Материаловедение
 Скачать 0.54 Mb.
|
|
Практическая часть работы выполняется в следующем порядке: 1) студенты получают стандартные образцы углеродистой и леги- рованной сталей, которые подвергают торцовой закалке; 2) на образцах они сошлифовывают по образующей полоску глу- биной не менее 0,2 мм; 3) на прошлифованной площадке с помощью миллиметровой ли- нейки наносят риски на расстоянии от торца 2, 5, 10, 20 и 30 мм, 60 61 на которых производят замеры твердости на приборе Роквелла по шкале С (на указанных расстояниях от торца); 4) с помощью табл. 7.1 определяется твердость полумартенсит- ной зоны для исследуемых марок стали; 5) на образце студенты находят две риски, между которыми рас- положена зона, имеющая полумартенситную твердость. Между указанными рисками производят замеры твердости через каждые 1,5 мм; 6) результаты измерения твердости заносятся в табл. 7.3 и строят график аналогично представленному на рис. 7.3; 7) по кривым на графике устанавливают расстояние от торца до полумартенситной зоны; 8) на основании найденного расстояния от торца определяется по номограмме Блантера критический диаметр для исследуемой марки стали. Таблица 7.3 Расстояние от торца, мм Твердость по HRC Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Схема установки для торцевой закалки. 3. Экспериментальные данные в виде таблицы и графика. 4. Выводы по работе. Лабораторная работа № 8 СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ТЕРМИЧЕСКИ ОБРАБОТАННОЙ ЦЕМЕНТОВАННОЙ СТАЛИ Цель лабораторной работы – ознакомить студентов со структу- рой цементованной стали, термически обработанной по различным режимам. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить влияние различных режимов термической обработки на структуру цементованной стали; 2) определить наиболее целесообразный режим термической об- работки цементованного образца. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – металлографические микроскопы МИМ-6, МИМ-7, ММУ-3, МЕТАМ РВ-22; • материалы –набор микрошлифов цементованной и термиче- ски обработанной стали; • фотоальбом – микроструктуры доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной, цементованной и термически обработанной стали. Цементация – процесс насыщения поверхностного слоя ста- ли углеродом. Это один из наиболее распространенных процессов химико-термической обработки. Цель цементации – получить дета- ли машин с твердой и износоустойчивой поверхностью при сохра- нении вязкой, выдерживающей динамические нагрузки сердцевины. Цементованные изделия хорошо работают при знакопеременных на- грузках и в условиях трения. Цементация и последующая термиче- ская обработка повышают и предел выносливости. Цементации подвергают изделия, изготовленные из низкоуглеро- дистой и легированной сталей, содержащих 0,1…0,18 % С, для круп- ногабаритных деталей – до 0,3 % С. Это шестерни, поршневые пальцы, шейки валов и осей, втулки, распределительные валики, измеритель- ный инструмент и др. Для цементации детали поступают после ме- ханической обработки с припуском на шлифование 0,05…0,10 мм. Во многих случаях цементации подвергается только часть детали; 62 63 при этом участки, не подлежащие упрочнению, защищают тонким слоем меди (0,2…0,4 мм), которую наносят электролитическим спо- собом или изолируют специальными обмазками. Цементация произ- водится путем нагрева и длительной выдержки деталей в соответству- ющей «неуглероживающей» среде при температурах аустенитного состояния стали, т. е. выше линии 3 c A (880…950 °С). Распределение концентрации углерода по глубине диффузионно- го слоя является функцией температуры, продолжительности про- цесса, активности среды и химического состава стали (рис. 8.1). 3,05 2,54 2,04 1,53 1,02 0,51 Г л уб ина сл оя , мм 980 °С 900 °С 840 °С 1 2 3 4 5 6 Время, ч Рис. 8.1. Изменение концентрации углерода по глубине диффузионного слоя в зависимости от температуры и времени цементации В структуре цементованного слоя после медленного охлаждения можно различить три зоны: заэвтектоидную,состоящую из перли- та и вторичного цементита (с содержанием углерода 0,9…1,2 %); эв- тектоидную – из одного пластинчатого перлита (содержание угле- рода 0,8 %); доэвтектоидную – переходную, состоящую из феррита и перлита (содержание углерода 0,2…0,7 %). Количество феррита в этой зоне непрерывно возрастает по мере приближения к сердцевине. За техническую глубину цементованного слоя обычно принимают сумму заэвтектоидной, эвтектоидной и по- ловины переходной доэвтектоидной зон. Чаще всего толщина цементованного слоя колеблется в пределах 0,5…2,8 мм. Различают цементацию в твердом и газовом карбюри- заторах. 1. Цементация в твердом карбюризаторе Насыщающей средой является древесный уголь (дубовый или бе- резовый), каменноугольный полукокс или торфяной кокс. Для ускоре- ния процесса цементации к древесному углю добавляют активаторы: углекислые соли бария (ВаСО 3 ), кальция (СаСО 3 ) и кальцинирован- ную соду (Nа 2 СО 3 ) в количестве 10…40 % от массы угля. Изделия, подлежащие цементации, после предварительной очистки укладывают в ящики (сварные стальные или литые чугун- ные), засыпают карбюризатором, утрамбовывают, ящики закрывают крышкой, кромки которой обмазывают огнеупорной глиной, и поме- щают в печь. Температура цементации 910…930 °С. При цемента- ции твердым карбюризатором атомарный углерод образуется путем взаимодействия кислорода воздуха, который находится в ящиках, с углеродом карбюризатора в соответствии с реакциями 2С уголь + О 2 ↔ 2СО (8.1) 2СО ↔ СО 2 + С атомарный (8.2) Добавление углекислых солей сильно активирует карбюризатор, обогащая атмосферу в цементационном ящике окисью углерода: BaCO 3 + C ↔ BaO + 2CO (8.3) С атомарный → Feγ → аустенит Feγ(С) (8.4) Процесс цементации твердым карбюризатором длителен (для по- лучения цементованного слоя от 0,5 до 2 мм выдержка составляет от 5 до 12 ч), трудоемок, трудно регулируем, поэтому он вытесняется более прогрессивным процессом газовой цементации. 2. Газовая цементация Газовую цементацию осуществляют путем нагрева изделий в среде газов, содержащих углерод. Газовая цементация имеет ряд 64 65 преимуществ по сравнению с цементацией в твердом карбюризато- ре: можно точно получить заданную концентрацию углерода в слое; сокращается длительность процесса; обеспечивается возможность полной механизации и автоматизации процессов; упрощается после- дующая термическая обработка изделий, так как можно производить закалку непосредственно из печи. Поэтому ее широко применяют на заводах, изготовляющих детали массовыми партиями. Наиболее качественный цементованный слой получается при использовании в качестве карбюризатора природного газа, состоящего почти пол- ностью из метана (СH 4 ). Разложение метана ведет к образованию ак- тивного атомарного углерода: CH 4 ↔ 2H 2 + C атомарный (8.5) Газовую цементацию выполняют в муфельных и безмуфельных печах непрерывного действия или в шахтных печах периодического действия при температуре 930…950 °С. Для ускорения процесса повышают температуру до 1000…1050 °С при условии, что применяемые в этом случае стали относятся к на- следственно мелкозернистым. 3. Термическая обработка стали после цементации и свойства цементованных сталей Окончательные служебные свойства цементованные изделия приобретают в результате термической обработки, выполняемой после цементации. Этой обработкой можно исправить структуру и измельчить зерно сердцевины и цементованного слоя, неизбежно увеличивающихся во время длительной выдержки при высокой тем- пературе цементации; получить высокую твердость в цементован- ном слое и хорошие механические свойства сердцевины; устранить карбидную сетку в цементованном слое, которая может возникнуть при насыщении его углеродом (до заэвтектоидной концентрации). В зависимости от назначения изделий применяют один из следу- ющих вариантов термической обработки: 1) для неответственных изделий и изделий, изготовленных из на- следственно мелкозернистой стали, применяют закалку непосред- ственно с прокатного нагрева, после подстуживания до 840…860 °С; 2) для ответственных изделий – двойную закалку (рис. 8.2). Первую закалку с нагревом до 880…900 °С (выше точки 3 c A ) на- значают для исправления структуры сердцевины. Кроме того, при таком нагреве в поверхностном слое в аустените растворяется це- ментитная сетка, которая уже вновь не образуется при быстром охлаждении. Вторую закалку проводят с нагревом до 760…780 °С для устранения перегрева цементованного слоя и придания ему вы- сокой твердости. Вместо первой закалки для углеродистой стали можно применить нормализацию. Рис. 8.2. Термообработка ответственных стальных деталей после цементации: 1 – цементация; 2 – полная закалка; 3 – неполная закалка; 4 – отпуск В результате термической обработки поверхностный слой приоб- ретает структуру мартенсита или мартенсита с небольшим количе- ством избыточных карбидов в виде глобулей. Сердцевина изделий из углеродистой стали состоит из феррита и перлита, а у легирован- ных сталей – из низкоуглеродистого мартенсита, который обеспечи- вает повышенную прочность и достаточную вязкость сердцевины. Заключительной операцией термической обработки цементованных изделий во всех случаях является низкий отпуск при 160…180 °С. Твердость поверхностного слоя для углеродистой стали составляет 60…64 HRC, а для легированной стали – 58…61HRC. Снижение твердости объясняется образованием повышенного количества оста- точного аустенита; такие стали после закалки обрабатываются холо- дом, что способствует переводу большей части остаточного аустени- та в мартенсит, в результате чего повышается твердость. Ⱥɭɫɬɟɧɢɬ Ⱥ + Ɏ Ⱥ + ɐ II 727 Ɏ + ɉ ɉ + ɐ II 911 ɉ S 930–950 ° ɋ 900 ° ɋ 760 ° ɋ 170 ° ɋ Fe 0,1 0,8 2,14 % IJ ,ɱ 1147 °ɋ t, ° ɋ Ⱥ ɫ 3 Ⱥ ɫ 1 1 2 3 4 66 67 Практическую часть работы рекомендуется выполнять в сле- дующем порядке: 1) получить наборы микрошлифов цементованной и термически обработанной стали: а) цементованной без термообработки; б) цементованной и отожженной при температуре 900 °С; в) цементованной и закаленной; г) цементованной, нормализованной с температуры 900 °С и зака- ленной с температуры 750 °С; 2) изучить микроструктуру шлифов цементованной и термиче- ски обработанной стали, выполнить зарисовки структур с указани- ем различных фаз и структурных составляющих. На основании из- учения структур, а также величин зерна поверхности и сердцевины сделать вывод о наиболее целесообразном режиме термической об- работки цементованного образца. Содержание отчета 1. Цель и задачи работы. 2. Краткое описание процесса цементации и термической обра- ботки цементованной стали. 3. Зарисовка и описание структур. 4. Выводы по работе. Лабораторная работа № 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭЛАСТИЧНОСТИ РЕЗИНЫ Цель лабораторной работы – освоить методику и провести испы- тания на эластичность образцов резины, обработанных жидкими ре- агентами. При выполнении лабораторной работы необходимо: 1) изучить методику испытания резины на эластичность; 2) изучить устройства разрывной машины РММ-250А; 3) провести испытания образцов резины, обработанной и не об- работанной жидкими реагентами, на машине РММ-250А; 4) по результатам испытания подсчитать показатели эластично- сти: предел прочности при разрыве σ р , относительное удлинение в момент разрыва ε р и остаточное удлинение после разрыва ε ост ; 5) сопоставить результаты испытаний и сделать вывод о влиянии реагентов на изменение эластических свойств резиновых материалов. Оснащение участка лабораторной работы: • оборудование – разрывная машина РММ-250А, толщиномер настольный, штемпель для нанесения измерительных мерок, мерная линейка; • материалы – образцы камерной резины (необработанной и об- работанной жидкими реагентами); • справочная литература – справочники, ГОСТы. Резина – это сложный по составу материал, представляющий со- бой химическую композицию из каучука, серы и добавок, называе- мых ингредиентами. Основным компонентом резины является нату- ральный или синтетический каучук, который и придает ей высокую эластичность. Модуль упругости резины (1…10 МПа) в десятки ты- сяч раз меньше, чем у других материалов. Относительное удлине- ние резины достигает 1000 %, при этом остаточная деформация ни- чтожно мала. Для резины характерны также водо- и газонепроницаемость, хо- рошие диэлектрические свойства. Каучук является непредельным полимерным соединением с двойной химической связью между 68 69 углеродными атомами. Структура молекул линейная или слабораз- ветвленная. Эластичность резины объясняется извилистым, зигзаго- образным строением молекул. Наличие в каучуке непредельных свя- зей позволяет при определенных условиях присоединить по месту двойной связи двухвалентную серу или другие вещества, в резуль- тате чего образуется пространственно-сетчатая структура. В зависи- мости от количества серы получается различная частота сетки поли- мера. При введении 1…5 % серы образуется редкая сетка и резина получается высокоэластичной. С увеличением процентного содер- жания серы сетчатая структура становится все более частой, резина – более твердой. При содержании серы от 6 до 8 % получается полу- твердая, жесткая резина, при 30 % – твердый материал, называемый эбонитом. Кроме каучука и серы, в резину вводятся: • ускорители вулканизации (полисульфиды, окислы свинца и т. д.); • активаторы (окислы цинка и других металлов); • пластификаторы, облегчающие переработку резины в изделия, повышающие эластичность и морозостойкость (парафин, вазелин, дибутилфталат и др.); • наполнители (белая сажа, мел, тальк); • красители. Важнейшими показателями механических свойств резиновых материалов являются: • предел прочности при растяжении; • относительное удлинение при разрыве; • остаточное удлинение после разрыва; • твердость; • истираемость; • морозостойкость; • набухаемость. Механические свойства резины ухудшаются при воздействии по- вышенной температуры, кислорода воздуха, нефтепродуктов и раз- личных других жидкостей. Под эластичностью резины понимают ее способность к много- кратным механически обратимым деформациям. Эластичность ре- зины характеризуется такими показателями, как предел прочности, относительное удлинение при разрыве и остаточное удлинение по- сле разрыва, которые определяются в соответствии с ГОСТом. Предел прочности при разрыве – это напряжение в резине в мо- мент разрыва. Его рассчитывают по формуле , 0 0 p p h b P (9.1) где σ р – предел прочности при разрыве, МПа; Р р – сила, вызывающая разрыв образца, кг; b 0 – начальная ширина образца, см; h 0 – начальная толщина образца, см. Относительное удлинение при разрыве (ε р ) – отношение измене- ния длины образца резины в момент разрыва к его первоначальной длине. Его отсчитывают в % непосредственно по мерной линейке на разрывной машине или по формуле 100 0 0 к p L L L (9.2) Остаточное удлинение после разрыва – отношение длины разорван- ного образца к его первоначальной длине, определяемое по формуле , 100 0 0 1 ост L L L (9.3) где ε ост – остаточное удлинение, %; L 0 – начальная длина рабочего участка образца, см; L 1 – длина рабочего участка после разрыва, см; L к – длина рабочего участка в момент разрыва, см. Практическую часть работы выполняют в следующем порядке. 1. Подготавливают образцы к испытанию. Берут 6…10 образ- цов резины, вырубленных из одной автомобильной камеры штанце- вым ножом с помощью ручного винтового пресса. Часть этих образ- цов заблаговременно помещают на 20…70 ч в различные жидкости (нефтепродукты, антифриз, тормозные жидкости, воду и др.), из ко- торых их извлекают перед испытанием, осторожно обтирают филь- тровальной бумагой. Образцы резины имеют форму двусторонней лопатки. На образцы специальным штемпелем наносят четыре из- мерительные метки в виде штрихов толщиной не более 0,5 мм. Две 70 71 метки для захвата образца зажимами машины наносят параллельно торцовым краям образца на расстоянии (30 ± 1) мм от них. Длина ра- бочего участка равна 25 мм и ограничивается также двумя метками. 2. Настольным толщиномером замеряют толщину рабочего участ- ка образца резины, не подвергавшегося воздействию жидких реаген- тов. Размеры рабочих участков резины, подвергнутых обработке жид- костями, принимают равными размерам необработанного образца. 3. Проводят испытания каждого образца на разрывной машине. Для этого устанавливают маятник и стрелки указателя на нулевое положение. Застопоривают верхний зажим, нижний зажим поднима- ют по червячному винту вверх до упора. Закрепляют в них образец резины точно по меткам так, чтобы была обеспечена достаточная на- дежность зажима, но не чрезмерно сильно, поскольку при этом может произойти разрушение резины зубцами зажимов. Образец в зажи- мах располагается строго вертикально и не должен иметь предвари- тельного натяжения. Губки измерительной линейки, установленной на нуле, должны совпадать с границами рабочего участка образца. Скорость перемещения подвижного зажима принимается равной 500 мм/мин. Пусковая рукоятка зажима должна быть поднята, за- жим освобожден от зацепления с червячным винтом, переключатель привода поставлен на электропривод. Освобождают стопор верх- него зажима и с помощью пусковой кнопки включают электромо- тор. Включают подвижной зажим и начинают замеры длины рабоче- го участка образца. Для этого левой рукой непрерывно раздвигают губки измерительной линейки, устанавливая их острые края против границ рабочего участка, а правой рукой передвигают постепенно всю линейку вниз. В момент разрыва образца резины передвижные линейки устанавливают и отмечают их показания. Это и есть отно- сительное удлинение образца, выраженное в процентах. Значение усилия в момент разрыва определяют по ведомой стрелке указателя машины. Разорванный образец быстро вынимают из зажимов, куски по мере разрыва плотно складывают на ровной поверхности и по ис- течении 1 мин замеряют длину рабочего участка с помощью мерной линейки с точностью до 0,5 мм. 4. Предел прочности образцов резины при разрыве и остаточное удлинение подсчитывают по соответствующим формулам. 5. Все результаты заносят в протокол испытаний (табл. 9.1). Таблица 9.1 № п/п Сре- да Размеры рабочего участка образца, мм Разрыв- ное усилие Р р , кг Предел прочно- сти σ р , МПа Относи- тельное удлине- ние ε р , % Остаточ- ное удлинение ε ост , % L к L 0 L 1 b 0 h 0 |