Разработка чертежа штампованной поковки

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное  образовательное учреждение высшего

профессионального образования

«Уфимский государственный авиационный  технический университет»

 

 

Кафедра материаловедения и физики металлов

 

 

 

РАСЧЁТНО-ГРАФИЧЕСКАЯ РАБОТА

«Разработка чертежа штампованной поковки»

Вариант №14

 

 

 

 

 

Выполнил: студент группы МА-271

Нуриев Т. Ф.

Проверил: преподаватель

Сиренко

 

 

 

 

 

 

 

1. Каковы параметры процесса кристаллизации?

2. Что такое временное  сопротивление разрыву (о_в)? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?

3. Вычертите диаграмму  состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

4. Режущий инструмент  из стали У10 был перегрет при  закалке. Чем вреден перегрев  и как можно исправить этот дефект? Произведите исправление структуры и назначьте режим термической обработки, обеспечивающий нормальную работу инструмента. Опишите его структуру и свойства.

5. С помощью диаграммы  состояния железо-цементит определите  температуру полного и неполного  отжига и нормализации для  стали 40. Охарактеризуйте эти  режимы термической обработки  и опишите структуру и свойства стали

 

1. Каковы параметры  процесса кристаллизации?

Величина зерна  зависит от (параметров процесса кристаллизации):

– степени переохлаждения;

– температура нагрева  и разливки жидкого металла;

– химический состав и присутствие посторонних примесей.

Охлаждение жидкости ниже равновесной температуры кристаллизации называется переохлаждением,которое характеризуется степенью переохлаждения (ΔТ):

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 1 – Зависимость числа центров кристаллизации (а)

и скорости роста  кристаллов (б) от степени переохлаждения  

 

При небольшой степени  переохлаждения ΔТ (малой скорости охлаждения) число зародышей мало. В этих условиях будет получено крупное зерно. С увеличением степени переохлаждения скорость образования зародышей возрастает, количество их увеличивается и размер зерна в затвердевшем металле уменьшается.

Часто источником образования  зародышей являются всевозможные твердые  частицы, которые всегда присутствуют в расплаве. Структурное сходство между поверхностями сопряжения зародыша и частицы посторонней  примеси приводит к уменьшению размера  критического зародыша, работы его  образования, и затвердевание жидкости начинается при меньшем переохлаждении, чем при самопроизвольном зарождении.

Чем больше примесей, тем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно.

Размер зерна  сильно влияет на его механические свойства. Эти свойства, особенно вязкость и пластичность, выше, если металл имеет  мелкое зерно

2.Что такое временное сопротивление разрыву (о_в)? Как определяется эта характеристика механических свойств металла?

Это прочность т.е. способность металла сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия сил. В основе пластических деформаций – необратимые перемещения атомов от исходных положений на расстояния, большие межатомных, изменение формы отдельных зерен металла, их расположения в пространстве.

Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей  под нагрузкой и нейтрализует влияние концентратов напряжений –  отверстий, вырезов и т.п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы меняется ряд  свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик металла определяют в результате испытания образцов на растяжение

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения F_о и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка Р – удлинение Dl образца (рис. 2).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла  при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка: упругой деформации – до нагрузки Р_упр; равномерной пластической деформации от Р_упр до  Р_max и сосредоточенной пластической деформации от Р_max до Р_к .Если образец нагрузить в пределах Р_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится. Такой характер деформирования образца называется упругим. При нагружении образца более Р_упр появляется остаточная (пластическая) деформация. Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования. Упрочнение металла при деформировании называется наклепом. При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца. После достижения максимального значения нагрузки  Р_max в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В это время между деформированными зернами, а иногда и внутри самих зерен могут зарождаться трещины. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от Р_max до Р_к , и при нагрузке Р_к происходит разрушение образца. При этом упругая деформация образца (Dl_упр) исчезает, а пластическая (Dl_ост) остается (рис. 1).

Рис. 2. Диаграмма растяжения металла

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения (Р_упр , Р_т, Р_max , Р_к) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений): предела упругости, физического предела текучести, временного сопротивления (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению. В технических расчетах вместо предела прочности обычно используется условный предел текучести, которому соответствует нагрузка Р_0,2 (рис. 2).

Рис. 2. Участок диаграммы растяжения металла

При растяжении образец  удлиняется, а его поперечное сечение  непрерывно уменьшается. Но поскольку  площадь поперечного сечения  образца в каждый данный момент определить сложно, то при расчете предела упругости, предела текучести и временного сопротивления пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение образца остается неизменным. Истинное напряжение рассчитывается только при определении сопротивления разрушению.

3. Вычертите диаграмму  состояния железо - карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите превращения и постройте кривую охлаждения (с применением правила фаз) для сплава, содержащего 5,5% С. Какова структура этого сплава при комнатной температуре и как такой сплав называется?

Первичная кристаллизация сплавов системы железо-углерод  начинается по достижении температур, соответствующих линии ABCD (линии ликвидус), и заканчивается при температурах, образующих линиюAHJECF (линию солидус).

При кристаллизации сплавов по линии АВ из жидкого раствора  выделяются  кристаллы  твердого раствора углерода в α-железе (δ-раствор). Процесс кристаллизации сплавов с содержанием углерода до 0,1 % заканчивается по линии АН с образованием α (δ)-твердого раствора. На линии HJB протекает перитектическое превращение, в результате    которого    образуется    твердый раствор углерода в γ-железе, т. е. аустенит. Процесс первичной кристаллизации сталей  заканчивается по линии AHJE.

При температурах, соответствующих линии ВС, из жидкого раствора кристаллизуется аустенит. В сплавах, содержащих от 4,3 % до 6,67 % углерода, при температурах, соответствующих линии CD,начинают выделяться кристаллы цементита первичного. Цементит, кристаллизующийся из жидкой фазы, называется первичным. B точке С при температуре 1147°С и концентрации углерода в жидком растворе 4,3 % образуется эвтектика, которая называется ледебуритом. Эвтектическое превращение с образованием ледебурита можно записать формулой ЖР_4,3 Л[А_2,14+Ц_6,67]. Процесс первичной кристаллизации чугунов заканчивается по линии ECF образованием ледебурита.

Таким образом, структура  чугунов ниже 1147°С будет: доэвтектических — аустенит+ледебурит, эвтектических — ледебурит  и   заэвтектических — цементит (первичный)+ледебурит.

Превращения, происходящие в твердом состоянии, называются вторичной кристаллизацией. Они связаны с переходом при охлаждении γ-железа в α-железо и распадом аустенита.

Линия GS соответствует температурам начала превращения аустенита в феррит. Ниже линии GS сплавысостоят из феррита и аустенита.

Линия ЕS показывает  температуры  начала   выдел пня   цементита    из  аустенита   вследствие  уменьшения растворимости углерода в аустените с понижением температуры. Цементит, выделяющийся из аустенита, называется вторичным цементитом.

В точке S при температуре 727°С и концентрации углерода в аустените 0,8 % образуется эвтектоидная смесь состоящая из феррита и цементита, которая называется перлитом. Перлит получается в результате   одновременного выпадения из аустенита частиц феррита и цементита. Процесс превращения аустенита в перлит можно записать формулой А_0,8 П[Ф_0,03+Ц_6,67].

Линия PQ показывает на уменьшение растворимости углерода в феррите при охлаждении и выделении цементита, который называется третичным цементитом.

Следовательно, сплавы, содержащие менее 0,008% углерода (точкаQ), являются однофазными и имеют структуру чистого феррита, а сплавы, содержащие углерод от 0,008 до 0,03% – структуру феррит+цементит третичный и называются техническим железом.

Доэвтектоидные стали при температуре ниже 727ºС имеют структуру феррит+перлит и заэвтектоидные – перлит+цементит вторичный в виде сетки по границам зерен.

В доэвтектических чугунах в интервале температур 1147–727ºС при охлаждении из аустенита выделяется цементит вторичный, вследствие уменьшения растворимости углерода(линия ES). По достижении температуры 727ºС (линия PSK) аустенит, обедненный углеродом до 0,8% (точка S), превращаясь в перлит. Таким образом, после окончательного охлаждения структура доэвтектических чугунов состоит из перлита, цементита вторичного и ледебурита превращенного (перлит+цементит).

Структура эвтектических  чугунов при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного. Заэвтектический чугун при температурах ниже 727ºС состоит из ледебурита превращенного и цементита первичного. 

Правило фаз устанавливает  зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

C = K + 1 – Ф,

где      С – число степеней свободы системы;

К – число компонентов, образующих систему;

1 – число внешних  факторов (внешним фактором считаем  только температуру, так как  давление за исключением очень  высокого мало влияет на фазовое равновесие сплавов в твердом и жидком состояниях);

Ф – число фаз, находящихся в равновесии.