Материаловедение

Вариант 12

1. Выберите и обоснуйте методы определения твердости для следующих деталей: а) отливки из серого чугуна, б) цианированной шестерни.

2. Начертите диаграмму "Железо - цементит", укажите структуры во всех областях. Подробно опишите структуры белого чугуна, содержащего 2,5% углерода, при 20°С и 1000°С, укажите состав ледебурита при этих температурах.

3. В чем сущность диффузионной металлизации стали? Какие методы диффузионной металлизации наиболее часто применяются и их цель?

4. Укажите состав, свойства, принцип маркировки и назначение следующих сплавов: ЕХ5К5, 5ХНВА, БрБ2, ЛК80-3, ВК3М.

5. Опишите неметаллические материалы для подшипников скольжения. Укажите их достоинства.

1. Выберите и обоснуйте методы определения твердости для следующих деталей: а) отливки из серого чугуна, б) цианированной шестерни.

а) Определение твердости отливки из серого чугуна проводится по Бринеллю.

Определение твердости по Бринеллю. При испытаниях по Бринеллю на специальном приборе с гидравлическим нагружающим устройством, позволяющим достичь нагрузки Р в несколько тонн, в поверхность испытуемого материала вдавливается шарик диаметром d = ?10 мм из твердого сплава, после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка D. Твердость по Бринеллю НВ рассчитывается по формуле, аналогичной формуле прочности (нагрузка P на площадь отпечатка S):

HB = Р/S = 2 P / (D(D - (d2 - D2)^1/2 ) , кгс / мм²

где нагрузка выражена в кгс, а диаметры в мм.

При испытании стали и чугуна обычно принимают D = 10мм и F = 2943 (3000) Н (кгс), при испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D = 10мм и F = 9800 (1000) Н (кгс), а при испытании мягких металлов (сурьма, свинец и их сплавов) D = 10мм и F = 2450 (250) Н (кгс). Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.

б) Определение твердости по Роквеллу. Твердость по Рокуэллу (Rockwell) HR определяется по глубине отпечатка, а точнее разностью между остаточной глубиной его внедрения после снятия основной нагрузки P₁ при сохранении предварительной нагрузки P₀ и глубиной проникновения индентора при предварительной нагрузке P₀.
Твердость по Рокуэллу выражается в условных единицах. Индентором может быть алмазный конус с углом при вершине 120⁰ или стальной шарик диаметром 1,588 мм, т.е. 1/16 дюйма.
Общая нагрузка Р при определении твердости HR
HRА по шкале А - алмазный конус, Р = 588 Н (60 кгс )
HRВ по шкале В индентор - стальной шарик , Р = 980 Н ( 100 кгс),
HRС по шкале С - алмазный конус, Р = 1470 Н (150 кгс).
HRА - для испытаний твердых сплавов с твердостью HR>7000.
HRВ - для испытаний цветных металлов и отожженных сталей с твердостью HR<2300,
HRС - для испытания сталей, после термической или химико-термической обработки.

Согласно указанной выше классификации для определения твердости цианированной шестерни следует применить испытания НRC по шкале С.

2. Начертите диаграмму "Железо - цементит", укажите структуры во всех областях. Подробно опишите структуры белого чугуна, содержащего 2,5% углерода, при 20°С и 1000°С, укажите состав ледебурита при этих температурах.

Диаграмма состояния железо - цементит

Структурные составляющие белого чугуна, содержащего 2,5% углерода:

при температуре 20°С – перлит+цементитII+ледебурит.

при температуре 1000°С – аустенит+цементитII+ледебурит.

Характеристика структур:

Ледебурит имеет сотовое или пластинчатое строение. При медленном охлаждении образуется сотовый ледебурит, представляющий собой пластины цементита, проросшие разветвленными кристаллами аустенита. Пластинчатый ледебурит состоит из тонких пластин цементита, разделенных аустенитом, и образуется при быстром охлаждении. Сотовое и пластинчатое строение не редко сочетается в пределах одной эвтектической колонии. Заэвтектические чугуны (4,3 - 6,67 % С) начинают затвердевать с понижением температуры по линии ликвидус CD , когда в жидкой фазе зарождаются и растут кристаллы цементита, концентрация углерода в жидком сплаве с понижением температуры уменьшается по линии ликвидус. При температуре 1147⁰С жидкость достигает эвтектической концентрации 4,3 %С (точка С) и затвердевает с образованием ледебурита.

Сплавы, содержащие до 2,14% С, называют сталью, а более 2,14 % С - чугуном. Принятое разграничение между сталью и чугуном совпадает с предельной растворимостью углерода в аустените. Стали, после затвердевания, не содержат хрупкой структурной составляющей - ледебурита - и при высоком нагреве имеют только аустенитную структуру, обладающую высокой пластичностью. Поэтому стали легко деформируются при нормальных и пониженных температурах, т.е. являются в отличие от чугуна ковкими сплавами.
По сравнению со сталью чугуны обладают значительно лучшими литейными свойствами и, в частности, более низкими и температурами плавления, имеет меньшую усадку, это объясняет присутствием в структуре чугуна легкоплавкой эвтектики (ледебурита).

Цементит - химическое соединение железа с углеродом (карбид железа Fe3C), содержит 6,67% С, температура плавления точно не установлена и прини­мается примерно равной 1260°С. Цементит магнитен, характеризуется высокой твердостью (>НВ800) и очень низкой пластичностью. Цементит является метастабильной фазой и при определенных условиях распадается с выделением свободного графита. В зависимости от ус­ловий образования различают цементит первичный, ко­торый образуется из жидкости при затвердевании рас­плава, вторичный — образуется при распаде аустенита и третичный — образуется при выделении углерода из феррита.

Графит представляет собой свободный углерод, он мягок, обладает низкой прочностью и электропроводно­стью. В чугунах и графитизированной стали содержится в виде включений. Форма графитовых включений ока­зывает влияние на механические и технологические свойства сплавов.

Перлит - эвтектоидная механическая смесь феррита и цементита, содержащая 0,83% С; образуется при 727 °С в результате распада аустенита в процессе его охлаждения: Fe_g(C) ® Fe_a(C)+Fe₃C. Перлит может быть пластинчатым или зернистым. Это определяет ме­ханические свойства перлита. При комнатной температуре зернистый перлит имеет прочность sв = 800 МПа, пластичность d = 15 %, НВ 160...200.

Аустенит - твердый раствор внедрения угле­рода в g-железе, имеет кубическую гранецентрированную решетку. Предельная растворимость углерода в g-желе­зе при температуре 1147°С - 2,14%. Аустенит немагни­тен. Он имеет твердость НВ 160 при s = 40...50 %.

Структура белых чугунов состоит из перлита, ледебу­рита и цементита. Свое название белые чугуны получили по виду излома — матово-белый цвет.

Рис. 1. Структуры чугунов (Х200):

а — доэвтектического; б — эвтектического; в — заэвтектического

Структура доэвтектического чугуна (рис. 1, а) при комнатной температуре состоит из ледебурита, перлита и вторичного цемен­тита (ледебурит — светлые участки с расположенными на них зернами перлита; перлит — более крупные тем­ные зерна; вторичный цементит — светлые участки, сли­вающиеся с цементитом ледебурита).

3. В чем сущность диффузионной металлизации стали? Какие методы диффузионной металлизации наиболее часто применяются и их цель?

Диффузионная металлизация — процесс диффузион­ного насыщения поверхности стальных деталей металла­ми с целью придания их поверхности жаростойкости, кор­розионной стойкости, твердости, износостойкости и др. Диффузионная металлизация может осуществляться в твердых, жидких и газообразных средах. Для твердой диффузионной металлизации используют ферросплавы с добавлением хлористого аммиака (0,5...5 %). Жидкую диффузионную металлизацию проводят, погружая дета­ли в расплавленный металл (Al, Zn и др.). Газовую диф­фузионную металлизацию проводят в газовых средах — хлоридах различных металлов. Поверхностное насыще­ние проводится при температурах 900...1200 °С. В последнее время применяют и многокомпонентное насыщение поверхности стали (два и больше компонентов).

Наиболее часто применяемые про­цессы диффузионной металлизации:

Силицирование — термодиффузионное насыщение по­верхности изделия кремнием с целью повышения корро­зионной стойкости, жаростойкости, износостойкости и кислотостойкое™ материалов в агрессивных жидких и газовых средах. Силицирование применяют, например, для гнезд клапанов, вкладышей подшипников, роторов водяных насосов, рубашек цилиндров, трубопроводной арматуры, труб судовых механизмов и др.

Алитирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали алюминием для повышения окалиностойкости (жаростойкости), коррозионной и эрозионной стойкости стали, чугунов и медных сплавов. Алитирование осуще­ствляют в порошкообразных смесях, в ваннах с расплав­ленным алюминием, в газовой среде и распылением жид­кого алюминия. Наибольшее распространение получило алитирование в порошках, с насыщением из газовой фа­зы. На поверхности образуется плотная пленка оксида алюминия (А1₂О₃), предохраняющая от окисления алитированные изделия. Алитирование производят при 950...1050°С в течение 3...12 ч. Толщина слоя составляет в среднем 0,2...0,8 мм.

В частности, алитируют чехлы термопар, детали раз­ливочных ковшей, клапаны и другие изделия, работаю­щие при высоких температурах. Следует отметить, что при использовании вакуумного алитирования можно по­лучать покрытия высокой чистоты.

Хромирование — процесс насыщения поверхностного слоя стали хромом, при этом повышается коррозионная стойкость, твердость и износостойкость. Наибольшее при­менение получило хромирование в порошкообразных сме­сях феррохрома или хрома, хлористого аммония и окси­да алюминия. Хромирование производится при 1000... ...1050°С в течение 6...12 ч. Толщина получаемого слоя не более 0,2 мм. Хромируют обычно низкоуглеродистые ста­ли: структура слоя состоит из твердого раствора хрома в a-железе и содержит 30...40 % хрома. При хромирова­нии средне- и высокоуглеродистой стали получаемый слой состоит из карбидов хрома (Cr, Fe)₇C₃ и др. Хро­мированию подвергают клапаны компрессоров, матрицы штампов для холодной высадки и др.

Цинкование наиболее широко используется в технике. На долю цинковых покрытий приходится около 60 % от общей поверхности металлических покрытий. Цинко­вые покрытия хорошо защищают железо и его сплавы от коррозии на воздухе и в воде. Толщина цинкового покры­тия 6...36 мкм зависит от условий эксплуатации изделий. Оцинкованные листы и полосы применяются в жилищном строительстве (кровля, водосточные трубы), для изго­товления емкостей, в автомобильном и железнодорож­ном транспорте и др.

4. Укажите состав, свойства, принцип маркировки и назначение следующих сплавов: ЕХ5К5, 5ХНВА, БрБ2, ЛК80-3, ВК3М.

ЕХ5К5 - сплав прецизионный магнитно-твердый. Применение - для магнитов неответственного назначения.

Процентное содержание элементов.

5ХНВА - сталь инструментальная легированная. Применение - для молотовых штампов паровоздушных и пневматических молотов.

БрБ2 – бериллиевая бронза, содержание бериллия 2%.

Бериллиевые бронзы обладают высокими значениями временного сопротивления, пределами текучести и упругости, хорошо сопротивляются коррозии, свариваются и обрабатываются резанием. Бериллиевые бронзы применяют для мембран, пружин, пружинящих контактов, деталей, работающих на износ, в электронной технике.

ЛК80-3 – латунь литейная. Содержит – 80% меди, 3% - кремния, 17% - цинка. Золотистый цвет, высокая стойкость к атмосферной коррозии. Используется вместо золота для изготовления медалей и художественных изделий.

ВК3М - сплав твердый спеченный вольфрамокобальтовый. Содержание кобальта - 3%, карбида вольфрама – 97%. Применение – оснастка режущего инструмента для обработки чугуна, резки стекла, чистового и получистового точения. Свойства – высокая износостойкость, сопротивляемость ударам.

5. Опишите неметаллические материалы для подшипников скольжения. Укажите их достоинства.

Подшипники скольжения служат для передачи усилия от одного подвижного узла оборудования к другому. Подшипники скольжения подразделяются на:

- Работающие без смазки подшипники из металлических или неметаллических антифрикционных материалов

- Металлокерамические подшипники из пористых антифрикционных материалов

- Гидродинамические подшипники с нагнетанием давления в конвергентном масляном слое

- Гидростатические подшипники с нагнетанием давления в смазочном материале снаружи

Подшипники скольжения с неметаллическими вкладышами (текстолит, лигнофоль и лигностон) чаще всего применяют в обжимных и черновых клетях, где по условиям допусков на прокат упругость подшипников не имеет существенного значения. Такие подшипники состоят из подушек (корпус подшипника) и вкладышей, опирающихся на подушки и непосредственно соприкасающихся с шейками валков. Часто вкладыши устанавливают непосредственно в подушке. Коэффициент трения подшипников с текстолитовыми вкладышами составляет 0,003-0,008.

Неметаллические вкладыши обладают низкой теплопроводностью. Для их смазки применяют воду.

Инновация - полимерный сплав, капролон, воплощает в себе лучшие свойства резины и пластика; он превосходит другие доступные материалы по способности воспринимать ударные нагрузки без остаточной деформации, по абразивостойкости и по свойству малого набухания в воде. Это эластомер по своей природе, который на ощупь, по виду и по обработке похож на пластик, но с преимуществами самосмазывающего сложного полимера с низким коэффициентом сухого трения, до 0,05 в паре с бронзой или сталью.

Материал капролон используется для гельмпортовых втулок баллеров, подпятников ахтерштевня, судовых дейдвудных и рулевых подшипников, подшипников скольжения механизмов, шестерен, канатных блоков, втулок управляющих тяг румпеля и винторулевых колонок. Низкое трение и самосмазывающие свойства уменьшают усилия поворота руля. Корректировка курса становится более легкой с меньшим запаздыванием. Повышение точности при прокладке курса экономит топливо.

Исключение смазки — снижение расходов. Каждый килограмм смазки, подаваемый в подшипники баллера без уплотнений, рано или поздно попадет в воду (а это есть один источник загрязнения воды). Устранение смазки означает существенное понижение затрат и при строительстве - сокращается число насосов и трубопроводов, отпадает необходимость выполнения в деталях различных сверлений и фрезеровок.

Долговечность: по сроку службы материал капролон превосходит бронзу, нейлон и слоистые пластики, так как менее подвержен действию абразивных частиц в грязной воде. Материал капролон воспринимает ударные нагрузки гораздо легче, чем другие жесткие материалы. Низкий коэффициент трения материала капролон уменьшает износ при трении по деталям. Втулки из материала капролон выдерживают такие аварии на верфи, как падение со стапеля на дно дока.

Вес: удельный вес материала капролон составляет одну седьмую веса бронзы: подшипники из материала капролон снижают вес большого судна на тысячи килограммов.

Втулки из материала капролон обычно монтируются предварительно охлажденные сухим льдом или жидким азотом. Разработанные по расчетным размерам, они легко устанавливаются на место, сокращая трудозатраты и время монтажа в несколько раз, чем при установке бронзовых втулок. Сокращается время монтажа и потребность в дорогостоящем гидравлическом оборудовании для запрессовки. Исключена возможность заклинивания подшипника при запрессовке. Втулки не имеют фланцев и, следовательно, болтов и шпилек, установка и затяжка которых повышает трудоемкость — прямые и косвенные затраты. Капролон обрабатывается чисто и не содержит асбеста. При обработке образуется эластичная стружка без пыли или газа. Капролон единственный неметаллический материал, который не содержит асбеста или других опасных для здоровья компонентов, выделяемых при механической обработке.

Подшипники из капролона демонстрируют повышенную стойкость к коррозии по сравнению с металлическими подшипниками. Капролон является изолятором и не участвует в гальванических реакциях.

Литература

1. Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. Материаловедение. М.: «Машиностроение», 1990.

2. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение. - М.: изд. Машиностроение, 1990.

3. Общетехнический справочник. Под ред. Е.А. Скороходова. - М.: изд. Машиностроение, 1989.

4. Материаловедение. Электронная библиотека ТГУ.

5. Методические указания.