Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Республики Крым «Керченский морской технический колледж» ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ ОП.03 Основы материаловедения по профессии 15.01.05 Сварщик (ручной и частично механизированной сварки (наплавки)) г. Керчь 2018 г. 1 Организация разработчик: Государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение Республики Крым «Керченский морской технический колледж» Разработчик : Засекан Надежда Васильевна, преподаватель высшей категории Рассмотрена, одобрена и рекомендована к утверждению на заседании МЦК сварочное производство Протокол № 1 от «30»08 2018 г. Председатель МЦК _________________ /Н.В.Засекан/ 2 Содержание Теоретическое занятие № 1. Введение 5 Теоретическое занятие № 2. Кристаллизация металлов 6 Теоретическое занятие № 3-4. Понятие о сплавах. 7 Теоретическое занятие № 5-6. Классификация и структура металлов и сплавов 7 Теоретическое занятие № 7. Диаграммы состояния сплавов 11 Теоретическое занятие № 8-9 Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов 12 Теоретическое занятие № 10 Термомеханическая обработка: виды, сущность, область применения. 14 Теоретическое занятие № 11 Химико-термическая обработка металлов и сплавов 15 Теоретическое занятие № 12. Общая характеристика методов анализа материалов 16 Теоретическое занятие № 13. Рентгеноскопия 17 Теоретическое занятие № 14. Характеристика макроанализа и микроанализа 18 Теоретическое занятие № 15-16. Методы измерения твердости 19 Теоретическое занятие № 17. Общая характеристика железоуглеродистых сталей 20 Теоретическое занятие № 18. Классификация и характеристика чугунов 22 Теоретическое занятие № 19. Маркировка чугунов 24 Теоретическое занятие № 20. Общая классификация сталей 24 Теоретическое занятие № 21. Конструкционные стали, применение, свойства 25 Теоретическое занятие № 22. Классификация углеродистых и легированных сталей Теоретическое занятие № 23. Маркировка углеродистых и легированных сталей 27 Теоретическое занятие № 24. Применение стали в сварочном производстве 27 3 Теоретическое занятие № 25. Общая характеристика цветных металлов и сплавов 28 Теоретическое занятие № 26. Медные сплавы. 29 Теоретическое занятие № 27. Алюминиевые сплавы 30 Теоретическое занятие № 28. Свойства титана, никеля, свинца 30 Теоретическое занятие № 29. Проводниковые металлы и сплавы 31 Теоретическое занятие № 30. Магнитные металлы и сплавы 31 Теоретическое занятие № 21. Прокладочные, уплотнительные и изоляционные материалы 32 Теоретическое занятие № 32. Смазочные и охлаждающие материалы 33 4 Теоретическое занятие № 1 ТЕМА «Введение» Рассматриваемые вопросы: 1.Металлы, свойства 2.Чёрные, цветные металлы 3. Применение в металлургии Краткое содержание теоретического материала Металл (название происходит от лат. metallum - шахта) - один из классов элементов, которые, в отличие от неметаллов (и металлоидов), обладают характерными металлическими свойствами. Металлами являются большинство химических элементов (примерно 80 %). Самым распространенным металлом в земной коре является алюминий. Металлы - суть светлые тела, которые ковать можно. (Михаил Васильевич Ломоносов). Некоторые металлы: Щелочные металлы: Литий, Натрий, Калий Щелочноземельные металлы: Бериллий, Магний, Кальций Переходные металлы: Железо, Платина Другие металлы: Алюминий, Свинец, Медь, Цинк Металлургия - совокупность связанных между собой отраслей и стадий производственного процесса от добычи сырья до выпуска готовой продукции - черных и цветных металлов и их сплавов. К черным металлам относят железо, марганец и хром. Все остальные - цветные. По физическим свойствам и назначению цветные металлы условно делят на тяжелые (медь, свинец, цинк, олово, никель) и легкие (алюминий, титан, магний). Большая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические вещества. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. 5 Теоретическое занятие № 2 ТЕМА Кристаллизация металлов Рассматриваемые вопросы: 1. Основные теоретические положения 2.Виды кристаллических решёток Краткое содержание теоретического материала Основные теоретические положения Все металлы являются кристаллическими телами, имеющими определенный тип кристаллической решетки, состоящей из малоподвижных положительно заряженных ионов, между которыми движутся свободные электроны (так называемый электронный газ). Такой тип структуры называется металлической связью. Тип решетки определяется формой элементарного геометрического тела, многократное повторение которого по трем пространственным осям образует решетку данного кристаллического тела. Рис. 1.3. Координационное число в различных кристаллических решетках для атома А: а) - объемноцентрированная кубическая (К8); б) - гранецентрированная кубическая (К12); в) - гексагональная плотноупакованная (Г12) Металлы имеют относительно сложные типы кубических решеток - объемно центрированная (ОЦК) и гранецентрированная (ГЦК) кубические решетки. Основу ОЦК-решетки составляет элементарная кубическая ячейка (рис. 1.3,а), в которой положительно заряженные ионы металла находятся в вершинах куба, и еще один атом в центре его объема, т. е. на пересечении его диагоналей. Такой тип решетки в определенных диапазонах температур имеют железо, хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. металлы. У ГЦК-решетки (рис. 1.3, б) элементарной ячейкой служит куб с центрированными гранями. Подобную решетку имеют железо, алюминий, медь, никель, свинец и др. 6 металлы. Третьей распространенной разновидностью плотноупакованных решеток является гексагональная плотноупакованная (ГПУ, рис. 1.3, в). ГПУ-ячейка состоит из отстоящих друг от друга на параметр с параллельных центрированных гексагональных оснований. Три иона (атома) находятся на средней плоскости между основаниями. У гексагональных решеток отношение параметра с/а всегда больше единицы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, берилий, титан и др. Теоретическое занятие № 3-4 ТЕМА Понятие о сплавах Рассматриваемые вопросы: 1. Характерные свойства металлов: физические, химические, механические. Краткое содержание теоретического материала Характерные свойства металлов: Возможность легкой механической обработки (например, пластичность) Физические свойства металла: Все металлы (кроме ртути) тверды при нормальных условиях. Температуры плавления лежат в диапазоне от 39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). В зависимости от их плотности, металлы делят на легкие (плотность 0,53 ч 5 г/смі) и тяжелые (5 ч 22,5 г/смі). Механические свойства металла: Это способность металлов подвергаться различным способам механической обработки. Применение металлов Теоретическое занятие № 5-6 ТЕМА Классификация и структура металлов и сплавов Рассматриваемые вопросы: 1. Конструкционные материалы 2. Электротехнические материалы 7 3. Инструментальные материалы Краткое содержание теоретического материала Конструкционные материалы Металлы и их сплавы - один их главных конструкционных материалов современной цивилизации. Это определяется прежде всего их высокой прочностью, однородностью и непроницаемостью для жидкостей и газов. Кроме того, меняя рецептуру сплавов, можно менять их свойства в очень широких пределах. Электротехнические материалы Металлы используются как в качестве хороших проводников электричества (медь, алюминий), так и в качестве материалов с повышенным сопротивлением для резисторов и электронагревательных элементов (нихром и т. п.). Инструментальные материалы Металлы и их сплавы широко применяются для изготовления инструментов (их рабочей части). В основном это инструментальные стали и твердые сплавы. В качестве инструментальных материалов применяются также алмаз, нитрид бора, керамика. Табл.1. Важнейшие сплавы металлов: свойства и применение Название Состав Свойства Алюминиевые сплавы Al, Mg, Si, Легкость, высокая Cu, Zn, Mn, электро- и теплопроводность, Li, Be коррозионная стойкость, высокая удельная прочность Конструкционные материалы в авиации, строительстве, машиностроении и др.; электротехнические устройства и материалы Амальгама Hg и другие В зависимости от соотношения ртути и металлы др. металла может быть (при комнатной температуре) жидкой, полужидкой или твёрдой Золочение металлических изделий, производство зеркал, стоматология, реактив- восстановитель в химии и металлургии Вольфрамовые сплавы Mo, Re, Cu, Пластичность, Ni, Ag, жаропрочность и оксиды высокая термо-эдс (ThO2), карбиды Применение Детали электровакуумных приборов, высокотемпературных термопар, детали двигателей ракет и 8 (TaC) и др. самолётов Железоуглеродистые сплавы(чугун, сталь, ферросплавы) Fe, C, Р, S, Механическая Конструкционные Mn, Si, N, прочность, твердость, материалы для всех Cr, Ni, Mo, упругость, областей техники, W, V, Ti, коррозионная технологии, хозяйства, Со, Cu и др. устойчивость, вязкость машины, инструмент и др. Золотые сплавы Au, Ag, Cu, Сплав с Ag при 20— Pt, Pd, Sb, 40% Ag зеленоватожёлтый, при 50% Ag Bi, Pb, Hg — бледно-жёлтый; мягкий и ковкий; сплавы Au с Cu красновато-жёлтые; более твердые и упругие, чем чистое золото Золочение металлических изделий, изготовление монет, ювелирных изделий, зубных протезов, электрических контактов Легкоплавкие сплавы Sn, Bi, In, Низкие температуры Pb, Cd, Zn, плавления (не выше Sb, Ga, Hg и 232 °С); при содержании Bi более др. 55% расширяются при затвердевании Изготовление припоев, плавких предохранителей в электроаппаратуре, прессформ и моделей для изготовления отливок сложной формы из металлов и пластмасс, металлические замазки Магниевые сплавы Mg, Al, Zn, Лёгкость, прочность, Mn, Zr, Th, коррозионная Li, La, Nd, стойкость Y, Ag, Cd, Be Высоконагруженные детали из прессованных полуфабрикатов, штамповок и поковок в автомобилестроении, панели, штамповки сложной формы, сварные конструкции Медные сплавы Cu, Zn, Sn, Прочность, высокая Al, Ni, Be, P электропроводность, коррозионная стойкость, пластичность Трубы, теплотехническая аппаратура, подшипники, шестерни, втулки, пружины, детали приборов точной механики, термопары, фасонные детали, декоративноприкладные изделия и скульптура Никелевые сплавы Cu, Co, Fe, Ферромагнетизм, высокая пластичность и коррозионная стойкость, отсутствие Конструкционные материалы с высокой стойкостью к агрессивным средам, ферромагнитные 9 аллотропических изделия, превращений, магнитострикционные химическая стойкость материалы Оловянные сплавы Sn, Pb, Sb, низкая температура Cu, Zn, Cd и плавления, мягкость, коррозионная др. стойкость; антифрикционные свойства Легкоплавкие сплавы (припой, полуда) и подшипниковые материалы (баббит) Платиновые сплавы Pt, Rh, Ir, Pd, Ru, Ni, Co, Cu, W, Мо Высокая температура плавления, коррозионная стойкость, механическая прочность, каталитические свойства Свинцовые сплавы Pb, Fe, Cu, Sb, Sn, Cd, Са, Ca, Mg, Li, К, Na Прочность, твёрдость, Изготовление или антифрикционные, облицовка кислотоупорной свойства, низкая аппаратуры и температура плавления трубопроводов, свинца, коррозионная изготовление оболочек стойкость, хорошая низковольтных и силовых адгезия со многими кабелей, припои и полуды, металлами и сплавами подшипники, типографские сплавы, грузы, балласты, отливка дроби, сердечников пуль, изготовление решёток для свинцовых аккумуляторов Твёрдые сплавы WC, TiC, TaC; связующие металлы: Co, Ni, Mo, сталь Высокая твердость, тугоплавкость, износоустойчивость, коррозионная стойкость Типографские сплавы (гарт) Pb, Sb, Sn и низкая температура изготовления литых плавления (240—350 стереотипов др. °С), хорошие литейные (полиграфическая промышленность) и свойства элементов набора (шрифты др.). изготовление термопар электрических контактов, потенциометров, постоянных магнитов, высокотемпературных припоев, катализаторы, лабораторная посуда Цельнотвердосплавные изделия (инструмент) для обработки металлов, сплавов и неметаллических материалов, для оснащения рабочих частей буровых инструментов и как конструкционные материалы 10 Титановые сплавы Al, V, Mo, Mn, Sn, Zr, Cr, Cu, Fe, W, Ni, Si; Nb и Та Лёгкость, высокая прочность в широком интервале температур от -250 °С до 300-600 °С, коррозионная стойкость Конструкционные материалы в авиации, ракетостроении, химическая аппаратура Цинковые сплавы Zn, Al, Cu, Mg Невысокая Конструкционные и температура конструкционноплавления, легкость декоративные детали в обработки давлением и автомобильной резанием, сварки и промышленности, пайки, возможность электромашиностроении, нанесения покрытий оргтехнике, вкладыши электрохимическим и подшипников, бытовые химическим изделия, сувениры, способами, удовлетворительная коррозионная стойкость Теоретическое занятие № 7 ТЕМА Диаграммы состояния сплавов Рассматриваемые вопросы: 1.График диаграммы состояния сплавов 2. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния Краткое содержание теоретического материала Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния любого сплава изучаемой системы в зависимости от концентрации и температуры. Диаграмма состояния 11 Диаграммы состояния показывают устойчивые состояния, то есть состояния, которые при данных условиях обладают минимумом свободной энергии, и поэтому ее также называют диаграммой равновесия, так как она показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. Построение диаграмм состояния наиболее часто осуществляется при помощи термического анализа. В результате получают серию кривых охлаждения, на которых при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба и температурные остановки. Связь между свойствами сплавов и типом диаграммы состояния Температуры, соответствующие фазовым превращениям, называют критическими точками. Некоторые критические точки имеют названия, например, точки отвечающие началу кристаллизации называют точками ликвидус, а концу кристаллизации – точками солидус. По кривым охлаждения строят диаграмму состава в координатах: по оси абсцисс – концентрация компонентов, по оси ординат – температура. Шкала концентраций показывает содержание компонента В. Основными линиями являются линии ликвидус (1) и солидус (2), а также линии соответствующие фазовым превращениям в твердом состоянии (3, 4). По диаграмме состояния можно определить температуры фазовых превращений, изменение фазового состава, приблизительно, свойства сплава, виды обработки, которые можно применять для сплава. Теоретическое занятие №8-9 ТЕМА Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов Рассматриваемые вопросы: 1.Диаграмма Fe-C 2.Составляющие сплавов Краткое содержание теоретического материала Диаграмма состояния системы железо - углерод имеет большое практическое значение и является основой для изучения процессов термической обработки чугуна и стали. По ней определяют виды термической обработки, температурные интервалы превращений и т. д. Кроме того, диаграмма может быть использована для предсказания микроструктуры при любой заданной температуре. 12 Диаграмму создавали в течение многих лет ученые различных стран. Особенно большой вклад в построение диаграммы внес русский металлург Д. К. Чернов, которому принадлежит приоритет открытия превращений в сталях и критических точек. По горизонтальной оси диаграммы откладывается содержание углерода в сплаве в процентах, по вертикальной - температура в °С. Каждая точка на диаграмме характеризует определенный состав сплава при определенной температуре. Превращения в сплавах железо - углерод происходят не только при затвердевании сплава в жидком состоянии, но и в твердом благодаря переходу железа из одной аллотропической формы в другую. В зависимости от температуры и содержания углерода сплавы железо - углерод могут иметь структурные составляющие: феррит, цементит, перлит, аустенит, ледебурит и графит. Физико-химическая природа этих структурных составляющих различна. Феррит представляет собой твердый раствор углерода в α-железе. При 723° С в αжелезе может содержаться до 0,02% углерода, а при 20° С всего лишь 0,006% углерода. Феррит обладает высокой пластичностью, низкой твердостью (НВ 80-100), прочностью (σь = 25 кгс/мм2) и магнитными свойствами, которые сохраняются до температуры 768° С. Цементит - химическое соединение железа с углеродом, т. е. карбид железа Fe3C. Цементит содержит 6,63% углерода и до 210°С сохраняет магнитные свойства. Цементит очень хрупкий и обладает твердостью НВ 760-800. В структуре стали и чугуна он находится в виде игл, отдельных включений и сетки, по границам зерен. Перлитом называют механическую смесь феррита с цементитом. Перлит- это продукт распада аустенита при медленном охлаждении. Он может быть пластинчатым или зернистым. В нем содержится 0,8% углерода. Механические свойства перлита зависят от степени измельчения частичек цементита. 13 Ледебурит представляет собой эвтектику, состоящую из цементита и аустенита и образующуюся при кристаллизации жидкого сплава, который содержит 4,3% углерода. Ледебурит обладает высокой твердостью (НВ до 700) и хрупкостью. Чистое железо плавится и затвердевает при 1539°С (точка А), а чугун, содержащий 4,3% углерода, - при 1130°С (точка С). Графит - это кристаллическая разновидность углерода. Он имеет черный цвет и встречается в структуре чугуна и графитизированной стали. Когда температура сплава соответствует линии АС, начинается процесс кристаллизации: из жидкого сплава выделяются кристаллы аустенита, а на линии CD цементит. Так как цементит выделяется из жидкого сплава в процессе первичной кристаллизации, то его называют первичным. Линия АЕСF является линией солидуса. В точке С сплав, содержащий 4,3% углерода, переходит в твердое кристаллическое состояние. Теоретическое занятие № 10 ТЕМА Термомеханическая обработка: виды, сущность, область применения. Рассматриваемые вопросы: 1. Цель ТМО 2.Виды ТМО Краткое содержание теоретического материала Термическая (тепловая) обработка стали служит для изменения в определенных пределах прочности, твердости, вязкости, упругости, износостойкости и других свойств стального изделия. Большинство термических процессов не меняет химического состава стали. Исключением являются процессы химико-термической обработки, которые изменяют химический состав поверхностных слоев. Целью химико-термической обработки является получение поверхностного слоя стальных деталей, обладающих повышенной твердостью, износоустойчивостью, жаростойкостью или коррозионной стойкостью. Для этого нагретые детали подвергают воздействию среды, из которой путем диффузии (проникновения) в поверхностный слой деталей переходят некоторые элементы (углерод, азот, алюминий, хром, кремний и др.). Выделяющийся при разложении активизированный атом элемента проникает в решетку кристаллов стали и образует твердый раствор или химическое соединение. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки стали являются: цементация (насыщение поверхности углеродом), цианирование жидкое и газовое (насыщение поверхности азотом и углеродом), алитирование (насыщение поверхности алюминием), силици-рование (насыщение поверхности кремнием), борирование (насыщение поверхности бором) и др. Способами термической обработки без изменения химического состава металла являются нормализация, отжиг, закалка и отпуск. Нормализация применяется для того, чтобы перевести структуру стали в однородное состояние, ликвидировать крупнозернистую структуру, которую имеет сталь в литом или кованном состоянии. Нормализация заключается в нагреве до температуры, при которой углерод полностью растворяется в железе, и охлаждении на воздухе. Нормализованная 14 сталь имеет более высокие, чем в литом состоянии, показатели по вязкости и более низкую твердость, что создает хорошие условия для обработки резанием. Нормализацию применяют для выравнивания внутренних напряжений в отливках, поковках и сварных соединениях. Отжигом называют процесс, при котором производят нагрев выше температуры полного растворения углерода в железе, выдержку при этой температуре и затем медленное охлаждение До комнатной температуры. Отжиг применяют для улучшения обрабатываемости резанием и для повышения пластичности и вязкости. Закалкой называют процесс термической обработки, состоящий из нагрева выше точки полного растворения углерода в железе, выдержки при этой температуре в течение определенного времени и последующего быстрого охлаждения (в воде, в масле и других средах). Скорость нагрева, длительность выдержки и охлаждающая среда при закалке применяются в зависимости от химического состава стали, величины и массы изделия, типа печи и т. д. Для получения детали с вязкой сердцевиной и твердой рабочей поверхностью применяют поверхностную закалку. Отпуск состоит из нагрева закаленной стали ниже температуры начала растворения углерода в железе, выдержки и последующего быстрого или медленного охлаждения. Выбор температуры отпуска зависит от назначения изделий. Скорость охлаждения после отпуска для простой углеродистой стали не имеет значения, но специальные стали, например хромоникелевые, во избежание получения низких механических свойств (особенно ударной вязкости) необходимо охлаждать быстро. Теоретическое занятие №11 ТЕМА Химико-термическая обработка металлов и сплавов Рассматриваемые вопросы: 1. Цель ХТО 2.Цементация 3.Азотирование Краткое содержание теоретического материала Цементация. Сущность процесса цементации состоит в том, что при нагревании низкоуглеродистой стали в среде, способной отдавать углерод, поверхностный слой стали поглощает углерод и изменяет свой химический состав. После соответствующей термической обработки цементированные изделия приобретают высокую твердость поверхности, сохраняя вязкую сердцевину. Цементацию широко применяют при изготовлении деталей, подвергающихся истиранию и одновременно испытывающих ударную нагрузку. В зависимости от среды, отдающей углерод, цементация бывает твердая, жидкостная и газовая. При цементации в твердом карбюризаторе средой являются смеси, в состав которых входят древесный уголь, кокс, обугленная кожа, смешанные с углекислым барием или другими углекислыми солями. Цианирование — насыщение поверхностного слоя изделия одновременно углеродом и азотом. Цианирование, применяют для повышения поверхностной твердости и плоскостности. 15 Жидкостное цианирование производят в ваннах с расплавами цианистых солей (NaCN, KCN, Ca(CN)2 и др.) при температуре, достаточной для разложения их с выделением активных атомов углерода и азота. Газовое цианирование отличается от газовой цементации тем, что к цементирующему газу добавляют аммиак, дающий активизированные атомы азота, Алитирование представляет собой поверхностное насыщение деталей алюминием с образованием твердого раствора алюминия в железе. Оно применяется преимущественно к деталям, работающим при высоких температурах (колосники, трубы и др.), так как значительно повышает стойкость стали при высокой температуре (1000° С). Диффузное хромирование производится в порошковых смесях, состоящих из феррохрома и шамота, смоченных соляной кислотой, или в газовой среде при разложении паров хлорида хрома (CrС12). Хромированный слой низкоуглеродистой стали незначительно повышает твердость, но обладает большой вязкостью, что позволяет подвергать хромированные детали сплющиванию, прокатке и т. п. Теоретическое занятие № 12 ТЕМА Общая характеристика методов анализа материалов Рассматриваемые вопросы: 1. Макроскопический анализ 2. Микроскопический анализ Краткое содержание теоретического материала Методы исследования структуры - макро-и микроскопический анализ, рентгеноструктурный анализ и другие - широко используют не только в научных, но и в заводских лабораториях, поскольку большей частью существует надежная связь между структурой и свойствами металлов. На основании структурных исследований и механических испытаний можно сделать вывод о пригодности материала для тех или иных условий эксплуатации. Макроскопический анализ заключается в исследовании строения металла невооруженным глазом или при небольших увеличениях до 30 раз. Строение металла, которую проявляют при этом, называют макроструктурой. Макроструктуру можно наблюдать на поверхности изделий, на изломах и на шлифах. Макроскопический анализ применяют для выявления макродефектов: полостей и трещин, химической и структурной неоднородности металла, формы и размеров кристаллов в литом металле и т.д.. Преимуществом макроанализа есть возможность быстро обследовать исследуемую поверхность с целью получить предварительные данные о строении металла. Время, вследствие небольших увеличений, макроанализ не позволяет выявить все особенности строения металла. На основании данных макроанализа часто делают вывод о нецелесообразности применения технологий, которые влияют на формирование макроструктур, ухудшающих механические свойства металла. Микроскопическим анализом называют исследования строения металла с помощью микроскопа; строение металла, которую изучают под микроскопом, является микроструктурой. Для микроскопических исследований широко используют оптические и электронные микроскопы. При микроанализе изучают тонкое строение материала: форму и размеры зерен и фаз в 16 сплаве, их относительное распределение, а также проявляют неметаллические вкрапления (оксиды, сульфиды) или микродефекты (дислокации, микрополостей, микротрещины). В частности, за микроструктурой находят в сплаве долю определенного химического элемента, например углерода в стали. С помощью оптического металлографического микроскопа исследуют структуру при увеличении от 50 до 2000 раз, то есть с его помощью можно различить элементы структуры размером до 0,2 мкм (200 нм). Очень мелкие частицы структуры изучают благодаря электронному микроскопу, где изображение создается с помощью быстрого потока электронов. При этом наблюдаются частицы структуры размером до 2 ... 5 нм. Электронный микроскоп в противовес оптическом обеспечивает значительную глубину резкости изображения при увеличениях до 100 000 раз. Расположение атомов в кристаллах и расстояния между ними определяют путем рентгеноструктурного анализа с использованием рентгеновских лучей. Если в направлении потока этих лучей поставить фотопластинку, то усиленные лучи оставят на ней кольцевые пятна, расшифровывая которые, можно установить тип кристаллической решетки и величину ее параметров. Рентгеновскими лучами определяют также дефектность, деформацию кристаллической решетки и ориентации зерен. Теоретическое занятие № 13 ТЕМА Рентгеноскопия Рассматриваемые вопросы: 1. Рентгеновский метод 2. Люминесцентный метод 3. Магнитный метод Краткое содержание теоретического материала Магнитный метод (магнитная дефектоскопия) применяется для выявления трещин, волосовин, раковин и других дефектов, находящихся на поверхности (или близко около нее) изделий из ферромагнитных материалов. Сущность метода заключается в намагничивании изделия. Затем на поверхность наносится магнитный порошок окиси железа или его суспензия в керосине. Частицы порошка под действием магнитного потока, рассеивающегося в месте расположения дефекта, ориентируются по силовым линиям. В результате отчетливо выделяются даже самые мелкие дефекты. Люминесцентный метод (люминесцентная дефектоскопия) используется для выявления поверхностных дефектов изделий (микротрещин). Он основывается на свойстве некоторых органических веществ светиться под действием ультрафиолетовых лучей. Сущность метода заключается в нанесении на поверхность изделия специального флуоресцирующего раствора и ее освещении ультрафиолетовым светом. Проникающий в микротрещины раствор под действием лучей светится, тем самым позволяя их выявить. С помощью ультразвукового метода (ультразвуковая дефектоскопия) выявляют дефекты, расположенные глубоко в толще металла. Для этого используются ультразвуковые дефектоскопы, с помощью которых через толщу металла пропускают пучок ультразвуковых волн и контролируют их прохождение. Любая несплошность металла нарушает нормальное распространение волн, что можно увидеть на экране имеющегося в приборе осциллографа. 17 Рентгеновский метод (рентгеновская дефектоскопия) применяется для контроля литых, кованых и штампованных деталей, а также сварных соединений. Он заключается в просвечивании деталей рентгеновским излучением и фиксировании выходящего излучения на специальной светочувствительной пленке. При этом темные места на пленке свидетельствуют о наличии дефектов в исследуемых деталях. Теоретическое занятие № 14 ТЕМА Характеристика макроанализа и микроанализа Рассматриваемые вопросы: 1.Подготовка микрошлифа 2.Исследование макро и микроструктуры Краткое содержание теоретического материала Макроструктурой любого металла или сплава называется структура, видимая невооруженным глазом или при очень небольшом увеличении. Макроструктуру изучают по излому, разрезу слитка и с помощью макрошлифов. При этом могут быть определены величина зерна, его форма, строение волокна, а также выявлены видимые дефекты: пористость, усадочные раковины, газовые пузыри, трещины, неметаллические включения. Макрошлифы изготовляют следующим образом: из исследуемого материала вырезают образец, шлифуют и полируют одну из его поверхностей, затем эту поверхность травят специальными реактивами (серной, соляной и другими кислотами), после чего ее рассматривают. Структура металла при этом может изучаться либо непосредственно на поверхности либо в изломе (рис. 1) детали или специально приготовленного для этой цели образца. Рис.1 Излом валика Микроскопическим анализом называют исследования строения металла с помощью микроскопа; строение металла, которую изучают под микроскопом, является микроструктурой. Для микроскопических исследований широко используют оптические и электронные микроскопы. При микроанализе изучают тонкое строение материала: форму и размеры зерен и фаз в сплаве, их относительное распределение, а также проявляют неметаллические вкрапления (оксиды, сульфиды) или микродефекты (дислокации, микрополостей, микротрещины). В частности, за микроструктурой находят в сплаве долю определенного химического элемента, например углерода в стали. С помощью оптического металлографического микроскопа исследуют структуру при увеличении от 50 до 2000 раз, то есть с его помощью можно различить элементы 18 структуры размером до 0,2 мкм (200 нм). Очень мелкие частицы структуры изучают благодаря электронному микроскопу, где изображение создается с помощью быстрого потока электронов. При этом наблюдаются частицы структуры размером до 2 ... 5 нм. Электронный микроскоп в противовес оптическом обеспечивает значительную глубину резкости изображения при увеличениях до 100 000 раз. Расположение атомов в кристаллах и расстояния между ними определяют путем рентгеноструктурного анализа с использованием рентгеновских лучей. Если в направлении потока этих лучей поставить фотопластинку, то усиленные лучи оставят на ней кольцевые пятна, расшифровывая которые, можно установить тип кристаллической решетки и величину ее параметров. Рентгеновскими лучами определяют также дефектность, деформацию кристаллической решетки и ориентации зерен. Теоретическое занятие № 15-16 ТЕМА Методы измерения твердости Рассматриваемые вопросы: 1.Определение твёрдости 2.Методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Краткое содержание теоретического материала Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании. Это неразрушающий метод контроля, основной способ оценки качества термической обработки изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости). Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость. Схемы испытаний представлены на рис. 1. Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу. Наиболее распространенные методы определения твердости связаны с внедрением в испытуемый материал специального тела, называемого индентором, с таким усилием, чтобы произошла пластическая деформация. В материале при этом остается отпечаток индентора, по которому судят о величине твердости. Определение твердости — наиболее 19 распространенный метод исследования свойств материала. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, так как деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания на твердость не требуют высокой квалификации; зная твердость, можно судить и о других механических свойствах. Метод Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик, который вдавливают в испытуемый образец на специальном прессе В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки . Диаметр отпечатка измеряют в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью лупы со шкалой. Число твердости НВ, кгс/м м², — это отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка, его вычисляют по формуле: HB D 2 P D D d 2 , 2 где Р — прилагаемая нагрузка; D и d — соответственно диаметр шарика и отпечатка. Теоретическое занятие № 17 ТЕМА Общая характеристика железоуглеродистых сталей Рассматриваемые вопросы: 1.Fe-C сплавы 2.Классификация сплавов Сталь - деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. Получают, главным образом, из смеси чугуна со стальным ломом в кислородных конвертерах, мартеновских печах и электропечах. Сплав железа с углеродом, содержащий более 2,14% углерода, называют чугуном. 99% всей стали - материал конструкционный в широком смысле слова: включая стали для строительных сооружений, деталей машин, упругих элементов, инструмента и для особых условий работы - теплостойкие, нержавеющие, и т.п. Его главные качества - прочность (способность выдерживать при работе достаточные напряжения), пластичность (способность выдерживать достаточные деформации без разрушения как при производстве конструкций, так в местах перегрузок при их эксплуатации), вязкость (способность поглощать работу внешних сил, препятствуя распространению трещин), упругость, твердость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность. Маркировка углеродистых инструментальных сталей. Данные стали в соответствии с ГОСТ 1435-90 делятся на качественные и высококачественные. ˗ Качественные стали обозначаются буквой У (углеродистая) и цифрой, указывающей среднее содержание углерода в стали, в десятых долях процента. Например: У7, У8, У9, У10. У7 – углеродистая инструментальная сталь с содержанием углерода около 0.7% В обозначения высококачественных сталей добавляется буква А (У8А, У12А и т.д.). 20 Маркировка легированных сталей. Сталь 4Х2В5МФ, ХВГ, ХВЧ. ˗ 9Х5ВФ – легированная инструментальная сталь, с содержанием углерода около 0,9%, хрома около 5%, ванадия и вольфрама до 1% Конструкционные стали, применение, свойства Конструкционные стали представляют собой особые виды сплавов, которые применяются для изготовления различных конструкций, деталей и механизмов, используемых при производстве станков, машин, всевозможного оборудования, а также при строительстве объектов. Свойства, физические и механические качества конструкционных сталей обусловлены составом сплавов, в которых нередко сдержатся всевозможные вредные примеси. Самыми опасными из химических элементов, влияющих на прочностные характеристики конструкционных сталей, являются сера и фосфор, которые придают сплавам хрупкость и ломкость. В зависимости от количества их содержания конструкционные стали подразделяются на обыкновенные, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Содержание вредных примесей в них колеблется от 0,05 до 0,015%. Конструкционные обыкновенные стали имеют несколько подгрупп, классификация по которым осуществляется не только по наличию тех или иных химических компонентов, но и на основании технических характеристик получаемых сплавов. Основное их предназначение – изготовление балок, швеллеров, заклепок, уголков, болтов, труб, гвоздей и проволоки, т.е. тех деталей и предметов, которые при эксплуатации не подвержены повышенным физическим и механическим нагрузкам. Конструкционные качественные стали имеют гораздо меньше химических добавок и механических вкраплений. При их производстве допустимый уровень таких вредных примесей, как сера и фосфор, не может превышать 0,04%. Качественные конструкционные стали имеют более широкую область применения. В частности, из них методом холодной штамповки изготавливают различные детали, используемые в машиностроении, а также всевозможные пружины и рессоры. Применение стали в сварочном производстве Прутки и поковки из коррозионностойкой стали в закаленном состоянии предназначены для изготовления деталей, работающих в агрессивных средах. Применение закаленной и коррозионностойкой стали в машиностроении позволяет снизить энергоемкость и трудоемкость при производстве деталей. В последнее время наблюдается увеличение использования низкоуглеродистых коррозионностойких сталей и сплавов в химической, криогенной, пищевой и легкой промышленности, обусловленной их высокой стойкостью в агрессивных средах. Низкоуглеродистые коррозионностойкие марки стали применяются для изготовления сварного оборудования и трубопроводов, работающих в контакте с азотной кислотой и аммиачной селитрой, предназначена для изготовления основных узлов оборудования для синтеза карбамида и капролактама, работающих в кипящей фосфорной и 10% уксусной кислотах, сернокислых средах. Тросы из нержавеющей стали используются в тех ситуациях, где не должна иметь место коррозия, а также при работе в условиях высоких температур, например, в яхтенном спорте, авиации, химической и пищевой отрасли. Несмотря на малую относительную величину объемов производства нержавеющие стали в ряде случаев практически являются отраслеобразующим материалом. Например, развитие таких отраслей как авиакосмическая, нефтехимическая, пищевая, медицинская и бытовая впрямую зависит от рынка нержавеющего металлопроката. 21 Нержавейка применяется в сельхозмашиностроении, вагоностроении, автомобилестроении, в авиакосмической, нефтехимической, медицинской, пищевой промышленности (в т.ч. винодельческой промышленности для перекачивания вин, фруктовых соков, виноматериалов), при производстве инструмента сложной конфигурации (например, ножей для обработки кожи), в атомном машиностроении, в энергетическом машиностроении, в дизайне и оформлении, в судостроении, на заводах капитального ремонта транспорта, в производстве бытовой техники. Коррозионностойкие стали - это стали, которые не окисляются в агрессивной среде (пар, кислота, соль и др. химические вещества). Коррозионная стойкость сталей объясняется образованием на поверхности металла очень тонких пленок сложных окислов, которые плотно прилегают к поверхности металла и препятствуют проникновению агрессивных веществ в глубину металла. Такие пленки называют пассивными, а процесс их образования - пассивацией. Коррозионностойкие стали способны к самопассивации. Нарушение пленки пассивации на них легко восстанавливается. Все коррозионностойкие стали подразделены на две группы: хромистые и хромоникелевые. Хромистые стали с низким содержанием углерода (менее 0,1%) и с высоким содержанием хрома (более 15%) являются ферритными и закалке не поддаются. Остальные хромистые стали подвергают закалке с невысоким отпуском для получения антикоррозионных свойств. Хромоникелевые стали имеют структуру аустенита . Эти стали обладают хорошей стойкостью в различных кислотах. Основным недостатком этих сталей является склонность к межкристаллитной коррозии. Устойчивость против межкристаллитной коррозии достигается закалкой этих сталей при температуре 900-10000С с охлаждением в воде или на воздухе. Чувствительность стали к межкристаллитной коррозии существенно снижается при введении в сталь 0,6 - 0,8 % титана. Снижению склонности к межкристаллитной коррозии способствует уменьшение содержания углерода в стали. Для связывания углерода в устойчивые карбиды вводят небольшие добавки ниобия, однако при вводе ниобия возможно образование ферритной фазы. Добавка кремния делает аустенитные стали более прочными и упругими. Нержавеющий металлопрокат находит все большее применение в промышленности и строительстве, обеспечивая более высокое качество, долговечность и эстетику конечного продукта. Инструментальные стали - это группа марок сталей, которые путём термообработки приобретают высокую твёрдость, прочность и износостойкость, которые необходимы для обработки металла резаньем или давлением. По своему назначению инструментальные стали делятся на: Стали для измерительного инструмента, низколегированные и углеродистые стали; Стали для режущего инструмента (быстрорежущие) ледебуритного класса, высокой теплостойкости; Штамповые стали для холодной деформации, не теплостойкие стали заэвтектоидного и ледебуритного класса; Штамповые стали для горячей деформации, теплостойкие стали - доэвтектоидные, эвтектоидные и заэвтектоидные. Теоретическое занятие № 18 ТЕМА Классификация и характеристика чугунов Рассматриваемые вопросы: 22 1.Свойства чугунов 2.Виды чугунов Краткое содержание теоретического материала Чугун – сплав железа, в котором процентное количество углерода составляет от 2,14 до 6,67. Популярность этого материала обусловлена тем, что он недорогой и обладает отличными литейными качествами. Основное применение чугуна – машиностроение , кроме того он широко применяется в искусстве (художественное литье), архитектуре. Еще одно немаловажное назначение чугуна – это сырье для производсва стали. Сырьем для выплавки чугуна является железо, т.е. железная руда. Свойства чугуна. Обязательно входят в состав чугуна: кремний (Si) – менее 4,3%; второй по важности элемент после углерода; делает материал более мягким, улучшая его жидкотекучесть и литейные свойства; марганец (Mn) – менее 2%; этот элемент увеличивает прочность сплава; сера (S) – менее 0,07%; это элемент является причиной “красноломкости” (появление трещин при нагревании отливок), ухудшает жидкотекучесть сплава и литейные свойства; фосфор (P) – менее 1,2%; наличие фосфора является причиной “хладноломкости” (появление трещин при охлаждении отливок), ухудшает механические качества чугуна; Углерод (С) – самый важный элемент в чугуне; от количества, формы и вида его зависит разделение чугуна на сорта; в жидком сплаве чугуна углерод пребывает в расстворенном состоянии, в твердом – или с железом в химически связанном виде, или в виде графита (мелких пластинок). Виды чугуна. Серый чугун малопластичен, вязок, но хорошо обрабатывается резанием; углерод в этом сплаве – графит (пластинчатая форма); кроме того, на свойства серого чугуна сильно влияет структура железной основы; применяется в Белый чугун чрезвычайно хрупок и тверд, плохо отливается, плохо обрабатывается резанием; углерод в этом сплаве – цементит (карбид железа Fe3C), т.е. связанное с железом состояние; применяется для Половинчатый чугун обладает повышенными качествами износостойкости; часть углерода (больше 0,8%) – цементит (карбид железа Fe3C – связанное с железом состояние), а часть его находится в свободном состоянии; применяется в машино- и 23 машиностроении для деталей, функционирующих на износ; серый чугун с содержанием фосфора 0,3%-1,2% обладает хорошей текучестью и используется в художественном литье; переплавки в сталь, получения ковких сортов чугуна, поэтому его называют передельным; станкостроении. Теоретическое занятие № 19 ТЕМА Маркировка чугунов Рассматриваемые вопросы: 1.Маркировка чугунов Краткое содержание теоретического материала Чугуны подразделяют на: 1) серые - пластинчатая или червеобразная форма графита; 2) высокопрочные - шаровидный графит; 3) ковкие - хлопьевидный графит. Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85). СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа; ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа; КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа. Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ антифрикционный чугун: С серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79. Теоретическое занятие № 20 ТЕМА Общая классификация сталей Рассматриваемые вопросы: 1.Маркировка чугунов Краткое содержание теоретического материала 24 Классификация сталей и сплавов производится по химическому составу, по качеству (по способу производства и содержанию вредных примесей), по степени раскисления и характеру затвердевания .металла в изложнице, а также по назначению. По химическому составу углеродистые стали различают в зависимости от содержания углерода на следующие группы: • малоуглеродистые - менее 0,3% С; • среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С; • высокоуглеродистые - более 0,7 %С. В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов: • низколегированные - менее 2,5%; • среднелегированные - 2,5... 10%; • высоколегированные - более 10%. Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки. Стали обыкновенного качества и качественные по степени раскисления и характеру затвердевания металла в изложнице делятся на спокойные (сп), полуспокойные (пс) и кипящие (кп). Каждый из этих сортов отличается содержанием кислорода, азота и водорода. Так в кипящих сталях содержится наибольшее количество этих элементов. Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом (ЭШП) или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами. Теоретическое занятие № 21 ТЕМА Конструкционные стали, применение, свойства Рассматриваемые вопросы: 1. Конструкционные стали, применение, свойства Краткое содержание теоретического материала Качество конструкционных углеродистых сталей определяется наличием в стали вредных примесей фосфора(P) и серы (S). Фосфор придаёт стали хладноломкость (хрупкость). Сера — самая вредная примесь — придаёт стали красноломкость. Содержание вредных примесей в стали: 25 Обыкновенного качества — P и S — до 0,05 % (маркировка Ст). Качественная — P и S — до 0,035 % (маркировка Сталь). Высококачественная — P и S — до 0,025 % (маркировка А в конце марки). Особовысококачественная — Р и S — до 0,015 % (маркировка Ш в конце марки). Маркировка[править | править код] Основные марки конструкционных углеродистых сталей обыкновенного качества: Ст1кп2; БСт2пс; ВСт3Гпс; Ст4-2; … ВСт6сп3. Буква перед маркой показывает группу стали. Сталь группы А буквой не обозначается. Ст — показывает, что сталь обыкновенного качества. Первая цифра — номер по ГОСТу (от 0 до 6). Буква Г после первой цифры — повышенное содержание марганца (Mn) (служит для повышения прокаливаемости стали). сп; пс; кп — степень раскисления стали (Для стали группы А отсутствие обозначения подразумевает «сп»). Вторая цифра — номер категории стали (от 1 до 6 — основные механические свойства). Сталь 1-й категории цифрой не обозначается. Тире между цифрами указывает, что заказчик не предъявлял требований к степени раскисления стали. Применение[править | править код] Ст1; Ст2 — проволока, гвозди, заклёпки. Ст3; Ст4 — крепёжные детали, фасонный прокат. Ст5; Ст6 — слабонагруженные валы, оси. Теоретическое занятие № 22 ТЕМА Классификация углеродистых и легированных сталей Рассматриваемые вопросы: 1. Классификация углеродистых сталей 2. Классификация легированных сталей Краткое содержание теоретического материала В зависимости от химического состава стали делятся на углеродистые и легированные. Углеродистые стали содержат железо, углерод и небольшое количество примесей кремния, марганца, серы и фосфора. Легированные стали в отличие от углеродистых, кроме железа, углерода и обычных примесей, содержат значительное 26 количество специально введенных (легирующих) добавок, придающих стали особые свойства. К таким добавкам относятся никель, хром, вольфрам, титан, молибден, кремний, марганец и др. Классификация по химическому составу. Сталь по химическому составу в стандартах России подразделяют на нелегированную (углеродистую) и легированную. Нелегированная сталь кроме углерода, определяющего ее механические и технологические свойства, содержит остаточные раскисляющие элементы Теоретическое занятие № 23 ТЕМА Маркировка углеродистых и легированных сталей Рассматриваемые вопросы: 1. Маркировка углеродистых сталей 2. Маркировка легированных сталей Краткое содержание теоретического материала Инструментальные углеродистые стали обозначают буквой У и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, маркой У8 обозначают углеродистую инструментальную сталь со средним содержанием 0,8% углерода. Буква А, стоящая в конце марки (У8А, У12А и др.), указывает на высокое качество стали. Легированные конструкционные стали также обозначают цифрами и буквами, которые указывают на химический состав стали. При этом первые две цифры обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента; стоящие далее буквы обозначают легирующие элементы. Цифры, следующие за этими буквами, указывают на процентное содержание обозначенного буквой элемента. Для легирующих элементов приняты следующие буквенные обозначения: X — хром, Н — никель, Г — марганец, С — кремний, В — вольфрам, М — молибден, Ф — ванадий, К — кобальт, Т — титан, Ю — алюминий, Д — медь, П — фосфор, Р — бор, Б — ниобий, А — азот, Е — селен, Ц — цирконий. Например, марка 35Х обозначает хромовую сталь, содержащую около 0,35% углерода и 1,5% хрома; марка 45Г2 обозначает марганцевую сталь, содержащую около 0,45% углерода и 2% марганца. Легированные инструментальные стали маркируют аналогично легированным конструкционным сталям, но среднее содержание углерода указывают в десятых долях процента (если его содержание не превышает 0,9%) или совсем не указывают (если содержание углерода около или более 1%). Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой ставят цифры, указывающие на среднее содержание вальфрама в процентах. Теоретическое занятие № 24 ТЕМА Применение стали в сварочном производстве Рассматриваемые вопросы: 1. Применение стали в сварочном производстве 27 Краткое содержание теоретического материала Низкоуглеродистые коррозионностойкие марки стали применяются для изготовления сварного оборудования и трубопроводов, работающих в контакте с азотной кислотой и аммиачной селитрой, предназначена для изготовления основных узлов оборудования для синтеза карбамида и капролактама, работающих в кипящей фосфорной и 10% уксусной кислотах, сернокислых средах. Жаропрочные и жаростойкие стали применяют при изготовлении многих деталей газовых турбин реактивной авиации, в судовых газотурбинных установках, стационарных газовых турбинах, при перекачке нефти и нефтепродуктов, в аппаратуре крекинг установок, при гидрогенизации топлива, в нагревательных металлургических печах и многих других установках. Основным свойством быстрорежущих сталей является красностойкость, т.е. способность сохранять высокую твердость, прочность и износостойкость при повышенных температурах. Известно, что в процессе резания инструмент разогревается и тем больше, чем выше скорость резания и выше твердость обрабатываемого материала. Очень важно иметь инструмент, не теряющий режущих свойств при высоких скоростях резания. Инструмент из быстрорежущих сталей может резать металл при температурах 550-600°С. Теоретическое занятие № 25 ТЕМА Общая характеристика цветных металлов и сплавов Рассматриваемые вопросы: 1. Общая характеристика цветных металлов и сплавов 2. Особенности цветных металлов Краткое содержание теоретического материала Металл является химически простым веществом, обладающим такими характеристиками, как ковкость, теплопроводность, электропроводность; внешне отличается особым блеском. Цветные металлы — техническое название всех металлов и их сплавов (кроме железа и его сплавов, называемых черными металлами). Термин в русском языке соответствует термину в европейских языках. Цветная металлургия — отрасль металлургии, которая включает добычу, обогащение руд цветных металлов и выплавку цветных металлов и их сплавов. Различают металлургию легких металлов и металлургию тяжелых металлов. Особенности цветных металлов Некоторые металлы (медь, магний, алюминий) обладают сравнительно высокими теплопроводностью и удельной теплоемкостью, что способствует быстрому охлаждению места сварки, требует применения более мощных источников теплоты при сварке, а в ряде случаев предварительного подогрева детали. Для некоторых металлов (медь, алюминий, магний) и их сплавов наблюдается довольно резкое снижение механических свойств при нагреве, в результате чего в этом интервале температур металл легко разрушается от ударов, либо сварочная ванна даже проваливается под действием собственного веса (алюминий, бронза). 28 Все цветные сплавы при нагреве в значительно больших объемах, чем черные металлы, растворяют газы окружающей атмосферы и химически взаимодействуют со всеми газами, кроме инертных. Особенно активные в этом смысле более тугоплавкие и химически более активные металлы: титан, цирконий, ниобий, тантал, молибден. Эту группу металлов часто выделяют в группу тугоплавких, химически активных металлов. Теоретическое занятие № 26 ТЕМА Медные сплавы. Рассматриваемые вопросы: 1. Медь и её свойства 2. Бронза и латунь Краткое содержание теоретического материала Медь — это металл, который является наиболее распространенным среди цветных, обладающим высокой пластичностью, электропроводностью и теплопроводностью. Медь хорошо сплавляется со многими металлами, образуя сплавы, которые широко используются в машиностроении. Латуни. Сплавы меди с цинком называются латунями. По сравнению с медью латунь обладает более высокой прочностью, твердостью, упругостью, коррозионной стойкостью, меньшей пластичностью и высокими технологическими свойствами (литейными свойствами, деформируемостью и обрабатываемостью резанием). Марки простых латуней: Л96, Л90, Л85, Л80, Л70, Л68, Л63, Л60. Латуни маркируются буквой Л – латунь, после которой стоят цифры, указывающие содержание в ней меди в процентах. Например, Л63 означает, что латунь состоит из 63% меди и 37% цинка. Сложные латуни состоят из меди, цинка, алюминия, железа, марганца, никеля, олова, свинца и других химических элементов. По ГОСТ 15527-70 выпускаются следующие марки сложных латуней: ЛА77-2, ЛАЖ60-1-1, ЛАМш59-3-2, ЛАНКМц75-22,5-0,5-0,5. Сложные латуни маркируются буквой Л – латунь, после которой следуют буквы, обозначающие легирующие элементы: А – алюминий, Ж – железо, Мц – марганец, К – кремний, С – свинец, О – олово, Мш – мышьяк, Н – никель. Первые цифры, стоящие за буквами, обозначают массовую долю меди в процентах, последующие цифры – массовую долю компонентов в процентах в той последовательности, в какой они приведены в буквенной части условного обозначения. Количество цинка определяется по разности. Например, латунь марки ЛС60-1 имеет следующее содержание компонентов: 60% меди, 1% свинца, 39% цинка. Бронзы. Бронзами называются сплавы меди с оловом и другими химическими элементами. По способу переработки различают литейные и деформируемые бронзы, по химическому составу – оловянистые и безоловянистые. Оловянистые бронзы (ГОСТ 613-79) выпускаются в виде чушек следующих марок: БрО3Ц12С5, БрО3ЦТС5Н1, БрО4Ц4С17, БрО5Ц5С5, БрО5С25, БрО6Ц6С3, БрО8Ц4, БрО10Ф01, БрО10Ц2, БрО10С10, БрО4Ц7С5. 29 Безоловянистые бронзы (ГОСТ493-79) выпускаются в виде чушек для последующего литья следующих марок: БрА9Мц2Л, БрА10Мц2Л, БрА9ЖЗЛ. Медь и ее сплавы широко используют в химическом машиностроении, для изготовления трубопроводов самого различного назначения, емкостей, различных сосудов в криогенной технике, в электроэнергетике и т. п. Теоретическое занятие № 27 ТЕМА Алюминиевые сплавы Рассматриваемые вопросы: 1. Алюминий и его свойства 2. Сплавы на основе Al Краткое содержание теоретического материала Алюминий — это цветной металл, который обладает высокой электропроводностью, хорошей пластичностью, но имеет низкие механические свойства. Различают алюминий первичный и вторичный. Алюминий и его сплавы применяют для изготовления различных емкостей в химической и пищевой промышленности. Сплавы на основе алюминия широко применяют для самолетов, ракет, судов, в строительстве и электроэнергетике. В связи с их сравнительно высокой прочностью при малой плотности, высокой коррозионной стойкостью в некоторых агрессивных средах и высокими механическими свойствами при низких температурах. Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости. Теоретическое занятие № 28 ТЕМА Свойства титана, никеля, свинца Рассматриваемые вопросы: 1. Свойства титана, никеля, свинца Краткое содержание теоретического материала Свинец — мягкий металл, синевато-серого цвета, его плотность составляет 11 340 кг/м3, температура плавления 327,4° С, обладает высокой пластичностью и хорошими литейными качествами. При взаимодействии с кислородом воздуха на поверхности металла образуется пленка окиси свинца, препятствующая дальнейшему его окислению. В зависимости от химического состава свинец высокой чистоты (ГОСТ 3778-77) выпускают следующих марок: С0000, С000, С00 и свинец марок СО, С1С, С1, С2С, С2, СЗ, СЗС. Свинец высокой чистоты содержит различных приме сей — серебро, медь, цинк, олово, магний и др. — не более 0,0001%, а марки СЗ — примесей не более 0,5%. 30 Никель — твердый, тугоплавкий металл серебристо-белого цвета, стойкий против коррозии. Плотность никеля составляет 8900 кг/м3, температура плавления 1455° С. В зависимости от химического состава никель (ГОСТ 849-70) имеет следующие марки: Н-0, Н-1у, Н-1, Н-2, Н-3 и Н-4. Никель марки Н-0 содержит примесей (алюминий, железо, медь, сера, фосфор и др.) не более 0,01%, а никель марки Н-4 -до 2,4% (углерод, сера и медь). Никель используют в качестве легирующих добавок к сталям. Кроме того, никель применяют для декоративных и защитных покрытий. Сплав никеля с марганцем НМц2,5, НМц5, выпускаемый в виде проволоки, используют для изготовления свечей. Титан — серебристо-белый тугоплавкий (температура плавления 1665° С) металл. По сравнению с другими металлами обладает невысокой плотностью (4505 кг/м3); характеризуется высокой коррозионной стойкостью против азотной, серной кислот. Титан выпускают двух марок ВТ 1-00, ВТ 1-0 (ГОСТ 19807-74), на основе которых изготовляют 14 титановых сплавов марок ОТ 4-1, ВТЗ-1, ВТ-5, ВТ-9, ВТ-16, ВТ-22, ПТ-7М и др. В состав титановых сплавов входит алюминий (0,2-7,5%); сплавы некоторых марок содержат марганец, молибден, ванадий и другие элементы. Теоретическое занятие № 29 ТЕМА Проводниковые металлы и сплавы Рассматриваемые вопросы: 1. Проводниковые металлы и сплавы Краткое содержание теоретического материала Проводниковые металлы и сплавы должны обладать высокой электропроводностью, достаточно высокими механическими свойствами, сопротивляемостью к атмосферной коррозии, способностью поддаваться обработке давлением в горячем и холодном состоянии. После серебра наиболее высокой электропроводностью обладают медь и алюминий. Они и являются наиболее распространенными проводниковыми материалами. Проводимость отожженного проводникового алюминия составляет приблизительно 62% проводимости стандартной меди. Но плотность алюминия мала, поэтому проводимость 1 кг алюминия составляет 214% проводимости 1 кг меди. Следовательно, алюминий экономически более выгоден для использования в качестве проводникового материала. Применяемые в настоящее время проводниковые материалы можно разделить на следующие группы: проводниковая медь, проводниковый алюминий, проводниковые сплавы, проводниковое железо, сверхпроводники. Теоретическое занятие № 30 ТЕМА Магнитные металлы и сплавы Рассматриваемые вопросы: 1. Магнитные металлы и сплавы Краткое содержание теоретического материала Любые металлы с парамагнитными атомами обладают сильнымимагнитными свойствами. В комнатных температурах сильные магнитные и антиферромагнитные свойства имеют железо, кобальт, никель. 31 По магнитным свойствам различают диамагнитные металлы(выталкиваемые из магнитного поля) и парамагнитные (втягиваемые магнитным полем). Диамагнитны медь, серебро, золото, цинк, кадмий, ртуть, цирконий. Парамагнитными считают скандий, иттрий, лантан, титан, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, марганец, рений, рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платину. Железо, кобальт и никель обладают ферромагнетизмом, т. е. особенно высокой магнитной восприимчивостью. Теоретическое занятие № 31 ТЕМА Прокладочные, уплотнительные и изоляционные материалы Рассматриваемые вопросы: 1. Прокладочные, уплотнительные и изоляционные материалы Краткое содержание теоретического материала Электротехнические материалы разделяются на три группы металлы, неметаллические материалы (электроизоляционные материалы или диэлектрики) и полупроводники. Диэлектрическими материалами называют класс электротехнических материалов, предназначенных для использования их диэлектрических свойств (оказывать большое сопротивление прохождению электрического тока и способность поляризоваться). Правильный выбор электроизоляционных, проводниковых и магнитных материалов позволяет увеличить к. п. д. электрических машин и других электротехнических устройств, уменьшить их веса и габаритные размеры, снизить стоимость их изготовления, повысить надежность и бесперебойность их работы. Знание свойств материалов определяет и наиболее целесообразные способы их обработки для получения изделий требующихся свойств Полупроводники при комнатной температуре занимают по удельному сопротивлению, имеющему значения 10-6-109 Ом∙м, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. Электроизоляционные лаки. Лаки представляют собой коллоидные растворы различных пленкообразующих веществ в специально подобранных органических растворителях. Резины представляют собой продукт вулканизации каучука в смеси с добавками и наполнителями. Под вулканизацией понимают процесс сшивки макромолекул каучука в пространственно-сетчатую структуру с целью получения высокоэластичного материала. Основой резины является каучук натуральный (НК) или синтетический (СК). Изготовление пластмассовых конструкций менее трудо- и энергоёмко, легко перерабатывается в изделие различными способами, приобретая нужный цвет, фактуру и не требующее механической обработки. Пластмассы во многих случаях заменяют металл, бетон, дерево - при этом: Уменьшается масса изделия; Снижаются транспортные расходы. Общие понятия о полимерах 32 Полимеры это высокомолекулярные вещества, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся малых структурных элементов - звеньев, являющихся мономерами. Пластмассы - это материалы, состоящие из полимеров и определённых добавок. Добавки могут иметь полимерную и мономерную природу, и могут находиться в газообразном, жидком и твёрдом состояниях. ВИДЫ ДОБАВОК И ИХ НАЗНАЧЕНИЕ: Стабилизаторы: термостаты; антиоксиданты. Пластификаторы: улучшают технологические и эксплуатационные свойства полимеров. Наполнители: способствуют увеличению прочности, улучшению диэлектрических свойств, уменьшению расхода полимера. ФИЗИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ ПОЛИМЕРОВ: стеклообразное; высокоэластичное; вязкотекучее. Теоретическое занятие № 32 ТЕМА Смазочные и охлаждающие материалы Рассматриваемые вопросы: 1. Смазочные и охлаждающие материалы Краткое содержание теоретического материала Смазочно-охлаждающая жидкость (СОЖ) — обобщённое наименование разнообразных жидких составов, используемых главным образом при обработке металлов резанием или давлением. Наиболее распространенные СОЖ — нефтяные масла (обычно с противоизносными и противозадирными присадками) и их 3-10% водные эмульсии. Часто в отношении СОЖ применяют более корректный технический термин жидкое смазочноохлаждающее технологическое средство (СОТС). Классификация строится в основном на физико-химическом составе[1]: индустриальные масла и другие нефтяные фракции с присадками эмульсолы, образующие в воде грубодисперсные эмульсии нефтепродуктов с присадками 33 синтетические органические соединения или полусинтетические смеси, позволяющие получать стабильные микроэмульсии или прозрачные растворы. быстроиспаряющиеся низкокипящие жидкие смеси, в основном галогенпроизводные углеводородов с добавками. В период 1970-80 годов производство смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ) и технологических смазок (ТС) для металлообработки сформировалось как самостоятельная подотрасль нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. 34
