124376 (Системы технологий), страница 11

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.

6.2 Примеры выполнения заданий

Пример 1. Используя диаграмму состояния сурьма-свинег (рис. 2), определить количественное соотношение фаз при температуре в точке d.

Решение. Зависимость между числом равновесных фаз системы (Ф), числом компонентов (К), числом степеней свободы (С) выражается правилом фаз Гиббса.

Рис. 2. Диаграмма состояния сурьма-свинец

Числом степеней свободы (вариантностью системы) называют число внешних (температура) и внутренних (концентрация) факторов равновесия системы, которые можно изменять в определенных пределах, не изменяя числа равновесных фаз.

Сплав сурьмы-свинца, соответствующий точке d, содержит 54% сурьмы. Кристаллизация сплава идет с изменением температуры. Каждому значению температуры соответствует определенная концентрация жидкой фазы, то есть:

С = КЧ1-Ф = 2 + 1-2 = 1.

Получили число степеней свободы 1. Это значит, что произвольно может меняться температура. Если для данного сплава произвольно выбрать концентрацию жидкой фазы, то ей будет соответствовать определенная температура. Такая система одновариантна.

При кристаллизации эвтектического сплава по правилу фаз Гиббса получаем:

Кристаллизация идет при постоянной температуре и постоянной концентрации равновесных фаз. Система безвариантна.

Для нахождения количественного соотношения фаз при температуре точки d через эту точку проводят горизонталь до пересечения с линиями диаграммы состояния. Количества равновесных фаз относятся как отрезки, примыкающие к противоположным фазам.

Количество жидкой (твердой) фазы так относится к количеству всего сплава, как отрезок, прилегающий к твердой (жидкой) фазе относится ко всему отрезку, соединяющему равновесные фазы:

Пример 2. На фрезерных станках устанавливают универсальные делительные головки моделей УДГ-100, УДГ-135, УДГ-160. Числа 100,135,160 показывают высоту центров головок над поверхностью стола (мм) либо наибольший радиус заготовки, которую устанавливают для обработки. Все УДГ характеризуются величиной N*= 40, которая равна числу оборотов рукоятки для поворота шпинделя на один оборот.

С помощью УДГ заготовку можно разделить на определенное число частей при нарезке шестерен, червяков, шлицевых пазов.

На делительных головках УДГ-135, УДГ-160 установлены диски с круговой градусной шкалой, что обеспечивает поворот заготовки на требуемый угол с точностью 1°.

Необходимо разделить заготовку валика для фрезерования 9 шлицев. Определить, на сколько отверстий нужно повернуть шпиндель делительной головки.

Решение. Из трех рядов чисел отверстий, имеющихся в диске УДГ-160, а именно 24, 30, 36, на 9 делится только 36. Тогда число отверстий равно:

Угол поворота шпинделя составит:

Пример 3. Требуется нарезать шестерню с 24 зубьями. Определить, на сколько градусов необходимо повернуть шпиндель с заготовкой.

Пример 4, Необходимо нарезать с помощью УДГ-135 (N = 40) шестерню с 27 зубьями. Установить, на сколько оборотов нужно повернуть рукоятку.

Решение. На делительных дисках УДГ-135 есть 16 рядов отверстий со следующим количеством отверстий в ряду: 16,17,19, 21,23, 29, 30, 31, 33, 37, 39,41,43,47,49, 54.

Число оборотов рукоятки (и ) связано с характеристикой N и числом частей (Z) соотношением:

Однако на диске нет ряда с 27 отверстиями, тогда берут ряд с 54 отверстиями, получаем соотношение 126/54. Это значит, что для фрезерования нужно повернуть рукоятку на один оборот и еще на 26 оборотов в ряду с 54 отверстиями.

Пример 5. Определить основное время сварки двух деталей, если длина сварочного шва 5 см; плотность стали 7,85 г/см3; ток сварки 45 А; площадь поперечного сечения сварочного шва 5 см2; коэффициент направленности электродов 7 г/А-ч.

Решение. Основное время сварки деталей рассчитывает по выражению: