ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ
Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ





Практическая работа № 1

ОЗНАКОМЛЕНИЕ СО СТРУКТУРОЙ, СОСТАВОМ, СВОЙСТВАМИ, СПОСОБАМИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НОВЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

ЦЕЛЬ: 1. Ознакомиться с предложенными преподавателем металлическими материалами и используя справочную, учебную и научную литературу рассмотреть их свойства, способы изготовления и применение.

2. Ознакомиться с технологией изготовления одного из композиционных материалов – баббитов в условиях АМК.

 

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

В современном машиностроении и металлургии находят применение не только углеродистые стали и чугуны, но и большое количество специальных сплавов и чистых металлов, обладающих достаточно разнообразными свойствами. Из таких материалов можно выделить группы магнитных и немагнитных материалов, тугоплавких металлов и сплавов, жаропрочных и жаростойких сплавов, сплавов, применяемых для легирования сталей, сплавов, полученных методами порошковой металлургии и т. д.

В настоящей работе вниманию студентов представлены металлические материалы для которых необходимо используя справочную, учебную и научную литературу рассмотреть их свойства, способы изготовления и применение и результаты занести в таблицу 1.

 

Таблица 1

Виды, свойства, применение и способы изготовления металлических материалов

Материал Состав Структура Свойства Применение Способ изготовления
Трансформаторная сталь          
Магнитный кобальтовый сплав          
Ванадий          
Вольфрам          
Никель          
Титан          
Ниобий          
Нихром          
Ферромарганец          
Феррованадий          
Феррохром          
Ферротитан          
Победит          
Сормайт          
Порошковый сплав на основе меди          
Порошковый сплав на основе железа          

 



Одним из наиболее часто применяемых металлических сплавов, которые можно отнести к композиционным материалам является баббит, применяемый для изготовления подшипников скольжения.

Подшипниковыми сплавами называются сплавы, из которых изготавливают вкладыши подшипников.

Антифрикционные подшипниковые сплавы на оловянной и свинцовой основах называются баббитами. К подшипниковым сплавам предъявляются следующие требования:

а) коэффициент трения между поверхностью вала и поверхностью подшипника должен быть небольшим;

б) обе трущиеся поверхности должны мало изнашиваться;

в) этот материал должен выдерживать достаточные удельные давления.

Первое и второе требования удовлетворяются тогда, когда поверхность вала и вкладыша разделена пленкой смазки. Если структура вкладыша неоднородна и состоит из твердых включений и мягкой основы, то после непродолжительной работы («приработки») на поверхности вкладыша образуется микрорельеф – выступают твердые включения и между валом и вкладышем образуется пространство, в котором удерживается смазка (так называемый «принцип Шарпи»). Подобной структурой обладают сплавы олова и сплавы свинца.

Наилучшим баббитом на оловянной основе является сплав Б83, состоящий из 83 % Sn, 11 % Sb и 6 % Cu.

При содержании сурьмы более 10,5 % образуется неоднородная структура: мягкая основа сплава с отдельными твердыми включениями. Таким образом, при содержании в сплаве 11 % Sb образуется двухфазная структура, состоящая из мягкой пластичной основы твердого раствора и небольшого количества кристаллов, вкрапленных в эту массу. Такая структура является антифрикционной.

Сурьма и олово отличаются по плотности, поэтому сплавы этих металлов способны к значительной ликвации. Для предупреждения этого дефекта в баббиты вводят медь. Она образует с сурьмой химическое соединение Сu3Sn. Это соединение имеет более высокую температуру плавления и кристаллизуется первым, образуя разветвленные кристаллы (как бы скелет), которые препятствуют ликвации (всплыванию) основных кристаллов сплава. Кроме того, кристаллы Сu3Sn образуют в баббите твердые включения, дополнительно повышающие износостойкость вкладышей.

Температура начала и конца плавления баббита лежит в пределах 240 – 380 0С. Твердость НВ 28-34.

Недостатком такого баббита является большое содержание дефицитного олова.

Баббиты на свинцовой основе обладают значительно худшими качествами, чем на оловянной. Они являются сплавами с содержанием 16 –18 % Sb. Примером свинцовых баббитов является сплав БС (82 % Pb, 17 % Sb, 1 % Cu).

Двойные свинцовые сплавы еще сильнее ликвируют, чем оловянные, поэтому в сплав добавляют медь, которая образует с сурьмой соединение Cu2Sn. Это соединение препятствует всплыванию на поверхность основных кристаллов сплава.

Свинцовые баббиты являются менее качественными, чем оловянные, но дешевле последних. Они обладают большим коэффициентом трения. Температура начала и конца плавления баббита БС лежит в интервале 245 – 410 0С. Твердость НВ 22 – 26.

Отсюда интересным является ознакомление с технологией изготовление подшипников скольжения из баббитовых сплавов или с использованием баббитовой подложки. Технология изготовления таких подшипников приведена ниже.

 

ПОДГОТОВКА ВКЛАДЫШЕЙ К ЗАЛИВКЕ БАББИТОМ.

Увеличение верхних зазоров во вкладышах подшипника выше максимально допустимых, происходящее в результате истирания баббитовой заливки и проседания ротора может привести к нарушению центровки. Увеличение зазоров приводит также к снижению давления и повышению температуры масла в подшипниках и вибрации турбины. В этих случаях необходимо произвести перезаливку подшипников.

Перед удалением из вкладыша старого баббита необходимо проверить наличие на чертеже вкладыша указаний о размерах и конструкции баббитовой заливки. При отсутствии чертежа надлежит снять точный эскиз баббитовой заливки с указанием размеров и расположения масляных канавок, карманов, скосов, закруглений и поясков. Наличие такого чертежа или эскиза позволит при обработке перезалитого подшипника точно восстановить все детали баббитовой заливки, отсутствие которых может нарушить нормальную работу вкладыша.

Удаление старого баббита производится путем нагрева вкладыша с тыльной стороны тела вкладыша. Нельзя производить выплавку, направляя пламя непосредственно на баббит, т.к. при этом он будет энергично окисляться. Нагревать вкладыши до полного расплавления баббита также не следует, т.к. при сильном нагреве выгорит сурьма - важнейшая составная часть баббита. Нагретый до температуры 240° - 260°С, что соответствует началу размягчения баббита, вкладыш встряхивают и ударяют о плиту и баббит легко отстает от вкладыша. Старый баббит должен быть удален из вкладыша полностью без остатка в канавках и углублениях. После выплавления баббита внутренняя поверхность вкладыша тщательно очищается.

 

ЗАЛИВКА ВКЛАДЫШЕЙ БАББИТОМ.

Подшипники, формы и приборы для заливки подогреваются паяльной лампой или другим способом до температуры 250 - 260°С. Заливка в холодный вкладыш и форму дает баббит, который недостаточно прочно сцепляется с вкладышем. Объясняется это тем, что при заливке баббита в холодный вкладыш последний разогреваясь за счет тепла расплавленного баббита, начинает расширяться; в это же время охлаждающийся баббит начинает давать усадку. Ясно, что вследствие перемещения поверхностей вкладыша и баббита одной относительно другой нельзя получить прочного их соединения после остывания.

Заливка каждого вкладыша производится в один прием быстро (1,5 - 3 мин), но без брызг, сильной, короткой непрерывной струей. Для этого необходимо держать носок тигля у самого литника и иметь тигель достаточной емкости, чтобы процесс заливки вести непрерывно. Заливка тонкой струей может привести к образованию раковин в застывшем баббите. Если струя в процессе заливки будет прервана, то в залитом баббите образуется расслоение, т.к. часть его, попавшая в форму раньше, успеет застыть и на эту уже застывшую часть ляжет следующая часть баббита. При заливке необходимо следить за тем, чтобы во вкладыши не попали частицы угля и шлака.

Вкладыши обычно заливаются вручную или центробежным способом. Центробежным способом рекомендуется заливать вкладыши диаметром 150 - 400 мм. А диаметром до 150 мм и свыше 400 мм следует заливать вручную. Заливка центробежным способом вкладышей диаметром более 400мм не производится из-за большого их веса и затруднительности должной выверки на станке для избежания биения неуравновешенных масс вкладыша.

Вручную вкладыши обычно заливаются в самодельные формы, в которых основной частью является тело самого вкладыша (рис. 1.2). Заливку предпочтительнее вести при вертикальном положении вкладышей, что дает большую плотность баббита. При заливке вкладышей в сборе еще горячие просушенные половины вкладышей должны быть стянуты хомутами после укладки на разъем между ними асбестовой прокладки; также должны быть заложены асбестом все отверстия, чтобы не заплавить их баббитом при заливке.

Для избежания образования усадочных раковин при заливке следует форму наращивать так, чтобы часть излишнего расплавленного баббита переходила во вкладыши (рис1.2.б), как только при остывании, начнется образование усадочных раковин. Наращивание производится путем наложения на верх формы бурта из обмазки, состоящей из 50% тонко размолотой обыкновенной глины, 20% волокнистого асбеста и 30% воды.

Заливку больших вкладышей турбин можно также производить с заформовкой каждой половины вкладыша в земляную форму. Формы и сердечники должны быть высушены во избежание образования пузырьков и пористости заливки.

В качестве сердечников в приспособлениях для заливки подшипников применяются стальные стержни; диаметр стержня должен быть меньше диаметра вкладыша на две толщины заливаемого слоя плюс припуск на обработку. Для более быстрого охлаждения баббита после заливки рекомендуется применять металлические сплошные сердечники, поглощающие часть тепла баббита и дающие более плотные и менее истирающиеся поверхности заливки. Деревянные сердечники могут способствовать образованию газов, поэтому их применение не рекомендуется.

Остывание баббита во вкладыше должно происходить снизу вверх, поэтому желательно, чтобы в верхней части баббит оставался жидким в течение 5 - 10 мин; для этого после заливки верхнюю часть наружной поверхности вкладыша следует подогревать паяльной лампой , пока баббит не начнет остывать; благодаря такому остыванию происходит удаление газов и все вредные включения и усадочные раковины располагаются в прибыльной части, т.е. в той части, которая затвердевает в последнюю очередь, является излишней и удаляется в процессе дальнейшей обработки вкладыша.

Заливка вкладышей вручную указанным выше способом имеет некоторые недостатки, из которых основными являются:

1) недостаточная плотность баббита;

2)большой расход баббита из-за необходимости значительных припусков.

Более совершенным способом является центробежная заливка вкладышей в собранном виде при их вращении вокруг своей оси с приводом от электрического мотора; для возможности регулировки числа оборотов обычно применяются электродвигатели постоянного тока с регулируемым числом оборотов.

Конструкция приспособленная для центробежного способа заливки подшипников с применением токарного станка приведена на рис. 1.3. Подлежащий заливке вкладыш, подготовленный, как указано ранее, и скрепленный хомутом с асбестом прокладкой в разъеме, закрепляется на токарном станке специальными фланцами.

Расплавление баббита и доведение его до температуры, при которой производится заливка, должно быть по времени связано с установкой на токарном станке вкладыша, нагретого до температуры 250 - 270°С. Без такой увязки продолжительный нагрев баббита может быть вызван выгоранием в нем сурьмы, в результате чего ухудшаются его механические свойства и поверхность заливки в эксплуатации будет быстро истираться.

В один из фланцев, имеющий отверстие в центре вводится желобок с воронкой, по которому при вращении от планшайбы токарного станка во вкладыши поступает расплавленный баббит. Поступая по желобу во вращающийся горячий, только что залуженный вкладыш ( допускаемый перерыв во времени не более 2,5 - 3,0 мин), баббит под действием центробежной силы растекается по внутренней поверхности вкладыша ровным плотным слоем при полном отсутствии пузырей. Все выемки вкладыша плотно заполняются баббитом. Станок вращается до тех пор, пока баббит во вкладыше полностью не застынет.

Благодаря одинаковой толщине баббита по всей поверхности вкладыша припуск на его обработку может быть сведен к минимуму; это будет зависеть только от того, какое количество расплавленного баббита залито в желобок. Если правильно рассчитать это количество, то на обработку может быть установлен припуск всего 2 - 3 мм..

Для устранения неравномерного распределения отдельных составных частей баббита по толщине заливки, т.е. чтобы более тяжелые элементы под действием центробежных сил не расположились ближе к телу вкладыша, создав тем самым неравномерную по структуре заливку, устанавливается при помощи расчетов правильное число оборотов, при котором величина центробежной силы находится на уровне, не отражающимся на качестве заливки.

 

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЗАЛИВКИ.

Контроль качества и ручной и центробежной заливки производится путем внешнего осмотра и ультразвукового анализа. В правильно залитых вкладышах должны быть обеспечены:

- ровный серебристый цвет рабочей поверхности без черновин, желтых пятен и глубоких раковин, которые могли бы остаться после расточки вкладышей;

- однородное мелкозернистое строение на изломе заливки без включения крупных блестящих крупинок;

- абсолютная чистота баббитовой заливки от примесей каких либо посторонних металлических включений;

- прочное и плотное соединение баббитовой заливки с телом вкладыша.

 

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.

После выполнения практической работы студент должен усвоить информацию о свойствах, структуре, составе, применении и возможных способах изготовления изделий из описанных металлических материалов.

Кроме того, необходимо отвечать на нижеперечисленные вопросы.

1. Как производится удаление старого баббита из вкладыша?

2. До какой температуры следует нагревать вкладыш для удаления из него старого баббита?

3. Какой материал используется для заливки вкладыша?

4. Какой раствор используется для обезжиривания вкладыша?

5.При какой температуре производится сушка вкладыша после обезжиривания и протравки?

6. В чем заключается предварительная подготовка вкладыша к заливке?

7. Какой материал используется для лужения вкладышей перед заливкой?

8. До какой температуры необходимо нагревать вкладыш для протравления?

9. При какой температуре производится лужение вкладышей?

10. Какими способами может производиться лужение?

11. По какой формуле рассчитывается количество баббита, необходимого для заливки того или иного вкладыша?

12. Для чего при расплавлении баббита используют древесный уголь?

13. Чем производится рафинирование расплавленного баббита?

14. До какой температуры нагревают баббит перед заливкой вкладыша?

15.Способы заливки вкладышей?

16. Кратко изложите способ заливки вкладышей вручную.

17 Кратко опишите способ заливки вкладышей методом центробежного литья?

18. Какими методами осуществляется контроль качества заливки?

19. Основные требования к качеству заливки?

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коваленко О. А. Новые материалы / О. А. Коваленко. – Алчевск, ДГМИ, 2003. – 234 с.

2. Февралеева Н.Е. Магнитотвёрдые материалы и постоянные магниты / Н.Е Февралеева. – К.: Наукова думка, 1969. – 232 с.

3. Петрянов-Соколов И.В. Сурьма – висмут – М.: Наука, 1973. – 248 с.

4. Агте К. и др. Вольфрам и Молибден /К. Агте, И. Вацек. – М.: Энергия, 1964. – 456 с.

5. Дубинин Г. Н. и др. Конструкционные, проводниковые и магнитные материалы /Г.Н. Дубинин, Ю.С. Авраамов. – М.: Машиностроение, 1973. – 296 с.

6. Дриц М.Е. и др. Технология конструкционных материалов и материаловедение /М.Е. Дриц, М.А. Москалёв. – М.: Высшая школа, 1990. – 448 с.

7. Арзамасов Б.Н. и др. Конструкционные материалы: Справочник. /Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.

8. Портной К.И. и др. Структура и свайства композиционных материиалов /К.И. Портной, С.Е. Салебиков, И.Л. Светлов, В.М. Чубаров. – М.: Машинотроение, 1979. – 255с.

9. Лужников Л.П. Материалы в машиностроении Т.1 /Л.П. Лужников. – М.: Машиностроение, 1967. – 304 с.

10. Могилевский Е.П. Материалы в машиностроении Т.2 /Е.П. Могилевский. – М.: Машиностроение, 1967. – 496 с.

11. Химушина Ф.Ф. Материалы в машиностроении Т.3 / Ф.Ф. Химушина. – М.: Машиностроение, 1967. – 448 с.

12. Сорокин В.Г. и др. Марочник сталей и сплавов /В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.

13. Аврасин Я.Д. и др. Машиностроение: Энциклопедический справочник. /Я.Д. Аврасин, В.А.Аронович, Н.И. Бабкин и др. – М.: Машиностроение, 428 с.

14. Гуляев А.П. Металловедение: М., Металлургия, 1986г.

15. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, I960.

16. Арзамасов Б.Н., Материаловедение, М., Машиностроение, 1986г.

17. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, I983.

18. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение, М., Машиностроение, 1990г.

 

 

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА № 3

КЛАССИФИКАЦИЯ ПРЕСС-ФОРМ.

Пресс - формы подразделяют на пресс - формы прямого прессования и пресс - формы литьевого прессования. В пресс - форме прямого прессования (рис.3.а) загрузочная камера является продолжением полости, оформляющей нижнюю часть изделия. Деталь пресс - формы, в которой выполнены загрузочная камера и нижняя оформляющая полость, называется матрицей. Пресс - материал загружают в матрицу, где он, нагреваясь, приобретает пластичность, а затем уплотняется под действием пуансона. Пуансон - Это деталь пресс - формы, передающая давление на пресс - материал и оформляющая верхнюю и внутреннюю поверхности изделия. Пресс - форма прямого прессования полностью смыкается, когда окончательно оформлено изделие.

В пресс - форме литьевого прессования оформляющая полость выполняется отдельно от загрузочной камеры и перед заполнением ее пресс-материалом она полностью сомкнута. Пресс - материал поступает из загрузочной камеры в оформляющую полость через литниковые отверстия (каналы).

Пресс - формы для литьевого прессования делятся на два вида: с индивидуальной загрузочной камерой - для работы на прессах;

без загрузочной камеры - для работы на литьевых машинах.

Схема пресс -форм литьевого прессования для работы на прессах показаны на рис 3.б

Пресс - формы литьевого прессования менее производительны, чем пресс - формы прямого прессования. Однако в них можно получить более точные изделия сложной формы, не требующие механической зачистки облоя.

Пресс - формы литьевого прессования без загрузочной камеры применяются только для литья термопластов и их устанавливают на литьевые машины. Материал поступает в оформляющую полость формы по литниковым каналам из материального цилиндра литьевой машины.

По характеру эксплуатации пресс - формы бывают съемные и стационарные. Съемные пресс - формы необходимо снимать с пресса для извлечения готового изделия после каждой запрессовки. Для нагрева съемных пресс -форм прессы оснащают плитами обогрева, между которыми устанавливают пресс - форму при прессовании.

Съемные пресс - формы малопроизводительны и их применяют при изготовлении небольших партий изделий.

Съемные пресс - формы жестко соединены с плитами пресса или литевой машины, готовое изделие из них удаляется без снятия пресс - формы из пресса. Стационарнае пресс - формы оснащены устройством для нагрева или охлаждения в зависимости от типа перерабатываемого материала. Кроме съемных и стационарных применяют полустационарные пресс - формы, у которых съемной является только часть, непосредственно оформляющая изделие.

По количеству одновременно получаемых изделий, или по количеству оформляющих гнезд, пресс - формы делятся на одногнездные и многогнездные. Различают также формы по количеству и направлению плоскостей разъема. Плоскостью разъема пресс - формы называют поверхность, по которой происходит разъем частей пресс - формы, оформляющих изделие. Разъем пресс - формы необходим для загрузки очередной порции (навески) пресс - материала перед прессованием и для извлечения готового изделия. Плоскость разъема может быть горизонтальной или вертикальной. Для извлечения изделий в вертикальном направлении необходима горизонтальная плоскость разъема.

Если для извлечения изделия следует развести оформляющие части пресс - формы в горизонтальном направлении, то делается вертикальная плоскость разъема. Количество плоскостей разъема зависит от формы изделия. Пресс - формы могут быть с одной, двумя и тремя плоскостями разъема.

 

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПОДГОТОВКИ.

После выполнения практической работы студент должен усвоить информацию о свойствах, структуре, составе, применении и возможных способах изготовления изделий из описанных неметаллических материалов.

Кроме того, необходимо отвечать на нижеперечисленные вопросы.

1. Перечислить виды брака, возникающего при изготовлении деталей из пластмасс.

2. Указать причины возникновения брака при изготовлении деталей из пластмасс.

3. Опишите основные положение пневматического формования изделий из пластмасс.

4. Опишите основные положение вакуумного формования изделий из пластмасс.

5. Виды пресс – форм для прямого прессования.

6. Виды пресс – форм для литьевого прессования.

7. Что представляют собой термопласты?

8. Что представляют собой реактопласты?

 

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Коваленко О. А. Новые материалы / О. А. Коваленко. – Алчевск, ДГМИ, 2003. – 234 с.

2. Февралеева Н.Е. Магнитотвёрдые материалы и постоянные магниты / Н.Е Февралеева. – К.: Наукова думка, 1969. – 232 с.

3. Петрянов-Соколов И.В. Сурьма – висмут – М.: Наука, 1973. – 248 с.

4. Агте К. и др. Вольфрам и Молибден /К. Агте, И. Вацек. – М.: Энергия, 1964. – 456 с.

5. Дубинин Г. Н. и др. Конструкционные, проводниковые и магнитные материалы /Г.Н. Дубинин, Ю.С. Авраамов. – М.: Машиностроение, 1973. – 296 с.

6. Дриц М.Е. и др. Технология конструкционных материалов и материаловедение /М.Е. Дриц, М.А. Москалёв. – М.: Высшая школа, 1990. – 448 с.

7. Арзамасов Б.Н. и др. Конструкционные материалы: Справочник. /Б.Н. Арзамасов, В.А. Брострем, Н.А. Буше и др. – М.: Машиностроение, 1990. – 688 с.

8. Портной К.И. и др. Структура и свайства композиционных материиалов /К.И. Портной, С.Е. Салебиков, И.Л. Светлов, В.М. Чубаров. – М.: Машинотроение, 1979. – 255с.

9. Лужников Л.П. Материалы в машиностроении Т.1 /Л.П. Лужников. – М.: Машиностроение, 1967. – 304 с.

10. Могилевский Е.П. Материалы в машиностроении Т.2 /Е.П. Могилевский. – М.: Машиностроение, 1967. – 496 с.

11. Химушина Ф.Ф. Материалы в машиностроении Т.3 / Ф.Ф. Химушина. – М.: Машиностроение, 1967. – 448 с.

12. Сорокин В.Г. и др. Марочник сталей и сплавов /В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 640 с.

13. Аврасин Я.Д. и др. Машиностроение: Энциклопедический справочник. /Я.Д. Аврасин, В.А.Аронович, Н.И. Бабкин и др. – М.: Машиностроение, 428 с.

14. Гуляев А.П. Металловедение: М., Металлургия, 1986г.

15. Лившиц Б.Г., Крапошин B.C., Линецкий Я.Л. Физические свойства металлов и сплавов. - М.: Металлургия, I960.

16. Арзамасов Б.Н., Материаловедение, М., Машиностроение, 1986г.

17. Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. - М.: Металлургия, I983.

18. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П., Материаловедение, М., Машиностроение, 1990г.

 

 

 

Практическая работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ

Цель:

1. Исследовать и объяснить зависимость характеристик механических свойств и коэрцитивной силы от химического состава и структуры углеродистых сталей.

2. Определить взаимосвязь механических свойств и коэрцитивной силы; установить возможность определения механических свойств неразрушающим методом на основе их взаимосвязи с коэрцитивной силой.

3. Изучить и освоить методику измерений коэрцитивной силы с помощью феррозондового коэрцитиметра КИФМ-1.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ФЕРРОМАГНИТНЫХ СВОЙСТВАХ

При исследовании структурных превращений в сталях, а также при контроле их механических свойств широко применяются методы, основанные на измерении ряда магнитных характеристик, зависящих от структуры и потому называемых структурно чувствительными. Одной из наиболее структурно чувствительных характеристик ферромагнитных сталей является коэрцитивная сила, измерение которой предстоит выполнять при проведении работы. Приступая к ней, необходимо вспомнить некоторые понятия теории магнетизма.

Ферромагнитные материалы состоят из доменов – областей кристалла размером 10-4 – 10-6 м, спонтанно намагниченных до насыщения вдоль осей легкого намагничивания кристалла и разделенных переходными слоями (стенками) шириной 10-7 – 10-8 м.

Если образец из ферромагнитного материала не подвергался действию магнитного поля, то магнитные моменты отдельных доменов в нем расположены хаотично, и он находится в полностью размагниченном состоянии. Процесс намагничивания заключается в ориентировании намагниченности доменов вдоль приложенного внешнего поля.

Магнитное состояние образца, помещенного в магнитное поле, чаще всего выражают через магнитную индукцию В – плотность магнитного потока, которая определяется как сумма внешнего Н и внутреннего М полей:

(1)

где μ0 –магнитная постоянная, равная 4π10-7 г/м (иногда называется магнитной проницаемостью вакуума).

Для сравнения магнитных полей в различных веществах используется относительная магнитная проницаемость среды:

, (2)

которая характеризует интенсивность намагничивания ферромагнетика в зависимости от величины приложенного поля. Она показывает, во сколько раз число силовых линий магнитного поля в среде больше или меньше числа силовых линий в вакууме (у ферромагнетиков μ >>1). Единицей магнитной индукции является 1 Тл (тесла), а единицей напряженности поля 1 А/м.

Изменение магнитной индукции образца, помещенного во внешнее магнитное поле, например, в соленоид, характеризуется кривой намагничивания (рис. 1).

Рисунок 1 – Петля гистерезиса ферромагнетика

При намагничивании изменяется доменная структура поликристалла ферромагнетика (рис. 2). На участке ОА намагничивание достигается посредством такого обратимого перемещения стенок доменов, что те из них, у которых направление намагничивания совпадает с направлением приложенного поля, растут за счет доменов с противоположным намагничиванием. На этом этапе движение стенок доменов обратимо: если поле исчезает, они возвращаются в исходное

Рисунок 2 – Изменение доменной структуры при намагничивании ферромагнетика

положение. Затем процесс становится необратимым и сопровождается интенсивным ростом индукции (участок АВ).

Процесс смещения доменных стенок продолжается до тех пор, пока не исчезнут домены, ориентированные невыгодно по отношению к полю. Разнодоменная структура при этом исчезает, и каждый кристалл становится однодоменным.

При увеличении напряженности поля до величины НS (участок ВС), характерной для каждого материала, векторы намагничиваемости кристаллов поворачиваются из положения легкого намагничивания до полного совпадения с направлением внешнего поля.

Индукция BS, соответствующая напряженности НS называется индукцией насыщения. При дальнейшем увеличении поля сверх НS, (участок ) индукция увеличивается только за счет слагаемого Н и кривая намагничивания за точкой С переходит в прямую.

Процессы намагничивания характерны своей необратимостью. При уменьшении напряженности отНSдо нуля изменение индукции следует не по первоначальной кривой, а по линии СЕ(рис. 1). При Н = 0 остаточная индукция сохранит определенное значение Вr называемое остаточной индукцией.

При изменении направления тока в соленоиде и его увеличении образец размагничивается (участок ЕF).

Величина отрицательной напряженности магнитного поля, необходимая для доведения до нуля индукции в материале, предварительно намагниченном до насыщения, называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении напряженности поля до величины минус НS образец намагничивается в обратном направлении до индукции, равной минус BS.

Полный цикл изменений магнитной индукции образца при увеличении поля до насыщения сначала в одном направлении, а затем в другом и снова в первом характеризуется петлей гистерезиса, площадь которой пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание в течение одного цикла.

ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА И КОЭРЦИТИВНУЮ СИЛУ

Изменения, происходящие в материале при намагничивании, в очень сильной степени зависят от химического состава и структуры и могут быть использованы для получения информации о его кристаллическом строении и механических свойствах. Во многих случаях наблюдается четкая закономерность в изменении процессов, как перемагничивания, так и упрочнения металлов под влиянием одних и тех же факторов.

В основе процессов пластической деформации и упрочнения металлов лежит дислокационный механизм. Задержки в движении дислокаций, которые могут вызываться различными причинами, приводят к уменьшению пластичности и повышению прочности металлов. Задержки движения дислокаций и смещения междоменных границ могут быть обусловлены одними и теми же факторами. Рассмотрим некоторые из них.

1. Известно, что холодная пластическая деформация приводит к повышению прочностных и понижению пластических свойств, тем более значительному, чем выше была степень деформации, что объясняется на основе дислокационной теории.

Сдвиги в кристаллах и возникающие при деформации поля упругих напряжений, границы субзерен, образующихся при больших степенях деформации, затрудняют смещение междоменных границ, увеличивая коэрцитивную силу.

Отжиг, вызывающий рекристаллизацию, действует как на механические свойства, так и на коэрцитивную силу в направлении, противоположном наклепу.

2. Сопротивление деформированию возрастает с уменьшением размера зерна. Величина предела текучести σT связана с размером зерна dуравнением Холла-Петча:

(3)

где σ0 – напряжение, необходимое для перемещения дислокации внутри зерна;

Ку – постоянная (коэффициент разблокировки),

– напряжение, которое требуется для приведе­ния в действие дислокационных источников в соседних зернах.

Чем меньше зерно, тем больше и коэрцитивная сила. Это объясняется тем, что примеси и искажения решетки на стыках зерен задерживают движение междоменной границы, повышая коэрцитивную силу. Чем меньше зерно, т.е., чем больше общая поверхность межзеренных границ, тем выше коэрцитивная сила.

3. Закалка стали на мартенсит – пересыщенный твердый раствор внедрения углерода в альфа-железе с высокой плотностью дислокаций, вызывая увеличение твердости стали, одновременно повышает и коэрцитивную силу.

4. Увеличение количества перлита при увеличении в стали содержания углерода и повышение дисперсности ферритоцементитных смесей приводят к увеличению твердости и понижению пластичности отожженной стали.

Указанные изменения структуры вызывают также увеличение коэрцитивной силы сталей. Границы раздела в перлите между ферритом и пластинками слабомагнитного цементита затрудняют процессы намагничивания и размагничивания, препятствуя смещению междоменных стенок. Чем выше содержание углерода в стали, т.е. больше в ней перлита, и чем он дисперснее, тем больше коэрцитивная сила и площадь петли гистерезиса.

5. Элементы, растворяющиеся в феррите ( Mn, Si , Р и др.), вызывая искажения его решетки, повышая прочностные и понижая пластические свойства стали, увеличивают в то же время ее коэрцитивную силу.

В данной работе исследуются образцы качественной конструкционной стали марок 10 – 65,а так же электротехнической стали с содержанием углерода 0,01%. Главным фактором, определяющим изменение механических свойств и коэрцитивной силы в ряду этих сталей, является количество перлитной составляющей, зависящее от содержания углерода, которое изменяется в широких пределах – от0,07%(минимальное для стали 10) до 0,70%(максимальное для стали 65). Содержание марганца и особенно кремния изменяется в более узком диапазоне.

Рассмотренные закономерности свидетельствуют о возможности оценки механических свойств на основе их связи с коэрцитивной силой, поскольку как эти свойства, так и коэрцитивная сила во многом определяются одними и теми же структурными факторами.

ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ИЗМЕРЕНИЯ КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛЫ И УСТРОЙСТВО КОЭРЦИТИМЕТРА

Принципиальная схема измерения коэрцитивной силы, представлена на рисунке 3.

Пропуская намагниченный ток (сплошные стрелки) через обмотки электромагнита Э, сначала намагничивают выбранный участок изделия, а затем, изменяя переключателем П направление тока на

Рисунок 3 – Принципиальная схема измерения коэрцитивной силыП – переключатель; К – ключ; Э – электромагнит; Р – рамка датчика;И – изделие; 1 и 2 – клеммы намагничивания; 3 и 4 – клеммы размагничивания

противоположное (пунктирные стрелки), производят размагничивание этого участка, постепенно увеличивая силу тока.

Значение тока размагничивания IR соответствующего коэрцитивной силе НС, измеряется в момент, когда магнитный поток в цепи, составленной из ярма электромагнита и контролируемого участка, становится равным нулю. Фиксируется это индикатором, установленным в средней части ярма. На рисунке 3 изображен индикатор в виде









Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2018 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.