Гомогенная (самопроизвольная) кристаллизация.

Кристаллизация происходит, когда система переходит к термодинамически, более устойчивому состоянию с меньшей энергией Гиббсона (свободной энергией).

Д.К.Чернов установил, что процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их числа и размеров. Соприкасаясь, кристаллы теряют правильную форму. Формируются зерна.

Рост зародышей происходит в результате перехода атомов из переохлажденной жидкости к кристаллам.

2. Размер зерна.

Размер зерна сильно влияет на его механические свойства, которые увеличиваются для металлов с мелким зерном. Зерно тем меньше, чем больше ∆Т. Центром кристаллизации могут быть частицы посторонних примесей. Такое образование зародышей называется гетерогенным.

Модифицирование – использование специально вводимых в жидкость металлических примесей для получения мелкокристаллической структуры.

3. Твердые растворы.

Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента, изменяя ее размеры.

Эвтектика состоит из 2-х и более фаз, имеющих форму пластинок, равномерно чередующихся между собой, которые образуют колонки.

Разрушение металлов.

Под разрушением понимают процесс зарождения и развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части.

Разрушение может быть хрупким или вязким. При этом механизм зарождения трещин одинаков.

Вязкое разрушение обусловлено малой скоростью распространения трещины. Скорость распространения хрупкой трещины весьма велика, для стали может достигать 2,5 км/с.

С точки зрения микроструктуры существуют 2 вида разрушения транскристаллитное и интеркристаллитное.. При транскристаллитном разрушение происходит по зерну. При интеркристаллитном разрушение происходит по границе зерен.

Железо и его сплавы.

Наиболее широко в промышленности распространены сплавы Fe и C. Это чугун и сталь. Для получения требуемых свойств в сталь добавляют легирующие элементы.

Конструкционные стали и сплавы.

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на обыкновенные и качественные.

Обыкновенные.

Cт0 – C 0,023%, Ст 1 0,06-0,12%, Ст 2, Ст 3 – 0,14-0,22%, Ст 5, Ст 6.

С повышением номера повышается прочность σ_вр, σ₀₂ и уменьшается пластичность (δψ).

Ст 3 σ_В ≈ 380 МПа, σ₀₂ = 210 МПа.

Используют в с/х машиностроении, мостостроении и т.д.

Маркируют цифрами 08, 10, 15, 20…..85.

Низкоуглеродистые стали имеют С < 0,25%.

Используют для соответствующих сварных конструкций и деталей, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали. (С = 0,3-0,5%) 30, 35, 40, 45, 50, 55.

Используют для различных деталей машиностроения.

Стали с высоким содержанием углерода. (С= 0,6-0,85%) 60, 70, 85.

Используют для деталей, работающих в условиях трения при наличии высоких статических нагрузок. Это пружины, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д.

Легированные конструкционные стали.

Широко применяют в строительстве, автомобильной промышленности, станкостроении, инструментальном производстве и т.д.

В качестве легирующих элементов используют: марганец, кремний, хром, титан, ванадий, бор.

Для изготовления высоконагруженных деталей легируют более дорогими добавками: никель, молибден, вольфрам, ниобий.

Если легированных добавок <2,5% - это низколегированные элементы.

Если легированных добавок 2,5 – 10% - легированные.

Если легированных добавок >10% - высоколегированные.

Низколегированные стали используют в основном в строительстве.

Высоколегированные стали, как правило специального назначения: коррозионно-стойкие, жаропрочные, немагнитные и др.

Влияние легированных элементов на свойства стали:

1. Легирующие элементы наиболее сильно влияют на повышение σ₀₂ и ударную вязкость. Это объясняется тем, что легированные стали лучше прокаливаются после термической обработки, имеют более мелкое зерно.

Легирование сталей небольшим количеством V, Ti, Nb, Zr измельчают зерно, что повышает порог хладноломкости и чувствительности к концентраторам напряжения.

Si позволяет увеличивать вязкость.

Буква А, помещенная в конце марки стали указывает на ее высокое качество, например 30хГСА. Особовысококачественные стали имеют в конце букву Ш, например . 30хГСА-Ш.

Расшифровка стали 12х2Н4А:

0,12% С, 2% Cr, 4% Ni и отнесена к высококачественной.

30хГСА содержит 0,3% С, отсутствие цифр после букв в обозначении говорит о том, что хрома, марганца и кремния содержится в пределах 0,8 – 1,2%.

Введение Cu, Ni или Cu + фосфор повышает коррозионную стойкость сталей в атмосферных условиях (стали 10хНДП, 15хСНД).

Стали для холодной штамповки.

Для обеспечения высокой штампуемости σ_В/σ₀₂ должно быть 0,5 – 0,65. Штампуемость тем хуже, чем выше С. Si снижает способность стали к вытяжке и штампуемость. Для холодной штамповки могут быть использованы стали 0,8кП.

Штампуемость зависит и от величины зерна. При мелком зерне сталь пружинит и сильно изнашивает штампы. При крупном зерне образуется шероховатая поверхность «апельсиновая корка». Оптимальными являются стали с зерном, имеющим № 6 – 8.

Хромистые стали.

Cr – сравнительно дешевый элемент. Хромистые стали 15х, 20х по сравнению с углеродистыми имеют более высокие прочностные свойства при меньшей пластичности сердцевины после закалки.

Хромованадиевые стали.

Легирование хромистой стали ванадием (0,1 – 0,2%) улучшает механические свойства (ст 20хФ). Для мелких деталей.

Хромоникеливые стали.

Для крупных деталей ответственного назначения, испытывающих значительные динамические нагрузки, используется хромоникеливые сплавы.

Cr + Ni повышают прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя. 18х2Н430А.

Хромомарганцевые стали.

Мn – дешевый элемент применяется, как заменитель дорогого Ni. Обычно хромомарганцевые стали имеют меньшую вязкость, чем хромоникеливые.

В автомобилестроении, тракторной промышленности и станкостроении применяют стали 18хГТ и 25хГТ. Добавление Тi улучшает качество сталей.

Рессорно-пружинные стали.

Для изготовления рессор, пружин. Чтобы получить требуемые свойства эти стали должны содержать более 0,5% С и быть подвергнуты термической обработке.

Например, сталь 70С3А – 0,7%С, 3% , улучшенная.

Шарикоподшипниковые стали.

Для изготовления деталей качения и подшипниковых колец используют сталь Шх15, Шх15Г. Прокаливание осуществляется на большую глубину.

Электрошлаковый и вакуумно-дуговой переплав уменьшают количество включений и повышает износостойкость подшипников.

Коррозионностойкие и жаростойкие стали и сплавы.

Различают химическую коррозию под воздействием на металл газов и производных нефти и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей, солей.

Механизм электрохимической коррозии следующий: в электролит помещают 2 соприкасающихся металла. Образуется гальванический элемент, при этом металл, который легче отдает электроны, служит анодом, а другой катодом.

Обеспечить коррозионную стойкость можно путем введения в состав сталей элементов, образующих на ее поверхности защитные пленки. При введении в сталь 12-14% Cr ее электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает устойчивость против коррозии. Это, например, стали 12х13, 40х13. Стали 12х13 используются для деталей повышенной пластичности и предметов домашнего обихода. Стали 40х13 используются для хирургических инструментов. Стали 12х17 используются для оборудования в пищевой промышленности. Жаропрочные стали чаще всего изготавливают на Ni основе. Используют для изготовления рабочих лопаток турбин. Для повышения окалонестойкости сплавы легируют Ti. Широко используется сплав ХН 77 ТЮР. Примеси серы, сурьмы, свинца и олова снижают жаропрочность сплавов и затрудняют их обработку давлением. Поэтому шихтовые материалы должны быть по возможности чистыми. 12.1 Термическая обработка стали.

В машиностроении 40% стали подвергается термической обработке. Термообработка улучшает структуру стали. Виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг 1 рода: гомогенизация, рекристаллизация, снижение твердости, снятие остаточных напряжений. Гомогенизация (диффузионный отжиг). Для уменьшения внутрикристаллитной ликвации (неоднородность). Рекристаллизационный отжиг. Это нагрев после холодной деформации выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением t⁰_отж ≈ 700⁰С. Высокий отпуск (для уменьшения твердости). Для уменьшения твердости (после холодной деформации) осуществляет нагрев t⁰_отп ≈ 650⁰С в течении 3-15 часов. Хорошо применить для подготовки к обработке резанием. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных конструкций, механической обработки. После механической обработки t = 160-180⁰С в течении 2-2,5 часов. После сварки t = 570-600⁰С в течение 2-3 часов.

Закалка.

Закалка – это термическая обработка. Заключается в нагреве до t выше t_з(критической), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью превышающей критическую. После закалки изделие обязательно подвергают отпуску. Цель закалки – в высокой твердости, износостойкости и прочности. Температура t_зак ≈ 1000⁰С. Среды закалки. Скорость охлаждения должна быть строго определенной, так как при слишком высокой скорости возможно образование трещин. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей и солей, масла.

3 стадии охлаждения:

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка». Охлаждение невелико;

2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. Быстрый отвод тепла;

3) конвективный обмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

Масло, как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком диапазоне температур. Недостаток: склонность к воспламеняемости и высокая стоимость t_масла при закалке 60-90⁰С.

Отпуск.Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до t⁰ ниже Ас₁ (формирования аустенита), выдержка при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Он устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550⁰С в течении 15-30 мин. При выдержке в течении 1,5 ч напряжения снижаются до min значения.

3 вида отпуска:

- низкотемпературный отпуск проводят при нагреве до 250⁰С. Ему подвергают детали, претерпевшие поверхностную закалку цементацию и т.д. - среднетемпературный отпуск выполняют при 350-500⁰С и применяют главным образом для пружин, рессор, штампов. Охлаждение после отпуска при 400-450⁰С следует проводить в воде.

- высокотемпературный отпуск проводят при 500-680⁰С. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокотемпературного отпуска, называют улучшением.

22.Термическая обработка сталей. Химико-термическая обработка сталей.

12.1 Термическая обработка стали.

В машиностроении 40% стали подвергается термической обработке. Термообработка улучшает структуру стали. Виды термической обработки: отжиг, нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг 1 рода: гомогенизация, рекристаллизация, снижение твердости, снятие остаточных напряжений. Гомогенизация (диффузионный отжиг). Для уменьшения внутрикристаллитной ликвации (неоднородность). Рекристаллизационный отжиг. Это нагрев после холодной деформации выше температуры рекристаллизации, выдержку при этой температуре с последующим охлаждением t⁰_отж ≈ 700⁰С. Высокий отпуск (для уменьшения твердости). Для уменьшения твердости (после холодной деформации) осуществляет нагрев t⁰_отп ≈ 650⁰С в течении 3-15 часов. Хорошо применить для подготовки к обработке резанием. Отжиг для снятия остаточных напряжений применяют для отливок, сварных конструкций, механической обработки. После механической обработки t = 160-180⁰С в течении 2-2,5 часов. После сварки t = 570-600⁰С в течение 2-3 часов.

Закалка.

Закалка – это термическая обработка. Заключается в нагреве до t выше t_з(критической), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью превышающей критическую. После закалки изделие обязательно подвергают отпуску. Цель закалки – в высокой твердости, износостойкости и прочности. Температура t_зак ≈ 1000⁰С. Среды закалки. Скорость охлаждения должна быть строго определенной, так как при слишком высокой скорости возможно образование трещин. Чаще всего для закалки используют кипящие жидкости – воду, водные растворы щелочей и солей, масла.

3 стадии охлаждения:

1) пленочное кипение, когда на поверхности стали образуется «паровая рубашка». Охлаждение невелико;

2) пузырьковое кипение, наступающее при полном разрушении паровой пленки. Быстрый отвод тепла;

3) конвективный обмен, который отвечает температурам ниже температуры кипения охлаждающей жидкости. Теплоотвод в этот период происходит с наименьшей скоростью.

Масло, как закалочная среда имеет следующие преимущества: небольшую скорость охлаждения, что уменьшает возникновение закалочных дефектов и постоянство закаливающей способности в широком диапазоне температур. Недостаток: склонность к воспламеняемости и высокая стоимость t_масла при закалке 60-90⁰С.

Отпуск.Отпуск заключается в нагреве закаленной стали до t⁰ ниже Ас₁ (формирования аустенита), выдержка при заданной температуре и последующем охлаждении с определенной скоростью. Отпуск является окончательной операцией термической обработки, в результате которой сталь получает требуемые механические свойства. Он устраняет внутренние напряжения, возникающие при закалке. Наиболее интенсивно напряжения снижаются в результате выдержки при 550⁰С в течении 15-30 мин. При выдержке в течении 1,5 ч напряжения снижаются до min значения.

3 вида отпуска:

- низкотемпературный отпуск проводят при нагреве до 250⁰С. Ему подвергают детали, претерпевшие поверхностную закалку цементацию и т.д. - среднетемпературный отпуск выполняют при 350-500⁰С и применяют главным образом для пружин, рессор, штампов. Охлаждение после отпуска при 400-450⁰С следует проводить в воде.

- высокотемпературный отпуск проводят при 500-680⁰С. Термическую обработку, состоящую из закалки и высокотемпературного отпуска, называют улучшением.

12.3 Химико-термическая обработка стали.

ХТО сводится к диффузному насыщению поверхностного слоя неметаллами (С, N, Si, B и др.) и металлами (Cr, Al и др) в процессе выдержки при определенной температуре в активной жидкой или газовой среде. ХТО применяют для упрочнения деталей машин. Большинство деталей машин работают в условиях, когда наибольшие напряжения возникают в поверхностном слое. ХТО повышает твердость, износостойкость, кавитац. и коррозионную стойкость и увеличивает надежность и долговечность машин.

Цементация.

Цементацией (науглероживанием) называется химико-термическая обработка, заключающаяся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали углеродом при нагреве в соответствующей среде – карбюризаторе.

Цементацию проводят при t = 930-950⁰С. Окончательные свойства цементированные изделия приобретают при закалке и низком отпуске. Те участки, которые не требуют цементации защищают путем нанесения слоя Cu 20-40 мкм.Азотирование.

Азотированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали азотом. Азотирование очень сильно повышает твердость поверхностного слоя, его износостойкость, предел выносливости и сопротивление коррозии в таких средах как атмосфера, вода, пар и др. Твердость азотируемого слоя заметно выше чем твердость цементируемого. Она сохраняется до 450-500⁰С. Твердость цементируемого слоя сохраняется до 200-225⁰С. Азотирование ведут в диссоциированном аммиаке NH₃ (25-60%).Цианирование.

Цианированием называют процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя стали одновременно углеродом и азотом при t = 820-950⁰С в расплавленных солях, содержащих группу NaCN. В этом процессе температура 820-860⁰С. Недостатком цианирования является высокая стоимость, ядовитость цианистых солей.

Борирование.

Борированием называют химико-термическую обработку, заключающуюся в диффузионном насыщении поверхностного слоя стали бором при нагреве в соответствующей среде. Борирование чаще выполняют при электролизе расплавленной буры (Na₂B₄O₇). Изделие служит катодом. Температура насыщения 930-950⁰С, выдержка 2-6 часов. Борирование применяют для повышения износостойкости втулок нефтяных насосов, штампов, деталей прессформ и машин для литья под давлением. Стойкость деталей после борирования выше в 10 раз.

Силицирование.

Насыщение поверхности стали Si называется силицированием. Силицирование придает стали повышенную коррозионную стойкость в морской воде, азотной, серной и соляной кислотах и несколько увеличивает стойкость против износа.

Салицирование применяют для деталей, используемых в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (валики насосов, трубопроводы, крепеж и т.д.).

23. Цветные металлы, их свойства.

12.4.1 Титан.

Металл серого цвета, t⁰_плавл.(1668 + 5)⁰С, ρ = 4,3г/см³. Тип решетки – гексотональная. На поверхности образуется стойкая оксидная пленка, повышающая сопротивление коррозии в морской воде и агрессивных средах. Технический титан изготавливается двух марок ВТ 1-00 и ВТ 1-0. Азот, углерод, кислород и водород повышают твердость и прочность Ti, но понижают пластичность, свариваемость, t сопротивления коррозии. Tш обрабатывается давлением, сваривается, но плохо обрабатывается резанием. Ti поставляют в виде листов, прутков, проволоки и др. полуфабрикатов. Сплавы на основе Ti получили широкое распространение. Легирование Ti, Fe, Al, Mn, Cr, Sn, V, Si повышает прочность, но снижает пластичность и вязкость. Жаропрочность повышается Al, Zr, Mo, а коррозийную стойкость Mo, Zr, Nb, Ta. Титановые сплавы применяют в авиа-ракетной технике, химическом машиностроении и т.д.

Пример ВТ5 (5%Al), ВТ5-1 (5%Al, 2,5 Sn), ВТ14 (Al – 5,5%, V – 1,3%, Mo – 3,0%). Например, сплав ВТ14 рекомендовано применять для изготовления тяжелонагреваемых деталей, деталей длительное время работающих при t = 400⁰C.

12.4.2Алюминий и его сплавы.

Алюминий имеет гранецентровальную решетку, ρ = 2,7 г/см³, t_пл= 600⁰С. Обладает хорошей электропроводностью, составляющей 65% электрической проводимости Cu. Обладает высокой коррозионной стойкостью. Сплавы можно подразделить на литейные и деформированные. Al-сплавы обладают хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью. Они применяются в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства. Деформированные Al сплавы наиболее прочные, это сплавы Ак 6, АМг-6, σ_вр≈320Мпа. Они делятся на сплавы подвергаемые термообработке и не термообработанные.

Литейные сплавы.

Они должны обладать высокой жидкотекучестью, небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин. Высокими литейными свойствами обладают сплавы, содержащие в своем составе эвтектику. Чаще применяют сплавы Al – Si, Al – Cu, Al – Mg. Для измельчения зерна вводят модифицированные добавки, Ti, Zz, B, V и др. Литейные сплавы Ал 2, 4, 9, 19 и др. Многие отливки из Al-сплавов подвергают термической обработке.

Сплавы Al – Si называются силумины. Наиболее распространен сплав, содержащий 10-13% Si (Ал 2), обладающий высокой коррозионной стойкостью. Si при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов в пластинчатом α – твердом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами.

24.Полимерные композиционные материалы, состав, свойства, характеристики, технология получения.

Композиционными называются материалы, включающие в свой состав элементы, разнородные по составу и свойствам. Конструкционные композиционные материалы (КМ) – это новый класс материалов, свойства которых могут закладываться и формироваться в процессе конструирования изделий. Как правило, КМ содержат высокопрочную армированную основу и матрицу, скрепляющую армирующие элементы. Традиционные конструкционные материалы – металлические сплавы, имеют изотропную структуру. Процесс получения материалов и изделий из них разделен во времени и осуществляется на различных предприятиях. Изделия изготавливаются из заранее полученного металла в виде готового сортамента, отливок или поковок. Принципиальным отличием КМ от традиционных материалов является то, что материал и изделие формируется одновременно. Этот процесс совмещен в пространстве и времени. Указанные особенности требуют специальных приемов и нового подхода к проектированию и изготовлению изделий из КМ. Задача усложняется тем, что в силу особенностей структуры, КМ имеет, как правило, ярко выраженные анизатропные свойства. По составу, конструктивным особенностям и методам изготовления класс КМ весьма разнообразен. Так имеются КМ с полимерной матрицей и армирующей основой в виде высокопрочных нитей. Разработаны КМ с металлической матрицей, например, в виде алюминиевого сплава и армирующей основой в виде стальной проволоки либо в виде высокопрочных кристаллов. По методам изготовления КМ могут подразделяться на получаемые намоткой, выкладкой, прессованием и т.д. большинство из КМ находятся на стадии лабораторной обработки. Промышленно освоены изделия из полимерных КМ: стеклопластиков, органопластиков и углепластиков.

Впервые промышленное изготовление изделий из полимерных КМ (стеклопластиков) было начато в США фирмой Дюпон по заказу авиационной промышленности в 1941 году. В СССР в шестидесятые годы в связи с развитием ракетной технологии также начинается бурное освоение полимерных КМ, в то время представленное стеклопластиками. Из них изготавливались в первую очередь корпуса верхних ступеней ракет, взамен алюминиевых сплавов и корпуса ракетных двигателей твердого топлива. Ряд ведущих организаций СССР занимался вопросами изготовления изделий из КМ, в частности, МВТУ, завод в г. Дзержинском Московской области, фирма С.П.Королева. В семидесятые годы стеклопластики начинают вытесняться более прогрессивными КМ – органопластиками. В качестве армирующей основы они содержат высокопрочную нить СВМ или ткань ТСВМ/Дж. В США аналогом этой нити является нить Кевлар –49, выпускаемая фирмой Дюпон. Немного позже появляется еще один класс КМ – углепластики. Основным армирующим элементом этого материала является угольный жгут, ткань или лента. Все указанные КМ обладают высокой прочностью при низкой плотности. Однако их плотность несколько различается: 1,3 г/см³ у органопластиков, 1,5 г/см³ у углепластиков, 2 г/см³ у стеклопластиков. Прочность КМ в силу инизотропии свойств сильно отличается вдоль направления армирования и поперек. Поэтому при оценках прочности можно говорить об усредненных характеристиках в конструкции, либо приводить точные данные по прочности однонаправленных образцов в различных направлениях. Усредненная прочность в конструкции органопластиков и углепластиков соответствует прочности легированных сталей, например, таких как 30 ХГСА (1000 МПа). Одновременно следует отметить, что освоенные промышленностью КМ имеют различную жесткость. Жесткость органопластика приблизительно равна жесткости деформируемых алюминиевых сплавов таких, как Ак 6, Амг 6, жесткость стеклопластиков приблизительно в два раза ниже, углепластиков – в два раза выше. Различной является механическая обрабатываемость КМ. Стеклопластики и углепластики хорошо обрабатываются резанием, обработка органопластика затруднена. Для получения качественной поверхности целесообразным является применение алмазного инструмента и высоких скоростей резания. Учитывая указанные особенности физико-механических свойств материалов и особенности их обработки, в конструкции могут находить применение несколько КМ одновременно. Так в качестве основного материала часто используется органопластик, в местах наибольших деформаций применяется органо-углепластик или углепластик, опорные поверхности, шпангауты и некоторые другие фрагменты изделий из КМ могут выполняться из стеклопластиков. При выборе материалов изделия следует также учитывать их стоимость. Органопластик по стоимости близок к алюминиевым сплавам, углепластик – дороже, стеклопластик по стоимости приблизительно соответствует углеродистым сталям.

Современные полимерные КМ состоят на 70% из высокопрочных нитей и на 30% из полимерной матрицы, которая называется также связующим материалом. В качестве связующего чаще всего используются эпоксидные или полимидные смолы с отвердителем. В производстве используется только связующее горячего отверждения, в котором процесс полимеризации протекает при повышенной температуре, около 130 С. это позволяет не ограничивать технологический цикл изготовления изделия во времени. Наиболее широко при производстве КМ используются эпоксидные связующие. Это обусловлено следующими свойствами:

1) хорошая адезия к большому числу наполнителей и армирующих компонентов;

2) относительно высокая прочность (20-40МПа)

3) широкое разнообразие доступных эпоксидных смол и отверждающих компонентов, позволяющих получить широкий диапазон свойств;

4) низкие усадочные характеристики при полимеризации;

5) высокая химическая стойкость;

6) хорошие электроизоляционные свойства;

7) умеренная стоимость.

Рассмотрим способы получения и некоторые свойства основных армирующих материалов.

Стеклонити. Промышленность выпускает волокна двух видов: непрерывную нить и штапельное волокно (резанное). Все виды стекловолокна получают вытяжкой из расплава стекла. Штапельная нить режется струей воздуха. Первоначально стекло получают из шихты в в иде микросфер, которые затем подают в плавильные печи, полученную массу продавливают через фильтры. Получаемые при этом волокна охлаждаются в водяных брызгах. Некоторые свойства стеклонитей:

-плотность, =2,5 г\см³;

-прочность на растяжение, =300 600 Мпа;

-модуль упругости 1-4 10⁴ Мпа;

-коэффициент линейного растяжения 6-8 10^-6 .

Стекловолокна имеют минеральную основу, поэтому практически не горючи, химически инертны, устойчивы к бактериям, грибкам, насекомым.

Углеродные волокна. Получают из продуктов деструкции каменных углей (пеков). Первоначально получают низкомодульные волокна методом прядения из пеков, затем в среде инертных газов при температуре 1000-1500^о С осуществляют карбонизацию для удаления всех компонентов кроме углерода. Для повышения прочности осуществляют процесс графитизации при температуре 3000^о С.

Некоторые характеристики углеволокон:

-плотность, =1,6 г\см^3;

-прочность на растяжение, =700 1500 Мпа;

-модуль упругости 7-12 10⁴ Мпа;

Органоволокно(СВМ) получают методом поликонденсации диаминов и галогенангидридов дикарбоновых кислот в растворе при низкой температуре. Полученную полимерную крошку растворяют в серной кислоте и методом экструзии при температуре получают нити.

Некоторые характеристики органоволокон:

-плотность, =1,44 г\см^3;

-прочность на растяжение, =3000 4000 Мпа;

-модуль упругости 5-6 10⁴ Мпа.

Борные волокна.В настоящее время они промышленно освоены в США. Выпускают двух видов: боровольфрамовые и бороуглеродные волокна. Получают путем осаждения бора на подложку в виде вольфрамовой или углеродной нити толщиной 12 15 мкм. Диаметр готового волокна составляет 100-200 мкм. Осаждение осуществляется из газовой фазы (смеси ) на раскаленную вольфрамовую или углеродную нить. В связи с тем, что углеродная нить может быть нагрета до более высоких температур, чем вольфрамовая, процесс осаждения идет быстрее и нить в производстве оказывается дешевле. Вольфрамовые и бороуглеродные нити используются для получения изделий из боропластиков. Это материал с чрезвычайно высокой прочностью на сжатие, жесткостью не ниже, чем у стали и плотностью 2,5 г\см³. Вместе с тем следует отметить высокую стоимость материала. В США из этого материала изготавливают корпуса глубоководных аппаратов.

25.Перспективы и применение полимерных композиционных материалов.

13.2. Область применения полимерных композиционных материалов.

Помимо высокой удельной прочности КМ обладают рядом дополнительных свойств, делающих их применение особенно эффективным. КМ обладают высокой химической пассивностью. Они не вступают во взаимодействие с кислотами, щелочами, растворами солей. Эти материалы обладают высокой технологичностью, кроме того, при введении в состав матрицы красителя они оказываются окрашены по всему объему. При этом окраска сохраняется в течение всего срока эксплуатации изделия. Органо- и стеклопластики обладают хорошими диэлектрическими свойствами, углепластики – хорошие проводники. Полимерные КМ имеют низкий коэффициент линейного расширения: приблизительно 5 10^-6

С учетом указанных свойств полимерные КМ начинают широко использоваться в различных изделиях. По прогнозам специалистов США – 2006-2008 году более 50% всех используемых в промышленности материалов будет приходиться на КМ. В настоящее время КМ применяются в авиакосмическом комплексе, в качестве корпусов малотоннажных судов и яхт, в качестве железнодорожных и автомобильных цистерн для перевозки жидких и сыпучих продуктов, для изготовления кузовов и деталей автомобилей и автобусов и а других изделиях.

26.Сущность технологических процессов механической обработки. Основные факторы, определяющие качество механической обработки.

Технологический процесс обработки конструкционных материалов резанием состоит в снятии с заготовки слоя металла (припуска на механическую обработку) режущим инструментом для придания заготовке требуемой точности размеров и качества поверхности.

Главные показатели при механической обработке деталей - точность размеров и шероховатость поверхности. От этих показателей зависит надежность и долговечность машин. Основными технологическими процессами обработки резанием являются: точение, строгание, сверление,

фрезерование и шлифование.

Вследствие различных погрешностей, неизбежно возникающих при любой обработке, детали не могут иметь номинальные размеры. Ограничивая погрешности в определенных пределах, можно обеспечить не только беспригонную сборку, но и функционирование изделия с высокими эксплуатационными показателями. Точность детали по геометрическим параметрам укрупненно характеризуется пятью видами отклонений: размеров, формы, расположения, волнистостью, шероховатостью. Такая классификация облегчает нормирование погрешности и упрощает производственный контроль.

При нормировании точности размеров деталей различают нормальные, действительные и предельные размеры. Разность между предельным и номинальным размером называется допуском. По международной системе допуски обозначаются JT.Допуск является показателем ,характеризующим точность и отражающим затраты на обработку. Чем меньше допуск, тем выше точность, тем более трудоемка обработка заготовки. Относительный уровень точности размеров регламентируется квалитетами. Для размеров от 1 до 10000мм установлено 19 квалитетов точности (JT0,JT1…JT17). Значение допуска возрастает с увеличением номера квалитета. При механической обработке точность изготовления деталей изменяется в диапазоне отJT14доJT5.

Шероховатость поверхности, под которой понимают совокупность неровностей поверхности, оценивают на базовой длине. Для количественной оценки шероховатости установлен комплекс показателей, при определении которых используют единую базу - среднюю линию. Шероховатость задается при разработке изделия и оценивается классом чистоты.

Точение. Процесс резания характеризуется следующими режимами: скоростью резания, подачей, глубиной резания.

,

где V – скорость резания, м\мин, D – диаметр заготовки в мм, n – число оборотов заготовки в минуту.

S - подача. Подача – это путь, пройденный режущим инструментом относительно обрабатываемой заготовки за 1 ее оборот.

t- глубина резания. Это толщина срезаемого слоя металла с обрабатываемой поверхности заготовки за 1 проход резца.

- машинное время. Это время, в течение которого происходит снятие с заготовки припуска металла.

,

где L-длина обрабатываемой поверхности в мм, h- припуск на механическую обработку в мм.

Процесс точения осуществляется на токарных станках или на станках с числовым программным управлением. Виды обработки металлов резанием различаются между собой конструкцией режущего инструмента и характером движений, совершаемых инструментом. При точении наружных и внутренних поверхностей деталей главным движением является вращение вокруг своей оси детали. Режущий инструмент (резец) перемещается линейно вдоль оси обрабатываемой детали. Материалы, применяемые для изготовления режущего инструмента, должны обладать высокой твердостью, износостойкостью, теплостойкостью, прочностью, ударной вязкостью. Этими свойствами обладают легированные и быстрорежущие стали, твердые сплавы.

Строгание – грубый низкопроизводительный вид обработки резанием с большой толщиной срезаемого слоя металла. Этот метод используется для обработки крупных заготовок с горизонтальными или наклонными плоскостями. Инструментом служат строгальные резцы, которые перемещаются линейно вдоль образующей поверхности. Заготовка при этом неподвижна.

Сверление – это процесс формирования сквозных и глухих отверстий, нарезание резьбы, применяемый инструмент – сверла, зенкеры, развертки, метчики и др. Инструмент вращается вдоль своей оси. Для формирования резьбы служат метчики.

Фрезерование – высокопроизводительный метод обработки резанием, осуществляемый многолезвийным инструментом, называемым фрезой. Этим методом осуществляют обработку как плоских, так и фасонных поверхностей. Фреза вращается вокруг своей оси, заготовка остается неподвижной. В зависимости от формы и размещения режущих кромок фрезы бывают радиальные, торцевые, дисковые и т.д.

Шлифование – это процесс обработки резанием поверхностей деталей абразивным инструментом. Процесс шлифования характеризуется высокими скоростями резания и малой толщиной снимаемого слоя металла. Шлифование обеспечивает высокую точность и чистоту поверхности. Применяется для обработки закаленных сталей, чугунных отливок, зачистки проката, окончательной обработки деталей. В качестве режущего инструмента применяется шлифовальный круг, состоящий из высокотвердых зерен с режущими кромками (алмазных, корундовых и др.) и полимерной или на основе карбидов связки. Шлифовальные круги являются самозатачивающимся инструментом. В процессе резания выделяется большое количество тепла, поэтому срезаемые частички металла сгорают.

27. Технико-экономический анализ технологического процесса механической обработки, оптимизация 2-х процессов механической обработки по себестоимости в зависимости от объемов партии деталей.

1. Штучная себестоимость изготовления одной детали.

,

где а - сумма текущих затрат, приходящихся на 1 деталь, b- единовременные расходы на изготовление партии деталей в плановый период, N - количество деталей в партии.

2. Себестоимость заданной партии деталей.

,

,

где m – стоимость материалов и технического топлива, З – зарплата основных рабочих.

,

где t_штi – штучное время i – ой операции, B_i- тарифная ставка i –ой операции, n-число операций.

Р – накладные расходы текущего характера и амортизации отчисления по оборудованию, а также расходы на освещение, отопление, режущий и мерительный инструменты, расходы на административно- управленческий аппарат и вспомогательных рабочих.

,

где З_H- зарплата наладчиков оборудования, C_i-стоимость i-ой единицы спецоснастки, K_i- коэффициент, учитывающий срок службы оснастки и расходы на ее эксплуатацию.

Проведем экономическую оценку двух вариантов технического процесса механической обработки, которые отличаются величиной одновременных затрат и прежде всего стоимостью специальной оснастки. Изготовление оснастки экономически оправдано при достаточно большой программе производства. Основным преимуществом использования оснастки является повышение производительности труда.

На рис. 14.1 представлены графики изменения себестоимости обработки детали для двух вариантов технологического процесса в зависимости от объема производства.

,

Определим критический объем производства N_кр. Для случая N< N_кр экономически целесообразен первый технологический процесс. Для случая N>N_кр – второй технологический процесс. При N_кр S₁=S₂, .

28. Сущность технологических процессов литья. Основные методы литья.

Литьем получают детали из чугуна, стали, магниевых и других сплавов. Литье – это дешевый способ получения заготовок.

Процесс литья заключается в том, что расплавленный металл заливается в заранее приготовленную форму, полость которой по своим размерам и конфигурации соответствует размерам заготовок.

Литейные формы бывают одноразовые и постоянные, которые применяются многократно. Одноразовые же после каждой отливки разрушаются. Для получения качественных отливок сплавы должны обладать следующими свойствами: хорошей жидкотекучестью, низкой усадкой, малой ликвацией (неоднородностью химического состава и структуры по толщине). В песчано-глинистые формы осуществляется 60% всех отливок. Кроме того, имеются технологии литья в кокиль, под давлением, центробежным способом, по выплавляемым моделям.

15.2. Технологические процессы получения отливок в разовые песчано-глинистые формы

Технологические процессы получения отливок в разовые песчано-глинистые формы включают ряд операций, связанных с изготовлением формовочной и стержневой смесей, изготовлением модельной оснастки, стержней, сушки, формовки и т.д.

Изготовление песчано-глинистой формы является трудоемким, грязным процессом. Он используется в единичном и опытно-экспериментальном производстве. Недостатком литья в песчано-глинистые формы является низкая точность, плохое качество, необходимость последующей механической обработки. При этом объем механической обработки достаточно большой.Следует также отметить , что структура металла при таком виде литья характеризуется большой неоднородностью,наличием внутренних дефектов и напряжений . Припуск на последующую механическую обработку большой . Это приводит к повышенному расходу металла.

15.3. Литье в многоразовые формы.

Этот вид литья предполагает получение отливок в металлической постоянной форме – кокиле. Кокили изготавливаются из чугуна, стали, алюминия. Бывают разъемные и неразъемные кокили. Наиболее распространены разъемные: с горизонтальными и вертикальными плоскостями разъемов. Для литья широко применяют карусельные машины, которые позволяют получить несколько отливок одновременно и обеспечивают высокую производительность труда.

Преимущества этого вида литья в сравнении с литьем в песчано-глинистые формы: более высокая точность и производительность, качество изделий, прочность за счет быстрого охлаждения и мелкокристальной структуры отливки. Припуск на последующую обработку минимален , что позволяет отнести этот вид получения заготовок к ресурсосберегающему.

Литье под давлением

Литье под давлением – это высокопроизводительный процесс получения отливок из сплавов черных и цветных металлов. Суть метода состоит в заполнении формы жидким металлом под давлением поршня.

Бывают поршневые машины с горячей и холодной камерой прессования. За счет заполнения формы жидким металлом под давлением повышается качество готового изделия и производительность. Резко сокращается вероятность наличия остаточных пустот при литье

Центробежное литье

Это производительный процесс изготовления отливок в виде тел вращения (трубы, втулки и т.д.). Суть метода заключается в заполнении вращающейся формы жидким металлом. Неметаллические включения собираются на внутренней стороне отливки и удаляются последующей механической обработкой. Это обусловлено тем, что плотность неметаллических включений ниже плотности черных металлов. Ось вращения у литейных машин может быть горизонтальной или вертикальной.

Преимущества этого вида литья следующие: высокая производительность, экономичность и качество отливок.

15.4 Литье по выплавляемым моделя

Этот вид литья применяют для получения отливок высокой точности, например, лопаток турбин. Однако, это дорогостоящий процесс, отличающийся высокой стоимостью материалов. Технологический процесс литья по выплавляемым моделям включает следующие операции: изготовление модели отливки из легкообрабатываемого сплава, например, алюминиевого; изготовление пресс-формы по металлической модели; прессование моделей из легкоплавкого материала, например, парафина, стеарина и т.д.; нанесение огнеупорного состава ( керамическая суспензия из кварцевого песка и смолы); обработка горячим воздухом с температурой 150-200^оС для удаления легкоплавкой модели; прокаливание полученной формы при 800-850^оС; заливка формы жидким металлом. Очистку формы от остатков керамического покрытия производят выщелочиванием с последующей промывкой горячей водой.

Оболочковое литье

Оболочковое литье можно отнести к разновидности ( упрощенному варианту ) литья по выплавляемым моделям. Оно применяется в массовом и крупносерийном производстве заготовок из стали, чугуна, алюминия и медных сплавов. На поверхность предварительно нагретой до 200^оС металлической модели, которая прикреплена к подмодельной плите, насыпают формовочную смесь (кварцевый песок и 6-7% бакелитовой образуется синтетической смолы ) затем все это вместе прокаливают при температуре 300^оС в течение 1-2 минут. Смола расплавляется и смоляно-песчаная форма толщиной 5-8 мм. Полученную форму снимают с металлической модели в виде двух полуформ. Оболочковые полуформы скрепляют и заливают жидким металлом.

29. Теоретические основы пластического деформирования металлов. Технологии пластической переработки металлов.

16.1 Механизм пластической деформации металлов

При воздействии внешних нагрузок на изделие его материал проходит различные стадии деформирования. На рис. 15.1 представлена диаграмма деформирования металла под воздействием внешних сил.

Рисунок 16.1. Деформирование металла под воздействием внешних сил

На рисунке по осям отложены напряжения ( ) и относительная деформация металла ( ). Напряжения – это внутренние силы, возникающие в металле под действием внешней нагрузки, приходящиеся на единицу площади поперечного сечения. Относительная деформация определяется соотношением прироста линейных размеров изделия в результате воздействия внешней нагрузки к начальным его размерам.

Участок кривой ₀₂ является участком упругой деформации. При снятии внешней нагрузки форма изделия восстанавливается. Участок ₀₂ - _вр характеризуется пластическим деформированием материала изделия. При этом кристаллическая структура материала нарушается, появляются внутренние дефекты в виде сдвига кристаллов друг относительно друга по кристаллографическим плоскостям. Это приводит к снижению прочности изделия, коррозийной стойкости, пластичности и т.д. для восстановления этих свойств проводят рекристаллизационный отжиг, который обеспечивает перекристаллизацию материала. Материал хорошо поддается пластической переработке, если выполняется условие: =0,4-0,5.

При достижении напряжениями значения _вр происходит разрушение материала.

Методы пластической деформации позволяют получить заготовки, максимально приближенные по своей форме к форме готовой детали с минимальным припуском для последующей механической обработки.

Пластичность материала зависит от следующих факторов:

- состав материала;

- температуры, при которой происходит деформирование материала;

- степени деформирования.

Процессы пластической переработки материалов можно разделить на следующие: прокатка, штамповка, ковка, волочение

16.2 Прокатка

Прокатке подвергается до 90% выпускаемой стали. Сортамент прокатной продукции делится на 6 групп: профили простой геометрической формы (прямоугольник, квадрат, круг), профили сложной формы (швеллер, тавр, двутавр и т.д.), листовой прокат (тонколистовой, толстолистовой), трудный прокат, периодический прокат, в котором геометрическая форма и площадь поперечного сечения по длине проката меняется, специальный прокат. Прокатка осуществляется на прокатных станках.

Основными технико-экономическими показателями прокатного производства являются.

1. Расход материала на 1 т готовой продукции.

,

где а, в, с –потери на угар, обрезы, брак, - вес готового проката, т.

2. Скорость прокатки.

м\мин,

где Д- диаметр валков прокатного стана, n – число оборотов валков в мин.

3. Часовая производительность прокатного стана.

,

где Т – периодичность прокатки, с (время прохождения готовым элементом проката фиксированной точки на прокатном стане), В – масса одного слитка, т, К_р – коэффициент потерь.

Кроме указанных, могут быть и другие показатели, в частности, мощность главных приводов прокатного стана, расход энергии и др.