6.1 Свойства, методы обработки, испытание металлов, сплавов
Металлами называют непрозрачные кристаллические вещества, обладающие блеском, высокой тепло- и электропроводностью, способностью испускать электроны при нагревании, ковкостью, другими свойствами. Бее металлы делятся на черные, имеющие темно-серый цвет (на основе железа) и цветные - красного, желтого или белого цвета.
Металлы и сплавы характеризуются свойствами, которые делят на физические (плотность, температура плавления, теплоемкость, электропроводность, коэффициент линейного расширения, магнитные свойства); механические (прочность, твердость, ударная вязкость, сопротивление усталости); технологические (ковкость, жидкотекучесть, свариваемость, обрабатываемость); химические (коррозионная стойкость, жаропрочность, жаростойкость). Эти свойства зависят от структуры металла, его природы.
В зависимости от температуры, давления металлы и сплавы могут находиться в твердом, жидком и газообразном агрегатных состояниях (фазовых). Фаза - это однородная часть системы, ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства изменяются скачком.
Переход металлов и сплавов из жидкой фазы в твердую фазу называется кристаллизацией. Кристаллизация металлов идет при постоянной температуре. Эта температура имеет название критическая температура фазового превращения. Экспериментально кристаллизация идет при температуре ниже критической. Разность между критической и реальной температурой называют степенью переохлаждения металла (сплава).
В системах технологий для приготовления деталей, изделий более широко применяют сплавы, а не чистые металлы. Сплавы могут представлять собой химическое соединение, твердый раствор, механическую смесь или их совокупность. Химические соединения (интерметаллические соединения) характерны для металлов, относящихся к разным периодам, подгруппам периодической системы Д.И. Менделеева. Например, магний-свинец. Твердые растворы - это твердые фазы, включающие в различных соотношениях атомы разных элементов в одной кристаллической решетке. Механические смеси образуют вещества, не дающие химические соединения и не образующие твердые растворы.
Состояние сплавов может изменяться за счет температуры, давления. Изменение состояния сплавов в зависимости от температуры, соотношения компонентов характеризуется диаграммой состояния. По этим диаграммам устанавливают линии фазовых превращений, самую легкоплавкую смесь в данной системе сплавов (эвтектики).
При изменении температуры у некоторых металлов (железо, никель, кобальт и др.) меняется тип кристаллической решетки. Существование одного и того же металла, вещества в нескольких кристаллических формах называют аллотропией (полиморфизмом). Аллотропные формы (модификации) отличают, добавляя греческие буквы к символу элемента, например: a-Pb, /?-Ti, y-Fe.
Железоуглеродистые сплавы делят на стали (содержание углерода до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%). Предельное содержание углерода в сплаве составляет 6,67%.
При охлаждении жидкого сплава железо-углерод в нем образуются кристаллы аустенита - твердого раствора углерода в y-Fe. Вместе с тем твердый раствор углерода в a-Fe называют ферритом. Структурным элементом сплава железо-углерод является также цементит-карбид железа с содержанием углерода 6,67%. Цементит - неустойчивое соединение, распадается при определенных условиях с выделением углерода. Перлит - эвтектоидная смесь феррита и цементита с постоянным содержанием углерода 0,8%.
Сплав, содержащий 0,8% углерода, называют эвтектоидной сталью, менее 0,8% углерода - доэвтектоидной, а более 0,8% углерода - заэвтектоидной сталью. Структура эвтектоидной стали - перлит. Чугуны по содержанию углерода делятся на доэвтектические (2,14 - 4,3% углерода), эвтектические (4,3% углерода), заэвтектиче-ские (4,3 - 6,7% углерода).
С целью придания металлам и сплавам нужных свойств их подвергают термической обработке. Различают отжиг, закалку, отпуск, старение. Отжиг 1-го рода заключается в нагреве заготовок выше температуры фазового превращения с дальнейшим медленным охлаждением. Отжиг 2-го рода заключается в нагреве заготовок до температуры, превышающей на 30 - 50°С температуру фазового превращения, а затем медленном охлаждении. Если охлаждение ведут на воздухе, то такая разновидность обжига 2-го рода называется нормализацией. Отжиг 2-го рода нужен для устранения внутренних напряжений, изменения структуры сплава.
Закалка применяется для повышения прочности, твердости сплавов и заключается в нагреве выше температуры превращения с последующим быстрым охлаждением в воде, минеральном масле, растворах солей.
Отпуск - это нагрев закаленных заготовок до температуры ниже температуры фазового превращения с последующим охлаждением на воздухе.
Для ускорения релаксации внутренних напряжений перед механической обработкой ведут старение. Естественное старение заключается в длительной выдержке на складе, а искусственное - в нагреве заготовок в печах до температуры 100 - 150°С и охлаждении вместе с печью.
Химико-термическая обработка включает тепловую обработку металлов, сплавов в химически активных средах для улучшения их свойств. Цементация - процесс насыщения поверхности заготовок из низкоуглеродистых сталей. Азотирование - диффузионное насыщение азотом поверхностного слоя заготовок. Одновременное насыщение азотом и углеродом поверхности заготовок называют цианированием. Диффузионная металлизация - это процесс насыщения поверхностного слоя заготовок химическими элементами (алюминием, хромом, кремнием, бором и др.).
Металлы и сплавы подвергают испытаниям на прочность и твердость. Под прочностью понимают сопротивление разрушению под действием внешних сил. Ее определяют по статическим испытаниям на растяжение. Прочность характеризуют пределом прочности loj, то есть временным сопротивлением на разрыв. Тогда:
Поскольку начальная длина образца (10) при испытаниях на растяжение увеличивается до 1К, — =ст - относительное удлинение, %.
По нему оценивают пластичность образца.
Показателем пластичности является и относительное укорочение материала при сжатии:
где ппппк- начальные и конечные высоты образца.
Твердостью называют способность металла, сплава сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого вещества. Твердость изменяют по Бринеллю в НБ (вдавливанием в образцы закаленного стального шарика); Роквеллу в HRC, HRA (алмазным конусом); Виккерсу в HV (алмазной пирамидой).
Если действующую на образец силу устранить и в нем не обнаруживается остаточная деформация, то такую деформацию называют упругой деформацией. Важной характеристикой упругих свойств металлов является модуль упругости, который рассматривают как меру прочности связей между атомами в твердом теле. Модуль упругости (£) кристаллических тел зависит от расстояния между атомами в соответствующих направлениях кристаллической решетки.
Практическое значение имеет изменение структуры, свойств металлов, сплавов в процессе пластической деформации. При горячей деформации добиваются, чтобы расположение волокон в металле совпадало с направлением основных усилий при работе. Упрочнение металла при холодной пластической деформации называют наклепом. Наклеп сопровождается изменением коррозионной стойкости, ростом электросопротивления. Вместе с тем при холодной деформации беспорядочно ориентированные кристаллы поворачиваются осями наибольшей прочности вдоль направления деформации, что и обеспечивает высокую прочность.
- Примеры выполнения заданий
- Примеры выполнения заданий
- Тема 1. Общая характеристика, задачи и значение
- Тема 2. Важнейшие понятия и термины курса
- 2.1 Технический процесс и техническая система. Закономерности
- 2.2 Производственный и технологический процессы
- Тема 3. Технический прогресс, его сущность и роль
- Тема 4. Сырье, материалы, топливо, энергия.
- 4.1 Сырье и материалы
- 4.2 Вода и энергия
- Тема 5. Химико-технологические процессы
- Тема 6. Высокотемпературные процессы в
- Тема 8. Электрохимические процессы
- Тема 9. Каталитические процессы
- Тема 10. Процессы, идущие под давлением
- Тема 11. Биохимические, фотохимические,
- Тема 12. Физические процессы систем технологий
- Тема 13. Электрофизические методы обработки
- Тема 14. Основы технологии машиностроения.
- Тема 15. Производство заготовок методами литья,
- Тема 16. Методы пластической деформации
- Тема 17. Неразъемные соединения
- Тема 18. Технологические процессы сборки
- Рациональное использование энергии в
- Основные направления рационального использования
- 1.2 Примеры выполнения заданий
- 2. Материальный и энергетический балансы
- 2.1 Технологический баланс, его структура
- 2.3 Контрольные задания к практическим занятиям
- 3. Определение выхода, возможного
- Определение вторичных энергетических ресурсов, их
- 3.2 Примеры выполнения заданий
- 3.3 Контрольные задания к практическим занятиям
- 4. Технологические процессы переработки топлив
- Характеристика и классификация процессов переработки
- 4.2 Примеры выполнения заданий
- 4.3 Контрольные задания к практическим занятиям
- 5. Технологические процессы производства
- Классификация химических волокон и характеристика
- 5.2 Примеры выполнения заданий
- 5.3 Контрольные задания к. Практическим занятиям
- 6. Металлы, сплавы
- 6.1 Свойства, методы обработки, испытание металлов, сплавов
- 6.2 Примеры выполнения заданий
- 6.3 Контрольные вопросы к практическим занятиям
- 7. Электрохимические процессы
- Характеристика и закономерности электрохимических
- 7.2 Примеры выполнения заданий
- 7.3 Контрольные задания к практическим занятиям
- 1. Значение, структура и порядок составления технологической
- 2. Консультации и контроль выполнения технологической части
- 3. Рекомендации к технологической части дипломных проектов и
- 4. Технологические мероприятия, направленные на рациональное
- 5. Рекомендации к технологической части дипломных проектов и
- 5.1 Структура технологической части дипломных проектов и работ
- 5.2 Общая характеристика производственного процесса
- Выбор и обоснование технологического процесса механической
- 5.4 Обоснование заготовок для получения деталей
- 5.5 Определение припусков на механическую обработку
- Выбор и характеристика оборудования, станочного
- Техническое нормирование операций технологического
- 5.8 Уточнение потребности количества единиц оборудования
- 5.9 Оценка эффективности технологических мероприятий
- 6. Рекомендации к технологической части дипломных проектов,
- 7. Краткая характеристика технологических мероприятий,
- 8. Рекомендации по составлению графической части дипломных