- •Материаловедение и технология конструкционных материалов
- •Оглавление
- •Раздел I. Строение и свойства материалов
- •Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка железоуглеродистых сплавов
- •Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы
- •Раздел IV. Способы литья в металлургии и в машиностроении
- •Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •Раздел VI. Обработки резанием
- •Раздел VII. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •Раздел VIII. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •Введение
- •Раздел VIII посвящен получению заготовок методом порошковой металлургии и заготовок из полимерных материалов, а также электро-физико-химическим и нетрадиционным методам обработки.
- •Раздел I. Строение и свойства материалов
- •1. Строение, структура и свойства металлов и сплавов
- •1.1. Агрегатные состояния
- •1.2. Металлы и их кристаллическое строение
- •1.3. Реальное строение металлов и дефекты кристаллических решеток
- •1.4. Строение сплавов
- •1.5. Основные закономерности процесса кристаллизации, превращения в твердом состоянии, полиморфизм
- •1.6. Превращения в твердом состоянии. Полиморфизм
- •2. Механические, физические и технологические свойства материалов
- •2.1. Свойства материалов
- •2.2. Деформации и напряжения
- •2.3. Испытание материалов на растяжение и ударную вязкость
- •2.4. Определение твердости
- •2.5. Упругая и пластическая деформации, наклеп и рекристаллизация
- •Раздел II. Структура, свойства и термическая обработка железоуглеродистых сплавов
- •3. Диаграмма «железо – углерод (цементит)»
- •3.1. Общий обзор диаграмм состояния
- •5. Диаграмма состояния для сплавов, образующих химические соединения.
- •7. Диаграмма состояния сплавов с полиморфными превращениями компонентов и эвтектоидным превращением.
- •3.2. Компоненты, фазы и структурные составляющие железоуглеродистых сплавов
- •3.3. Изменения структуры сталей при охлаждении
- •3.4. Изменения структуры чугунов при охлаждении
- •3.5. Классификация и свойства углеродистых сталей
- •3.6. Классификация и свойства чугунов
- •4. Термическая и химико-термическая обработка углеродистых сталей
- •4.1. Влияние нагрева и скорости охлаждения углеродистой стали на ее структуру
- •4.2. Отжиг углеродистых сталей
- •4.3. Закалка углеродистых сталей
- •4.4. Отпуск закаленных углеродистых сталей
- •4.5. Химико-термическая обработка сталей
- •Раздел III. Конструкционные и инструментальные материалы
- •5. Конструкционные стаЛи и сплавы
- •5.1. Влияние легирующих элементов на структуру, механические свойства сталей и превращения при термообработке
- •5.2. Маркировка и классификация легированных сталей
- •5.3. Конструкционные стали
- •5.4. Коррозионно-стойкие стали
- •5.5. Жаропрочные стали и сплавы
- •5.6. Жаростойкие стали и сплавы
- •5.7. Инструментальные стали и сплавы для обработки материалов резанием
- •5.8. Инструментальные стали для обработки давлением
- •6. Титановые, медные и алюминиевые сплавы
- •6.1. Титан и его сплавы
- •6.2. Медь и её сплавы
- •6.3. Алюминий и его сплавы
- •7. Неметаллические материалы
- •7.1. Полимеры и пластмассы
- •7.2. Резиновые и клеящие материалы
- •7.3. Стекло, ситаллы, графит
- •7.4. Композиционные материалы
- •Раздел IV. Способы литья в металлургии и машиностроении
- •8. Производство чугуна и стали
- •8.1. Производство чугуна
- •8.2. Сущность процесса выплавки стали
- •8.3. Производство стали в мартеновских печах и конвертерах
- •8.4. Производство и повышение качества сталей и сплавов в электропечах
- •9. Способы литья
- •9.1. Изготовление песчаных литейных форм
- •9.2. Основные операции получения отливок в песчаных формах
- •9.3. Закономерности охлаждения отливок в литейных формах
- •9.4. Литье в оболочковые формы и по выплавляемым моделям
- •9.5. Литье в металлические формы, под давлением, центробежное литье
- •Раздел V. Обработка металлов давлением в металлургии и машиностроении
- •10. Горячая и холодная обработка металлов давлением. Прокатка
- •10.1. Горячая и холодная обработка металлов давлением
- •10.2. Нагрев заготовок перед обработкой давлением
- •10.3. Прокатка: схемы процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •10.4. Деформации при прокатке
- •10.5. Мощность и усилия деформирования при прокатке
- •10.6. Теплообмен и температура при горячей прокатке
- •11. Волочение и прессование
- •11.1. Волочение: схема процесса, продукция, оборудование и инструмент
- •11.2. Деформации и напряжения при волочении
- •11.3. Работа, мощность и усилия при волочении
- •11.4. Температура при волочении
- •11.5. Прессование: схемы процесса, продукция, инструмент
- •11.6. Деформации, работа и усилия деформирования при прессовании
- •12. Способы обработки металлов давлением в машиностроении
- •12.1. Общая характеристика операций ковки и горячей объемной штамповки
- •12.2. Оборудование для ковки и штамповки
- •12.3. Деформации, работа и усилия при различных операциях ковки и штамповки
- •12.4. Нагрев и охлаждение штампов при горячей штамповке
- •12.5. Холодная листовая штамповка
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VI. Обработка резанием
- •13. Характеристики способов обработки резанием, деформации и силы резания
- •13.1. Способы обработки резанием
- •13.2. Металлорежущие станки
- •13.3. Режущие инструменты, действительные углы режущего лезвия
- •13.4. Характеристики режима резания и сечения срезаемого слоя
- •14. Деформации, напряжения, силы и температуры при резании
- •14.1. Схематизация стружкообразования и характеристики деформаций при резании
- •14.2. Силы при точении
- •14.3. Схема и расчет сил при торцовом фрезеровании
- •14.4. Предел текучести и температура деформации при резании
- •14.5. Температура полуплоскости от равномерно распределенного быстродвижущегося источника тепла
- •14.6. Температура передней поверхности режущего лезвия
- •14.7. Температура задней поверхности режущего лезвия
- •15. Износостойкость инструмента и режимы резания, проектирование технологического процесса
- •15.1. Изнашивание и износостойкость режущих инструментов
- •15.2. Обрабатываемость материалов, характеристики обрабатываемости
- •15.3. Назначение режимов резания и параметров инструмента при обработке резанием
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VII. Теплофизические основы и технологии сварочного производства
- •16. Характеристика способов сварки и схематизация сварочных процессов
- •16.1. Классификация и технологические характеристики различных способов сварки
- •16.2. Основные источники энергии, применяющиеся при сварке
- •16.3. Схематизация процессов распространения тепла при сварке
- •16.4. Тепловой баланс электрической дуговой сварки
- •17. Способы термической сварки
- •17.1. Ручная дуговая сварка
- •17.2. Автоматическая дуговая сварка под флюсом
- •17.3. Сварка в защитных газах
- •17.4. Плазменная сварка и резка
- •17.5. Электрошлаковая сварка
- •17.6. Газовая сварка
- •18. Термомеханические способы сварки
- •18.1. Электрическая контактная стыковая сварка
- •18.2. Электрическая контактная точечная сварка
- •18.3. Электрическая контактная шовная сварка
- •18.4. Конденсаторная сварка
- •18.5. Сварка трением
- •18.6. Ультразвуковая сварка
- •Тесты для проверки знаний
- •Раздел VIII. Изготовление деталей из композиционных материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •19. Получение деталей методом порошковой металлургии
- •19.1. Технологический процесс получения деталей методом порошковой металлургии
- •Химико-металлургический способ
- •19.2. Получение порошка исходного материала
- •19.3. Формование заготовок
- •19.4. Спекание и доводка заготовок
- •20. Производство изделий из полимерных материалов
- •20.1. Способы формообразования деталей из полимеров в вязкотекучем состоянии
- •20.2. Обработка полимеров в высокоэластичном состоянии
- •20.3. Обработка полимерных материалов в твердом состоянии
- •20.4. Сварка полимерных материалов
- •21. Электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки
- •21.1. Классификация электро-физико-химических методов обработки
- •21.2. Электроэрозионная обработка
- •21.3. Электрохимическая (анодно-химическая) обработка
- •21.4. Ультразвуковая размерная обработка
- •21.5. Лучевая обработка
- •21.6. Комбинированные процессы обработки
- •21.7. Нетрадиционные методы обработки
- •21.8. Методы формирования изделий путем наращивания поверхности
- •21.9. Методы поверхностной модификации свойств изделий
- •Тесты для проверки знаний
- •Библиографический список
9.3. Закономерности охлаждения отливок в литейных формах
Для качественного анализа закономерностей теплоотвода в литейную форму достаточно выделить в ней прямолинейный элемент – стержень, площадь поперечного сечения которого равна единице. Торец стержня контактирует с расплавленным металлом и находится при постоянной или уменьшающейся температуре.
При постоянных температуре расплавленного металла с и начальной температуре стержня
(9.1)
решение для температуры стержня имеет вид
(9.2)
Зная распределение температуры в любой момент времени, на основании закона Фурье найдем плотность теплового потока (рис. 9.4):
(9.3)
Из формулы (9.3) следует, что в начальный период времени (при ) плотность теплового потока очень велика, но с течением времени уменьшается. Количество тепла Q , поступившее через торец стержня площадью F при его нагреве, с течением времени возрастает пропорционально корню квадратному из времени:
(9.4)
Рис. 9.4. Распределение температуры в стержне в моменты времени 1 и 2 при постоянной температуре на торце (а) и зависимости плотности теплового потока q и количества тепла Q от времени для торца стержня x=0 (б)
Охлаждение отливок в литейных формах после заливки происходит от температуры заливки до достижения рациональной температуры выбивки.
По закономерностям изменения температуры время остывания может быть разбито на три отрезка.
В течение первого отрезка времени расплав остывает от температуры заливки металла до температуры начала кристаллизации металла (затвердевания), т. е. до температуры плавления.
В течение второго отрезка времени происходит затвердевание отливки (кристаллизация). При этом температура отливки остается примерно постоянной и равной температуре кристаллизации (плавления).
В течение третьего отрезка времени отливка охлаждается от температуры кристаллизации (плавления) до температуры извлечения отливки из литейной формы (рис. 9.5).
Рис. 9.5. Схема к расчету времени 1 остывания расплава до температуры плавления и времени затвердевания отливки
Поскольку температура заливки относительно немного превышает температуру плавления при оценке количества тепла, отведенного за время 1 в литейную форму, можно считать, что температура на поверхности формы (т. е. на торце стержня) в течение этого интервала времени постоянна и равна средней температуре:
. (9.5)
В течение первого интервала времени 1 через поверхность формы площадью F от расплавленного металла объемом V при температуре заливки металла З и начальной температуре стержня 0 будет отведено количество тепла Q1:
. (9.6)
Из формулы (9.6) найдем величину интервала времени 1, необходимую для остывания расплава до температуры плавления:
. (9.7)
В течение интервала времени температура поверхности литейной формы ниже средней температуры, принятой для первого отрезка времени, на величину. Поэтому действительное температурное поле в условно выделенном стержне, расположенном перпендикулярно поверхности литейной формы, представим в виде суммы температурных полей для стержня, на торце которого поддерживается постоянная температура:
, (9.8)
где
При этом количество тепла, отведенное в литейную форму, будет рассчитываться по формуле:
(9.9)
Температура на поверхности литейной формы будет постоянной, пока не будет отведено количество тепла, необходимое для затвердевания (кристаллизации) отливки (рис. 9.6).
Рис. 9.6. Зависимость средней температуры расплава (отливки) от времени при толщине стенки отливки 10 мм (формовочная смесь сырая с добавлением опилок: ωФ = 0,14·10-6 м2/с, СVФ = 0,51 МДж/(м3·К), литейный сплав – сталь: СV = 6 МДж/(м3·К))
В связи с большим рассматриваемым интервалом времени остывания отливки на рисунке 9.7а, принята логарифмическая шкала по оси времени. Использование логарифмической шкалы искажает действительную форму зависимостей температуры и отведенного количества теплоты от времени, но позволяет более подробно представить процессы, протекающие в начальный период времени, а также рассмотреть больший период времени.
При равномерной шкале времени зависимость количества отведенного тепла от времени – выпуклая (рис. 9.7б).
Общее количество теплоты, которое должно быть отведено до полного остывания отливки:
. (9.10)
Экстраполируя зависимость количества отведенной теплоты от времени до пересечения с уровнем количества теплоты, которое необходимо отвести до остывания отливки, можно примерно оценить время остывания отливки. Аналогичный вывод можно сделать и по графику изменения температуры (рис. 9.7).
При расчетах принято, что литейная форма достаточна велика по размерам и что температура на внешней поверхности формы существенно не отличается от температуры окружающей среды.
Небольшие тонкостенные отливки охлаждаются в форме несколько минут, а толстостенные, крупные (массой 50–60 т) – в течение нескольких суток и даже недель. Поэтому для сокращения времени охлаждения массивных отливок используют различные методы принудительного охлаждения: обдувают воздухом, в формы при формовке укладывают змеевики, по которым пропускают воздух или воду.
а
б
Рис. 9.7. Закономерности отвода теплоты от заливки расплава до начала остывания отливки после кристаллизации расплава: а – логарифмическая шкала времени, б – равномерная шкала времени
На время остывания и количество отведенного тепла существенное влияние оказывают температуры заливки, плавления и выбивки и свойства литейного сплава: теплоемкость, плотность, удельная теплота плавления.
Важным свойством литейных сплавов является усадка. Жидкий металл имеет больший объем, чем закристаллизовавшийся. Уменьшение объема металла в процессе кристаллизации и остывания слитка, а также неравномерность его остывания и затвердевания приводят к образованию пустот, называемых усадочными раковинами. Различают усадку линейную и объемную.
Линейную усадку определяют как отношение разности линейных размеров литейной формы и отливки к линейному размеру отливки при температуре 20 С:
(9.11)
Для серого чугуна линейная усадка равна 0,9–1,3 %, для алюминиевых сплавов – 0,9–1,5 %, для медных сплавов – 1,4–2,3 %, для углеродистых сталей 2–2,4 %.
Объемная усадка определяется как отношение разности объемов полости литейной формы и отливки к объему отливки:
(9.12)
Рассматривая усадку элементарного объема в виде куба со стороной l, получим:
, (9.13)
т. е. объемная усадка численно втрое больше, чем линейная.
Усадочные раковины образуются в средней верхней части отливки (или слитка). В таких местах иногда размещают дополнительный объем – прибыль, которую впоследствии удаляют вместе с усадочной раковиной.
Неравномерность теплоотвода во времени и по объему отливки является одной из наиболее важных закономерностей, определяющих производительность литейного производства и качество отливок.
Распространенность способа литья в песчаные формы связана с его относительно невысокой себестоимостью, сравнительно небольшими затратами на изготовление оснастки и приспособлений, возможностью изготовления отливок из различных сплавов различной массы (от мелких до очень крупных, до нескольких десятков тонн).
Наряду со многими достоинствами, литье в песчаные формы обладает и рядом существенных недостатков. Технологический процесс изготовления отливок весьма трудоемкий: необходимо приготовить формовочные и стержневые смеси, изготовить формы и стержни, собрать их и подготовить к заливке, выдержать отливки в медленно охлаждающейся песчаной форме, выбить их и очистить от формовочной и стержневой смеси, переработать бывшие в употреблении смеси для их повторного использования. Параллельно этому производят подготовку шихтовых материалов, готовят расплав металла для его заливки в литейную форму.
Расплавленный металл при его заливке оказывает тепловое, силовое и химическое воздействие на песчаную форму, что отражается на точности и качестве отливок, служит причиной образования на их поверхности труднообрабатываемой литейной корки, пригара.
Для преодоления этих недостатков были разработаны различные специальные способы литья.