- •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
20.4. Сварка полимерных материалов
Термопластичные полимерные материалы можно соединять методами сварки. Соединение полимерных материалов способом сварки основано на том, что макромолекулы, находящиеся в пластичном состоянии, приобретают повышенную подвижность и происходит взаимная диффузия молекулярных цепей или их участков в поверхностные слои сплавляемых деталей. Для того чтобы диффузия проходила достаточно интенсивно, поверхностные слои свариваемых пластиков нагревают до вязкотекучего состояния и соединяют под давлением в 50–100 МПа, обеспечивающим контакт свариваемых поверхностей.
Температурный интервал сварки определяется зоной вязкотекучего состояния пластика. Для некоторых полимеров допустимо некоторое отклонение от средней температуры сварки, а для ряда материалов с узкой зоной вязкотекучего состояния (например, для полиамидов) необходимо точно выдерживать заданную температуру сварки.
Температура сварки и мощность нагревателей зависят от теплофизи-ческих свойств пластика. Эти свойства могут значительно изменяться даже для одного и того же полимера, поэтому сварочные нагреватели изготовляют со значительным запасом мощности.
При увеличении толщины свариваемых деталей должна быть повышена мощность нагревателя. Для каждого полимера имеется такая максимальная толщина, выше которой нельзя получить на данном сварочном аппарате высококачественного сварного шва. Чрезмерное повышение температуры сварки приводит к вытеканию материала у рабочей поверхности. При одинаковой температуре размягчения материалов можно сваривать более толстые детали из того пластика, который имеет более высокий коэффициент теплопроводности и более низкую удельную теплоемкость.
В зависимости от степени пластичности в нагретом состоянии сварку пластмасс производят с применением или без применения присадочного материала. Без присадки сваривают пластмассы, приобретающие высокую пластичность в нагретом состоянии (полиэтилен, полиамиды, органическое стекло и др.).
Присадка применяется при сварке пластмасс, обладающих ограниченной пластичностью при нагреве (винипласт) или лишь размягчающихся в незначительной степени (фторопласт-4).
Выбор метода сварки определяется природой материала, толщиной свариваемых изделий, их конструкцией и т. д.
В зависимости от источника тепла и способа его подведения к свариваемым деталям различают следующие виды сварки:
контактную, основанную на нагреве материала при контакте его с нагревателем;
радиационную, при которой нагрев осуществляется теплом, излучаемым радиатором (облучателем);
фрикционную, основанную на нагреве материала за счет тепла, выделяемого при трении свариваемых деталей;
токами высокой частоты или ультразвуком;
в струе горячего газа или воздуха.
Контактная сварка бывает точечной и роликовой.
Принцип точечной контактной сварки заключается в том, что свариваемые детали (пленки или тонкие плиты) в различных местах попеременно сжимаются между нагретыми электродами. В местах сжатия в течение 15 секунд образуется точечный сварной шов. Для предотвращения прилипания свариваемого материала к электродам последние покрываются веществами с малой адгезией, например целлофаном или силиконовым лаком.
Точечную сварку пластмасс осуществляют с помощью ручных или механических сварочных аппаратов.
Схема роликовой сварки изображена на рисунке 20.10. Нагрев свариваемых изделий 1 производится нагревателем 3, перемещающимся вдоль свариваемой поверхности предполагаемого шва. Нагретые участки сжимаются роликом 2. Этот способ применяется при сваривании тонких листов внахлестку, производителен и легко поддается автоматизации.
Рис. 20.10. Схема роликовой сварки:
1 – свариваемый материал; 2 – ролик, 1 – нагреватель
Особенно высокой производительностью отличается сварка горячим клином (рис. 20.11). Клин 1, нагретый до температуры 340–390 °С, находится между свариваемыми полосами 3, которые скользят по нему и нагреваются до температуры сварки (200 °С). У острия клина пленки сжимаются в валках 2 и свариваются.
Рис. 20.11. Схема сварки горячим клином:
1 – клин; 2 – валки; 3 – свариваемые полосы
К высокопроизводительному способу относится сварка полимерных пленок между двумя вращающимися металлическими электродами, имею-щими форму дисков. Нагрев материала при этом осуществляется токами высокой частоты.
При радиационной сварке детали нагреваются за счет тепла радиатора, а затем сжимаются и выдерживаются до затвердения шва. Схема радиационной сварки труб показана на рисунке 20.12. Подготовленные для сварки трубы определенное время выдерживаются у электрического радиатора, а затем сжимаются.
а б
Рис. 20.12. Радиационная сварка труб: 1 – источник тепла; 2 – свариваемые трубы, 3 – сварочный шов
Фрикционная сварка применяется для соединения различных толстостенных деталей. В процессе фрикционной сварки одна часть вращается со скоростью около 500 об/мин, а другая прижимается к первой. Этот способ отличается быстротой и высоким качеством шва.
С помощью токов высокой частоты производят сварку полимерных материалов, диэлектрическая проницаемость которых выше трех. Заготовки для сварки помещают между электродами, являющимися пластинами конденсатора, соединенного с источником тока высокой частоты. Выделяемое при этом тепло пропорционально диэлектрической постоянной свариваемого материала. Равномерный прогрев при высокочастотной сварке обеспечивает высокое качество шва.
Для сварки пластмасс применяют ламповые высокочастотные генераторы с частотой 106–108 Гц мощностью от сотен ватт до ста и более киловатт. Электроды при высокочастотной сварке могут иметь самый разнообразный вид – от стержней, образующих точечные швы, до полос, изогнутых по сложному рисунку, соответствующему контуру изделия.
Широкое распространение имеет сварка пластмасс в струе горячего воздуха, реже – газа (кислорода или азота). Этот вид сварки похож на газовую сварку металла.
Для нагрева воздуха используется тепло сгораемых газов (водорода, ацетилена, природного газа) или электрической спирали.