Согласно п. 28 Приказа Министерства образования и науки Российской Федерации от 14.06.2013г. №464 «Об утверждении Порядка организации и осуществления образовательной деятельности по образовательным программам среднего профессионального образования» практическое занятие является одним из видов учебной деятельности обучающихся.

Практическое занятие – это занятие, проводимое под руководством преподавателя в учебной аудитории, направленное на углубление научно- теоретических знаний и овладение определенными методами самостоятельной работы, которое формирует практические умения. В процессе занятия обучающиеся по заданию и под руководством преподавателя выполняют одну или несколько практических работ.

Отбирая систему упражнений и задач для практического занятия, преподаватель стремится к тому, чтобы это давало целостное представление о предмете и методах изучаемой науки, причем методическая функция выступает здесь в качестве ведущей. В системе обучения существенную роль играет очередность лекций и практических занятий.

Практические занятия по учебной дисциплине – это коллективные занятия. В овладении теорией вопроса большую и важную роль играет как индивидуальная работа, так и коллективные занятия, опирающиеся на групповое мышление. Педагогический опыт показывает, что нельзя на практических занятиях ограничиваться выработкой только практических навыков и умений решения задач, построения графиков и т.п. Обучающиеся должны всегда видеть ведущую идею курса и ее связь с практикой. Цель занятий должна быть понятна не только преподавателю, но и обучающимся.

Цели практических занятий:

- помочь обучающимся систематизировать, закрепить и углубить знания теоретического характера;

- научить обучающихся приемам решения практических задач, способствовать овладению навыками и умениями выполнения расчетов, графических и других видов заданий;

- научить их работать с информацией, книгой, служебной документацией и схемами, пользоваться справочной и научной литературой;

- формировать умение и знания учиться самостоятельно, т.е. овладевать методами, способами и приемами самообучения, саморазвития и самоконтроля.

Основные функции практического занятия:

- обучающая – позволяет организовать творческое активное изучение теоретических и практических вопросов, установить непосредственное общение обучающихся и педагогов, формирует у обучающихся самоконтроль за правильным пониманием изучаемого материала, закрепляет и расширяет их знания;

- воспитывающая – осуществляет связь теоретических знаний с практикой, усиливает обратную связь обучающихся с педагогами, формирует принципиальность в суждениях, самокритичность, навыки, привычки профессиональной деятельности и поведения;

- контролирующая – позволяет систематически проверять уровень подготовленности обучающихся к занятиям, к будущей практической деятельности, а также оценить качество их самостоятельной работы.

Для успешного достижения учебных целей практических занятий при их организации должны выполняться следующие основные требования:

- соответствие действий обучающихся ранее изученным на лекционных и семинарских занятиях методикам и методам;

- максимальное приближение действий обучающихся к реальным, соответствующим будущим функциональным обязанностям;

- поэтапное формирование умений и навыков, т.е. движение от знаний к умениям и навыкам, от простого к сложному и т.д.;

- выработка индивидуальных и коллективных умений и навыков.

Структура оформления практических занятий по дисциплине ОП 03. «Материаловедение» определятся цикловой комиссией.

Оценки за выполнение практических занятий выставляются по пятибалльной системе и учитываются, как показатели текущей успеваемости обучающихся.

Продолжительность практического занятия не менее 2 академических часов.

Практическое занятие №1.

Методы оценки свойств машиностроительных материалов, определение твердости металлов: по Бринеллю, по Роквеллу.

Цели работы:

1. Усвоить понятие твердости, изучить сущность ее определения различными методами.

2. Научиться самостоятельно измерять твердость наиболее распространенными методами.

Этапы выполнения практического занятия №1:

1. Записать название работы;

2. Выписать цели работы;

3. Заполнить протокол испытаний твердости по методу Бринелля;

4. Заполнить протокол испытаний твердости по методу Роквелла;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По целям работы записать выводы по практическому занятию.

Основные положения.

Под твердостью материала понимают его способность сопротивляться пластической или упругой деформации при внедрении в него более твердого тела (индентора).

Этот вид механических испытаний не связан с разрушением металла и, кроме того, в большинстве случаев не требует приготовления специальных образцов.

Все методы измерения твердости можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора: статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения твердости называется такой, при котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с определенным усилием. К статическим методам относят следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1).

Рис. 1. Схема определения твердости:
а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

Измерение твердости по Бринеллю.

Сущность метода заключается в том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

При твердости металлов менее 450 единиц для измерения твердости применяют стальные шарики или шарики из твердого сплава. При твердости металлов более 450 единиц - шарики из твердого сплава.

Величину твердости по Бринеллю рассчитывают, как отношение усилия F, действующего на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка А:

(1)

где НВ – твердость по Бринеллю при применении стального шарика;
(HBW твердость но Бринеллю при применении шарика из твердого сплава), МПа (кгс);
F – усилие, действующее на шарик, Н (кгс);
А – площадь поверхности сферического отпечатка, мм2;
D – диаметр шарика, мм;
d – диаметр отпечатка, мм.

Одинаковые результаты измерения твердости при различных размерах шариков получаются только в том случае, если отношения усилия к квадратам диаметров шариков остаются постоянными. Исходя из этого, усилие на шарик необходимо подбирать по следующей формуле:

(2)

Диаметр шарика D и соответствующее усилие F выбирают таким образом, чтобы диаметр отпечатка находился в пределах:

(3)

Если отпечаток на образце получается меньше или больше допустимого значения d, то нужно увеличить или уменьшить усилие F и произвести испытание снова. Коэффициент К имеет различное значение для металлов разных групп по твердости. Численное, же значение его должно быть таким, чтобы обеспечивалось выполнение требования, предъявляемого к размеру отпечатка. Толщина образца должна не менее, чем в 8 раз превышать глубину отпечатка.

Последовательность твердости по Бринеллю.

Подготовка образца, выбор условий испытания, получение отпечатка, измерение отпечатка и определение числа твердости производится в строгом соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.
Значение К выбирают в зависимости от металла и его твердости в соответствии с табл. 1.

Таблица 1

Испытание твердости по Бринеллю

Диаметр шарика D, мм	Прикладываемое усилие F, Н
Диаметр шарика D, мм	K=F/D2
	30	10	5	2,5	1
10	29420	9807	4903	2452	980,7
5	7355	2452	1226	612,9	245,2
2,5	1839	612,9	306,5	153,2	61,3
1	294,2	98,1	49,0	24,5	9,81
Диапазон твердости HB	55 – 650	35 – 200	<55	8 – 55	3 – 20
Измеряются	Сталь, чугун, медь и ее сплавы, легкие сплавы	Чугун, сплавы меди, легкие сплавы	Медь и ее сплавы, легкие сплавы	Легкие сплавы	Свинец, олово

Усилие, F в зависимости от значения К и диаметра шарика D устанавливают в соответствии с табл. 1. Рекомендуемое время выдержки образца под нагрузкой для сталей составляет 10 с, для цветных сплавов 30 с (при K=10 и 30) или 60 с (при K=2.5). Данные замеров занести в протокол, таб.2.

Таблица 2

Протокол испытаний

Марка металла	D шарика, мм	F, H (кгс)	Продол. выдержки, с	Диаметр отпечатка , мм		Среднее арифм., dср мм	HB (HBW
				d1	d2

Последовательность твердости по Роквеллу.

Шкалу испытания (А, В или С) и соответствующие ей условия испытания (вид наконечника, общее усилие) выбирают в зависимости от предполагаемого интервала твердости испытуемого материала по табл. 3.

Таблица 3

Выбор нагрузки и наконечника для испытания твердости по Роквеллу

Примерная твердость по Виккерсу

Обозначение шкалы

Вид наконечника

Общее усилие, кгс

Обозначение твердости по Роквеллу

Допускаемые пределы шкалы

60 – 240

240 – 900

390 – 900

Стальной шарик

Алмазный конус

То же

100

150

HRB

HRC

HRA

25 – 100

20 – 67

70 – 85

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013-59. Данные замеров занести в протокол, таб.4.

Таблица 4

Протокол испытаний

Марка
металла

Обозначение
шкалы

Вид
наконечника

Общее
усилие, кгс

Результаты
измерения

Примечание

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Что такое твердость?
2. Классификация методов измерения твердости.
3. Сущность измерения твердости по Бринеллю.
4. До какого значения твердости при испытании по Бринеллю используются стальные шарики?
5. Какого диаметра шарики используются при испытании на твердость по Бринеллю?
6. Из каких условии выбирается диаметр шарика при испытании на твердость по Бринеллю?
7. Пример записи твердости по Бринеллю?
8. Сущность измерения твердости по Роквеллу?
9. При замере какой твердости снимается отсчет показании по шкалам A, С, В?
10. Пример формы записи твердости по Роквеллу?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

1.Адаскин А. М. Материаловедение (металлообработка): учебное пособие/ А. М. Адаскин, В. М. Зуев. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 288 с.

2.Основы материаловедения (металлообработка): учебное пособие / под ред. В. Н. Заплатина. - М.: ОИЦ «Академия», 2013. – 272 с.

3.Рогов, В. А. Современные машиностроительные материалы и заготовки: учебное пособие/ В. А. Рогов, Г. Г. Позняк. – М.: ОИЦ «Академия», 2013. – 336 с.

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

5.Чумаченко Ю. Т. Материаловедение для автомехаников: учеб. пособие/ Ю. Т. Чумаченко, Г. В. Чумаченко, А. И. Герасименко. – Ростов н/Д.: «Феникс», 2013. - 408 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

1.Электронно-библиотечная система издательства «Лань» [Электронный ресурс]. – Санкт-Петербург, 2010-2016. – Режим доступа: http://e.lanbook.com/;

2.Электронно-библиотечная система «Университетская библиотека онлайн [Электронный ресурс]. – Москва, 2001-2016. – Режим доступа: http://biblioclub.ru/;

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

4.Электронная библиотечная система Издательства «Проспект Науки» [Электронный ресурс]. – Санкт-Петербург, 2010-2016. – Режим доступа: http://www.prospektnauki.ru/ebooks/index-usavm.php;

Дополнительные источники:

1.Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): учебное пособие для нач. проф. образования / под ред. В. Н. Заплатина. – М.: Издательский центр «Академия», 2012. – 224 с.

2.Лабораторный практикум по материаловедению в машиностроении и металлообработке/ под ред. В. Н. Заплатина. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 240 с.

3.Оськин В.А. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов/ В.А. Оськин, В.Н. Байкалова. – М.: КОЛОСС, 2012. -160с.

Практическое занятие №2.

Исследование структуры железоуглеродистых сплавов, находящихся в равновесном состоянии.

Цель работы:

1. Изучение микроструктуры железоуглеродистых сплавов при термических превращениях в соответствии с диаграммой «Железо-углерод».

Этапы выполнения практического занятия №2:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Изучить диаграмму состояния «железо-углерод»;

4. Изучить структуру сплавов системы Fe-C;

5. Провести полный фазовый и структурный анализ сплавов системы Fe-C.

6. Ответить на контрольные вопросы;

7. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные понятия теории сплавов.

Чистые металлы (кристаллическая решетка состоит из одинаковых атомов) в обычном состоянии обладают низкой прочностью и не обеспечивают во многих случаях требуемых свойств, поэтому наиболее широко распространены сплавы. Сплав – это вещество, полученное сплавлением или спеканием двух или более элементов. Сплавы обладают характерными свойствами, присущими металлическому состоянию. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Изменяя концентрацию компонентов, можно получить множество сплавов, объединенных в систему из одних и тех же компонентов. Система – это вещество (или группа веществ), выделенное из окружающей среды таким образом, что влияние этой среды исключено. В системе сплавов выделяется такое понятие как фаза. Фаза – это однородная часть системы (сплава), имеющая однородный состав, кристаллическое строение, свойства, находящаяся в одном и том же агрегатном состоянии и ограниченная от других частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую свойства меняются скачкообразно Для исследования внутреннего строения металлов и сплавов изучают структуру. Структура – это форма и размеры кристаллов, в виде которых находятся разные фазы в сплавах.
Строение материала, изучаемое при использовании микроскопа, называется микроструктурой, а строение материала, изучаемое невооруженным глазом и при помощи лупы (увеличение не более 50 раз), называется макроструктурой.
В зависимости от взаимодействия компонентов сплава образуются следующие фазы: жидкие растворы, твердые растворы, химические соединения.
Жидкий раствор – раствор одного компонента в другом в жидком состоянии, характеризуется ближним порядком в расположении атомов.
Твердые растворы образуются в тех случаях, когда атомы различных элементов, смешиваясь в разных соотношениях, способны образовать общую кристаллическую решетку. Твердыми растворами называются фазы, в которых один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента (растворителя), изменяя ее размеры. Различают раствор внедрения и твердый раствор замещения.
Микроструктура твердого раствора представляет собой однородные кристаллические зерна, мало отличающиеся от структуры чистого металла. Если компоненты сплава могут вступать в химическое взаимодействие, то образуется химическое соединение, которое имеет характерные особенности.

1. Кристаллическая решетка химического соединения отличается от решеток компонентов, входящих в это соединение. Большинство соединений имеет сложную кристаллическую структуру.

2. В соединении всегда сохраняется простое кратное весовое соотношение компонентов. Это позволяет выразить их состав простой формулой: AnBm , где А, В – соответствующие компоненты; n, m – простые числа.

3. Свойство химического соединения отличается от свойств входящих его компонентов.

4. Температура плавления постоянна.
В твердом состоянии может не быть химического взаимодействия между компонентами или взаимного растворения друг в друге, тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц, зерен обоих компонентов.
Отдельные фазы также могут находиться в сплаве в виде механических смесей (частицы нескольких фаз чередуются, последовательно образуя смесь этих фаз). Примером может служить перлит, ледебурит.

Правило фаз, правило отрезков и диаграмма состояния.

Процесс кристаллизации металлических сплавов и связанные с ним многие закономерности строения сплавов описываются с помощью диаграммы состояния, или диаграммы фазового равновесия.
Диаграмма состояния в удобной графической форме показывает фазовый состав и структуру в зависимости от температуры и концентрации.
Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Таким образом, диаграмма состояния характеризует окончательное состояние сплавов, т.е. полученное после того, как все превращения в них произошли, и кристаллизация полностью закончилась.
Это состояние сплава характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз и зависит от внешних условий (температуры, давления).
Закономерность изменения числа фаз в сплаве определяется правилом фаз. Правило фаз устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
С=К+2 – Ф, (1)

где С – число степеней свободы (вариантность),
К – число компонентов, образующих систему,
2 – число внешних параметров (температура, давление),
Ф – число фаз, находящихся в равновесии.

Под числом степеней свободы понимают возможность изменения температуры и давления без изменения числа фаз, находящихся в равновесии.
В любой точке диаграммы, когда в сплаве одновременно существуют две фазы, можно определить количество обеих фаз и их концентрацию. Для этого служит правило отрезков. В точке а, показывающей состояние сплава с содержанием С=1% при температуре t, сплав состоит из жидкости и аустенита (рис.4), т.е. находится в двухфазном состоянии.
Положения правила отрезков формулируется следующим образом.

- Первое положение: чтобы определить концентрации компонентов фазах, через данную точку, характеризующую состояние сплава, проводят горизонтальную линию до пересечения с линиями, ограничивающими данную область; проекции точек пересечения на ось концентраций показывают составы фаз. (Проекция точки а’’ показывает концентрацию аустенита, проекция точки а’ - концентрацию жидкости).

- Второе положение: для того, чтобы определить количественное соотношение фаз, через заданную точку проводят горизонтальную линию. Отрезки этой линии между заданной точкой и точками, определяющими составы фаз, обратно пропорциональны количествам фаз.

Так, количество жидкости Qж рассчитывается по формуле:
Qж=, (2)
а количество аустенита QA рассчитывается по формуле:
QA=. (3)

Диаграмма Fe-C

Характеристика компонентов.

Диаграмма состояния в графической форме показывает фазовый состав сплава в зависимости от температуры и концентрации. Диаграммы состояния строят для условия равновесия. Равновесное состояние соответствует минимальному значению свободной энергии. Это состояние может быть достигнуто при малых скоростях охлаждения и при длительном нагреве. Рассмотрение диаграммы состояния позволяет определить фазовые превращения в условиях очень медленного охлаждения или нагрева.
Железо – металл переходной группы, серебристо-серого цвета, пластичный, температура плавления 1539°С. На практике применяют техническое железо, содержащее 0,1% примесей (Mn, Si, S, O2, N2, P). В твердом состоянии чистое железо находится в двух модификациях: при «низких» температурах (до 910°С) железо имеет ОЦК решетку и обозначается α-Fe или Feα. Feα обладает сильно выраженными магнитными свойствами. При температуре 768°С железо теряет магнитные свойства. Парамагнитное α-Fe устойчиво до 910°С. Кристаллическая решетка при этом не изменяется, т.е. аллотропического превращения нет. Это немагнитное железо обозначается иногда β-Fe . При температуре 910°С происходит аллотропическое превращение: α-Fe с ОЦК решеткой переходит в γ-Fe с ГЦК решеткой. Свойства железа меняются, оно приобретает особую пластичность, высокую вязкость, увеличивается способность растворять углерод, но оно остается немагнитным. При температуре 1392°С происходит второе аллотропическое превращение: ГЦК решетка γ-Fe вновь переходит в ОЦК решетку. Эту высокотемпературную модификацию железа обычно называют δ-железом. При температуре 1539°С железо плавится. Углерод является неметаллическим элементом с температурой плавления 1350°С. В обычных условиях углерод находится в виде модификации графита, но может существовать в виде модификации алмаза.
Углерод растворим в железе (в жидком и твердом состоянии), а также может быть и в виде химического соединения – цементита, а в высокоуглеродистых сплавах в виде графита.

Характеристика фаз системы Fe-C.

В системе «железо-углерод» различают следующие фазы: жидкий сплав, твердые растворы – феррит, аустенит, а также химическое соединение цементит и графит.

Феррит (Ф) – твердый раствор углерода в α-Fe. Различают низкотемпературный α-феррит с растворимостью углерода до 0,02% при Т=727°С. С понижением температуры растворимость углерода в α-Fe быстро уменьшается и при Т=600°С составляет 0,008%. Высокотемпературный δ-феррит имеет предельную растворимость углерода 0,1%. Феррит характеризуется высокой пластичностью и низкой твердостью. Под микроскопом феррит выявляется в виде однородных светлых зерен (рис. 5.а).
Аустенит (А) – твердый раствор углерода в γ-Fe . Аустенит имеет ГЦК решетку. Атомы углерода в решетке γ-Fe располагаются в центре элементарной ячейки и в дефектных областях кристалла. Максимальная растворимость углерода в γ-Fe равна 2,14% при Т=1147°С. С понижением температуры растворимость углерода падает. Аустенит обладает высокой пластичностью и малой чувствительностью к хрупкому разрушению. Микроструктура аустенита состоит из светлых зерен с характерными двойниками.
Цементит (Ц) – химическое соединение железа с углеродом, с содержанием углерода 6,67% . Цементит – твердая и хрупкая фаза. Он обладает металлическим блеском, тепло- и электропроводимостью, слабыми магнитными свойствами. В структуре стали и чугуна цементит находится в виде игл, сетки по границам зерен и в форме отдельных массивных выделений. Различают: а) первичный цементит Ц1. Он выделяется при кристаллизации из жидкой фазы у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 4,3%; б) вторичный цементит Ц2 выделяется при вторичной кристаллизации из аустенита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,8% в интервале температур от 1147°С до 727°С; в) третичный цементит Ц3 выделяется при третичной кристаллизации из феррита у всех железоуглеродистых сплавов, содержащих углерода более 0,008% в интервале температур от 727°С до 0°С.
Графит (Г). Микроструктура графита как кристаллической разновидности углерода, обладающего гексагональной решеткой, под микроскопом имеет черный вид. Графит мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачный и имеет блеск. Жидкость (Ж) – раствор углерода в железе при температуре выше Т0 плавления.

Характеристика структур (механических смесей).

Перлит (П) – эвтектоидная смесь, состоящая из двух фаз: феррита и цементита. Эта механическая смесь образуется при распаде аустенита определенного состава (0,8% С) при температуре 727°С. Эвтектоид состоит из мелких, различной величины пластинок цементита, расположенных в феррите. Если цементит расположен в виде мелких зерен различной величины, то такая структура называется зернистым перлитом. Пластинки и зерна цементита своеобразно отражают свет: поверхность протравленного микрошлифа напоминает перламутр, что дало основание назвать эту микроструктуру перлитом.

Ледебурит (Л) – цементитная эвтектика (эвтектика в переводе с греческого означает легко, хорошо плавящийся). Ледебурит образуется из жидкой фазы определенного состава (4,3% С ). При температуре от 1147°С и до 727°С ледебурит состоит из двух фаз: аустенита и цементита; ниже 727°С – из перлита и цементита. Содержание углерода в ледебурите всегда постоянное и равно 4,3% . Ледебурит – твердая и хрупкая структура. Значение точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод»
Каждая точка диаграммы состояния «железо-углерод» характеризует строго определенный состав сплава при соответствующей температуре.
ЛИНИЯ АВСД – линия ликвидус. Выше этой линии все железоуглеродистые сплавы находятся в жидком состоянии, представляющем собой жидкий раствор (жидкую фазу).

ЛИНИЯ АНЕС – линия солидус. Ниже этой линии все сплавы находятся в твердом состоянии.

ЛИНИЯ АВ – показывает температуру начала выделения из жидкого раствора кристаллов феррита. Состав жидкой фазы при понижении температуры будет меняться по линии АВ (ликвидус); состав твердой фазы по линии АН. При достижении температуры 1499°С состав жидкой фазы будет соответствовать точке В (0,51% С), а состав твердой фазы – феррита – точке Н (0,1% С). Жидкость и феррит указанных составов при этой температуре начнут реагировать между собой, в результате чего образуются новые кристаллы – кристаллы аустенита состава точки J. Превращение, при котором две фазы – жидкость и твердые кристаллы строго определенного состава – реагируют между собой и образуют третью фазу определенного состава, называется перитектическим превращением. Температура перитектического превращения постоянна. Следовательно, линия НВ показывает температуру перитектического превращения. Перитектическая реакция протекает следующим образом:

Ж.Ф.В+Ф.НАJ
ЛИНИИ ВС и СД показывают температуры начала первичной кристаллизации аустенита (ВС) и первичного цементита (ДС). При выделении из жидкой фазы кристаллов аустенита состав жидкой фазы будет обогащаться углеродом и по мере понижения температуры изменяться по линии ВС (ликвидус). Состав твердой фазы аустенита будет обогащаться углеродом и изменяться по линии JЕ (солидус).
При выделении из жидкой фазы кристаллов первичного цементита состав ее будет обедняться углеродом и с понижением температуры изменяться по линии ДС (ликвидус). Состав твердой фазы (цементита) остается постоянным, равным 6,67% С. При достижении температуры 1147°С состав жидкой фазы для любого сплава, расположенного между концентрациями от точки Е (2,14% С) до точки F (6,67% С), будет соответствовать точке С (4,3% С). При этой температуре оставшаяся часть жидкой фазы данного состава (4,3 % С) закристаллизуется с образованием эвтектической механической смеси, содержащей то же количество углерода, что и жидкость, т.е. 4,3%. Эта эвтектика называется ледебуритом. Она состоит из аустенита, состава точки Е (2,14% С) и цементита, содержащего 6,67% С., следовательно, линия ЕС означает температуру образования эвтектики ледебурита и температуру конца первичной кристаллизации сплавов, содержащих углерода более 2,14%. Реакция образования ледебурита запишется так:
Ж.Ф.СЛед.С(АЕ+Fe3C).
Образование перлита (эвтектоида) протекает при строго определенной постоянной температуре (727°С для сплавов железа с углеродом).
Количество феррита увеличивается с уменьшением содержания углерода в сплаве, и при содержании углерода 0,02% (точка Р) и менее структура будет состоять из одного феррита. Структура сплава, содержащего 0,8% С, ниже 727°С будет состоять из одного перлита. Для сплавов, расположенных правее точки S, в избытке будет находиться цементит. С увеличением содержания углерода количество цементита будет расти. Структура этих сплавов соответственно содержанию углерода ниже 727°С будет состоять: из вторичного цементита и перлита (от 0,8% С до 2,14% С); перлита, вторичного цементита и ледебурита (от 2,14% С до 4,3% С); ледебурита (4,3% С); первичного цементита и ледебурита (от 4,3% с до 6,6% С).
Вторичный цементит для сплавов, содержащих 4,3% С и более, входит в состав ледебурита и не является самостоятельной структурой.
ЛИНИЯ GP показывает температуру конца вторичной кристаллизации аустенита в феррит. При охлаждении железоуглеродистых сплавов ниже линии PSK (727°С) начнется третичная кристаллизация, связанная с уменьшением растворимости углерода в α-Fe. Из феррита при понижении температуры будет выделяться третичный цементит.

ЛИНИЯ PQ показывает температуру начала кристаллизации третичного цементита из феррита. Третичный цементит ниже 727°С может присутствовать у всех сплавов, содержащих более 0,008% С. Однако как структурная составляющая он находится только в сплавах, содержащих от 0,008 до 0,02% С, и оказывает в этом случае существенное влияние на их свойства. Диаграмма состояния железо-углерод (цементит) приведена на рисунке и показывает фазовый состав и структуру сплавов с концентрацией от чистого железа до цементита (6,67% С). С понижением температуры фазовый и структурный состав меняется, а в соответствии с содержанием углерода все сплавы делятся на стали (углерода 2,14%) и чугуны (углерода 2,14 – 6,67%).
Таким образом, после охлаждения сплавов системы Fe-C их структурный состав разный, а фазовый одинаковый (Ф+Ц).

Анализ фазовых превращений в доэвтектоидной стали.

При понижении температуры сплава 1 (рис.6) до линии ликвидус (точка t1) из жидкой фазы начинают выделяться кристаллы δ-феррита и сплав становится двухфазным (жидкость и кристаллы δ-феррита). В двухкомпонентной системе при наличии двух фаз степень свободы системы С=2+1–2 =1, т.е. процесс кристаллизации протекает при изменяющейся температуре. Состав твердого раствора при понижении температуры меняется по линии солидус, а состав жидкости – по линии ликвидус. При температуре 1499°С (линия НIВ) в равновесии находятся δ-феррит состава точки Н(0,1% С) и жидкая фаза состава точки В(0,5% С). При постоянной температуре 1499°С (С=2+1–3=0) протекает перитектическая реакция.

ЖВ+ФНАt.
Ниже перитектической температуры из жидкости кристаллизуется аустенит. При температуре t3 сплав полностью затвердеет. В интервале температур t3 - t4 (С=2+1–1=2) существует только аустенит. При понижении температуры несколько ниже t4 (линия GS) из аустенита выделяется феврит и сплав получает двухфазовое состояние: А и Ф (С=2+1–2=1). Состав А при понижении температуры при этом изменяется по линии GS, а Ф – по линии PG. При достижении температуры 727°С (линия PSK) содержание углерода в А равно 0,8% (точка S). Аустенит, имеющий эвтектоидный состав, распадается с одновременным выделением из него феррита (Ф) и цементита (Ц), образующих перлит:

ASФP+Fe3C(Ц).
Эвтектоидный распад А протекает при постоянной температуре 727°С (линия PSK), поэтому эта реакция на кривой охлаждения изображена в виде горизонтальной площадки (как и реакция перитектического превращения). При наличии трех фаз: феррита (0,02% С), цементита (6,67% С) и аустенита (0,8% С) система нонвариантна (С=2+1 – 3 =0).
Все доэвтектоидные стали имеют структуру Ф+П. Таким образом, от начала кристаллизации до полного охлаждения доэвтектоидные стали претерпевают следующую цепочку переходов и превращений:

Жδ-Ф+ЖЖВ+ФНАtАt+ЖАА+ФАSПS(ФН+ЦК)Ф+П

Аналогичным образом можно проанализировать любой сплав системы Fe-C, как сталь, так и чугун, а также подсчитать количество каждой фазы в двухфазных областях.

Определение содержания углерода в доэвтектоидной стали по ее микроструктуре.
Принимая во внимание, что феррит практически не содержит углерода, а в перлите углерода содержится 0,8%, можно по соотношению площадей, занимаемых в микроструктуре ферритом и перлитом, ориентировочно определить содержание углерода в стали. Например, при изучении структуры стали под микроскопом «на глаз» определили, что площадь, занимаемая перлитом (темное включение), составляет 30%. Как известно, при 100% содержании перлита углерода в стали содержится 0,8% при 30% содержании перлита (по его площади) углерода содержится Х%, тогда:

Х=30·0,8/100=0,24%.
Следовательно, в стали содержится 0,24% С. Заэвтектоидные стали содержат от 0,8% до 2,14% углерода. Структура заэвтектоидной стали при комнатной температуре состоит из перлита и вторичного цементита. Цементит в зависимости от режима термической обработки наблюдается в виде светлых, небольших по величине зерен либо в виде светлой сетки по границам зерен перлита. Строение и свойства перлита заэвтектоидной стали аналогичны перлиту в эвтектоидной стали. Количество вторичного цементита в структуре заэвтектоидной стали невелико и увеличивается с повышением содержания в ней углерода. Для количественного определения отдельных структурных составляющих в стали при определенном содержании углерода пользуются методом треугольника. Сущность его сводится к следующему: 100% перлита будет в эвтектоидной стали с содержанием углерода 0,8%. В крайних точках треугольника перлита не будет. Ординаты треугольника показывают количество перлита в сплавах «железо-углерод».
Пользуясь методом треугольника, можно определить количество перлита, вторичного цементита в заэвтектоидной стали. Например, определим качественно и количественно структуру стали с содержанием углерода 1,2%.

Чугуны

Чугун отличается от стали по составу более высоким содержанием углерода; по технологическим свойствам – лучшими литейными качествами, малой способностью к пластическим деформациям (в обычных условиях не поддается ковке). Чугун дешевле стали. В зависимости от химического состояния углерода и формы графитных включений чугуны могут быть белыми, серыми, ковкими и высокопрочными.
В белом чугуне весь углерод находится в химически связанном состоянии в виде цементита. Структура белых чугунов соответствует диаграмме равновесного состояния Fe-C. По структуре и содержанию углерода белые чугуны делятся на:

- доэвтектические, содержащие от 2,14 до 4,3% С; структура их состоит из перлита, вторичного цементита и ледебурита;
- эвтектические, содержащие 4,3%С; структурное состояние характеризуется ледебуритом;
- заэвтектические, содержащие от 4,3% до 6,67% С; структура состоит из первичного цементита и ледебурита.

Из-за наличия структурно свободного цементита и ледебурита белые чугуны характеризуются высокой твердостью и хрупкостью, практически не поддаются обработке режущим инструментом. В сером чугуне углерод находится в виде графита, количество, формы и размеры которого изменяются в широких пределах. Металлическая основа серого чугуна может быть перлитная, феррито-перлитная и ферритная. Свойства серого чугуна будут зависеть как от свойств металлической основы, так и от количества и характера графитных включений. Серые чугуны маркируют буквами СЧ (серый чугун) и цифрами (например, СЧ 12, СЧ 15, СЧ 28). Две цифры после букв показывают средний предел прочности при растяжении. Например, чугун марки СЧ 12 имеет δВ120МПа.

В высокопрочном чугуне углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в форме шаровидного графита. Высокопрочные чугуны маркируются буквами ВЧ и цифрами (например, ВЧ 40, ВЧ45, ВЧ 50), при этом цифры указывают на средний предел прочности при растяжении в кг/мм2 (или 10 в МПа).
Ковкий чугун получают в результате отжига отливок белого чугуна. В ковком чугуне весь углерод или значительная часть его находится в свободном состоянии в форме хлопьевидного графита (углерод отжига). Ковкий чугун маркируют буквами КЧ и цифрами (например, КЧ 30-6, КЧ 33-8, КЧ 35-10 и т.д.). Первые две цифры указывают на предел прочности растяжения, а следующие – на относительное удлинение в процентах.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Дать определение следующих понятий: система, компоненты, фаза, структура.

2. Описать значения точек и линий диаграммы состояния «железо-углерод».

3. Какие сплавы называются сталями? Углеродистыми сталями?

4. На какие группы подразделяются стали по структуре в связи с разным содержанием углерода? Охарактеризуйте типичную структуру для каждой из них.

5. Как изменится структура сталей с повышением содержанием углерода?

6. Как меняются основные механические свойства сталей с повышением содержания углерода? Свяжите эти изменения с изменениями в структуре.

7. Как классифицируются углеродистые стали по назначению и способу производства?

8. Какие сплавы называются чугунами? Укажите классификацию чугунов (по состоянию углерода и по форме графитовых включений).

9. Какие микроструктуры белых чугунов вы знаете?

10. Что такое серый чугун и от чего зависят свойства серого чугуна?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №3.

Расшифровка различных марок сталей и чугунов.

Цель работы:

1. Научиться определять химический состав и классифицировать стали и чугуна по их маркам.
Этапы выполнения практического занятия №3:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Расшифровать марки сталей и чугунов, согласно варианта задания из таблицы 1;

4. Результаты расшифровки занести в таблицу 2;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

В различных отраслях промышленного производства наибольшее применение получили чёрные металлические сплавы - стали и чугуны.
Сталь - сплав железа (основа) с углеродом (до 2,14%), всегда содержит в определенных количествах постоянные примеси: марганец, кремний, серу, фосфор и газы (кислород, азот, водород). Чугун - сплав железа с углеродом (более 2,14% до 6,67%). Чугун также содержит постоянные примеси и газы.
В легированные стали и чугуны вводят различные легирующие элементы с целью повышения механических характеристик и получения специальных свойств.

Классификация и маркировка сталей

Стали классифицируют по следующим признакам: химическому составу, способу производства, качеству, степени раскисления, назначению и структуре.
По химическому составу различают стали углеродистые и легированные. Сталь, содержащая железо, углерод и постоянные примеси в количестве до 0,5-0,8%Мn; 0,3-0,4%Si (содержание серы и фосфора определяются качеством стали) называется углеродистой. Если же в процессе выплавки стали к ней добавляют легирующие элементы - хром, никель, ванадий и др., а также марганец и кремний в повышенном количестве по сравнению с углеродистой, то такую сталь называют легированной.
Углеродистые стали по содержанию в них углерода подразделяют на низкоуглеродистые (до 0,3 % С), среднеуглеродистые (0,3 - 0,7%С) и высокоуглеродистые (более 0,7 % С).

Легированные стали в зависимости от наличия в них легирующих элементов называют хромистыми, кремнистыми, хромоникелевыми и т.п., а в зависимости от общего содержания легирующих элементов подразделяют на низколегированные - до 3 %, среднелегированные от 3 до 10 % и высоколегированные - более 10 %.

По способу производства различают стали мартеновские (выплавка в мартеновских печах), конвертерные (выплавляемые в конверторах с продувкой кислородом) - однородны по составу, имеют низкое содержание азота, серы и фосфора, электростали (выплавляемые в электрических печах) - по качеству превосходят все остальные виды и, наконец, стали особых методов выплавки (индукционный нагрев, магнитное перемешивание и т.д.).
По качеству стали классифицируют на обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
Критерием качества стали является, главным образом, содержание вредных примесей - серы и фосфора. Стали обыкновенного качества содержат до 0,060 % S и 0,070 % Р, качественные - до 0,040 % S и 0,035 % Р, высококачественные - не более 0,025 % S и 0,025 % Р, а особо высококачественные - не более 0,015 % S и 0,025 % Р.
Необходимо отметить, что углеродистые стали могут быть обыкновенного качества, качественные и высококачественные (инструментальные углеродистые), а легированные только качественные, высококачественные или особо высококачественные.

По степени раскисления стали делят на:

- спокойные (сп) - полностью раскисленные ферромарганцем, феррокремнием и алюминием;

- кипящие (кп) - частично раскисленные только ферромарганцем, в ней сохраняется много окиси железа, которая взаимодействует с углеродом, выделяя газ СО (пузырьки газа создают впечатление “кипения”);

- полуспокойные (пс) – раскисленные ферромарганцем и алюминием – промежуточное положение между кипящей и спокойной сталями.

Степень раскисления стали указывается в конце обозначения марки, например, Ст3кп, БСт2пс, ВСт1сп, 10кп.

По назначению стали подразделяют на конструкционные (для изготовления деталей машин и конструкций), инструментальные (для различного рода инструмента) и специальные стали с особыми свойствами (с низким коэффициентом расширения, для постоянных магнитов, электротехнические и др.).Для сталей в России принята буквенно-цифровая маркировка. Цифры и буквы указывают на приблизительный химический состав стали.

Маркировка конструкционных сталей

Углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества в соответствии с ГОСТ380-2005 маркируют буквами Ст и условным номером от 0 до 6, как правило, чем больше цифра, тем выше содержание углерода в стали (Ст6 содержит 0,38-0,49%С).

Стали с номером марок 1 - 4 производят кипящими, полуспокойными и спокойными, а с номерами 5 и 6 - только полуспокойными и спокойными, например Ст2сп, Ст3кп, Ст5пс. Если сталь содержит марганца более 0,8%, то в марке присутствует буква Г, например Ст3Гпс.
Стали обыкновенного качества используют для строительных конструкций и изготовляют в виде листов, полос, прокатных профилей, труб, а также для деталей в мостостроении, судостроении, вагоностроении. Углеродистые качественные конструкционные стали (ГОСТ1050-88) обозначают двузначным числом, показывающим среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента. Например, стали марок 08, 20, 45 содержат в среднем соответственно 0,08%; 0,20%; 0,45% углерода. В этих сталях допускается не более 0,04 % S, 0,035 % Р. Углеродистые качественные стали производят спокойными, кипящими и полуспокойными (05 кп, 20 пс). Из них может быть изготовлена большая номенклатура деталей от шайб, втулок, шестерён, шпинделей, шатунов до деталей, работающих в условиях трения (рессоры и пружины). Низкоуглеродистые стали применяют для изготовления деталей методов холодной штамповки из листового проката.
Легированные конструкционные стали (качественные и высококачественные) (ГОСТ 4543-71) маркируют двухзначным числом, показывающим среднее содержание углерода в сотых долях процента, далее следуют буквы и цифры.

Буквы обозначают легирующие элементы:
А – азот (если буква стоит в середине марки стали), Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, К – кобальт, М – молибден, Н – никель, П – фосфор, Р – бор (не в начале марки), С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х – хром, Ц – цирконий, Ю – алюминий.
Цифры после букв показывают примерное содержание соответствующего легирующего элемента в целых процентах. Если цифра после буквы отсутствует, это означает, что содержание данного легирующего элемента в стали составляет менее 1,5 %. Для высококачественных сталей в конце обозначения марки ставят букву А. Например, сталь марки 12Х2Н4А содержит в среднем 0,12 % С, 2 % Сr, 4 % Ni и является высококачественной.
Конструкционные легированные стали широко применяются в автомобильной промышленности, строительстве и тяжёлом машиностроении для деталей машин и механизмов, работающих в условиях сложного нагружения под действием статических, динамических и знакопеременных нагрузок.

Маркировка инструментальных сталей

Углеродистые качественные инструментальные стали (ГОСТ1435-90) маркируют следующим образом: впереди ставят букву У, за ней цифру (от 7 до 13), указывающую среднее содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь марки У9 содержит в среднем 0,9 % С; У12 - 1,2 % С и т.д.

Для высококачественных углеродистых инструментальных сталей в конце обозначения марки стали ставят букву А. Например, У7А, У13А.
Из этих сталей может быть изготовлен режущий инструмент – резцы, напильники и др., работающий с небольшими скоростями резания, а также штампы для холодного деформирования для обработки малопрочных материалов.
Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-73) маркируют однозначным числом, показывающим среднее содержание углерода в десятых долях процента, далее следуют буквы и цифры. Принцип обозначения легирующих элементов и их содержание в этих сталях аналогичен с маркировкой конструкционных. Если же сталь начинается с буквы (кроме буквы У), то в стали около 1 % С или более. Например, сталь марки 9ХС содержит в среднем 0,9 % С, менее1,5 % Cr, менее 1,5 % Si; сталь марки ХВ4Ф содержит более 1 % С, менее 1,5 % Cr, около 4 % W, менее 1,5 % V.
Инструментальные легированные стали применяют для изготовления всех видов инструментов: режущего (резцы, развёртки, протяжки), для обработки металлов давлением (штампы для холодного и горячего деформирования, прокатные валки), измерительного (калибры, меры, шаблоны). Специальные стали это высоколегированные стали, в которых содержание легирующих элементов более 10 %, обладающие особыми свойствами, например, коррозионностойкие стали (ГОСТ 5632-72), обладающие высокой химической стойкостью в агрессивных средах. В состав коррозионностойкой стали обязательно входят хром и никель, причём содержание хрома должно быть более 12 %, а маркировка сохраняет принципы маркировки легированных сталей: сталь марки 17Х18Н9 содержит 0,17 % С, 18 % Cr, 9 % Ni. Коррозионностойкие стали применяют для изготовления клапанов гидропрессов, лопаток турбин, карбюраторных игл и других деталей машин, подвергающихся действию атмосферных осадков, воды, водных растворов солей и других агрессивных сред при комнатной температуре или до 4000 С.
Некоторые стали имеют маркировку, отличающуюся от вышеизложенных правил:
Углеродистые автоматные стали (конструкционные) (ГОСТ 1414-75) с повышенным содержанием серы и фосфора, а иногда с добавлением небольшого количества Pb, Ca, Mn и др., обладающие хорошей обрабатываемостью резанием, применяют для изготовления деталей на металлорежущих станках-автоматах. Автоматные стали маркируют буквой А и цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента; например, А12 - автоматная сталь с содержанием углерода в среднем 0,12%;

Шарикоподшипниковые стали (ГОСТ 801-83) применяют для изготовления подшипников качения и других деталей, работающих в условиях трения, должны обладать высокой контактной прочностью и износостойкостью, содержат около 1 % С с обязательным наличием хрома (0,4-1,9 %). Шарикоподшипниковые стали маркируются буквой “Ш”, далее буква “Х” – хром, содержание которого указывается в десятых долях процента. Из этих сталей изготавливают шарики и ролики подшипников, подшипниковые кольца, корпуса и направляющие. Сталь марки ШХ15 содержит около 1 %С и 1,5 %Сr.

Быстрорежущие стали (инструментальные) (ГОСТ 19265-73) применяют для изготовления режущего инструмента (резцы, свёрла, фрезы и т.д.), работающего при высоких скоростях резания. Марки этих сталей обозначают русской буквой Р (rapid - быстрый), а следующая за ней цифра указывает среднее содержание основного легирующего элемента вольфрама в процентах. Содержание углерода в быстрорежущих сталях около 1 %. Например, Р18 - быстрорежущая сталь, содержащая около 1 % С и 18 % W, а также 4 % Сr, менее 2,5 % V, около 1 % Мо, но это не внесено в обозначение марки;
Стали, применяемые для получения отливок (ГОСТ 977-88), имеют в своем обозначении букву Л. Например, 15Л - сталь для отливок, содержащая в среднем 0,15 % С. Из этих сталей отливают втулки, шестерни и т.д. Согласно ГОСТ 21357-87 существуют износостойкие стали для отливок 110Г13Л и 110Г13ХБРЛ с содержанием углерода в сотых долях, показанным трехзначным числом. Приведенные марки стали содержат около 1,1%С.

Классификация и маркировка чугунов

Как уже отмечалось выше, по сравнению со сталью, чугун имеет более высокое содержание углерода (более 2,14 и как правило до 4,5 %). Углерод в чугуне может находиться в двух состояниях: в связанном - в виде химического соединения Fе3С, которое называется цементит, либо в свободном - в виде графита.

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:
- белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии. Название он получил по цвету излома. Имеет высокую твердость, хрупкость, практически не поддается обработке резанием и поэтому не нашел применения в качестве конструкционного материала и используется для передела в сталь и ковкий чугун.

- серый чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита пластинчатой формы, а остальная часть - в связанном состоянии в виде карбида железа Fе3С. В изломе имеет темно-серый цвет. Серый чугун маркируется (ГОСТ 1412-85) буквами СЧ с добавлением цифры, которая указывает предел прочности чугуна при растяжении ·в. Например, СЧ20 - серый чугун, имеющий ·в=200МПа или 20кгс/мм2.
Серый чугун широко применяется в машиностроении как конструкционный материал для изготовления станин станков, тормозных барабанов, поршневых колец и т.д.

- ковкий чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита хлопьевидной формы. Ковкий чугун маркируют (ГОСТ 1215-79) буквами КЧ и двумя числами. Первое обозначает предел прочности при растяжении ·в в кг/мм2, второе - относительное удлинение ·, %. Например, КЧ35-10 - ковкий чугун, имеющий ·в =350МПа (35кгс/мм2) и · =10%;

Ковкие чугуны имеют более высокие характеристики пластичности по сравнению с другими чугунами (но это не значит, что его можно ковать). Применяется ковкий чугун для изготовления деталей, работающих при средних и высоких статических нагрузках (картеры автомобиля, ступицы, кронштейны, муфты и т.д.).

- высокопрочный чугун, в котором весь углерод или его большая часть находится в свободном состоянии в виде графита шаровидной формы. Имеет самые высокие прочностные свойства по сравнению с другими чугунами. Применяется для деталей машин, работающих в тяжелых условиях (в тяжёлом машиностроении – шабот молота, траверс пресса, прокатные валки и т.д.). Высокопрочный чугун маркируется (ГОСТ 7293-85) буквами ВЧ и цифрами, обозначающими предел прочности чугуна при растяжении
·в, например, ВЧ50 - высокопрочный чугун, имеющий ·в =500Мпа (50кгс/мм2).
Таблица 1

Варианты заданий на практическую работу

Варианты	Марки сталей и чугунов
Вариант №1	Ст2сп, 08кп, 09Г2С, У7А, 9ХС, Р6АМ5, СЧ10
Вариант №2	Ст2пс, Ст40, 38ХА, У13, ХВГ, А20, КЧ 63-2
Вариант №3	Ст5сп, 10кп, 60С2, У12А, Х12Ф1, ШХ15, ВЧ50
Вариант №4	Ст4пс, 05, 01ЮТБ, У10, Х, 35Л, СЧ 30
Вариант №5	Ст3кп, 80, 50ХФА, У8, Х6ВФ, Р12Ф3, КЧ 45-6
Вариант №6	Ст5пс, 15, 25Г2С, У9А, 5ХНМ, Р18, ВЧ60
Вариант №7	Ст1кп, 20пс, 12Х2Н4А, У11, Х12М, 50Л, КЧ 30-6
Вариант №8	Ст6сп, 60, 35ГС, У13А, 5ХВ2С, А15, СЧ40
Вариант №9	Ст3пс, 10пс, 38ХН3МА, У7, 9Х2, ШХ4, ВЧ45
Вариант №10	Ст1сп, 30, 20ХН3А, У9, Х12, 45ФЛ, КЧ 45-6
Вариант №11	Ст6сп, 60, 35ГС, У9А, 5ХНМ, Р18, ВЧ60
Вариант №12	Ст4пс, 05, 01ЮТБ, У13, ХВГ, А20, КЧ 63-2
Вариант №13	Ст5кп, 70, 48М4Н6ХА, У15, Х12М, 50Л, КЧ 30-6
Вариант №14	Ст2сп, 08кп, 09Г2С, Х6ВФ, Р12Ф3, КЧ 45-6, 45ФЛ
Вариант №15	Ст45сп, 26, 60С2, У12А, Х12Ф1, ШХ15, ВЧ50

Таблица 2

Результаты расшифровки марок сталей и чугунов

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Как классифицируются стали по химическому составу?

2. Как классифицируются стали по содержанию углерода и степени легированности?
3. Как можно подразделить стали по назначению?
4. Как классифицируются стали по способу производства, степени раскисления?
5. Как маркируются углеродистые конструкционные стали обыкновенного качества и качественные стали?
6. Как маркируются углеродистые инструментальные стали?
7. Что такое легированная сталь?
8. Как маркируются легированные стали?
9. Что такое белый, серый, высокопрочный и ковкий чугуны, их характеристики, назначение?
10. Как маркируются серые, высокопрочные и ковкие чугуны?
11. В чём заключается основное отличие структуры белых и серах чугунов, причины этого отличия?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №4.

Закалка и отпуск стали.

Цель работы:

1. Изучить процесс закалки, термическую обработку, отпуск и старение углеродистой стали.

Этапы выполнения практического занятия №4:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Исследовать влияние массовой доли углерода на закаливаемость стали;

4. Рассмотреть структуру закаленной стали, влияние отпуска на механические свойства сталей, виды старения углеродистых сталей;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Мартенситное превращение стали

Распад аустенита на ферритокарбидную смесь – диффузионный процесс, связанный с перераспределением углерода и железа, т.е. с диффузионным перемещением атомов на значительные расстояния, намного превышающие период решетки аустенита.

При охлаждении углеродистой стали с достаточно большой скоростью (сотни градусов в секунду) аустенит настолько сильно переохлаждается, что не распадается на смесь двух фаз, так как подвижность атомов при сильном охлаждении ниже точки А1 слишком мала. Но фиксации аустенита при комнатной температуре не происходит, так как в углеродистой стали, начиная с некоторой температуры, может существовать железоуглеродистая фаза, обладающая свободной энергией меньше, чем аустенит. Эта фаза называется мартенситом.

Мартенситное превращение не связано с диффузионным перераспределением углерода и железа в решетке аустенита. Химический состав кристаллов мартенсита и исходного аустенита одинаков. Мартенсит отличается от аустенита только кристаллической решеткой; у аустенита гранецентрированная решетка  -железа, а у мартенсита – тетрагональная, близкая объемно центрированной кубической решетке  -железа.

Таким образом, мартенсит является пересыщенным твердым раствором внедрения углерода в  -железе.

Превращение аустенита в мартенсит при охлаждении начинается и заканчивается при определенных для каждой марки стали температурах – температуре начала (МH) и конца (МК) мартенситного превращения.

Рис. 1. Диаграмма изотермического распада переохлажденного аустенита

эвтектоидной стали.

А – устойчивый аустенит, Ап – переохлажденный аустенит, Аост – остаточный аустенит, М – мартенсит, Ф – феррит, Ц – цементит.

Температура начала мартенситного превращения в отличие от температуры начала перлитного превращения, не зависит от скорости охлаждения. На положение мартенситной точки (МH) влияет содержание углерода в стали, с увеличением которого снижается МH. При температуре мартенситной точки МH превращение только начинается, появляются первые кристаллы мартенсита. Чтобы мартенситное превращение развивалось, необходимо непрерывно охлаждать сталь ниже мартенситной точки. Если охлаждение приостановить и выдерживать углеродистую сталь при постоянной температуре ниже мартенситной точки МH, то образование мартенсита почти сейчас же прекращается. Эта особенность наиболее ярко отличает кинетику мартенситного превращения от перлитного, которое всегда доходит до конца при постоянной температуре ниже точки А1 т.е., оканчивается полным исчезновением аустенита.

Мартенситный кристалл (пластина) образуется только в пределах аустенитного зерна и не переходит границу между его зернами. В плоскости шлифа мартенситные пластины, как правило, попадают поперечным сечением и наблюдаются под микроскопом в виде игл. Так как размеры первых пластин мартенсита определяются размерами аустенитного зерна, то все факторы, приводящие к его укрупнению, делают более грубоигольчатым сам мартенсит. Поэтому сильный перегрев стали при закалке дает крупноигольчатый мартенсит.

При закалке на мартенсит углеродистой стали резко возрастает ее твердость и снижается пластичность. Например, твердость эвтектоидной стали в отожженном состоянии равна HB180, а в закаленном – НВ650, т.е. примерно в 3,5 раза выше. Высокая твердость углеродистых сталей, закаленных на мартенсит, обусловлена, в первую очередь, возникновением сильных искажений решетки пересыщенного раствора за счет внедрения атомов углерода.

Структура и зависящие от нее механические свойства, металлических сплавов изменяются в результате термической обработки. Существуют различные виды термической обработки, к одному из которых относится закалка, приводящая к существенному изменению структуры и свойств сплавов. Применительно к углеродистым сталям закалка обеспечивает значительное повышение твердости и прочностных характеристик (пределов прочности и текучести).

Закалкой называется вид термической обработки, заключающийся в нагреве стали до температуры выше критической точки, выдержке и последующем быстром охлаждении со скоростью не ниже критической.

Критические точки – это температуры фазовых превращений. Различают равновесные (теоретические) и фактические критические точки. Равновесные критические точки лежат на линиях диаграмм состояния и показывают температуры фазовых переходов в условиях чрезвычайно медленного изменения температур (нагрева или охлаждения).

Равновесные критические точки углеродистых сталей можно определять по метастабильной диаграмме "железо - цементит". На этой диаграмме равновесные точки, лежащие на линии PSK, обозначаются А1 и показывают температуру превращения перлита в аустенит при нагреве и обратного превращения при охлаждении. Равновесные точки, находящиеся на линии GS, обозначаются А3 и показывают температуры окончания растворения феррита в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении. Равновесные точки линии SE обозначаются Acm и показывают температуры окончания растворения цементита (вторичного) в аустените при нагреве и начала его выделения из аустенита при охлаждении.

Фактические критические точки при нагреве смешаются вверх по температурной шкале и обозначаются аналогично равновесным точкам с добавлением буквы “с”, например, АС1-АС3.

При охлаждении происходит смещение фактических критических точек относительно равновесных в сторону уменьшения температуры, это смещение отмечается буквой “r” (Ar1 – Ar3)

Нагрев при закалке производится для перевода всей исходной структуры или определенной ее части в аустенит, который является исходной фазой для получения конечной структуры закаленной стали.

Выдержка необходима для выравнивания температуры по сечению детали и для полного установления необходимого фазового состояния.

Охлаждение при закалке должно производиться со скоростью не меньше критической для того, чтобы предотвратить протекание диффузионных процессов и переохладить весь исходный аустенит до температурного интервала мартенситного превращения.

Критическая скорость охлаждения (закалки) – это минимальная скорость охлаждения, при которой предотвращается диффузионный распад переохлажденного аустенита.

Выбор технологических параметров закалки

Фактическая скорость печного нагрева определяется температурой, до которой нагрето печное пространство, и массой, помещенной в него детали.

Температура закалки определяется исходя из массовой доли углерода в стали и соответствующего ей значения критической точки. Практически критические точки выбирают по справочникам или по диаграмме состояния "железо - цементит".

Температура нагрева при закалке доэвтектоидных сталей определяется следующим образом:

tзак = Ас3+ (30 – 50), °С

Заэвтектоидные и эвтектоидную стали нагреваются при закалке до температуры:

tзак = Ас1+ (30 – 50), °С

Исходя из этого определяется положение оптимального интервала температур закалки углеродистых сталей на диаграмме состояния Fe – Fe3C (рис. 2).

Продолжительность нагрева и выдержки определяется размерами и конфигурацией деталей, и способом их укладки в печи. Она должна быть такой, чтобы прошло выравнивание концентрации углерода в аустените. Обычно общее время нагрева и изотермической выдержки составляет 1 - 1,5 мин на мм наибольшего поперечного сечения.

Охлаждение при закалке должно производиться в такой охлаждающей среде, которая обеспечивает скорость охлаждения не менее критической.

Закалочные напряжения складываются из термических и структурных напряжений. При закалке всегда возникает перепад температуры по сечению изделия. Разная величина термического сжатия наружных и внутренних слоев в период охлаждения обуславливает возникновение термических напряжений.

Рис. 2. Фрагмент диаграммы состояния Fe – Fe3C c нанесенным оптимальным интервалом температур закалки

Мартенситное превращение связано с увеличением объема на несколько процентов. Поверхностные слои раньше достигают мартенситной точки, чем сердцевина изделия. Мартенситное превращение и связанное с ним увеличение объема около 1%, происходит в разных точках сечения изделия не одновременно, что приводит к возникновению структурных напряжений.

Суммарные закалочные напряжения растут с увеличением температуры нагрева под закалку и с повышением скорости охлаждения, так как в обоих этих случаях увеличивается перепад температур по сечению изделия. Наиболее опасным в отношении закалочных напряжений является интервал температур ниже мартенситной точки (МH), так как в этом интервале возникают структурные напряжения и образуется хрупкая фаза мартенсит. Выше мартенситной точки возникают только термические напряжения, причем сталь находится в аустенитном состоянии, а аустенит пластичен. Охлаждающая способность наиболее распространенных закалочных сред увеличивается в следующей последовательности: минеральное масло,вода, водные растворы солей и щелочей.

Углеродистые стали обладают большой критической скоростью охлаждения (закалки) и поэтому для них, как правило, в качестве охлаждающей среды выбирают воду при нормальной температуре.

Закалочное охлаждение эвтектоидной и доэвтектоидных сталей происходит из однофазной аустенитной области, поэтому структура этих сталей после закалки будет представлять мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита.

Заэвтектоидные стали охлаждаются из двухфазной аустенито-цементитной области и структура этих сталей после закалки представляет собой мартенсит с небольшим количеством остаточного аустенита и цементит вторичный.

Отпуск стали

Термическая обработка, заключающаяся в нагреве закаленной, стали до температуры ниже точки АС1, называют отпуском. Структура закаленной стали – мартенсит и остаточный аустенит – является неравновесной. Переход в равновесное состояние при отпуске происходит путем распада мартенсита и остаточного аустенита. Распад идет по диффузионному механизму, поэтому скорость процесса обусловлена в основном температурой нагрева. В первую очередь начинает распадаться мартенсит – первое превращение при отпуске.

На первой стадии при температуре ниже 2000С в кристаллах мартенсита образуются карбиды. На их образование расходуется углерод только из участков мартенсита, непосредственно окружающих кристаллы выделившихся карбидов. Концентрация углерода в этих участках резко уменьшается, тогда как в удаленных от частиц участках сохраняется высокое содержание углерода. Таким образом, существуют два α-твердых раствора. Поэтому этот тип превращения называется двухфазным.

При таких низких температурах скорость диффузии очень мала, поэтому выделяются мелкодисперсные карбиды в форме пластинок толщиной в несколько атомных слоев и длиной несколько нм. Частицы такого ε-карбида (Fe2C) когерентны с решеткой α-раствора. КТР карбидов и α-раствора сильно различаются, поэтому между ними возникают сильные микроискажения кристаллических решеток обеих фаз.

Рис. 3. Схема возникновения искажений решетки при образовании
зародыша внутри кристаллика α-твердого раствора

Вторая стадия распада мартенсита протекает при температуре 200-3500С. На этой стадии продолжают выделяться карбиды из мартенсита, и он продолжает обедняться углеродом. При этих температурах отпуска скорость диффузии углерода возрастает. Кристаллы карбида укрупняются. Концентрация углерода в кристаллах мартенсита практически однородна. По кристаллографическому строению и составу образующиеся карбиды отличаются от цементита. Это ε-карбид (Fe2C), решетка которого когерентна решетке мартенсита. Он образуется потому, что возникновение критического зародыша этого карбида требует меньшей флуктуации энергии.

Частицы карбидов имеют такое же содержание легирующих элементов, как и мартенсит, поскольку диффузионные процессы при этих температурах исключены.

Этот отпуск называется низкотемпературным. Структура стали – отпушенный мартенсит, который отличается от мартенсита закалки меньшей концентрацией в нем углерода и включением дисперсных кристалликов ε-карбида, когерентно связанных с решеткой мартенсита.

Степень тетрагональности мартенсита при отпуске уменьшается и при 3500С становится равной 1. Количество углерода приближается к равновесному в α-твердом растворе, однако решетка еще осталась упруго искаженной и отличается повышенной плотностью дефектов. Распад мартенсита при отпуске сопровождается уменьшением объема.

Легирующие элементы оказывают незначительное влияние на распад мартенсита только при температурах ниже 2000С. При более высоких температурах Cr, Mo, W, V, Si и Ti сильно тормозят процессы распада мартенсита, образования и роста карбидных частиц.

Второе превращение при отпуске – превращение остаточного аустенита. Механизм распада близок механизму бейнитного превращения переохлажденного аустенита. В результате образуются обедненный углеродом мартенсит и карбиды. Большинство легирующих элементов увеличивает количество остаточного аустенита и повышает температурный интервал его распада при отпуске. В некоторых высоколегированных сталях (быстрорежущих) распад остаточного аустенита происходит после отпуска при температуре 500-6000С.

Третье превращение при отпуске – снятие внутренних напряжений и карбидное превращение. Происходит при температуре 350-4000С. Полностью завершается выделение углерода из α-твердого раствора: происходит нарушение когерентности и обособление решеток карбида и феррита, образуется цементит Fe2C→Fe3C.

Изменяются размеры и форма частиц карбидов – они приближаются к сферической, растут в размерах. Наряду с карбидными превращениями происходит изменение структуры – полигонизация α-фазы и релаксация макро- и микронапряжений, возникающих при закалке в процессе мартенситного превращения. После отпуска при 350-4000С образуется структура – троостит отпуска.

Повышение температуры отпуска до 5000С и выше в углеродистых и во многих низко- и среднелегированных сталях не вызывает изменения фазового состава. Меняется микроструктура: происходит коагуляция и сфероидизация карбидов. Это происходит за счет переноса атомов углерода в α-твердом растворе, растворения более мелких и роста крупных частиц. Структура стали после высокого отпуска – сорбит отпуска.

Отличие от структуры сорбита и троостита, образовавшихся при распаде аустенита – зернистое строение частиц карбидов отпуска. Образование зернистых структур улучшает многие свойства – прочность и пластичность повышаются при одинаковых значениях твердости. Легирующие элементы замедляют процесс каогуляции карбидов. Выделение из твердого раствора специальных карбидов называется дисперсионным упрочнением.

Влияние отпуска на механические свойства

Распад мартенсита при отпуске влияет на все свойства стали.

Некоторые легированные стали после отпуска при 250-400 и 500-5500С склонны к отпускной хрупкости – резкое снижение ударной вязкости. Отпускная хрупкость после отпуска при 25—4000С называется необратимой или I рода, присуща практически всем сталям. Повторный отпуск при той же температуре не улучшает вязкости. Устранить хрупкость этого вида удается нагревом до температуры свыше 4000С. При этом снижается твердость. Последующий нагрев при 250-4000С не снижает ударную вязкость. Излом стали в состоянии необратимой отпускной хрупкости – блестящий межкристаллитный.

Обратимая отпускная хрупкость или хрупкость II рода наблюдается после медленного охлаждения в печи или на воздухе от температур отпуска 500-5500С. Это явление характерно только для сталей определенной легированности: хром, никель, марганец, фосфор, кремний. Такая хрупкостьтсвязана с диффузией растворенных атомов фосфора и кремния к границе зерна, при этом избыточные фазы не выделяются, снижается работа образования межзеренных трещин, что приводит к развитию отпускной хрупкости. Хром, никель и марганец способствуют диффузионному перераспределению фосфора и кремния к границам зерен, а молибден и вольфрам, наоборот, снижают. Поэтому для уменьшения склонности стали к отпускной хрупкости II рода следует дополнительно легировать ее молибденом и вольфрамом.

Обратимая отпускная хрупкость не наблюдается при быстром охлаждении от температуры отпуска. Поэтому она может быть устранена повторным нагревом до температур 600-6500С и быстрым охлаждением. Она может быть вызвана вновь дополнительным отпуском определенной длительности при 500-5500С. Отсюда и ее название – обратимая.

Термическое старение углеродистой стали. Изменение свойств стали, протекающее во времени без заметного изменения микроструктуры. Характерно, главным образом, для малоуглеродистых сталей. Протекает в результате изменения растворимости углерода и азота в феррите в зависимости от температуры. После ускоренного охлаждения от 650-7000С (например, при сварке, охлаждении тонкого листа после прокатки и т.д.) в низкоуглеродистой стали задерживается выделение третичного цементита и при нормальной температуре фиксируется пересыщенный α-твердый раствор (феррит). При последующей выдержке стали при комнатной температуре (естественное старение) или при небольшом нагреве (до 50-1500С – искусственное старение) происходит образование атмосфер Коттрелла или распад твердого раствора с выделением третичного цементита (ε-карбида) в виде дисперсных частиц. Из твердого раствора при старении могут выделяться частички нитрида Fe16N2 или Fe4N.

В сталях с более высоким содержанием углерода не происходит образование третичного цементита.

Деформационное (механическое) старение – процесс, протекающий после пластической деформации, если она проходит при температуре ниже температуры рекристаллизации, особенно при комнатной температуре (200). При комнатной температуре оно может развиваться в течение нескольких суток, а при температурах 200-3500С в течение нескольких минут.

Основное упрочнение связано с образованием атмосфер Коттрелла из атомов углерода и азота вокруг скопления дислокаций, что затрудняет движение дислокаций. При нагреве такой деформированной стали возможно образование частиц карбидов и метастабильной нитридной фазы Fe16N2 или стабильного нитрида Fe4N.

В сталях возможно одновременное протекание термического и деформационного старения (термодеформационное). Старение отрицательно сказывается на эксплуатационной долговечности деталей и конструкций: в строительных и мостовых сталях при гибке, монтаже и сварке, при низких атмосферных температурах и т.п.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1.Что такое закалка?

2.Как изменяются механические свойства в результате закалки?

3.Равновесные критические точки, их смысл и обозначение.

4.Обозначение и отличие фактических критических точек от равновесных.

5. Назначение нагрева, выдержки и охлаждения при закалке.

6. Что такое критическая скорость закалки?

7. От чего зависит и как практически определяется общее время выдержки при закалке?

8. Структура доэвтектоидной закаленной стали.

9. Структура заэвтектоидной закаленной стали.

10. Что такое мартенсит?

11. От чего зависят свойства мартенсита?

12. Основная структурная составляющая закаленной стали.

13. Влияние массовой доли углерода на закаливаемость стали.

14. В чем сущность мартенситного превращения?

15. Почему размер аустенитных зерен влияет на размер пластин мартенсита?

16. Каковы условия получения крупноигольчатого и мелкоигольчатого мартенсита?

17. Чем отличается мартенситное превращение от перлитного?

18. Чем вызывается образование закалочных напряжении?

19. До каких температур нагревают до- и заэвтектоидные стали под закалку?

20. Что называют отпуском сталей?

21.Что является структурой закаленных сталей?

22. По какому механизму идет процесс распада мартенсита?

23. Что образуется и при каких температурах проходит процесс первой стадии распада мартенсита, как называется этот тип превращения?

24. Опишите вторую стадию распада мартенсита и как он называется?

25. Как и при каких температурах происходит второе превращение при отпуске?

26. Как и при каких температурах происходит третье превращение при отпуске?

27. Как влияет отпуск на механические свойства стали? Что происходит с ударной вязкостью, отпускной хрупкостью, твердостью, обратимой хрупкостью, хрупкостью II рода, обратимой отпускной хрупкостью?

28. Как происходит процесс термического старения углеродистой стали?

29. Как происходит процесс деформационного (механического) старения стали?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №5.

Химико-термическая обработка легированной стали.

Цель работы:

1. Ознакомление с основными положениями теории химико-термической обработки; изучение технологических процессов важнейших видов химико-термической обработки и структуры слоев стали после ХТО.

Этапы выполнения практического занятия №5:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Исследовать технологические процессы по насыщению поверхностного

слоя;

4. Выписать в таблицу 1 и дать характеристику видов химико-термической обработки сталей;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Химико-термической обработкой (ХТО) называют технологические процессы, приводящие к диффузионному насыщению поверхностного слоя деталей различными элементами. ХТО применяют для повышения твердости, износостойкости, сопротивления усталости и контактной выносливости, а также для защиты от электрохимической и газовой коррозии. При ХТО деталь помещают в среду, богатую насыщающим элементом. При ХТО происходят три элементарных процесса: диссоциация, абсорбция и диффузия. Диссоциация протекает в газовой среде и состоит в распаде молекул и образовании активных атомов диффундирующего элемента. Степень распада молекул газа называется степенью диссоциации. Абсорбция происходит на границе «газ–металл» и заключается в поглощении поверхностью металла насыщающего элемента. Под диффузией понимают проникновение элемента вглубь насыщаемого металла. В результате ХТО образуется диффузионный слой.

Наибольшая концентрация насыщаемого элемента наблюдается на поверхности изделия, по мере удаления от поверхности она снижается. Фазовые и структурные изменения, происходящие при ХТО в диффузионном слое, и его строение определяются изотермическим разрезом диаграммы состояния «обрабатываемый металл – насыщающий элемент» при температуре диффузионного насыщения.

Предположим, что системе «обрабатываемый металл А – насыщающий элемент В» соответствует диаграмма состояния, а насыщение происходит при температуре t1. Если процессы диссоциации, абсорбции и диффузии протекают активно и времени насыщения достаточно, то на поверхности образуется слой твердого раствора А и В переменной концентрации. Под ним будет находиться слой твердого раствора А и В в химическом соединении АnВm переменной концентрации и далее твердый раствор В и А, убывающий от предела насыщения до нуля. На границах раздела слоев концентрация изменяется скачкообразно в соответствии с диаграммой состояния системы. Распределение насыщающего элемента по толщине диффузионного слоя и его строение приведены на рисунке 1. Двухфазные области в диффузионном слое в процессе ХТО не образуются. Однако эти области возникают при медленном охлаждении от температуры диффузионного насыщения в сплавах, испытывающих вторичную кристаллизацию. Наиболее распространенными видами химико-термической обработки являются цементация, азотирование, цианирование (нитроцементация), борирование, хромирование.

Рис.1. Диаграмма состояния распределения насыщающего элемента

Цементация стали

Технологический процесс диффузионного насыщения углеродом называется цементацией. Цель цементации – получить детали машин и механизмов с твердой и износоустойчивой поверхностью при сохранении вязкой, хорошо выдерживающей динамические нагрузки сердцевины. Цементированные изделия предназначены для работы при знакопеременных нагрузках и в условиях трения и износа. Цементации подвергают зубчатые колеса, валы, оси, распределительные валики, кулачки, червяки, изготовленные, как правило, из малоуглеродистой стали с содержанием углерода не более 0,3 %. Цементация проводится путем нагрева и длительной выдержки деталей в науглероживающей среде при температуре аустенитного состояния стали (900–950 оС). Цементацию наиболее часто осуществляют в газовой среде или в твердом карбюризаторе. При газовой цементации образование атомарного углерода происходит в результате диссоциации предельных углеводородов

СnH2n+2  nC + (n+1)H2.

При цементации в твердом карбюризаторе атомарный углерод образуется в результате диссоциации оксида углерода.

2CO  CO2 + C.

Содержание углерода в поверхностной зоне определяется пределом его растворимости в аустените при температуре цементации (линия SE диаграммы «железо–цементит»). Обычно цементацию проводят таким образом, чтобы содержание углерода в поверхностной зоне диффундирующего слоя не превышало 1,2 %. По мере удаления от поверхности в глубину изделия содержание углерода постепенно снижается, доходя до исходного состояния в цементируемой стали. После медленного охлаждения от температуры цементации поверхностная зона имеет структуру заэвтектоидной стали и состоит из перлита и карбидов (цементита). Это, так называемая заэвтектоидная зона. Далее следует эвтектоидная зона, представляющая собой перлит. Содержание углерода в эвтектоидной зоне углеродистых сталей около 0,8 %. Под эвтектоидной находится доэвтектоидная зона со структурой перлита и феррита.

Рис. 3. Микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой цементации

После цементации изделия подвергаются неполной закалке с последующим низким отпуском. В результате термической обработки высокоуглеродистая поверхностная зона приобретает структуру отпущенного мартенсита с включением карбидов (цементита). Твердость ее достигает значения HRC 62.

После термической обработки твердость сердцевины определяется химическим составом стали и находится в пределах HRC 15–35. В зависимости от упрочнения сердцевины, цементируемые стали делятся на три группы: углеродистые стали с неупрочняемой сердцевиной, низколегированные стали со слабо упрочняемой сердцевиной, высоколегированные стали с упрочняемой сердцевиной. К первой группе относятся стали 10, 15, 20. В этом случае даже после закалки в воде сердцевина имеет феррито-перлитную структуру. При закалке в масле сердцевина низколегированных сталей второй группы к которым относятся 15Х, 20Х,15ХР,20ХН, претерпевает бейнитное превращение и заметно упрочняется. В сердцевине высоколегированных цементируемых сталях 20ХГР, 20ХНР, 18ХГТ, 30ХГТ, 12ХНЗ, 12Х2Н4, 18Х2Н4В после охлаждения в масле и далее на воздухе образуется структура нижнего бейнита или мартенсита, что приводит к весьма интенсивному упрочнению.

Азотированием называется процесс поверхностного насыщения стали азотом. Оно применяется в целях повышения твердости, износостойкости и предела усталости, а также коррозионной стойкости деталей машин. Процесс азотирования проводится при 480–650 оС в течение 1–90 ч в среде газообразного аммиака, диссоциирующего по реакции.

2NH3  2N + 3H2.

Образовавшийся атомарный азот адсорбируется поверхностью и диффундирует в металл. Изменения микроструктуры поверхностной зоны (рисунок 4, б), происходящие при азотировании, можно представить на основании диаграммы «железо–азот» (рисунок 4, а). В этой системе возможно образование следующих фаз:  – азотистый феррит;  – азотистый аустенит;  – нитрид Fe4N;  – нитрид Fe3N. Со многими легирующими элементами азот также образует химические соединения – нитриды (CrN, Cr2N, MnN, TiN, MoN, AlN, и др.)

Рис. 4. Диаграмма системы Fe–N (а) и микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой азотированию (б)

При температуре азотирования железа ниже эвтектоидной (591 оС) азотированный слой состоит из трех последовательно расположенных друг за другом фаз:  (Fe3N),  ( Fe4N) и  (Feα(N)). В процессе медленного охлаждения с этих температур -фаза при 591 оС испытывает эвтектоидное превращение на  и , а при быстром охлаждении претерпевает мартенситное превращение.

В отличие от железа наличие углерода в стали приводит к образованию на поверхности диффузионного слоя карбонитридных фаз типа Fe3(C, N).

При азотировании легированных сталей наряду с вышеперечисленными фазами – , , , , одновременно образуются нитриды легирующих элементов. Для повышения твердости и износоустойчивости процессу азотирования подвергают специальные стали, получившие название нитраллои. Они содержат алюминий, хром, молибден, которые образуют стойкие против коагуляции и роста нитриды. Наиболее часто азотированию подвергают стали 35ХМЮА, 38ХМЮА, 38Х2МЮА,35ХМА. Азотирование проводится при 500–520 оС. В процессе охлаждения нитраллоев от температуры азотирования до комнатной, вследствие уменьшения растворимости легирующих элементов, в -зоне происходит образование очень дисперсных спецнитридов CrN, MoN, AlN. Эти дисперсные частицы препятствуют движению дислокаций и, тем самым, повышают твердость азотированного слоя до 1000 HV.

Твердость обычных конструкционных сталей после азотирования невысока. Для повышения усталостной прочности азотируют обычные конструкционные хромоникелевые стали.

С целью повышения коррозионной стойкости азотированию могут подвергаться любые стали. Процесс проводится при 600–700 оС в течение 0,5–1,0 ч. Коррозионная стойкость повышается в результате образования на поверхности изделия сплошной зоны из -фазы.

Азотирование является окончательной обработкой. Термическая обработка – улучшение, заключающаяся в закалке и высоком отпуске, предшествует азотированию. Азотированию подвергают такие детали, как гильзы гидроцилиндров и коленчатые валы дизелей, валы, шпиндели, ходовые винты и трубчатые изделия в станкостроении, зубчатые колеса.

Цианированием называется процесс одновременного насыщения поверхности деталей углеродом и азотом. Различают высокотемпературное и низкотемпературное цианирование.

Высокотемпературное цианирование проводят при 800–900 оС. Цель его повысить твердость, износостойкость и усталостную прочность деталей машин из малоуглеродистых и среднеуглеродистых простых и легированных сталей. После высокотемпературного цианирования следует закалка и низкий отпуск.

Низкотемпературное цианирование проводят при 540–580 оС и применяют в основном для повышения стойкости окончательно термически обработанного инструмента из быстрорежущей стали.

Процесс цианирования осуществляется в жидких и газообразных средах. Жидкое цианирование осуществляется в ваннах в смеси расплавленных цианистых солей типа NaCN, KCN с нейтральными солями типа NaCl, BaCl2, BaCO3. Недостатками процесса жидкостного цианирования являются большая ядовитость цианистых солей и высокая их стоимость.

Газовое цианирование называют нитроцементацией. Этот процесс осуществляют в смеси науглероживающих и азотирующих газов. В качестве науглероживающего может быть любой газ, применяемый при газовой цементации. Азотирующим газом является аммиак. Структура цианированного слоя определяется количеством углерода и азота, находящихся в нем. На состав и свойства цианированного слоя особое влияние оказывает температура цианирования. Повышение ее увеличивает содержание углерода в слое, снижение – увеличивает содержание азота.

После цианирования на поверхности возникает тонкий карбонитридный слой Fe3(C, N), который часто металлографически не обнаруживается. Под ним лежит слой азотистого феррита. После закалки и низкого отпуска цианированный слой представляет собой карбонитридный мартенсит с включениями карбонитридных фаз.

В настоящее время высокотемпературное газовое цианирование (нитроцементация) широко внедряется вместо газовой цементации. Высокотемпературное цианирование проводят при более низких температурах, не вызывающих рост зерна как, например, при газовой цементации. Кроме этого цианированные изделия по твердости и износостойкости превосходят цементированные. Это объясняется наличием в диффузионном слое не только углерода, но и азота.

Борирование – это диффузионное насыщение поверхностного слоя бором. Процесс проводится с целью повышения поверхностной твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости. Наиболее перспективны для промышленного использования борирования в порошкообразных смесях, в расплавах солей и газовое борирование.

Твердое борирование проводят в порошковых смесях на основе технического карбида бора (B4C) или в металлотермических смесях, основу которых составляют оксид бора (B2O3) и алюминий. Борирование из обмазок целесообразно применять при необходимости упрочнения крупногабаритных изделий или для местного борирования отдельных участков деталей. Поставщиками бора при насыщении из обмазок являются карбид бора или оксид бора. На поверхность обрабатываемого изделия обмазки наносят кистью. Наиболее часто применяются обмазки, состоящие из двух слоев – активного и защитного. Защитный слой предохраняет активный от окисления в процессе борирования в кислородосодержащей атмосфере.

Борирование в расплавах солей и окислов делится на электролизное и безэлектролизное. Электролизное борирование проводят в расплаве буры (Na2B4O7). Обрабатываемая деталь является катодом. Безэлектролизное борирование осуществляют в расплавах боросодержащих веществ (В, В4C и др.) и нейтральных солей.

Газовое борирование проводят в среде, полученной разложением газообразных соединений бора. Наиболее часто применяется диборан (В2Н6) и треххлористый бор (BCl3), которые разбавляют газами, не содержащими бор (Н2, Ar, N2).

Борирование сталей проводят при температурах 800–1050 oС в течение 2–10 ч. Борированный слой состоит из двух зон: зоны боридов и переходной зоны (рисунок 5, а). Зона боридов имеет характерное игольчатое строение и представляет собой химические соединения бора и железа. При жидкостном борировании зона имеет однофазное строение и состоит из фазы Fe2B, во всех остальных случаях состоит из двух фаз – FeB и Fe2B. Углерод резко снижает содержание борида FeB в слое, а легирующие элементы за исключением алюминия к меди – увеличивают. Легирующие элементы в сталях собственных боридов не образуют, а легируют бориды железа.

Под зоной боридов располагается переходная зона, отличающаяся по своей структуре от сердцевины. Она представляет собой твердый раствор бора, а также углерода и легирующих элементов в железе. Толщина переходной зоны определяется глубиной проникновения бора. Легирующие элементы уменьшают толщину переходной зоны.

Средне-, тяжелонагруженные детали после борирования подвергаются закалке и отпуску.

Борирование используют для упрочнения различных деталей машин, технологической оснастки и инструмента, работающих в условиях интенсивного износа.

Хромирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностных деталей хромом. Хромирование железа и сталей с содержанием углерода менее 0,2 % проводят с целью повышения коррозионной стойкости в различных агрессивных средах и жаростойкости. Стали с содержанием углерода более 0,3 % подвергают хромированию прежде всего для повышения твердости и износостойкости, а также коррозионной стойкости и жаростойкости.

Хромирование осуществляют в порошковых смесях, в газовой и жидкой средах. Порошковая смесь для хромирования состоит из поставщика хрома, в качестве которого используют порошки хрома, феррохрома, оксиды хрома и веществ, предотвращающих спекание хромосодержащих частиц и прилипание их к поверхности изделий. При хромировании в газовой среде также, как и при насыщении в порошковых смесях источником активных атомов хрома служат галлогениды хрома, находящиеся в газообразном состоянии.

Жидкой средой при хромировании являются расплавы солей хлоридов хрома (CrCl2 и CrCl3), а также соли-стабилизатора, в качестве которой используют одно из следующих соединений BaCl2, CaCl2, MgCl2.

Диффузионное превращение хромом проводится при температурах 900–1200 оС в течение 4–10 ч.

При хромировании железа и стали с содержанием углерода менее 0,2 % образующийся диффузионный слой представляет собой твердый раствор хрома в -железе. Содержание хрома на поверхности слоя достигает 70 %. Толщина слоя не превышает 0,2 мм. Диффузионный слой сталей, содержащих более 0,3 % углерода, состоит из трех зон: карбидной, промежуточной и обезуглероженной. С увеличением углерода до 0,8 % толщина карбидной и промежуточной зон возрастает. Карбидная зона представляет собой сплошной слой карбидов хрома (Cr23C6, Cr7C3) толщиной до 0,02 мм. Промежуточная зона имеет перлитное строение и состоит из феррита и карбидов хрома. Содержание углерода в обезуглероженной зоне ниже, чем в сердцевине. Микроструктура стали У8 после хромирования представлена на рисунке 15.5, б. При необходимости, после хромирования средне- и тяжелонагруженные детали подвергают закалке с последующим отпуском. Хромирование применяется для повышения стойкости штампового инструмента, пресс-форм литья под давлением алюминиевых сплавов, различных деталей двигателей и газовых турбин, работающих при высоких температурах, фильтров нефтяных скважин, деталей насосов и турбобуров, крепежных деталей.

Рис. 5. Микроструктура поверхностной области стали, подвергнутой борированию (а) и хромированию (б)

Таблица 1

Виды химико-термической обработки	Характеристика видов ХТО	Температура

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Дать определение химико-термической обработки (ХТО).

2. Где применяют ХТО?

3. При каких процессах происходит ХТО?

4. Из чего состоит диссоциация?

5. В чем заключается и как происходит абсорбция?

6. Дать определение диффузии.

7. Запишите виды ХТО.

8. Что называется цементацией, опишите ее цель, предназначение и каким путем проводят?

9. Что называется азотированием, опишите ее виды, предназначение и каким путем проводят?

10. Что называется цианированием, опишите ее виды, предназначение и каким путем проводят?

11. Что называется борированием, опишите ее виды, предназначение и каким путем проводят?

12. Что называется хромированием, опишите ее виды, предназначение и каким путем проводят?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №6.

Изучение микроструктур цветных металлов и сплавов на их основе.

Цель работы:

1. Получить практический навык микроанализа основных групп медных сплавов – латуней и бронз;

2. Изучить их микроструктуру, свойства, маркировку и область применения.

Этапы выполнения практического занятия №6:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Исследовать микроструктуру цветных металлов и сплавов;

4. Начертить диаграммы состояния меди, бронзы и латуни;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Медь

Медь – это пластичный металл светло-розового цвета, плавится при 1083°С, имеет плотность 8,96 г/см3 обладает гранецентрированной кубической решеткой. Отличительная особенность меди – ее малое электросопротивление, высокая теплопроводность, хорошая коррозионная стойкость во многих естественных средах (атмосфера, земля, морская и пресная вода). Последнее свойство объясняется как химической стойкостью самой меди (по электрохимическому потенциалу медь положительнее водорода), так и устойчивостью образующихся продуктов коррозии.

Предел прочности меди в отожженном состоянии составляет b =250 МПа, относительное удлинение 50 %, относительное сужение 75 %. Для упрочнения меди используется наклеп. Путем наклепа можно довести b до 450 МПа, но при этом пластичность понижается.

Примеси оказывают существенное влияние на механические, технологические и физические свойства меди. Растворимые примеси (Al, Sn, Zn и др.) повышают механические свойства, но значительно снижают электро - и теплопроводность. Нерастворимые примеси (РЬ, Вi) образуют легкоплавкие эвтектики, которые затрудняют горячую обработку давлением из-за горячеломкости. Примеси (S, О) образуют тугоплавкие эвтектики, которые располагаются по границам зерен, что приводит к появлению хрупкости меди. Микроструктура литой меди полиэдрическая, зернистая (рис. 1a). Микроструктура холоднодеформированной меди, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу, такая же, но с наличием двойников (рис. 1б).

Химический состав меди и свойства нормированы ГОСТом 859-78. Медь поставляют в мягком (отожженном) и твердом состоянии. Она применяется для изготовления сплавов на медной основе, токопроводящих деталей, фольги и т.п.

Рис. 1. Микроструктура меди (справа - схематическое изображение):

а) литая; б) холоднодеформированная, после рекристаллизационного отжига.

Рис. 2а. Диаграмма состояния медь-цинк.

Рис. 2б. График изменения механических свойств латуней,

в зависимости от содержания цинка: δ - относительной удлинение;
σb- предел прочности.

Латуни

Латуни представляют собой двойные или многокомпонентные медные сплавы, в которых цинк является основным легирующим компонентом. Цинк способен растворяться в меди в твердом состоянии до 39 % (рис. 2а).

Твердый раствор Zn в Си имеет кристаллическую решетку меди и называется  -фазой. При содержании цинка, превышающем 39 %, наряду с  -фазой образуется  -фаза, представляющая собой твердый раствор на базе химического соединения.

Количество  -фазы зависит от того, насколько содержание цинка превышает его предел растворимости в меди (39 %). Поэтому латуни, содержащие цинк до 39 %, имеют структуру, состоящую из зерен  -фазы и называются однофазными. Латуни с содержанием цинка более, 39 %, но менее 46 % имеют структуру, состоящую из зерен, а и  -фазы и относятся к двухфазным.

Микроструктура литой однофазной латуни имеет дендритное строение (рис. 3а). Эта же латунь после холодной обработки давлением и рекристаллизационного отжига, имеет зернистую структуру с наличием двойников (рис. 3б).

Рис. 3. Микроструктура однофазной латуни

(справа - схематическое изображение):

а) литая; б) деформированная и отожженная.

Микроструктура литой двухфазной  +  - латуни состоит из светлых зерен  -фазы и темных зерен  -фазы. В деформированной и отожженной  +  –латуни на зернах  -фазы имеются ее двойники (рис. 4).

Таким образом, латуни, содержащие от 39 до 46 %Zn, имеют двухфазную структуру  +  и обладают низкой пластичностью, поэтому они хорошо обрабатываются давлением лишь в горячем состоянии, в отличие от  -латуни, которая хорошо обрабатывается в холодном состоянии.

По технологическому признаку латуни подразделяют на литейные и обрабатываемые давлением. Физические и механические свойствалатуней, обрабатываемых давлением, нормируются ГОСТом 15527-70. Двойные латуни маркируются буквой Л и числом, характеризующим среднее содержание меди в сплаве.

Для повышения прочности, коррозионной стойкости и некоторых специальных свойств разработаны специальные многокомпонентные латуни. Состав сложных латуней отражается в ее марке, где большие буквы А, H, Мц, К, О, Ж обозначают соответственно алюминий, никель, марганец, кремний, олово, железо, а цифры, следующие после содержания меди, показывают процентное содержание данного металла в сплаве. Олово существенно снижает обесцинкование латуней при работе в пресной и морской воде, поэтому оловянные латуни иногда называют "морскими" (ЛО90-1, ЛО62-1).

Рис. 4. Микроструктура двухфазной латуни

(справа – схематическое изображение):

а) литая; б) после деформации и отжига

Марганец улучшает стойкость латуней в морской атмосфере(ЛМц58-2). Кремний резко упрочняет латуни, также повышает коррозионную стойкость (ЛК80-3). Более сложные по составу латуни содержат совместно алюминий (до 2 %), железо, никель, марганец, кремний (по 1–3 %). Отличительная особенность этих сплавов еще более высокая прочность и стойкость в различных средах. К этой группе сплавов относится латунь ЛЖМц59-1-1.

Для улучшения обработки резанием (точение, сверление и пр.) в некоторые двойные латуни вводят свинец (ЛС59-1). Он не растворяется в меди и в структуре распределен в виде отдельных включений. При обработке резанием латуни, в структуре которой имеются мелкие равномерно распределенные включения свинца, получается сыпучая, а не витая стружка. Это не только облегчает процесс обработки резанием, но и позволяет получать чистую без заусенцев отработанную поверхность.

Они широко применяются в судостроении в качестве антифрикционных материалов и для деталей судовой арматуры. Литейные латуни нормируются по ГОСТ 17711-93, они содержат те же элементы, что и латуни, обрабатываемые давлением, от последних литейные латуни отличает, как правило, большее легирование цинком и другими металлами. Вследствие малого интервала кристаллизации литейные латуни обладают хорошими литейными характеристиками. В марке литейной латуни указывается содержание цинка. Например: ЛЦ40С – литейная латунь, содержащая 40 %Zn и 1 %Pb.

Бронзы

Бронзами называют сплавы меди, в которых цинк и никель не являются основными легирующими элементами.

Название бронзам дают по названию основного легирующего элемента, например, оловянная, алюминиевая и т.п. Отдельные бронзы в качестве легирующего компонента содержат цинк, но он не является основным. Но фазовому составу бронзы делят на однофазные и двухфазные. Однофазные бронзы состоят из зерен твердого раствора легирующих элементов в меди, называемого  - фазой. По технологическому признаку бронзы, как и латуни, делят на 2 группы: литейные и деформируемые. Литая однофазная бронза имеет структуру неоднородного твердого раствора, т.е. дендритную структуру. Дендриты любого сплава всегда обогащены более тугоплавким компонентом, а междендритные объемы – более легкоплавким. Схемы микроструктуры, литой и деформированной однофазных бронз аналогичны соответствующим схемам латуни (рис. 3). В двухфазных бронзах наряду с  -фазой присутствуют кристаллы более твердого химического соединения той или иной природы, которые могут присутствовать в структуре либо в виде отдельных кристаллов, либо являться составной частью эвтектоида. Например, микроструктура литой двухфазной бронзы БрА10 состоит из следующих структурных составляющих – светлых участков  -фазы (это твердый раствор алюминия в меди) и темных участков эвтектоидной смеси  -фазы и химического соединения (рис. 5).

Рис. 5. Микроструктура литой двухфазной бронзы

(справа – схематическое изображение)

Оловянные бронзы – это сплавы меди с оловом, которые могут содержать, добавки фосфора, свинца, цинка, никеля и других легирующих элементов. Обладая достаточной прочностью, они имеют высокую коррозионную стойкость (особенно в морской воде), хорошие антифрикционные свойства низкий коэффициент трения, высокое сопротивление износу. Небольшие добавки фосфора (0,1–0,4%) в оловянные бронзы вводят с целью их раскисления. Добавки цинка улучшают литейные свойства (вследствие уменьшения интервала кристаллизации), а добавки свинца –антифрикционные свойства.

Алюминиевые бронзы содержат обычно добавки марганца, железа, никеля, свинца. Марганец улучшает коррозионную стойкость, никель и железо прочностные свойства, свинец – антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием алюминиевых бронз.

Помимо оловянных и алюминиевых бронз в судовых механизмах применяются кремнистые и бериллиевые бронзы. Последние близки к алюминиевым бронзам по значению свойств и технологическим характеристикам. Большинство литейных оловянных бронз применяется для изготовления ответственных отливок. Отливки из алюминиевых бронз обычно получают литьем в кокиль или песчаные формы.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1.Чем объясняется хорошая коррозионная стойкость меди в естественных средах?

2. Каким образом упрочняют медь?

3. Сопоставьте свойства меди в наклепанном и отожженном состоянии.

4. Какие примеси практически не растворяются в меди?

5. Есть ли отличие в микроструктуре, литой и деформированной, подвергнутой последующему рекристаллизационному отжигу меди?

6. Медь какой марки (МО или М4) имеет больше примесей?

7. Что такое латунь?

8. Как влияет цинк на свойства однофазных латуней?

9. Какие латуни называются однофазными?

10.Чем отличаются технологические свойства однофазных и двухфазных латуней?

11. В каком состоянии латунь или бронза имеет дендритное строение?

12. Как маркируют деформируемые латуни?

13. Как маркируют литейные латуни?

14. Какие латуни относят к многокомпонентным, специальным?

15. Какие латуни называют "морскими"?

16. Что такое бронза?

17. Дайте характеристику свойств оловянных бронз.

18. Есть ли отличие в маркировке литейных и деформируемых бронз?

19. Как классифицируют бронзы по фазовому составу?

20. Как классифицируют бронзы по химическому составу?

21. Как классифицируют бронзы по технологическому признаку?

22. Где применяется бронза?

23. Где применяются латуни?

24. Какой сплав используется для изготовления гребных винтов?

25. Какой сплав прочнее (Л90 и Л80)?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №7.

Определение строения и свойств композитных материалов

Цель работы:

1. Ознакомиться с методами получения, применения и обработки композиционных материалов.

Этапы выполнения практического занятия №7:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Исследовать микроструктуру цветных металлов и сплавов;

4. Начертить диаграммы состояния меди, бронзы и латуни;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Принципы создания и основные типы композиционных материалов

Композиционные материалы обладают комплексом свойств, отличающихся от традиционных конструкционных материалов, что и предопределило их успешное применение для совершенствования современных и разработки принципиально новых конструкций, Композиционными называют материалы, состоящие из двух компонентов и более, объединенных различными способами в монолит и сохраняющими при этом индивидуальные особенности.

Для композиционных материалов характерна следующая совокупность признаков:

- состав, форма и распределение компонентов материала определены заранее;

- материалы состоят из двух и более компонентов различного химического состава, разделенных в материале границей;

- свойства материала определяются каждым из его компонентов, содержание которых в материале достаточно большое;

- материал обладает свойствами, отличными от свойств компонентов, взятых в отдельности;

- материал однороден в макромасштабе и неоднороден в микромасштабе;

- материал не встречается в природе, а является созданием человека.

Компоненты композиционного материала различны по геометрическому признаку. Компонент, который обладает непрерывностью по всему объему, является матрицей. Компонент же прерывный, разделенный в объеме композиционного материала, считается армирующим или упрочняющим.

В качестве матриц в композиционных материалах могут быть использованы металлы и их сплавы, а также полимеры органические и неорганические, керамические, углеродные и другие материалы. Свойства матрицы определяют технологические параметры процесса получения композиции и ее эксплуатационные характеристики: плотность, удельную прочность, рабочую температуру, сопротивление усталостному разрушению и воздействию агрессивных сред.

Армирующие или упрочняющие компоненты равномерно распределены в матрице. Они, как правило, обладают высокой прочностью, твердостью и модулем упругости и по этим показателям значительно превосходят матрицу. Более широким понятием, чем армирующий или упрочняющий компонент, является термин «наполнитель», поскольку наполнитель в матрице помимо изменения прочности оказывает влияние и на другие характеристики композиции.

Композиционные материалы классифицируют по геометрии наполнителя, расположению его в матрице и природе компонентов.

По геометрии наполнителя композиционные материалы подразделяют на три группы:

- с нуль-мерными наполнителями, размеры которых в трех измерениях имеют один и тот же порядок;

- с одномерными наполнителями, один из размеров которых значительно превосходит два других;

- с двухмерными наполнителями, размеры которых значительно превосходят третий.

По схеме расположения наполнителей выделяют три группы композиционных материалов:

- с одноосным (линейным) расположением наполнителя в виде волокон, нитей, нитевидных кристаллов в матрице параллельно друг другу;

- с двухосным (плоскостным) расположением армирующего наполнителя в виде волокон, матов из нитевидных кристаллов, фольги в матрице в параллельных плоскостях;

- с трехосным (объемным) расположением армирующего наполнителя и отсутствием преимущественного направления в его распределении.

По природе компонентов композиционные материалы разделяются на четыре группы:

- композиционные материалы, содержащие компонент из металлов или сплавов;

- композиционные материалы, содержащие компонент из неорганических соединений оксидов, карбидов, нитридов и др.;

- композиционные материалы, содержащие компонент из неметаллических элементов, углерода, бора и др.;

- композиционные материалы, содержащие компонент из органических соединений (эпоксидные, полиэфирные, фенольные и другие смолы).

Кроме метода порошковой металлургии существуют и другие технологии получения дисперсионно-упрочненных композиционных материалов. Например, вводят частицы армирующего порошка в жидкий расплав металла или сплава. Улучшения смачивания частиц жидким металлом и равномерного распределения их в матрице достигают в этом случае ультразвуковой обработкой расплава или другими способами. Равномерное распределение упрочняющей фазы по объему композиции чаще все же достигается применением твердофазных методов.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей

Промышленное применение нашли композиционные материалы на основе алюминия, упрочненные частицами А12О3. Их получают методами порошковой металлургии прессования алюминиевой пудры с последующим спеканием (САП). Частицы пудры имеют форму чешуек толщиной = 1 мкм. Размеры частиц по длине и ширине мало отличаются друг от друга. Оксидная пленка на поверхности частиц имеет толщину 0,01—0,1 мкм. Уменьшение размеров частиц пудры увеличивает их общую поверхность и содержание оксидов алюминия

Физические свойства САП — электропроводимость, теплопроводимость и коэффициент термического расширения — связаны линейной зависимостью с содержанием А1203 и их значения уменьшаются по мере его повышения. Тем не менее электропроводность и теплопроводимость сплава САП-3 выше, чем у стандартных алюминиевых сплавов (Д19, Д20), и составляет 70—75% от соответствующих значений технического алюминия.

Из САП выпускают полуфабрикаты в виде листов, профилей, труб, фольги. Детали из САП работают при 300—500°С и чаще это лопатки компрессоров, лопатки вентиляторов и турбин, поршневые штоки. Листы из САП используют для изготовления деталей обшивок гондол и жалюзи, работающих в зоне выхлопа силовых установок.

Композиционные материалы с никелевой матрицей

Упрочняющим компонентом в композиционных материалах с никелевой матрицей являются токсичные частицы диоксида тория (Th02) или диоксида гафния (НfО2). Эти материалы обозначаются ВДУ-1 и ВДУ-2 соответственно. В сплаве ВДУ-3 матрицей служит никелево-хромовый твердый раствор (20% хрома), а упрочнителем — диоксид гафния. Оксиды гафния и тория обнаруживают высокие значения микротвердости и прочности при сжатии (табл. 3), а также максимальную стабильность в матрице. Объемное содержание упрочняющей дисперсной фазы оксидов тория и гафния находится в пределах 2-3%.

Композиционные материалы ВДУ-1 и ВДУ-2 пластичны, и полуфабрикаты этих сплавов деформируются в широком интервале температур различными методами (ковка, штамповка, осадка, глубокая вытяжка и др.). Для соединения деталей из сплавов типа ВДУ применяют высокотемпературную пайку либо диффузионную сварку с тем, чтобы избежать расплавления. В зоне расплавления происходит агломерация частиц упрочняющей фазы и, как следствие, потеря сплавами жаропрочности.

Сплавы ВДУ-2, ВДУ-3 выпускают в виде труб, прутков, листов, проволоки, фольги. Их применяют главным образом в авиационном двигателестроении. Из композиций ВДУ-2 и ВДУ-3 изготавливают сопловые лопатки, стабилизаторы пламени, камеры сгорания, а также трубопроводы и сосуды, работающие при высоких температурах в агрессивных средах.

Композиционные материалы с одномерными наполнителями

В композиционных материалах этого типа упрочнителями являются одномерные элементы в форме нитевидных кристаллов, волокон (проволоки). Волокна и другие армирующие элементы скрепляются матрицей в единый монолит. Матрица защищает упрочняющие волокна от повреждений, служит средой, передающей нагрузку на волокна, и перераспределяет напряжения в случае разрыва отдельных волокон. Важно, чтобы прочные волокна были равномерно распределены в пластичной матрице.

На свойства волокнистой композиции помимо высокой прочности армирующих волокон и жесткости пластичной матриц оказывает влияние прочность связи на границе матрица — волокно.

Для армирования композиционных материалов используют непрерывные дискретные волокна с размерами в поперечном сечении от долей до сотен микрометров.

Упрочнение волокнами

Волокно, находящееся в матрице, должно иметь более высокие значения модуля упругости, чем у матрицы (Ев > Ем), что является одним из условий получения композиции с высокими механическими свойствами.

Теория композиционных материалов предполагает равномерное распределение волокон по объему матрицы, их одинаковую направленность и отсутствие проскальзывания на поверхности раздела матрица — волокно вплоть до разрушения композиции. Нагрузка, таким Разом, распределяется между волокнами и матрицей, а деформации композиций ξк, матрицы ξм и волокна ξв будут одинаковы (ξк = ξм = ξв). Прочность композиции σвк в таком случае изменяется в зависимости объемного содержания упрочняющих волокон Vв (рис. 1). Малое содержание объемной доли волокна в матрице (Vв < Vкp) снижает прочность композиции. Волокна, быстро нагружаясь до предельных напряжений, разрушаются и нагрузку воспринимает только матрица, которая и определяет прочность композиции.

Рис. 1. Изменение прочности волокнистого материала в зависимости от содержания упрочнителя

Разупрочняющее действие волокон отмечается вплоть до Vкр, когда вначале происходит разрушение матрицы и дробление волокон. При увеличении объемного содержания доли волокон (Vв > Vкр) нагрузку воспринимают волокна, прочность которых определяет прочность всей композиции. Разрушение волокон под действием приложенной нагрузки приводит к быстрому разрушению матрицы.

При упрочнении композиции дискретными однонаправленными волокнами матрица передает нагрузку волокнам путем пластической деформации, пропорциональной приложенному напряжению. Волокно, имея более высокий модуль упругости, чем матрица (Ев > Е м), ограничивает свободное удлинение матрицы, что приводит к искажению поля деформации. В зоне, прилегающей к волокну, удлинение матрицы равно упругому удлинению волокна (рис. 2).

Рис. 2. Схема совместной деформации дискретного волокна и матрицы (а), эпюры распределения растягивающих напряжений σ в волокне и напряжений сдвига на поверхности раздел матрица—волокно (б): 1 — искаженное поле деформации; 2 — армирующее волокно; 3 — матрица

Армирующие материалы и их свойства

Для упрочения композиционных материалов используют высокопрочную проволоку из стали, молибдена, вольфрама и других металлов, и их сплавов; волокна из бора, углерода, стекла, а также монокристаллы из оксидов, нитридов алюминия и кремния и других соединений.

Проволоки — наиболее экономичный и доступный армирующий материал. Стальные и бериллиевые проволоки используют композиционных материалах, эксплуатируемых при низких и умеренных температурах, а вольфрамовые и молибденовые — при умеренных и высоких.

В настоящее время для упрочнения композиционных материалов применяют проволочные волокна из сталей аустенитного, аустенитно-мартенситного и мартенситного классов.

Проволоки из вольфрама и молибдена. Высокопрочные проволоки из вольфрама и молибдена и их сплавов изготавливают в основном методами порошковой металлургии с последующим волочением. В качестве присадок, обеспечивающих требуемый уровень прочностных свойств, при производстве вольфрамовых проволок используют оксиды Th02, Si02, La203 и др. Волочению подвергают штабики диаметром 2,75 мм, полученные прессованием в стальных формах при давлении 4—6 тс/см2 на гидравлических прессах и последующего спекания при температурах до 3000°С. Температура волочения на начальных стадиях деформирования составляет 1000°С и постепенно снижается до 400—600°С на заключительных стадиях. В процесс изготовления вольфрамовую проволоку подвергают нескольким промежуточным отжигам. Первый проводят при 800°С в газовой печи при диаметре проволоки 0,5 мм, с тем чтобы придать поверхности некоторую шероховатость и увеличить смачиваемость ее смазкой Последующие промежуточные отжиги проводят при 600—750°С с одновременным волочением проволоки через фильеры с диаметром 0,3; 0,12 и 0,05 мм.

Молибденовую проволоку получают по такой же технологии, как и вольфрамовую. Молибден, отличающийся от вольфрама повышенной пластичностью, обрабатывают при более низких температурах (на 100—200°С), чем вольфрам. Так, молибден без присадок может деформироваться с диаметра 0,3 до 0,02 мм без нагрева.

Вольфрамовую и молибденовую проволоку целесообразно применять для армирования жаропрочных композиционных материалов.

Бериллиевая проволока. Бериллий обладает малой плотностью (1850 кг/м3) и в сочетании с большой прочностью и модулем упругости Юнга обеспечивает наиболее высокие значения удельных характеристик — прочности и жесткости.

Волочение бериллиевой проволоки ведут с подогревом до 400—480°С. При этих температурах пластичность бериллия высокая и близка к пластичности малоуглеродистых сталей. Волочение бериллия осуществляют в металлической оболочке из пластичного металла, например, никеля. После волочения оболочку удаляют стравливанием покрытия и выполняют сглаживание поверхности проволоки электрохимической полировкой. В качестве оболочки может использоваться и материал матрицы композиции, что исключает операции электрохимического травления и полирования.

Бериллиевую проволоку чаще применяют для упрочнения матриц с малой плотностью — алюминиевой, магниевой или титановой.

Получение композиционных материалов на металлической основе, армированных волокнами

Выбор метода получения композиции из различных сочетаний матрицы и армирующего волокна определяется следующими факторами.

- размерами, профилем и природой исходных материалов матрицы и упрочнителя;

- возможностью создания прочной связи на границе раздела матрица—упрочнитель;

- получением равномерного распределения волокон в матрице;

-возможностью совмещения процессов получения композиционного материала и изготовления из него деталей;

- экономичностью процесса.

При производстве композиционных материалов с металлической матрицей наибольшее распространение получили твердофазные, жидкофазные, газопарофазные, химические и электрохимические процессы.

Твердофазный метод совмещения компонентов композиции предполагает использование материала матрицы в виде листов, фольги, проволоки или порошка. Композиционный материал получают одним из следующих приемов: диффузионной сваркой под давлением; сваркой взрывом; деформационной обработкой под давлением; прессованием с последующим спеканием (порошковой металлургией).

Жидкофазные процессы получения композиционных материалов заключаются в пропитке упрочняющих волокон или нитевидных кристаллов, расположенных в определенной последовательности или беспорядочно, расплавом материала матрицы.

Методы получения композиционного материала различаются между собой условиями пропитки волокон расплавом, проходящей:

- при нормальном давлении;

- в условиях вакуума (вакуумное всасывание);

- под давлением;

- в сочетании элементов вакуумной пропитки и литья под давлением.

К жидкофазному процессу следует отнести метод получения композиции направленной кристаллизацией из расплавов эвтектического состава. Важнейшим моментом получения качественного композиционного материала пропиткой является хорошая смачиваемость упрочняющих волокон расплавом матрицы. Возможности метода значительно ограничиваются высокой реакционной способностью материалов волокон в контакте с металлическими расплавами.

Газопарофазными способами наносят на армирующие волокна барьерные или технологические покрытия, обеспечивающие их защиту от разрушения при взаимодействии его с материалом матрицы. Их фазовый состав (чаще всего нитриды, бориды, оксиды, карбиды) выбирают исходя из физико-химической и термомеханической совместимости армирующих волокон и материала матрицы. Покрытия получают в результате либо разложения летучих карбонильных соединений металлов, либо испарения металлов и сплавов при термическом воздействии электронным лучом, ионными пучками. Низкая производительность методов не позволяет использовать их для прямого компактирования композиционных материалов. Для этих целей используют метод газотермического плазменного напыления, обеспечивающий получение полуфабрикатов композиционных материалов. Плазменным напылением наносят покрытия из матричного материала на армирующие волокна без существенного повышения их температуры. Прочность сцепления покрытия с ос новой определяется механическим сцеплением частиц напыляемого металла или сплава с шероховатой поверхностью, силами адгезии и химическим взаимодействием. Прочность связи плазменных покрытий значительно ниже, чем покрытий, получаемых металлизацией испарением или конденсацией в вакууме.

Электролитические методы позволяют получать композиционные материалы в результате осаждения матричного материала на нитевидные кристаллы и волокна, которые непрерывно находятся в контакте с катодом. Процесс протекает при низкой температуре и в отсутствие давления, что практически полностью исключает разрушение волокон и вредное влияние температурного фактора. Покрытие получается плотным, беспористым в том случае, если оно равномерно покрывает поверхность волокон и пространство между ними. Пористость наблюдается при использовании волокон бора, карбида бора или металлических волокон диаметром более 100 мкм.

Химические методы позволяют осаждать металлические покрытия на не проводящие ток упрочнители в виде нитевидных кристаллов (сапфир), а также на углеродные волокна (ленты, пряди). Металлическая пленка точно воспроизводит профиль волокна, и ее толщина легко контролируется параметрами технологического процесса. Сущность химического метода осаждения покрытий заключается в восстановлении ионов металлов на поверхности покрываемого вещества.

Композиционные материалы с алюминиевой матрицей

Технический алюминий и его сплавы (АМц, АМг6, АД1, Д16, САП и др.) используют в качестве матриц композиционных материалов. Армирование матриц выполняют высокопрочной стальной проволокой из сталей (08Х18Н9Т, 1Х15Н4АМЗ, ЭП322 и др.), бериллиевой проволокой и волокнами бора, карбида кремния, углерода.

Композиции, упрочненные стальными проволоками, получают прокаткой между валками прокатного стана до компактного состояния. Прокатке подвергают сэндвич из алюминиевой фольги и волокон. Режим прокатки определяется температурой, направлением и степенью деформации. Температура разупрочнения стальных волокон определяет температуру прокатки композиции алюминий—сталь. Так, температура прокатки для композиции алюминий—сталь при использовании в качестве упрочнителя проволоки из стали 08Х18Н9Т и 12Х18Н10Т, составляет 380—400°С и 420—450°С при использовании волокон из стали 15Х15Н4АМЗ и ЭП322, имеющих более высокую температуру разупрочнения (400 и 450°С соответственно). Направление деформации при прокатке выбирают под некоторым углом к направлению армирующих волокон, с тем чтобы избежать обрыва волокон при деформации в ходе продольной прокатки и искривления волокон при поперечной прокатке.

Композиционные материалы на никелевой матрице

Армированию чаще подвергают жаропрочные никелевые сплавы, чтобы увеличить время их работы и рабочую температуру 1100— 1200°С. Для армирования никелевых сплавов применяют упрочнители: нитевидные кристаллы А1203 (усы), проволоки тугоплавких металлов и сплавов на основе W и Мо, волокна углерода и карбида кремния.

Наиболее широкое распространение получило армирование жаропрочных никелевых сплавов вольфрамовой проволокой. Композиционный материал в этом случае получают способами пластического деформирования: прокаткой, сваркой взрывом.

Длительная работа композиции приводит к разупрочнению арматуры в связи с развитием в проволоке ВТ15 рекристаллизационных процессов, ускоряемых действующей нагрузкой и диффузией никеля и хрома из матрицы в волокна. Композиционный материал ВКН-1 (матрица — литейный жаропрочный сплав

Эвтектические композиционные материалы

Эвтектическими композиционными материалами называют сплавы эвтектического или близкого к эвтектическому состава, в которых упрочняющей фазой выступают ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Ориентированная структура в сплавах эвтектического состава получается методами направленной кристаллизации (методы Чохральского, Бриджмена, зонной плавки). В отличие от обычных композиционных материалов, получаемых путем последовательного выполнения нескольких трудоемких технологических операций, эвтектически композиционные материалы получают за одну операцию.

Структура образующейся эвтектики в результате направленной кристаллизации состоит, как правило, из кристаллов твердой прочной фазы (карбидов, интерметаллидов), распределенных в матрице, представляющей собой твердый раствор.

форма образующихся кристаллов может быть в виде волокон или пластин. При объемной доле упрочняющей фазы меньше 32% она имеет форму стержня, а при большем содержании — пластинчатую.

Равновесные условия кристаллизации обеспечивают высокую термическую стабильность эвтектических композиционных материалов. Между фазами эвтектики, волокнами и матрицей отсутствует химическое взаимодействие, поскольку химические потенциалы фаз равны. Особенности строения эвтектических микроструктур, полукогерентные границы раздела фаз с минимальной поверхностной энергией определяют термическую стабильность эвтектической микроструктуры и, как следствие, высокие механические свойства при температурах, близких к температурам плавления эвтектики.

Композиционные материалы на неметаллической основе

В качестве матрицы в композиционных материалах на неметаллической основе используют отвержденные эпоксидные, полиэфирные, фенольные, полиамидные и другие смолы. Наиболее распространены композиции, армированные стеклянными, углеродными, органическими, борными и другими видами волокон.

Композиты, армированные однотипными волокнами, получили названия по упрочняющему волокну. Так, композицию, содержащую наполнитель в виде длинных стекловолокон, располагающихся ориентированно отдельными прядями, называют ориентированным стекловолокнитом. Неориентированные стекловолокниты содержат в качестве наполнителя короткое волокно. В том случае, если упрочнителем является стеклоткань, — стеклотекстолитом. Композиционный материал, содержащий углеродное волокно, называют углеволокнитом, борное волокно — бороволокнитом, органическое волокно — органоволокнитом (органитом).

Композиционные материалы с полимерной матрицей обнаруживают целый ряд достоинств, среди которых следует назвать высокие удельные прочностные и упругие характеристики, стойкость к воздействию агрессивных сред, хорошие антифрикционные и фрикционные свойства наряду с высокими теплозащитными и амортизационными свойствами. Вместе с тем пластики имеют и недостатки: низкую прочность и жесткость при сжатии и сдвиге, снижение прочности при повышении температуры до 100—200°С, изменение фи зико-механических характеристик при старении и под воздействием климатических факторов.

В настоящее время пластики получают все большее, интенсивное распространение по причине простоты, технологичности и дешевизны производства из них деталей.

Изделия из композиционных материалов с полимерной матрицей стараются получать одновременно с материалом. Несмотря на сравнительно большую трудоемкость, в этом случае удается наиболее полно реализовать преимущества композиции и существенно снизить стоимость детали.

Свойства композиционных материалов с полимерной матрицей

Стеклопластики содержат в качестве наполнителя стеклянные волокна:

- непрерывные в виде нитей, жгутов и полос — тканей различного плетения;

- дискретные — рубленые или штапельные.

В ориентированных однонаправленных стекловолокнитах упрочняющие непрерывные волокна расположены в одном направлении — направлении действия нагрузки. Однонаправленные стекловолокниты отличаются анизотропией свойств. Наибольшую прочность и жесткость такие композиции имеют вдоль волокон. Этот недостаток устраняют в перекрестно армированных ориентированных стеклопластиках, в которых волокна расположены по различным направлениям. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ) содержит стеклянные нити, которые по выходе из фильер, склеенные между собой в полосы, укладывают затем под углом 90°. Связующим в них выступают различные смолы.

Из стеклянных нитей получают ткани, которые используют в качестве упрочнителя. Стеклянные ткани по виду переплетения нитей подразделяют на ткани полотняного, саржевого, сатинового и кордового плетений (рис. 3).

Рис. 3. Схема переплетения тканей: а — полотняное; б — саржевое; в — сатиновое

Ткани полотняного плетения на поверхности имеют частое чередование продольных (основных) и поперечных (уточных) нитей, что придает ткани высокую жесткость. Сатиновым тканям свойственно более редкое переплетение нитей. Учитывая высокую хрупкость стекловолокон, возможность их взаимного перетирания и разрушения под давлением, стеклопластики (стеклотекстолита) с упрочнителем сатинового плетения более прочны и лучше работают в конструкциях.

Обработка и соединение композиционных материалов

К металлическим композиционным материалам применимы методы соединения точечной и диффузионной сваркой, пайкой, с помощью болтов, заклепок и клеев.

Наиболее надежным и дешевым способом соединения композиционных материалов является точечная сварка. Высокое качество и надежность соединения обеспечиваются режимами сварки, при которых упрочняющие волокна не подвергаются длительному нагреву и не перерезаются. Сварка композиционных материалов требует тщательного выбора режимов, которые реализуются на обычном сварочном оборудовании или усовершенствованном, обеспечивающем более плавное регулирование давления и температуры.

Соединение с помощью болтов и заклепок менее эффективно, чем соединение, полученное точечной сваркой. Сверление отверстий неизбежно связано с разрушением волокон, и прочность таких соединений зависит от прочности материала матрицы. Прочность болтовых и заклепочных соединений повышают дополнительным перекрестным армированием их фольгой из коррозионностойких сталей, сплавов. Во избежание поломок волокон (например, борных) внешний слой матрицы должен быть не очень тонким. Величина усилия натягивания болтов и заклепок контролируется и устанавливается в зависимости от качества соединяемых материалов.

Прочность клеевых соединений зависит от способа и качества подготовки поверхности. Для очистки поверхностей соединения от посторонних включений используют пескоструйную или механическую обработку вращающейся стальной щеткой.

Комбинированные клееболтовые и клеезаклепочные соединения более прочны и надежны, чем соединения клеевые или механические в отдельности.

Композиционные материалы, армированные металлическим углеродными волокнами, удовлетворительно обрабатываются методами механической обработки: резкой, фрезерованием, сверлением, шлифованием. Трудности возникают при обработке композиционных материалов, упрочненных вольфрамовой проволокой диаметра, большего 0,3 мм. Механическая обработка материалов, армированных волокнами, методами резания практически невозможна. Борные волокна, обнаруживающие высокие абразивные свойства, быстро притупляют режущие кромки инструмента, а сами волокна вблизи линии реза выкрашиваются, разрушаются и выдергиваются из матрицы. Обрабатывающий инструмент и материал разогреваются, армирующие волокна теряют прочность, а сама композиция очень часто расслаивается.

Наилучшие результаты при сверлении отверстия получены при использовании сверл с алмазными покрытиями режущей кромки. Сверление производится при охлаждении инструмента эмульсией.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Что представляет собой композиционный материал?

2. Назовите признаки, по которым классифицируют композиционные материалы. Приведите пример классификации.

3. Чем вызвано упрочнение дисперсно-упрочненных и волокнистых композиционных материалов?

4. Назовите материалы, используемые для армирования матриц и рассмотрите их основные прочностные характеристики.

5. В чем заключаются преимущества композиционных материалов на металлической матрице?

6. Чем обрабатывают и как соединяют композиционные материалы?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №8. Определение качества бензина, дизельного топлива.

Цель работы:

1. Закрепление знаний основных марок дизельных топлив.

2. Знакомство с нормативно-технической документацией по качеству дизельных топлив (ГОСТами на показатели качества и методы их определения).

3. Знакомство с методами определения плотности, вязкости и температуры застывания топлива.

4. Приобретение навыков, по оценке качества дизельного топлива.

Этапы выполнения практического занятия №8:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Зарисовать прибор вискозиметр типа ВПЖ-2;

4. Зарисовать прибор для определения вязкости нефтепродуктов;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Определение кинематической вязкости при 20 °С

Вязкостью называется свойство жидкости оказывать сопротивление при сдвиге или скольжении ее слоев. Препятствие перемещению слоев жидкости создают силы межмолекулярного притяжения. Внешне вязкость проявляется в степени подвижности: чем меньше вязкость, тем жидкость подвижнее, и наоборот. Величину вязкости выражают в единицах динамической или кинематической вязкости.

На рис. 1 показана схема, которая иллюстрирует понятие динамической вязкости. Из рисунка видно, что слои жидкости площадью 1 м2 находятся на расстоянии 1 м и перемещаются относительно друг друга со скоростью 1 м/с и при этом оказывают сопротивление силой 1 Н. Такое сопротивление соответствует динамической вязкости 1 Па • с или 1 Н • с/м2.

В практике, как правило, пользуются кинематической вязкостью, которая характеризует эксплуатационные свойства топлив и масел в зависимости от температуры и позволяет решать вопрос о пригодности нефтепродуктов для данного двигателя и о надежности его работы на всех возможных режимах эксплуатации. Кинематическую вязкость определяют по ГОСТу 33—2000 в капиллярном вискозиметре (рис. 2) по времени перетекания определенного объема жидкости (от метки А до метки Б) под действием силы тяжести при заданной температуре. Чем больше время перетекания жидкости через капилляр, тем выше ее вязкость. Кинематическую вязкость v, мм2/с, рассчитывают по формуле:

v = cт, (1)

где с — калибровочная постоянная вискозиметра, мм2/с2; т — время протекания жидкости, с.

Рис. 1. Схема взаимного смещения слоев жидкости при определении вязкости

Рис. 2. Заполнение жидкостью вискозиметра: а — типа ВПЖ-2; б — типа Пинкевича; 1 — широкое колено; 2 — узкое колено; 3, 4, 6 — расширительные емкости; 5 — резиновая рубка; 7 — полый отросток; А — верхняя метка; Б — нижняя метка

Зависимость между кинематической вязкостью и динамической выражается формулой

η = vρ 10-3, (2)

где η — динамическая вязкость жидкости, МПа • с; ρ — плотность жидкости при той же температуре, при которой определялась кинематическая вязкость, кг/м3.

Для определения вязкости нефтепродуктов используются вискозиметры типа ВПЖ-2, ВПЖТ-2 или типа Пинкевича (ВПЖ-4, ВПЖТ-4). При этом вискозиметры типа ВПЖ-2, ВПЖТ-2 используются для определения кинематической вязкости прозрачных нефтепродуктов с вязкостью от 0,6 до 30000 мм2/с, а вискозиметры типа ВПЖ-4, ВПЖТ-4 — для жидкостей с пределами вязкости 0,6—10000 мм2/с. Каждый диапазон кинематической вязкости требует ряда вискозиметров.

Капиллярный вискозиметр представляет собой U-образную трубку с тремя расширениями, в узкое колено которой впаян капилляр. Вискозиметры выпускают с разными диаметрами капилляра (0,4; 0,6; 0,8; 1,0; 1,2; до 4,0 мм).

Над капилляром помещены два расширения, между которыми и над капилляром имеются кольцевые метки.

Нижнее расширение служит резервуаром, куда перетекает жидкость при определении вязкости. Оно расширено с той целью, чтобы высота столба жидкости, под действием которого происходит истечение, оставалась примерно постоянной.

В верхней части высокого колена имеется патрубок, который служит для присоединения резиновой груши. На верхних расширениях нанесены номер вискозиметра и номинальный диаметр капилляра. На каждый экземпляр вискозиметра должен иметься паспорт, в котором указывается постоянная вискозиметра «С» в мм2/с2.

Для заполнения вискозиметра топливом на боковой отвод его надевают резиновую трубку с грушей, переворачивают на 180° и погружают узкое колено в стаканчик с испытуемым топливом. Закрыв пальцем отверстие широкого колена, топливо с помощью груши засасывают в узкое колено вискозиметра до метки между капилляром и расширением.

После этого вискозиметр переворачивают в нормальное положение и тщательно обтирают узкое колено от топлива.

Использующиеся в работе вискозиметры представляют собой очень хрупкие и дорогие приборы. В связи с этим при работе с ними надо проявлять максимум осторожности и, в частности, держать и закреплять их следует только за одно колено. Наиболее часто поломка вискозиметров происходит при надевании и снятии резиновой трубки, поэтому при этой операции нужно держать их именно за то колено, на которое надевается или снимается резиновая трубка.

Следует учитывать, что при попадании во внутреннюю полость вискозиметра воды или даже ее паров он становится неработоспособен.

Затем вискозиметр погружают в термостат (баню) так, чтобы шарик вискозиметра оказался полностью в термостатной жидкости (рис. 3). Выдерживают вискозиметр в термостате не менее 15 мин при температуре 20 °С. При заполнении и выдерживании вискозиметра в нем не должно образовываться разрывов и пузырьков воздуха. Затем, не вынимая вискозиметр из термостата, при помощи резиновой груши создают разряжение в трубке 7 (см. рис. 2), медленно набирая в шарик 3 несколько выше метки А топливо (из расширения 6).

Подняв топливо выше метки А, отключают резиновую грушу и наблюдают за перетеканием топлива через капилляр 5 и расширение 6. В момент достижения уровня топлива метки А пускают секундомер, а в момент прохождения уровня метки Б, его останавливают. Замер времени производят с точностью до 0,1 с.

Рис. 3. Прибор для определения вязкости нефтепродуктов. 1 — термометр; 2 — мешалка; 3, 4, 6 — расширения вискозиметра; 5 — капилляр вискозиметра; 7 — термостат (баня); 8 — электроподогреватель

С той же порцией топлива испытание проводят несколько раз. Необходимо получить пять результатов времени истечения топлива, максимальная разность между которыми не превышала бы 1 % от абсолютного значения одного из них.

Для заполнения термостата применяют следующие жидкости: при температуре 100 °С — нефтяное прозрачное масло или глицерин, при 50 °С — воду, при 0 °С — смесь воды со льдом, при более низких температурах — этиловый спирт с твердой углекислотой.

Определение температуры застывания

Основные нарушения в системе подачи топлива при низких температурах связаны с температурой помутнения и застывания топлива. В отличие от бензинов в дизельных топливах может находиться довольно много углеводородов с высокой температурой плавления, в первую очередь парафиновых (алкановых) углеводородов.

При понижении температуры наиболее высокоплавкие углеводороды выпадают из топлива в виде кристаллов различной формы, топливо мутнеет.

Для обеспечения бесперебойной подачи топлива необходимо, чтобы температура помутнения топлива была ниже температуры воздуха, при которой эксплуатируется машина.

При дальнейшем охлаждении топлива кристаллы высокоплавких углеводородов начинают соединяться, образуя пространственную решетку, в ячейках которой остаются жидкие углеводороды. Затем образующаяся структура настолько упрочняется, что топливо теряет текучесть — застывает.

Температурой застывания считается температура, при которой налитое в пробирку дизельное топливо при охлаждении в определенных условиях не изменяет положения мениска в течение 1 мин при наклоне пробирки под углом 45° от вертикали (ГОСТ 20287-91).

Температура застывания дизельного топлива — величина условная и служит лишь ориентиром для определения условий применения топлива.

Определение кинематической вязкости при 20°С

Оборудование:

- прибор для определения кинематической вязкости;

- набор вискозиметров;

- резиновая трубка с грушей;

- секундомер;

- дистиллированная вода.

Порядок выполнения работы

1. Выбрать вискозиметр с требуемым диаметром капилляра. При выборе исходить из того, чтобы время истечения топлива находилось в пределах не менее 200 секунд (ГОСТ 33—2000). При меньшем времени истечения уменьшается точность замера времени секундомером, а при большем — удлиняется время анализа. В зависимости от температуры испытания и вязкости топлива рекомендуются капилляры со следующими диаметрами в мм:

- Температура +50° +20° 0°;

- Диаметр капилляра 0,4—0,6 0,8—1,0 1,0—1,2.

2. Заполнить вискозиметр топливом, для чего:

- на его боковой отвод надеть резиновую трубку с грушей;

- перевернуть на 180° и погрузить узкое колено в испытуемое топливо;

- закрыв пальцем отверстие широкого колена, засосать топливо с помощью груши в узкое колено;

- по достижении топливом метки Б (см. рис. 2) прекратить отсос воздуха грушей и перевернуть вискозиметр открытыми концами колен вверх;

- протереть узкое колено 2 (рис. 2) от топлива.

3. Установить вискозиметр в термостат в строго вертикальное положение (при этом верхняя метка должна быть ниже уровня воды) и выдержать его в бане не менее 15 мин при температуре 20 °С. Температуру термостата во время работы поддерживать постоянной. Допускается отклонение не более 0,1 °С.

4. Сжатием груши перегнать топливо несколько выше кольцевой метки между расширениями. При этом вискозиметр находится в термостате, а широкое колено его закрывается пальцем.

Во время проведения работы следить, чтобы не образовались пузырьки воздуха, разрывы и пленки.

5. Определить при помощи секундомера время истечения топлива, для чего:

- отнять палец от широкого колена и вести наблюдение за перетеканием топлива;

- когда уровень топлива достигнет верхней метки А (см. рис. 2), включить секундомер и выключить его, когда уровень топлива минует нижнюю метку Б.

6. Повторить испытание три—пять раз.

7. Подсчитать кинематическую вязкость по формуле (1).

Определение температуры помутнения и застывания

Оборудование:

- прибор для определения температуры помутнения топлива (рис. 4);

- штатив лабораторный;

- реактивы для охладительных смесей (соль—лед для температуры до минус 20°С; спирт и углекислота — сухой лед — для температуры ниже минус 20 °С);

- пробирка;

- образец топлива;

- серная кислота.

Рис. 4. Прибор для определения температуры помутнения и застывания топлива: 1 — пробирка наружная; 2 — пробирка внутренняя; 3 — пробка; 4 — термометр; 5 — мешалка

Сущность определения температуры застывания заключается в глубоком охлаждении топлива до состояния потери подвижности.

Порядок выполнения работы:

1. Испытуемое топливо тщательно перемешать и налить во внутреннюю пробирку до метки (40 мм от дна нанесена метка). Пробирку закрыть корковой пробкой с термометром. Термометр вставить так, чтобы его ртутный шарик находился в пробирке на расстоянии 15 мм от дна и равном расстоянии от стенок.

2. Налить испытуемое топливо в другую пробирку, которую использовать в качестве эталона прозрачности.

3. Заполнить сосуд прибора охлаждающей смесью, уровень которой поддерживать на 30—40 мм выше уровня топлива в пробирке. Температура охладительной смеси при испытании все время должна быть на 15±2°С ниже температуры испытуемого топлива.

4. Укрепить внутреннюю пробирку с топливом и термометром во внешней пробирке. Во избежание запотевания внутренних стенок между пробирками заливают серную кислоту в количестве 0,5—1,0 мл.

5. Поместить собранный прибор в охлаждающую смесь. Топливо во время охлаждения все время перемешивать.

6. За 5°С до ожидаемой температуры помутнения пробирку вынуть из охлаждающей смеси, быстро вытереть ватой, смоченной спиртом, и сравнить с эталоном. Продолжительность определения сравнения не более 12 с.

7. Если топливо по сравнению с прозрачным эталоном не изменилось, то пробирку снова опускают в сосуд прибора и дальнейшее наблюдение производят через каждый градус, понижая температуру топлива. Эти сравнительные наблюдения с прозрачным эталоном производят до тех пор, пока топливо не станет отличаться от эталона, т. е. когда в нем появится муть. При определении температуры помутнения неизвестного образца топлива сначала устанавливают значения этих температур приблизительно путем наблюдения за состоянием топлива через каждые 5°С.

8. Для определения температуры застывания топлива в соответствии с пунктами 1 и 2 подготовить прибор с испытуемым обезвоженным (с помощью свежепрокаленного хлористого кальция) топлива. Подготовленный прибор поместить в сосуд с охлаждающей жидкостью. Температура охладительной смеси должна быть на 5°С ниже предполагаемой температуры застывания топлива.

9. Не вынимая из охлаждающей смеси, наклонить прибор под углом 45° и держать в таком положении в течение одной минуты, до тех пор, пока испытуемое топливо в пробирке примет температуру, соответствующую температуре его застывания.

10. Вынуть пробирку из охлаждающей смеси, протереть стенки ватой, смоченной в спирте, и наблюдать, не сместился ли мениск топлива. Если мениск не сместился, то топливо остается застывшим, и наоборот. Если температура топлива неизвестна даже приблизительно, испытание по смещению мениска проводят через каждые 5°С понижения температуры топлива. Температуру смеси в этом случае поддерживают на 4—5° ниже температуры топлива. После проведения испытания прибор и рабочее место привести в первоначальное положение.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1.Что такое динамическая и кинематическая вязкость?

2. Что называется вязкостью?

3. Как определяют кинематическую вязкость?

4. По какой формуле находят кинематическую вязкость?

5. Какие приборы используют для определения вязкости?

6. Опишите принцип действия и устройство вискозиметра.

7. Какие жидкости применяют для заполнения термостата?

8. Охарактеризуйте температуру помутнения и застывания топлива.

9. Как определить кинематическую вязкость по приборам?

10. Как определить температуру помутнения и застывания? Опишите порядок выполнения.

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

3.Оськин В.А. Практикум по материаловедению и технологии конструкционных материалов/ В.А. Оськин, В.Н. Байкалова. – М.: КОЛОСС, 2012. -160с

Практическое занятие №9.

Устройство автомобильных шин.

Цель работы:

1. Закрепить знания по устройству колес и шин автомобилей.

2. Сформировать умение определять характерные неисправности колес и шин.

Этапы выполнения практического занятия №9:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Рассмотреть и уметь объяснить следующие схемы:

3.1. Конструкцию колеса с разъемным и неразъемным ободом;

3.2. Конструкцию камерной и бескамерной шины;

4. Выписать основные параметры, характеризующие колеса и шины изучаемых автомобилей:

4.1.Тип колес;

4.2.Тип шин;

3.3.Способы крепления запасного колеса;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Колеса являются принимающей стороной крутящего момента от двигателя. Путем сцепления с дорогой они способствуют движению автомобиля, принимают удары и толчки из-за неровностей, а затем сглаживают их. Торможение, разгон зависят также от колес. Устройство колес представлено на рисунке 1. Оно включает в себя диск с ободом и шины.

Рис. 1. Колесо легкового автомобиля a) устройство колеса б) уплотняющий буртик на ободе бескамерной шины 1 - диск колеса; 2 - обод; 3 - борт; 4 - камера; 5 - боковина; 6 - корд; 7 – протектор

Диск

К диску крепится обод, сам диск прикреплен к ступице колеса коническими болтами или гайками.

Колеса транспортных средств подразделяются на одинарные и сдвоенные. Одинарное колесо устанавливается на одной ступице и несет одну шину, а сдвоенное имеет два обода, смонтированных на одной ступице и несущих две шины. На автомобилях применяются дисковые колеса, колеса с разборным ободом и составные.

Дисковое колесо — это неразборный узел, состоящий из обода колесного диска. Дисковое колесо грузового автомобиля может иметь составной обод, один из бортов которого состоит из съемного разрезного замочно-посадочного кольца и съемного бортового кольца, которые в сборе образуют обод.

Колесо с разборным ободом — это колесо, в котором один или два разборных обода крепятся непосредственно на ступице, развитой до размера обода. Такие колеса широко применяются на тяжелых автомобилях и автобусах.

Составное колесо состоит из двух элементов, каждый из которых включает часть обода. После сборки элементы образуют обод с двумя закраинами. Такие колеса применяются для крупногабаритных широкопрофильных шин и шин с регулируемым давлением.

Рис. 2. Колесо с разборным ободом:
1 — о6од, 2 — прижим; 3 — ступица

Соединение колеса со ступицей обеспечивает передачу крутящего момента и центрирование колеса на ступице. Крепление штампованных дисковых колес легковых автомобилей производится, как правило, с помощью болтов или гаек, имеющих коническую центрирующую поверхность. Центрирование литых дисков колес осуществляется по посадочному пояску ступицы. Узел крепления включает шпильки и унифицированные гайки, снабженные свободно вращающимися шайбами, которые исключают возможность повреждения диска. Вместо шпилек и гаек могут использоваться болты.

Шина

Различают два типа шин: шина камерная и шина бескамерная. Если шина камерная, то ее камера заполняется воздухом. Бескамерная шина – это покрышка авто. В свою очередь сама покрышка состоит из каркаса, проектора, боковин и бортов. Каркас шины - силовая основа покрышка. Каркас состоит из нескольких слоев корда (специальный материал). Этот держит давление сжатого воздуха изнутри и нагрузку от дороги наружи.

Протектор

Самый последний слой покрышки. Он непосредственно соприкасается с дорогой. На протекторе выдавлен определенный рисунок. Шины для автомобиля необходимо покупать в соответствие с рекомендациями завода-изготовителя. Повышенный и неравномерный износ шин. Причина: износ шаровых шарниров подвески, дисбаланс колес, нарушение углов установки передних колес. Способ устранения: регулировка углов установки передних колес, замена изношенных деталей, восстановить баланс колес.

Пневматическая шина — это упругая оболочка, предназначенная для установки на ободе колеса и заполняемая воздухом под давлением. Основным элементом шины является покрышка, непосредственно воспринимающая нагрузки на шину со стороны дороги. Она состоит из каркаса, протектора, брекера, бортов и боковин.

Каркас — это силовая часть покрышки, состоящая из одного или нескольких слоев корда, закрепленных на боковых кольцах.

Протектор — наружная резиновая часть покрышки с рельефным рисунком, обеспечивающая сцепление шины с дорогой предохраняющая каркас от повреждений.

Брекер — часть покрышки, состоящая из слоев корда или резины и способствующая более равномерному распределению по поверхности колеса действующих на него нагрузок.

Борта — это жесткие части покрышки, служащие для крепления шины на ободе.

Боковины — резиновый слой, покрывающий боковые стенки каркаса и предохраняющий его от механических повреждений и проникновения влаги.

По конструкции каркаса и брекера различают диагональные и радиальные шины. По способу герметизации внутренней полости (при сборке с ободом) шины бывают камерные и бескамерные.

Основные нормативные требования к шинам транспортных средств установлены Правилами эксплуатации автомобильных шин, на которые имеется соответствующая ссылка в СТБ 1641-2006. В соответствии с этими требованиями выбор шин по размерам, моделям, грузоподъемности, типу рисунка протектора для каждой модели транспортного средства должен производиться согласно рекомендациям их производителей. При этом в инструкции по эксплуатации транспортного средства должны быть указаны размеры применяемых шин и рекомендуемые режимы их работы.

Шины, восстановленные по первому классу, применяются без ограничений на всех осях транспортных средств, за исключением междугородных автобусов. Шины, восстановленные по второму классу, применяются на колесах всех осей грузовых автомобилей и прицепов (полуприцепов), а также автобусов, кроме междугородных, и задних осях легковых автомобилей. В целях обеспечения безопасности движения запрещается устанавливать шины с отремонтированными местными повреждениями на передних осях механических транспортных средств.

Для улучшения сцепных качеств шин и повышения безопасности движения на заснеженных и обледенелых дорогах могут применяться шины с шипами противоскольжения. Данные шины должны быть установлены на всех колесах (в том числе запасном) транспортного средства.

Согласно Правилам дорожного движения и СТБ 1641-2006 не допускается установка на одну ось автобуса, легкового автомобиля или прицепа к нему, грузового автомобиля или прицепа к нему диагональных шин совместно с радиальными или шин различным типом рисунка протектора.

Высота рисунка протектора должна быть не менее:

- для легковых автомобилей — 1,6 мм

- для грузовых — 1,0; для автобусов — 2,0 мм

- для прицепов и полуприцепов — тех же значений, что и для тягачей

Шина считается непригодной к эксплуатации, если на ней имеется участок беговой дорожки с размерами, высота рисунка протектора на котором меньше нормативных значений.

Шина считается непригодной к эксплуатации, если проявился один индикатор при равномерном износе или два индикатора в каждом из двух сечений при неравномерном износе беговой дорожки.

Система контроля давления воздуха в шинах с использованием специального контрольного устройства (колпачков Easy Control). Наиболее простым и дешевым способом постоянного контроля давления в шинах является установка на колесе вместо штатного колпачка ниппеля специального контрольного устройства

Система контроля давления воздуха в шинах с использованием радиосигнала состоит из датчиков давления воздуха навинченных на металлические корпуса вентилей, от которых передается радиосигнал на приемную систему, передатчиков, устанавливаемых обычно в арках колес, электронного блока управления. В крыше находится приемная антенна системы контроля давления. Некоторые производители вместо передатчиков устанавливают антенны в арках колес.

Рис. 3. Система контроля давления воздуха в шинах:
1 - датчик давления воздуха в шине; 2 – электронный блок управления давления воздуха в шинах; 3 – передатчики системы контроля давления воздуха в шинах; 4 – приемная система контроля давления воздуха в шинах

Рис.4. Датчик давления воздуха в шине:
1 – передающая антенна; 2 – чувствительные элементы датчиков и температуры; 3 – электронные элементы измерения и управления; 4 – элемент питания

Датчик давления измеряет текущее (абсолютное) давление в шине. Чувствительные элементы датчиков давления и температуры, а также электронные элементы измерения и управления объединены в общем корпусе.

Шина автомобиля воспринимает вертикальную нагрузку от веса автомобиля и все усилия, возникающие в пятне контакта шины с дорогой при ускорении, торможении и повороте автомобиля, смягчая силовые воздействия на автомобиль.

На легковых автомобилях применяются пневматические камерные и бескамерные шины, при этом последние имеют преимущественное использование. Внутреннее покрытие бескамерной шины изготавливается из слоя воздухонепроницаемой резины толщиной 2…3 мм, а на наружную поверхность борта наносят эластичную резину, которая обеспечивает герметичность при посадке шины на обод. Вентиль бескамерной шины образует герметичное соединение при установке его в отверстие обода колеса. При проколе бескамерной шины небольшим предметом, растягивается воздухонепроницаемый внутренний слой резины шины и обволакивается ею. При этом воздух из бескамерной шины выходит очень медленно, в отличие от камерной, поэтому бескамерные шины более безопасны.

В конструкцию колеса входят: диск с ободом, опорное кольцо, шина и датчик давления в шине. Опорное кольцо закреплено в середине обода посредством элементов с геометрическим замыканием. Это кольцо изготовляется из прочного синтетического материала, которому придается сотовая структура. Борта шины не зажимаются закраинами обода, а устанавливаются в посадочные канавки на нем.

Рис.5. Конструкция колеса аварийной системы PAX:
1 – опорное кольцо; 2 – шина; 3 – глицериновый гель; 4 – обод колеса.

Принцип действия шины заключается в следующем. При полной или частичной потере воздуха покрышка опирается об опорное кольцо. При этом шина удерживается на ободе благодаря особой форме посадочных канавок. Наиболее опасным является движение автомобиля на поворотах, при котором на боковины шины действуют растягивающие усилия. Сила растяжения Fz вызывает поворот борта шины вокруг его сердечника. В результате создается сила Fw, действующая во внешней зоне борта и прижимающая его к посадочной канавке.

Рис.6. Колесо с шиной «PAX»:
1 – шина; 2 – плоское металлическое кольцо; 3 – обод:
а – форма шины при полном давлении; б – форма шины при проколе

Рис.7. Состояние шины при проколе:
А – стандартная шина; Б – шина с несущими бортами; А1 – форма стандартной шины при полном давлении; А2 – форма стандартной шины при потере давления; Б1 – форма шины повышенной мобильности при полном давлении; Б2 – форма шины повышенной мобильности при потере давления; 1 – усиленная боковина

Водитель автомобиля, оборудованного безопасными шинами, может не заметить прокола, поэтому совместно с такими шинами должны устанавливаться системы контроля давления воздуха в шинах.

Диски колес, применяемые на легковых автомобилях, разделяются на стальные и легкосплавные. Стальные колеса изготавливают методом штамповки из листового металла с последующей сваркой составляющих элементов. Достоинствами стальных колес являются сравнительно невысокая стоимость и хорошие эксплуатационные качества. К недостаткам следует отнести большую массу колеса и несколько широкое поле допусков на изготовление, что требует тщательной балансировки. Легкосплавные колеса изготавливают методом литья или ковки. Материалами для колес являются сплавы на основе алюминия, магния и титана, поэтому стоимость таких колес высокая. Колеса на основе магниевых сплавов требуют специального антикоррозионного покрытия. Легкосплавные колеса бывают очень разнообразные по конструкции, внешнему виду и дизайну.

Рис. 8. Основные размеры диска колеса

Контрольные вопросы:

1. Из каких элементов состоит колесо?

2. Почему у грузовых автомобилей на задний мост ставят по два колеса с каждой стороны?

3. Какие элементы крепления колес обеспечивают исключение самоотворачивания гаек крепления?

4. Что положено в основу классификации шин?

5. Какая разница между конструкцией камерной и бескамерной шин?

6. Чем различаются диагональные и радиальные шины?

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №10.

Способы нанесение лакокрасочных материалов на металлические поверхности.

Цель работы:

1. Изучить методы нанесения красок, лаков и других лакокрасочных материалов, их свойства, технические характеристики и область применения.

2. Изучить дефекты, недостатки, причины возникновения и методы устранения красок, лаков и других лакокрасочных материалов.

Этапы выполнения практического занятия №10:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Выписать в таблицу 2 оборудование для нанесения лакокрасочных материалов и его характеристику;

4. Ответить на контрольные вопросы;

5. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Для нанесения красок, лаков и других лакокрасочных материалов разработано несколько различных методов: струйный облив, распыление в электрическом поле, пневматическое распыление, электроосаждение, налив, аэрозольное распыление, в барабанах, распыление под высоким давлением, нанесение с использованием валков, шпателей, кисти и т.п.

Метод нанесения лакокрасочного материала выбирается с учетом вида детали, ее габаритов, назначения, требований к готовому покрытию, экономической целесообразности, условий производства и т.д.

Пневматическое распыление

Пневматическое распыление – наиболее распространенный способ нанесения красок и лаков. Пневматическое распыление может осуществляться с подогревом лакокрасочного материала и без него (используется чаще).

Пневматическое распыление с подогревом лакокрасочного материала

Подогрев позволяет распылять лакокрасочный материал с повышенной вязкостью без применения растворителей (дополнительного разведения красок), т.к. при нагреве снижается поверхностное натяжение и вязкость ЛКМ. Часто для определенных лакокрасочных материалов рекомендуется оптимальный показатель исходной вязкости. То, на сколько снизится вязкость, в большей степени зависит от пленкообразующего компонента лакокрасочной системы.

Покрытие, полученное данным способом, отличается более высоким качеством. Это обусловлено тем, что при подогреве краски повышается ее текучесть, увеличивается глянец и поверхность не «белеет» от конденсата влаги.
Пневматическое распыление с нагревом лакокрасочного материала имеет некоторые преимущества перед распылением без нагрева:

- за счет меньшего числа наносимых слоев повышается производительность;

- благодаря нагреву израсходуется меньше растворителей (для пентафталевых, масляных, глифталевых, меламино-, мочевиноалкидных материалов около 40%, а для нитроцеллюлозных – до 30%);

- можно наносить материалы с высоким содержанием сухого вещества и повышенной вязкости;

- из-за быстроты нанесения и пониженного содержание в ЛКМ растворителей уменьшаются потери на туманообразование;

- при подогреве повышается укрывистость лакокрасочного материала и увеличивается толщина наносимого защитного слоя, за счет чего уменьшается число наносимых слоев.

Не все лакокрасочные материалы можно наносить методом пневматического распыления с подогревом. Подходят только те, структура которых не меняется при нагревании, а покрытие образуется с высокими защитными свойствами. Широко используются нитроглифталевые, нитроцеллюлозные, битумные, глифталевые эмали и лаки, мочевинные, меламиноалкидные, перхлорвиниловые, нитроэпоксидные эмали марки ХВ-113.

Лакокрасочные покрытия, нанесенные пневматическим распылением с предварительным подогревом, по механическим и физическим свойствам и коррозионной стойкости не уступают слоям из тех же материалов, разведенных до необходимой вязкости растворителем и нанесенных распылением без подогрева (при одинаковой толщине).

Таблица1

Дефекты, возникающие при пневматическом распылении и методы их устранения

Дефект	Причина возникновения	Как устранить
Краска распыляется неравномерно (в сторону)	Сопло не отцентровано относительно головки, засор зазора между соплом и головкой	Плотно свинтить корпус и сопло, снять с краскораспылителя головку и хорошо промыть сопло
Повышенное туманообразование, струя распыляется очень сильно	Высокое давление воздуха	Необходимо отрегулировать давление воздуха
Краска подается к соплу с перебоями, прерывистый факел	Загрязнение краски, очень малое количество краски в бачке, засор сопла	Отфильтровать краску, долить в бачок ЛКМ, разобрать и хорошо промыть сопло
Струя распыляется недостаточно сильно	Утечка воздуха или пониженное давление воздуха	Осмотреть шланг подачи воздуха и воздушный клапан, увеличить давление воздуха
Из сопла в нерабочем состоянии сочится краска	Плохо отрегулирована игла (неплотно закрывает сопло), засорилось сопло	Отрегулировать положение иглы, разобрать и промыть сопло
Из головки распылителя в нерабочем состоянии выходит воздух	Изношена прокладка воздушного клапана	Заменить прокладку
Покрытие имеет шагрень	Высокая температура воздуха в окрасочном помещении, холодный воздух, высокая вязкость ЛКМ	Изменить состав растворителя и изменить температуру нагрева, добавить высококипящие растворители или подогреть воздух до комнатной температуры, отрегулировать оптимальную вязкость ЛКМ
Происходит вспучивание и отслоение покрытия	Воздух плохо очищен от масла и влаги	Очистить и продуть масловлагоотделитель
Покрытие с соринками	Краска плохо фильтруется	Отфильтровать краску в соответствии с техническими условиями

Пневматическое распыление без подогрева лакокрасочного материала

Пневматическим распылением без подогрева наносят краски, эмали и др. ЛКМ, изготовленные на основе практически всех видов пленкообразователей.

Недостатки метода:

- довольно большие затраты растворителей;

- значительные расходы лакокрасочных материалов на туманообразование (от 20 до 40%, а иногда и более);

- необходимо окрашивание проводить в специальных камерах с хорошей вентиляцией и системой очистки воздуха;

- дороговизна эксплуатации окрасочных камер.

Составные элементы установки пневматического распыления: масловлагоотделитель, централизованная линия сжатого воздуха (или же передвижной, переносной компрессор), краскопульт (краскораспылитель), шланги для подачи краски и сжатого воздуха, красконагнетательный бак с перемешивающим устройством и редуктором.

Для того чтоб получить сжатый воздух, используют передвижные компрессоры ABAC PRO A39B 200l, Elitech, Fubag, и т.п.

Рис.1. Передвижной масляный компрессор

При больших объемах окрасочных работ часто используют компрессоры СО-7А и СО-62М, т.к. они являются передвижными вертикальными, работают при повышенном давлении (6 кгс/см2), отличаются достаточно высокой производительностью (30 м3/ч).

Рис.2. Компрессор СО-7А

Предохранительный клапан у них отрегулирован на избыточное давление 8 кгс/см2. Емкость ресивера составляет 22 и 24 литра, а мощность двигателя – 3,0 и 4,0 кВт соответственно. Компрессор СО-45А, СО-45Б является переносным, поэтому более мобильный.

Рис. 3. Компрессор СО-45Б

Максимальное давление в два раза меньше, чем у вертикальных его сородичей, а производительность – в 10 раз. Мощность электродвигателя у компрессора СО-45А составляет 0,15 кВт. Ресивер отсутствует. Предохранительный клапан отрегулирован на избыточное давление 3,1 кгс/см2. А масса составляет всего 21 кг. Бесспорным преимуществом диафрагменного компрессора СО-45А является то, что он может выступать в качестве вакуум-насоса для создания разрежения (около 25 мм. рт. ст.).

Двухцилиндровые одноступенчатые поршневые компрессоры простого действия с охлаждением цилиндров при помощи воздуха могут создавать рабочее давление воздуха около 4 – 7 кгс/см2.

Одноступенчатый переносной диафрагменный компрессор СО-45А используют для распылителей лакокрасочного материала, которые работают при маленьком давлении воздуха (до 3 кгс/см2). В большинстве случаев – это аэрографы.

Масловлагоочистители могут быть подвесными (СО-15А или С-418А) или напольные (С-732) В промышленных условиях часто используют красконагнетательные баки типа СО-13, СО-12 и СО-42.

Рис.4. Красконагнетательный бак СО-13

Установка СО-13 (красконагнетательный бак) – это полностью герметичный сосуд с крышкой. Именно на крышку и монтируется арматура бака. Для того, чтобы снизить давление воздуха на краску, используется редуктор. От редуктора одна часть воздуха поступает к краскораспылителю, а другая (в которой давление пониженное) направляется к красконагнетательному баку и вытесняет краску к краскораспылителю. Если в баке создается избыточное давление, то его можно сбросить вручную, повернув винт клапана для сброса давления. Если же по каким-то причинам человек, работающий на установке, не сбросил избыточное давление, то оно сбрасывается самостоятельно при достижении давления 4,5 кгс/см2. Самостоятельный сброс давления осуществляется при помощи предохранительного клапана. Это обеспечивает дополнительную безопасность работ и сохранность изделия.

Одним из них является пневматическая турбина С-417А. Она необходима для передачи мешалке вращательного движения.

Технические характеристики турбины С-417А:

Рис. 5. Пневматическая турбина С-417А

- мощность – 0,2 л.с.;

- максимальное давление – 5 кгс/см2;

- количество оборотов холостого хода – 290 в мин.;

- диаметр шланга – 13 мм;

- расход воздуха – 0, 45 м3/ч;

- вес – 4,1 кг.

Из красконагнетательного бака к распылителю идут шланги, по которым осуществляется подача лакокрасочного материала. Шланги изготавливаются из напоровсасывающего резинотканевого рукава для масел и жидких топлив. Данный рукав производят по ГОСТ 2318-43, по типу Б – устойчивость к воздействию бензина. Гидравлическое давление при испытаниях – не меньше 20 кгс/см2, а при эксплуатации – до 7 кгс/см2. Внутри диаметр рукава может быть 9, 12 или 16 мм.

Краскораспылители

В зависимости от типа распылительной головки и принципа действия краскораспытители различают:

- высокого давления (рабочее давление от 3 до 6 кгс/см2);

- низкого давления (2,5 – 3 кгс/см2).

Также краскораспылители могут быть внутреннего или наружного смешивания. К краскораспылителям (краскопультам) высокого давления внутреннего смешивания относится С-512, который в машиностроении почти не используется. К краскораспылителям высокого давление наружного смешивания относятся следующие марки: КР1-260, JA-LYP-25G, LPH400-134LY и др.

Самое широкое распространение получил краскопульт КРУ-1. С его помощью распыляют лакокрасочные материалы, имеющие рабочую вязкость при комнатной температуре (18 – 23 °С) до 40 с по ВЗ-4.

Рис.6. Краскопульт КР1-260

Подача лакокрасочного материала к краскораспылителю может осуществляться от стакана (маленького бачка), который закреплен на нижней или верхней части краскопульта, либо же от красконагнетательного бака через нижний штуцер.

Почти все краскопульты по своей структуре аналогичны краскораспылителю типа КР1-260. Но все же, могут быть оснащены усовершенствованной распылительной головкой и иметь большее количество отверстий для воздуха (при их помощи можно менять форму факела).

Для настройки распылителя предназначены клапаны, регулирующие подачу воздуха и лакокрасочного материала. К краскораспылителям с повышенной производительностью можно отнести устройства марки ЗИЛ.

Краскораспылитель КРП-1 (игла открывается воздухом автоматически) широко используется при окраске деталей подогретым или холодным ЛКМ на поточных автоматических линиях.

Рис.7. Краскораспылитель КРП-1

Электроокрашивание (распыление в электрическом поле высокого напряжения)

Суть электроокрашивания заключается в переносе в электрическом поле высокого напряжения заряженных частиц краски. Электрическое поле создается между двумя электродами, один из которых – изделие, которое окрашивается, а другой – краскораспылительное коронирующее устройство. Изделие заземляют, а к краскораспылителю подключают высокое напряжение (зачастую отрицательное). Лакокрасочный материал подается к краскораспылителю (на коронирующую кромку), где отрицательно заряжается, и под действием электрических сил распыляется. Поток распыленного лакокрасочного материала направляется к окрашиваемому изделию и осаждается на его поверхности. Электроокрашиванием наносят защитные слои как на металлические, так и на неметаллические поверхности (резину, дерево и т.п.).

Окрашивание зачастую производят на конвейерных линиях с использованием стационарных установок или ручных краскораспылителей. Производительность процесса окраски зависит от того, какие виды краскораспылительных установок используются и сколько их. Ручные краскораспылители характеризуются достаточно маленькой производительностью, хотя имеют ряд преимуществ: небольшой расход лакокрасочного материала (отсутствие его потерь), возможность окрашивать изделия решетчатой структуры и т.д.

На стационарных установках окрашиваются детали достаточно простой формы: корпуса стиральных машин, кузова автомобилей, корпуса различных приборов, электродвигателей, холодильников и т.п

Таблица 2

Название оборудования	Характеристика оборудования

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Опишите методы нанесения красок, лаков и других лакокрасочных материалов.

2. С каким учетом выбирается методы нанесения красок, лаков и других лакокрасочных материалов?

3. Что такое пневматическое распыление?

4. Опишите метод пневматического распыления с подогревом лакокрасочного материала.

5. Какие преимущества имеет пневматическое распыление?

6. Записать технические характеристики УГО-5М.

7. Записать недостатки метода пневматическое распыление без подогрева лакокрасочного материала.

8. Перечислите элементы установки пневматического распыления.

9. Записать технические характеристики турбины С-417А.

10. Перечислите марки краскораспылителей, применение и принцип действия.

11. Опишите суть, принцип действия и применение электроокрашивания.

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

2.Лабораторный практикум по материаловедению в машиностроении и металлообработке/ под ред. В. Н. Заплатина. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. – 240 с

Практическое занятие №11.

Расчет режимов резания при механической обработке металлов на различных станках.

Цель работы:

1. Научиться определять режимы резания при токарной обработке, основные параметры, глубину, подачу, скорость резания.

2. Научиться выбирать режимы резания на практике.

3. Знать элементы режима резания при токарной обработке.

Этапы выполнения практического занятия №11:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Выписать в таблицу 1 элементы, режимы и глубину резания;

4. Вычислить скорости резания;

5. Ответить на контрольные вопросы;

6. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

При токарной обработке с заготовки за определенное число проходов снимается лишний металл, называемый припуском. В результате получается изделие заданной формы с требуемыми размерами и классом шероховатости поверхностей. В общем виде операция точения детали на токарном станке выглядит следующим образом: резец последовательно перемещается с заданной подачей вглубь металла вращающейся заготовки, при этом его режущая кромка за каждый оборот удаляет с заготовки заданную толщину металла.

Режимы резания при токарной обработке

Режимы резания при токарной обработке определяют на основании ряда технических показателей, среди которых самые значимые — это подача инструмента и частота вращения детали, закрепленной в шпинделе станка. Правильный выбор и применение режимов обработки гарантируют не только геометрическую точность и экономичность изготовления, но и сохранность детали, инструмента и оборудования, а также безопасность станочника.

Одна из главных задач технологической подготовки производства при токарных работах — это определение рациональных режимов резания. При их расчете должны учитываться особенности обрабатываемого изделия и возможности станочного парка, а также наличие соответствующего инструмента, приспособлений и оснастки. Компоновка узлов и движения, которые формируют заданную конфигурацию поверхностей агрегатов токарного станка позволяет реализовать два определяющих вида детали: вращение заготовки (главное движение) и перемещение резца вглубь и вдоль поверхности детали (подача). Поэтому основными технологическими параметрами для токарного оборудования являются:

- глубина резания;

- подача и обороты шпинделя;

- скорость резания.

Существует взаимовлияние режимов резания и основных элементов производственной экономики. Среди них самые значимые — это:

- производительность оборудования;

- качественные показатели производства;

- стоимость выпускаемых изделий;

- износ оборудования;

- стойкость инструмента;

- безопасность труда.

Рис.1. Режимы резания

Точение на предельных режимах повышает производительность токарного оборудования. Однако такая работа станков не всегда возможна и целесообразна, т.к. существуют ограничения в виде предельной мощности главного привода, жесткости и прочности обрабатываемых изделий, а также технологических параметров инструмента и оснастки.

Еще одним ограничением являются характеристики отдельных материалов. К примеру, титан и нержавеющая сталь для токарной обработки являются одними из наиболее сложных материалов и требуют особого подхода при определении параметров технологической операции.

При неправильном расчете или подборе технологических параметров работа на высоких скоростях может вызвать повышенную вибрацию и разбалансировку отдельных механизмов токарного станка. Это приводит к понижению точности и повторяемости размеров изделий. Кроме этого повышается риск поломки инструмента и выхода из строя станка.

Глубина

Припуск — это толщина металла, удаляемого токарным резцом с заготовки до достижения ею чистового размера. При обточке и расточке он удаляется поэтапно за заданное число резов. Толщина металла, удаляемого за единичный проход резца, в механообработке носит название глубина резания и измеряется в миллиметрах. В технологических расчетах и таблицах этот параметр обозначают буквой t. При операциях обточки она равна 1/2 разности диаметров перед и после обточки детали и вычисляется по формуле:

t = (D-d)/2, (1)

где t – глубина резания; D — диаметр заготовки; d – заданный диаметр детали.

При операциях подрезки — это размер слоя металла, удаляемого с торца заготовки за единичный проход резца, а при проточке и отрезке — глубина канавки.

Рис. 2 Глубина резания

В идеальном случае на удаление припуска требуется один проход резца. Но в реальности токарный процесс, как правило, включает в себя черновой и чистовой этап обработки (а для поверхностей с повышенной точностью – и получистовой). При хороших характеристиках и форме заготовки обе эти операции выполняются за два-три прохода.

Подача

Подача при токарной обработке — это длина пути при поперечном перемещении режущей кромки резца, совершаемом ей за единичный оборот шпинделя. Ее измеряют в мм/об, в технологической документации обозначают буквой S и подбирают по технологическим справочникам. Величина подачи зависит от мощности главного привода, значения t, габаритов и физических свойств обрабатываемой заготовки. При точении она рассчитывается по формуле:

S=(0,05…0,25) ×t, (2)

Производительность токарного оборудования напрямую связана с величиной подачи. При операции точения подача на токарном станке должна устанавливаться на максимально возможное число, но с учетом технологических параметров станка и применяемого инструмента. При операциях по черновому точению она зависит от мощности главного привода и устойчивости детали. А при чистовом точении основным критерием является заданный класс шероховатость поверхности.

Скорость

Скорость резания при токарной обработке — это суммарная траектория режущей кромки резца за единицу времени. Ее размерность — в м/мин, а в таблицах и расчетах ее обозначают буквой v и подбирают по технологической документации или рассчитывают по формулам. В последнем случае расчет происходит в следующей последовательности:

- вычисляется величина t;

- по справочнику выбирается значение S;

- определяется табличное значение vт;

- рассчитывается уточненное значение vут (умножением на корректирующие коэффициенты);

- с учетом скорости вращения шпинделя выбирается фактическое значение vф.

Этот параметр является одной из основных характеристик производительности металлорежущего оборудования и напрямую влияет на эксплуатационные режимы работы токарного станка, износ инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Выбор режима на практике

Расчет режимов резания при токарной обработке производится специалистами отдела главного технолога предприятия или технологического бюро цеха. Полученные результаты заносят в операционную карту, в которой приводится последовательность этапов, перечень инструмента и режимы изготовления требуемой детали на конкретном токарном станке. Заводские и цеховые технологи рассчитывают параметры технологического процесса и выбирают соответствующие инструмент и оснастку, используя конструкторские чертежи, эмпирические формулы и табличные показатели из технологических справочников. Но на практике реальные условия точения могут отличаться от нормативных по следующим причинам:

- снижение точности оборудования в результате износа;

- отклонения в геометрических размерах и физических характеристиках заготовки.

- несоответствие характеристик материала расчетным.

Рис. 3. Элементы резания при токарной обработке

Поэтому для уточнения расчетных технологических режимов применяют метод пробных проходов: точение небольших участков поверхности с подбором режимов и последующим замером геометрии и качества поверхности. Главные недостатки такой отладки технологического процесса — это возрастание трудозатрат и сверхнормативное использование производственных ресурсов. Поэтому его используют только в особых случаях:

- единичное изготовление без операционной карты;

- определение точности работы токарного оборудования перед запуском партии;

- работа с неполноценными заготовками (брак и неточность размеров);

- обточка литейных и кованых заготовок, не прошедших предварительную обдирку;

- запуск в производство изделий из новых материалов.

При первом запуске в производство нового изделия, обрабатываемого на автоматизированном оборудовании, также производят пробное точение и подбирают вручную режимы резания. Токарный станок с ЧПУ выполняет все операции по программе, поэтому оператор не всегда может корректировать параметры его работы.

Кроме углеродистых сталей на токарном оборудовании обрабатывают такие металлы как легированная сталь, чугун, титан, сплавы алюминия, бронза и другие сплавы меди. Помимо этого, такую обработку используют для точения материалов с низкой температурой плавления и воспламенения, таких как пластики и дерево. При работе с пластмассами токарные станки чаще всего применяют при обработке деталей из фоторопласта, полистирола, полиуретана, оргстекла, текстолита, а также эпоксидных и карбомидовых композитов. Все перечисленные группы материалов имеют свои особенности расчета и практического применения режимов точения. Это хорошо видно на примере токарной обработки нержавейки — самого распространенного после углеродистой стали конструкционного материала.

Нержавеющая сталь характеризуется низкой теплопроводностью, вязкостью, коррозионной стойкостью, сохранением прочности и твердости при высоких температурах, а также неравномерным упрочнением. Кроме того, в состав некоторых сортов нержавеющей стали входят легирующие добавки повышенной твердости с абразивными характеристиками. Поэтому при работе с ней на практике применяют специальные режимы точения и методы охлаждения и смазки детали.

Обработка нержавейки ведется на повышенных оборотах при уменьшенной подаче. Высокая вязкость этого материала способствует созданию непрерывной вьющейся стружки.

Для решения этой проблемы применяют резцы со стружколомом. Для отвода тепла и смазки обрабатываемой поверхности в рабочую зону подается специальная СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) на основе олеиновой кислоты. Это уменьшает, нагрев заготовки и снижает износ резца. В последнее время все чаще применяют современные методы, которые также уменьшают износ инструмента: направление в рабочую зону ультразвуковых волн и подвод к металлу слаботочных импульсов.

Вычисление скорости резания

Время точения металла (tосн, основное время) — самая затратная составляющая в суммарном времени изготовления единичного изделия. Поэтому от скорости выполнения этой технологической операции напрямую зависит экономическая эффективность использования токарного оборудования. Правильный расчет скорости резания при токарной обработке важен не только с точки зрения стоимостных показателей производственной операции. Ошибки в расчете и применении этого параметра может привести не только к браку детали, но и к повреждению токарного оборудования, оснастки и инструмента. Далее приводится последовательность расчета этого показателя для самой распространенной операции — обточки цилиндрической поверхности.

Скорость резания v имеет размерность м/мин и в общем виде вычисляется по формуле:

v = π×D×n/1000, (3)

где D — диаметр заготовки в мм; n — скорость шпинделя в об/мин.

Но на токарном оборудовании невозможно количественно задать v в качестве параметра управления. При работе на токарных станках предусмотрена регулировка только оборотов шпинделя и подачи инструмента, которые зависит не только от значения v, но и от ряда других факторов: материала детали, мощности главного привода, вида точения и характеристик режущего инструмента. Поэтому при расчете режимов в первую очередь определяют расчетные обороты шпинделя:

n = 1000×v/π×D, (4)

На основании полученного результата по таблицам справочной литературе выбирают соответствующее значение v, которое зависит глубины точения, подачи, материала, типа резца и вида операции.

Для расчета теоретической глубины резания t на основании чертежа определяют размерные характеристики детали и заготовки, а затем с учетом геометрических параметров инструмента вычисляют ее по формуле:

t = (D-d)/2, (5)

где D — диаметр заготовки; d – конечный диаметр детали.

После вычисления величины t по справочникам определяют табличное значение подачи S в мм/об. В справочных таблицах учтены: вид материала (различные стали, бронза, чугун, титан, алюминиевые сплавы), тип точения (черновое, чистовое), параметры резца и геометрия его подхода к обрабатываемой поверхности. Затем по технологическим таблицам на основании полученных величин t и S определяют vτ — табличное значение скорости резания.

Далее vτ должна быть скорректирована в соответствии с реальными условиями точения, к которым относят: период стойкости и технические параметры резца, прочностные характеристики материала, физическое состояние обрабатываемых поверхностей, геометрия резания.

Корректировка vт осуществляется с помощью группы поправочных коэффициентов:

vут = vт×К1×К2×К3×К4×К5, (6)

где vут — уточненная скорость резания; K1 — коэффициент, зависящий от времени работы резца; K2, K4 — коэффициенты, зависящие от технических параметров резца; K3 — коэффициент, зависящий от состояния обрабатываемой поверхности; K4 — коэффициент, зависящий от материала резца; K5 — коэффициент, зависящий от геометрии обработки.

После расчета vут вычисляют уточненную скорость вращения шпинделя nут по следующей формуле:

nут = 1000×vут/π×D, (7)

Значение nут должно лежать в диапазоне паспортных скоростей главного привода станка, которые приведены в заводской документации токарного оборудования. Если полученная в результате расчетов nут не имеет точного соответствия в таблицах станка, то необходимо применить ближайшее самое меньшее число.

На последнем этапе рассчитывают фактическую скорость резания vф:

vф = π×D×nут/1000, (8)

Vф напрямую связана с мощностью главного двигателя станка. Поэтому она является основным параметром при выборе конкретного типа токарного станка для обработки требуемой детали

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Что называется припуском?

2. Как выглядит операция точения на токарном станке?

3. Перечислите режимы резания.

4. Выпишите главную задачу технологической подготовки производства.

5. Выпишите основные технологические параметры для токарного оборудования.

6. Выпишите взаимовлияние режимов резания и основных элементов производственной экономики.

7. Выпишите определение токарной обработки.

8. Что такое припуск и принцип его выполнения?

9. По какой формуле вычисляется припуск?

10. Что такое подача, как ее измеряют, от чего она зависит ее величина?

11. По какой формуле рассчитывается величина подачи при точении?

12. Что такое скорость резания, ее размерность?

13. Выпишите последовательность скорости резания.

14. Выпишите причины условий точения и его недостатки?

15. Когда используют метод пробных проходов?

16. Как высчитать скорость резания и от чего она зависит, запишите ее формулу.

17. Запишите формулу скорости вращения шпенделя.

Таблица 1

Режимы резания	Элементы резания	Глубины резания

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №12.

Подбор инструментов, оборудования и режимов сверления. Цель работы: 1. Научиться подбирать инструменты, оборудование, правильно выбирать режимы сверления на сверлильных станках.

Этапы выполнения практического занятия №12:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Выписать в таблицу 1 виды сверл, область применения и их краткую характеристику;

4. Ответить на контрольные вопросы;

5. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения Типы сверл

По форме и назначению инструмент для сверления можно разделить на следующие группы:

- спиральные сверла;
- сверла - центровые;
- ложечные сверла;
- раздвижные сверла;
- долота;
- зенковки.

Для каждого отдельного случая сверления сверла подбираются в зависимости от условий обработки и предъявляемых изделию требований.
Спиральное сверло (рис. 1) состоит из хвостовик; цилиндрической или конической формы, тела и головки или рабочей части. Рабочая часть сверла затачивается под определенным углом, называемым углом заточки у вершины. Для того чтобы сверло могло резать древесину при сверлении, вершину его затачивают под определенным углом, равным 60 — 90°. Меньшие углы обычно берут для сверления мягких пород, большие — для твердых. Чем меньше угол заточки при вершине, тем быстрее тупится сверло.

Рис.1. Спиральное сверло

Такие сверла, помимо торцевых режущих кромок, имеют боковые режущие кромки, расположенные по спирали. При высверливании отверстий большой глубины в торцевых частях спиральные сверла дают хорошие результаты. В зависимости от назначения длину сверла можно сделать любой путем стыковой сварки хвостовика с рабочей частью.
Наварные удлиненные сверла широко применяются для предварительного сверления лонжеронов под (металлические узлы. Недостатком этих сверл является отсутствие подрезателя, в результате чего при сверлении древесины поперек волокон происходит вмятие волокон (особенно у мягких пород), и отверстия теряют необходимую чистоту. Как правило, эти сверла следует применять только при торцевом сверлении или при сверлении твердых пород и облагороженной древесины.

Точить спиральные сверла следует оселком с передней грани резца. Заточка не меняет диаметра сверла, поэтому сверлом можно работать до полного его износа. Качество обработки детали и производительность станка при работе спиральными сверлами значительно зависит от правильности их заточки. Винтовые сверла (рис. 2) применяются для высверливания глубоких отверстий, и торцевого сверления и представляют собою винтообразно свернутую пластинку с хвостовиком.

Рис. 2. Винтовое сверло

У вершины сверла рабочие кромки несколько оттянуты и образуют подрезатели. Резцы или лезвия располагаются симметрично по отношению к оси сверла, что дает ему хорошую устойчивость в осевом направлении и не позволяет смещаться при работе в стороны. Винтовые сверла бывают с цилиндрическим или коническим и реже квадратным хвостовиком. Сверла затачиваются напильником и затем оселком с задней грани основного резца и с внутренней стороны подрезателя.

Центровые и перовые сверла применяются для неглубокого сверления древесины поперек волокон. Эти сверла бывают двух видов. Перовые сверла с центрирующим острием (рис. 3). Рабочая часть сверла состоит из двух лезвий и двух боковых резцов.

Рис.3. Перовое сверло с центрирующим острием

Центрирующее острие служит для направления сверла при работе: боковые резцы или подрезатели подрезают волокна древесины, облегчая работу лезвий, расположенных по радиусу перки. Для нормальной работы необходимо, чтобы все элементы сверла имели определенные размеры. Длина центрирующего острия должна равняться приблизительно одной трети диаметра сверла. Боковой подрезатель должен выступать над лезвиями на 1 — 1,5 мм.
Лезвие сверла нужно затачивать личным напильником с задней стороны, а подрезатель — с внутренней. Центрирующее острие при заточке должно сохранять первоначальную форму. После заточки резцов напильником их следует править оселком.

Перовое сверло с направляющей (рис. 4) служит для сверления отверстий большого диаметра и на значительную глубину.

Рис. 4. Перовое сверло с направляющей

Направляющая здесь заменяет центрирующее острие. Этими сверлами рассверливают отверстая, предварительно просверленные спиральным сверлом небольшого диаметра. Иногда перовое сверло делают из трех частей: перки, направляющей и конуса. Каждую часть делают отдельно и после изготовления соединяют вместе, причем перку приваривают к конусу стыковой сваркой, а направляющую впрессовывают в гнездо перки. При поломке или износе направляющей ее всегда можно заменить без переделки конуса и перки. Боковой подрезатель должен выступать над основным резцом на 2 мм.
Улитообразное сверло (рис. 5) предназначается для ручного сверления древесины вдоль волокна (вторбц).

Рис. 5. Улитообразное сверло

Улитообразные сверла плохо работают при большом числе оборотов. Недостаток их в том, что при сверлении, по мере внедрения сверла из древесины, стружка с трудом удаляется из отверстия и мешает дальнейшей обработке. Улитообразные сверла затачивают с внутренней стороны брусками и оселками, имеющими скругленные края.

Пазовые сверла. Для получения продолговатых отверстий, например, гнезд, необходимо, кроме осевого перемещения сверла, еще и боковое. В этом случае режущие кромки сверла должны быть не только на торцевой, но и на боковой части сверла. Такие сверла называются продольно-сверлильными или пазовыми (рис. 6).

Рис. 6. Пазовое сверло

В зависимости от количества режущих кромок такие сверла бывают одно -, двух - и трехрезцовые. Однорезцовое сверло обладает наибольшей производительностью, но его трудно центрировать. Двухрезцовые пазовые сверла применяют для получения паза малых и средних размеров, трехрезцовые — для получения паза средних и больших размеров. Точить пазовые сверла следует оселком с передней грани.

Раздвижные сверла. Раздвижные сверла (применяют на сверлильных станках в тех случаях, когда необходимо сверлить отверстия больших диаметров или для специальных работ (вырезка кружков и шайб). Раздвижное сверло состоит из двух основных частей: державки и собственно резца. Державки могут быть двух видов: для вырезки шайб (рис. 7) и для сверления отверстий (рис. 8).

Рис. 7. Державка для вырезки шайб

Рис.8. Державка для сверления отверстий

Резец вставляют в гнездо рабочей части державки и закрепляют в нем при помощи винта; устанавливают сверло на необходимый диаметр по масштабной линейке. Державку закрепляют на рабочем валу станка или непосредственно в шпиндель станка или путем закрепления хвостовика державки в патрон. Резцы затачивают на заточном наждачном точиле и правят оселком. Д

Долото (рис. 9) применяют для получения отверстий прямоугольной формы.

Рис. 9. Долото

Долота бывают с цилиндрическим и коническим хвостовиком и состоят из тела, головки или рабочей части и хвостовика. Долото затачивают с одной стороны напильником. Ширина и форма рабочей части долота зависят от ширины гнезда.

Зенковки (рис. 10 и 11) применяют для образования гнезда под головку потайного винта, заклепку и болт.

Рис. 10. Зенковка

Рис. 11. Сверло с зенковкой

Они имеют форму рабочей части, соответствующую форме потайной головки. Иногда зенковку делают в виде муфты, нанесенной на сверло (рис.11).
Полое долото (рис. 12) представляет собой квадратную трубку, полую внутри, с четырьмя режущими кромками.

Рис. 12. Полое долото с винтовым сверлом

Во внутренней полой части долота помещается винтовое сверло, которым предварительно сверлят отверстия, при этом стружка выводится наружу.

Режимы резания

Назначение рационального режима резания при работе на станках сверлильной группы заключается в выборе такой скорости резания и подачи, при которых процесс обработки был бы наиболее производительным и экономичным. Для уменьшения основного (технологического) времени следует работать с возможно большей технологически допустимой подачей и соответствующей скоростью резания. При этом должны быть наиболее полно использованы режущая способность инструмента и его прочность, динамические возможности станка при соблюдении технических условий.

Теоретический расчет элементов режима резания производится в следующем порядке:

1. Выбирают подачу по табличным данным в зависимости от характера обработки, требуемого качества обработанной поверхности, прочности сверла и других технологических и механических данных изделия.

2. Подсчитывают скорость резания, допускаемую режущими свойствами инструмент

3. По найденной скорости подсчитывают частоту вращения. Полученную частоту вращения корректируют по паспортным данным станка (принимается ближайшая меньшая или ближайшая большая, если она не более чем 5% от расчетной).

4. Определяют действительную скорость резания, с которой будет производиться обработка.

5. Проверяют выбранные элементы режима резания по прочности слабого звена механизма главного движения и мощности электродвигателя станка.

6. Подсчитывают основное (технологическое) время обработки.

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. На какие группы можно разделить инструменты для сверления по форме и назначению?

2. Из чего состоит спиральное сверло и где применяется?

3. Что является недостатком спирального сверла?

4. Как точат спиральные сверла?

5. Из чего состоит винтовое сверло и где применяется?

6. Виды винтового сверла, чем затачиваются?

7. Виды перового сверла и область применения?

8. Как точат перовое сверло?

9. Улитообразное сверло, его преимущества и недостатки, как затачивают?

10. Виды пазового сверла, область применения, чем затачивают?

11. Раздвижное сверло, виды, область применения, чем затачивают?

12. Виды долото, область применения и как затачивают?

13. Зенковки применения и виды.

14. Назначения режимов резания.

15. Как производится теоретический расчет режимов резания?

Таблица 1

Названия сверл	Краткая характеристика	Область применения

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Практическое занятие №13

Подбор инструментов, оборудования и режимов для фрезерования

Цель работы:

1. Научиться правильно, подбирать инструменты, виды оборудования для работы на фрезеровальных станках.

Этапы выполнения практического занятия №13:

1. Записать название работы;

2. Выписать цель работы;

3. Выписать в таблицу 1 типы фрез, назначение углы резания;

4. Ответить на контрольные вопросы;

5. По цели работы записать вывод по практическому занятию.

Основные положения

Сущность процесса фрезерования

Фрезерование — процесс резания металла, осуществляемый вращающимся режущим инструментом при одновременной линейной подаче заготовки. Материал с заготовки снимают на определенную глубину фрезой, работающей либо торцовой стороной, либо периферией. Главным движением при фрезеровании является вращение фрезы v (рис. 1). Скорость главного движения определяет скорость вращения фрезы. Движением подачи s при фрезеровании является поступательное перемещение обрабатываемой заготовки в продольном, поперечном или вертикальном направлениях.

Рис. 1. Схемы фрезерования:

а — цилиндрическое, б и в—торцовое фрезерование; 1—обработанная поверхность, 2-ось вращения фрезы, 3 — обрабатываемая поверхность, 4— стружка, 5 — заготовка, 6 — нож фрезы.

Процесс фрезерования является прерывистым процессом. Каждый зуб фрезы снимает дружку переменной толщины. Операции фрезерования могут быть подразделены на два типа: а) цилиндрическое фрезерование (рис. 1, а); б) торцовое фрезерование (рис. 1, б и в).

При цилиндрическом фрезеровании резание осуществляется зубьями, расположенными на периферии фрезы, и обработанная поверхность 1 является плоскостью, параллельной оси вращения фрезы 2.

На рис. 1, а показана фреза с прямым зубом. Наряду с прямозубыми применяются фрезы с винтовыми зубьями (рис .2).

Рис. 2. Фрезерование цилиндрической винтовой фрезой:

где, В — ширина фрезерования, t — глубина фрезерования, s— наибольшая толщина среза

При торцовом фрезеровании (см. рис. 1) резание осуществляется периферийными и торцовыми режущими кромками зубьев. Толщина среза увеличивается к центру среза и уменьшается в месте выхода фрезы из контакта с заготовкой. Начальная и конечная толщина среза зависит от отношения ширины заготовки к диаметру фрезы. Изменение толщины среза зависит также от симметричности расположения фрезы относительно заготовки. Большинство других процессов фрезерования являются комбинацией цилиндрического и торцового методов фрезерования.

Особенности стружкообразования при фрезеровании

Процесс образования стружки при фрезеровании сопровождается теми же явлениями, что и при точении. Это деформации, теплообразование, образование нароста, вибрации, износ инструмента и др. Но при фрезеровании имеются свои особенности. Резец при точении находится под постоянным действием стружки вдоль всей длины обработки. При фрезеровании зуб за один оборот фрезы находится под действием стружки незначительное время. Большую часть оборота зуб не участвует в резании, за это время он охлаждается, что положительно отражается на его стойкости. Вход зуба в контакт с обрабатываемой заготовкой сопровождается ударом о его режущую кромку; ударная нагрузка снижает стойкость зуб; фрезы.

Фрезерование против подачи и по подаче

При фрезеровании цилиндрическими и дисковыми фрезами различают встречное фрезерование — против подачи и попутное—фрезерование по подаче. Когда окружная скорость фрезы противоположна направлению подачи (рис. 3, а), процесс толщина среза изменяется от нуля (в точке А) до максимальной величины при выходе зуба из контакта с заготовкой (в точке В).

Рис. 3. Фрезерование против подачи (а) и по подаче (б) фрезерования называется встречным.

Когда направление окружной скорости фрезы и скорости подачи совпадают (рис. 3,б), процесс фрезерования называется «попутным» фрезерованием. При этом способе фрезерования толщина среза изменяется от максимального значения в точке В в начале входа зуба в контакт с заготовкой до нуля в точке А (при выходе зуба из контакта с заготовкой).

Встречное фрезерование характеризуется тем, что нагрузка на зуб увеличивается постепенно, так как толщина среза изменяется от нуля при входе до максимума при выходе зуба из заготовки. Зуб фрезы работает из-под корки, выламывая корку снизу, фреза «отрывает» заготовку от стола, приподнимая вместе с ней и стол станка, увеличивая зазоры между направляющими стола и станины, что при значительных нагрузках приводит к дрожанию и увеличению шероховатости обработанной поверхности.

При попутном фрезеровании заготовка прижимается к столу, выбирая имеющиеся зазоры в направляющих стола и станины. Зуб фрезы начинает работать с наибольшей толщиной и сразу подвергается максимальной нагрузке.

Устройство фрез и их назначение

Фреза — многозубый инструмент, представляющий собой тело вращения, на образующей поверхности которого, а иногда на торце расположены режущие зубья. На рис. 4 показаны основные типы фрез и поверхности, которые ими обрабатывают.

Рис. 4. Типы фрез и виды фрезерования:

а — цилиндрические, б — торцовые, виг— дисковые, д — прорезные н отрезные, г и ж - концевые

Фрезы с неперетачиваемыми твердосплавными пластинками. В последнее время все большее распространение получают фрезы с неперетачиваемыми поворотными пластинками, обеспечивающие большой съем металла в единицу времени, быстроту и простоту обращения с инструментом, требуемое качество обработанной поверхности и надежность в работе благодаря прочной режущей кромке.

Рис.5. Набор фрез с неперетачиваемыми пластинками

а— торцовая, б — цилиндрическая, в — концевая и г—дисковая

Для обеспечения требуемой осевой размерной точности используется установка пластинок в корпусе фрезы по трем точкам (рис. 6). Способ установки пластинок по трем точкам позволяет добиться геометрически однозначной установки пластинки во фрезе.

Рис. 6. Метод установки твердосплавных пластинок на три точки

Форма и элементы зуба.

Фрезы делаются с остроконечными (рис. 7. а) или затылованными зубьями (рис. 7,б). Известны три типа остроконечных зубьев: трапецеидальная форма (рис. 8, а), параболическая (рис. 8, б) и с двойной спинкой (рис. 8, в). Зуб трапецеидальной формы определяется углом .

Рис. 7. Типы фрез

Рис. 8. Типы остроконечных фрез

Зубья трапецеидальной формы просты в изготовлении, но несколько ослаблены. Параболическая форма обладает равнопрочностью всех сечений пути на изгиб. Остроконечные зубья обладают стойкостью в 1,5—3 раза выше стойкости фрез с затылованными зубьями, простотой в изготовлении, обеспечивают низкую шероховатость обработанной поверхности детали. Остроконечная форма используется в основном для фрез общего назначения. На (рис. 7,б) показана фреза с затылованным зубом. Задняя поверхность зуба имеет криволинейную форму обычно в виде архимедовой спирали.

Режущие зубья фрез могут быть расположены как на цилиндрической поверхности, так и на торце. Зуб цилиндрической фрезы можно сравнить с простым резцом. Обозначения поверхностей режущих кромок и других элементов зубьев аналогичны названиям и обозначениям резца б (рис. 9,2, 3 и 4}. Поверхность 1, по которой сходит стружка, называется передней поверхностью зуба.

Рис. 9. Сравнение формы и элементов резца н зуба фрезы

Поверхность 4, обращенная при резании к поверхности резания, называется задней поверхностью зуба. Поверхность 5, смежная с передней и задней поверхностями соседних зубьев, называется спинкой зуба. Режущая кромка 2 есть линия, образованная передней и задней поверхностями зуба.

На рис. 10 показаны геометрические элементы режущей части фрезы. Главный передний угол у может быть положительным и отрицательным (рис. 10, а и б). У цилиндрических фрез из быстрорежущих сталей угол у принимают в пределах 10—20°, у торцовых и дисковых фрез с твердосплавными пластинками угол =+5 — -10°.

Главный задний угол, а у фрез из быстрорежущих сталей равен 12—30°. У торцовых фрез с твердосплавными пластинками угол, а равен 6-15°.

Главный угол в плане (рис. 10) влияет на толщину и ширину среза (при одной и той же подаче и глубине), на соотношение составляющих сил, действующих на фрезу, на стойкость фрезы и качество обработанной поверхности.

Рис. 10. Геометрические параметры режущей части фрезы

Главный угол в плане принимают обычно равным 45— 60°. Меньшие значения угла (10— 30°) используются при наличии станков повышенной жесткости и виброустойчивости.

Элементы срезаемого слоя (толщина, ширина и поперечное сечение). Толщиной среза, а (рис, 11) при фрезеровании называется расстояние между двумя последовательными положениями линии контакта соответствующих точек режущих кромок двух соседних зубьев с обрабатываемой заготовкой.

Рис. 11. Элементы срезаемого слоя при фрезеровании цилиндрической прямозубой фрезой

Элементы режима резания

Скорость резания при фрезеровании—это длина пути (в м), которую проходит за одну минуту наиболее удаленная от оси вращения точка главной режущей кромки.

При фрезеровании различают подачи: на зуб, на оборот и минутную подачу.

Подачей на зуб (sz мм/зуб) называется величина перемещения заготовки или фрезы за время поворота фрезы на один шаг, т. е. на угол между двумя соседними зубьями. На рис. 12 показаны срезы стружки, снимаемой зубьями 1, 2, 3, 4,…,8, соответствующие подачам s1, s2, s3,..., s8.

Рис. 12. Виды подач

Подачей на оборот (s0, мм/об) называется величина перемещения детали (или фрезы) за время одного полного оборота фрезы. Подача за один оборот равняется подаче на зуб, умноженной на число зубьев фрезы: s0=szz, где z— число зубьев фрезы.

На рис. 12 величина подачи за один оборот соответствует сумме восьми подач на зуб.

Минутной подачей (sм. мм/мин) называется величина перемещения детали (или фрезы) в процессе резания за одну минуту. Минутная подача измеряется в мм/мин:

sм=s0n или sм=szzn

Глубиной фрезерования (t) называется расстояние между обработанной и обрабатываемой поверхностями (см. рис. 2,4).

Шириной фрезерования (В) называется ширина обработанной за один рабочий ход поверхности.

На рис. 4 показаны примеры обозначений глубины и ширины в зависимости от вида работ.

Силы резания н мощность при фрезеровании

Рис. 13. Составляющие силы резания при цилиндрическом фрезеровании

Для прямозубой цилиндрической фрезы (рис. 13) равнодействующую силу резания Р всех одновременно режущих зубьев фрезы можно разложить «на окружную составляющую Рz, направленную по касательной к траектории движения точки на лезвии фрезы (перпендикулярно радиусу), и радиальную составляющую Ру, направленную по радиусам.

Равнодействующую силу R по правилу параллелограмма можно разложить на две взаимно перпендикулярные составляющие: горизонтальную и вертикальную.

Окружная составляющая сила резания Рz оказывает влияние на мощность резания. Горизонтальная составляющая силы резания Рh воздействует на механизм подачи стола фрезерного станка. Вертикальная составляющая силы резания Рv стремится отжать стол при фрезеровании против подачи (рис. 13, д), а при фрезеровании по подаче (рис. 13, б) — прижать стол к направляющим.

Мощность (Вт), необходимая для осуществления процесса резания, равна произведению окружной составляющей силы резания Pz на скорость резания:

Контрольные вопросы для самопроверки:

1. Описать сущность процесса фрезеровки.

2. Описать виды фрезерования.

3. Описать процесс образовании стружки при фрезеровании.

4. Охарактеризовать фрезерование по подаче и против подачи.

5. Описать устройство фрез и их назначение.

6. Охарактеризуйте формы и типы фрез.

7. Опишите геометрические элементы режущей части фрезы.

8. Что такое скорость резания?

9. Что называется подачей на зуб?

10. Что называется подачей наоборот?

11. Что называется минутной подачей?

12. Что называется глубиной фрезерования?

13. Что называется шириной фрезерования?

Таблица 1

Типы фрез	Назначение фрез	Углы резания фрез

Критерии оценки: Уровень освоения обучающегося учебного материала и дополнительной литературы.

Критерии	Количество баллов
Оформление теоретической части	2 балла
Выполнение практической части	2 балла
Полнота ответов на контрольные вопросы	2 балла

«5» - 6 баллов;

«4» - 5-4 балла;

«3» - 3-2 балла;

«2» - 1 балл.

Литература:

4.Черепахин А.А., Материаловедение: учебник/ А.А. Черепахин. – М.: ОИЦ «Академия», 2014. – 320 с.

Электронные издания (электронные ресурсы):

3.Издательский центр «Академия» [Электронный ресурс] : сайт. – Москва, 2016. – Режим доступа: http://www.academia-moscow.ru/;

Дополнительные источники:

Марка стали

Название сплава

Классификация

Химический

состав, свойства

Назначение

Сталь: углеродистая, легированная, обыкновенного качества, качественная, высококачественная, спокойная, полуспокойная, кипящая, конструкционная, шарикоподшипниковая, инструментальная

Чугун

серый, ковкий, высокопрочный