Испытание или анализа для определения свойства или структуры образца

Задание 1

Выберите способ испытание  или анализа для определения свойства или структуры образца, указанной в таблице 1 по вашему варианту.

Обоснуйте выбор или опишите этот способ испытания или анализа, проанализируйте характеристики образца, указанного в вашем варианте; его форму, размеры, материал, состояние, а по материалу состояния возможное значения свойств; выберите условия испытания или анализа конкретно для данного образца, проведите анализ испытания и подберите необходимый для опыта материал; оформите ответ в тетради.

Марка AISI304 является наиболее универсальной и наиболее широко используемой из всех марок нержавеющих сталей. Её химический состав, механические свойства, свариваемость и сопротивление коррозии/окислению обеспечивает лучший выбор в большинстве Приложений за относительно низкую цену. Эта сталь также имеет превосходные низкотемпературные свойства. Если межкристаллическая коррозия происходит в зоне высоких температур, так же рекомендуется ее применение. Область применения 304 используется  во всех индустриальных, коммерческих  и внутренних областях из-за  ее хорошей антикоррозийной и  температурной устойчивости. Вот  некоторые ее применения: Резервуары(Танки) и контейнеры для большого разнообразия жидкостей и сухих веществ; Промышленное оборудование в горнодобывающей, химической, криогенной, пищевой, молочной и фармацевтических отраслях промышленности. Дифференциация  марки 304 При производстве стали  могут быть заданы следующие особые свойства, что предопределяет ее применение или дальнейшую обработку: Улучшенная свариваемость Глубокая вытяжка, Ротационная вытяжка Формовка растяжением Повышенная прочность, Нагартовка Жаростойкость C, Ti (углерод, титан) Механическая обработка Химический  Состав (ASTM A240)   C Mn P S Si Cr Ni 304 0.08 max 2.0 0.045 0.030 1.0 18.0 до 20.0 8.0 до 10.50 304L 0.03 max max max max max 18.0 до 20.0 8.0 - 12.0 Типичные  Свойства в Отожженном Состоянии Свойства, указанные  в этой публикации типичны для  производства одного из заводов и  не должны быть расценены как гарантируемые  минимальные значения для целой  спецификации. 1. Механические  Свойства при комнатной температуре   304 304L Типичн Min Типичн Min Rp m Предел прочности (при  растяжении), N/mm2 600 515 590 485 Rp0,2 Предел Упругости, (0.2 %), (текучесть), N/mm2 310 205 310 170 A относительное удлинение, % 60 40 60 40 Твердость по Бринеллю - НВ 170 - 170 - Усталостная прочность, N/mm2 240 - 240 - При необходимости, прочность аустенитной стали можно повысить следующим образом: добавлением в сталь азота (напр.,304LN) формоупрочнением стали на заводе (неоднократной дрессировочной прокаткой; нагартовкой; растяжением; давлением) Азотированная нержавеющая  сталь используется, в частности, в таких объектах как крупные  резервуары, колонны и транспортные контейнеры, в которых более высокая  расчетная прочность (Rp0,2) стали позволяет  уменьшить толщину стенки и добиться экономии в расходах на материалы. Другими областями  применения аустенитной стали, подвергнутой формоупрочнению, служат, например, различные формовочные плиты для производства транспортных средств, сварные трубы, обручи для кегов, цепи, планки и опорные элементы. 2. Свойства  при высоких температурах  Все эти значения относятся к 304 только. Для 304L значения не приводятся, потому что её прочность  заметно уменьшается выше 425oC. Предел  прочности при повышенных температурах Температура, oC 600 700 800 900 1000 Rp m  Предел прочности (при растяжении), N/mm2 380 270 170 90 50 Минимальные величины Предела Упругости при  высокой температуре (деформация в 1 % за 10 000 часов) Температура, oC 550 600 650 700 800 Rp1,0  1.0% пластичная деформация (текучесть), N/mm2 120 80 50 30 10 Максимум, рекомендованных Температур Обслуживания (Температура образования окалины) Непрерывное воздействие 925oC   прерывистые воздействия 850oC 3. Свойства  в низких Температурах (304 / 304L) Температура oC -78 -161 -196 Rp m  Предел прочности (при растяжении), N/mm2 N/mm2 1100/950 1450/1200 1600/1350 Rp0,2  Предел Упругости, (0.2 %), (условный предел текучести) N/mm2 N/mm2 300/180 380/220 400/220 Ударная вязкость J 180/175 160/160 155/150 4. Сопротивление  Коррозии 4.1 Кислотные  среды примеры приводятся для некоторых кислот и их растворов (наиболее общие значения) Температура, oC 20 80 Концентрация, % к массе 10 20 40 60 80 100 10 20 40 60 80 100 Серная Кислота 2 2 2 2 1 0 2 2 2 2 2 2 Азотная Кислота 0 0 0 0 2 0 0 0 0 0 1 2 Фосфорная Кислота 0 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 2 Муравьиная Кислота 0 0 0 0 0 0 0 1 2 2 1 0 Код:  0 = высокая степень защиты - Скорость коррозии менее чем 100 mm/год   1 = частичная защита - Скорость коррозии от 100m до 1000 mm/год   2 = non resistant - Скорость коррозии более чем 1000 mm/год 4.2 Атмосферные  воздействия Сравнение 304-й марки  с другими металлами в различных  окружающих средах (Скорость коррозии рассчитана при 10-летнем подвергании).    Окружающая среда Скорость коррозии (mm/год) AISI 304 Aлюминий-3S углеродистая сталь Сельская 0.0025 0.025 5.8 Морская 0.0076 0.432 34.0 Индустриальная Морская 0.0076 0.686 46.2 5. Тепловая  Обработка 1. Отжиг. Высокая температура  от 1010 oC до 1120 oC и быстрый отпуск (охлаждение) в воздухе или воде. Лучшее сопротивление коррозии получено, когда отжиг при 1070 oC, и быстром охлаждении 2.Отпуск (Снятие напряжения). Для 304L - 450-600 oC в течение одного часа с небольшим риском сенситизации. Должна использоваться более низкая температура отпуска - 400oC максимум. 3. Горячая  обработка(интервал ковки) Начальная температура: 1150  - 1260oC   Конечная температура: 900 - 925oC Любая горячая обработка  должна сопровождаться отжигом. Обратите внимание: Время для достижения однородности прогрева дольше для нерж. сталей чем для углеродистых сталей - приблизительно в 12 раз. 6. Холодная  Обработка 304 / 304L являясь чрезвычайно  прочной, упругой и пластичной, с легкостью находит множество  применений. Типичные действия включают  изгиб, формовку растяжением, глубокую и ротационную вытяжку. В процессе формовки можно использовать те же машины и  чаще всего даже те же инструменты как и для углеродистой стали, но здесь требуется на 50-100% больше силы. Это связано с  высокой степенью упрочнения при  формовке аустенитной стали, что в некоторых случаях является отрицательным фактором. 1. О гибке Приближенные пределы  изгиба получают, когда s = толщина листа и r = радиус изгиба: s < 3мм, мин r = 0 3мм < s < 6мм, мин r = 0,5 х s, угол гибки 180º 6мм < s < 12мм, мин r = 0.5 х s, угол гибки 90º Обратное распрямление больше, чем у углеродистой стали, ввиду чего <перегибать следует  соответственно больше>.При загибе обычного прямого угла на 90º получаем следующие показатели по выправлению: r=s обратное распрямление ок.2º  r=6хs обратное распрямление ок.4º  r = 20 x s обратное распрямление ок.15º Для аустенитной нержавеющей стали минимальный рекомендуемый радиус гибки составляет r = 2 x s. Следует заметить, что для ферритной нержавеющей  стали рекомендуют следующие  минимумы:  s < 6 мм → мин r = s, 180º  6 < s < 12мм → мин r = s, 90º 2. Глубокая  вытяжка и ротационная вытяжка При чистой глубокой вытяжке на прессе заготовку не подвергают <торможению>, а материалу дают свободно течь в инструментах. На практике такое имеет место очень редко. Например, при вытяжке хозяйственной  посуды всегда присутствует также элемент  формовки с растяжением. Материал, подвергаемый глубокой вытяжке, должен быть максимально  стабильным, т.е. он должен обладать низкой степенью упрочнения при формовке, а показатель Md30(N) должен явно быть <на минусе>. В отношении нержавеющих столовых приборов применяются обычно те же самые т.н. субанализы нержавеющего проката, как и при изготовлений кастрюль методом глубокой вытяжки. Ротационная вытяжка  на токарно-давильном станке, как  говорит уже само название, представляет собой процесс формовки с точением. Типичными объектами применения являются ведра и аналогичные конусные изделия симметричного вращения, которые обычно не подвергают полировке. Вопрос2

Начертите диаграмму железо-цементит, укажите на ней структуру во всех областях. Напишите определение и  характеристику феррита, цементита, аустенита, перлита и ледебурита.

Нарисуйте равновесную структуру  той группы сталей и чугуна, к  которым относятся сплавы, указанные  в таблице 2 для вашего варианта. Изобразите кривые охлаждения и нагревания для заданных в вашем варианте сплавов.

 

Диаграмма состояния «железо-цементит».

1. На диаграмме состояния (рис. 13) представлены две системы сплавов. Система Fе—FезС называется неустойчивой (метастабильной) в связи с тем, что цементит представляет собой неустойчивое соединение, способное при нагреве распадаться. Она показана сплошными линиями и характеризует стали и белые чугуны — сплавы со связанным углеродом.

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 13. Диаграмма состояния железоуглеродистых сплавов (в упрощенном виде)

Система Fе—С (стабильная) показана пунктирными линиями и характеризует сплавы, в которых углерод находится в свободном состоянии (графит).

При изучении превращений, происходящих в сталях, и белых чугунах, пользуются диаграммой Fе—FезС, а при изучении серых чугунов—обеими диаграммами (Fе—FезС и Fе—С).

В практике термообработки черных металлов пользуются диаграммой Fе—FезС.

Точка А соответствует температуре плавления (затвердевания) чистого железа (1539 °С), точка D — температуре плавления цементита (~1250°С).

Точка G – температура полиморфного превращения гамма-железа в альфа  –железо (911 °С).

Точка Р – предельная растворимость  углерода в альфа-железе при температуре 727°С, которая не превышает 0,02 %.

Точка S – предельное содержание углерода в перлите (0,8%).

Точка F – предельное содержание углерода в цементите (6,67%).

Точка E – предельное содержание углерода в аустените (2,14%).

Точка С – предельное содержание углерода в ледебурите (4,3%).

По характеру превращения сплавов  с изменением температуры всю  диаграмму можно разбить на две части: верхнюю, охватывающую первичную кристаллизацию сплавов, от линии ликвидуса АСD до линии солидуса АЕСF; нижнюю, охватывающую вторичную кристаллизацию сплавов и образование определенных структур, от линии солидуса до полного охлаждения.

Выше линии ликвидуса АСD сплавы любой концентрации находятся в жидком состоянии. Линия солидуса АЕСF показывает температуру затвердевания сплавов, на ней заканчиваются процессы первичной кристаллизации. Между линией солидуса и линией РSК, проходят процессы вторичной кристаллизации сплавов.

2. Аустенит — твердый раствор  внедрения углерода в гамма-железе  с гранецентрированной кубической  решеткой с максимальным содержанием  углерода 2,14%. Аустенит обладает большой вязкостью, хорошей сопротивляемостью истиранию, химической стойкостью и твердостью НВ 170...220.

Феррит — твердый раствор внедрения углерода в железе с предельной концентрацией 0,02% при 727°С и 0,006%—при нормальной температуре. Он имеет объемно-центрированную кубическую решетку. Феррит имеет твердость НВ 80, он пластичен, хорошо обрабатывается давлением.

Цементит — химическое соединение железа с углеродом (FезС), содержащее 6,67% С. Он имеет сложную орторомбическую решетку и обладает высокой твердостью (НВ 800) и хрупкостью, пластичность его близка к нулю. При медленном нагревании и выдержке при высокой температуре он распадается, выделяя свободней углерод в виде графита. Цементит, находящийся в чугуне, придает излому характерный белый цвет, отсюда и произошло название чугунов.

Перлит — эвтектоидная смесь зерен цементита и феррита, соответствующая полному распаду твердого раствора аустенита, содержащая 0,8 % С. Прочность перлита Gв = 550...1300 МПа, пластичность б = 5...20 %, твердость 160...260 НВ.

Ледебурит — эвтектическая смесь, состоящая в момент образования из цементита и аустенита, предельно насыщенного углеродом. Аустенит при 727°С превращается в перлит, и при нормальной температуре ледебурит состоит из смеси перлита и цементита. Твердость ледебурита НВ 700, он очень хрупкий и содержит 4,3 % С.

3. По структурным составляющим, полученным в результате первичной кристаллизации, все сплавы системы Fе—FезС делятся на стали — сплавы, содержащие до 2,14% С, в которых не образуется ледебурита, и чугуны (белые)—сплавы, содержащие от 2,14 до 6,67% С, в которых образуется ледебурит.

Исходя из вышесказанного, по диаграмме  состояния различают стали трех типов: эвтектоидные стали, содержащие 0,8 % С, доэвтектоидные стали, содержащие от 0,02 до 0,8 % С и заэвтектоидные стали, содержащие от 0,8 до 2,14 % С.

По диаграмме состояния различают  белые чугуны трех типов: эвтектический  чугун, содержащий 4,3 % С, со структурой из эвтектики (ледебурит); доэвтектические чугуны, содержащие 2,14...4,3% С; заэвтектические чугуны, содержащие 4,3...6,67% С.

 

 

 

Вопрос 3

Дайте характеристику термической  и химико-термической обработки, указанной в таблице 3 для вашего варианта. Подберите режим данной обработки для изделия, указанной  в таблице3. Укажите, какими свойствами будет обладать изделие после  этой обработки.

Индукционный нагрев для термической  обработки, предложенный и разработанный  проф. В. П. Вологдиным, является наиболее производительным и прогрессивным  способом нагрева. При применении его  для поверхностной закалки можно  получить разный по глубине закаленный слой и закаливать детали разнообразной  конфигурации; можно также полностью  автоматизировать процесс закалки. Различают два метода поверхностной  индукционной закалки.

При поверхностной закалке (поверхностном  нагреве) глубина нагрева до температур закалки примерно равна глубине  закаленного слоя. Структура сердцевины при этом остается без изменения, поэтому ее упрочняют предварительной  термической обработкой (нормализацией  или улучшением). Для поверхностного нагрева детали необходимо сконцентрировать большое количество электрической  энергии в небольшом объеме металла (удельная мощность 0,5—1,5 кВт/см2) и проводить  нагрев с большими скоростями (30—300° С/с). Время нагрева при этом составляет 1,5— 20 с.

При объемно-поверхностной закалке (глубинном нагреве) глубина нагрева  до температур закалки больше слоя с мартенситной структурой, который определяется прокаливаемостью стали. Поэтому по данному методу необходимо закаливать стали, прокаливающиеся на меньшую глубину, чем толщина нагретого слоя. В участках детали, лежащих глубже зоны мартенситной структуры, но нагретых до температур закалки, образуются упрочненные зоны со структурой троостита или сорбита закалки.

В связи с нагревом на большую  глубину значительно снижаются  удельная мощность (до 0,05—0,2 кВт/см2) и  скорость нагрева в области фазовых  превращений (до 2—10° С/с); время нагрева составляет 20—100 с. Объемно-поверхностную закалку применяют для тяжело нагруженных деталей (шестерен, осей, крестовин и др.). Основное отличие индукционного нагрева от нагрева в печах и других нагревательных устройствах заключается в том, что тепло не подводится к детали от внешних источников (конвекцией или лучеиспусканием), а выделяется непосредственно в самой детали.

Рассмотрим принципиальную схему  нагрева (рис. 72). Переменный электрический  ток подводится к индуктору 2. Закаливаемую деталь 1 помещают в индуктор. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле, индуктирующее в  поверхности детали электродвижущую  силу, под действием которой в  металле возникают электрические  вихревые токи (токи Фуко), вызывающие нагрев детали до высокой температуры. Тепло выделяется на тех участках детали, которые подвергаются воздействию  переменного магнитного поля и электрического тока. Это обеспечивает высокую скорость нагрева и позволяет производить  местный нагрев.

 

 

Характерным является распределение  токов по сечению проводника (детали). Плотность протекающего переменного  тока значительно больше у поверхности, чем во внутренних слоях проводника (рис. 73). Такое неравномерное распределение  переменного тока в проводнике называется поверхностным эффектом. Благодаря  этому эффекту деталь нагревается  на определенную глубину, а сердцевина — незначительно за счет теплопроводности или совсем не нагревается. Плотностью тока в глубоко расположенных  слоях детали пренебрегают; считают, что эта часть проводника как  бы свободна от тока. Это допущение  относится к тем слоям проводника, в которых плотность тока снижается приблизительно в 3 раза по сравнению с плотностью тока на поверхности проводника. Условно считается, что переменный ток идет не с неравномерной, а с одинаковой плотностью по слою проводника определенной глубины. Этот слой называется глубиной проникновения тока. Такое условное распределение плотности тока целесообразно в связи с тем, что на условной глубине проникновения тока выделяется около 87% всего тепла, выделяемого вихревыми токами, Таким образом, распределение тока по кривой заменяется условным распределением по заштрихованному участку.

Глубина проникновения тока при  температуре 20° С

Приближенно такая глубина проникновения  тока

Учитывая изменение глубины  проникновения тока при разной температуре, процесс индукционного нагрева  можно представить в такой  последовательности. Сначала быстро нагревается слой определенной глубины, равный глубине проникновения тока в холодный металл. После потери этим слоем магнитных свойств глубина проникновения тока увеличивается и начинает быстро нагреваться следующий слой, расположенный глубже, а повышение температуры в уже нагретом слое замедляется. После потери магнитных свойств вторым слоем начинает быстро нагреваться третий слой и т. д. Такая последовательность нагрева указывает на то, что при индукционном нагреве тепло быстро распространяется в связи с изменением магнитых свойств (рис. 75). Нагрев в пределах глубины проникновения тока в горячий металл протекает активно и осуществляется за счет преобразования электрической энергии в тепловую. Такой нагрев называется активным нагревом с помощью тока. Нагрев металла в пределах глубины проникновения тока в горячий метал я происходит быстро (за секунды).

 

Вопрос 4

Расшифруйте марки черных и цветных  металлов и сплавов. Подберите из этих марок материалы, которые могут быть применены для изготовления изделий.

 

Марки черных металлов:

-Сталь 10- углеродистая конструктивная  сталь

-20Х13- Сталь коррозионно-стойкая (нержавеющая) жаропрочная

С-0,20%; Х-13%

-5ХГМ- Сталь инструментально штамповая

С-0,5%; Х-1%; Г-1%; М-1%

-Ст1(кп)- Сталь конструкционная углеродистая обыкновенного качества

КЧ50-4- Ковкий чугун

δв=50 кг/мм˄; δ=4%

 

1)Трубопроводы и детали пищевого оборудования, работающие в слабоагрессивной среде можно изготавливать из Стали 10

Марки цветных металлов:

-ЛАН59-3-2- Латунь, обрабатываемая давлением

Латунь-59%

Аллюминий-3%

Никель-2%

-Б83- Оловянные  баббиты 

-ВТЗ- Титановый деформированы сплав

1) Вкладыш  ответственного подшипника скольжения  компрессора может изготавливаться  из сплава Б83.

 

 

 

 

 

Вопрос 5

Опишите свойства, состав, применение неметаллических  материалов.

ВИНИПЛАСТ:

Технологический процесс  изготовления винипластовой пленки и прессованного листового винипласта состоит из следующих стадий: подготовки сырья, смешения композиции, тер мической пластикации, каландрирования пленки, сборки пакетов и прессе вания. Подготовка сырья и смешение компонентов композиции осуществляются так же, как при производстве экструзионного винипласта. Термическую пластикацию смеси проводят в двухчервячном экструдере или на вальцах. В связи с повышенной вязкостью массы (по сравнению с пластикатом) термическая пластикация ее осуществляется при более высокой температуре — в экструдере при 175-180°С, на вальцах — при 160-175°С. После термической пластикации массу каландрируют с целью получения винипластовой пленки на трех- или четырехвалковых каландрах (рис. 30). При каландрировании температура верхнего валка, куда загружается масса, поддерживается в пределах 145-160°С, нижнего — 165-170°С; при этом происходит удаление воздуха из массы, ее уплотнение и ориентация макромолекул поливинилхлорида в направлении движения валков. В зависимости от зазора между валками получают непрерывную винипластовую пленку толщиной 0,2—1,0 мм, которую (при выходе из каландра) сматывают в рулоны и отправляют на склад или разрезают гильотинным ножом на листы.