Астафьева Е.А. Технология конструкционных материалов

Подождите немного. Документ загружается.

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

4.4. Получение заготовок пластическим деформированием



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -101-

При сварке на соединяемых поверхностях заготовок и в прилегающих

объемах металла, как правило, протекают следующие процессы: пластичес-

кая деформация, диффузия, упрочнение, рекристаллизация, формирование и

разрушение оксидных пленок и др. Скорость образования сварных

соединений определяется кинетикой процессов образования физического

контакта и химического взаимодействия в объеме соединяемых элементов.

Физический контакт обеспечивается пластической деформацией

микронеровностей на со

единяемых поверхностях (рис. 4.1

и рис. 4.2).

Сглаживанию поверхностей могут способствовать процессы, не свя-

занные с действием внешних сил. Скорость химического взаимодействия

(образования связей) в основном зависит от скорости создания активных

центров на сближаемых поверхностях и диффузионных процессов в зоне

сварки (рис. 4.2, в

В случае если длительность и температура процесса сварки в твердом

состоянии достаточны для интенсивного развития диффузионных процессов,

в зоне соединения образуются общие зерна или новые фазы. При сварке

однородных элементов критерием окончания процесса может служить

рекристаллизация, приводящая к образованию общих зерен в зоне контакта

(рис. 4.2, г

). Для получения соединений разнородных металлов необходи-

мость развития или ограничения диффузии определяется свойствами образу-

ющихся фаз в зоне контакта.

Метод получения той или иной заготовки зависит от служебного назна-

чения детали и требований, предъявляемых к ней, а также от ее конфигура-

ции и размеров, марки материала, типа производства и других факторов.

Наиболее сложные по конфигурации заготовки можно изготавливать

методами литья. Изделия, получаемые методом обработки давлением, долж-

ны быть более простыми по форме. Изготовление в поковках отверстий и

поло

стей объемной штамповкой в ряде случаев затруднено, а использование

напусков резко увеличивает объем последующей механической обработки.

Размеры заготовок, получаемых методами литья и обработки давле-

нием, практически не ограничиваются. Нередко определяющим параметром

в этом случае являются минимальные размеры (например, минимальная

толщина стенок отливки, минимальная масса пок

овки). Объемной штампов-

кой и большинством специальных способов литья получают заготовки

массой до нескольких десятков или сотен килограммов.

Форма и размеры заготовок, получаемых методами порошковой

металлургии, ограничены как максимальными, так и минимальными

размерами. В процессе конструирования деталей выбор марки материала

определяется не только условиями ее функционирования, но и условиями

изготовления в реальном производст

ве. В то же время технологические

свойства материала существенно влияют на выбор метода и способа

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

4.5. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -102-

получения заготовок. Так, серый чугун имеет прекрасные литейные свойства,

но обладает низкой деформированностью и плохой свариваемостью.

Заготовки из одного и того же материала, полученные методами литья,

обработки давлением и сваркой, обладают различными свойствами. Так,

литой металл характеризуется большим размером зерен, неоднородностью

химического состава и механических свойств по сечению отливки, наличием

остаточных напряжений и т. д.

После обработки давлением заготовки имеют мелкозер

нистую струк-

туру и определенную направленность расположения волокон (неметалличес-

ких включений). После холодной обработки давлением возникает наклеп,

поэтому холоднокатаный металл прочнее литого в 1,5−3 раза. Пластическая

деформация металла приводит к анизотропии свойств: прочность вдоль

волокон (неметаллических включений) примерно на 10−15 % выше, чем в

поперечном направлении.

Сварк

а приводит к образованию неоднородных структур в сварном шве

и в околошовной зоне. Неоднородность зависит от вида и режима сварки.

Так, наиболее резкое отличие в свойствах сварного шва возникает при руч-

ной сварке, а электрошлаковая и автоматическая дуговая сварка обеспечи-

вает формирование наиболее качественных однородных швов.

Программа выпуска продукци

и, т. е. количество изделий, выпускаемых

в течение определенного времени (обычно за год), является одним из

важнейших факторов, определяющих выбор метода и способа производства

заготовок.

В условиях единичного производства и для простых по конфигурации

деталей часто заготовками являются профили (сортовой прокат, трубы и т.

п.), получаемые в условиях металлургического производства. Стоимост

механической обработки заготовок при изготовлении деталей в этом случае

высока, однако такая заготовка может быть достаточно экономичной из-за

низкой стоимости проката, почти полного отсутствия подготовительных

операций и возможности автоматизации процесса механической обработки.

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

4.5. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -103-

Рис. 4.3. Вал ступенчатый: а − деталь; б − штампованная поковка;

в − заготовка из горячекатаного проката

При крупносерийном и массовом производстве конструкции заготовок

следует максимально приближать к конфигурациям деталей. Например, для

изготовления ступенчатого вала из стали 45 (рис. 4.3

) целесообразно приме-

нить поковку, получаемую объемной штамповкой.

Наиболее эффективными технологическими способами изготовления

заготовок в крупносерийном и массовом производстве являются

специальные виды прокатки (поперечно-винтовая, поперечно-клиновая,

прокатка в винтовых калибрах), которые позволяют получить периодические

профили. Применение таких заготовок дает возможность повысить

коэффициент использования материала и производительность труда.

При конструировании деталей необходимо учитывать возможн

ости

предприятия, на котором предполагается их изготовление. Для этого

необходимо располагать сведениями о типе и количестве имеющегося

Ø90

117

150

594

228

600

Ø65

Ø80

Ø86

Ø85

Ø92

Ø70

Ø90

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК ДЕТАЛЕЙ МАШИН

4.5. Факторы, определяющие выбор метода получения заготовки



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -104-

оборудования, производственных площадях, возможностях ремонтной базы,

вспомогательных служб и т. д.

В соответствии с эскизом детали, полученной на основе расчетов,

выбор метода изготовления заготовки осуществляется с учетом

рассмотренных факторов, которые целесообразно располагать в порядке

убывания их значимости. Анализируя степень влияния рассмотренных выше

факторов, выбирают один или несколько методов, обеспечивающих

получение заготовок требуемого качества.

Оптимальный мето

д изготовления заготовки определяют на основе

анализа конструктивно-технологических признаков проектируемой детали,

технико-экономических показателей способов и программы выпуска деталей.

Затем конструируют заготовку с учетом оптимальной технологии ее

изготовления.



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -105-

–

Основной причиной и движущей силой процесса кристаллизации

является стремление вещества к наиболее устойчивому в термодинамичес-

ком отношении состоянию, т. е. к наименьшему запасу свободной энергии.

Изменение величины свободной энергии в зависимости от температуры

для металла в кристаллизовавшемся и жидком состояниях схематически

показано на рис. 5.1

. При температуре Т

свободные энергии F обоих состоя-

ний равны. Такую температуру называют равновесной или теоретической

температурой кристаллизации. При Т

обе фазы (жидкая и твердая) могут

сосуществовать одновременно и бесконечно долго: процесс кристаллизации

при этой температуре еще не начинается.

Разность между теоретической и фактической температурами кристал-

лизации называется степенью переохлаждения ∆Т:

∆Т = Т

– Т

кр

Определение температур критических точек плавления и кристалли-

зации осуществляют при медленных нагреваниях и охлаждениях, т. е. в рав-

новесном состоянии. Эти процессы изображают с помощью кривых

нагревания (рис. 5.2

) и охлаждения (рис. 5.3).

При нагреве всех кристаллических тел, в том числе металлов, наблю-

дается четкая граница перехода из твердого состояния в жидкое (рис. 5.2

Такая же резкая граница существует и при переходе из жидкого состояния в

твердое (рис. 5.3

Рис. 5.1. Изменение свободной энергии F жидкого и кристаллизовавшегося металла

в зависимости от температуры Т

кр

пл

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -106-

Время τ

Рис. 5.2. Кривая нагревания

Рис. 5.3. Кривая охлаждения

Рис. 5.4. Кривые охлаждения в случае кристаллизации металла

при различных степенях переохлаждения

На кривой нагревания внешний подвод тепла сопровождается повыше-

нием температуры металла, сохраняющего свою кристаллическую решетку.

На горизонтальном участке кривой нагрева подвод тепла продолжается, но

он не приводит к повышению температуры, т. е. подводимая энергия

целиком расходуется на разрушение закономерного расположения атомов.

Внешне это проявляется в переходе твердого состояния в жидкое. После

разрушения последних участ

ков кристаллической решетки продолжающийся

подвод тепла вызывает повышение температуры жидкого металла.

При охлаждении происходит обратный процесс. Горизонтальный учас-

ток кривой охлаждения показывает, что происходит кристаллизация, сопро-

вождающаяся выделением тепла, которое называется скрытой теплотой

кристаллизации. Кристаллизация металла происходит при некотором переох-

Время τ

Температура

Твердый

металл

Жидкий

металл

ΔТ

Темпе

ат

ур

Твердый

металл

Жидкий

металл

пл

< V

ΔТ

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -107-

лаждении ∆Т, величина которого зависит от природы самого металла, от сте-

пени его загрязненности различными включениями и от скорости охлаждения.

Кривые охлаждения, характеризующие процесс кристаллизации чис-

тых металлов при охлаждении с разной скоростью, приведены на рис. 5.4

При очень медленном охлаждении степень переохлаждения невелика и про-

цесс кристаллизации протекает при температуре, близкой к равновесной

(рис. 5.4

, кривая V

С увеличением скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает

(кривые V

, V

) и процесс кристаллизации протекает при температурах,

лежащих ниже равновесной температуры кристаллизации. Чем чище жидкий

металл, тем более он склонен к переохлаждению. При затвердевании очень

чистых металлов степень переохлаждения ∆Т может быть очень велика.

Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических

зародышей (центров кристаллизации) и продолжается в процессе роста их

числа и размеров. Вокруг образовавш

ихся центров начинают расти кристаллы

(рис. 5.

5, а). Каждый из растущих новых кристаллов ориентирован в прост-

ранстве произвольно (рис. 5.5, б, в

). При уменьшении количества жидкости

поверхности растущих кристаллов соприкасаются друг с другом, их правиль-

ная внешняя форма нарушается и получается произвольной (рис. 5.

5, г).

Кристаллы с неправильной внешней формой называются зернами или

кристаллитами (рис. 5.5, г

). Твердые тела, в том числе и металлы, состоящие

из большого количества зерен, называют поликристаллическими.

Таким образом, процесс кристаллизации состоит из двух этапов:

образование центров кристаллизации (зародышей);

рост кристаллов вокруг этих центров.

Установлена зависимость числа центров кристаллизации (ч. ц.) и ско-

рости роста кристаллов (с. к.) от степени переохлаждения ∆Т (рис. 5.6

Каждый из этих параметров изменяется по закону кривых распределения, т.

е. число центров кристаллизации и скорость роста кристаллов, возрастая с

увеличением степени переохлаждения, имеют максимум. Размер образовав-

шихся кристаллов зависит от соотношения числа центров кристаллизации и

скорости роста кристаллов при температуре кристаллизации, т. е. от степе-ни

переохлаждения.

а б

в г

Рис. 5.5. Схемы процесса кристаллизации металла

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -108-

Рис. 5.6. Зависимость параметров кристаллизации от степени переохлаждения:

ч. ц. – число центров кристаллизации, образующихся в единицу времени;

с. к. – скорость роста кристаллов

При равновесной температуре Т

число центров кристаллизации и ско-

рость роста кристаллов равны нулю, процесса кристаллизации не происхо-

дит. Если жидкость переохладить до температуры, соответствующей точке a,

то образуются крупные зерна (рис. 5.6

). При переохлаждении, соответст-

вующей точке b, образуется мелкое зерно, так как в этом случае скорость

роста кристаллов незначительная, а центров кристаллизации много. Если

очень сильно переохладить жидкость (точка с на рис. 5.6

), то число центров

кристаллизации и скорость роста кристаллов становятся равными нулю,

жидкость не кристаллизуется. Образуется аморфное тело.

Кроме тепловых процессов на кинетику процесса кристаллизации, на

количество и размеры кристаллизующихся зерен оказывают влияние вторич-

ные факторы. К ним относится случайное наличие в расплаве жидкости

посторонних нерастворимых частиц (из шихтовых материалов) или их

специальное введение (модифицирование), а также действие ультразвука или

механической вибрации.

Кристаллизация без каких-либо посторонних воздействи

й или без на-

личия готовых центров кристаллизации называется самопроизвольной, при

наличии готовых центров – несамопроизвольной.

Чистые металлы применяют в технике очень редко в связи с тем, что

они в большинстве случаев не могут обеспечить необходимых мех

анических

и физических свойств, которые удается получить в сплавах.

Металлический сплав

образуется в результате взаимодействия двух или

нескольких химических элементов. Он обладает металлическими свойст-

вами, отличающимися от свойств исходных компонентов.

Сплавы можно получить методом сплавления, порошковой металлургией,

диффузией, осаждением из газовой среды различных металлов и неметаллов.

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -109-

Дадим определения некоторым металлографическим понятиям.

Компонентами сплава называют химические элементы, входящие в его

состав.

Однородная часть сплава, имеющая одинаковые состав, строение, агре-

гатное состояние, при этом отделенная от остальных частей сплава поверх-

ностью раздела, называется фазой.

Системой называется совокупность фаз в сплаве, находящихся в со-

стоянии стабильного или метастабильного равновесия.

Система может быть простой или сложной. Пр

остая система состоит из

одного компонента. Сложная система включает в себя два или более компо-

нентов. Например, система Рb−Sb является двойной, система Al–Cu–Mn –

тройной и т. д. Система может быть однородной (однофазной), например

вода (жидкость), и неоднородной, состоящей из двух или трех фаз, например

вода, лед (жидкость + твердое тело) или пар, вода, лед (жидкость + твердое

тело + газ).

Фазовое состояние системы, составленной из дв

ух компонентов, в зависи-

мости от внешних условий может характеризоваться диаграммой состояния.

Система называется равновесной, если в ней изменение фазового состояния при

изменении внешних условий совершается обратимо, т. е. когда процессы при

изменении состояния системы в одном направлении в точности возмещаются

процессами, происходящими при изме

нении системы в обратном направлении.

Структурная составляющая – это однородная составляющая системы,

состоящая из одной или нескольких фаз, имеющая характерное регулярное

строение, форму и одинаковый средний химический состав.

Выделение из кристаллов твердой фазы других твердых фаз по мере

охлаждения сплава называется вторичной кристаллизацией.

В сплаве могут образовываться следующие кристалли

ческие фазы:

твердые растворы и промежуточные фазы.

Твердые растворы – это кристаллы, образовавшиеся при распределе-

нии атомов одного компонента в кристаллической решетке другого. Один

компонент (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, другой

(растворяемый) отдает свои атомы в решетку растворителя. Вокруг атома

растворенного элемента возникают местные искажения пространственной

решетки, это приводит к изменению ее периода и свойств.

Твердые растворы обозначают буквами греч

еского алфавита α, β, γ.

Различают твердые растворы замещения и внедрения (рис. 5.7

Образование твердых растворов замещения сопровождается заменой атомов

растворителя в его кристаллической решетке на атомы растворенного

компонента. Это происходит, если размеры атомов обоих компонентов

различаются незначительно.

ГЛАВА 5. ЛИТЕЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

–

СПОСОБ ПЕРВИЧНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ЗАГОТОВОК

5.1. Кристаллизация металлов



Технология конструкционных материалов. Учебное пособие -110-

а б

Рис. 5.7. Атомно-кристаллическая структура твердого раствора:

а – внедрения; б – замещения

Твердые растворы внедрения образуются при размещении атомов

растворенного компонента в порах кристаллической решетки растворителя

между атомами основного металла. Размеры атомов растворенного компо-

нента (азота, водорода, углерода) значительно меньше атомов растворителя.

Состав твердого раствора, т. е. количество атомов растворенного ком-

понента и растворителя, может меняться. Максимальное число (предельная

концентрация) атомов растворенного компонента, которое может находиться

в решетке растворителя, оп

ределяет предельную растворимость одного

компонента в другом.

Растворимость элементов, часто с понижением температуры, уменьша-

ется при увеличении различия их атомных радиусов и их валентности. Твер-

дые растворы внедрения имеют ограниченную растворимость (рис. 5.7, а

), а

твердые растворы замещения могут быть с ограниченной (рис. 5.7, б

) и с

неограниченной растворимостью.

Кристаллы, образованные различными элементами и имеющие собст-

венный тип кристаллической решетки, отличающийся от решеток составляю-

щих их элементов, называют промежуточной фазой. Cвойства последней

резко отличаются от свойств исходных компонентов.

Промежуточные фазы могут иметь постоянный и переменный состав.

Промежуточные фазы постоянного состава – химические соединения

компонентов с кратным массовым со

отношением элементов. Это позволяет

выразить их состав формулой A

(A и B – компоненты, образующие сплав; m

и n – простые числа) и постоянной температурой плавления (диссоциации).

Промежуточные фазы переменного состава, как и твердые растворы,

являются кристаллами с переменной концентрацией компонентов.

Переменный состав объясняется либо наличием небольших межузельных

атомов в кристаллической решетке промежуточной фазы, либо недостатком

атомов в узлах решетки.

Промежуточные фазы можно обозначать буквами греческого алфавита

или химическими формулами, хотя промежуточные фазы переменного

состав

а отличаются от типичных химических соединений, так как не подчи-

няются законам валентности. При сплавлении образуются промежуточные