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 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

Раздел VI. Технологические и физические основ обработки резанием

13.СПОСОБЫ ОБРАБОТКИ РЕЗАНИЕМ, СТАНКИ И ИНСТРУМЕНТЫ

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, СИЛЫ И ТЕМПЕРАТУРЫ ПРИ РЕЗАНИИ

14.1.Схематизация процесса 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 реза-

6

нии

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

15.1.Изнашивание и износостойкость режущих инструментов

15.2.Обрабатываемость материалов, характеристики обрабатываемости

15.3.Назначение режимов резания и параметров инструмента

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.Схематизация процессов распространения тепла при сварке

17.СПОСОБЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ СВАРКИ

17.1.Ручная дуговая сварка

17.2Тепловой баланс электрической дуговой сварки

17.3.Сварка в защитных газах

17.3.Плазменная сварка и резка

17.4.Электрошлаковая сварка

17.5.Газовая сварка

17.6.Сварка в защитных газах

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

18.7Диффузионная сварка. Механическая сварка и сварка взрывом

Раздел VIII. Технологии порошковых и полимерны материалов, электро-физико-химические и нетрадиционные методы обработки

19. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕТАЛЕЙ МЕТО-

7

ДОМ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

19.1.Технология изготовления деталей методом порошковой металлургии

19.1.Получение порошка исходного материала

19.2.Формование заготовок

19.3.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 высокоэластическом 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 Библиографический список

8

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей дисциплины«Материаловедение и технология конструкционных материалов» является подготовка студентов в области материаловедения, технологии производства и обработки конструкционных материалов, формообразования заготовок и деталей машин.

Разделы I–III посвящены материаловедению. Рассмотрены строение и свойства материалов (в основном, металлов и их сплавов), причем в отличие от традиционного изложения не только механические, но и основные теплофизические свойства; структура, свойства, термическая и химикотермическая обработка железоуглеродистых сплавов; легированные стали и сплавы, сплавы со специальными свойствами(коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные), инструментальные материалы, цветные металлы и сплавы на их основе и неметаллические материалы.

Изучив разделы дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов», студент должен знать:

·основные свойства материалов, обеспечивающих качество технологических процессов и изделий машиностроения, в том числе свойства сплавов со специальными свойствами(коррозионно-стойких, жаростойких и жаропрочных сплавов, а также инструментальных материалов);

·влияние свойств материалов на ресурсосбережение и надежность изделий, технологических процессов и средств автоматизации;

·основные типы кристаллических решеток и их дефектов, структуру сплавов, общие закономерности диаграмм фазового равновесия и -диа грамму «Железо – цементит»;

·способы термической, химико-термической обработки; основные способы упрочнения металлов и сплавов;

·классификацию металлов, сплавов и неметаллических материалов.

Студент должен владеть:

·методами определения оптимальных и рациональных режимов термообработки, упрочнения материалов;

·методами анализа причин возникновения дефектов в материалах;

·методами проведения стандартных испытаний по определению показателей физико-химических свойств используемых материалов и готовых изделий;

·методами определения качества и состояния сплавов на основании анализа их структуры.

Раздел IV учебника посвящен металлургии и литейному производству. В начале раздела приводятся теоретические сведения, необходимые для анализа физической сути рассматриваемых процессов. Рассмотрение химических превращений и реакций позволило охарактеризовать суть процессов вос-

9

становления железа из руд при выплавке чугуна и снижения содержания углерода и примесей при выплавке стали. Процессы затвердевания и кристаллизации металла и строение слитка объяснены на основе анализа -за кономерностей отвода тепла в изложницу, или литейную форму.

Изучая этот раздел, студент должен иметь представления об основных закономерностях теплообмена в твердых телах, об уравнении теплопроводности и теплофизических характеристиках материалов, о закономерностях выравнивания температуры и описании их методом точечных источников, в частности о температуре стержня с постоянной температурой на торце; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения металлов и сплавов, методы расчета энергетических затрат, количественной оценки времени остывания отливок или слитков с помощью ЭВМ, основные направления повышения качества отливок и производительности металлургического и литейного производства; уметь проектировать заготовки, получаемые литьем, выбирать рациональные технологии и оценивать затраты энергии и времени, связанные с производством отливок.

Раздел V посвящен технологическим способам обработки заготовок резанием. На основе кинематического подхода даны характеристики способов лезвийной и абразивной обработки резанием, определения геометрических характеристик режущих инструментов и режима резания, деформации материала при резании.

Рассмотрено влияние схемы резания(свободного и несвободного, прямоугольного и косоугольного, стационарного и нестационарного) на технологические составляющие силы резания применительно к основным способам лезвийной обработки. Приведены теоретические и эмпирические сведения об удельных силах резания.

Методы технологической теплофизики и термомеханики использованы для определения температур в зоне стружкообразования, на передней и задней поверхностях инструмента.

Рассмотрены геометрические характеристики износа, а также дифференциальные и интегральные характеристики изнашивания режущего лезвия, выяснены связи между ними и влияние условий термомеханического нагружения режущего лезвия на его износ или пластические деформации. Рассмотрены методики определения допускаемых режимов резания по заданным рациональным температурам или по условиям достижения критериев затупления инструмента.

Приведены основные понятия, использующиеся при разработке технологических процессов обработки резанием, методика расчета заготовок и назначения межоперационных размеров деталей, а также примеры проектирования лезвийной обработки при получении заготовок.

10

Изучив пятый раздел, студент должен иметь представления об условиях образования сливной стружки и вытекающих из них характеристиках (усадке стружки, относительном сдвиге), о деформациях и скоростях деформации при резании, о закономерностях распространения тепла от быстродвижущихся источников, о взаимосвязи температуры и механических характеристик обрабатываемого материала, о влиянии температуры на изнашивание инструмента; знать основные понятия, определения и расчетные формулы, характеризующие способы лезвийной и абразивной обработки резанием, методики расчета сил, температур, режимов резания, выбора рациональных инструментальных материалов и назначения рациональных режимов резания, а также методики оценки точности и шероховатости обработанных поверхностей, размеров заготовок; уметь рассчитывать оптимальные размеры заготовок, выбирать и проектировать рациональные способы обработки резанием, описывать характеристики оборудования и режущих инструментов, рассчитывать на ЭВМ и выбирать по таблицам рациональные параметры режима резания, разрабатывать технологические наладки обработки резанием, обосновывать оптимальные варианты технологических процессов обработки деталей резанием.

В разделе VI рассмотрены основные технологические способы обработки металлов давлением, применяющиеся в металлургическом производстве (прокатное производство, волочение и прессование) и в машиностроении (ковка и штамповка), а также основы получения деталей методом порошковой металлургии. Рассмотрение технологических способов обработки металлов давлением предваряется изложением необходимых теоретических сведений о напряжениях, деформациях, механических свойствах и нагреве заготовок. Наряду с описанием технологических характеристик рассмотрены закономерности теплообмена при обработке давлением, а также методы оценки деформаций, расчета сил, работы и мощности деформирования.

Изучив этот раздел, студент должен иметь представление о характеристиках напряженного и деформированного состояния, об изменении механических характеристик материала в зависимости температуры и других условий его деформирования, об основных схемах деформирования материалов и способах обработки давлением, о методах расчета работы и усилий деформирования, о закономерностях нагрева заготовок; знать характеристики технологических процессов и оборудования, применяющихся в металлургическом и машиностроительном производствах для получения продукции прокатного производства, волочения и прессования и заготовок с применением ковки, объемной и листовой штамповки, методы расчета энергетических затрат и усилий деформирования, основные направления повышения качества и производительности; уметь выбирать рациональные технологии и оборудование, оценивать затраты

11

энергии и усилия деформирования, разрабатывать технологические наладки способов обработки давлением, проектировать чертежи поковок (штамповок).

Раздел VII посвящен сварочному производству. Здесь приводятся сведения о технологических и физических основах сварки, об основных источниках тепловой энергии, об электрических свойствах сварочной дуги, об источниках сварочного тока. Рассмотрены схематизация и методы расчета температуры при сварке от неподвижных и от движущихся источников тепла, баланс тепловых потоков при дуговой сварке. С применением методов технологической теплофизики к расчету температуры - рас смотрены основные способы термической и термомеханической сварки.

Изучив этот раздел, студент должен иметь представление о закономерностях распространения тепла от неподвижных и движущихся источников тепла, о методах расчета температуры и тепловых потоков при осуществлении различных способов сварки; знать характеристики основных технологических процессов и оборудования, применяющихся для сварки, методы расчета энергетических затрат, теплового баланса и производительности сварки, основные направления повышения качества и производительности сварки; уметь проектировать технологические наладки сварочных процессов, выбирать рациональные сварочные технологии и оценивать затраты энергии и времени.

Раздел VIII посвящен получению заготовок методом порошковой металлургии и заготовок из полимерных материалов, также электро- физико-химическим и нетрадиционным методам обработки.

Приводятся краткие теоретические сведения о технологии получения различных деталей методом порошковой металлургии и способах производства изделий из полимерных материалов.

В этом же разделе рассмотрены физические основы методов элек- тро-физико-химической обработки, нетрадиционной обработки водонапорной и водоабразивной струй высокого давления, получения прототипов изделий и самих изделий при использовании процессов наращивания поверхности, а также особенности получения функциональных покрытий на рабочих поверхностях изделий методами химического и физического осаждения.

По каждому из разделов дисциплины приведены тесты для текущего контроля знаний, ориентированные на содержание данного учебника и охватывающие вопросы, традиционно рассматриваемые в аналогичных разделах других учебников.

12

РАЗДЕЛ I. Строение и свойства материалов

1. СТРОЕНИЕ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

1.1. Агрегатные состояния

Все вещества в зависимости от температуры и давления могут находиться в трех агрегатных состояниях: твердом, жидком и газообразном

(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Диаграмма состояния вещества в зависимости от давления и температуры

В газообразном состоянии частицы вещества не связаны между собой молекулярными силами притяжения и хаотически движутся, заполняя весь возможный объем. При обычных давлениях и температурах среднее расстояние между молекулами в газах примерно в десять раз больше, чем в твердых телах и жидкостях. Поэтому газы имеют значительно меньшие плотности, чем твердые тела и жидкости. При обычных температурах газы

– хорошие диэлектрики, так как их атомы и молекулы электрически нейтральны.

При нагреве газа до высоких температур происходит его ионизация: концентрация заряженных частиц увеличивается, причем объемные плотности положительных и отрицательных электрических зарядов заряженных частиц становятся практически одинаковыми. Термически ионизированный газ отличается от обычного газа рядом особенностей, позволяющих считать его четвертым (после твердого, жидкого и газообразного) состоянием вещества – плазмой. В технике широкое применение получила «холодная» или низкотемпературная плазма (~103–104 К).

Жидкости представляют собой вещества в конденсированном агрегатном состоянии, промежуточном между твердым и газообразном. Жидкости подобно твердым телам обладают малой сжимаемостью и большой плотностью, но в то же время подобно газам не обладают упругостью

13

формы и легко текут. В жидкостях среднее расстояние между молекулами сравнимо с размерами самих молекул (~10 Нм = 10–10 м) и силы межмолекулярного взаимодействия весьма значительны. Подобно частицам твердого тела молекулы жидкости совершают тепловые колебания около -не которых положений равновесия. Однако, если в твердых телах эти положения равновесия неизменны(т. е. имеет место дальний порядок), то в жидкостях они время от времени изменяются: по истечении некоторого времени молекула жидкости перескакивает в новое положение равновесия, перемещаясь на расстояние, сравнимое с расстоянием между молекулами. Эти перемещения молекул жидкости обусловливают ее текучесть. Таким образом, несмотря на то, что в жидкостях не соблюдается дальний порядок, как у твердых тел, для них имеет место«ближний порядок»: в среднем для каждой молекулы жидкости число ближайших соседей и их взаимное расположение одинаковы.

В твердом состоянии физические тела характеризуются стабильностью формы. При изменении формы в твердых телах возникают упругие силы, препятствующие этому изменению. В твердых телах элементарные частицы (атомы, молекулы или ионы) совершают малые тепловые колебания около некоторых фиксированных положений равновесия, т. е. имеет место «дальний порядок», вследствие которого элементарные частицы твердого тела могут располагаться по узлам кристаллических решеток.

Таблица 1.1

Плотность, теплоемкость, температура плавления и теплота плавления некоторых металлов

14

В чистых металлах при повышении температуры происходит изменение агрегатного состояния: при превышении температуры плавления твердое состояние сменяется жидким, при превышении температуры кипения жидкое состояние переходит в газообразное. Эти температуры перехода зависят от давления.

Температура плавления – особенно важная константа свойств металла

– колеблется для различных металлов в весьма широких пределах: от минус 38,9 °С для ртути, самого легкоплавкого металла, находящегося при комнатной температуре в жидком состоянии, до 3390 °С – для самого тугоплавкого металла – вольфрама.

При постоянном давлении температуры плавления вполне определенны и для наиболее распространенных в технике металлов приведены в таблице 1.1.

Переход металла из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллической структуры называется первичной кристаллизацией. Плавление – процесс, обратный кристаллизации.

Энергетическое состояние системы, имеющее огромное число охваченных тепловым движением частиц(атомов, молекул), характеризуется особой термодинамической функцией G, называемой свободной энергией. В природе все самопроизвольно протекающие превращения (кристаллизация, плавление, коррозия) обусловлены тем, что новые состояния в новых условиях являются энергетически более устойчивыми и обладают меньшим запасом свободной энергии. Чем больше свободной энергии системы, тем система менее устойчива.

В самопроизвольно протекающих процессах свободная энергия убывает на величину G, которая равна:

G= H – T S,

где H – изменение энтальпии (теплосодержания системы), Т – абсолютная температура системы, S – изменение энтропии системы при превращении.

Изменение энтальпии H показывает изменение внутренней энергии системы от изменения энергии кристаллической решетки, энергии всех видов движения частиц, составляющих систему, энергии упругих искажений кристаллической решетки, т. е. изменение энергии системы при превращении (тепловой эффект превращения).

Величина S характеризует упорядоченность в расположении атомов в системе. Чем более беспорядочно микросостояние системы, тем выше величина энтропии. Для различных агрегатных состояний вещества значение энтропии возрастает в последовательности: Sкрист→Sжидк →Sпар.

15

1.2. Металлы и их кристаллическое строение.

Металлы – элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа.

Металлы в твердом состоянии обладают рядом характерных свойств:

·высокой тепло- и электропроводностью;

·положительным температурным коэффициентом электросопротивления (с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает; большое число металлов обладает сверхпроводимостью–

уэтих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает скачкообразно практически до нуля);

·термоэлектронной эмиссией, т. е. способностью испускать электроны при нагреве;

·хорошей отражательной способностью (металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском);

·повышенной способностью к пластической деформации.

Эти свойства металлов обусловлены их электронным строением. Металлическое состояние возникает в комплексе атомов, если при их сближении внешние электроны теряют связь с отдельными атомами, становятся общими, т. е. коллективизируются и свободно перемещаются по определенным энергетическим уровням между положительно заряженными и периодически расположенными в пространстве ионами. Устойчивость металла, представляющего собой ионно-электронную систему, определяется электрическим взаимодействием между положительно заряженными ионами и коллективизированными электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило названиеметалличе-

ской связи.

Сила связи в металлах определяется соотношением между силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстояния один от другого, чтобы энергия взаимодействия была минимальной. Этому положению соответствует равновесное расстояние d0 (рис. 1.2).

Правильное регулярное расположение атомов в твердом теле, характеризующееся периодической повторяемостью в трех измерениях, образует кристаллическую решетку, а тела, имеющие кристаллическую решетку, называют твердыми телами. Металлы являются телами кристаллически-

ми.

Наиболее простой кристаллической решеткой у металлов является кубическая, имеющая две разновидности: кубическую объемно-

16

центрированную (ОЦК) и кубическую гранецентрированную(ГЦК) (рис. 1.3а–б).

Рис. 1.2. Силы взаимодействия двух атомов

Рис. 1.3. Кристаллические решетки:

а) кубическая объемно-центрированная (ОЦК), б) кубическая гранецентрированная (ГЦК), в) гексагональная плотноупакованная (ГПУ)

У обоих типов этих решеток основу ячеек составляют восемь атомов, образующих куб и находящихся в его вершинах. Остальные атомы находятся или в центре объема куба(1 атом на пересечении диагоналей в решетке ОЦК), или в центре каждой из его граней(6 атомов в решетке ГЦК). Кристаллические решетки ОЦК имеют альфа-железо(Feα), хром, ванадий, вольфрам и другие металлы. Решетку ГЦК имеют гамма-железо (Feγ), алюминий, медь, никель и другие металлы.

Другой разновидностью кристаллических решеток у металлов является гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ). Ячейка этой решетки представляет собой шестигранную призму с центрированными основаниями, между которыми на некотором расстоянии от центров трех граней расположены еще три атома. ГПУ решетку имеют магний, цинк, бериллий и другие металлы (рис. 1.3в).

17

Плоскости, параллельные координатным плоскостям и находящиеся на расстоянии а, в, с, разбивают кристалл на множество параллелепипедов, равных и параллельно ориентированных. Наименьший параллелепипед называют элементарной ячейкой. Вершины параллелепипеда называют узлами пространственной решетки. Размер элементарной ячейки оценивают отрезками а, в, с, называемыми периодами решетки.

Период решетки – это расстояние между атомами по ребру - эле

ментарной ячейки. Параметры решетки измеряется в нанометрах(1 нм = 10−9 м = 10 Å).

Дополнительными характеристиками кристаллической решетки -яв ляются координационное число, коэффициент компактности, базис кристаллической решетки.

Координационное число К – число ближайших равноудаленных частиц (атомов) от любого атома в кристаллической решетке(для ОЦК – К8, для ГЦК – К12). Коэффициент компактности (плотность упаковки) – отноше-

ние объема всех частиц, приходящихся на одну элементарную ячейку, ко всему объему элементарной ячейки (для ОЦК – 0,68, для ГЦК – 0,74).

Базис кристаллической ячейки – число атомов, принадлежащих каждой элементарной ячейке. Для ОЦК, ГЦК и ГПУ базис соответственно ра-

вен: Б = 2, 4, 4.

Упорядоченность расположения атомов в кристаллической решетке позволяет четко выделить кристаллографические направления и плоско-

сти (рис. 1.4). Кристаллографические направления – лучи, выходящие из какой-нибудь точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы.

Рис. 1.4. Основные кристаллографические направления и плоскости

Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями являются его ребра и диагонали грани.

Кристаллографические плоскости – плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональной плоскости. Кристаллографические направления и плоскости принято обозначать индексами

18