки. Мощность пламени выбирается в зависимости от толщины свариваемого металла и его свойств. Количество ацетилена в час, необходимое на задачи по материаловедению толщины свариваемого металла, устанавливается практикой. Например, при сварке низкоуглеродистой стали на задачи по материаловедению толщины свариваемого металла требуется задачи по материаловедению ацетилена в час. Чтобы узнать требуемую мощность пламени, надо умножить удельную мощность на толщину свариваемого металла в миллиметрах.

Для сварки различных металлов требуется определенный вид пламени — нормальное, окислительное, науглероживающее. Газосварщик регулирует и устанавливает вид сварочного пламени на глаз. При ручной сварке сварщик держит в правой руке сварочную горелку, а в левой — присадочную проволоку. Пламя горелки сварщик направляет на свариваемый металл так, чтобы свариваемые кромки находились в восстановительной зоне на расстоянии задачи по материаловедению, от конца ядра. Конец присадочной проволоки должен находиться в восстановительной зоне или в сварочной ванне.

Скорость нагрева регулируется изменением угла наклона (а) мундштука к поверхности свариваемого металла (рис. 15, а). Величина угла выбирается в зависимости от толщины и рода свариваемого металла. Чем толще металл и больше его теплопроводность, тем больше угол наклона мундштука горелки к поверхности свариваемого металла. В начале сварки для лучшего прогрева металла угол наклона устанавливают больше, затем по мере прогрева свариваемого металла его уменьшают до величины, соответствующего данной толщине металла, а в конце сварки постепенно уменьшают, чтобы лучше заполнить картер и предупредить пережог металла.Рукоятка горелки может быть расположена вдоль оси шва или перпендикулярно к нему. То или иное положение выбирается в зависимости от условий (удобства) работы газосварщика, чтобы рука сварщика не нагревалась теплом, излучаемым нагретым металлом.

задачи по материаловедению

В процессе сварки газосварщик концом мундштука горелки совершает одновременно два движения: поперечное — перпендикулярно к оси шва и продольное — вдоль оси шва. Основным является продольное движение. Поперечное движение служит для равномерного прогрева кромок основного и присадочного металла и получения шва необходимой ширины.

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 задачи по материаловедению, то есть до температуры задачи по материаловедению. После его завершения в структуре металла не происходит никаких изменений до его остывания до задачи по материаловедению, когда металл начинает выходить из аустснитной 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 задачи по материаловедению.

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: задачи по материаловедению Тип сварного соединения -встык Расположение шва в пространстве — нижний. Толщина свариваемых деталей: задачи по материаловедению.

Стыковые соединения с толщиной свариваемых деталей задачи по материаловедению выполняются с односторонней разделкой кромок.

На рисунке 16 приведем эскиз соединения

задачи по материаловедению

На рисунке 17 представим эскиз разделки кромок

задачи по материаловедению

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

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

задачи по материаловедению

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

Площадь поперечного сечения шва найдем из расчетной схемы (рисунок 18).

задачи по материаловедению

Согласно ГОСТ 5264-80 задачи по материаловедению

задачи по материаловедению

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

задачи по материаловедению

где задачи по материаловедению — площадь поперечного сечения первого прохода, задачи по материаловедению; задачи по материаловедению — диаметр электрода, мм.

задачи по материаловедению

Следовательно принимаем 1 проход.

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

задачи по материаловедению

где задачи по материаловедению — допустимая плотность тока, задачи по материаловедению; задачи по материаловедению — площадь поперечного сечения электрода, задачи по материаловедению; задачи по материаловедению — диаметр электрода, задачи по материаловедению.

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 задачи по материаловедению

задачи по материаловедению

Напряжение на дуге при ручной дуговой сварке изменяется в пределах задачи по материаловедению и при проектировании технологических процессов ручной дуговой сварки не регламентируется [4]. Поэтому напряжение на дуге принимаем задачи по материаловедению

Скорость перемещения дуги (скорость сварки) определяем по формуле:

задачи по материаловедению

где задачи по материаловедению— коэффициент наплавки, задачи по материаловедению

задачи по материаловедению — плотность наплавленного металла за данный проход, задачи по материаловедению — для стали); задачи по материаловедению— сила сварочного тока, задачи по материаловедению

задачи по материаловедению — площадь поперечного сечения наплавленного металла, задачи по материаловедению. задачи по материаловедению

Результаты расчетов режима сварки представим в таблице 2

задачи по материаловедению

Выбираем оборудование для сварки. Принимаем трансформатор передвижной ТДМ-317.

Параметры трансформатора: сварочный ток задачи по материаловедению номинальное рабочее напряжение задачи по материаловедению

Рассчитаем режимы газовой сварки.

Исходные данные:

Тип сварного соединения -стыковое Расположение шва в пространстве — горизонтальный. Свариваемый материал — ВСт.1 пс Толщина свариваемого металла — задачи по материаловедению

При данном расположении сварного шва разделка ведется только верхней кромки На рисунке 19 приведем эскиз соединения

задачи по материаловедению

На рисунке 20 представим эскиз разделки кромок

задачи по материаловедению
  • 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:

задачи по материаловедению

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

задачи по материаловедению

Угол наклона мундштука сварочной горелки при толщине свариваемых листов задачи по материаловедению, принимаем задачи по материаловедению

Марку присадочной проволоки принимаем задачи по материаловедению.

Подбираем диаметр присадочного материала в зависимости от толщины свариваемых деталей и метода наложения шва. При толщине металла задачи по материаловедению диаметр присадочного материала принимаем равным половине толщины металла задачи по материаловедению.

Определяем скорость сварки.

задачи по материаловедению

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

задачи по материаловедению

Расход ацетилена принимаем в зависимости от толщины свариваемого металла: при толщине материала задачи по материаловедению расход ацетилена задачи по материаловедению [4], следовательно, при задачи по материаловедению задачи по материаловедению . расход кислорода задачи по материаловедению на задачи по материаловедению толщины, следовательно расход кислорода составляет задачи по материаловедению.

Вид пламени принимаем — нормальный.

Выбираем способ сварки:

Так как толщина свариваемого металла более задачи по материаловедению принимаем способ сварки — правую сварку.

После сварки изделие помещают в нагревательную печь, нагрев ведут постепенно. Для низкоуглеродистых сталей температура нагрева достигает задачи по материаловедению. После нагрева изделие выдерживают в печи при этой температуре в течение задачи по материаловедению на задачи по материаловедению толщины металла и охлаждают вместе с печью. Такая обработка называется отжигом и применяется для снятия внутренних напряжений.

Кстати готовые на продажу задачи тут, и там же теория из учебников может быть вам поможет она.

Возможно эта страница вам будет полезна:

Лабораторные по материаловедению

Результаты расчета режима сварки занесем в таблицу 4.

задачи по материаловедению

В качестве метода контроля сварного соединения применяем один из методов неразрушающиго контроля — внешний осмотр . Внешнему осмотру подвергается задачи по материаловедению 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.