Контрольная работа по "Материаловедение"

При газовой цементации герметически закрытая реторта печи наполнена цементирующим газом. Чаще с определенной скоростью через  нее проходит цементирующий газ (рис. 3). Газовая цементация осуществляется в стационарных или методических (непрерывно действующих) конвейерных печах. Цементирующий газ приготовляют отдельно и подают в цементационную реторту.

В настоящее время  газовая цементация является основным процессом для массового производства, и только для мелкосерийного, или единичного производства экномически целесообразен более простой способ твердой цементации.

Жидкая цементация производится в расплавленных солях, обычно в  солях, состоящих из карбонатов щелочных металлов. Эту смесь расплавляют  в ванне и цементации проводят посредством погружения деталей в расплав. Процесс ведут при 850°С на протяжении 0,5 - 3,0 часов, при этом глубина сдоя получается в пределах 0,2 - 0,5 мм. Основное достоинство процесса - возможность непосредственной закалки из цементационной ванны и малые деформации обработанных изделий.

В условиях индивидуального  и мелкосерийного производства некоторое  применение нашла цементация из паст. В этом случае на обрабатывавшуюся поверхность наносится обмазка, содержащая сажу (33 - 70 %), древесную пыль (20 - 60 % ), желтую кровяную соль (5 - 20 %) и другие компоненты. В качестве связующих материалов используют органические, органоминеральные и неорганические клеи. Толщина обмазки должна быть в 6 - 8 раз больше требуемой толщины цементованного слоя.

В качестве карбюризатора  используют также керосин, бензол и  некоторые масла. Интенсивность  подачи определяют по

количеству капель жидкости в I мин   и составляет от 120 - 180 капель.

Кроме перечисленных  видов цементации в последние  годы появились: цементация из паст, вакуумная  цементация, цементация в псевдосжиженном  слое, ионная цементация, которые предназначены  для цементации деталей сложного профиля, ответственного назначения для сокращения длительности процесса.

Термическая обработка  цементованных деталей

Полученный в результате цементации и последующего медленного охлаждения наружный слой содержит более 0,8 % углерода и имеет структуру заэвтектоидных сталей - перлит и вторичный цементит. Глубже лежит слой эвтектоидного состава с перлитной структурой, а далее - слой с феррито - перлитной структурой. Кроме того, после цементации из-за длительной выдержки при высоких температурах стали приобретают крупнозернистость.

Эти обстоятельства необходимо учитывать при назначении обязательной после цементации термической обработки, Целью термообработки цементованной  стали является упрочнение поверхности  с одновременным измельчением зерна  и получением вязкой сердцевины. В зависимости от назначения детали применяет различные варианты термической обработки. Менее ответственные детали подвергают закалке непосредственно с цементационного нагрева с последующим низким отпуском (рис. 4,а).

Крупное зерно аустенита, выросшее в результате длительной цементации, дает .грубокристаллический мартенсит отпуска в поверхностном слое и крупнозернистую феррито -перлитную структуру в сердцевине детали. Эти недостатки в определенной мере устраняются при использовании наследственно мелкозернистых сталей, применении газовой цементации, сокращающей время пребывания стали при высокой температуре. Использование подстуживания при закалке до 750 - 800°С снижает внутренние напряжения, а обработка холодом уменьшает количество остаточного аустенита в цементованном слое.

При более высоких  требованиях к структуре детали после цементации: ее подвергают охлаждению на воздухе, однократной закалке  с нагревом выше А_с3 и низкому отпуску (ряс. 4,6). При этом в сердцевине и на поверхности детали происходит перекристаллизация и измельчение зерна. Однако в поверхностном высокоуглеродистом слое происходит некоторый перегрев, так как оптимальный закалочный нагрев заэвтектоидных сталей - это нагрев выше A_c1, но ниже А_сm.

Особо ответственные  детали после цементации подвергают двойной закалке с низким отпуском (рис. 4,в). При первой закалке с температуры на 30 - 50°С выше Асз происходит перекристаллизация сердцевины детали с образованием мелкого аустенитного зерна, обеспечивающего мелкозернистость продуктов распада. Одновременно при этом цементитная сетка в цементованном слое растворяется.

При нагреве под вторую закалку мартенсит, полученный после  первой закалки, претерпевает отпуск и  при этом образуются глобулярные  карбиды, увеличивающие твердость  поверхностного заэвтектоидного слоя. Кроме того при второй закалке с температуры выше A_c1 на 30 - 50°С обеспечивается мелкое зерно в поверхностном слое.

После такой термообработки поверхностный зазвтектоидный слой будет иметь структуру отпущенного  мартенсита с включениями глобулярных карбидов. Структура сердцевины определяется химическим составом стали. При цементации углеродистой стали из-за низкой прокаливаемости сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. Легированная сталь при цементации позволяет получать в сердцевине структуру сорбита, троостита или даже мартенсита, но благодаря низкой концентрации углерода сердцевина будет иметь высокую ударную вязкость.

На рис. 5 показана структура  стали, содержащей в исходной состоянии 0,15 %С, после цементации без дополнительной термической обработки (охлаждение после цементации было медленным). Микроструктура поверхностного цементованного слоя состоит из перлита и сетки цементита. По мере удаления от поверхности к сердцевине количество перлита непрерывно уменьшается и ближе к центру образца - исходная структура стали, состоящая из феррита и незначительного количества перлита.

На рас. 6 и 7 показана структура  цементованной стали после окончательной  термической обработки, то есть нормализации при 900°С, закалки от 770°С и отпуска  при 150°С. Структура поверхностного сдоя -мартенсит отпуска (см.рис. б). Структура сердцевины - мартенсит и феррит (рис. 7). Образец закалился насквозь, но так как закалка была произведена от 770°С, то для сердцевины это будет неполной закалкой и в структуре наряду с мартенситом встречается феррит (светлые зерна).

После цементации и термической  обработки твердость поверхностных  слоев составляет (НRC58 – 63).

Цементации подвергают разнообразные детали: зубчатые колеса, поршневые пальцы, червяки, оси и другие детали, иногда значительных размеров (например, крупногабаритные кольца и ролики шарикоподшипников).

3. Указать различие  между деформируемыми и литейными  сплавами на алюминиевой основе.

Сначала немного о  терминологии. Марки алюминия и марки алюминиевых сплавов – это просто их обозначения. В англоязычных стандартах аналогичное понятие называют «designation», в немецких – «Bezeichnung». На мой взгляд, термин «обозначение» совершенно четкий, понятный и адекватный. Наши ГОСТы, например, ГОСТ 4784, для обозначения сплавов применяют термин «марка» и ставят ему в соответствие английское слово «grade», а совсем не «designation». Термин «марка», кстати, легко спутать с термином «маркировка», то есть физической надписью или цветной меткой непосредственно на изделии, например, на слитке или чушке.  На практике слово «марка» для сплавов  почти не употребляется: пишут и говорят, например, просто «алюминиевый сплав АД31», а не, скажем, «алюминиевый сплав марки АД31».  В международной классификации технический алюминий с различным содержанием примесей относят к различным алюминиевым сплавам.  Поскольку наши ГОСТы не считают варианты технического алюминия различной чистоты сплавами, то их целесообразно  называть марками, например, «алюминий марки АД00».  

Промышленные алюминиевые  сплавы, включая и «марки» алюминия, подразделяют на две группы: сплавы алюминиевые деформируемые и сплавы алюминевые литейные. Термин «деформируемые» означает «применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом, штампованном)», а термин «литейные» — соответственно, «применяемые в литом виде».

Условная граница между  этими двумя группами алюминевых сплавов при одинаковых легирующих компонентах связана с пределом насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (см. рисунок). Алюминиевые сплавы с содержанием компонента меньше предела растворимости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью и, следовательно, хорошо поддаются горячей обработке давлением.

Наилучшую жидкотекучесть — важнейшее свойство литейных алюминиевых сплавов — имеют металлы, кристаллизирующиеся при постоянной температуре (чистые металлы, эвтектические сплавы). При переходе за предел растворимости при высокой температуре жидкотекучесть резко повышается. Однако литейные алюминевые сплавы не должны содержать больше 15-20 % эвтектики во избежание ухудшения механических и технологических свойств. Все литейные алюминевые сплавы могут упрочняться в результате термической обработки. Степень упрочнения тем меньше, чем больше литейный алюминевый сплав легирован и, следовательно, в его структуре больше эвтектики.

Деформируемые алюминевые сплавы могут быть упрочняемыми и  не упрочняемыми термической обработкой. Теоретическая граница между  этими группами является предел насыщения  твердого раствора при комнатной  температуре (см. рисунок). При содержании легирующего элемента менее предела насыщения твердого раствора при комнатной температуре упрочнения термической обработкой не может быть в принципе. Однако на практике при небольшом превышении этого предела термическое упрочнение также может не достигаться из-за малого количества упрочняющей фазы.

При сплавлении с другими  элементами (Cu, Mn, Li, Mg, Si, Znи др.) алюминий образует двойные системы (сплавы) с переменной растворимостью, что делает их способными к упрочнению путем закалки и старения. Однако в двойных алюминиевых сплавах Al-Cu, Al-Si, Al-Mg, Al-Zn эффект от термической обработки менее значителен, чем тройных и более сложных сплавах. Поэтому преимущественное применение получили не двойные, а более сложно легированные сплавы – алюминиевые сплавы систем Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg.

4. Описать основные дефекты сварных соединений и их способы контроля.

Дефекты сварных соединений.

Надежность эксплуатации сварных соединений зависит от их соответствия нормативной документации, которая регламентирует конструктивные размеры и форму готовых сварных швов, прочность, пластичность, коррозионную стойкость и свойства сварных соединений. Все встречающиеся типы дефектов сварных соединений можно подразделить на четыре группы: по расположению, форме, размерам и количеству.

По расположению различают дефекты наружные, внутренние и сквозные. По форме компактные и протяженные, плоские и объемные, острые (с надрезом) и округлые (без надреза). По размерам – мелкие, средние и крупные. По количеству – единичные и групповые (цепочки, скопления).  

К наружным дефектам относятся нарушения формы, размеров и внешнего вида швов: неравномерная ширина шва по его длине, неравномерная высота шва, неравномерные катеты угловых швов, подрезы, наплывы, прожоги, не заваренные кратеры, свищи.

  Образование внутренних дефектов при сварке связано с металлургическими, термическими и гидродинамическими явлениями, происходящими при формировании сварного шва.  

      К внутренним дефектам относятся трещины (горячие и холодные), непровары, поры, шлаковые вольфрамовые и окисные включения.

При сварке давлением.

Непровар – это участок сварного соединения, где отсутствует сплавление между свариваемыми деталями, например, в корне шва, между основным и наплавленным металлом (по кромке) или между смежными слоями наплавленного металла. Непровары уменьшают рабочее сечение сварного шва, что может привести к снижению работоспособности сварного соединения. Являясь концентраторами напряжений, непровары могут вызвать появление трещин, уменьшить коррозионную стойкость сварного соединения, привести к коррозионному растрескиванию. Непровар является очень опасным дефектом сварки.

 

              Рис.1. Непровары

 

а – в корне одностороннего стыкового шва;

б – по кромке между основным и наплавленным металлом;

в – в корне двустороннего шва;

г – между слоями

Причина непровара:

1. Малая величина сварочного тока;
2. Большая скорость перемещения электрода;
3. Слишком большая длина дуги;
4. Малый угол скоса кромок или большая величина притупления;
5. Смещение и перекосы свариваемых кромок;
6. Малая величина зазора между кромками;
7. Несоответственно большой диаметр электрода;
8. Затекание шлака в зазоры между свариваемыми кромками;
9. Неправильный выбор полярности для данной марки электродов

Непровар является очень опасным дефектом сварки.

Пористость – газовые пузырьки в металле. Обычно они имеют сферическую или близкую к ней форму. В сварных швах углеродистых сталей поры зачастую имеют трубчатую форму. Первоначально, возникнув в жидком металле шва за счет интенсивного газообразования, не все пузырьки газа успевают подняться на поверхность и выйти в атмосферу. Часть из них остается в металле шва. Размеры таких пор колеблются от микроскопических, до 2…3 мм в диаметре, и за счет диффузии газов могут расти. Кроме одиночных пор, вызванных действием случайных факторов, в сварных швах могут появляться поры, равномерно распределенному по всему сечению шва, расположенные в виде цепочек или отдельных скоплений.