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.
|
|
Оборудование и материалы 1. Предварительно отлитые пробы на жидкотекучесть из различных спла- вов. 2. Предварительно отлитые пробы на усадку из различных сплавов. 3. Металлическая линейка на 500 мм. 4. Демонстрационные плакаты и отливки с основными дефектами, связан- ными с низкой жидкотекучестью, высокой усадкой и ликвацией. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с технологией изготовления литейной формы для отливки проб на линейную усадку и жидкотекучесть. 2. Произвести необходимые измерения и определить среднее значение по 2…3 пробам на жидкотекучесть и линейную усадку каждого исследуемого сплава. 10 3. Выявить наличие дефектов, связанных с низкой жидкотекучестью, вы- сокой усадкой и ликвацией на стальных и чугунных отливках. Отчет по работе Отчет по выполненной работе должен содержать: 1. Определение основных литейных свойств сплавов. 2. Эскиз собранной литейной формы для отливки проб на линейную усад- ку и жидкотекучесть сплавов. 3. Сводную таблицу результатов измерения проб, в которой должны быть отражены: наименование, маркировка и химический состав исследуемых спла- вов; температура заливки металла при изготовлении проб; результаты измере- ния проб на жидкотекучесть и линейную усадку – единичные и средние (по данным измерения двух-трех проб). 4. Сравнительную оценку литейных свойств исследованных сплавов в за- висимости от химического состава с указанием наиболее характерных видов брака. 5. Эскиз дефектной отливки с анализом причин появления литейного бра- ка. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 1 1. Что такое жидкотекучесть? 2. Что такое усадка? 3. От каких факторов зависит жидкотекучесть? 4. От каких факторов зависит усадка? 5. Какие химические элементы, присутствующие в сплаве, уменьшают усадку? 6. Какие химические элементы, присутствующие в сплаве, увеличивают усадку? 7. Какие химические элементы, увеличивают жидкотекучесть? 8. Какие химические элементы, уменьшают жидкотекучесть? 9. Какую линейную усадку имеют: серый чугун, углеродистая сталь и бронза? 10. Как влияет температура заливки на жидкотекучесть? 11. Как влияет температура заливки на усадку? 12. Какие виды брака вызывает низкая жидкотекучесть сплавов? 13. Какие виды брака вызывает большая усадка сплавов? 14. Что такое линейная и объемная усадки? 15. Способы определения усадки? 16. Способ определения жидкотекучести? 17. Что называется ликвацией? 11 РАБОТА № 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СКОРОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ЧУГУНА Цель работы – определить влияние химического состава и скорости охла- ждения на структуру и механические свойства чугуна. Краткие теоретические сведения Основные понятия Феррит – структурная составляющая, представляющая собой -железо, ко- торое в незначительном количестве растворяет углерод. Максимальная раство- римость достигает 0,02 % С при 727 С. Механические свойства феррита близ- ки к свойствам чистого железа ( σ в = 25 кг/мм 2 ; σ т = 12 кг/мм 2 ; δ = 50 %; НВ 80). Аустенит – структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-железе. При 1147 С аустенит содержит 2,14 % С, а при 727 С – 0,8 % (твер- дость НВ 170...220). Цементит – химическое соединение углерода с железом (карбид железа) Fe 3 C. Цементит имеет высокую твердость – НB 800. Цементит соединение не- устойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свобод- ного углерода в виде графита. Перлит – механическая смесь (эвтектоид) состоящая из мелких пластинок цементита в ферритной основе. Содержание углерода составляет 0,8 %. Ледебурит – эвтектическая смесь аустенита и цементита в интервале тем- ператур 1147... 727 С и с содержанием углерода 4,3 %. При 727 С происходит эвтектоидное превращение аустенита с образованием перлита. Следовательно, превращенный ледебурит представляет собой смесь перлита и цементита. Чугун – это многокомпонентный сплав железа с углеродом (более 2,14 % С) и другими элементами. Чугун обладает хорошими литейными свойствами и яв- ляется наиболее распространенным сплавом для изготовления фасонных отли- вок. Углерод в чугуне может находиться в растворенном состоянии в феррите и связанном состоянии в цементите (Fe 3 C), а также в свободном состоянии в виде графита. Свойства чугуна зависят от его структуры. Если весь углерод в чугуне находится в связанном состоянии (С общ = С связ ), т.е. в виде химического соеди- нения – цементита, то такой чугун, в соответствии с цветом излома, называется белым. В соответствии с диаграммой состояния Fe - Fe 3 C, в зависимости от содержания углерода белые чугуны подразделяются на доэвтектические (С = 2,14...4,3 %), эвтектические (С = 4,3 %) и заэвтектические (С = 4,3...6,67 %). Доэвтектический чугун (рис. 5, а) состоит из темных участков перлита и эв- тектики (ледебурита). Вторичный цементит, выделяющийся из аустенита, нахо- дится в виде светлых включений и игл, а местами сливается с цементитом ле- дебурита. Структура эвтектического белого чугуна приведена на рис. 5, б. Структура заэвтектического чугуна (рис. 5, в) состоит из первичного це- ментита в виде светлых игл и ледебурита. Цементит придает чугуну высокую 12 твердость и значительную хрупкость, вследствие чего белый чугун применяет- ся лишь для специальных видов литья. В половинчатом чугуне с включениями цементита углерод находится ча- стично в свободном состоянии и частично в связанном (С общ = С связ + С своб ), С связ 0,8 % – остальное в виде графита. Серые чугуны состоят из металлической основы (подобно сталям), прони- занной графитовыми включениями (С общ = С связ + С своб ; С связ = 0...0,8 %). Выделение углерода в свободном состоянии в виде графита происходит при распаде цементита белого доэвтектического или эвтектического чугуна с до- бавлением в плавку графитизаторов и выдержке при температуре 930С. Определяющими факторами свойств серых чугунов являются форма, раз- меры, количество и взаимное расположение графитовых включений, что регла- ментируется по ГОСТ 3443-87. По форме включений графита чугуны разделя- ются на: серый чугун с пластинчатым графитом (СЧ), высокопрочный чугун с шаровидным графитом (ВЧ), ковкий чугун с хлопьевидным графитом (КЧ) и чугун с вермикулярным (червеобразным) графитом (ЧВГ). По характеру металлической основы (матрицы) чугуны различают с фер- ритной, феррито-перлитной и перлитной структурой. После термообработки возможно образование закалочных структур: сор- бита, троостита, бейнита По химическому составу нелегированные чугуны (общего назначения) и легированные (специального назначения). Свойства чугунов зависят от свойств металлической основы, от характера и размеров графитовых включений. Графитовые включения представляют собой своеобразные пустоты, надрезы или микротрещины. Чем больше графитовых включений, тем ниже механические свойства чугунов. На структурообразование чугуна влияют его химический состав и скорость охлаждения. Углерод и кремний являются графитизирующими элементами, т.е. способствуют распаду цементита и образованию графита. Марганец и сера спо- собствуют отбеливанию чугуна, образованию цементита. В толстостенном чу- гунном литье при замедленном охлаждении создаются благоприятные условия для графитообразования. В тонкостенном чугунном литье при повышенной скорости охлаждения цементит не успевает распадаться. Рис. 5. Белый чугун: а – доэвтектический; б – эвтектический; в – заэвтектический 13 Серый чугун c пластинчатой формой графита (ГОСТ 1412-85) обладает хо- рошими литейными свойствами (рис. 6). Из него можно получать отливки сложной конфигурации с минимальными размерами прибылей. Графит имеет форму пластинок различного размера. Маркируется буквами С – серый, Ч – чугун. Цифры после букв показывают предел прочности при растяжении в кгс/мм 2 , например, СЧ 30. На железнодо- рожном транспорте применяют марки серых чугунов СЧ 15, СЧ 18, СЧ 21, СЧ 24, СЧ 25. Механические свойства серого чугуна можно повысить модифицировани- ем, т.е. в жидкий чугун перед заливкой в формы добавляется небольшое коли- чество ферросилиция или силикокальция. При этом создаются дополнительные центры кристаллизации металла и графитизации, способствующие получению мелкозернистой основы и мелкого пластинчатого графита. При ускоренном охлаждении на поверхности деталей серых чугунов обра- зуется цементит, т.е. структура белого чугуна. Такие детали хорошо работают в условиях повышенного абразивного износа. Наиболее высокими механическими свойствами обладают высокопрочные чугуны с шаровидной формой графита (ГОСТ 7293-85). Для получения графита шаровидной формы низкосернистые и низкофос- фористые серые чугуны модифицируют путем обработки жидкого металла магнием, церием или литием. Также широкое применение получают магниевые лигатуры с никелем или ферросилицием. Металлическая основа может быть перлитной, перлитно-ферритной или ферритной (рис. 7). Маркируют высокопрочные чугуны буквами ВЧ и цифрами, показываю- щими предел прочности при растяжении, в кгс/мм 2 (ВЧ 45, ВЧ 60, ВЧ 120). При введении добавок (Cr, Ni, Cu) и последующей термообработки дости- гается более высокая прочность и сохранение определенной пластичности у чу- гунов с перлитной и бейнитной структурами. Высокая прочность и пластичность ВЧ позволяют использовать его в тяже- лом машиностроении вместо стального литья и проката для изготовления ко- ленчатых валов тепловозных дизелей и автомобилей, для деталей сельскохо- зяйственных машин и др., при уменьшении массы отливок на 8...10 %. Рис. 6. Схема микроструктуры серого чугуна: а – ферритного, б – перлитно-ферритного, в – перлитного классов 14 Ковкий чугун с хлопьевидной формой графита (ГОСТ 1215) получают пу- тем графитизирующего отжига из белого доэвтектического чугуна. Схема про- цесса представлена на рис. 8. Как видно из графика, отливки из белого чугуна медленно нагре- вают до температуры 930...1050С в течение 20...25 часов, и выдержива- ют в течение 15 часов. Происходит первая стадия гра- фитизации, то есть распад цемен- титной фазы ледебурита Затем печь выключают и после охлаждения до температур 700...760С происходит распад вто- ричного цементита и цементита перлита. После окончания второй стадии в течение 30 часов, структура чугуна состоит из феррита и хлопьевидного гра- фита (рис. 9). После выдержки отливки выгружают из печи и охлаждают на воздухе. При производстве ковкого чугуна необходимо получить в отливке белый чугун, т.к. даже частичная графитизация при литье вызывает образование пла- стинчатого графита. Вместе с тем не следует увеличивать содержание элемен- тов, препятствующих графитизации. Поэтому состав ковкого чугуна ограничи- Рис. 7. Схема микроструктуры высокопрочного чугуна: а – ферритного, б – перлитно-ферритного, в – перлитного классов Рис. 8. Схема графитизирующего отжига для получения ковкого чугуна Рис. 9. Схема микроструктуры белого (а) и ковкого (б, в) чугунов 15 вается достаточно узкими пределами: (2,4...2,8) % С;(0,8...1,4) % Si; менее1 % Mn; менее 0,1 % S; менее 0,2% P. Маркировка ковких чугунов буквенно-цифровая: КЧ 30-8, первые цифры обозначают предел прочности при растяжении, в кгс/мм 2 ; вторые – относитель- ное удлинение, в %. Из ковкого чугуна изготавливают головки и наконечники соединительных рукавов воздушной тормозной магистрали и крышки букс локомотивов и ваго- нов, ряд деталей для автомобилей, соединительные части к трубам (фитинги) и другие детали. Чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ). Графитная составляющая пред- ставляет собой утолщенные и большей частью неразветвленные короткие пла- стинки. Механические свойства этих чугунов зависят от характера металличе- ской основы. Чугун с вермикулярным графитом в отличие от серых чугунов со- храняет высокие механические свойства в отливках большого сечения. Вермикулярные чугуны обладают высокой жидкотекучестью и малой усад- кой. Применение чугуна с вермикулярным графитом позволяет повысить каче- ство и эксплуатационную надежность отливок, а также снизить массу отливок по сравнению с применением серых чугунов на 25...30 %. Из этого чугуна изготавливают корпуса двигателей внутреннего сгорания, детали, работающие в тяжелых условиях. Для получения специальных эксплуатационных свойств производится ле- гирование чугуна Mn, Ni, Cr, Al, Mo, Si, Ti и др. Маркировка осуществляется по аналогии со сталями с помощью буквенно-цифровых обозначений. Если в кон- це маркировки стоит буква Ш, это указывает на то, что графит в чугуне имеет шаровидную форму, если Ш отсутствует, то графит пластинчатый. Например, ЧН15Д3Ш – коррозионностойкий и износостойкий чугун (нери- зит), содержит Ni 15 %, Cu – 3 %. Различают чугуны низколегированные (до 5 %) и высоколегированные (5...30 %). Широкое применение серые легированные чугуны получили для изготов- ления деталей цилиндровой группы тепловозных дизелей. Например, чугун марки ЧХНТ (Cr, Ni, Ti) – для поршневых колец. В практике литейного производства для ускоренного контроля состава чу- гуна и условий его структурообразования применяются специальные техноло- гические пробы. Контроль производится визуально по степени графитизации чугуна, что четко выявляется по излому пробы. Распространенным видом технологической пробы являются скошенный (рис. 10, а) и ступенчатый (рис. 10, б) клинья. Степень графитизации с применением скошенного клина оценивается по расположению границы перехода белого излома в серый, что определяется рас- стоянием от вершины клина или шириной переходной зоны. Разновидностью скошенного клина является ступенчатый клин (рис. 9, б), на плоских ступенях которого удобно измерять твердость. 16 Оба клина (скошенный и ступенчатый) являются дополняющими друг дру- га пробами. В условиях налаженного производства при установившемся хими- ческом составе чугуна предпочитают ступенчатый клин, в остальных случаях, а также при изготовлении изделий из модифицированного чугуна – скошенный клин. Оборудование и материалы 1. Предварительно отлитые пробы: ступенчатого клина; набор скошенных клиньев от трех плавок чугуна ориентировочно следующего состава (табл. 2): Таблица 2 № отливки Химический состав, % C общ Si Mn P S не более 1 2,7...3,0 1,0...1,3 0,6...0,9 0,25 0,13 2 3,2...3,5 1,5...1,8 0,6...0,9 0,25 0,13 3 2,7...3,0 1,0...1,3 1,0...1,3 0,25 0,13 3. Микрошлифы серого чугуна, вырезанные из ступенчатого клина, а также белого, ковкого и высокопрочного чугунов. 4. Металлографический микроскоп. Порядок выполнения работы 1. По изломам скошенных клиньев определить величину отбеленной зоны для каждой из плавок чугуна. 2. Определить твердость на приборе Бринелля отдельных частей ступенча- того клина. 3. Рассмотреть под микроскопом микрошлифы и изучить структуры серого чугуна в отдельных частях ступенчатого клина, а также структуры белого, ков- кого и высокопрочного чугунов. Отчет по работе 1. Результаты измерения твердости, схема и описание микроструктур от- дельных частей ступенчатого клина. 2. Зарисовки изломов скошенных клиньев с указанием величины отбелен- ной зоны для каждой из плавок чугуна. 3. Схема и описание микроструктур белого, ковкого, высокопрочного чугу- нов. 4. Выводы, характеризующие влияние отдельных факторов на структуру и свойства чугуна. Рис. 10. Скошенный клин (а) и ступенчатый клин (б) 17 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 2 1. Укажите структурные составляющие белого, половинчатого и серых чугунов. 2. Перечислите факторы, оказывающие влияние на структурообразование чугуна. 3. Как влияют С, Si, Mn, S и P на структуру чугуна? 4. Как влияет скорость охлаждения на структуру чугуна? 5. Укажите маркировку серых чугунов. 6. Укажите условие получения, особенности структуры и маркировку ковких чугунов. 7. Укажите условие получения, особенности структуры и маркировку высокопрочных чу- гунов. 8. Какие технологические пробы применяются для контроля структуры и свойств чугуна? 18 РАБОТА № 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ И РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ ПРИ ОБРАБОТКЕ ДАВЛЕНИЕМ Цель работы - изучить влияние пластической деформации на структуру и механические свойства стали; изучить влияние рекристаллизации на структуру низкоуглеродистой стали и ее механические свойства. Краткие теоретические сведения При обработке давлением происходит изменение формы металлической за- готовки вследствие ее пластической деформации. В процессе пластической де- формации изменяется форма зерна металла, а, следовательно, и его физико- химические и механические свойства. Наклеп поликристаллического металла. С увеличением степени деформации металла в холодном состоянии свойства, характеризующие сопротивление де- формации ( в , 0,2 , НВ и др.), повышаются, а способность к пластической де- формации – пластичность () уменьшается. Металлы интенсивно упрочняются в начальной стадии деформирования, а при увеличении степени деформирова- ния изменяются незначительно (рис. 11). Упрочнение сплава, полученное в процессе пластической деформации, называется наклепом С увеличением степени деформации предел текучести материала растет быстрее, чем вре- менное сопротивление, и у сильно наклепанно- го материала они сравниваются, при этом отно- сительное удлинение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла яв- ляется предельным, т.к. продолжение деформи- рования приводит к его разрушению. Упрочнение металла в процессе пластиче- ской деформации объясняется увеличением числа дефектов кристаллического строения. Все дефекты кристаллического строения за- трудняют движение дислокаций, что повышает сопротивление деформации и уменьшает пла- стичность. Основными механизмами пластической деформации являются скольжение или двойникование в отдельных кристаллах (монокристаллах), а также поворот или скольжение кристаллов друг относительно друга. Процесс скольжения в монокристаллах происходит путем сдвига одной ча- сти кристалла относительно другой по определенным кристаллографическим направлениям, называемым плоскостями скольжения. Вдоль плоскости, по которой произошел сдвиг и в прилегающих к ней объемах, возникает искажение кристаллической решетки, вызывающее местное напряжение. |