Контрольная работа по "Материаловедению"

Большинство высокопрочных  сталей закаливаются в масле или  подвергаются изотермической закалке. Сталь ВЛ - 1 (круглая диаметром 80 мм и лист или пластина толщиной до 40 мм) способна закаливаться на воздухе. В большинстве сечения сталь Вл - 1 следует закаливать в масле. Изотермическая закалка вызывает поводку стали в 2-3 раза меньшую, чем закалка в масле. Закалка на воздуху сообщает деталям сравнительно малую поводку. Кроме того, закалка на воздухе допускает более легкое применение фиксирующих приспособлений, практически полностью устраняющих коробление. Виды полуфабрикатов, изготовляемых из различных высокопрочных сталей, приведены в таблице 2.4.

Таблица 2.4 - полуфабрикаты, изготовляемые из высокопрочных сталей

Все высокопрочные стали обладают наилучшим сочетанием механических свойств после закалки и отпуска  при сравнительно низкой температуре (200-300^оС). Дальнейшее повышение температуры отпуска вызывает уменьшение предела прочности и вязкости стали, в особенности при низкой температуре испытания. В связи с этим предел прочности деталей из высокопрочных сталей не рекомендуется уменьшать применением более высокой температуры отпуска. Изменять предел прочности можно путем изменения температуры селитры или щелочи при изометрической закалке. Однако эти изменения также ограничены определенным диапазоном, поскольку повышение температуры изотермической закалки сверх допустимых пределов всегда приводит к хрупкости стали. В связи с тем, что возможности изменения предела прочности высокопрочных сталей изменением режимов упрочняющей термической обработки ограничены, необходимо для получения требуемой прочности правильно назначать марку стали главным образом в отношении содержания углерода.

Большой опыт промышленного производства и эксплуатации в ответственных условиях накоплен по сталям 30ХГСНА и 30ХГСНМА, обрабатываемым на σ _в = 160 / 180 кГ/мм² и σ_в = 140 / 160 кГ/мм². Промышленный опыт применения сталей с σ_в = 190 / 210 кГ/мм² значительно меньше, хотя сталь ЭИ 643 с σ_в = 200 кГ/мм² широко применяет уже ряд заводов. Применение стали прочности σ_в = 190 / 210кГ/мм² требует более жесткого подхода к конструированию и технологии, чем применение стали с σ_в = 160 / 180 кГ/мм².

[Ссылка 3]

3. Влияние способа изготовления (резание, ковка, штамповка и др.) на механические свойства

В металлообрабатывающей  промышленности обработка металлов давлением является одним из основных способов формообразования деталей машин различного назначения. Примерно 90 % стали и более 55 % цветных сплавов подвергаются обработке давлением.

Все процессы обработки  металлов давлением основаны на способности металлических материалов в твердом состоянии устойчиво изменять форму и размеры под действием приложенных внешних сил, т. е. пластически деформироваться. Обработка металлов давлением существенно отличается от других видов обработки, так как в процессе пластической деформации металл не только приобретает требуемую форму, но и меняет свою структуру (форму и размеры зерен, характер распределения неметаллических включений, возникновение направленности макроструктуры) и физико-механические свойства.

Несмотря на большое многообразие процессов  обработки давлением, их можно объединить в две основные группы — процессы металлургического и машиностроительного  производства.

К первой группе относятся: прокатка, прессование и волочение, т. е. процессы, в основе которых лежит принцип непрерывности технологического процесса. Продукцию металлургического производства (листы, полосы, ленты, периодический и профильный прокат, трубы, профили, проволоку и т. п.) используют как заготовку в кузнечно-штамповочных и механических цехах и как готовую продукцию для создания различного рода конструкций.

Во вторую группу входят такие процессы, как ковка, объемная штамповка (горячая и холодная), листовая штамповка и специальные виды обработки давлением (калибровка, раскатка кольцевых деталей, редуцирование, обкатка, раздача и т. д.). Эти процессы обеспечивают получение заготовок изделий (деталей) и готовых деталей, не требующих последующей механической обработки.

Возможность использования  высоких, сверхвысоких скоростей деформирования, небольшое число необходимых, относительно несложных технологических операций обусловливают кратковременность  технологического процесса, высокую  производительность и сравнительно низкую себестоимость получаемой продукции.

Кованые и штампованные заготовки (поковки) отличаются высокими механическими свойствами, что обеспечивает высокую надежность и долговечность  выпускаемой продукции, поэтому  наиболее ответственные, тяжелонагруженные детали машин изготавливают из заготовок, полученных ковкой или штамповкой.

Как указывалось  ранее, все процессы обработки металлов давлением основаны на возможности  материалов пластически деформироваться. Поэтому обработке давлением  могут подвергаться, как правило, те металлы и сплавы, которые обладают необходимым запасом пластичности, обеспечивающим деформирование без нарушения сплошности материала, т. е. без его разрушения.

Пластичность  не является неизменным, наперед заданным свойством материала — на нее оказывает влияние ряд факторов: химический состав материала, температура и скорость деформации, форма очага деформации и т. п. Создавая соответствующие условия деформирования, можно получить требуемую технологическую пластичность.

В зависимости от температуры и скорости деформации различают холодную и горячую деформации.

Холодная деформация происходит при таких температурно-скоростных условиях, когда в материале протекает  только один процесс — упрочнение (или наклеп) металла. В этом случае образуется волокнистая структура, резко повышается прочность и снижается пластичность материала. При холодной деформации может возникнуть преимущественная ориентация кристаллографических осей зерен, образуется так называемая текстура, что является причиной повышения анизотропии механических свойств материала.

Различают два  вида анизотропии:

1. начальную (или исходную), существующую до деформирования и объясняющуюся анизотропией свойств монокристаллических материалов; поликристаллические материалы (к ним относится большинство металлов, подвергаемых обработке давлением) могут быть квазиизотропными вследствие большого числа монокристаллических, хаотично расположенных зерен;
2. вторичную (или деформационную), т. е. изменяющуюся или заново возникающую в процессе деформации.

Анизотропия, возникающая  в процессе деформации, может оказывать  как полезное, так и вредное  влияние на свойства материала. Анизотропия  механических свойств листовых материалов способствует образованию «фестонов» при получении деталей глубокой вытяжкой, хрупкому разрушению рекристаллизованного тугоплавкого листового металла и другим видам дефектов. Однако механическая анизотропия может противодействовать хрупкому разрушению конструкций; направленность магнитных свойств материалов для трансформаторных сердечников, возникающая в результате прокатки трансформаторной стали, а также зависимости штампуемости листового материала от текстурного упрочнения свидетельствуют о полезном влиянии анизотропии.

Горячая деформация осуществляется при таких температурно-скоростных условиях обработки, когда в материале протекают одновременно два процесса: наклеп и рекристаллизация (упрочнение и разупрочнение), причем скорость разупрочнения равна или выше скорости упрочнения.

При горячей  деформации улучшаются все механические свойства материала: и прочностные, и пластические, особенно повышается ударная вязкость. После горячей деформации, как правило, микроструктура равноосная, мелкозернистая, макроструктура волокнистая. Образование волокнистой макроструктуры при горячей деформации — полезное явление, особенно при изготовлении ответственных деталей (турбинных дисков, валов, роторов и т. п.).

Используя определенные операции ковки (например, осадку, протяжку) можно получить макроструктуру, совпадающую  с направлением максимальных напряжений в детали при ее эксплуатации.

Оптимизация конструктивных и технологических решений дает толчок к созданию так называемого  конструктивного и технологического множества, без чего невозможен выбор  оптимальных решений в разнообразных  условиях производства. Поэтому насыщение производства большим числом новых и совершенствование существующих технологических процессов является характерным условием развития современного машиностроения. Особенно ярко это обстоятельство проявляется в области обработки металлов давлением, для которой, по данным Е. И. Исаченкова, в настоящее время насчитывается более 400 способов объемного формообразования.

Рассмотрим  основные способы получения штучных  заготовок.

Во многих случаях, когда требуются высокие прочность  и пластичность, применяют заготовки из сортового и специального проката. В процессе прокатки нагретые до температуры деформирования литые заготовки подвергают многократному обжатию в валках прокатных станов, в результате чего значительно повышается плотность материала за счет «залечивания» литейных дефектов — пористости, микротрещин и т. п. Это придает заготовкам из проката высокие прочность и герметичность даже при небольшой их толщине.

При поперечно-винтовой прокатке в винтовых калибрах непрерывное  формообразование осуществляется путем перемещения обрабатываемого тела между вращающимися валками, на поверхности которых по винтовой линии нарезаны ручьи (рисунок 3.1). В результате этого длинная цилиндрическая заготовка, двигаясь непрерывно, деформируется на небольшом участке в относительно короткие тела вращения заданной конфигурации. Таким способом получают, в частности, шары.

Исходным материалом для изготовления мельничных шаров  служат прутки круглого поперечного  сечения из углеродистой стали диаметром  на 1-3 мм меньше диаметра шара, а для получения заготовок шаров подшипников качения — прутки из стали ШХ15. Передний конец предварительно нагретой заготовки толкателем подается в непрерывно вращающиеся валки. Высота винтовой реборды валков от начала калибра плавно увеличивается, вследствие чего заготовка, захваченная валками, продвигаясь вдоль оси калибра, постепенно обжимается, приобретая форму шара, соединенного перемычкой с остальной заготовкой. Затем шар отделяется от заготовки и обкатывается в калибре. При этом поверхность шара проглаживается, а остаток перемычки закатывается и из валков выбрасывается полностью сформованный шар.

Прокатанные заготовки  шаров имеют точную форму, а их диаметры изменяются в пределах 0,2-0,3 мм. Точные размеры, хорошее качество поверхности и малая глубина обезуглероженного слоя позволяют сократить припуск на шлифование шаров до 0,5-0,7 мм на сторону.

Прокаткой в  винтовых калибрах можно получать не только шары, но и другие тела вращения, например втулки, иглы для игольчатых подшипников.

Рисунок 3.1 - перемещения обрабатываемого тела между вращающимися валками, на поверхности которых по винтовой линии нарезаны ручьи.

Прокатка цилиндрических изделий в винтовых калибрах находит  применение и при получении заготовок, используемых в автоматических линиях, особенно для изделий из хрупких или очень пластичных материалов, когда традиционные способы резки мерных заготовок не могут обеспечить ровные торцы в заготовках.

Круглые изделия с переменным по длине диаметром применяются  во многих отраслях машиностроения. К таким изделиям относятся полуоси, валы, шпиндели и т. п. Обычные способы изготовления заготовок этих деталей токарной обработкой или штамповкой вызывают большие потери металла (до 25-35 %) в стружку или на заусенцы и в то же время являются малопроизводительными.

Наиболее целесообразным способом получения заготовок для  таких деталей является поперечно-винтовая прокатка на трехвалковых станах. Этот способ заключается в том, что  три приводных валка 1 (рисунок 3.2) вращают заготовку 2, которая принудительно перемещается в осевом направлении со значительным натяжением, создаваемым натяжным устройством через свободно вращающийся патрон 3, захватывающий передний конец заготовки. Во время прокатки валки сближаются и разводятся на требуемый размер гидравлической следящей системой в соответствии с заданным профилем сменной копировальной линейки или путем числового программного управления по заранее заданной программе.

На трехвалковых станах можно  получать прокат любой формы, состоящей  из соосно расположенных цилиндрических, конических, сферических или других поверхностей вращения. Трехвалковые станы имеют сравнительно малые установочные мощности, занимают меньше производственной площади, проще в эксплуатации и при ремонте.

По сравнению с другими  способами получения аналогичных деталей поперечно-винтовая прокатка профилей переменного сечения имеет следующие преимущества:

1. экономия металла до 15-30 %;

Рисунок 3.2 - поперечно-винтовая прокатка на трехвалковых станах.