Текст книги "Лабораторный практикум по материаловедению"

Технологические свойства металлов

Литейные свойства. Принята оценка характеристик литейных свойств в виде относительных величин коэффициентов, равных отношению показателей для изучаемого и эталонного материала, определенных по единым методикам. В качестве эталона взята сталь марки ЗОЛ. Для оценки технологичности приняты следующие показатели:

К_ж.т. – показатель жидкотекучести (равен отношению значений жидкотекучести данного материала и эталона);

К_т.у. – показатель трещиноустойчивости (равен отношению трещиноустойчивости данного материала и эталона);

К_у.р. – показатель склонности к образованию усадочных раковин (равен отношению объемов усадочной раковины в отливке из данного материала и эталона).

Жидкотекучесть определена по спиралевидной пробе. Длина залитой спирали в сантиметрах выражает жидкотекучесть материала.

Линейная усадка определена на приборе конструкции Большакова.

Склонность стали к образованию усадочных раковин и пор определена на цилиндрическом образце, переходящем в верхней части в усеченный конус.

Усадочная пористость определена по объему пористой зоны.

Трещиноустойчивость определена на приборе конструкции ЦНИИТМАШ. Прибор показывает стойкость стали против появления горячих трещин, которые образуются вследствие заторможенной усадки образцов.

Литейные свойства определены при температуре на 50–70 °С выше начала затвердевания стали.

Ковочные свойства. Для характеристики ковочных свойств приводятся механические свойства в зависимости от температуры испытания в интервале ковочных температур и критерий ковкости. Помимо ковочных свойств приводятся температурные параметры ковки и условия охлаждения преимущественно крупных поковок, откованных как из слитков, так и из заготовок.

Критерий ковкости, являющийся комплексным показателем, характеризует способность металла к ковке

При Kψ < 0,01 сталь (сплав) не куется, при 0,01 < Kψ < 0,3 – ковкость низкая, при 0,3 < Kψ < 0,8 – ковкость удовлетворительная, при 0,8 < Kψ < < 2 – ковкость хорошая, при Kψ > 2 – ковкость отличная.

Приведенная максимальная температура нагрева металла перед ковкой является максимально допустимой температурой нагрева металла в печи, причем для сталей марок 20Х1М1Ф1ТР (ЭП 182), 25Х1МФ (ЭИ 10), 20Х1М1Ф1БР (ЭП 44), 15Х5М (Х5М), 15X11МФ (14Х1ГМФ, ЦТ 1), 0ХН70ВМТЮ (ЭИ 617), 40Х9С2 (ЭСХ 8), 08X13 (ЭИ 496), 20ХГНР, 40X13 (4X13), 08Х18НЮТ (ЭИ 914) указана температура сварочной зоны, а для сталей марок 36Х18Н25С2 (ЭЯ ЗС) и 08Х16Н9М2 (Х16Н9М2) – температура томильной зоны печи.

Приведенные температурные интервалы ковки являются наиболее широкими, а режимы охлаждения – ускоренными, которые достигнуты отдельными передовыми заводами.

Использование на других заводах рекомендуемых параметров, а также назначение рациональной температуры нагрева металла и условий охлаждения поковок возможно только после предварительного опробования и соответствующей корректировки с учетом местных условий, металлургической технологии, объема ковочных работ, размера поковок, величины усадки, состояния печного оборудования и др. Рекомендуемые условия охлаждения металла после ковки в ряде случаев не заменяют режимов предварительной термической обработки поковок.

Указанные рекомендации составлены на основании действующих заводских технологических инструкций и нормалей, а механические свойства при ковочных температурах – по данным литературных источников и результатов исследований, проведенных в различных организациях.

Механическая обработка. Обрабатываемость сталей и сплавов резанием рассматривалась с точки зрения влияния свойств этих материалов на способность изнашивать режущий инструмент.

Обрабатываемость резанием сталей и сплавов определена для условий получистового точения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами Т5К10, ВК8 (для аустенитных сталей сплавов на никелевой основе), резцами из быстрорежущей стали марок Р18 (63–65 HRC) и равной ей по свойствам мало вольфрамовой стали Р6М5Ф2 (64–66 HRC) при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи на оборот 0,2 мм и главного угла в плане 60°.

Обрабатываемость сталей и сплавов резанием оценена по скорости резания, соответствующей 60-минутной стойкости резцов, выражена коэффициентом K_v для условий точения твердосплавным инструментом и инструментами из быстрорежущей стали по отношению к эталонной стали. В качестве эталонной стали принята углеродистая сталь 45 (179 НВ и ст_в = 650 Н/мм²), скорость резания которой взята за единицу. Коэффициент твердосплавными резцами, где v₆₀ – скорость резания, соответствующая 60-минутной стойкости резцов при точении данного материала, м/мин; 145 – значение скорости резания при 60-минутной стойкости твердосплавных резцов при точении эталонной стали марки 45.

Коэффициент обрабатываемости K_v для условий точения резцами из быстрорежущей стали: где 70 – значение скорости резания при 60– минутной стойкости быстрорежущих резцов при точении эталонной стали марки 45. Для принятых условий резания абсолютное значение скорости резания V данной стали (сплава) определяется умножением ее коэффициента K_v на соответствующее значение эталонной стали 45.

Приведенные данные по характеристике обрабатываемости резанием различных марок сталей и сплавов указывают на низкую обрабатываемость высокомарганцовистых высокопрочных сталей, жаропрочных сплавов на железонике левой и никелевой основах в деформированном и особенно в литом состояниях, что обусловливает повышенную трудоемкость технологических операций механической обработки деталей из этих материалов.

Комплекс работ, проведенных ЦНИИТМАШ, по изысканию путей и средств повышения обрабатываемости резанием сталей и сплавов указывает, что это повышение может быть достигнуто за счет:

1) увеличения работоспособности режущего инструмента путем применения высокопроизводительных инструментальных материалов: твердых сплавов повышенной износостойкости марок ВК60М, ВКЮОМ, ВКЮХОМ, а также сплавов титановольфрамовой группы ТТ10К8, ТТ20К6;

2) рационального использования быстрорежущих сталей повышенной теплостойкости марок Р6М5К5, Р9М4К8, а также полученных методом порошковой металлургии марок Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП и др. Указанное обеспечивает повышение обрабатываемости труднообрабатываемых материалов на 20–30%;

3) нанесения износостойких покрытий на рабочие поверхности инструмента;

4) использования эффективных экологически чистых водосмешиваемых эмульсий, синтетических и полусинтетических жидкостей (Ивкат, СЦМ, Тафол, Эфтол, Автокат, Ивхон, Прогресс 13К и др.), а также жидкостей на масляной основе (ГСВ-1, Сульфогол, СП 44), применение которых позволяет повысить износостойкость инструмента и снизить шероховатость обработанных поверхностей;

5) использования при резании труднообрабатываемых материалов методов с вводом дополнительных энергий в зону резания (подогрев срезаемого слоя, обработка с вибрациями и др.);

6) применения металлургических способов путем введения в поверхностный слой заготовок (при их выплавке) несколько повышенного процентного содержания химических элементов серы и фосфора, что позволяет увеличить эффективность черновой обработки крупных заготовок из углеродистых и легированных конструкционных сталей.

При анализе уровня обрабатываемости и определения коэффициентов для приведенных выше условий получистового точения использованы справочные материалы, опубликованные в технической литературе, результаты научно-исследовательских работ, выполненных в ЦНИИТМАШ, научно-исследовательских организациях других отраслей, а также опыт ведущих заводов машиностроения. Для отдельных марок сталей использованы расчетные методы определения обрабатываемости резанием исходя из их физико-механических характеристик и химического состава.

Сварка. Свариваемость сталей и сплавов является комплексной характеристикой, определяющейся, с одной стороны, технологическими трудностями, возникающими при сварке, и с другой – эксплуатационной надежностью сварных соединений.

Характеристики так называемой технологической свариваемости, по которой материал условно разделен на следующие 4 группы:

– свариваемый без ограничений (при сварке нет необходимости применения каких-либо дополнительных технологических операций, например подогрева, промежуточной термообработки и т. п.);

– ограниченно свариваемый (при сварке рекомендуются или необходимы дополнительные операции);

– трудно свариваемый (невозможно получить качественное соединение без обязательного применения дополнительных операций);

– не применяемый для сварных конструкций.

Характеристика свариваемости состоит из трех частей:

– группа свариваемости материала.

– рекомендуемые способы сварки.

– необходимость дополнительных технологических операций при сварке.

Группа свариваемости определяется химическим составом материала, степенью разработки технологических приемов сварки и освоения в производственных условиях. Способы сварки являются рекомендуемыми, возможно использование и других.

Под технологическими дополнительными операциями подразумевается ряд мер, необходимых при сварке II и III групп материалов, а в особых случаях и для I группы. К их числу относятся: необходимость предварительного и сопутствующего подогрева, проковка швов, наложение отжигающих валиков, ограничение скоростей нагрева и охлаждения при сварке, вылеживание после сварки, немедленная после сварки термообработка и пр.

Назначение таких операций зависит от принятой технологии сварки и рада других причин, объяснение которых дается в соответствующей технической литературе.

Необходимость подогрева при сварке и последующей термообработке приводится в характеристиках свариваемости. Другие операции, примеры которых были приведены выше, определяются при разработке технологического процесса сварки.

Приняты следующие условные обозначения способов сварки (см. Сборник нормативных документов системы аттестации сварщиков и специалистов сварочного производства, под ред. Котельникова B.C.М., Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999):

РД – ручная дуговая сварка покрытыми электродами;

РАД – ручная аргонодуговая сварка неплавящимся электродом;

МП – механизированная сварка плавящимся электродом в среде углекислого газа;

АФ – автоматическая сварка под флюсом;

ЭШ – электрошлаковая сварка;

ЭЛ – электроннолучевая сварка;

КТ – контактная сварка.

Необходимость подогрева и последующей термообработки может возникнуть при сварке металла больших толщин из углеродистых, низколегированных и других марок стали (что в формулировках свариваемости не отмечается).

Толщина соединений, с которой необходимы подогрев и термообработка, регламентируется соответствующими инструкциями отраслевых производств.

В табл. 5 и 6 приведены в качестве примера некоторые РД 2730.940.102–92 «Котлы паровые и водогрейные, трубопроводы пара и горячей воды. Сварные соединения. Общие требования», которые могут служить в качестве ориентировочных данных для выбора и назначения режимов подогрева и термообработки сварных соединений.

Режимы подогрева (и термообработки) должны выбираться в зависимости от ряда условий: толщины, жесткости конструкции, содержания углерода и легирующих элементов, интенсивности теплоотвода и т. д. Имеет также значение и применяемый способ сварки. Так, для КТ подогрев и последующая термообработка применяются редко из-за относительно небольших свариваемых сечений и технологических особенностей сварки. Способ РАД применяется чаще всего при сварке деталей тонких сечений, где обычно подогрев не требуется.

При сварке под флюсом, газоэлектрической и ручной дуговой сварке подогрев необходим для некоторых марок низколегированных, легированных (кроме сталей аустенитного класса) и углеродистых (при содержании углерода выше 0,22 %) сталей.

Таблица 4

Значения температур подогрева при сварке

Таблица 5

Примерные режимы термообработки сварных соединений

Необходимость предварительного подогрева перед началом сварки зависит также от свариваемых толщин и технологии выполнения сварки («на проход», «горкой», «каскадом» и т. д.).

Режимы термообработки для сварных соединений конструкций из снижения твердости сварных соединений – высокотемпературный отпуск; выравнивания свойств и улучшения структуры (например, после ЭШ) – нормализация, полной термообработки – закалка с отпуском.

При определении режимов термообработки необходимо принимать во внимание марку стали, назначение конструкции, возникновение деформаций, допустимый уровень остаточных напряжений и т. д.

Необходимость термообработки обычно указывают в ТУ на деталь. Если этого нет, то можно руководствоваться следующим: низкоуглеродистые и низколегированные стали подвергаются термообработке в зависимости от назначения конструкции (степени ответственности), при сварке толщины свыше 60 мм для углеродистых и среднелегированных марок сталей необходима немедленная термообработка.

Если по условиям изготовления термообработка невозможна, то технологическим процессом должны быть предусмотрены операции для снижения уровня напряжений до безопасной величины (например, проковка, сварка поперечной горкой, правильный выбор режимов и материалов).

В табл. 6 приведены принятые режимы термообработки сварных соединений для некоторых марок сталей.

Техника безопасности при выполнении лабораторных работ

Лабораторные работы проводятся после изучения студентами теоретического материала. В начале лабораторных занятий преподаватель дает вводную информацию, обращая особое внимание на охрану труда и пожарную безопасность, на порядок проведения и защиты лабораторных работ. Перед выполнением каждой работы дается дополнительная информация по ее содержанию и охране труда, проводится знакомство студентов с оборудованием, приборами и материалами.

В некоторых работах студенты выполняют только часть общего исследовательского комплекса, например получают зависимость температуры отпуска на твердость только для одного образца стали. Далее материал, полученный всеми звеньями студентов, объединяется, и каждый студент строит график влияния температуры отпуска на твердость стали.

В методических указаниях по каждой лабораторной работе дается форма отчета, в которой приводятся порядок проведения и варианты (номер варианта совпадает с порядковым номером фамилии студента в учебном журнале) выполнения индивидуальных заданий, формулы по технологическим расчетам и обработке результатов исследования.

Каждый студент представляет индивидуальный отчет в конце занятия или на следующем лабораторном занятии защищает его. При защите учитываются: полнота и содержание отчета, уровень практического и теоретического усвоения материала, знания особенностей используемого оборудования, материалов и технологии. Часть лабораторных работ защищается тестами.

Для каждой лабораторной работы указывается цель и порядок ее выполнения, дается перечень оборудования и приборов, имеющихся в лаборатории на момент издания лабораторного практикума, поэтому возможны некоторые изменения, связанные с совершенствованием работ по мере развития лабораторной базы.

В соответствии с нормами техники безопасности в лаборатории сварки и материаловедения выполнены следующие мероприятия:

• организованы рабочие места в соответствии с требованиями охраны труда и противопожарной безопасности;

• обеспечен необходимый уровень освещенности рабочих мест;

• выполнен контур заземления технологического оборудования;

• приобретены медицинская аптечка и огнетушитель.

Опасными моментами, которые могут привести к травматизму в лаборатории, являются:

• электрическая сеть переменного тока напряжением 380 и 220 В;

• сосуды высокого давления;

• искры и раскаленный металл при резке, пайке и сварке, термической и механической обработке;

• горючие газы;

• световая радиация при сварке;

• ударные механизмы;

• падение на пол тяжелых деталей и образцов металла;

• высокотемпературная плазма и газовый факел;

• вращающиеся детали сварочных аппаратов, высокоскоростные шлифовальные круги.

На первом занятии преподавателем проводится общий инструктаж по технике безопасности проведения лабораторных работ. Перед началом каждой работы – более конкретный дополнительный инструктаж с указанием возможных опасностей и предотвращения их последствий.

Не допускается:

• без разрешения преподавателя или учебного мастера включать оборудование и приборы;

• устанавливать на маятниковый копер образец металла руками и без надежной фиксации маятника стопором;

• находиться в плоскости движения маятника во избежание поражения маятником или осколками образца;

• проводить любые ремонтные работы оборудования или приборов;

• прикасаться незащищенными руками к токопроводящим частям оборудования;

• прикасаться к частям токонепроводящего оборудования в случае обнаружения на нем напряжения;

• класть образцы металла на край стола;

• устанавливать баллоны высокого давления вблизи внешних источников тепла;

• ударять баллоны;

• направлять в сторону окружающих людей плазменную струю и газовый факел;

• стоять напротив вращающегося шлифовального круга отрезной машины.

Нужно знать и выполнять:

1. Каждый студент должен четко знать свои обязанности при выполнении комплекса замеров (при сварках: электродуговой, электроконтактной, в среде защитных газов и в других работах).

2. Для защиты глаз от светового излучения электрической дуги необходимо пользоваться сварочной маской или светозащитным щитком.

3. Перед включением маятникового копра или перед началом сварки необходимо предупреждать окружающих. Сваренные детали следует брать руками только после их охлаждения на воздухе.

4. При закалке и отпуске образцы раскаленного металла из муфельной печи брать специальными щипцами, предупредив окружающих об опасности поражения раскаленным металлом.

5. При поражении электрическим током пострадавшему оказать медицинскую помощь. Прежде всего необходимо отсоединить его от электрической сети (выключить общий рубильник в лаборатории или автомат сварочного аппарата). Если пострадавший потерял сознание, то нужно немедленно вызвать скорую помощь, а до ее прибытия делать пострадавшему искусственное дыхание.

Количество опытов и ошибка измерений

Количество опытов определяется допустимой ошибкой измерений, соответствующей принятому уровню значимости.

В результате измерений возникают ошибки, которые по своей природе можно разделить на три группы:

– систематические, величина которых устойчиво наблюдается во всех измерениях (например, взвешивание неточными гирями);

– случайные, обязанные своим происхождением ряду причин, действие которых неодинаково в каждом опыте и не может быть учтено (температура, влажность, давление, запыленность воздуха и др.);

– промахи, вызванные недостаточной квалификацией экспериментатора (отсутствие опыта, неправильная запись, утомляемость, дискомфортные природно-климатические и организационные условия и др.).

Измерение физической величины может осуществляться двумя способами:

• прямым (измеряемая величина сравнивается с мерой этой величины; например, длина кирпича определяется делениями линейки);

• косвенным (искомую величину вычисляют на основании измерений других физических величин и известных соотношений между измеренной и искомой величинами; например, влажность древесины определяют путем измерения ее диэлектрической проницаемости).

Точностью прибора (инструмента) называют степень достоверности его показаний, которая оценивается допустимой погрешностью. Для контрольно-измерительных приборов установлено восемь классов точности по приведенной погрешности прибора δ_пр, т. е. по отношению абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения в процентах:

0,05; 0,1 и 0,2 – для образцовых приборов;

0,5; 1,0 и 1,5 – для лабораторных приборов;

2,5 и 4,0 – для технических приборов.

Так, если вольтметр, имеющий класс точности 1,5 и измерительную шкалу 0–150 В, показывает U_i = 80 В, то при δ_пр= 1,5% абсолютная предельная ошибка измерения △_пр = 1,5_•80/150 = 0,8 В. Следовательно, действительное значение измеренной величины будет в пределах U_д= 80 ± 0,8 В.

Результаты каждого измерения являются случайной величиной. Для получения более точной оценки измеряемой величины следует либо повысить точность каждого отдельного измерения, либо увеличить количество опытов, либо выполнить оба этих условия.

Разброс результатов опытов подчиняется закономерностям распределения случайных величин.

Истинное значение x_ист можно определить только при бесконечном количестве опытов, поэтому в практике используется среднее значение измеряемой величины по результатам ограниченной выборки:

где n – число измерений; x_i – результат i-го измерения.

Абсолютная погрешность отдельного i-го измерения △x_i – это разность между результатом i-го измерения фактической величины x_i и истинным x_ист значением ее:

На практике за ошибку измерения △x_i принимают разность между измеренным и ее средним значением:

Мерой рассеяния единичных результатов измерений одной и той же физической величины служит среднее квадратическое отклонение, определяемое по формуле:

Распределение случайных величин вокруг некоторого среднего их значения зависит от природы физических величин и во многих случаях подчиняется закону нормального распределения, особенно при большом количестве единичных измерений, основными свойствами которого являются:

1. Большая часть результатов измерений находится «вблизи» среднего значения. Так, в интервале x±σ находится 68 % результатов измерений, т. е. почти 2/3, а при разбросе в пределах x±3σ находятся почти все (99,73 %) результаты.

3. Результаты как положительных, так и отрицательных значений △x_i равновероятны (симметричность дифференциальной функции).

Относительная мера рассеяния случайной величины оценивается коэффициентом вариации

которым принято характеризовать однородность качественных показателей продукции.

Коэффициент вариации может использоваться для определения доверительной вероятности попадания среднего значения случайной величины на участок распределения, на котором находится ее математическое ожидание.

Доверительная вероятность при научных исследованиях принимается не менее 0,9, а при производственных испытаниях – менее 0,8.

Необходимое количество опытов (измерений) при этом зависит от допустимого уровня значимости, назначаемого с учетом производственных и иных факторов, доверительной вероятности и максимальной допускаемой ошибки измерения.

В случае превышения 10-процентного разброса между их максимальным и минимальным значениями проводятся дополнительные измерения, а «выскакивающее» значение не учитывается при определении средней величины.