ррп. Методичка по ТКМ (1). Отчет по работе. В лабораторных предусмотрены эксперименты, которые проводятся по типовой мето дике или по системе учебной исследовательской работы студентов (уирс) с элементами творческого поиска
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ « РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА» ( РУТ(МИИТ) ИНСТИТУТ ТРАНСПОРТНОЙ ТЕХНИКИ И СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ (ИТТСУ) КАФЕДРА «ТЕХНОЛОГИЯ ТРАНСПОРТНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ И РЕМОНТА ПОДВИЖНОГО СОСТАВА» МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ ПО ДИСЦИПЛИНЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Москва – 2020 2 УДК 621.791(031) С-37 Скляров В.М., Воронин Н.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Методические указания к лабораторным работам. – М.: МИИТ, 2020. – 69 с. Методические указания являются основным учебным материалом к лабораторным ра- ботам по дисциплине «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов Института транспортной техники и систем управления. В каждой работе даются пояснения, описываются методы и последовательность экспе- римента, что позволяет каждому студенту самостоятельно подготовиться к выполнению ла- бораторной работы, провести экспериментальную часть, дать оценку полученных результа- тов и составить отчет по работе. В лабораторных предусмотрены эксперименты, которые проводятся по типовой мето- дике или по системе учебной исследовательской работы студентов (УИРС) с элементами творческого поиска. Библиография: ил. 12, табл. 3. СОДЕРЖАНИЕ Работа № 1. Определение литейных свойств сплавов ................................................................... 3 Работа № 2. Определение влияния химического состава и скорости охлаждения на структуру и свойства чугуна ..................................................................................... 11 Работа № 3. Определение влияния пластической деформации и рекристаллизации на структуру и свойства низкоуглеродистой стали при обработке давлением ........ 18 Работа № 4. Определение влияния температурного режима при обработке давлением на структуру и свойства стали ....................................................................................... 23 Работа № 5. Определение коэффициентов расплавления, наплавки и потерь на угар и разбрызгивание при ручной дуговой и автоматической сварке под флюсом ...... 29 Работа № 6. Определение влияния технологических параметров автоматической сварки под флюсом на форму и размеры шва ..................................................................... 35 Работа № 7. Определение технологических параметров контактных сварочных машин и зависимость прочности сварного соединения от режима сварки ......................... 40 Работа № 8. Изучение газосварочного оборудования и свойств ацетиленокислородного пламени ....................................................................................................................... 47 Работа № 9. Определение влияния рода материала на качество кислородной резки .............. 53 Работа № 10. Исследование структуры доброкачественных и дефектных сварных соединений, выполненных из углеродистых сталей .............................................. 56 Работа № 11. Определение деформаций, возникающих при наплавке валика на кромку пластины ..................................................................................................................... 65 Список литературы.......................................................................................................................... 68 РУТ (МИИТ), 2020 3 РАБОТА № 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЛИТЕЙНЫХ СВОЙСТВ СПЛАВОВ Цель работы – ознакомиться с методами определения литейных свойств сплавов; определить жидкотекучесть и усадку чугуна, стали, алюминиевого сплава, бронзы и установить их зависимость от различных факторов; ознако- миться с видами брака отливок, связанными с низкими литейными свойствами. Краткие теоретические сведения Не все сплавы в одинаковой степени пригодны для изготовления фасонных отливок. Литейными свойствами сплавов называются технологические свой- ства, которые характеризуют его как литейный материал и от которых зависит возможность получения доброкачественных тонкостенных отливок, сложных по форме или больших по размерам, без раковин, трещин, пригара и других ли- тейных дефектов. Рассмотрим следующие основные литейные свойства: жид- котекучесть, усадка, склонность к ликвации. Жидкотекучесть – способность сплава заполнять полость литейной фор- мы, воспроизводить ее размеры и очертания. Практически жидкотекучесть ха- рактеризует минимальную толщину отливки из данного сплава (табл. 1). Таблица 1 Минимальная толщина стенок отливки при литье в земляные формы Сплав Мелкие отливки Средние отливки Крупные отливки Чугун серый 2,5…5 8…10 12…15 Чугун ковкий 2,5…4 6…8 - Сталь 4…5 10…12 15…20 Бронза 2…3 5…12 12…15 Хорошая жидкотекучесть сплава обеспечивает получение высококаче- ственных отливок, уменьшение газовых и усадочных раковин, а также умень- шение опасности образования дефектов. Недостаточная жидкотекучесть спла- вов вызывает недоливы, спаи, а также загрязнение отливок окислами и флюса- ми. Жидкотекучесть зависит от химического состава, вязкости сплава и по- верхностного натяжения, от температуры заливки и от литейной формы, кото- рая определяет условия охлаждения сплава. Кроме того, на жидкотекучесть влияют содержание примесей в металле или сплаве, склонность к окисляемости и теплоотводящая способность литей- ной формы. Почти у всех металлов и сплавов чем выше вязкость, тем меньше жидкотекучесть. Вязкость сплавов – характеризует взаимное трение частиц сплава при его движении, измеряется в пуазах . Вязкость сплава зависит от его состава и тем- пературы, наличия включений. Например, твердые включения и продукты раскисления увеличивают вяз- кость сплава, жидкие же неметаллические включения с температурой плавле- ния ниже температуры плавления основного металла уменьшают ее. Вязкость одного и того же сплава может быть различной при различных способах метал- лургической обработки. Например, вязкость стали, раскисленной шлаком, меньше вязкости стали, раскисленной ферросилицием и алюминием. Особенно 4 высокую вязкость имеют титанистые стали с твердыми включениями ТiО 2 . Вы- сокая вязкость часто является причиной брака отливок – недоливов Повышение температуры сплава снижает вязкость и соответственно по- вышает его жидкотекучесть. При понижении температуры вязкость сплава по- вышается, причем особенно сильно вязкость повышается при температуре ниже линии ликвидуса. В процессе кристаллизации жидкого сплава увеличивается вязкость и затрудняется его течение по литейной форме. Течение стали пре- кращается (нулевая жидкотекучесть) при 20 %, в чугунах при 30 %, а цветных сплавов при 30…40 % твердой фазы. Поверхностное натяжение – характеристика жидкого сплава, измеряется в динах на сантиметр (дн/см). С увеличением поверхностного натяжения жид- котекучесть ухудшается, особенно при заполнении тонких каналов. Для улуч- шения заполняемости форм рекомендуется разрушать окисные пленки химиче- ским путем. Например, при литье чугуна это достигается обрызгиванием рабочей по- верхности формы нефтью или керосином, которые, разлагаясь, создают восста- новительную атмосферу в форме. Влияние свойств формы . При заливке формы отнимают у расплава тепло. Способность формы отнимать у расплава тепло определяется ее теплопровод- ностью , теплоемкостью с и плотностью материала формы , т. е. теплоакку- мулирующей способностью формы. Песчаная форма медленно отводит тепло, и расплав заполняет ее лучше, чем металлическую форму. Металлическую форму (кокиль) расплав заполняет хуже, чем песчаную форму, так как кокиль более интенсивно отводит тепло от движущегося металла. Разные места формы неодинаково нагреваются проте- кающим расплавом. Между текущим расплавом и формой возникает трение. Это внешнее трение, оно тем больше, чем быстрее заливают расплав в форму, чем больше давление расплава на поверхность формы и выше коэффициент трения. Коэффициент трения расплава о форму уменьшается с увеличением глад- кости рабочей поверхности формы, причем уменьшается в значительной степе- ни в случаях, когда на поверхности формы образуется тонкая газовая пленка из нанесенной на поверхность формы краски или припыла. Если количество образующихся в форме газов больше, чем это необходи- мо для создания газовой пленки на поверхности контакта, а газы и пары не вы- деляются свободно из формы, то в форме создается противодавление. В таких случаях необходимо устраивать выпоры на всех выступающих частях отливки. Влияние химического состава . Жидкотекучесть чугуна возрастает с увели- чением содержания кремния, фосфора и, особенно, углерода, достигая макси- мума при эвтектическом составе, определяемого суммой С+Si/3+Р/2 (рис. 1). Фосфор улучшает жидкотекучесть чугуна, уменьшает его поверхностное натяжение и вязкость, образует легкоплавкую фосфидную эвтектику. Большое значение имеет повышенное содержание фосфора (до 1...1,5 %) для художе- ственного литья, когда требуется повышенная жидкотекучесть. Сера и марга- 5 нец в отдельности слабо влияют на жидкотеку- честь, но при наличии обоих элементов образует- ся сульфид марганца, сильно понижающий жид- котекучесть. Более высокую жидкотекучесть имеют спла- вы, затвердевающие с образованием эвтектики. Увеличение в металлах и сплавах примесей в од- них случаях уменьшает жидкотекучесть, а в дру- гих повышает её. В чугуне Си Р увеличивают жидкотекучесть, а S снижает ее. В сталях С, Р, Si, Mn, Al, V повышают, а S, О, N, Ti, Cr снижают жидкотекучесть. В сплавах на основе меди увеличивают жидкотекучесть Sn и Zn. Для определения жидкотекучести сплава наиболее часто пользуются мето- дом отливки спиральной пробы в земляную форму (рис. 2) в соответствии с ГОСТ 16438-70. Сечение спиральной пробы для определения жидкотекучести имеет форму трапеции площадью F = 0,56 см 2 Степень жидкотекучести сплава оценивают длиной запол- ненной части спиральной канавки в миллиметрах Усадка – это уменьшение объема и линейных размеров отливок при кристаллизации и охлаждении в ли- тейной форме. Линейная усадка % 100 отл отл ф л l l l Е ; объемная % 100 отл отл ф V V V V Е (1) где l ф и l отл – линейные размеры полости формы и отливки; V ф и V отл – объемы полости литейной формы и отливки. Линейная усадка начинается не с момента окончательного затвердевания отливки, а несколько раньше – после образования достаточно прочного скелета из соприкасающихся между собой кристаллов, способного противостоять дав- лению жидкого сплава. Следовательно, температурой начала линейной усадки будет температура, находящаяся между ликвидусом и солидусом. Только у чистых металлов нача- ло линейной усадки совпадает с критической температурой. Температуру нача- ла линейной усадки невозможно определить заранее каким-либо расчетом. Она зависит от условий охлаждения величины кристаллов, разветвленности дендри- тов. По этим причинам линейную усадку сплавов определяют эксперименталь- но на специально отливаемых образцах. Одинаковые исходные размеры и фор- ма образцов и постоянство условий литья и затвердевания позволяют получать Рис. 1. Влияние углерода, кремния и фосфора на жидкотекучесть чугуна Рис. 2. Определение жидкотекучести сплавов по спиральной пробе 6 результаты, которыми можно характеризовать сплавы в зависимости от их со- става и состояния. С увеличением интенсивности теплообмена линейная усадка заметно возрастает, т. е. зависит от скорости охлаждения отливки. В некоторых металлах и сплавах происходят превращения. У чугуна про- исходит графитизация, у стали – выделение газов и т.д. Эти превращения спо- собствуют росту объема и увеличению линейных размеров отливки. Такое уве- личение размеров называется предусадочным расширением. Предусадочное расширение существенно влияет на усадку, особенно высо- коуглеродистых сплавов, когда в них происходит процесс графитизации, а так- же на усадку многих легированных и средне- и высокоуглеродистых сталей. Предусадочное расширение сказывается на объеме усадочных раковин и склонности к образованию трещин. При увеличении предусадочного расшире- ния сплава объем усадочных раковин и склонность к образованию трещин уменьшаются. Сплавы должны иметь возможно меньшую величину усадки, так как с ней связаны многие затруднения в получении качественной отливки. К ним отно- сится необходимость точного учета уменьшения размеров отливки, неодинако- вого в тонких и толстых сечениях. Усадка может привести к образованию уса- дочных раковин, трещин и пористости. Кристаллизация отливки начинается с образования твердой корки по внешнему контуру. Остающийся внутри жидкий металл при последующем охлаждении будет уменьшаться в объеме при кристаллизации и снижении тем- пературы до нормальной. В результате, под коркой образуются свободные от металла полости в виде усадочных раковин или пор. С усадкой связано также возникновение напряжений, которые могут вызвать коробление отливок и даже привести к образованию трещин. Величина усадки зависит от химического со- става сплава, температуры заливки, конструкции литейной формы. В сером чугуне усадку уменьшают графитизирующие элементы (С, Si). В углеродистых сталях усадка тем меньше, чем больше углерода. Введение в сталь Mn, Si, Ni, Cr способствует увеличению усадки. В оловянистых бронзах Sn снижает усадку, а Zn и Pb – несколько повышают. Для уменьшения отрицательного влияния усадки понижают температуру заливки сплава, применяют прибыли и холодильники, обеспечивают направ- ленную кристаллизацию от отливки к прибыли. Для уменьшения внутренних напряжений, которые приводят к образованию трещин, предусматривают пере- ходные галтели, увеличивают податливость форм и стержней. Линейную усадку сплавов определяют на образцах, имеющих вид прямых брусков или прутков, отливаемых в горизонтальном положении. Вначале изме- ряют линейный размер формы l ф , затем заливают ее расплавом, отливку извле- кают и после полного охлаждения до нормальной температуры измеряют ее размер l отл 7 Одним из простейших способов определения линей- ной усадки является отливка стержня трапецеидального се- чения в земляной форме с при- менением металлической ско- бы (рис. 3). Скоба заформовы- вается в литейную форму вме- сте с моделью трапецеидально- го стержня, и остается в форме во время заливки металла для строгого регла- ментирования длины полости формы l Ф . Путем сопоставления длины отлитой стержневой пробы l отл и длины полости формы l ф по ранее приведенной фор- муле определяется величина линейной усадки сплава Е л Кроме того, линейную усадку определяют с помощью специальных прибо- ров. На рис. 4 показана схема прибора И.Ф. Боль- шакова. На металлическом каркасе 1 смонтирована индикаторная головка 2 с циферблатом 3. Прибор проградуиро- ван так, что каждое деле- ние шкалы соответствует изменению линейного раз- мера образца длиной 200 мм на 0,002 мм, т.е. на 0,001 %. В каркас прибора устанавливают форму 8 с полостью размерами 3025250 мм. Над формой помещают две подвижные каретки, одна 4 из которых штоком соединена с иглой индикатора, а другая 6 закреплена в торцевой стенке каркаса. В каждой из кареток закрепляют шпильки 7. Нижние концы шпилек входят в полость формы на глубину 18...20 мм, а верхние выступают на 3...10 мм над ка- ретками. Расстояние между центрами нижних шпилек 200 мм устанавливают с точностью до 0,1 мм с помощью контрольной планки 5. Перед снятием контрольной планки со шпилек прибор приводят в исход- ное положение. Для этого штоком передней каретки нажимают на иглу индика- тора так, чтобы его стрелка, сделав пять оборотов по циферблату вправо, оста- навливалась точно на нуле шкалы. В таком положении задняя каретка 6 крепит- ся к торцевой стенке каркаса, а передняя, после снятия контрольной планки, остается в свободном состоянии, фиксируя исходное положение. После сборки прибора в полость формы заливают металл и записывают показания индикатора. Одновременно с помощью термопары, помещенной в центре образца, измеряют температуру. Рис. 3. Определение усадки по стержневой пробе Рис. 4. Прибор для определения линейной усадки 8 Величина линейной усадки для отдельных сплавов составляет в %: Серый чугун Е Л = 0,8...1,2 % Ковкий чугун Е Л = 1,6...2,0 % Высокопрочный чугун Е Л = 1,25...1,7 % Углеродистая сталь Е Л = 1,8...2,4 % Медные сплавы Е Л =1,0...1,7 % Алюминиевые сплавы Е Л = 0,9...1,5 % Ликвация – это неоднородность химического состава сплава в различных частях отливки или слитка. Ликвация возникает в процессе затвердевания от- ливки. Причиной ликвации является различная растворимость отдельных ком- понентов сплава в его твердой и жидкой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяется примесь по сечению отливки и тем больше ликвация примеси. В железоуглеродистых спла- вах заметно ликвируют сера, фосфор, углерод . Ликвация вызывает неоднород- ность механических свойств в различных частях отливки, что приводит к по- ломкам деталей при эксплуатации. Различают дендритную и зональную ликвацию. Дендритная (внутрикристаллитная) ликвация – неоднородность химиче- ского состава внутри отдельных кристаллов. Она возникает вследствие процесса «избирательной кристаллизации»: рас- тущие первыми оси дендритов содержат меньшее количество примесей, чем исходный сплав, а остающийся жидкий сплав обогащается примесями. В ре- зультате в межосных пространствах дендритов скапливаются примеси – возни- кает ликвация внутри дендритов. Устраняется в отливках высокотемператур- ным отжигом (гомогенизацией). Зональная ликвация – неоднородность химического состава в отдельных зонах отливки (слитка). В образовании зональной ликвации наряду с «избира- тельной кристаллизацией» большую роль играют процессы, приводящие к пе- ремещению ликвирующих элементов из одной части отливки в другую при кристаллизации. Это могут быть диффузия примесей из двухфазной области кристаллизу- ющейся отливки в объем незатвердевшего жидкого сплава, конвекционные то- ки в жидкой части сплава, всплывание загрязненных примесями объемов вследствие их меньшей плотности по сравнению с основным сплавом, действие центробежных сил. Разновидностью зональной ликвации является ликвация по плотности , при которой происходит механическое разделение компонентов сплава, имеющих различную плотность. Такой ликвации часто подвержены, например, высокосвинцовистая бронза и свинцовосурьмянистые баббиты, при медленном охлаждении которых свинец опускается в нижние части отливки. Зональная ликвация может быть прямой и обратной При прямой ликвации центральные слои отливки содержат большее коли- чество примесей, понижающих температуру плавления сплава. Содержание этих примесей в поверхностных слоях ниже среднего по объему отливки. 9 При обратной ликвации в центральных частях содержится меньшее коли- чество легкоплавких примесей, а в поверхностных – большее. Развитие того или другого вида зональной ликвации связано с характером кристаллизации сплава и условиями охлаждения отливки. Прямая ликвация характерна для сплавов, затвердевающих последователь- но, а обратная – для сплавов, затвердевающих почти объемно. Для устранения явлений дендритной ликвации отливки подвергают отжигу, в процессе которо- го выравнивается содержание примесей в пределах отдельных дендритов. Устранить зональную ликвацию с помощью термообработки невозможно. По- этому для уменьшения зональной ликвации необходимо выравнивать толщину стенок отливки, избегая местных скоплений металла, в которых трудно достиг- нуть равномерного затвердевания отливки и избежать скопления ликватов . В сплавы, содержащие ликвирующие элементы, вводят добавки, уменьшающие ликвацию. Литниковая система оказывает большое влияние на развитие зональной ликвации. Для уменьшения зональной ликвации необходимо: 1) применять рассредоточенный подвод металла, в форму, способствую- щий выравниванию скоростей затвердевания отдельных частей отливки; 2) увеличивать скорость охлаждения отливки за счет использования фор- мовочных смесей с высокой теплоаккумулирующей способностью; 3) изготавливать отливки в металлических формах. Сплавы, склонные к зональной ликвации, необходимо заливать при минимальных перегревах над температурой ликвидуса. Совместное влияние усадки и зональной ликвации в отливках приводит к проявлению масштабного фактора (чем больше толщина стенок отливки, тем ниже ее механические свойства – заметное снижение механических свойств стального литья начинается с толщины стенок 11...20 мм). Наиболее высокую прочность имеет металл, располагающийся в поверхностных слоях отливки. Выявляется ликвация при исследовании макроструктуры на шлифах. |