Контрольная работа по "Металлургии"

h = (D-√D²-d²)/2                                                    (3)

Тогда  число твердости (кгс/мм2) по Бринеллю определяется по формуле:

HB = 2P/(πD(D-√D²-d²)                                            (4)

Для перевода твердости  по Бринеллю в единицы СИ необходимо умножить число твердости в кгс/мм2 на 9,81, т.е. HB=9,81*HB (МПа).

Для получения сопоставимых результатов  при определении твердости HB шариками различного диаметра необходимо соблюдать условие подобия.

Подобие отпечатков при разных D и P будет обеспечено, если угол φ остается постоянным (Рис. 5). Подставив в формулу (4):

d/D = sin(φ/2)                                                                (5)

HB = P/ D² [2/(π(1-√1-sin²(φ/2))]                                  (6)

Из этой формулы видно, что значение HB будет оставаться постоянным, если P/ D² = const и φ = const.

 

Рис. 5 Схемы испытаний на твердость:

а – по Бринеллю, б – по Виккерсу, в – по Роквеллу

 

В практике при определении  твердости не делают вычислений по формуле (4), а пользуются таблицами, составленными для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок. Шарики применяют диаметром 10,5 и 2,5 мм. Диаметр шарика и нагрузка выбираются в соответствии с толщиной и твердостью образца. При этом для получения одинаковых чисел твердости одного материала при испытании шариками разных диаметров необходимо соблюдать закон подобия между получаемыми диаметрами отпечатков. Поэтому твердость измеряют при постоянном соотношении между величиной нагрузки P и квадратом диаметра шарика D2. Это соотношение должно быть различным для металлов разной твердости.

Метод Бринелля не рекомендуется применять  для материалов с твердостью более 450 HB, так, как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

Условия испытания  металлов на твердость по Бринеллю

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D = 10 мм, P = 3000 кгс), записывается так: HB 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: HB 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5 мм под нагрузкой 250 кгс и длительности нагрузки 30 с.

При измерении твердости  по методу Бринелля необходимо выполнять следующие условия:

- образцы с твердостью выше HB 450 кгс/мм2 (4500 МПа) испытывать запрещается;

- поверхность образца должна быть плоской и очищенной от окалины и других посторонних веществ;

- образцы должны иметь толщину не менее 10 – кратной глубины отпечатка (или менее диаметра шарика);

- расстояние между центрами соседних отпечатков и между центром отпечатка и краем образца должны быть не менее 4d.

Измерение твердости  по Виккерсу

При испытании на твердость  по методу Виккерса в поверхность  материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине  a=136⁰ (Рис. 5). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d1. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

HV = P/M = 2P sin(α/2)/d₁² = 1,854 P/d₁²                     (7)

 Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки P и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15с, а для цветных металлов – 30с.

Например, 450 HV10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при P = 10 кгс (98,1Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущества метода Виккерса по сравнению с методом  Бринелля заключается в том, что  методом Виккерса можно испытывать материаллы более высокой твердости  из-за применения алмазной пирамиды.

Измерение твердости  по Роквеллу

Рис. 6 Положение наконечника при определении твердости по Роквеллу: I-IV последовательность нагружения

 

При этом методе индентором является алмазный конус или стальной закаленный шарик. В отличие от измерений  по методу Бринелля твердость определяют по глубине отпечатка, а не по его площади. Глубина отпечатка измеряется в самом процессе вдавливания, что значительно упрощает испытания. Нагрузка прилагается последовательно в две стадии (ГОСТ 9013-59): сначала предварительная, обычно равная 10 кгс (для устранения влияния упругой деформации и различной степени шероховатости), а затем основная (Рис. 6).

После приложения предварительной  нагрузки индикатор, измеряющий глубину  отпечатка, устанавливается на нуль. Когда отпечаток получен приложением окончательной нагрузки, основную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения наконечника t.

Твердость измеряют на приборе  Роквелла. Твердомер Роквелла измеряет разность между глубиной отпечатков, полученных от вдавливания наконечника под действием основной и предварительной нагрузок. Каждое давление (единица шкалы) индикатора соответствует глубине вдавливания 2 мкм. Однако условное число твердости по Роквеллу (HR) представляет собой не указанную глубину вдавливания t, а величину 100 – t по черной шкале при измерении конусом и величину 130 – t по красной шкале при измерении шариком.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и того физического  смысла, который имеют числа твердости  по Бринеллю, однако можно найти соотношение между ними с помощью специальных таблиц.

Твердость по методу Роквелла можно измерять:

- алмазным конусом с общей нагрузкой 150 кгс. Твердость измеряется по шкале С и обозначается HRC (например, 65 HRC). Таким образом определяют твердость закаленной и отпущенной сталей, материалов средней твердости, поверхностных слоев толщиной более 0,5 мм;

- алмазным конусом с общей нагрузкой 60 кгс. Твердость измеряется по шкале А, совпадающей со шкалой С, и обозначается HRA. Применяется для оценки твердости очень твердых материалов, тонких поверхностных слоев (0,3 … 0,5 мм) и тонколистового материала;

- стальным шариком с общей нагрузкой 100 кгс. Твердость обозначается HRB и измеряется по красной шкале B. Так определяют твердость мягкой (отожженной) стали и цветных сплавов.

При измерении твердости  на приборе Роквелла необходимо, чтобы  на поверхности образца не было окалины, трещин, выбоин и др. Необходимо контролировать перпендикулярность приложения нагрузки и поверхности образца и устойчивость его положения на столике прибора. Расстояние отпечатка должно быть не менее 1,5 мм при вдавливании конуса и не менее 4 мм при вдавливании шарика.

Твердость следует измерять не менее 3 раз на одном образце, усредняя полученные результаты.

Преимущество метода Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно стрелкой индикатора, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

 

 

3. Раскройте сущность новых специальных способов литья: литье методом жидкой прокатки и жидкая и полужидкая штамповка. Объясните особенности технологии, область применения, используемое оборудование и оснастка, номенклатура сплавов и отливок.

 

Сущность метода прокатки заключается в подаче порошка из бункера в область зазора между двумя вращающимися с одинаковой скоростью, но в противоположном направлении валками, расположенными горизонтально. Порошок под действием сил трения между его частицами и поверхностями валков увлекается в зазор и прессуется в ленту

Литье методом жидкой прокатки представляет собой совмещенный  способ литья и прокатки. Жидкая прокатка (рис. 7) - это совмещенный способ литья и прокатки.

Жидкий металл наливают из ковша 1 в приемник 2, из которого он поступает на поверхность охлаждаемых валков 3 и 4, вращающихся навстречу друг другу. В зазоре между валками происходит кристаллизация металла. Затвердевший металл 5 в пластичном состоянии выжимается из зазора в виде ленты.

Так получают ленты и  листы шириной до 750 мм и толщиной 0,7-2,5 мм из алюминия, чугуна и других сплавов.

Рис. 7. Схема жидкой прокатки

 

 

Жидкая штамповка (рис. 8) занимает промежуточное положение между литьем и горячей объемной штамповкой. Порцию жидкого металла 1 заливают в металлическую форму (матрицу) 2, в которую затем опускается металлический пуансон 3, выдавливающий металл и заставляющий его заполнить все полости формы. В результате между формой 2 и пуансоном 3 образуется отливка 4.

Рис. 8. Схема жидкой штамповки

 

Способ пригоден для  сплавов на медной, алюминиевой, магниевой и цинковой основе. Отливки приобретают высокую плотность и механические свойства благодаря интенсивному теплоотводу и горячему деформированию литой структуры в процессе кристаллизации.

Метод получения отливок полужидкой штамповкой имеет следующие особенности: под действием высокого давления и быстрого охлаждения в металлической форме газы, растворенные в сплаве, остаются в твердом растворе, все усадочные поры принудительно заполняются жидким сплавом, в результате чего отливка получается плотной, с мелкокристаллическим строением и высокими механическими свойствами. Кроме того, отливки, полученные штамповкой из жидкого сплава, имеют высокую точность размеров и хорошую чистоту поверхности.

Необходимо отметить, что этим методом можно получить разнообразные по конфигурации и массе отливки из любых алюминиевых сплавов, в том числе из широкоинтервальных (АЛЮ), которые практически невозможно лить в кокиль. Механические свойства отливок (особенно пластичность), штампованных из полужидкого сплава, по сравнению с кокильными отливками значительно выше.

Сравнение макроструктур  показывает, что кокильные отливки  имеют более крупное зерно  и явно выраженные столбчатые кристаллы. Структура отливок, полученных методом  полужидкой штамповки, более мелкозернистая. Только в нижней части отливок видны столбчатые кристаллы, образующиеся во время свободной заливки металла в матрицу.

Существует множество  других, реже применяемых специальных  способов литья. Каждый из этих способов имеет свои особенности, определяющие области применения и экономическую эффективность.

 

 

4. Раскройте сущность процессов сварки давлением. Основные виды сварки давлением, их особенности, оборудование, область применения.

Сварка – технологический  процесс получения неразъемных  соединений материалов посредством  установления межатомных связей между  свариваемыми частями при их нагреве  и пластическом деформировании. Сваркой  соединяют однородные и разнородные  металлы и их сплавы, металлы с некоторыми неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и др.), а также пластмассы.

Получить прочное неразъемное  соединение двух поверхностей в твердом  состоянии можно при условии  удаления загрязняющих пленок и осуществления  затем плотного контакта по всей соединяемой плоскости. Практически при сварке в твердом состоянии этого достигают при приложении к свариваемым заготовкам давления, величина которого должна быть достаточной для смятия всех неровностей в соединяемом сечении.

В начальный момент сближения в точках касания разрушается слой осажденных на поверхности примесей, и появляются участки металлических соединений. При возрастании давления площадь контактирования поверхностей (сближения до расстояния начала действий межатомных сил притяжения) увеличивается. Вследствие большой плотности контакта соединяемые поверхности не сообщаются с атмосферой, поэтому новые оксидные и жировые пленки не образуются, а имевшиеся до этого частично выдавливаются из зоны соединения наружу, частично диффундируют в глубь металла и не препятствуют образованию металлических связей. Необходимым условием получения качественного соединения в твердом состоянии являются хорошая очистка и подгонка поверхностей и наличие сдвиговых пластичных деформаций в зоне соединения в момент сварки.

Основные виды сварки давлением:

1. Холодная сварка

Холодную сварку выполняют  без нагрева при обычных и  даже пониженных температурах. Процесс  заключается в сближении свариваемых  поверхностей до образования металлических  связей между ними. В результате сдавливания заготовок в месте соединения происходит совместная пластическая деформация, сопровождающаяся разрушением пленок оксидов, которые удаляются из зоны контакта при течении металла. Образовавшиеся чистые поверхности обеспечивают чистое соединение.

Холодной сваркой выполняют точечные, шовные и стыковые соединения. На рис. 9, а представлена схема точечной сварки. Предварительно зачищенные и обезжиренные поверхности 2 свариваемых заготовок 1 сдавливают пуансонами 3, имеющими рабочие выступы 4, высота которых составляет 0,7 – 0,8 толщины свариваемого металла. Сила сжатия должна обеспечить полное проникание выступов в свариваемые заготовки. Контур свариваемых точек может быть различным и зависит от формы выступающей части пуансона (рис. 9, б).

Для холодной шовной сварки применяют специальные ролики. Непрерывное  соединение может быть также получено путем сдавливания одновременно по всей длине соединения или путем  прокатывания ролика. Швы, образующие замкнутый контур небольшой длины  в виде кольца, прямоугольника и т.п., получают контурной сваркой. На рис. 9, в дана схема сварки полых деталей по контуру. Пуансоны 5 строго центрируются с помощью корпуса 6.