- •С.П. Шатило,. М.С. Бахарев, с.В.Кучеров, г.Ф. Бабюк методическое руководство
- •Технология конструкционных материалов Нижневартовск 2004
- •Предисловие
- •Лабораторная работа № 1 Анализ фазовых равновесий в системе железо-углерод
- •1. Основные теоретические представления
- •2. Анализ диаграммы состояния железо-цементит
- •Исходные данные для анализа процесса кристаллизации железоуглеродистых сплавов в равновесных условиях
- •6. Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 2 Влияние холодной пластической деформации и рекристаллизации на структуру и свойства металлов и сплавов
- •1. Основные теоретические представления
- •1.1. Влияние холодной пластической деформации на структуру и свойства металлов.
- •1.2. Влияние нагрева на структуру и свойства деформированного металла.
- •2. Порядок выполнения работы
- •2.1. Вариант 1 - Создание холодной пластической деформации катодом сжатия на прессе ип-500.
- •Влияние степени холодной пластической деформации на твердость исследуемого материала
- •Влияние нагрева на твердость материала после холодной пластической
- •2.2. Вариант II - Создание холодной пластической деформации на приборе Бринелля.
- •Влияние степени холодной пластической деформации на твердость малоуглеродистой стали
- •Влияние температуры отжига на твердость холоднодеформированной малоуглеродистой стали
- •3. Требования к отчету.
- •5. Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 3 Обработка металлов давлением
- •1. Основные теоретические представления
- •Подготовка машины к испытаниям и порядок работы
- •2. Порядок выполнения работы
- •Размеры исходной заготовки и расчетные данные по режиму осадки
- •Результаты, полученные после осадки по режиму, предусмотренному в таблице 1
- •3. Содержание отчета
- •2. Методика выполнения работы
- •3.Содержание отчета
- •1.Основные теоретические представления
- •1.1.Выбор способа формовки и поверхности разъема формы
- •1.2. Разработка чертежа отливки
- •3. Составление чертежа модели
- •4.Составление чертежа стержневого ящика
- •5. Выбор типа и определение размеров литниковой системы
- •6. Определение размеров опок
- •7. Составление чертежа «форма в сборе»
- •8. Оформление работы
- •9. Рекомендуемый библиографический список
- •Приложение Эскизы деталей к заданию по теме « Технология изготовления литейной формы»
- •Лабораторная работа № 6 Определение режима ручной дуговой сварки
- •Сущность ручной дуговой сварки
- •Задание по лабораторной работе
- •Методика расчета режима ручной дуговой сварки
- •2. Рассчитать силу сварочного тока.
- •3. Определить массу наплавленного металла.
- •5. Определить основное время на сварку по формуле
- •5.Подсчитать количество электроэнергии, идущей на сварку:
- •Лабораторная работа № 7 Микроструктура сварных соединенийнизкоуглеродистой стали Цель работы
- •1. Основные теоретические представления
- •2. Микроструктурный анализ сварных соединений низкоуглеродистой стали
- •3. Методика выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Контрольные вопросы
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 8 Контактная точечная сварка
- •Основные теоретические представления
- •Точечная сварка, физическая сущность процесса (рис. 1)
- •1.1. Свариваемость различных металлов и сплавов
- •1.2. Оборудование для контактной сварке
- •1.3. Аппаратура управления машинами
- •1.4. Электроды контактных машин
- •2. Технология контактной сварки
- •Технические характеристики универсальных машин для точечной сварки
- •Технические характеристики подвесных машин для точечной сварки
- •Технические характеристики точечных машин постоянного тока и конденсаторных
- •Технические характеристики регуляторов цикла точечной и рельефной сварки
- •Технические характеристики тиристорных контакторов
- •Технические характеристики сплавов для электродов контактных машин
- •Электроды прямые для контактных точечных машин (гост 14111 -77)
- •С увеличением числа одновременно свариваемых заготовок снижается качество сварного соединения. В связи с этим в ответственных конструкциях рекомендуется одновременно сваривать не более двух заготовок.
- •Режимы точечной сварки углеродистых сталей
- •Режимы точечной сварки коррозионно-стойких сталей
- •Режимы точечной сварки высокопрочных алюминиевых сплавов на конденсаторных машинах
- •Режимы одноимпульсной рельефной сварки тонколистовой низкоуглеродистой стали
- •Дефекты точечной и шовной сварки
- •5. Порядок проведения работы
- •6. Контрольные вопросы
- •2. Задание по лабораторной работе
- •Индивидуальные задания для расчета
- •Методика расчета режима автоматической сварки под флюсом
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 10 Восстановление деталей электродуговой металлизацией
- •Основные теоретические представления об электродуговой металлизации
- •3. Необходимое оборудование, инструменты и материалы
- •4. Порядок выполнения работы
- •5. Указания по охране труда
- •6. Содержание отчета
- •7. Контрольные вопросы
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 11 Определение прочности электрометаллизационных покрытий на плоских и цилиндрических деталях
- •1.Основные теоретические представления
- •2. Необходимое оборудование, инструменты и материалы
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Примеры определения прочности металлического покрытия на плоской детали
- •4. 1 . Пример 1
- •4.2. Пример 2.
- •5. Примеры определения прочности металлических покрытий на наружной поверхности цилиндрической детали
- •5.1. Пример
- •6. Содержание отчета
- •7. Контрольные вопросы
- •Характеристики шероховатости обрабатываемой поверхности
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 12 Восстановление изношенных деталей вибродуговой наплавкой
- •1.Основные теоретические представления
- •Расчет параметров режима вибродуговой наплавки
- •2. Контрольные вопросы
- •1Об.Шп → об.Реечн.Колеса,
- •Цепь главного движения
- •Цепь продольных подач
- •Цепь поперечных подач
- •Набор сменных шестерен для нарезки метрической резьбы
- •1.2. Расчет рациональных режимов резания
- •Точность и качество поверхности при обтачивании наружных цилиндрических поверхностей
- •Подачи при черновом наружном точении резцами с пластинами из твердого сплава и быстрорежущей стали
- •Подачи, мм/об, при чистовом точении
- •Значения коэффициента и показателей степени в формулах скорости резания
- •Коэффициент , учитывающий качество обрабатываемого материала при обработке стали быстрорежущими резцами
- •Коэффициент , учитывающий качество обрабатываемого материала твердосплавными резцами
- •Коэффициент , учитывающий качество материала при обработке медных и алюминиевых сплавов
- •Коэффициент , учитывающий влияние поверхности заготовки
- •Коэффициент , учитывающий влияние инструментального материала
- •Режимы резания при тонком точении
- •Режимы резания при точении закаленной стали резцами с пластинами из твердого сплава
- •Значения коэффициента Ср и показателей степени в формулах силы резания при наружном точении
- •Коэффициент , для стали, учитывающий влияние качества обрабатываемого материала
- •Коэффициент , учитывающий качество обрабатываемого материала при обработке медных и алюминиевых сплавов и чугуна
- •1.3. Пример расчета рациональных режимов резания
- •Коэффициенты Кφр, Кγр, Кλр, Кrp учитывающие влияние геометрических параметров режущей части инструмента
- •5. Определяем действительную скорость главного движения резания,
- •6. Определяем мощность, затрачиваемую на резание,
- •9. Определяем тангенциальную силу резания,
- •10. Определяем мощность, затрачиваемую на резание,
- •11. Определяем основное время (мин),
- •Порядок выполнения работы
- •Содержание отчета
- •Индивидуальное задание
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 14 Устройство токарно-винторезного станка
- •1. Основные теоретические представления
- •2.Определение основных паспортных данных станка
- •5. Механизмы главного движения
- •6. Механизмы движения подачи
- •3. Контрольные вопросы
- •Лабораторная работа № 15 Геометрия режущего инструмента Цель работы
- •Основные теоретические представления
- •1.1. Токарный проходной резец
- •1.1.1. Поверхности резания
- •Элементы токарного проходного резца
- •Координатные плоскости для определения углов
- •Углы токарного резца
- •1.1.5. Измерение углов токарного резца
- •2.1. Спиральное сверло
- •2.1.1. Элементы и углы спирального сверла
- •2.2.1.Определение углов спирального сверла
- •3.1. Цилиндрическая фреза
- •3.1.1. Элементы и геометрия цилиндрической фрезы
- •3.2.1. Измерение углов цилиндрической фрезы.
- •Приложение
- •1.2.. Определение углов и размеров токарного проходного резца
- •1.3. Материалы для изготовления режущих инструментов
- •Лабораторная работа № 17 Обработка металлов резанием
- •1.Основные теоретические представления
- •Общие сведения по механической обработке деталей машин
- •2. Содержание задания на реферат и порядок его оформления
- •3. Рекомендуемый библиографический список
- •Приложение
- •Основные виды и способы пайки
- •Материалы для пайки
- •Типы паяных соединений
- •Краткое описание источника нагрева, припоя и флюса, применяемых для пайки образцов
- •Последовательность подготовки и пайки образцов
- •Определение прочности паяного соединения
- •2. Порядок выполнения работы
- •3. Требования к отчету
- •4. Контрольные вопросы
- •Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 19
- •Классификация и технологические свойства пластмасс.
- •Технология получения изделий из пластмасс
- •Физико-механические свойства пластмасс
- •Оборудование и приборы
- •Порядок выполнения работы
- •4. Контрольные вопросы
- •5 Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 20 "Изнашивание полимеров при трении скольжения" Цель работы
- •Основные теоретические представления.
- •2. Порядок выполнения лабораторной работы.
- •2.1. Приборы, принадлежности, образцы
- •2.2. Сборка и установка узла трения
- •2.3. Работа установки
- •3.4. Обработка результатов измерений
- •3. Контрольные вопросы
- •4. Рекомендуемый библиографический список
- •Содержание отчета
- •Приложения
- •Лабораторная работа № 21
- •3. Основные теоретические представления
- •4. Основные схемы обработки и элементы рехима резания при шлифовании
- •5. Устройство круглошлифовального станка.
- •6. Устройство плоскошлифовального станка
- •7. Определение некоторых паспортных данных круглошлифовального станка
- •8. Определение некоторых паспортных данных плоскошлифовального станка
- •9.Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка
- •Варианты заданий для расшифровки маркировки шлифовального круга
- •10. Режимы резания при шлифовании
- •10.1 Выбор шлифовального круга
- •10.2 Припуски на обработку
- •10.3. Расчет режима резания при круглом шлифовании с продольной подачей
- •10.4 Определение основного времени при круглом шлифовании
- •10.5 Расчет режима резания при плоском шлифовании периферией круга
- •10.6. Определение основного времени при плоском шлифовании
- •10.7. Пример расчета режима резания и основного времени при круглом шлифовании
- •10.8. Пример расчета режима резания и основного времени при плоском шлифовании
- •11. Содержание отчета
- •12. Контрольные вопросы
- •13. Рекомендуемый библиографический список
- •Лабораторная работа № 22 "Определение смазочной способности индустриальных масел" Цель работы
- •1. Основные теоретические представления
- •2. Приспособления, приборы, материалы
- •3. Порядок выполнения работы
- •4. Содержание отчета
- •5. Контрольные вопросы
- •6. Рекомендуемый библиографический список
- •Оглавление
2. Анализ диаграммы состояния железо-цементит
Рассмотрим превращения в железоуглеродистых сплавах, содержащих до 2,14% С, - техническом железе и углеродистой стали, охватываемых "стальной" частью диаграммы состояния железо- цементит.
В сплавах, содержащих углерода менее 0,1% (сплав 1, см. рис.2), при охлаждении из жидкого состояния последовательно протекают следующие превращения (рис.4): в интервале температур 11-21 – первичная кристаллизация с образованием феррита, в интервале 31-41 фазовая перекристаллизация с образованием аустенита. В интервалах 21-31 и ниже точки 41 происходит охлаждение продуктов превращений, соответственно феррита и аустенита. Уравнения фазовых реакций и схематическое изображение структур в указанных интервалах температур показано на рис.4.
Рис.4. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 1
При содержании углерода 0,16% (сплав 2, см, рис.2) первичная кристаллизация происходит в интервале 12-J. При этом жидкость, оставаясь насыщенной, изменяет состав в диапазоне от 12 до В, а феррит - от 1`2 до Н. В двухфазной смеси Ж+Ф количество жидкости состава точки В (Жв) представлено отрезком HJ, а количество феррита состава точки Н (Фн) отрезком Ж
При взаимодействии жидкости Жв и феррита Фн образуется аустенит состава точки J(AJ) (см. уравнение на рис.5). Эта нонвариантная перитектическая реакция распространяется на интервал: концентраций углерода от точки Н (0,1% С) до точки В (0,5% С).
Рис.5. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 2
В сплавах типа 3 (<0,16% С) и 4 (>0,16% С) (см. рис.2) перитектическое превращение протекает соответственно при избытке феррита пли жидкости. Поэтому ниже 1499°С превращение в сплавах типа 3 протекает в форме фазовой перекристаллизации с образованием аустенита (рис.б), а в сплавах типа 4 – первичной кристаллизации с образованием аустенита (рис.7).
Рис.6. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 3
Рис.7. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 4
В сплавах типа 5 (0,5-2,14% С, см. рис.2) имеет место первичная кристаллизация с образованием аустенита. При этом состав жидкости в условиях равновесной кристаллизации изменяется от точки 15 до точки 2'5, а аустенита - от точки 1'5 до точки 25.
Как указывалось, формирование структуры стали при охлаждении до нормальной (комнатной) температуры проходит независимо от содержания углерода через состояние аустенита. При содержании углерода менее 0,025% (сплав типа 6, см. рис.3) аустенит в интервале температур 16-26 претерпевает фазовую перекристаллизацию с образованием феррита (рис.8). Образовавшийся феррит оказывается насыщенным и ниже температуры точки 36, при дальнейшем охлаждении из него выделяется цементит. При этом состав феррита изменяется в соответствии с линией его насыщения до точки Q (0,0067% С).
Рис.8, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7
При содержании углерода в стали 0,8% (сплав 7, см, рис.3) аустенит при температуре 727°С (точка S) оказывается насыщенным и железом, и углеродом. Поэтому при этой температуре происходит распад аустенита с образованием эвтектоидной смеси феррита и цементита, которая называется перлитом (П, см. рис.9). В интервале температур ниже 727°С из ферритной составляющей перлита в соответствии с линией PQ выделяется третичный цементит Цш (см. рис.9), соединяющийся с цементитом перлита. Сталь состава точки S (0,8% С) называется эвтектоидной.
Рис.9. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур сплава 7
При охлаждении аустенита доэвтектоидной стали (сплав 8, см.рис.3) в интервале температур 18-28 происходит фазовая перекристаллизация. При этом на уровне температуры 727°С аустенит в двухфазной смеси А+Ф приобретает эвтектоидный состав и при постоянной температуре превращается в перлит (см. реакции на рис.10). Таким образом, ниже 727°С доэвтектоидная сталь представлена перлитом и избыточной фазой – ферритом. В соответствии с линией PQ в этой стали ниже 727°С также выделяется третичный цементит Цш.
Из аустенита заэвтектоидной стали (сплав 9, рис.3) ниже температуры линии ES (точка 19) выделяется цементит (ЦII) и при температуре 727°С, достигая эвтектоидного состава, превращается в перлит (см. уравнения на рис.11). Следовательно, в структуре эвтектоидной стали также содержится перлит.
Таким образом, в равновесным условиях при нормальной температуре эвтектоидная сталь представлена перлитом, доэвтектоидная -перлитом и избыточным ферритом, заэвтектоидной – перлитом и избы точным цементитом в виде сетки по границам зерен перлита.
Рис.10. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 8
Рис. 11, Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 9
Различают чугуны эвтектический (4,3% С), доэвтектический (2,14-4,3% С) и заэвтектический (более 4,3% С). Эвтектический чугун (сплав 10, см. рис.1) в процессе кристаллизации распадается с образованием смеси аустенита состава точки Е и цементита. Такое превращение называется эвтектическим, а продукт превращения – смесь цементита и аустенита – ледебуритом (эвтектикой). Эвтектическое превращение, будучи трехфазным, согласно правилу фаз протекает при постоянной температуре (рис.12). В соответствии с линией ES из аустенита ледебурита при охлаждении в интервале 1147-727°С выделяется вторичный цементит и при температуре 727°С превращается в перлит.
Рис. 12. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 10
В довэтектическом чугуне (см. рис.3., сплав 11) описанным превращениям предшествует первичная, кристаллизация с образованием аустенита (рис.13). В заэвтектическом чугуне (см. рис.3, сплав 12) продуктом первичной кристаллизации является цементит (рис.14). При этом на уровне температур 1147°С жидкость в смесях Ж+А и Ж+Ц приобретает эвтектический состав и превращается в ледебурит.
Таким образом, кристаллизация всех сплавов в интервале содержания углерода от 2,14 до 6,67% завершается эвтектическим превращением при одинаковой температуре на линии ECF - 1147°С, всем чугунам свойственно также выделение из аустенита вторичного цементита в интервале 1147-727°С, протекание эвтектоидного превращения при температуре 727°С и выделение ферритом третичного цементита ниже 727°С. Формирование структуры чугуна при охлаждении из жидкого состояния сопряжено с протеканием двух нонвариантных превращений: эвтектического и эвтектоидного. Поэтому на кривых охлаждения образуются две изотермические площадки при температурах 1147°С и 727°С (см. рис. 12-14).
Рис. 13. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 11
Структура эвтектического чугуна при нормальной температуре представлена ледебуритом, доэвгектического – ледебуритом и перлитом, заэвтектического - ледебуритом и первичным цементитом.
Диаграмма состояния железо-цементит содержит информацию о фазовом состоянии различных сталей и чугунов. Наряду с этим она позволяет решать задачи, связанные с определением состава фаз и количественного соотношения фаз.
Например, сплав 11 (см. рис.1) при температуре точки 311 содержит феррит состава точки Р и цементит состава точки К. При этом количество феррита равно З11К/РК, а цементита – РЗ11/РК,
Рис.14. Кривая охлаждения, фазовые реакции и схемы структур на всех этапах охлаждения сплава 12
Методика выполнения работы
Уясните цель работы.
Изучите диаграмму состояния системы железо-углерод.
- Выполните по заданию, приведенному в таблице 1, анализ процесса кристаллизации в равновесных условиях одного из железоуглеродистых сплавов.
Для этого:
- постройте диаграмму состояния системы железо-цементит, укажите на ней фазовые области и проведите линию состава заданного сплава;
постройте кривую охлаждения;
- проверьте, используя правило фаз Гиббса, правильность построения кривой охлаждения;
- опишите превращения, происходящие при охлаждении сплава, приведите уравнения фазовых реакций;
- изобразите вероятную структуру сплава для каждого этапа охлаждения;
- определите состав и количественное соотношение фаз при заданной в таблице температуре.
Составьте отчет о работе.
Таблица I