Контрольная работа по "Материаловедение"

Выбор температуры  нагрева при объемной закалке  углеродистых сталей производится по диаграмме состояния железоуглеродистых сплавов [1]. Доэвтектоидные стали нагревают до температуры на 30 — 50оС выше критической точки А3, т. е. выше линии GS диаграммы. При таком нагреве исходная ферритно-перлитная структура превращается в аустенит, происходит полная перекристаллизация стали. Охлаждение со скоростью больше критической приводит к мартенситному превращению (А ® М). Такая закалка называется полной.

Эвтектоидные и заэвтектоидные стали подвергают неполной закалке, т. е. нагревают до температуры на 30 — 50оС выше критической точки А1 (линия РSК диаграммы). Эта температура постоянная, интервал температуры для закалки — 760 — 780оС.

Скорость охлаждения после нагрева и выдержки оказывает  решающее влияние на результат закалки. Режим охлаждения должен быть таким, чтобы не возникали большие напряжения, приводящие к короблению изделия  и образованию закалочных трещин. Эти напряжения складываются из термических и структурных.

При закалке углеродистых и некоторых низколегированных  сталей в качестве охлаждающей среды  применяют воду и водные растворы. Холодная вода — самый дешевый  и быстрый охладитель. К недостаткам  этого охладителя относится образование  «паровой рубашки». Кроме того, с  повышением температуры воды резко  снижается ее охлаждающая способность.

Увеличение охлаждающей  способности воды достигается при  использовании струйного или  душевого (спрейерного) охлаждения. Для крупных изделий (рельсов, труб и т. п.) применяется водовоздушная среда — смесь воды с воздухом, подаваемая в камеру под давлением через форсунки (водяной туман).

Для легированных сталей при закалке применяют минеральное  масло. Оно не изменяет охлаждающую  способность при нагреве (20 — 150оС), не образует «паровую рубашку». Перепад  температуры между поверхностью и центром изделия при закалке  в масле меньше, чем при охлаждении в воде, следовательно, меньше и термические  напряжения. Недостатками масла как  охладителя при закалке являются образование пригара на поверхности  изделия, потеря с течением времени  закаливающей способности (загустевшее  масло требует замены), легкая загораемость. Применяют различные способы закалки, обеспечивающие необходимый режим охлаждения.

Закалка в одном  охладителе. Изделия из печи по конвейеру (транспортеру) поступают в закалочный бак с охлаждающей средой, где  и находятся до полного охлаждения.

Этот способ применяется  для изделий простых форм из углеродистых (охлаждение — в воде) и легированных (охлаждение — в масле) сталей и  является простым и наиболее распространенным способом, как в единичном, так  и в массовом производстве. Недостатком его является то, что в результате большой разницы температуры нагретого металла и охлаждающей среды в закаленной стали наряду со структурными возникают большие термические напряжения, вызывающие коробление и появление трещин.

Прерывистая закалка  в двух охладителях. Изделие сначала  охлаждают до 400 — 300оС в воде, а  затем для окончательного охлаждения переносят в масло — «через воду — в масло». В мартенситном интервале (300 — 100оС) сталь охлаждается  более медленно, что способствует уменьшению закалочных напряжений.

Ступенчатая закалка. Нагретое изделие охлаждается погружением  в ванну с температурой закалочной среды (расплавленные соли, селитры, щелочи) немного выше температуры  начала мартенситного превращения (на 20 — 30оС выше точки Мн) для данной стали. После выдержки, необходимой для выравнивания температуры по сечению, изделие охлаждают на воздухе. Продолжительность выдержки строго контролируется, чтобы не произошло промежуточного превращения аустенита.

Изотермическая выдержка для выравнивания температуры по сечению способствует снижению термических  напряжений, а охлаждение на воздухе  — структурных. Основное достоинство  ступенчатой закалки — получение  мартенситной структуры при минимальных  закалочных напряжениях.

Закалка с самоотпуском. Охлаждение изделия, нагретого под закалку, ведут не до конца и извлекают из охладителя. За счет тепла внутренних слоев верхний охлажденный слой разогревается до 200 — 250оС, в результате чего происходит самоотпуск. Закалку с самоотпуском применяют для деталей ударного слесарного и кузнечного инструмента, который должен иметь достаточно высокую твердость на поверхности и сравнительно вязкую сердцевину. Температуру отпуска определяют по цветам побежалости (цвет слоя окисла поверхности зависит от его толщины). Старый (точнее — древний) способ с самоотпуском нашел применение в механизированном поточном производстве. 

К1в3

     Алюминий  – светло-серебристый металл, имеющий  кристаллическую решетку гранецентрированного куба с периодом 4,0413 Å. Не испытывает полиморфных превращений. Алюминий – легкий металл, его удельный вес 2,703 г/см³ при 20 ˚С. В связи с этим алюминий является основой сплавов для легких конструкций, например в авиационной технике. Алюминий обладает высокой электропроводностью (65% от меди), поэтому алюминий в большом объеме используется в качестве проводниковых материалов в электротехнике. Чистый алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью в связи с образованием на его поверхности стойкой и плотной окисной пленки Al₂O₃. Это свойство сохраняется и во многих сплавах, содержащих алюминий в виде легирующих элементов. Алюминий нетоксичен, немагнитен и обладает повышенной стойкостью к коррозии по отношению к ряду химических веществ. Обладая всеми этими свойствами, а также относительно невысокой стоимостью относительно других цветных металлов он нашел широкое применение в самых различных отраслях промышленности.

     Примеси, присутствующие в алюминии, понижают его пластичность, электро- и теплопроводность, снижают защитное действие пленки. В технически чистом алюминии в качестве примесей могут находиться, в основном, Fe и Si.

     Железо  очень мало растворимо в алюминии, и уже при тысячных долях процента при низких температурах появляется новая фаза FeAl₃. Эта фаза, как считают в последнее время, является одной из виновниц высокой устойчивости и наследственности литой структуры алюминия и его сплавов, когда дендритное строение можно наблюдать даже после очень больших степеней пластической деформации (50-90%) и последующего рекристаллизационного отжига. Железо уменьшает электропроводность и химическую стойкость чистого алюминия.

     Кремний в алюминии вместе примесями железа образует эвтектику из твердого раствора на основе алюминия и кристаллов FeSiAl₅, которая имеет форму китайских иероглифов. Для нейтрализации вредного влияния железа сплавы легируют марганцем, за счет чего в сплавах формируется соединение (Fe, Mn)₃Si₂Al₁₅, которое первично кристаллизуется из расплава в виде компактных ограненных кристаллов, что способствует повышению пластичности, если эти кристаллы достаточно мелкие. Хром также вводят в силумины для нейтрализации отрицательного влияния железа.

     При небольших содержаниях кремния, (до 0,4%) он находится в твердом  растворе. Отжигом можно перевести  в твердый раствор до 1,3% Si. Кремний является менее вредной примесью в алюминии, чем железо, хотя также как и железо, уменьшает пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость сплавов. В больших количествах кремний применяется в сплавах на основе алюминия, как легирующий элемент.

     Алюминий  и алюминиевые сплавы производят по ГОСТ 11069-74 - Алюминий первичный, ГОСТ 1583-93 - Сплавы алюминиевые литейные, ГОСТ 4784-74 - Алюминий и сплавы алюминиевые, деформируемые.

     Литейные  алюминиевые сплавы по ГОСТ 1583-93 маркируют  буквами и цифрами с указанием  среднего химического состава по основным легирующим элементам. В действующем ГОСТе указана и старая система маркировки – условное обозначение марок, содержащее буквы АЛ.

     Все литейные алюминиевые сплавы, указанные  в ГОСТ 1583-93, в зависимости от химического  состава подразделяют на пять групп:

     I группа – сплавы на основе системы Al-Si. В нее входят сплавы марок АК12, АК13, АК9, АК9с, АК9ч, АК9пч, АК8л, АК7, АК7ч, АК7пч, АК10Су.

     II группа – сплавы на основе системы Al-Si-Cu. В нее входят сплавы марок АК5М, АК5Мч, АК5М2, АК5М7, АК6М2, АК8М, АК5М4, АК8М3, АК8М3ч, АК9М2, АК12М2, АК12ММгН, АК12М2МгН, АК21М2,5Н2,5.

     III группа – сплавы на основе системы Al-Cu. В нее входят сплавы марок АМ5, АМ4,5Кл.

     IV группа – сплавы на основе системы Al-Mg. В нее входят сплавы марок АМг4К1,5М, АМг5К, АМг5Мц, АМг6л, АМг6лч, АМг10, АМг10ч, АМг11, АМг7.

     V группа – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты. В нее входят сплавы марок АК7Ц9, АК9Ц6, АЦ4Мг.

     С помощью обработки давлением (прокат, штамповка), их деформируемых алюминиевых  сплавов, а также чистого алюминия получают листы,плиты, рулоны, полосы, фольгу, проволоку, стержни различного профиля, трубы. Остальной алюминий применяется для изготовления литейных сплавов, порошков, раскислителей и для других целей. Применение алюминия и его сплавов во всех видах транспорта, а в особенности воздушного привело к уменьшения собственной массы транспортных средств и к резкому увеличению эффективности их использования. Авиаконструкции, моторы, блоки, головки цилиндров, картеры, коробки передач, насосы и многие другие детали также изготавливают из алюминия и его сплавов.

     К2в1

     Метод намотки является одним из самых  перспективных методом формования изделий из стеклопластиков, т.к. он позволяет создавать ориентированную  структуру наполнителя в изделиях с учетом их формы и особенностей эксплуатации. Использование в качестве наполнителей жгутов, лент, нитей обеспечивает максимальную прочность изделий. К  тому же такие наполнители наиболее дешевы.

     Сущность  метода намотки заключается в  намотке стекложгута 1, пропитанного связующим, на вращающуюся оправку 4. Для того чтобы обеспечить определенную ориентацию жгута на поверхность оправки, скорость перемещения раскладчика наполнителя (в данном случае роль раскладчика выполняют отжимные валики 3 в ванне 2) согласуется со скоростью вращения оправки 4. 

     Содержание  компонентов в системе смола - стекловолокно регулируется также  отжимными валиками. В отличие  от описанного "мокрого" метода намотки, "сухой" метод состоит в намотке на оправку предварительно пропитанного и высушенного наполнителя. Для мокрой намотки используются в основном полиэфирные и эпоксидные связующие, а для сухой - главным образом связующие на фенольных смолах.

     Обязательная  стадия процесса - отверждение намотанной на оправку заготовки. При этом заготовка  может быть дополнительно уплотнена  с помощью вакуумного или надувного  мешков. Термообработка связующего может проводиться как в специальных камерах, так и за счет нагревателей, размещенных на самой оправке.

     Высокая прочность изделий, полученных намоткой, достигается за счет ориентированной  укладки наполнителя, его высокого содержания в материале изделия. При однонаправленной укладки объемное содержание стекложгута может достигать 90%, а разрушающее напряжение при растяжении стеклопластика 30 000 кгс/см^2, в то время как для стеклохолста - 50% при показателе прочности стеклопластика не выше 5000-7000 кгс/см^2 (разрушающее напряжение при растяжении стеклопластиков с неориентированной структурой наполнителя, полученных методом напыления, составляет только 1000-1500 кгс/см^2).

     Однако  метод намотки применим только для  изделий оболочкового типа, причем предпочтительно имеющих форму  тел вращения. Наибольшее применение метод намотки нашел в авиа- и ракетостроении для формования корпусов ракет и ракетных двигателей, а также фюзеляжей самолетов, в химической промышленности для  изготовления аппаратов, емкостей, трубопроводов. Изделия, полученные методом намотки, могут иметь весьма большие размеры (например, железнодорожные цистерны объемом 60м^3 и более),

     При намотке степень уплотнения наполнителя  определяется величиной контактного  давления, которое зависит от натяжения  волокна, геометрической формы изделия  и жесткости оправки. Рекомендуемая  величина технологического натяжения  должна составлять 30-50 % от показателя прочности материала наполнителя. При намотке наполнителя с  большим натяжением под действием  растягивающих нагрузок в нем  могут происходить некоторые  изменения, в частности, при натяжении  крученой нити уменьшается её диаметр, при натяжении тканой ленты уменьшается  её ширина за счет распрямления нитей  основы.

     Существенным  фактором, определяющим стабильность свойств получаемых структур при  намотке, является температура. Колебания  температуру изменяет вязкость связующего, что в свою очередь, может вызвать  колебания степени наполнителя. Уменьшение вязкости с увеличением  температуры позволяет улучшить стабильность уплотнения наполнителя  и качество его пропитки, однако это уменьшение имеет определенный предел, обусловленный жизнеспособностью  связующего. При сухом формовании важно качество предварительной  пропитки наполнителя в пропиточно-сушильном  агрегате. При мокром формовании точность поддержания заданного соотношения компонентов зависит от метода введения связующего.

     Уплотнение  материала стеклопластикового изделия  помимо натяжения достигается с  помощью специального прикатывающего ролика. В этом случае контактное давление, измеряемое усилием, которое передается на оправку единицей длины стеклонити или жгута, составляет 0,5- 1,5 кгс/см. Дополнительное уплотнение относительно простых по форме изделий может осуществляться при спиральной намотке металлических или пластмассовых лент с натягом. Если намотка таких лент осуществляется внахлестку, то в итоге должна сохраниться гладкая наружность изделия.