Материаловедение. Электротехническое материаловедение. Технология конструкционных материалов

КАМЧАТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ХОЛОДИЛЬНЫХ МАШИН И УСТАНОВОК

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ. ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ Сборник методических указаний к лабораторным работам для студентов специальностей: 2409 «Эксплуатация судовых энергетических установок» (техник-судомеханик); 1711 «Монтаж, техническое обслуживание и ремонт холодильнокомпрессорных машин и установок»; 1807 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (на водном транспорте)»

Ý

ПЕТРОПАВЛОВСК-КАМЧАТСКИЙ 2001

УДК 620.22 ББК 30.3 104

Т67

Т67

Трибунская Р.М., Звонарева О.В. Материаловедение. Электротехническое материаловедение. Технология конструкционных материалов. – Петр.-Камч, КамчатГТУ, 2001. Сборник методических указаний к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Материаловедение», «Электротехническое материаловедение», «Технология конструкционных материалов» составлен в соответствии с Государственными образовательными стандартами среднего профессионального образования для специальностей 2409 «Эксплуатация судовых энергетических установок» (техник-судомеханик); 1711 «Монтаж, техническое обслуживание и ремонт холодильнокомпрессорных машин и установок»; 1807 «Эксплуатация транспортного электрооборудования и автоматики (на водном транспорте)». Сборник методических указаний рассмотрен и одобрен на заседании кафедры холодильных машин и установок 15 ноября 2000 г., протокол № 2. Одобрен цикловой комиссией ФСПО 15 ноября 2000 г., протокол № 2.

в авторской редакции компьютерный набор, верстка Звонарева О.В. оригинал-макет Руденцова Е.В. Лицензия ИД № 02187 от 30.06.00 г. Подписано в печать 17.04.01 г. Формат 61*86/16. Печать офсетная. Гарнитура Times New Roman. Авт. л. 6,18. Усл. печ. л. 8,18. Уч.-изд. л. 6,22. Тираж 60 экз. Заказ № 309. Редакционно-издательский отдел Камчатского государственного технического университета Отпечатано полиграфическим участком РИО КамчатГТУ 683003 г. Петропавловск-Камчатский, ул. Ключевская, 35.

© КамчатГТУ, 2001

105

ВВЕДЕНИЕ Дисциплины «Материаловедение», «Электротехническое материаловедение», «Технология конструкционных материалов» являются важной составной частью цикла общеинженерных дисциплин, изучают металлические и неметаллические материалы, применяемые в машиностроении, судостроении, приборостроении и автоматике, объективные закономерности, зависимости их свойств от химического состава, структуры, способов обработки и условий эксплуатации. Цель изучения данных дисциплин: познать природу и свойства материалов и способов их обработки для наиболее эффективного использования в технике. Основные задачи дисциплин: раскрыть физическую сущность явлений, происходящих в материалах при воздействии на них различных факторов в условиях производства, эксплуатации, показать их влияние на свойства материалов. Установить взаимосвязь между составом, строением и свойствами материалов. Изучит способы повышения физико-механических свойств материалов, обеспечивающих высокую надежность и долговечность деталей машин, элементов автоматики. Изучить основные группы современных материалов, их свойства и область применения. В результате изучения дисциплины студент должен знать физическую сущность явлений, происходящих в материалах в условиях производства и эксплуатации, их взаимосвязь со свойствами. Уметь: оценить поведение материалов под воздействием различных эксплуатационных факторов и возможные отказы при отклонении от нормальных условий работы, правильно выбирать материал, исходя из условий работы, назначать его обработку с целью получения требуемой структуры и служебных свойств. Лабораторный практикум должен развивать у студента навыки научного эксперимента и логического мышления.

106

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТВЕРДОСТИ  1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с методикой определения твердости металлов по методам Бринелля, Роквелла, Виккерса. 2. ПРИБОРЫ И МАТЕРИАЛЫ: Твердомер шариковый ТШ (прибор Бринелля), твердомер ТК (прибор Роквелла), лупа для измерения отпечатков. Образцы сталей и сплавов цветных металлов различной толщины. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Изучить устройство и работу твердомеров типа ТШ и ТК. 2. Определить твердость предложенных материалов. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Твердость материала – это сопротивление проникновению в его поверхность стандартного тела – наконечника (индентора), например шарика, конуса, пирамиды и т.д. не деформирующегося при испытании. Твердость измеряют многими методами, например вдавливанием наконечника, царапаньем испытуемой поверхности алмазным острием под определенной нагрузкой и т.д. Общим для всех методов является создание местных контактных напряжений при воздействии стандартного наконечника на испытуемую поверхность. Наибольшее распространение на практике получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и метод микротвердости.

107

Определение твердости металла твердомером ТШ (прибором Бринелля). При испытании твердости отожженных стальных изделий и изделий из цветных металлов и сплавов используют твердомер ТШ (прибор Бринелля). Испытание на твердость по Бринеллю производится вдавливанием в испытуемый образец стального шарика определенного диаметра (индентора) под действием заданной нагрузки в течение определенного времени. В результате вдавливания шарика на поверхности образца образуется отпечаток (см. рис. 1).

Рисунок 1 – Схема испытания на твердость по Бринеллю. Процесс измерения состоит из следующих операций, выполняемых последовательно: 1. Подготовка материала к испытанию. Образец должен иметь параллельные поверхности (испытуемую и опорную) без окалины, ржавчины. При необходимости указанные поверхности подвергают специальной зачистке. Минимальная толщина образца материала должна быть не менее десятикратной глубины отпечатка. 2. Из таблицы 1 выбирают диаметр шарика D, нагрузку Р, и время выдержки t. 3. Подготовка прибора Бринелля к испытаниям. Шарик, выбранный по таблице 1, закрепляют в держателе 3 (см. рис. 2) и устанавливают необходимую нагрузку Р на приборе. Нагрузка создается массой рычажной системы 13, подвески 11 и сменными грузами 12. В зависимости от формы испытуе108

мого образца подбирают опорный столик 6. Твердость плоских образцов измеряют на плоском столике, а цилиндрических – на призматическом. После этого соответствующим перемещением подвижной чашки 8 по отношению шкалы, расположенной на станине прибора, устанавливают время выдержки образца под нагрузкой. Чашку 8 в нужном расположении закрепляют винтом 9. Таблица 1.

Черные металлы

Интервал твердости в числах Бринелля

Толщина испытуемого образца, мм

140-150

6-3 4-2 <2 >6 6-3 <2 6-3 4-2 <2 9-3 6-3 <3 >6 5-3 <3

То же

<140

Цветные металлы

>130

То же

35-130

То же

8-35

Соотношение Диаметр между нагруз- шарика D, кой Р и диа- мм метром шарика

Р=300 D2 Р=100 D2 Р=100 D2 Р=100 D2 Р=25D2

10 5 2,5 10 5 2,5 10 5 2,5 10 5 2,5 10 5 2,5

Нагрузка Р, Н

Материал

Выбор диаметра шарика и нагрузки 

30000 7500 1875 10000 2500 625 30000 7500 1875 10000 2500 625 2500 625 156

Выдержка под нагрузкой, t, сек.

10 10 30 60 60

4. Работа с прибором при испытании. Испытуемый образец материала 5 устанавливают на столике 6 таким образом, чтобы центр отпечатка располагался от края образца на расстоянии не менее 2,5 диаметра, а от центра соседнего отпечатка – не менее двух диаметров отпечатка. Затем подводят образец к шарику, для чего вращают маховик 10 до упора образца в ограничителе 4, а при отсутствии последнего – до сжатия пружины 20. При этом между конусной частью втулки шпинделя 21 и гнездом станины прибор образует зазор, исключающий трение втулки о станину в процессе вдавливания шари109

ка в образец. Нажатием кнопки 7 включают электродвигатель 17, который через червячный редуктор 18, кривошипный вал 16 и шатун 15 отводят вниз ролик 14.

Рисунок 2 – Схема устройства твердомера ТШ (прибора Бринелля) Действие нагрузки Р через системы рычагов 13, стержень 19, шпиндель 21 сообщается шариковому наконечнику 22. Этот момент фиксируется загоранием лампочки 1. После соответствующей выдержки испытуемого образца под действием нагрузки Р вращение двигателя автоматически переключается на обратное: ролик 14 перемещается вверх , возвращает рычаг 13 в исходное до нагрузки шарика положение, двигатель автоматически выключается, лампочка гаснет. 5. Определение показателя твердости. Число твердости НВ определяют как отношение нагрузки Р к сферической поверхности полученного отпечатка F, диаметром d:

НВ =

Р 2Р = , МПа F πD ( D − D 2 − d 2 110

Так как значения D (диаметр шарика), Р (нагрузка) и время выдержки t известны (таблица 1 ), то для определения числа твердости необходимо лишь измерить диаметр отпечатка d и найти соответствующую твердость по таблице 5. Твердость по Бринеллю обозначается 3020 НВ10/3000/10 МПа, где: 3020– число твердости НВ D/ Р/t Мпа, или 3020 НВ. Размерность числа твердости (Мпа), как правило, не указывают. Максимальная твердость испытуемых металлов 4500 НВ. Испытание более твердых металлов повлечет за собой деформацию шарика, твердость которого 6500 НВ. Между пределом прочности и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая зависимость: - для стали σв ≈ 0,34 – 0,35 НВ; - для медных отожженных сплавов σв ≈ 0,55 НВ; - для алюминиевых сплавов σв ≈ 0,35 – 0,36 НВ.

1 – полученный отпечаток на поверхности образца; 2 – положение отпечатка в поле зрения лупы при измерении диаметров d1 и d2 . Рисунок 3 – Измерение отпечатка. Испытание образца на твердость производится дважды. При повторном испытании центр отпечатка (см. рис. 3) должен размещаться на расстоянии не менее двух диаметров шарика от центра предыдущего отпечатка. Результаты испытаний заносятся в протокол (таблица 3). 111

Определение твердости металлов твердомером ТК (прибором Роквелла). Твердость по Роквеллу определяют путем вдавливания индентора (стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом при вершине 120о) в исследуемый образец. Индентор вдавливается в образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Ро и основной Р1. Общая нагрузка Р будет равна сумме предварительной и основной нагрузок (см. рис. 4).

Рисунок 4 – Схема определения твердости вдавливанием алмазного конуса. Прибор Роквелла, в зависимости от прилагаемой нагрузки в 600, 1000 или 1500Н имеет соответственно шкалы А, В, С. При работе с твердомером ТК соблюдают следующую последовательность выполнения операций: 1. Подготовка образцов к испытанию. Испытываемая поверхность образца должна быть параллельна опорной. С этой целью испытуемую и опорную поверхности образца обрабатывают наждачной бумагой или на мелкозернистом шлифовальном круге, следя при этом, чтобы образец не нагревался выше 150оС. Минимальная толщина испытываемого образца в зависимости от его твердости составляет 0,7-2,0 мм при испытании по шкале В, 0,7-1,5 мм при испытании по шкале С. 2. Определение шкалы твердости, вида наконечника и нагрузки. 112

В соответствии с установленным пределом измерения твердости для каждой шкалы следует выбирать вид наконечника и общую нагрузку (таблица 2):

Таблица 2.

Выбор нагрузки и наконечника для испытаний Обозначение шкалы

В С А

Вид наконечника

Стальной шарик Алмазный конус Алмазный конус

Нагрузка, Обозначение Пределы измерения в Н твердости по единицах твердости Роквеллу по Роквеллу

1000 1500 600

HRB HRC HRA

25-100 20-67 70-85

Шкалой В пользуются при измерении твердости мягких металлов (сырых, незакаленных сталей, цветных металлов и их сплавов); Шкалой С - при измерении твердости закаленных сталей; Шкалой А - при измерении твердости изделий с твердым поверхностным слоем, полученным в результате химикотермической обработки (цементации, цианирования и др.), а также твердых сплавов. 3. Подготовка прибора Роквелла к испытаниям. В соответствии с выбранной шкалой устанавливают в шпинделе прибора (см. рис. 5) наконечник 7 и предварительно закрепляют его с помощью винта 1. В зависимости от формы испытуемого образца выбирают и устанавливают столик 8. Чтобы устранить возможный зазор, между заплечиком наконечника и торцом шпинделя устанавливают на столике какой-либо образец, твердость которого соответствует принятой шкале испытаний, и прилагают два - три раза нагрузку. Не снимая нагрузки, окончательно закрепляют винт 1. 4. Работа прибора при испытании. 113

Установив испытуемый образец на столике 8, вращением маховика 9 приближают образец к наконечнику 7 и, продолжая плавное вращение маховика, сообщают наконечнику предварительную нагрузку 100Н. Требуемая нагрузка будет в тот момент, когда малая стрелка на циферблате остановится против красной точки 5. Большая стрелка в это время должна оставаться в положении, близком к вертикали (± 5 делений).

Рисунок 5. - Схема устройства твердомера ТК (прибора Роквелла) Вращением индикатора 6 устанавливают нуль на шкале С против большой стрелки независимо от шкалы измерения. После этого сообщают наконечнику основную нагрузку, для чего рукоятку отводят назад. 114

При нагружении большая стрелка 4 вращается против часовой стрелки, время нагружения (3-6 сек.) регулируется масляным тормозом 3. Затем плавным вращением рукоятки 2 на себя до упора снимают основную нагрузку (при этом большая стрелка 4 перемещается по циферблату по часовой стрелке). Цифра, против которой остановится большая стрелка (наблюдать следует по той шкале, которая выбрана для измерения твердости), укажет число твердости по Роквеллу. Вращением маховика 9 против часовой стрелки снимают предварительную нагрузку, опускают столик и берут образец. Результаты вдавливания наконечника на приборе Роквелла измеряют индикатором, шкала которого проградуирована в условных единицах, и определяют по формуле:

Н = К − ( Н − h) / с

где: К - постоянная величина, равная для конуса 0,2, а для шарика - 0,26; Н - общая глубина проникновения конуса или шарика, полученная после снятия основной нагрузки, мм; h - глубина проникновения конуса или шарика под действием предварительной нагрузки, мм; с - цена деления циферблата, равная соответствующему углублению наконечника на 0,002 мм. Определение твердости металлов методом Виккерса. Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в испытуемую поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями α 136о (см. рис. 6).

Рисунок 6. - Схема определения твердости методом 115

Виккерса. Число твердости определяется также, как и при испытаниях по Бринеллю, отношением нагрузки Р к площади боковой поверхности отпечатка F:

НV =

P 2 P sin α / 2 P = = 1,8544 2 , 2 F d d

где d - величина диагонали отпечатка. При испытании измеряют обе диагонали отпечатка d1 и d2 с точностью до 0,001 мм при помощи встроенного микроскопа. Число твердости определяют по среднеарифметической величине обеих диагоналей. Преимущество метода Виккерса – возможность измерения твердости как мягких, так и особо твердых материалов, а также твердость поверхностных слоев металла. Метод микротвердости. Для оценки свойств небольших объектов или отдельных зерен металла применяется метод определения микротвердости вдавливанием алмазной пирамиды при разных нагрузках. Преимущество метода микротвердости – возможность оценивать твердость отдельных структурных составляющих, более тонких поверхностных слоев материала, чем при испытаниях по Виккерсу. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Получив у преподавателя образцы черных и цветных сплавов провести испытания твердости методами Бринелля и Роквелла в соответствии с вышеуказанными рекомендациями. Результаты испытаний занести в протоколы испытаний (таблицы 3 и 4) 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Что называют твердостью, способы ее определения? 2. Какова размерность твердости, определяемой различными методами? 3. Порядок измерения твердости на приборе Бринелля? 4. Порядок измерения твердости на приборе Роквелла?

116

5. Приближенно определите прочность стали, твердость которой 2020 НВ?

6. По числам твердости определите самый твердый из предложенных материалов: 4440 НВ; 50 HRC; 71 HRA?

шаДиаметр рика, мм

Нагрузка, Н

обТолщина разца, мм

Материал разца

об-

Таблица 3. Протокол испытаний по методу Бринелля Время вы- Диаметр Число твердодержки под отпечатка, сти по Бринагрузкой, сек мм неллю, НВ, МПа

Шкала испытаний

Вид наконечника

Материал, толщина образца, мм

Таблица 4. Протокол испытаний по методу Роквелла Нагрузка, Число твердости по Роквел- Число тверН лу, HR дости по Бринеллю, НВ, МПа HRA HRB HRC

А В С

117

Диаметр отпечатка, мм

число твердости, МПа

Твердость по Твердость по РокБринеллю веллу, НВ, Мпа шкалы: HRС HRА HRВ

1 2.75 2.80 2.85 2.90 2.95 3.00 3.02 3.05 3.10 3.15 3.20 3.25 3.30 3.35 3.40 3.45 3.50 3.55 3.60 3.65 3.70 3.75 3.80 3.85 3.90 3.95

2 4950 4770 4610 4440 4290 4150 4090 4010 3880 3750 3630 3520 3410 3310 3210 3110 3020 2930 2860 2770 2690 2620 2550 2480 2410 2350

3 50 49 48 46 45 44 43 42 41 40 39 38 37 36 35 34 33 31 30 29 28 27 26 25 24 23

4 76 76 75 74 73 72 72 71 71 70 70 69 68 68 67 67 67 66 66 65 65 64 64 63 63 62

5 100 99

Твердость по Виккерсу, HV, МПа

Таблица 5. Соотношения между числами твердости, определенными различными метолами и пределом прочности при растяжении.

6 5510 5340 5020 4730 4600 4350 4230 4120 4010 3900 3800 3610 3440 3350 3200 3120 3050 2910 2850 2780 2720 2610 2550 2500 2400 2350

Предел прочности стали при растяжении σв, МПа углероди- хроми- никилиестая стая вая, хромоникилиевая

7 1780 1720 1650 1600 1550 1490 1470 1440 1395 1350 1305 1265 1225 1195 1155 1115 1085 1055 1030 995 970 945 920 895 870 845

8 1730 1670 1560 1500 1450 1430 1395 1360 1315 1270 1230 1190 1165 1120 1085 1055 1025 1005 970 940 920 890 870 845 825

9 1680 1610 1460 1410 1390 1365 1320 1275 1235 1195 1160 1130 1090 1055 1025 1000 975 940 915 895 865 845 820 805

Продолжение табл. 7 118

1 4.00 4.05 4.10 4.15 4.20 4.25 4.30 4.35 4.40 4.45 4.50 4.55 4.60 4.65 4.70 4.75 4.80 4.85 4.90 4.95 5.00 5.05 5.10 5.15 5.20 5.25 5.30 5.35 5.40 5.45 5.50 5.55 5.65

2 2280 2230 2170 2120 2070 2020 1960 1920 1870 1830 1790 1740 1700 1660 1630 1590 1560 1530 1490 1460 1430 1400 1370 1340 1310 1280 1260 1240 1210 1180 1160 1140 1120

3 22 21 20 19 18 16 15 15 -

4 62 61 61 60 60 59 58 58 57 56 56 55 -

5 98 97 97 96 95 94 93 92 91 89 88 87 86 85 84 83 82 81 80 78 76 76 75 74 72 71 69 69 67 66 65 64 62

6 2260 2210 2170 2130 2090 2010 1970 1900 1860 1830 1770 1740 1710 1650 1620 1590 1540 1520 1490 1470 1440 -

119

7 825 800 780 760 745 720 705 690 675 660 640 625 610 600 585 575 560 550 535 525 510 500 495 486 470 462.5 450 440 435 425 417.5 412.5 405

8 800 775 760 740 725 710 685 670 655 640 625 610 595 665 570 555 545 535 520 510 495 490 480 470 455 447.5 435 430 425 415 407.5 402.5 395

9 775 765 740 720 705 685 665 650 635 625 605 590 580 570 555 545 530 520 505 500 485 475 465 455 445 435 425 420 410 400 392.5 387.5 385

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА СТРУКТУРА И СВОЙСТВА УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Приобрести навыки в работе с металлографическим микроскопом. Изучить строение углеродистых сталей. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: - Металлографический микроскоп МИМ-7 (МИМ-8М); - комплект микрошлифов углеродистых сталей; - альбом фотографий микроструктур сталей. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Просмотреть под микроскопом предложенные микрошлифы; 2. Дать характеристику структурных составляющих и сделать зарисовки; 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Углеродистая сталь - сплав железа с углеродом (до 2,14%) и небольшим количеством постоянных примесей. К постоянным примесям относятся сера, фосфор (попадают в сталь с рудой), марганец, кремний (вводятся, как раскислители). Влияние постоянных примесей на структуру и свойства углеродистых сталей незначительно, поэтому углеродистые стали можно рассматривать как чистые железоуглеродистые сплавы и объяснять их структуру и свойства по диаграмме железо – цементит (см. рис. 7). Следовательно, структура и свойства углеродистых сталей в равновесном состоянии определяются количеством углерода. Под равновесным состоянием сплава понимается такое его состояние, при котором все фазовые превращения в сплаве полностью закончились. Основой для определения фаз и структурных составляющих железоуглеродистых сплавов в равновесном состоянии является диаграмма железо - цементит.

120

Рисунок 7 – Диаграмма состояния железо – цементит. В зависимости от содержания углерода, стали делят на классы: 121

- доэвтектоидные (до 0,8% C); - эвтектоидные (0,8% С); - заэвтектоидные (от 0,8 до 2,14% С). Для исследования структуры сталь протравливают специальными реактивами. Наиболее распространенными являются 4% раствор азотной кислоты или пикриновой кислоты в этиловом спирте. Исследование производят на металлографическом микроскопе при увеличении в 100 - 200 раз. Для выявления строения мелкодисперсных структурных составляющих используют более сильное увеличение - 500 раз и более. Углеродистые стали, согласно диаграмме состояния железо цементит, в равновесном состоянии состоят из двух фаз: феррита и цементита, которые в зависимости от содержания углерода образуют различные структуры. Феррит - твердый раствор углерода в α- железе. При обычном травлении феррит выявляется под микроскопом в виде светлых пятен с черными границами (см. рис. 8). При глубоком травлении зерна феррита имеют различные оттенки: от светлых до темных следствие анизотропии (см. рис. 9). Зерна феррита образуются первыми, и их размер в значительной степени зависит от скорости охлаждения аустенита. Растворимость углерода в феррите достигает 0,025% и изменяется с изменением температуры. Феррит является пластичной составляющей структуры; его относительное удлинение δ = 50%. Твердость феррита (НВ 6 - 160) зависит от концентрации в нем углерода и других растворенных элементов, от величины зерен, убывая с возрастанием последних. Цементит - химическое соединение углерода с железом, или карбид железа (Fe3C). Содержит 6,67% углерода. При обычном травлении выявляется под микроскопом в виде светлых выпуклых зерен. Цементит травится реактивами медленнее, чем феррит, поэтому он как бы возвышается над последним и при его рассмотрении под микроскопом кажется более светлым. Отличить цементит от феррита в сомнительных случаях можно путем травления шлифа пикритом натрия, который окрашивает цементит в темный цвет. 122

Цементит - самая твердая составляющая (НВ > 800). Пластичность его ничтожно мала (практически равна нулю). Поэтому с возрастанием содержания цементита в структуре стали, что наблюдается при увеличении в ней углерода, твердость стали повышается, а пластичность падает. Перлит - эвтектоид, т.е. механическая смесь цементита и феррита, содержащая 0,8 %С. Протравленная поверхность шлифа эвтектоидной стали имеет перламутровый отлив в связи с чем такую структуру называют перлитом. В зависимости от формы цементита различают две формы перлита: - пластинчатый - цементит имеет форму тонких пластинок, которые располагаются параллельно друг другу в феррите (см. рис. 15); - зернистый - цементит равномерно распределен на ферритном поле в виде округлых зерен (см. рис. 16). Пластинки (зернышки) цементита в перлите могут быть мелкими или крупными, отсюда перлит может быть мелкопластинчатым (мелкозернистым) или крупнопластинчатым (крупнозернистым). Величина пластинок (зернышек) оказывает влияние на свойства стали: чем они мельче, тем выше прочность и твердость и ниже пластичность. Микроструктура доэвтектоидной и эвтектоидной стали. Структура сталей, содержащих до 0,004% углерода (технически чистое железо), состоит из зерен феррита (см. рис. 8). С увеличением содержания углерода до 0,025% в структуре кроме феррита появляется новая структурная составляющая цементит, который выделяется из феррита при охлаждении вследствие уменьшения растворимости углерода в α - железе (линия PQ на диаграмме состояния железо - цементит). Называется он цементитом третичным и располагается в виде выпуклых светлых включений, главным образом, по границам зерен феррита (см. рис. 9), что понижает пластичность и вязкость стали. Выделение третичного цементита можно наблюдать в сталях с содержанием углерода до 0,025%.

123

Увеличение содержания углерода сверх 0,025% вызывает образование перлита. Следовательно, структура доэвтектоидных сталей состоит из феррита и перлита (Ф + П). Количество перлита и феррита в доэвтектоидных сталях зависит от содержания углерода: по мере возрастания углерода количество перлита увеличивается, а феррита уменьшается (рисунок 10-14) и в эвтектоидной стали (0,8%С) перлит занимает все поле зрения микроскопа, структура этой стали перлитная (см. рис. 15, 16). В отожженной доэвтектоидной углеродистой стали по микроструктуре можно определить приблизительное содержание углерода. Для этого поле зрения, видимое под микроскопом принимают за 100% и на глаз определяют в процентах площадь (Fn), занимаемую перлитом. Так как в феррите растворено незначительное количество углерода (0,004%), то практически считают, что в доэвтектоидной стали весь углерод находится в перлите и его содержание определяют по формуле:

С=

Fп × 0,8 %, 100

например 15% площади, видимой в микроскопе, занято перлитом и 85% занято ферритом. Содержание углерода в такой стали будет:

С=

15 × 0,8 = 0,12% 100

Микроструктура заэвтектоидной стали. Структура заэвтектоидных сталей состоит из перлита и вторичного цементита, который обычно располагается либо в виде белой сетки по границам перлитных зерен, либо в виде иголочек внутри них. Чем больше в заэвтектоидной стали углерода, тем толще цементитная сетка (см. рис. 17), которая часто похожа на ферритную в доэвтектоидных. Чтобы их не спутать, надо помнить, что после обычного травления цементитная сетка всегда ровная, тонкая, выпуклая, а ферритная - рваная с чуть желтоватым оттенком. При возникшем сомнении шлиф полируют и производят контрольное травление пикритом натрия, который окрашивает цементит в темно-коричневый цвет. При этом, если сетка осталась светлой, значит это феррит и сталь доэвтектоид124

ная, если она стала темной, значит это цементит и сталь заэвтектоидная. Расположение вторичного цементита по границам перлитных зерен нежелательно, так как, опоясывая зерна перлита, он делает сталь хрупкой, поэтому термической обработкой в заэвтектоидных сталях стремятся получить структуру зернистого перлита. В заэвтектоидных сталях со структурой цементита вторичного по границам перлитных зерен можно определить содержание углерода по микроструктуре пользуясь формулой:

С=

Fп × 0,8 + Fц × 6,67 %, 100

где Fп − площадь, занимаемая перлитом, %; Fц − площадь, занимаемая цементитом, %.

СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ УГЛЕРОДИСТЫХ СТАЛЕЙ Углеродистые стали при комнатной температуре в равновесном состоянии, как уже отмечалось, состоят из двух фаз: феррита и цементита. Свойства их определяются количеством и свойствами их фаз. Феррит мягок (НВ 80) и пластичен (δ = 50%), цементит тверд (НВ 800) и хрупок (δ = 0%). Чем больше в стали углерода, тем больше цементита, следовательно, тем выше ее твердость и прочность и ниже пластичность. Доэвтектоидные стали с содержанием углерода до 0,6% применяются для изготовления деталей машин (машиностроительные). Доэвтектоидные стали, содержащие более 0,6%, эвтектоидные и заэвтектоидные, содержащие углерода до 1,2%, применяются для изготовления инструмента (инструментальные). Заэвтектоидные стали с содержанием углерода более 1,3% хрупки из-за наличия сплошной жирной цементитной сетки по границам перлитных зерен, поэтому на практике они не применяются. ДЕФЕКТНЫЕ СТРУКТУРЫ В СТАЛЯХ К дефектным структурам относятся: видманштеттова и строчечная. 125

Видманштеттова структура (см. рис.18) - наблюдается в отливках и перегретых сталях. Характеризуется она пластинчатой формой ферритных зерен, расположенных под углом друг к другу с образованием треугольников. Стали с такой структурой обладают пониженными механическими свойствами, особенно ударной вязкостью. Устраняется этот дефект правильной термической обработкой (нормализацией или отжигом). Строчечная (см. рис. 19) - наблюдается в пластически деформированных сталях (кованных, прокатных и т.д.). Характеризуется она определенной ориентацией зерен по направлению деформирующих сил. В сталях со строчечной структурой механические свойства вдоль волокон гораздо выше, чем поперек. Особенно резко сказывается направление волокон на ударной вязкости. Строчечную структуру устранить термической обработкой не всегда удается, ее можно устранить ковкой и последующей нормализацией или отжигом. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Курсант изучает данное методическое пособие, получает у преподавателя коллекцию шлифов, производит исследование, составляет отчет по проделанной работе и предъявляет его преподавателю. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА. 1. Привести нижнюю левую часть диаграммы состояния железо-цементит и указать на ней вертикальными пунктирными линиями положения исследуемых сталей. 2. Привести зарисовки структур исследуемых сплавов в прямоугольных рамках размером 60 х 40 мм с указанием наименования изображенных структурных составляющих и увеличения, при котором производилось исследование. 3. Указать наименование стали и дать характеристику качеству структуры. 4. Отметить классы исследуемых сталей (доэвтектоидный, эвтектоидный и другие), их структуру. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 126

1. Углеродистые стали (определение, маркировка). 2. Классификация стали по структуре. 3. Влияние углерода и величины зерна на механические свойства стали. 4. Определение структурных составляющих. 5. Дефекты структуры в сталях. 6. Применение углеродистой стали.

127

Светлые зерна α-железа, которое может содержать в твердом растворе до 0,006%С, а также некоторое количество Mn, Si, R, S. Рисунок 8 – Феррит (х500).

Цементит третичный (мелкие включения и сетка в феррите. Рисунок 9–С до 0,025% (х1500).

128

Светлое поле – феррит, темное поле – перлит. Рисунок 10 – Сталь. С = 0,1% (х200).

Светлое поле – феррит, темное поле – перлит. Рисунок 11 – С = 0,2% (х200).

129

Светлое поле – феррит, темное поле – перлит. Рисунок 12 – С = 0,3% (х200).

Светлое поле – феррит, темное поле – перлит. Рисунок 13 – С = 0,4% (х200).

130

Темное поле – перлит, светлая сетка – феррит. Рисунок 14 – С = 0,6% (х200).

Перлит пластинчатый. Эвтектоид, состоящий из тонких пластинок цементита, расположенных в ферритной основе. Рисунок15– С = 0,8% (х2000)

131

Перлит зернистый. Эвтектоид, состоящий из мелких зернышек цементита, расположенных в ферритной основе. Рисунок 16 – С = 0,8% (х2000)

Темное поле – перлит, светлая сетка – цементит. Рисунок 17 – С=1,2% (х200)

132

Рисунок 18 (х200) – Видмандштеттова структура стали.

Рисунок 19 (х200) – Строчечная структура стали.

133

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЧУГУНОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Приобрести навыки в изучения структур чугунов. Провести анализ зависимости между структурами, механическими свойствами и областью применения чугунов. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: - Металлографический микроскоп МИМ-7 (МИМ-8М); - комплект микрошлифов чугунов; - альбом фотографий микроструктур чугунов; -таблица механических свойств чугунов. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Просмотреть под микроскопом предложенные микрошлифы; 2. Дать характеристику структурных составляющих и сделать зарисовки; 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Характеристика структурных составляющих чугунов. Чугун представляет собой сплав железа с углеродом и некоторыми другими элементами. Углерода в чугуне содержится 2,14 - 6,67%, в структуре он наблюдается в виде графита или цементита. В зависимости от состояния углерода чугуны делят на две группы: - чугуны, в которых весь углерод находится в связанном состоянии в виде цементита Fe3C (белые чугуны); - чугуны, в которых весь углерод или большая его часть находится в свободном состоянии в виде графита (серые, высокопрочные и ковкие чугуны). Структура их представляет собой металлическую основу, пронизанную графитовыми включениями. В промышленном чугуне кроме углерода обязательно содержится кремний, марганец, сера и фосфор. Чугуны отличаются высокими литейными свойствами, изделия из них изготавлива134

ют различными методами литья. Из-за низкой пластичности чугун не подвергается обработке давлением. Структура чугуна зависит от скорости его охлаждения и химического состава. Белые чугуны имеют матово-белый цвет в изломе. Их структура зависит от содержания углерода и соответствует диаграмме состояния Fe - Fe3C. Белые чугуны получаются при высоких скоростях охлаждения. При этом кристаллизация сплава заканчивается образованием твердой кристаллической фазы – ледебурита. Ледебурит - продукт эвтектического превращения жидкого раствора Fe-С с концентрацией углерода 4,3%. Такое превращение, связанное с одновременным выпадением кристаллов аустенита и цементита, происходит при сравнительно невысокой постоянной температуре 1147оС. Ледебурит - является эвтектикой, формулу ледебурита можно записать как Л(А+Ц). При охлаждении чугунов ниже 727оС ледебурит приобретает формулу Лпр(П+Ц) - такую структуру называют ледебурит превращения. В зависимости от структуры и содержания углерода различают три класса белых чугунов: - доэвтектический - содержание углерода от 2,14 до 4,3%; - эвтектический - содержание углерода 4,3%; - заэвтектический - содержание углерода от 4,3 до 6,67%. Микроструктура доэвтектического чугуна включает три структурные составляющие: перлит, ледебурит и вторичный цементит. Перлит наблюдается в виде темных зерен, а ледебурит - в виде отдельных участков. Каждый такой участок представляет собой смесь мелких округленных или вытянутых зерен перлита, равномерно расположенных в белой цементитной основе (рисунок 20а). С увеличением концентрации углерода в доэвтектической чугуне, доля ледебурита в структуре увеличивается за счет уменьшения участков структуры, занимаемых перлитом и вторичным цементитом. Вторичный цементит наблюдается в виде светлых зерен. Эвтектический чугун состоит из одной структурной составляющей ледебурита, представляющего собой равномерную механическую смесь перлита с цементитом (рисунок 20б). 135

а

б

в

а – доэвтектический чугун; б – эвтектический чугун; в – заэвтектический чугун. Рисунок20– Микроструктура белых чугунов. Заэвтектический чугун характеризуется двумя структурными составляющими - первичным цементитом и ледебуритом. С увеличением углерода количество первичного цементита в структуре возрастает (рисунок 20в). Характерная особенность структуры белого чугуна - наличие весьма твердых и малопластичных составляющих: цементита и ледебурита. Поэтому белый чугун имеет высокую твердость, мало пластичен и плохо обрабатывается резанием. В белых чугунах присутствует сравнительно легкоплавкая эвтектика (ледебурит), поэтому чугуны относятся к литейным сплавам. Они обладают хорошими литейными свойствами: - большой жидкотекучестью (способностью расплава свободно течь в литейной форме, полностью заполняя ее и точно воспроизводя все контуры); - малой усадкой (уменьшение объема металла при охлаждении и кристаллизации невелико, что позволяет получать качественные отливки сложной формы). Из-за наличия в структуре цементита белые чугуны очень хрупки и не могут быть использованы в качестве конструкцион136

ного материала. Их применяют либо для последующего производства стали, либо для получения ковкого чугуна. Серый чугун – такой, в котором весь углерод или большая его часть находится в виде графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8%. Имеет в изломе серый цвет, что объясняется присутствием в его структуре графита (аллотропическая модификация чистого углерода). Получают серый чугун в процессе кристаллизации с замедленным охлаждением, в результате чего графит приобретает пластинчатую форму. Структура серого чугуна представляет собой металлическую основу, пронизанную пластинчатыми графитовыми включениями (рисунок 21).

Рисунок 21 – Включения пластинчатого графита в сером чугуне (до травления х200). Металлическая основа серого чугуна может быть: ферритной, феррито – перлитной, перлитной. Прочность графита в сером чугуне, по сравнению с металлической основой, ничтожно мала. Присутствие графита в чугуне равносильно надрезу - пустоте. Поэтому, чем равномернее расположены графитовые включения в металлической основе, чем 137

они мельче и их форма ближе к округленной, тем меньше разобщена металлическая основа чугуна и, следовательно, его прочность выше. Наличие графита, с одной стороны, снижает механические свойства чугуна, а с другой - повышает его износостойкость и способность поглощать вибрацию. Серые чугуны (ГОСТ 1412-85) маркируются буквами СЧ, далее следует цифровое обозначение величины минимального временного сопротивления при растяжении σВ, МПа *10-1. Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 предназначены для слабо и средне нагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, корпусов редукторов, подшипников, насосов, суппортов, тормозных барабанов, дисков сцепления и пр. Феррито-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие отливки. Перлитные серые модифицированные чугуны обладают наиболее высокими свойствами, главным образом, из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3 - 0,6% от массы шихты). Механические свойства серого чугуна, как конструкционного материала, зависят как от свойства металлической основы (матрицы), так и от количества, геометрических параметров и характера распределения включений графита. Чем меньше этих включений и чем они мельче, тем выше прочность чугуна. Металлическая основа в сером чугуне обеспечивает наибольшую прочность и износоустойчивость, если она имеет перлитную структуру. Наименьшей прочностью обладает чугун с ферритной основой. Относительное удлинение при растяжении серого чугуна независимо от свойств металлической основы практически равно нулю (δ = 0,5%). Высокопрочный чугун при рассмотрении в металлографический микроскоп имеет следующую структуру: металлическую основу (перлито-ферритную, перлитную или ферритную) и графитовые включения в виде шаровидного (глобулярного) графита (рисунок 22). Такой чугун получают модифицированием маг138

нием (0,3 – 0,7%) или церием (до 0,5%). Модифицирование (добавка в расплав нерасплавляющихся измельченных частиц) обеспечивает получение графита шаровидной формы.

Рисунок 22 – Графитовые включения в микроструктуре высокопрочного чугуна (до травления х500). Шаровидные включения графита значительно меньше ослабляют основу, чем пластинчатые (вокруг сферических включений концентрация внутренних напряжений значительно ниже), поэтому чугуны с шаровидной формой графита обладают более высокой прочностью и пластичностью по сравнению с серым чугуном. Условное обозначение марки высокопрочного чугуна включает буквы ВЧ – высокопрочный чугун и цифровое обозначение минимального значения временного сопротивления при растяжении σВ, МПа * 10-1. Например, ВЧ 35 - σВ = 350 МПа. Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы дизелей, поршни и многие другие ответственные 139

детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания. Ковкий чугун получают в результате отжига отливок, изготовленных из белого чугуна. В процессе отжига цементит, входящий в структуру белого чугуна, распадается на железо и графит. Образующийся при этом графит имеет хлопьевидную форму (темные включения), что и обеспечивает хорошие пластические формы чугуна (рисунок 23).

Рисунок 23 – Графитовые включения в микроструктуре ковкого чугуна (до травления х500). В зависимости от строения металлической основы различают перлитный, перлито – ферритный и ферритный ковкие чугуны. Наибольшей прочностью (σв до 630 Н/м2) обладает перлитный ковкий чугун, наибольшей пластичностью (δ до 10%) ферритный. Ковкие чугуны маркируются по минимальному значению временного сопротивления разрыву σВ, МПа * 10-1 и относительному удлинению δ, %. Например, КЧ 35-10 - σВ = 350 МПа, δ = 10%. 140

Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать детали водо- и газопроводных установок; хорошие литейные свойства исходного белого чугуна - отливки сложной формы. Недостаток ковких чугунов - повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига. Легированные чугуны. Чугуны специального назначения (для работы в агрессивных средах, в том числе и при высоких температурах) подвергаются специальному легированию хромом, кремнием, никелем. Такие чугуны называются коррозионно-стойкими (ГОСТ 2176 - 67 и ГОСТ 1215 - 79). Легированные чугуны дешевле нержавеющих сталей, обладают хорошими литейными свойствами, поэтому изделия из них получают экономичными способами литья. Хромистые чугуны содержат 26 - 36% хрома, имеют высокую твердость, хорошо сопротивляются износу, но плохо обрабатываются резанием. Хромистые чугуны стойки в окислительных средах - в азотной кислоте любой концентрации при 20оС и в 40%-ной кипящей; в концентрированной серной кислоте и других средах. Окалиностойкость (жаростойкость) таких чугунов сохраняется до 1000 – 1100оС. Из хромистых чугунов изготавливают детали и аппаратуру для азотной промышленности, производства искусственных удобрений и т.п. Высокая жаростойкость таких чугунов позволяет изготовлять из низ детали печного оборудования (колосники, гребни и лопасти в печах для отжига и т.п.). Кремнистые чугуны относятся к кислотостойким и жаростойким сплавам. Содержание кремния ограничивается 18%, так как при более высокой концентрации кремнистые чугуны становятся очень хрупкими. При резкой смене температур возможно их растрескивание. В окислительных средах на поверхности изделий из кремнистых чугунов образуется очень прочная защитная пленка дву141

окиси кремния. Такая пленка способна восстанавливаться даже при механических повреждениях. Чтобы повысить кислотостойкость кремнистых чугунов, в них добавляют 3,5 - 4% молибдена. Получаемый сплав ("антихлор") способен длительно работать даже в 10 - 30%-ных растворах соляной кислоты при температурах до 90оС. Изделия из кремнистых чугунов изготавливаются из-за их высокой твердости только литьем, без последующей механической обработки. В некоторых случаях допускается только шлифование высокотвердыми абразивами (алмазными кругами, частицами эльбора и т.п.). Из кремнистых чугунов изготавливают насосы для перекачки агрессивных сред, детали распылителей кислоты, краны, котлы, чаны для транспортировки и хранения сильно окисляющихся сред. Никелевые чугуны содержат до 1% никеля. Чем больше никеля, тем выше коррозионная стойкость чугунов. Никелевые чугуны стойки в расплавах солей и в концентрированных растворах щелочей. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. 1. Ознакомившись с целью, заданием и общими сведениями к лабораторной работе. 2. Изучить предложенные образцы чугуна под микроскопом, зарисовать микроструктуру. 3. Вычертить диаграмму состояния Fe – Fe3C, указав местоположение исследуемых сплавов. 4. Дать характеристику структурных составляющих исследуемых сплавов. 5. Написать отчет о работе с приложением зарисованных структур. 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 1. Классификация белых чугунов в зависимости от структуры и содержания углерода. 2. Классификация чугунов в зависимости от формы графитовых включений. 3. Виды графитовых включений, их влияние на механические свойства чугунов. 142

4. Способ получения высокопрочных чугунов, какую роль играет магний и церий в высокопрочных чугунах? 5. Способ получения ковких чугунов. 6. Легированные чугуны, их достоинства и область применения. Таблица 6 Механические свойства серых чугунов ГОСТ 1412-85 Марка чугуна

Временное сопротивление при растяжении σВ, МПа

Твердость НВ

СЧ10 СЧ 15 СЧ 20 СЧ 25 СЧ 30 СЧ 35

100 150 200 250 300 350

190 210 230 245 260 275

Таблица 7 Механические свойства ковких чугунов ГОСТ 1215-79 Марка чугуна

КЧ 37-12 КЧ 35-10 КЧ 30-6 КЧ 45-7 КЧ 50-5

Временное сопротивление раз- Относит удли- Твердость НВ нение, % рыву, Мпа (кгс/мм2)

ФЕРРИТНЫХ 362 (37) 333 (35) 294 (30) ПЕРЛИТНЫХ 441 (45) 170 (50) 143

12 10 6

110 - 163 100 - 163 100 - 163

7* 5*

150 - 207 170 - 230

КЧ 55-4 539 (55) 4* 192 - 241 КЧ 60-3 588 (60) 3 200 - 269 КЧ 65-3 637 (65) 3 212 - 269 * - по согласованию изготовителя с потребителем допускается понижение на 1%.

Таблица 8 Механические свойства высокопрочных чугунов ГОСТ 7293-85 Марка чугуна

Предел прочности при растяжении, МПа

Твердость НВ

ВЧ 35 ВЧ 40 ВЧ 45 ВЧ 50 ВЧ 60 ВЧ 70 ВЧ 80 ВЧ 100

350 400 450 500 600 700 800 1000

140 - 170 140 – 202 140 – 225 153 – 245 192 – 277 228 – 302 248 – 351 270 - 360

144

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА КЛАССИФИКАЦИЯ И МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ И ЧУГУНОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение маркировки сталей и чугунов, определение химического состава по марке, практическое знакомство с ГОСТами на стали и чугуны, изучение классификации, знакомство с областями применения и их основными свойствами. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: - ГОСТы на стали и чугуны; -примеры маркировки сталей, чугунов; - карточки индивидуальных заданий. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Изучить систему классификации сталей и чугунов по химическому составу, свойствам и назначению; 2. Ознакомиться с основными требованиями Российского морского Регистра судоходства для сталей и чугунов, применяемых в судостроении, изучить области применения; 3. По заданию преподавателя расшифровать марки предложенных сплавов, их химический состав и назначение. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Все железоуглеродистые сплавы делят на две группы: стали – сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода не превышает 2,14%; чугуны - сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода выше 2,14% (до 6,67%). Все стали, в свою очередь, можно разделить на две группы – углеродистые и легированные. Углеродистые стали являются основным конструкционным материалом, применяемым в промышленности. Однако углеродистые стали – это не только сплав железа и углерода, это сплав сложного химического состава. Поэтому свойства таких сталей определяются как количеством углерода, так и содержанием присутствующих в них примесей, которые взаимодействуют и с железом и с углеродом. 145

Различают примеси: постоянные, скрытые, случайные и специально введенные. Постоянные (технологические) примеси. К постоянным примесям относятся кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец и кремний вводят в сталь в процессе выплавки для ее раскисления, т.е. для удаления закиси железа. Кроме того, марганец способствует уменьшению содержания сульфида железа FeS в стали. Углеродистые стали обычно содержат до 0,7%Mn и до 0,5% Si. Сера и фосфор являются вредными постоянными примесями. Сера попадает в сталь с исходным сырьем – чугуном. Сера нерастворима в железе, она образует с ним соединение FeS – сульфид железа. При взаимодействии с железом образуется эвтектика (Fe + FeS) с температурой плавления 9880С. Поэтому при нагреве стальных заготовок для пластической деформации выше 9000С сталь становится хрупкой. При горячей пластической деформации заготовки разрушаются. Это явление называется красноломкостью. Одним из способов уменьшения влияния серы является введением марганца. Соединение MnS плавится при 16200С, эти включения пластичны и не вызывают красноломкости. Содержание серы в сталях допускается не более 0,06%. Фосфор попадает в сталь главным образом с исходным материалом – чугуном - используемым для выплавки стали. Фосфор обладает большой склонностью к ликвации, поэтому даже при незначительном среднем количестве фосфора в отливке могут образовываться участки, богатые фосфором. Располагаясь вблизи границ зерен, фосфор повышает температуру перехода в хрупкое состояние, т.е. вызывает хладноломкость. Содержание фосфора в углеродистой стали допускается до 0.050%. Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на ее хрупкость. Содержание серы и фосфора в стали зависит от способа ее выплавки. Скрытые примеси – это присутствующие в стали газы – азот, кислород, водород – ввиду сложности определения их количества. Газы попадают в сталь при ее выплавке им присутствуют либо растворяясь в феррите, либо образуя химические со146

единения (нитриды, оксиды). Газы могут находиться и в свободном состоянии в различных несплошностях. Даже в очень малых количествах азот, кислород и водород сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается до 102 – 10-4. В результате вакуумирования стали их содержание уменьшается, свойства улучшаются. Случайные примеси – это может быть любой элемент (медь, алюминий, вольфрам, никель, кобальт, молибден и т.д.), который попал в шихту вместе с металлоломом или чугуном при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, при которых их вводят специально как легирующие элементы. Легирующие элементы (специальные примеси) – это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких-либо заданных свойств. Стали, в которых присутствуют такие элементы называют легированными. Содержание легирующих элементов в сталях может изменяться в очень широких пределах. Сталь считают легированной хромом или никелем, если содержание этих элементов составляет 1% и более. При содержании ванадия, молибдена, титана, ниобия более 0,1-0,5% стали считаются легированными этими элементами. Сталь является легированной и в том случае, если в ней содержатся элементы, характерные для углеродистой стали (марганец или кремний), но их количество должно превышать 1%. Легирование осуществляется с целью улучшения механических свойств – прочности, пластичности и т.д.; изменения физических, химических и других свойств стали. Необходимый комплекс свойств достигается не только легированием, но и рациональной термической обработкой, в результате которой получается необходимая структура. Введение легирующих элементов существенно увеличивает стоимость стали, а некоторые из них к тому же являются дефицитными металлами, поэтому их применение должно быть строго обосновано. Классификация сталей. Стали классифицируют по химическому составу, способу выплавки, по структуре, по качеству и назначению. 147

Классификация по химическому составу. По химическому составу, прежде всего, стали делят на две большие группы: углеродистые и легированные. В свою очередь легированные стали в зависимости от числа легирующих элементов могут быть трехкомпонентные, четырехкомпонентные и т.д., например хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые. Пол степени легирования (по содержанию легирующих элементов) стали условно подразделяют на низколегированные (2,5 – 5% легирующих элементов), среднелегированные (до 10% легирующих элементов) и высоколегированные (более 10% легирующих элементов). Классификация по способу выплавки. Углеродистые стали выплавляют главным образом кислородно-конверторным и мартеновским способом. Наиболее качественную углеродистую сталь выплавляют в электрических дуговых печах. В зависимости от степени раскисления при выплавке стали могут быть спокойными (сп), полуспокойными (пс) или кипящими (кп), что указывается в марке. Спокойные, полуспокойные и кипящие стали, при одинаковом содержании углерода, имеют практически одинаковую прочность. Главное их различие заключается в пластичности, которая обусловлена содержанием кремния. Содержание кремния в спокойной стали 0,150,35%, в полуспокойной 0,05-0,15%, в кипящей <0,05%. Легированные стали выплавляют только спокойными в мартеновских или электрических печах. В результате уменьшения содержания кремния в кипящих сталях они становятся мягкими, поэтому кипящая сталь хорошо штампуется в холодном состоянии. Но из-за большого содержания газов, особенно азота, кипящие стали склонны к деформационному старению. Кроме того, большое содержание кислорода в этой стали повышает порог хладноломкости и, поэтому, кипящие стали становятся хрупкими уже при температуре – 100С, в то время как спокойные стали, содержащие такое же количество углерода, могут работать до -400С. Кипящие стали более склонны к зональной ликвации. Это наиболее дешевые стали, но качество металла низкое, поэтому их используют для изготовления неответственных деталей и конструкций. 148

Классификация по структуре. По структуре в отожженном состоянии стали делят на: - доэвтектоидные, содержащие до 0,8%С; - эвтектоидные, содержащие 0,8%С; - заэвтектоидные, содержащие от 0,8 до 2,14%С. Классификация по качеству. В основе классификации сталей по качеству лежит содержание вредных примесей – серы и фосфора. Различают углеродистую сталь обыкновенного качества, качественную конструкционную сталь и сталь высококачественную. Сталь обыкновенного качества (ГОСТ 380-71) содержит повышенное количество серы (до 0,05%) и фосфора (до 0,04%). Эти стали выплавляют преимущественно в мартеновских печах или в кислородных конверторах. Обозначение марок сталей – буквенно-цифровое: буквы Ст. обозначают «сталь», цифры от 0 до 6 – условный номер марки. Например, Ст.0, Ст.1…Ст.6. Степень раскисления стали обозначают буквами «кп», «пс», «сп». Кипящими выплавляют стали марок Ст.0 - Ст.4, полуспокойными и спокойными Ст.1 - Ст.6. По состоянию поставки стали делят на три группы: А, Б и В. Сталь группы А поставляют по механическим свойствам. С увеличением номера стали прочность увеличивается, пластичность уменьшается. Химический состав стали группы А не регламентируется, его только указывают в сертификатах металлургического завода-изготовителя. Сталь этой группы используется в состоянии поставки. Сталь группы Б поставляют по химическому составу, т.к. эти стали обычно в дальнейшем подвергают различной обработке (ковке, сварке, термической обработке) с целью получения необходимого комплекса механических свойств. Стали группы В поставляют по химическому составу и механическим свойствам, т.е. по нормам для сталей групп А и Б. В марках указываются только буквы Б и В. Например Ст.2кп – сталь №2, группы А (поставляемая по механическим свойствам), кипящая по степени раскисления. БСт.3пс – сталь №3, группы Б (поставляемая по химическому составу), полуспокойная по степени раскисления. 149

Углеродистая сталь обыкновенного качества – дешевая и во многих случаях удовлетворяет требованиям к механическим свойствам. Ее выплавка составляет около 80% всего производства углеродистых сталей. В качественных сталях максимально допустимое содержание вредных примесей составляет не более 0,04%S и 0,04%Р. Качественная сталь менее загрязнена неметаллическими включениями и имеет меньшее содержание растворенных газов. Поэтому при примерно одинаковом содержании углерода качественные стали имеют более высокую пластичность и вязкость по сравнению со сталями обыкновенного качества, особенно при низких температурах. Качественные углеродистые стали поставляют по химическому составу и механическим свойствам. Марки сталей обозначают цифрами, указывающими среднее содержание углерода в сотых долях процента, степень раскисления – буквами пс, кп (спокойные качественные стали маркируются без индекса). Например: сталь 10кп содержит 0,1%С, кипящая; сталь 30пс содержит 0,30%С, полуспокойная; сталь 45 0,45%С, спокойная. Качественные углеродистые стали поставляются в различном состоянии: без термической обработки, после нормализации, различной степени пластической деформации и т.д. Высококачественные стали. В них стремятся получить минимально возможное содержание серы и фосфора (S ≤ 0,035%, Р ≤ 0,035%). Поскольку при этом стоимость стали существенно увеличивается, конструкционные углеродистые стали редко выплавляют высококачественными. Для обозначения высокого качества стали в конце обозначения марки стали ставят букву А (например сталь У10А). Легированные стали выплавляют только качественными, а чаще – высококачественными. Для обозначения марок легированных сталей принята буквенно-цифровая система. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Х – хром, Н – никель, М – молибден, В – вольфрам, К – кобальт, Т – титан, Г – марганец, Д – медь, Ф – ванадий, С – кремний, П – фосфор, Ю – алюминий, Р – бор, Б – ниобий, Ц – цирконий, А – азот (при легировании азотом букву А ставят в середине обозначения марки, например, сталь15Х17АГ14). 150

Марка легированной стали обозначается сочетанием букв и цифр. Для конструкционных марок сталей первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Содержание легирующих элементов (если оно превышает 1%) ставят после соответствующей буквы в целых единицах процентов. Например: сталь 18ХГТ содержит 0,18%С; 1% Cr; 1% Mn и 0,1% Ti; сталь 12ХН3 содержит 0,12%С; 1%Сr и 3%Ni. Особо высококачественными выплавляют только легированные стали и сплавы. Они содержат не более 0,015% серы и 0,025% фосфора. К ним предъявляют повышенные требования и по содержанию других примесей. Классификация по назначению. По назначению стали подразделяют на три основные группы: конструкционные, инструментальные и стали с особыми свойствами. В основу классификации первых двух групп положено содержание углерода. Стали, содержащие до 0,25% С используют как котельные, строительные и для деталей машин, подвергаемых цементации. Низкое содержание углерода в котельных и строительных сталях обусловлено тем, что детали котлов и строительных конструкций соединяют сваркой, а углерод ухудшает свариваемость стали. Стали, содержащие 0,3 - 0,5%С (сталь 35, сталь 40, сталь 45, сталь 40ХН и т.д.) используют для деталей машин. Эти стали подвергают термической обработке – закалке с последующим высокотемпературным отпуском (улучшению). Стали, содержащие 0,5 – 0,7%С используют для изготовления пружин и рессор. Стали, содержащие 0,7 – 1,5%С используют для изготовления ударного и режущего инструмента. Углеродистые инструментальные стали маркируются У7, У8, … У13, где буква У обозначает углеродистую сталь, а число показывает содержание углерода в десятых долях процента. Например, сталь У10 содержит 1%С. Эти стали иногда выплавляют высококачественными, тогда в маркировке присутствует буква А (сталь У10А). Химический состав и механические свойства углеродистых сталей регламентированы ГОСТ 1435-74. 151

В инструментальных легированных сталях содержание углерода обозначают в десятых долях процента. Например, сталь 9ХС содержит 0,9%С; 1%Cr; 1,4%Si. Если содержание углерода более 1%, то цифры не указывают, например сталь ХВГ, сталь ХГ. К группе сталей с особыми свойствами относят коррозионностойкие, нержавеющие, кислотоупорные, жаропрочные, жаростойкие, с особыми магнитными свойствами и т.д. ЧУГУНЫ. Все чугуны в зависимости от формы выделения углерода, подразделяют на белый, половинчатый и серый. Белым называют такой чугун, в котором при нормальной температуре весь углерод находится в связанном состоянии, в основном в форме цементита Fe3C. Такой чугун в изломе имеет белый цвет и металлический блеск. Серым называют такой чугун, в котором весь углерод или большая его часть находится в форме графита, а в связанном состоянии (в форме цементита) углерода содержится не более 0,8%. Ввиду большого количества графита, входящего в состав такого чугуна, его излом имеет серый цвет. В половинчатом чугуне часть углерода находится в форме графита, но при этом не менее 2% С присутствует в форме цементита. Структура чугунов существенно зависит от их химического состава и скорости охлаждения. Влияние постоянных примесей на свойства чугунов. Кремний способствует графитизации чугуна. Кремний растворяется в Fe, образуя раствор замещения. Содержание кремния в чугунах колеблется от 0,5 до 4,5%. Марганец препятствует графитизации, способствует получению в структуре чугуна цементита. Содержание марганца в чугунах от 0.4 до 1,3%. Сера в чугунах является не желательным элементом. Она снижает жидкотекучесть, способствует отбеливанию чугуна, как и марганец. Содержание серы допускается не более 0,08 0,012%. 152

Фосфор в чугунах - полезная примесь, так как улучшает жидкотекучесть. Участки фосфидной эвтектики увеличивают твердость и износостойкость чугуна. Содержание фосфора в чугунах колеблется от 0.3 до 0,8%. Иногда в чугуны вводят легирующие элементы (никель, хром, алюминий, молибден и т.д.), тем самым улучшая их свойства. Влияние скорости охлаждения. Кроме регулирования содержания углерода и кремния, необходимо также учитывать скорость охлаждения отливок. Известно, что быстрое охлаждение способствует получению белого чугуна, замедленное - серого чугуна. Серые литейные чугуны. В серых литейных чугунах обычно содержится до 3,8% С, в форме цементита находится не более 0,8% С, остальной углерод содержится в графитовых чешуйках, размер и форма которых зависит от состава чугуна и технологии отливок. Металлической основой серого чугуна является доэвтектоидная или эвтектоидная сталь. По ГОСТ 1412-85 серые чугуны маркируются буквами СЧ и далее следует число, показывающее предел прочности при растяжении (временное сопротивление). Ферритные серые чугуны СЧ 10, СЧ 15, СЧ 18 предназначены для слабо и средне нагруженных деталей: крышек, фланцев, маховиков, корпусов редукторов, подшипников, насосов, суппортов, тормозных барабанов, дисков сцепления и пр. Ферритно-перлитные серые чугуны СЧ 20, СЧ 21, СЧ 25 применяют для деталей, работающих при повышенных статических и динамических нагрузках: блоки цилиндров, картеры двигателей, поршни цилиндров, барабаны сцепления, станины различных станков, зубчатые колеса и другие отливки. Перлитные серые модифицированные чугуны обладают наиболее высокими свойствами, главным образом, из-за мелких разобщенных графитных включений. Измельчение графитных включений в них достигается путем модифицирования жидкого чугуна ферросилицием или силикокальцием (0,3 - 0,6% от массы шихты). Модифицированные чугуны используются для деталей, работающих при высоких нагрузках или тяжелых условиях износа: зубчатые колеса, гильзы блоков цилиндров, шпиндели, распре153

делительные валы и др. Чугуны этих марок обладают наибольшей герметичностью. по этой причине их широко применяют также для изготовления корпусов насосов, компрессоров, арматуры тормозной пневматики и гидроприводов. Для деталей, работающих при повышенных температурах, применяют легированные серые чугуны: жаростойкие (дополнительно содержат Cr, Ni), жаропрочные (Cr, Ni, Mo). Применение находят также немагнитные, хромоникилевые чугуны с аустенитной структурой. Из них изготавливают стойки для магнитов, крышки выключателей и пр. Высокопрочные чугуны. Высокопрочными называют чугуны, в которых графит имеет шаровидную форму. Их получают модифицированием при помощи магния, который вводят в жидкий чугун в количестве 0,02 - 0,08%. Виду того, что модифицирование магнием сопровождается сильным пироэффектом, чистый магний заменяют лигатурами (например, сплавов магния и никеля). Графитные выделения углерода в этих чугунах имеют шаровидную форму. Шаровидный графит - менее сильный концентратор напряжений, чем пластинчатый графит и поэтому меньше снижает механические свойства металлической основы. Чугуны с шаровидной формой графита обладают более высокой прочностью и некоторой пластичностью. Маркируют высокопрочные чугуны по пределу прочности, например ВЧ 42 - σВ = 420 МПа. Высокопрочные чугуны применяют в различных отраслях техники, эффективно заменяя сталь во многих изделиях и конструкциях. Из них изготовляют оборудование прокатных станов, кузнечно-прессовое оборудование, корпуса паровых турбин, коленчатые валы дизелей, поршни и многие другие ответственные детали, работающие при высоких циклических нагрузках и в условиях изнашивания. Ковкие чугуны. Ковкими называют чугуны, в которых графит имеет хлопьевидную форму. Их получают отжигом белых доэвтектоидных чугунов. По этой причине графит ковких чугунов называют углеродом отжига. Такой графит, в отличии от пластинчатого, меньше снижает механические свойства металлической основы, вследствие чего, ковкий чугун по сравнению с серым обладает более высокой прочностью и пластичностью. 154

Принцип маркировки ковких чугунов: КЧ 35-10 - где 35 – это предел прочности σВ = 350 МПа, а 10 – относительное удлинение δ = 10%. Ковкие чугуны нашли широкое применение в сельскохозяйственном, автомобильном и текстильном машиностроении, в судо-, котло-, вагоно- и дизелестроении. Из них изготовляют детали высокой прочности, работающие в тяжелых условиях износа, способные воспринимать ударные и знакопеременные нагрузки. Большая плотность отливок ковкого чугуна позволяет изготавливать детали водо- и газопроводных установок; хорошие литейные свойства исходного белого чугуна - отливки сложной формы. Недостаток ковких чугунов - повышенная стоимость из-за продолжительного дорогостоящего отжига. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. Курсант изучает данное методическое пособие, получает у преподавателя индивидуальное задание по маркировке сталей, делает расшифровку марок с указание степени раскисления, способа производства и области применения, составляет отчет по проделанной работе и предъявляет его преподавателю. 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 1. Назовите все виды примесей и дайте их краткую характеристику. 2. Чем вызваны хладноломкость и красноломкость сталей, чем они опасны? 3. Чем характерны легированные стали, их достоинства и недостатки? 4. Назовите способы классификации сталей? 5. В чем заключается классификация стали по качеству? 6. Принцип маркировки легированных сталей? 7. Принцип маркировки углеродистых инструментальных сталей. 8. Чем отличаются белые и серые чугуны? 9. Принцип маркировки серых, ковких и высокопрочных чугунов.

155

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучить микроструктуры меди, латуней, бронз в литом, деформированном и термически обработанном состоянии под микроскопом. Установить связь между структурами и диаграммами состояния этих сплавов. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: - металлографический микроскоп МИМ-7 (МИМ-8М); - комплект микрошлифов цветных металлов и сплавов; - альбом фотографий микроструктур цветных металлов и сплавов. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Изучить микроструктуру и свойства меди, латуней, бронз. 2. Структуры, видимые под микроскопом сопоставить со структурами металлографического альбома. 3. Зарисовать структуры изучаемых сплавов, проанализировать механические свойства этих сплавов. 4. Изучить применение исследуемых сплавов. 5. Заполнить протокол, написать отчет. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Цветные металлы обладают рядом специфических свойств. Так, медь отличается высокой электропроводностью, алюминий и магний – малой плотностью, свинец – пластичностью, олово, цинк – легкоплавкостью и т.д. Поэтому перечисленные металлы, несмотря на дороговизну, широко применяются в промышленности в виде составляющих элементов цветных сплавов. Сплавление одних цветных металлов с другими с образованием сплавов в ряде случаев значительно улучшает их ценные свойства. Ниже приводится краткая характеристика ряда наиболее распространенных цветных металлов и сплавов, которые часто применяются в промышленности. 156

Медь марки М1 содержит до 0,1% примесей, обладает высокой электропроводностью, применяется для изготовления проводников электрического тока Микроструктура деформированной меди представлена на рисунке 24.

Рис 68

а - степень деформации 20%; б – степень деформации 80%. Рисунок24– Микроструктура деформированной меди (х200). На рисунке 25 представлена микроструктура литой меди. 157

67

Рисунок 25 – Микроструктура литой меди. х 100. К медным сплавам относят латуни и бронзы. Латуни – медные сплавы, в которых основным легирующим элементом является цинк. Практическое значение имеют латуни, содержащие примерно до 42 - 43% Zn. В маркировке латуней буква Л означает принадлежность сплава к латуням. Если латунь простая, то за буквой Л следует цифра, показывающая среднее содержание меди в процентах. В двухкомпонентной системе медь-цинк (рисунок 26) образуется шесть твердых растворов: α, β, γ, δ, ε, η. При содержании цинка до 39% латуни однофазные α - латуни (рисунок 27), до 46% - двухфазные α + β′ (рисунок 28, 29, 30). Однофазные латуни характеризуются высокой пластичностью; β′ - фаза очень хрупкая и твердая, поэтому двухфазные латуни имеют более высокую прочность и меньшую пластичность, чем однофазные. Влияние химического состава на механические свойства отожженных латуней показано на рисунке 31. 158

Рисунок 26 - Диаграмма состояния медь - цинк.

159

рис 79

Рисунок27– Типичная микроструктура отожженной α- латуни. х 75.

рис. 80

Светлые удлиненные зерна α-фазы; Темные промежутки между ними - β-фаза. Рисунок 28 – Микроструктура литой α+β- латуни Л62. х150.

160

рис81

Структура α+β (β-фаза – темные включения). Рисунок 29 – Микроструктура латуни Л62 после деформации и отжига. х 100.

рис87

Структура состоит из α- и β-фаз и включений свинца (темные точки). Рисунок 30 – Микроструктура отожженной свинцовистой латуни ЛС59-1. х 250. 161

Рисунок 31 - Влияние цинка на механические свойства латуней. 162

При содержании цинка до 30% возрастают одновременно и прочность и пластичность. Затем пластичность уменьшается, вначале за счет усложнения α - твердого раствора, а затем происходит резкое ее понижение в связи с появлением в структуре хрупкой β′ - фазы. Прочность увеличивается до содержания цинка около 45%, а затем уменьшается так же резко, как и пластичность. Большинство латуней хорошо обрабатывается давлением. Особенно пластичны однофазные латуни. Они деформируются при низких и при высоких температурах. Однако в интервале 300-700 оС существует зона хрупкости, поэтому при таких температурах латуни не деформируют. Двухфазные латуни пластичны при нагреве выше температуры 454 0С β ↔ β′ превращения, особенно выше 700 0С, когда их структура становится однофазной (β - фаза). Чтобы придать латунным сплавам лучшие механические и технологические свойства, в них добавляют легирующие элементы железо, никель, свинец, алюминий - от 2 до 8%. Такие латуни называют специальными. По назначению латуни подразделяются на литейные и деформируемые. Применение латуней приведено в таблице 9. Литейные латуни в движущейся морской воде в разной степени подвержены коррозионному разрушению - обесцинкованию. Обесцинкование - избирательная электрохимическая коррозия, проявляющаяся в удалении из латуни преимущественно фазы обогащения цинком. Оно связано с переходом цинка в раствор и вторичным осаждением из раствора меди на поверхность корродирующей латуни. Все (α + β) и α - латуни, содержащие более 15% цинка, склонны к обесцинкованию. По мере увеличения скорости движения жидкости происходит разрушение защитных пленок, а также смывание продуктов коррозии, что приводит к усилению эрозии вплоть до сквозного разрушения латунных изделий. Для латуни ЛЦ16КЧ интенсивное обесцинкование начинается при скоростях движения воды свыше 1,2 м/с, а для латуней ЛЦ40Мц3Ж и ЛЦ23А6Ж3Мц2 - при более высоких. Бронзы - сплавы меди с любыми элементами, среди которых цинк не является основным. В зависимости от химического со163

става бронзы разделяют на простые оловянные и специальные безоловянные. Оловянные бронзы являются широко распространенными и старейшими сплавами. Диаграмма состояния сплавов медь олово представлена на рисунке 32.

Рисунок 32 - Диаграмма состояния медь олово. 164

Структура оловянных бронз вследствие ликвации не всегда соответствует равновесной диаграмме сплавов Сu - Sn. Литые бронзы, содержащие до 5% Sn, почти полностью состоят из α фазы, поэтому обладают пластичностью и небольшой прочностью (рисунок 33).

Рисунок 33- Влияние олова на механические свойства бронз. 165

С увеличением содержания олова до 8 - 10% бронзы состоят из α - твердого раствора олова - меди неоднородной концентрации и эвтектоида (α + δ). Оловяннтые бронзы устойчивы против действия атмосферы, морской воды, растворов NaOH, Na2CO3 и др. Бронзы неустойчивы в HNO3 и HCl. Маркируют бронзы буквами Бр, далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов, а содержание меди определяется по разности от 100%. Например, в бронзе Бр03Ц12С5 содержится 3% олова, 12% цинка, 5% свинца и остальное медь. Пример обозначения: Литейные бронзы ГОСТ 493-79 БрА10Ж3Мц2; Деформируемые бронзы ГОСТ 18175-79 БрАЖН 10-4-4. Примеры микроструктур бронз приведены на рисунках 3437.

98

По границам дендритов α-твердого раствора (светлые кристаллы) видны включения эвтектоида α + γ. Внутри зерен γфазы – мелкие включения железосодержащей фазы. Рисунок 34 – Микроструктура литой алюминиевожелезистой бронзы БрА9Ж4. х 75. 166

рис 99

Видны зерна α-твердого раствора (светлые) и включения эвтектоида (темные). Темные точки внутри зерен α-фазы - железосодержащая составляющая. Рисунок 35– Микроструктура бронзы БрАЖ9-4 после деформации и отжига. х 250.

рис 103

Структурные составляющие: α-твердый раствор и эвтектоид α+δ (Cu3Sn8). Основой эвтектоида является фаза δ (Cu3Sn8) (светлая), в которой вкраплены мелкие выделения α-фазы (темные). Рисунок 36 – Микроструктура литой оловянистой бронзы с 10% Sn. х 1000. 167

рис107

Дендриты α-твердого раствора и эвтектоида (α+Cu3P+δ) Рисунок 37 – Микроструктура литой оловянной бронзы БрОФ10-1 (10%Sn, 1%P, остальное медь) х 500. Для улучшения качества оловянных бронз в них вводят: - свинец - повышает антифрикционные свойства и способствует лучшей обрабатываемости; - цинк - улучшает литейные свойства; - фосфор - повышает литейные, механические и антифрикционные свойства оловянных бронз. Бронзы, содержащие олова 22%, практически не применяют, т.к. они очень хрупки. Бронзы, обрабатываемые давлением, содержат не более 5-6% олова. Деформируемые оловянные бронзы БрОФ6,5-1,5, БрОЦ4-3, БрОЦС4-4-2,5 применяют для изготовления листов, проволоки, лент и прутков. Литейные оловянные бронзы БрОФ10-1, БрОЦ10-2, БрОЦСН3-7-5-1 идут на изготовление различных деталей машин, работающих в условиях морской воды, в условиях пара с давлением до 2,5 МПа, а также вкладышей подшипников. Алюминиевые бронзы БрА5, БрА7, БрПМц9-2 применяют для изготовления лент, полос, трубок. Бронзы БрАЖН10-4-4Л, 168

БрАЖ9-4Л применяют для фасонного литья. Добавки в бронзу никеля, железа, марганца повышают ее сопротивление коррозии и улучшают механические свойства. Например, бронза БрАЖН10-4-4 в результате закалки в воде при температуре 9200С и последующего отпуска при температуре 6500С имеет σв = 686МПа и НВ 200-250. Микроструктура литой алюминиевой бронзы приведена на рисунке 38.

рис97а

Структурные составляющие: α-фаза (светлые зерна) и эвтектоид (α+γ) (темные пестрые поля). Рисунок 38 – Микроструктура литой алюминиевой бронзы БрА10. х 250. Марганцовистая бронза БрМц5 сохраняет свои механические свойства при повышенных температурах (400-4500С), применяется для изготовления наплавляющих втулок, седел клапанов и др. Свинцовистая бронза БрС30 обладает высокими антифрикционными свойствами и применяется для сильно нагруженных подшипников с большими удельными давлениями (например, коренные подшипники турбин). 169

Бериллиевая бронза БрБ2 после закалки (t = 8200С) и старения (t = 3000С) имеет НВ 400 и σв = 1176-1274 Мпа. Применяется для изготовления пружин, мембран, инструментов, не дающих искру. Микроструктура бериллиевой бронзы БрБ2,5 представлена на рисунке 39.

рис112а

В межосных пространствах дендритов α-твердого раствора видны включения эвтектоида α+γ(CuBe). Рисунок39– Микроструктура литой бериллиевой бронзы БрБ2,5. х 150. 5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ. 1. Подготовить шлифы заданных для изучения сплавов, отшлифовать и протравить их. 2. Настроить микроскоп на увеличение в 160 - 300 раз и установить исследуемый образец на предметный столик. 3. Просмотреть, изучить и зарисовать видимые под микроскопом микроструктуры. Указать стрелками различные структурные составляющие. 4. Перечислить структурные составляющие, присутствующие в сплаве и описать форму их выделения (зернистая, игольчатая и т.д.). Указать, к какой группе относится сплав - к однофазной или двухфазной. 170

5. Воспользовавшись графиками изменения свойств сплава в зависимости от содержания компонентов, стандартами и справочными данными описать основные механические характеристики, химический состав и область применения заданных сплавов. 7. Сделать выводы. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА. В отчете о работе необходимо указать цель работы и задание, привести схемы и описания микроструктур исследуемых сплавов, зарисовать диаграммы состояний и графики зависимости свойств сплавов от концентрации компонентов, указать положение изучаемых сплавов на диаграммах состояний. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 1. Цветные металлы, их свойства, применение. 2. Какие сплавы называются латунями? 3. Маркировка латуней? 4. От чего зависят структура и свойства латуней? 5. Сущность обесцинкования? 6. Применение латуней? 7. Какие сплавы называются бронзами? 8. Свойства бронз? 9. Применение бронз? 10. Маркировка бронз? 11. Достоинства и недостатки кремниевых и бериллиевых бронз.

171

Таблица 9 Свойства и назначение латуней Марка МПа 1

2

Свойства НВ ан, кДж/ м2 3 4

Назначение λ Вт/ (моС) 5

6

Двойные деформируемые латуни ГОСТ 15527 – 70* Л96 235 59 22 243 Радиаторные и капиллярные трубки. Л90 275 59 18 180 Детали машин, приборов теплотехнической Л85 295 60.8 151 и химической аппаратуры, змеевики, сильЛ80 343 64 16 144 фоны и др. Л63 441 67 108 Гайки, болты, конденсаторные трубы. Л60 412 68.6 104 Толстостенные патрубки, детали машин. Многокомпонентные деформируемые латуни ГОСТ 15527 - 70 ЛА77-2 441 54.0 20 116 Конденсаторные трубы морских судов. ЛЖМц59-1-1 470 93.5 12.0 101 Вкладыши подшипников, детали морских судов. ЛМц58-2 441 88.4 12.0 71 Гайки, болты, арматура, детали машин. ЛО90-1 302 60.0 7.5 126 Конденсаторные трубы теплотехнической ЛО60-1 441 80.4 7.5 1.8 аппаратуры. ЛС60-1 392 68.6 105 Гайки, болты, зубчатые колеса, втулки. ЛК80-3 393 103.0 12-16 88 Коррозионно стойкие детали машин.

ЛЦ16К4 ЛЦ40С

Литейные латуни ГОСТ 17711 - 93 294 98.0 12.0 84 Детали арматуры. 215 68.8 2.6 108 Литые детали арматуры, втулки, сепараторы, подшипники.

172

1 ЛЦ40Мц3Ж

2 441

3 89.1

4 3.5

5 101

ЛЦ23А6Ж3 Мц2

686

156.5

1.382.76

51

6 Детали ответственного назначения, работающие при температуре до 300 оС. Массивные червячные винты, гайки нажимных винтов.

Таблица 10 Механические свойства и применяемость бронз. Марка

1

Временное Относи- Твердость Применяемость сопротив- тельное по Бриление, σв, удлиненеллю МПа ние δ, % НВ, МПа 2 3 4 5

Оловянные деформируемые бронзы ГОСТ 5017-74* БрОФ8,0-0,3 84,4-98,0 55 - 65 392-490 Сетки бумагоделательных машин БрОЦ4-3 49,0-68,6 35 - 45 295-392 Токоведущие пружины, контакты штепсельных разъемов, детали химической аппаратуры БрОЦС4-4-4 30 - 40 314-354 Втулки и прокладки автомобилей и тракторов Безоловянные деформируемые бронзы ГОСТ 18175-78* БрАЖ9-4 98,0-117,8 35 - 45 392-488 Зубчатые колеса, гайки машинных винтов, седла клапанов БрАЖН10-4-4 127,6-147 35 - 45 442-540 Направляющие втулки, клапаны, зубчатые колеса и другие детали ответственного назначения БрБ2 127,6-147 40 - 50 392-588 Пружины, упругие элементы БрБНТ1,9 117,8-137 30 - 50 392-588 То же БрКН1-3 78,6-98,0 25 - 30 392-442 Антифрикционные детали, баки, резервуары БрКМц3-1 68,6-78,4 50 - 60 343-392 Пружины, втулки, вкладыши подшипников 1

2

3

4 173

5

Литейные оловянные бронзы ГОСТ 613-79 БрО3Ц12С5 58,8 5 206 Арматура общего назначения БрО5Ц5С5 58,8 6 138 Биметаллические подшипники скольжения БрО6Ц6С3 58,8 4 176 Арматура, антифрикционные детали, вкладыши подшипников БрО8Ц4 73,5 10 196 Части трубопроводов, насосов, работающих в морской воде БрО10Ф1 88,2 3 245 Узлы трения, высоконагруженные детали приводов и др. БрО10Ц2 73,5 10 275 Антифрикционные детали, вкладыши подшипников и др. Литейные безоловянные бронзы ГОСТ 493-79 БрА10Ж3Мц2 127,6 10 - 14 490 Арматура, антифрикционные детали. БрА11Ж6Н6 253,8 1-3 588 То же.

174

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ НА МАТЕРИАЛЫ С РАЗЛИЧНЫМ УДЕЛЬНЫМ ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ СОПРОТИВЛЕНИЕМ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ Измерение удельного сопротивления различных проводниковых материалов и исследование влияния температуры на материал с различным удельным электросопротивлением. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ. Лабораторный стенд по изучению электро- и радиоматериалов (ЭРМ-1), измеритель СLR E7-13. Образцы материалов. 3. ЗАДАНИЕ. 3.1. Ознакомиться с методическим пособием. 3.2. Измерить электросопротивление R образцов: меди, константанам манганина и нихромам. Результаты опытов занести в таблицу 13. Вычислить удельное электросопротивление ρ этих образцов, результаты занести в таблицу 13. 3.3. Измерить в той же последовательности электросопротивление образцов при температурах: 100, 8O, 6O, 40, 20 0С. Результаты опытов занести в таблицу 14. Построить графическую зависимость электросопротивления образцов от температуры: R = f(T). Определить температурный коэффициент удельного электросопротивления образцов. 3.4. Составить отчет.

36

4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. В приборостроении, электротехнике, радиотехнике и электронике широко применяются металлы и сплавы с определенными электрическими свойствами. Эти металлы могут быть разделены на две группы: ПРОВОДНИКОВЫЕ материалы, обладающие относительно малым удельным сопротивлением, СПЛАВЫ СОПРОТИВЛЕНИЯ, имеющие высокое электросопротивление. Материалы обеих групп должны обладать малым температурным коэффициентом электросопротивления. 175

Металлы ВЫСОКОЙ ПРОВОДИМОСТИ используют для изготовления проводов, токопроводящих жил кабелей, обмоток электрических машин и трансформаторов, обкладок конденсаторов, волноводов, объемных резонаторов и т.д. СПЛАВЫ с высоким удельным СОПРОТИВЛЕНИЕМ используют для изготовления проволочных резисторов, потенциометров, реостатов и электронагревательных приборов. Для твердых металлических проводников характерна высокая электро- и теплопроводность, которая определяется особенностями металлической связи между атомами, в частности наличием в проводнике среды коллективизированных электронов ("электронного газа"). При движении электронного газа под действием электрического поля происходят столкновения электронов с ионами кристаллической решетки. При этом энергия электронов передается ионам металла и проводник нагревается. Любые искажения правильности кристаллической решетки металла (примеси, вакансии, деформации решетки) приводят к снижению средней длины свободного пробега электронов lср и подвижности электронов μ, обусловленной действием электрического поля, и к повышению ρ металла. Характерным свойством всех металлов и сплавов является повышение их электрического сопротивления с ростом температуры (см. рис. 40). 1 – проводники 2 - п/п 3 - д/э

Рисунок 40- Зависимость сопротивления от температуры. Зависимость от температуры определяется по формуле:

ρ

t

= 2 ( 3 mKT

) 176

−

1 2

× n

-2

l -ср1

где: m - масса электрона, кг К - постоянная Больцмана, К=1,38 х 10-23Дж/к; Т - термодинамическая температура, 0К; n - концентрация свободных электронов, м -3; lср- средняя длина свободного пробега электронов, м. Такой характер зависимости ρ = f(T-1/2) справедлив в предположении, что n и lср не зависят от температуры. На практике с ростом температуры происходит усиление колебательных движении атомов кристаллической решетки металла и хаотических движений свободных электронов, в результате чего снижаются значение средней длины свободного пробега электронов lср и их подвижности μ. Пластическая деформация, как правило, повышает ρ металлов в результате искажения кристаллической решетки. При рекристаллизации путем термической обработки (отжига) ρ может быть вновь снижено до первоначального значения. Удельное электрическое сопротивление проводника, обладающего сопротивлением R и постоянным поперечным сечением S, длиной L вычисляют по формуле: ρ = R x S/ L (ом х м) Часто пользуются внесистемной единицей - Ом х мм2/м. 1 Ом х м = 106 мкОм х м = 106 Ом х мм2/м. Диапазон значений ρ металлических проводников - от 0,016 для серебра до 10 мкОм х м для некоторых сплавов. Значения ρ некоторых металлов и сплавов даны в табл. 11. Величину, обратную, называют удельной электрической проводимостью γ и измеряют в См/м (сименс/метр). Температурный коэффициент удельного сопротивления металлов ТК = α ( 1/0K) положителен (см. рис.40). ТКρ = α = 1/ρ) x dρ /dT Согласно выводам электронной теории металлов значения α чистых металлов в твердом состоянии должны быть близки к температурному коэффициенту расширения идеальных газов, 177

38

т.е. 1/273 = 0,0037 К-1 (повышенными значениями α обладают некоторые металлы, в том числе ферромагнитные материалы (см.табл.11)). УДЕЛЬНОЕ ЭЛЕКТРОСОПРОТИВЛЕНИЕ НЕКОТОРЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Таблица 11. № п/п

1 2 3 4 5 6 7

Металлы

Серебро Медь Золото Алюминий Железо Никель Кобальт

ρ, мкОм х м

α х 10-4 К-1

№ п/п

Сплавы

ρ, мкОм х м

0,016 0,0172 0,024 0,028 0,098 0,073 0,062

38 43 60 25 60 60

8

Константан МНМц40-1,5 Манганин МНМц3-12 Нихром Х20Н80 Латунь Л68

0,48 – 0,52

9 10 11

0,42 – 0,48 1,0 – 1,1 0,071

При изменении температуры в узких диапазонах на практике допустима кусочно-линейная аппроксимация зависимости ρ(Т), в этом случае принимают, что ρ2 = ρ1 ( 1 + α ( Т2 Т1)), где: ρ1ρ2 - удельное сопротивление проводникового материала при Т1 и Т2 соответственно; α- средний температурный коэффициент удельного сопротивления данного материала в диапазоне температур от Т1 и до Т2 Если через Ro обозначить величину электрического сопротивления проводника при температуре to, а через Rt - сопротивление при температуре t, то сопротивление можно подсчитать по формуле Rt = Ro(1 + α (t - to)) Отсюда можно найти α α = (Rt - Ro)/( Ro(t - to)) (К-1) Температурный коэффициент удельного сопротивления α 178

39

для многих чистых металлов имеет значение около 4 х 10-3 0С-1. Наименьшим удельным сопротивлением обладает чистый металл. Любые примеси, металлические и неметаллические, повышают удельное сопротивление. Даже примесь металла, имеющего меньшее удельное сопротивление, чем основной, повышает его сопротивление. Это объясняется искажением кристаллической решетки основного металла даже небольшим количеством примеси. Степень влияния разных примесей на ρ металлов различна. Характер влияния металлической примеси на величину ρ данного металла зависит от ТИПА образуемого СПЛАВА (твердый раствор, механическая смесь, химическое соединение). На рис.41 показана зависимость ρ и α различных типов сплавов от состава, состоящих из двух компонентов. Состав, механические свойства и область применения исследуемых сплавов даны в табл.12. Твердый раствор никеля и марганца в меди представляет собой сплав, который называют КОНСТАНТАН. Этот сплав имеет низкий α и в паре с медью) серебром и железом дает большую термо- э.д.с. Сплав достаточно коррозионностоек, жаростоек и имеет высокие механические свойства (см.табл.12). Термопары, содержащие константан, могут употребляться без специальной защиты до 600 0С. Манганин имеет очень малую термо- э.д.с. в контакте с медью и малый α, что позволяет использовать этот сплав в эталонных катушках электросопротивления и точных электроизмерительных приборах.

179

а) - механическая смесь; б) - твердый раствор двух металлов; в)- химическое (интерметаллическое) соединение. Рисунок 41. - Зависимость ρ и ТКρ различных типов металлических сплавов от соотношения компонентов (А и В). Состав, механические свойства и области применения исследуемых сплавов. Таблица 12

40

Основные компоненты, %     Сплав 

Ni+Co Мn Cr

Fe Cu

1

2

3

4

40

1,5

-

2

3

4

5

3

12

-

- оcт. 450-600 10-15 120 Проволока для реостатов, точных электроизмерительных элементов

1

6

Примечание

Константан MHMu40-1,5

Манганин МНМц 3-12

5

Физикомеханические свойства НВ, Р,Мпа δ,% МПа 7 8 9

- оcт.450-650 15-20 90

6

7

8

9

10

Проволока для рeocтатов, нагревательных приборов, термопар и т.д.

10

180

Нихром Х15Н60

55-61 1 15-18 ocт. - 650-700 22

200 Проволока, для реостатов, нагрева приборов, термопар и т.д.

Нихром марки Х15Н60 (сплав высокого сопротивления) применяют для изготовления реостатов и магазинов сопротивления, а также для нагревательных элементов различных электрических приборов и электрических цепей. Применяется сплав для работы при температуре до 900С. 5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ. 5.1. Подключить прибор Е7 к клеммам "Образец" стенда ЭРМ-1. Внешний вид прибора изображен на рис. 42. 5.2. Подготовить приборы к проведению испытаний: - поставить тумблер "Сеть" блока питания прибора Е7-13 в положение "1", при этом загорается цифровое табло на передней панели прибора; - прогреть прибор в течение 15 минут; - произвести калибровку прибора в соответствии с ТО. 5.3. Установить переключатель "Род работы" прибора E7-13 в положение GR (проводимостью сопротивление), а переключатель "Предела измерения" в положение к (номинальный предел измерения 10кОм). 5.4. Включить тумблер "Сеть" стенда ЗРМ-1 (исходное положение нижнее). Далее, используя на стенде ЭРМ-1 переключатели 1,2,3,4 на панели управления "Проводники", произвести замеры сопротивления образцов при t = 20 0C. 5.5. Результаты измерений занести в таблицу 13.

41 181

Рисунок 42

5.6. Включить тумблер "Нагрев" стенда ЭРМ-1 и довести t до 100 0C. Отключить "Нагрев" и, используя остывание образцов, произвести измерение R при изменении t t от 100 0C до 20 0C с интервалом в 20°.Результаты занести в таблицы 15 и 16. 5.7. По данным измерений табл.15 и 0C произвести расчет удельного электросопротивления образцов и определить α. Построить графики зависимостей R = f(t) для различный материалов. 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

42

182

Отчет должен содержать: 1. Результаты измерений в табличной форме. 2. Расчеты определяемых величин, графики полученных зависимостей. 3. Выводы по результатам измерений. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ. 1. Какие материалы относят к проводникам? 2. Область применения проводниковых материалов. 3. Какие факторы влияют на удельное сопротивление проводника? 4. Что называют удельным сопротивлением проводника? 5. Объяснить увеличение сопротивления проводника с увеличением температуры. 6. Как изменится различных сплавов в зависимости от состава? 7. Дать характеристику исследуемых образцов, их свойства и применения. Результаты измерений сопротивлений (R) различных материалов при t = 20°С. Таблица 13. № Материал образца

1 2 3 4

Медь Константан Манганин Нихром

l,м

d, м

0,88 0,50 0,20 0,50

0,10 0,09 0,13 236

Измерить R,Ом

Вычислить ρ,Ом х м

Результаты измерений R различных материалов при изменении t от 20 0С, до 100 0С. Таблица 14. №

Материал

п/п

1

R при разных t 0C 100

Медь

2 Константан 3 Манганин 4 Нихром 183

80 60 40

α, К-1 20

184

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Определение электросопротивления полупроводников при различных температурах. Исследование основных параметров фоторезисторов. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ Лабораторный стенд ЭРМ-l, измеритель GLR-13.Образцы терморезисторов и фоторезисторов.

3. ЗАДАНИЕ. 3.1. Ознакомиться с методическим пособием. 3.2.Измерить электросопротивление R образцов терморезистора в диапазоне температур от 20 до 100° С с интервалом в 20°С, Результаты опытов занести в таблицу 19. Рассчитать ρ при температурах 20,40,60,80 и IOO°C и определить температурный коэффициент электросопротивления, используя зависимость αR= (1/R) х (dR/dT). Построить график зависимости R от t. 3.3.Измерить проводимость фоторезистора при освещенности E=0. Рассчитать темновое сопротивление RТ. Увеличивая освещенности Е до 200 Лк произвести замеры проводимости и сопротивления образцов. Результаты занести в таблицу 20. Построить график зависимости R от t. 3.4. Составить отчет. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. В электро- и радиотехнике материалы различаются по их способности проводить электрический ток. МЕТАЛЛЫ характеризуются электронной проводимостью. У ИЗОЛЯТОРОВ (диэлектриков) проводимость обусловлена главным образом перемещением ионов. ПОЛУПРОВОДНИКИ - класс веществ, для которых, подобно металлам, характерна электронная проводимость. 185

Полупроводники занимают по электропроводности промежуточное положение между металлами и изоляторами. К полупроводникам относят многие химические элементы, например, германий, кремний, селен, теллур, бор, а также соединениям CuO, Сu2О, NiO, TiO2, AgSb, Ag2S, CdTe, ZnSb, Mg2Sn, Mg2Sb2 и другие. Полупроводники также характеризуются рядом других свойств, отличающих их от металлов и изоляторов. Например, если электросопротивление металлов возрастает с увеличением температуры (благодаря искажениям кристаллической решетки, связанным с тепловыми колебаниями атомов), то у полупроводников оно падает, примеси уменьшают электропроводность металлов, но увеличивают проводимость полупроводников. Как правило, электросопротивление полупроводников лежит в пределах 10-6 - 108 Ом ⋅ м. Многие полупроводники обладают большим температурным коэффициентом электросопротивления αR и резкой зависимостью электросопротивления от напряженности электрического тока и освещенности. Эти свойства используются для изготовления полупроводниковых приборов, измерительных и других устройств. Например, некоторые полупроводники могут служить выпрямительными элементами, генерироватъ огромные термоэлектродвижущие силы и усиливать ток. Cогласно принципам квантовой механики энергия электрона в теле не может быть произвольной, она распределяется по отдельным возможным значениям. Возможные значения энергии электронов в теле можно расположить в энергетический спектр, в котором уровень линий характеризует величину энергии (см. рис. 43). Зонное строение энергетического спектра Запрещенные зоны

Рисунок 43 - Разрешенные зоны 186

Энергетическая структура спектра электронов металла (а), полупроводника (б) и изолятора (в)

2

2

2

ΔΕ2

ΔΕ1

1

1 а)

1 б)

в)

Рисунок 44- 1- разрешенная зона; 2- зона возбуждения С точки зрения квантовой механики строение вещества распределено по энергетическим уровням и зонам. В зоне группируются энергетические уровни внешних электронов, внутри которых энергетическое различие между уровнями весьма мало. Зоны тесно расположенных энергетических уровней называют РАЗРЕШЕННЫМИ зонами энергии. Они чередуются с энергетическими областями, в пределах которых не могут устойчиво находиться электроны данного тела. Эти энергетические области называются ЗАПРЕЩЕННЫМИ областями. В зависимости от характера взаимодействия атомов и их электронных уровней значения энергии в отдельных зонах могут быть разделены запрещенной зоной или перекрываться. Характер структур энергетических зон твердого тела будет существенно зависеть от того, с каким веществом мы имеем дело: с металлом, полупроводником или изолятором (см. рис. 44). У металла к разрешенной зоне непосредственно примыкает зона возбужденных уровней, эти зоны также могут взаимно перекрываться. Вблизи температуры абсолютного нуля основная она целиком заполнена электронами, а непосредственно к ней примыкающая или перекрывающая ее зона возбужденных уров187

ней свободна. Поэтому электроны основной зоны имеют возможность перейти с низких уровней на более высокие. Такой переход наблюдается, если к телу приложить внешнее электрическое поле. ИЗОЛЯТОРА энергетический спектр характеризуется наличием «широкого" энергетического разрыва ΔЕ2 между основной, заполненной электронами, зоной 1 и свободy зоной 2 (рис.129в), для преодоления которого требуется более 1,5 Эв. У ПОЛУПРОВОДНИКОВ вблизи t абсолютного нуля наивысшая заполненная зона 1 целиком заполнена валентными электронами. Для полупроводников ΔЕ1 меньше ΔЕ2, причем для различных полупроводников ΔЕ1 колеблется от нескольких десятых до 1,5 Эв. Поэтому электрическая проводимость у полупроводников, основанная на перемещении части электронов основной зоны в верхнюю зону возбужденных уровней, может иметь место, если под действием каких-либо внешних факторов этот энергетический разрыв будет преодолен. К числу внешних факторов относятся: повышение температуры, введение в его состав различных примесей (As, In, S, Pb, Sn, 0 , и др.), воздействие освещенности, облучение ядерными частицами, воздействие электрических и магнитных полей, механические нагрузки. Следовательно, проводимость полупроводников зависит от всех этих факторов, что и используется в работе полупроводниковых приборов. Полупроводники также допускают обратное преобразование электрической энергии в световую, тепловую и механическую. ПОЛУПРОВОДНИКИ используют: для усиления и генерации электрических сигналов (транзисторы, диоды, интегральные схемы), - в качестве первичных преобразователей t и источников тепловой энергии (терморезисторы и нагревательные элементы), - в качестве первичных преобразователей и источников оптических сигналов (фоторезисторы, светодиоды, лазеры), - для преобразования механических колебаний (тензорезисторы и пьезопередатчики) и т.п. В данной работе используется влияние t и света (термоэлектрический и фотоэлектрический эффект) на полупроводники. 188

ТЕРМОРЕЗИСТОРЫ (термисторы), отличающиеся большой абсолютной величиной отрицательного температурного коэффициента сопротивления, изготавливают на основе некоторых окислов, в частности: окислов меди, марганца, кобальта, железа, цинка. Чаще всего используют смеси нескольких окислов, т.к. при этом получают необходимые свойства. Используя метод керамической технологии, материалы для терморезисторов изготавливают в виде шайб, стерженьков, бусинок. Для серийных терморезисторов чаще всего используют смесь окислов меди и марганца (тип ММТ). В зависимости от соотношения Сu20 и Мn304 материалы имеют удельное сопротивление от 1,0 до 103 ОМ ⋅ м. Температурный коэффициент сопротивления терморезисторов ММТ в пределах от -0,24 до 0,034°С-1. Практически αR для терморезисторов различных типов от 0,02 до 0,08 l/K. ТЕРМИСТОРЫ используются для температурной стабилизации различных элементов электрической и радиоэлектронной аппаратуры, например, в качестве устройств контроля пожарной сигнализации, а также для измерения низких давлений, измерения мощности в СВЧ устройствах, измерения скорости движения жидкостей и газов и др. Кроме того, их используют в качестве бесконтактных сопротивлений реле времени, автоматических потенциометров, генераторов, модуляторов низкой частоты, стабилизаторов, предохранителей. Для ФОТОРЕЗИСТОРОВ (фотосопротивлений) и фотоэлементов применяются полупроводниковые материалы, сопротивление которых сильно зависит от освещенности Е. К их числу относятся: сульфиды, селениды и теллуриды, т.е. соединения S, Se, Те с различными материалами, в частности с Pb, Gu, Cd и другими. При прохождении через полупроводник частицы световой энергии фотоны поглощаются электронами и атомами кристаллической решетки. Поглотив фотон, электрон переходит на более высокий энергетический уровень. А так как свободные уровни в собственном полупроводнике есть только в зоне проводимости, то поглощаться будут только фотоны, энергия которых больше ширины запрещенной зоны. Энергия фотона:

W = h ⋅ ν = 1,23 λ , 189

где: h - постоянная Планка (4,14 ⋅ 10-15 ЭВ ⋅ с),ν - частота, λ длина волны падающего света, мкм, Сопротивление фоторезисторов уменьшается при воздействии световых лучей, а ток при включении фоторезистора в цепь с Э.Д.С. возрастает. Итак, поглощение света приводит к появлению в полупроводнике дополнительных, кроме имеющихся при данной t, неравновесных носителей заряда. Поэтому проводимость у полупроводника возрастает: γ = γТ + γF, где γТ - проводимость полупроводника в темноте, γF - фотопроводимость, появляющаяся при освещении полупроводника. Основным материалом для серийных фоторезисторов и фотоэлементов является CdS. Он очень чувствителен в видимой части спектра: при освещении его сопротивление полупроводника падает в 104 -106 раз. Это свойство используют для изготовления дозиметров ультрафиолетовых, рентгеновских и γ лучей, счетчиков частиц и т.п. Фоточувствительные приборы (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы, оптопары, оптоэлектронные интегральные микросхемы) применяют в технике контроля и регулировки различных физических величин: скорости, ускорения, размеров деталей, анализа параметров твердых, жидких и газообразных сред. Разнообразные датчики с применением фотоприборов пригодны для создания судовых устройств, сигнализирующих о возникновении загазованности, запыленности помещений, пожароопасных ситуаций. В данной работе для исследования используют следующие образцы: 1. Терморезистор - медно-марганцевый материал (ММТ) ТК1 = 2,4 - 5,0 % °С R = 1,3 - 1,5 кОм 2.Фоторезистор - материал сернистокадмиевый Rt > 2 мОм, R = 25 - 6O кОм 190

5. ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ 5.1. Подключить прибор Е7013 к клеммам "Образец" стенда ЭРМ-1 .Внешний вид прибора изображен на рис.26 (а, б). 5.2. Переключатель S1 - "Род работы" установить в положение GR. Переключатель S2 - "Пределы измерений" - в положение "10 кOм". 5.3. Подготовить на приборе Е7-13 тумблер "Сеть" блока питания в положение "1", при этом загорается цифровое табло на передней панели прибора; - прогреть прибор в течение 15 мин, - произвести калибровку прибора E7-13 согласно ТО. 5.4. Включить тумблер "Сеть" стенда ЭРМ-1. Нажатием кнопки "5" стенда ЭРМ-1 произвести замер сопротивления R образца "5" (терморезистор) при температуре 20°С. 5.5. Включить тумблер "Нагрев" стенда ЭРМ-1 (исходное положение нижнее) и довести температуру до IOO°C, Выключить "Нагрев" и произвести замер R образца "5" в диапазоне от 100° до 20°С через каждые 20°С. Данные занести в табл.19. 5.6. Построить графики зависимости сопротивления от температуры, рассчитать р при температурах 20,40,60,80 и 100°С. Построить график зависимости р от t Определить αR= (l/R) ⋅ (ΔR/Δt) .Данные внести в табл.1. Построить график зависимости R от t. 5.7. Сделать выводы как зависит R и αR от t. 5.8. Произвести исследование фоторезистора: - подключить прибор Е7-13 к клеммам "R" стенда ЭРМ-1, - переключатель S1 установить в положение GR (предел измерения 1 мкОм), - включить кнопку "Освещенность" стенда ЭРМ-1 и регулятором освещенности установить освещенность по шкале прибора "ЛК" на"0".Произвести замер проводимости. Рассчитать темновое сопротивление RТ и внести в табл. 16. 5.9. Установить ручку "Рег. освещенности" в крайнее левое положение и включить кнопку "Освещенность". Увеличивая освещенность до 200 лк через каждые 40 лк, произвести замеры проводимости и сопротивления образца фоторезистора. Данные занести в таблицу 16 и построить график зависимости R = f(E). 6. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА 191

Отчет должен содержать: 1. Справочные данные по исследуемым материалам; 2. Результаты измерений в табличной форме (см. табл.15 и 16); 3. Расчетные параметры и графики; 4. Выводы по результатам измерений. 7. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Указать на характер проводимости у металлов, полупроводников и диэлектриков. 2. Чем отличаются полупроводники от металлов и диэлектриков? 3. Перечислить факторы, влияющие на проводимость полупроводников. 4. Используя квантовую механику (зонную теорию), указать отличительные особенности металлов, полупроводников и диэлектриков. 5. На основе каких материалов делают терморезисторы? 6. Укажите области применения терморезисторов. 7. На основе каких материалов делают фоторезисторы и фотодиоды?

Таблица 15. t, °C

Измерить R, Oм

Рассчитать ρ, Ом ⋅ м αR, 1/°С

20 40 60 80 100

Таблица 16. Освещенность Е, лк

Сопротивление R, Ом

0

RT 192

40 80 120 160 200

193

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА МАРКИРОВКА МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение маркировки магнитных материалов, определение химического состава магнитных сплавов по марке, практическое знакомство с ГОСТами на электротехнические стали и сплавы, их применение, изучение классификации магнитотвердых материалов, знакомство с областями применения этих материалов и их основными свойствами. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ, МАТЕРИАЛЫ Образцы сталей, ГОСТы на электротехнические стали и сплавы, примеры маркировки различных материалов, карточки индивидуальных заданий. 3. ЗАДАНИЕ 3.1. Изучить систему классификации магнитных материалов по свойствам и назначению. 3.2. Ознакомиться с основными требованиями к магнитным материалам, применяемым в электро- и радиотехнике. 3.3. Изучить области применения и по заданию преподавателя определить марку материала и его химический состав и назначение. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ Общепринято разделение магнитных материалов по их свойствам на магнитомягкие, магнитотвердые и специального назначения (имеющие узкие области применения). Основное назначение магнитомягких материалов служить проводниками магнитного потока, магнитомягких - самим являться источниками сильного магнитного потока. Характерными свойствами магнитомягких материалов являются: высокая магнитная проницаемость μ, малая коэрцитивная сила Нс и потери на перемагничивание. Магнитотвердые должны обладать большой магнитной энергией W (оценивается по максимуму произведения В х Н ), что возможно при больших Br и Нс. Условно, к магнитомягким относят материалы с Нс менее 194

4000 А/м, к магнитотвердым относят материалы с Нс более 4000 А/м (в работе изучается маркировка металлических магнитных материалов). К магнитомягким материалам принадлежат: 1 - железо; 2 листовая электротехническая нелегированная и легированная сталь, 3 - специальные сплавы; 4 - другие материалы (неметаллические). Каждый материал, выпускаемый промышленностью, имеет маркировку. Железо, нелегированные и легированные электротехнические стали, работающие в магнитных полях с напряженностью от 102 до 5 ⋅ 104 А/м, относят к низкочастотным магнитомягким материалам с высокой индукцией насыщения (BS < 2,15 Тл) и малой коэрцитивной силой (Нс < 100 А/м). Из-за низкого удельного электросопротивления (ρ<0,1 мкОм⋅м) нелегированную электротехническую сталь используют только в устройствах с постоянным магнитным полем, т.к. малое ρ увеличивает тепловые потери при перемагничивании. Легирование электротехнических сталей кремнием увеличивает ρ, однако индукция насыщения BS при этом снижается. В связи с этим для уменьшения тепловых потерь сердечники из кремнистой стали используют в виде тонких (менее 1 мм) листов с прослойкой изоляции из полимеров или оксидов. Легированные электротехнические стали можно использовать в изделиях, работающих при частоте не более 400 Гц. Из кремнистых электротехнических сталей изготавливают двигатели и генераторы всех типов, дроссели и трансформаторы, реле и другие механизмы, работающие как на постоянном, так и на переменном токе разной частоты. Магнитные свойства железа и нелегированной электротехнической тонколистовой стали представлены в таблицах 17 и 18. Электротехнические стали поставляют с гарантированными магнитными свойствами для электротехнической промышленности. Промышленность выпускает стали различного сортамента, в том числе, тонкий лист (см. табл. 18). Обозначение их с учетом эксплуатации даны в п.п.1 и 2. П 1. Обозначение марок электротехнической стали с нормированными свойствами в постоянных полях согласно ГОСТ 3836-83 и ГОСТ 11036-76 цифровое: первая цифра - класс по 195

виду обработки давлением (1- горячекатаная и кованая, 2- холоднокатаная и калиброванная); вторая цифра - тип по содержанию кремния (0 - сталь нелегированная с содержанием кремния до 0,3 %, 1- то же, но с заданным коэффициентом старения); третья цифра - группа по основной нормируемой характеристике (8 - коэрцитивная сила); четвертая и пятая цифры - значение коэрцитивной силы в А/м. Например, тонколистовая сталь марки 20895 является холоднокатаной, содержит до 0,3 % кремния и коэрцитивная сила этой стали равна 95 А/м. Таблица 17. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ЖЕЛЕЗА. ЖЕЛЕЗО

С, %

μН, мГн/м

μmax, мГн/м

НС, А/м

4,0 -

26 79

6,4 7,2

0,8 0,3

19 9

28 64

Карбонильное 0,005 -0,001 Электролитическое 0,01 переплавленное в вакууме 0,02 - 0,025 Электролитическое 0,02 - 0,04 Технически чистое

Таблица 18. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НЕЛЕГИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ТОНКОЛИСТОВОЙ СТАЛИ (ГОСТ 3836-83) Сталь

НС, А/м

μmax, мГн/м

В (Тл) при Н=30 кА/м

10895 20895 10864 20864 10848 20848

95

3,8

2,05

64

3,6

2,05

48

6,0

2,05

П2. Электротехнические стали с нормированными свойствами в переменных полях имеют следующее обозначение цифр в марках: первая - класс по структурному состоянию и виду прокатки (1 - горячекатаная изотропная, 2 - холоднокатаная изотропная, 3 - холоднокатаная анизотропная с ребровой текстурой, 5 - холоднокатаная изотропная с плоскостной кубической текстурой);

196

вторая - содержание кремния (О - с содержанием Si до 0,4% нелегированная, 1 - 0,4-0,8% Si, 2 - 0,8-1,8% Si, 3 - 1,8-2,8 % Si, 4 - 2,8-3,8% Si, 5 - 3,8-4,8% Si; третья - группу по основной нормируемой характеристике (О удельные потери Р по магнитной индукции В= 1,7 Тл и частоте f = 50 Гц, 1 - удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц, 2 - удельные потери при В = 1,0 Тл и f = 400 Гц, 4 - удельные потери при В = О,5 Тл и f = 3000 Гц, 6 - магнитная индукция в слабых магнитных полях при напряженности поля Н = 0,4 А/м, 7 - магнитная индукция в средних магнитных полях при Н = 10 А/м);

четвертая - порядковый номер типа стали или код числового значения нормируемого параметра (чем больше цифра, тем меньше удельные потери в Вт/кг). Следовательно, марку стали 1411 можно расшифровать следующим образом: горячекатаная, содержащая 2,8-3,8% Si; удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц (P1,5/50) которой составляют 4,4 Вт/кг, при толщине 0,5 мм (см, табл.). У стали 1413 удельные потери при В = 1,5 Тл и f = 50 Гц составят соответственно 3,5 Вт/кг при толщине 0,5 мм (см, ГОСТ 21427-75). Вместе три первые цифры марки означают тип стали, например, горячекатаная изотропная сталь марок типов 131, 141, 151 поставляются по ГОСТ 21427.3-75 в виде листов толщиной 0,1-1,0 мм (см. табл. 19). Стали типов 201, 211, 221, 231, 241 холоднокатаные изотропные поставляются по ГОСТ 21427.2-83 в виде листов толщиной 0,28-0,65 мм и т.д. (см, табл.19). Сталь электротехническая горячекатаная тонколистовая марок 1461, 1562, 1571 и 1572 с содержанием кремния около 4% поставляется по ГОСТ 21427.3-75 для работы в слабых и средних магнитных полях (см, третью цифру марки), а холоднокатаная тонколистовая марок 3471 и 3472 с содержанием кремния около 3% поставляется по ГОСТ 21427.2-83 для работы в средних магнитных полях. 197

К специальным магнитомягким сплавам относят Fe-Ni (пермаллои). Их маркируют двузначным числом, обозначающим среднее содержание элемента в процентах, входящего в основу сплава (кроме Fe) и буквенным обозначением элементов: Н - никель, М - молибден, Х - хром, С - кремний, Ф - ванадий, Д - медь, К - кобальт, Ю - алюминий. Например, сплав 78Н - 78% Ni, остальное Fe; сплав 92К - 92 % Co, остальное Fe; сплав 68 НМ - 68% Ni, 1% Мо, остальное Fe; сплав - 79НЗМ - 79 % Ni, 3% Мо, остальное Fe и т.д. Сортамент и условия эксплуатации сплавов различны. Таблица 19. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ МАРОК ЛЕГИРОВАННОЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЙ ТОНКОЛИСТОВОЙ СТАЛИ (ГОСТ 21427.3-75) Сталь

Толщина листа, мм

Р1,5/50, Вт/кг

В (Тл) при Н (кА/м), не менее 25 30

ГОРЯЧЕКАТАНАЯ СТАЛЬ 1311 0,50 6,1 1,48 1,95 1411 0,50 4,4 1,46 1,94 1413 0,50 3,5 1,48 1,94 1511 0,50 3,5 1,46 1,90 ХОЛОДНОКАТАНАЯ ИЗОТРОПНАЯ (ГОСТ 21427.2-83) 2011 0,65 9,0 1,60 2,02 2111 0,65 10,0 1,58 2,00 2211 0,65 7,0 1,56 1,96 2311 0,65 5,8 1,52 1,96 2411 0,50 3,6 1,49 1,96 ХОЛОДНОКАТАНАЯ АНИЗОТРОПНАЯ 3411 0,50 2,45 1,75 3416 0,28 0,89 1,90 Магнитные свойства холоднокатаных лент из пермаллоя представлены в табл.20. Если в конце марки стоит буква П, то это означает, что в результате особой технологии изготовления и режима окончательной термической обработки сплав обладает прямоугольной петлей гистерезиса. Буква А означает суженые пределы химического состава (более точный состав). Сортамент и магнитные свойства сплавов в постоянных полях представлены в табл.21. Буквенное обозначение ВИ, ЭЛ, П, Ш и ВД относятся к нормированию процесса выплавки: ВИ - вакуумно-индукционный, ЭЛ - электроннолучевой, П - плазменный, Ш - электрошлаковый, ВД - вакуумнодуговой (см. табл. 21). 198

Таблица20. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ХОЛОДНОКАТАНЫХ ЛЕНТ ТОЛЩИНОЙ 0,1 ММ ИЗ ПЕРМАЛЛОЕВ (СПЛАВЫ Fe - Ni) (ГОСТ 10160-75) Сплав

Магнитная

Н, А/м

В, Тл

ρ, мкОм ⋅ м

проницаемость

μН

μmax

38

250

1,2

0,73

0,55

81 НМА

88

310

0,64

0,50

0,8

45 Н

2,9

31

16

1,5

0,45

50 Н

3,8

387

14

1,5

0,45

50 НП

-

50

18

1,5

-

50 НХС

3,1

31

13

1,0

0,90

79 НМ 111 класс

Таблица21. НЕКОТОРЫЙ СОРТАМЕНТ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЛАВОВ В ПОСТОЯННЫХ ПОЛЯХ

199

Толщина, мм

сплава

Магнитная про- НС, А/м, BS, Тл, Класс

Марка

ницаемость,

не более не ме- прямоугольной

мГн/м μН

Коэффициент

нее

μmax

петли гистерезиса при Н=800 А/м

1

2

3

4

5

6

7

8

СПЛАВЫ С НАИВЫСШЕЙ МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ В СЛАБЫХ ПОЛЯХ 81 НМА

-

0,02

70000 170000

1,6

0,50

-

0,05

100000 300000

0,56

0,50

-

холодно катаные 111 листы 72 НМДХ

-

0,1 - 1,0 10000

-

1,6

0,31

-

-

5,0 - 18,0 7000

35000

5,6

1,0

-

холодно катаные листы 78Н горяче катаные листы

200

Продолжение таблицы 21 1

2

3

4

5

6

7

8

СПЛАВЫ С ВЫСОКОЙ μ И ПОВЫШЕННЫМ ρ 12РЮ

-

20-80

1000

-

24

1,0

-

-

10-20

-

10000

24

0,90

-

горячекатаные прутки 12ЮВИ горяче катаные листы СПЛАВЫ С ВЫСОКИМИ μ И BS 0,10

90000

холодно

0,20

20000 100000

катаные

0,35

100000

50Н-ВИ

-

4

1,53

-

листы СПЛАВЫ С ПРЯМОУГОЛЬНОЙ ПЕТЛЕЙ ГИСТЕРЕЗИСА 79НМП

1

0,003

-

-

9,6

0,60

0,90

1

0,003

-

-

7,2

0,50

0,90

ленты 77 НМДП ленты

МАГНИТОТВЕРДЫЕ МАТЕРИАЛЫ. А. По областям применения магнитотвердые материалы подразделяют на три группы: - для постоянных магнитов; - для гистерезисных двигателей; - для магнитной записи. 201

Б. По технологии изготовления - на сплавы, интерметаллические соединения, ферриты и композиты. В. По технологии обработки - на литые, деформируемые и спеченные. Г. По способу создания высокоэрцитивного состояния - на материалы: 1 - со структурой, при которой затруднено движение междоименных границ (закаливаемые на мартенсит - 1` и дисперсионно-твердеющие стали - 1"); 2 - сплавы типа SmCO5; 3 - магнитотвердые материалы со структурой однодоменного состояния (сплавы типа альни, альнико и др.), которая обеспечивает большие НС, Вr и Wmax. Марки и магнитные свойства магнитотвердых мартенситных сталей приведены в табл. 22. Расшифруем их с учетом следующих факторов: l' - стали, закаливаемые на мартенсит, содержат примерно 1% С и тугоплавкие легирующие элементы: Сг, W, Мо, Со, обозначаемые буквами и цифрами. В марках буква Е указывает, что сталь магнитотвердая. Остальные буквы обозначают легирующий элемент и его содержание в процентах. Магнитные свойства деформируемых сплавов для изготовления магнитов даны в табл. 23. В марках 1" - (дисперсионнотвердеющие сплавы) включены сплавы на основе железа Сr Сo - Fe (хромко) и V - Сo - Fe (викаллой), меди Сu - Ni - Fe (кунифе) и Си - Ni - Сo (кунико), а также другие элементы. Элементы обозначают цифрами и буквами. В таблице 23 указан химический состав и марка сплавов, отражающая содержание основных легирующих элементов. 2 - сплавы типа SmCO5: Магниты из редкоземельных металлов (РЭМ) изготавливают из кристаллов промежуточных фаз РЗМ с кобальтом, состав которых отвечает формулам RCO5 и R2CO17, где R - редкоземельный металл. В их числе самарий Sm, празеодим Рг, иттрий Y. Магнитные свойства спеченных сплавов на основе РЗМ для изготовления магнитов даны в табл. 24. Следует учесть, что в таблице даны следующие обозначения: К- кобальт, С - самарий, П - празеодим, А - улучшенная текстура; число указывает содержание Sm или суммарное содержание Sm и Рг. 202

3 - сплавы типа альни, ЮНДК (альнико), тикональ (ЮНДКТ) и хромко обладают структурой однодоменного состояния (диффузионно-твердеющие сплавы). Первые три сплава относятся к литейным, последний к деформируемыми. Составы, свойства и режимы обработки некоторых сплавов приведены в табл. 25. Их маркировка аналогична маркировке сталей и специальных магнитных сплавов, т.е. буквы и цифры соответствующие процентному составу легирующего элемента. Например, Ю - Аl, Н - Ni, К - Со, Д - Сu, Т - Тi, X - Сг, Ф - V, М Мо, Б - Nb, остальное Fe. Пример обозначения сплава: 23Х15К5ФА - 23% Сг, 15% Со, 5% V, остальное Fe, А - точный химический состав, т.е. высокое качество. Таблица 22.МАРКИ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАГНИТОТВЕРДЫХ МАРТЕНСИТНЫХ СТАЛЕЙ Марка стали Средний химический состав

ЕХ3 1% С; 3% Cr ЕВ6 1% C; 6% W ЕХ5К5 1% C; 5% Cr; 5% Co ЕХ9К15М2 1% C; 9% Cr; 15% Co; 2% Mo

Br, Тл, НС, кАм/м, (В ⋅ Н)max, не менее не менее кДж/м3

0,95 1,00 0,85 0,80

4,77 4,77 7,16 11,94

0,6...0,9 0,6...0,9 0,8...1,0 1,2...1,4

Таблица 23. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ДЕФОРМИРУЕМЫХ СПЛАВОВ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОВ Наим.

Сплав Состав в %

Марка

Магнитная Wmax, анизотропия кДж/м3

Хромко

45Fe; 30Cr; 30X25K 25 Co Викаллой 52Co; 52К13Ф 5Fe;13V Кунико 50Cu;21Ni; 29Co основа Кунифе 60Cu;20Ni;20 Fe основа

НС, кА/м

Br, Тл

нет есть есть

7,7 16,3 8,8

5,6 62 28

0,8 0,9 0,6

нет

6,5

36

0,53

есть

6,7

4,7

0,55

Таблица24. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА СПЕЧЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ РМЗ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МАГНИТОВ (ГОСТ 21559-76) 203

Сплав

Состав, %

Wmax, кДж/м3

Нсв, кА/м

Нсм, кА/м

Br, Тл

55 65 65 72,5

540 560 520 500

1300 1000 800 640

0,77 0,82 0,85 0,90

КС37 37Sm КС37А 63Co КСП37 37(Sm+Pr) КСП37А 63Co

Таблица 25. СОСТАВЫ И СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ СПЛАВОВ СО СТРУКТУРОЙ ОДНОИМЕННОГО СОСТОЯНИЯ Марка Al

ЮНДВ8 (альни) ЮНДК18 (альнико) ЮНДК31Т3БА (тиконоль) 25Х15К (хромко)

Ni

Элементы, % Cu Co Ti Cr

11,0 28,2 8,0

-

9,5 18,5 3,5 18,5

-

15

Br, Тл

НС, Wmax, кА/м кДж/м3

-

-

-

0,6

44

5,1

-

-

-

0,9

55

9,7

1,2Nb 1,15 1V 25 0,6Si 0,9

92

32

24

5,0

7,0 13,2 3,2 31,0 3,2 1,0 1,0

др.

-

-

5. ОФОРМЛЕНИЕ ОТЧЕТА В отчет по лабораторной работе входит: - примеры маркировки магнитных материалов; - расшифровка примеров с указанием магнитных свойств (см. табл. и ГОСТ) - указание способов производства и области применения 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 6.1. Назовите виды магнитных материалов и дайте их краткую характеристику. 6.2. Как маркируются электротехнические стали с нормируемыми свойствами в постоянных полях? 6.3. Как маркируются электротехнические стали с нормируемыми свойствами в переменных полях? 6.4. Как маркируются специальные магнитомягкие сплавы? 6.5. Классификация магнитотвердых материалов по областям применения и технологии изготовления. 6.6. Маркировка магнитотвердых мартенситных сталей. 6.7. Как маркируются магниты из РЗМ?

204

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА ГЕОМЕТРИЯ ТОКАРНОГО ПРОХОДНОГО РЕЗЦА. ЕЕ ВЛИЯНИЕ НА ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ И КАЧЕСТВО ОБРАБОТАННОЙ ПОВЕРХНОСТИ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение основных углов режущей части резца. Изучение влияния углов на процесс резания и качество обработанной поверхности. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: - резцы с различной геометрией в наборе; - настольный угломер. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Ознакомиться с измерительным прибором; 2. Измерить углы α, β, γ, δ, ε, φ, φ1. 3. Результаты измерений занести в протокол; 4. Составить отчет о работе. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Токарные резцы подразделяются по назначению, материалу рабочей части, форме головки и направлению подачи, конструкции, сечению стержня и т.д. По назначению различают резцы: проходные, подрезные, отрезные, расточные, галтельные, фасонные и резьбовые (рисунок 1). Проходные резцы применяют для наружного точения: черновые (рисунок 45а,б) и чистовые (рисунок 45в,г,д). Проходной упорный резец (рисунок 45е) имеет главный угол в плане φ = 90о; он работает с продольной подачей и одновременно подрезает торец. Подрезные резцы (рисунок 45ж) применяют в основном для подрезания торцов; они работают с поперечной подачей. Отрезные резцы (рисунок 45з) применяют для отрезания заготовок и точения канавок. Отрезной резец имеет одну главную и две вспомогательные режущие кромки. Для уменьшения тре205

ния вспомогательные задние поверхности затачивают под углами 1,5 – 2о. Расточные резцы применяют для растачивания отверстий, предварительно просверленных или полученных в процессе штамповки или отливки. Расточные резцы используют для растачивания сквозных (рисунок 45и) и глухих отверстий(рисунок 45к). Резцы для растачивания глухих отверстий имеют главный угол в плане φ ≥ 90о, а для растачивания сквозных отверстий φ = 45 – 60о. Галтельные резцы применяют для точения закруглений (галтелей). Резьбовые резцы применяют для нарезания резьбы. Фасонные резцы применяют для обработки фасонных поверхностей.

Рисунок 1 – Основные разновидности токарных резцов. 206

В качестве материалов рабочей поверхности токарных резцов используют быстрорежущие стали, твердые сплавы, минералокерамику. Углеродистые и легированные стали для изготовления токарных резцов применяют редко. По форме головки и направлению подачи проходные резцы подразделяют на правые и левые (рисунок 46). Правым резцом называют такой, у которого при наложении ладони правой руки главная режущая кромка расположена на стороне большого пальца. Они работают при подаче справа налево (от задней бабки к передней). Левым резцом называют такой, у которого при наложении ладони левой руки главная режущая кромка расположена на стороне большого пальца. Они рабоРисунок 46 – Левый и правый тают от передней бабки к резцы. задней. По сечению стержня различают резцы прямоугольные, квадратные, круглые. По конструкции резцы могут быть: - цельные - головка и тело сделаны из одного материала; - с приваренной головкой - например, головка из быстрорежущей стали, а державка - из углеродистой стали; - с напаянной пластиной из твердого сплава или быстрорежущей стали; - с механическим креплением режущих пластин. Резец состоит из рабочей части (головки), имеющей режущие кромки и стержня (тела, корпуса), служащего для крепле207

ния резца (рисунок 47). Вершина резца может быть острой, закругленной или в виде прямой линии. Форма режущей части резца определяется конфигурацией и расположением его передней и задней поверхности (главной и вспомогательной) и режущих кромок. Взаимное расположение указанных поверхностей и кромок в пространстве определяется углами резца.

А – рабочая часть (головка); Б – стержень (корпус, тело); 1 – вспомогательная задняя поверхность; 2 – вершина резца; 3 – вспомогательные режущие кромки; 4 – передняя поверхность; 5 – главная режущая кромка; 6 – главная задняя поверхность; 7 – переходная режущая кромка; 8 – переходная задняя поверхность. Рисунок 47 – Части и элементы токарного резца. При точении различают следующие поверхности (рисунок 48): - обрабатываемая поверхность (1) – поверхность срезаемого слоя заготовки; - поверхность резания (2) – образуемая непосредственно рабочей частью главной режущей кромки резца; - обработанная поверхность (3) – поверхность, полученную после снятия стружки. При определении углов резца пользуются понятиями:

208

- основная плоскость (4) – плоскость, параллельная продольной и поперечной подачам и перпендикулярная к плоскости резания. - плоскость резания (5) – плоскость, касательная к поверхности резания (2) и проходящая через главную режущую кромку резца.

Рисунок 48 – Поверхности и плоскости при работе токарным резцом. Углы резца рассматриваются в главной 1 (сечение Б-Б) и вспомогательной 2 (сечение А-А) секущей плоскостях в плане (рисунок 49). Главная секущая плоскость – плоскость, перпендикулярная проекции главной режущей кромки на основную плоскость; Вспомогательная секущая плоскость – плоскость перпендикулярная к проекции вспомогательной режущей кромки на основную плоскость. Следует различать углы резца, рассматриваемого, как геометрическое тело (т.е. в статическом состоянии) и углы, получаемые в процессе резания. В статическом состоянии у резца различают главные и вспомогательные углы. Главные углы измеряют в главной секущей плоскости (сечение Б-Б) (рисунок 49), к ним относят: - главный задний угол α - угол между задней поверхностью и плоскостью резания; - угол заострения β - угол между передней и главной задней поверхностью резца; Сумма углов α + β + γ = 90о. 209

- угол резания δ = α + β – угол между передней поверхностью и плоскостью резания. - передний угол γ – угол между передней поверхностью резца и плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания; Сумма углов δ + γ = 90о. Условно считается, что угол γ может быть положительным и отрицательным. Отрицательный передний угол (-γ) имеет место при величине угла резания δ > 90о, в этом случае существует следующая зависимость: α + β + γ = 90о.

1 – след главной секущей плоскости; 2 – след вспомогательной секущей плоскости; 3 – плоскость основания резца;

4 – обрабатываемая поверхность; 5 – поверхность резания; 6 – обработанная поверхность; 7 – плоскость резания.

Рисунок 49 – Углы токарного резца. Во вспомогательной секущей плоскости (сечение А-А) (рисунок 49) измеряют вспомогательный задний угол α1, равный по величине главному заднему углу α. 210

При рассмотрении сверху (в плане) проходного резца, установленного на суппорте токарного станка, видны следующие углы резца (рисунок 49): - главный угол в плане φ – угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; - вспомогательный угол в плане φ1 – угол между проекцией вспомогательной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи; - угол при вершине в плане ε - угол между проекциями главной и вспомогательной режущих кромок на основную плоскость. Сумма углов φ + φ1 + ε = 180о. Угол наклона главной режущей кромки λ - угол между главной режущей кромкой и плоскостью, проведенной через вершину резца параллельно основной плоскости (рисунок 50).

а - λ положительный;

б - λ = 0о; в - λ - отрицательный.

Рисунок 50 – Угол наклона главной режущей кромки. Угол λ считается положительным, когда вершина резца является низшей точкой режущей кромки; отрицательным, если вершина резца является высшей точкой режущей кромки; равным нулю, когда главная режущая кромка параллельна основной плоскости. Влияние углов резца на процесс резания. Задние углы α и α1 уменьшают трение между задними поверхностями инструмента и поверхностью обрабатываемой заготовки, что снижает силы резания и уменьшает износ резца. Однако чрезмерное увеличение заднего угла приводит к ослаблению режущей кромки резца. При обработке стальных и чу211

гунных деталей рекомендуется выполнять задние углы в пределах 6 – 12о. С увеличением переднего угла γ уменьшается работа резания и шероховатость обработанной поверхности. При обработке сталей низкой твердости γ = 8 – 20о, а при высокой твердости стали делают отрицательный угол γ = -(5 – 10о). Главный угол в плане φ определяет соотношение между радиальной и осевой силами резания. При обработке деталей малой жесткости выбирают угол φ близким или равным 90о, т.к. в этом случае радиальная сила, вызывающая изгиб детали, минимальна. В зависимости от условий работы принимают φ = 10 – 90о. Вспомогательный угол в плане φ1 = 0 – 45о, наиболее распространен φ1 = 12 – 15о. Угол наклона главной режущей кромки λ определяет направление схода стружки. При положительном λ стружка имеет направление на обработанную поверхность, при отрицательном λ - на обрабатываемую поверхность. Угол λ часто принимают равным 0о. При чистовой обработке принимать λ положительным не рекомендуется, т.к. сходящая стружка может увеличить шероховатость обработанной поверхности. Измерение углов резца. Углы резца измеряют при помощи настольного угломера (рисунок 51). Он состоит из основания 1 и стойки 2, по которой вверх и вниз перемещается сектор с градусной шкалой 4. В заданном положении на стойке сектор закрепляется при помощи винта 3. На секторе крепится поворотная пластина 5 с указателем. Положение поворотной пластины фиксируется винтом 6. При измерении резец укладывается на основание угломера. Сектор устанавливается в рассматриваемой плоскости. Поворотная пластина прикладывается измерительными кромками А, Б, В, или Г к соответствующей поверхности резца «без просвета». Для измерения углов резца используются следующие кромки поворотной пластины: А – для измерения переднего угла γ (рисунок 52); Б – для измерения главного и вспомогательного задних углов α и α1 (рисунок 53); 212

В, Г – для измерения главного и вспомогательного углов в плане φ и φ1 (рисунок 54).

Рисунок 51 – Угломер настольный.

Рисунок 52 – Схема измерения Рисунок 53 – Схема измерения заднего угла резца. переднего угла резца.

Рисунок 54 – Схема измерения главного угла в плане. 213

Угол наклона гл. режущей кромки λ

Вспомогательный угол в плане φ1

Главный угол в плане φ

Главный задний угол α Вспомогательный задний α1

Передний γ

Таблица 26 - Протокол измерений. Углы резца, в градусах Размеры резца

Наименование резца

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Вычертить схему обработки детали предложенным резцом. На схеме указать обрабатываемую и обработанную поверхности, поверхность резания, главную режущую кромку, направление главного движения (заготовки) и движения подачи (резца). 2. Измерить и внести в протокол измерений основные размеры резца: длину резца L, сечение резца В х Н. 3. Измерить углы резца используя настольный угломер. Данные занести в протокол измерений.

6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Основные виды токарных резцов, их применение. 2. Виды резцов по форме головки, направлению подачи, материалу рабочей части и конструкции. 3. Поверхности и плоскости при точении. 4. Углы резца в статическом состоянии, их влияние на процесс резания и качество обработанной поверхности. 5. Углы резца в плане, их влияние на процесс резания и качество обработанной поверхности.

214

Группа Марка сплава

ВК2 ВК3М ВК4 Вольф рамоВК4В вые ВК ВК6 (однокарбид ВК6М ные) ВК6В ВК8 ВК8В Тиитановольфрамовая ТК (двухкарбид

Т5К10 Т14К8 Т15К6 Т30К4

Таблица 27 – Твердые металлокерамические сплавы. Химический ТепПредел прочносостав, % лости, кг/мм2 проТвер вод- Плотпри сжатии дост ност ность, ь Ta C при ь, кг/м3 WC TiC HRA изC o кал/с гибе м сек о С 15.0– 98 2 0.169 90.0 100 15.4 15.0– 97 3 0.169 91.0 110 15.4 14.996 4 89.5 130 15.1 14.996 4 88.0 135 15.1 500 14.688.0 135 94 6 0.145 15.0 14.890.0 130 94 6 15.1 14.687.5 140 94 6 15.0 300 14.487.5 140 92 8 0.141 14.8 14.486.5 155 92 8 14.8 12.385 5 10 0.083 88.5 130 13.2 11.2400 78 14 8 0.065 19.8 115 12.0 11.0400 79 15 6 0.065 90.0 110 11.7 66 30 4 9.5-9.8 92.0 90 -

115

бидная)

Титанотанталовольфрамовая ТТК (трехкарбид ная)

Т15К1 83 2В

ТТ7К1 81 2

5

4

-

3

12 -

12 -

12 8 .8 7 15 .0 13 0 .3 13 8 .0 7 15 .5 13 0 .5

-

-

ТТ7К1 78 5

4

3

15 -

- --

116

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ В КИНЕМАТИЧЕСКИХ СХЕМАХ СТАНКОВ. КЛАССИФИКАЦИЯ И НУМЕРАЦИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Ознакомиться с принципами классификации и нумерации металлорежущих станков; с условными обозначениями в кинематических схемах станков, получить навыки в составлении и чтении кинематических схем станков. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: Настольно-фрезерный станок. 3. ЗАДАНИЕ: 1. Изучить принципы классификации и нумерации металлорежущих станков. 2. Изучить условные обозначения в кинематических схемах станков. 3. С макета настольно-фрезерного станка составить кинематическую схему. 4. Подсчитать передаточные отношения. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ.

Нумерация металлорежущих станков. Принята единая система условных обозначений станков, основанная на присвоении каждой модели станка шифра (номера). Нумерация металлорежущих станков разработана Экспериментальным научноисследовательским институтом металлорежущих станков (ЭНИМС), построена по десятичной системе. Все станки делятся на 10 групп, каждая группа подразделяется на 10 типов и каждый тип – на 10 типоразмеров (таблица 29). Номер, присваиваемый каждой модели станка, может состоять из трех или четырех цифр и букв, причем буквы могут сто-

117

ять после первой цифры или в конце номера, например: 612, 1616, 6Н82, 2620, 6Н12ПБ. Первая цифра номера показывает группу, к которой относится данный станок. Вторая цифра указывает тип станка в данной группе. Третья или совместно третья и четвертая цифры указывают условный размер станка. Так, например, для токарных станков третья и четвертая цифра показывают высоту центров в см или дм (1620, 1616, 1670); для токарно-револьверных станков и автоматов – максимальный диаметр обрабатываемых прутков в мм (1336, 1125, 1265); для сверлильных станков – максимальный диаметр сверления в мм (2А125, 2А135, 2150). Для консольно-фрезерных станков третья цифра условно показывает размер стола. Буква между первой и второй цифрой вводится для того, чтобы различить конструктивное исполнение станков одного и того же размера, но с разной технической характеристикой. Так, например, все станки моделей 162, 1А62, 1Б62, 1К62 – токарные с высотой центров 200 мм. Однако модель 162 имеет максимальное число оборотов в минуту 600, модель 1А62 – 1200, 1Б62 – 1500, 1К62 – 2000. Буквы, стоящие в конце номера, означают различные модификации станков одной и той же базовой модели. Так, например, горизонтально-фрезерный станок модели 6Н82Г представляет собой упрощенный тип базового универсально-фрезерного станка модели 6Н82, копировально-фрезерный станок модели 6Н12К является модификацией базового вертикальнофрезерного станка модели 6Н12. Кинематическая схема станка – это изображение с помощью условных обозначений взаимосвязи отдельных элементов и механизмов станков, участвующих в передаче движений различным органам. ГОСТ 2.770-68* (таблица 28). Привод станка – совокупность механизмов, передающих движение от источника движения (электродвигателя) к рабочим органам станка (шпинделю, суппорту, столу).

118

В металлорежущих станках применяют индивидуальный привод, т.е. каждый станок приводится в движение от одного электродвигателя либо от нескольких. В последнем случае различают приводы главного движения, движения подачи и вспомогательных движений.

Для передачи движения от электродвигателя к ведущему валу рабочего узла используют ременную, цепную или зубчатые передачи. Приводы станков бывают со ступенчатым и бесступенчатым регулированием частоты вращения шпинделя и величины передач. Приводы со ступенчатым регулированием выполняют в виде коробок передач, обеспечивающих получение определенного ряда значений частоты вращения или подач. Системы бесступенчатого регулирования позволяют получить частоту вращения и величины подач в определенных пределах, что обеспечивает возможность работы на расчетном режиме резания. Передача – механизм, передающий движение от одного элемента к другому (с вала на вал) или преобразующий одно движение в другое (вращательное в поступательное). Элемент, передающий движение, называют ведущим, а элемент, получающий движение – ведомым. Каждая передача характеризуется передаточным отношением. Передаточное отношение – число, показывающее, во сколько раз частота вращения ведомого элемента меньше или больше частоты вращения ведущего элемента: i = n 1/ n2 где i – передаточное отношение передачи; n1- частота вращения ведомого вала, об/мин.; n2 – частота вращения ведущего вала, об/мин. Ременная передача (рисунок 55) осуществляется плоским, клиновым или круглым ремнем через шкивы, закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение ременной передачи: 119

i = D1η/D2, где D1 и D2–диаметры шкивов ведущего и ведомого валов, мм; η - коэффициент, учитывающий проскальзывание ремня относительно поверхностей шкивов.

Рисунок 55- Ременная

передача

Цепная передача (рисунок 56) – осуществляется роликовой или бесшумной цепью, соединяющей звездочки, закрепленные на ведомом и ведущем валах. Передаточное отношение: i = z1/z2, где z1 и z2 – числа зубьев ведущей и ведомой звездочки.

Рисунок 56 – Цепная передача. Зубчатая передача (рисунок 57) – состоит из цилиндрических или конических зубчатых колес. Передаточное отношение зубчатой передачи: i = z1/z2, где z1 и z2 – числа зубьев ведущего и ведомого зубчатых колес 120

(а – цилиндрическая; б – коническая) Рисунок 57 – Зубчатая передача Червячная передача (рисунок 58) – состоит из червяка (винта) и червячного зубчатого колеса. Предназначена для резкого снижения частоты вращения ведомого вала, если ведущим является червяк. Передаточное отношение червячной передачи: i = К/z, где К – число заходов резьбы червяка; z – число зубьев червячного колеса.

Рисунок 58 – Червячная передача. Реечная передача (рисунок 59) – преобразует вращательное движение реечного зубчатого колеса или червяка в поступательное движение зубчатой рейки. Если реечное зубчатое колесо имеет z зубьев, модуль реечного колеса и рейки равен m, мм, то за n оборотов реечного колеса рейка перемещается на величину S, мм: S = n π m z.

121

Рисунок 59 – Реечная передача. Винтовая передача (рисунок 60) – состоит из винта и гайки и служит для преобразования вращательного движения винта в поступательное движение гайки. Если шаг резьбы винта равен t, мм, число заходов резьбы равно k, то за n оборотов ходового винта гайка переместится в осевом направлении на величину S, мм: S = n t k.

Рисунок 60 – Винтовая передача. В таблице 28 приведены условные обозначения основных передач и механизмов станков, предусмотренные ГОСТ 2.770-68 «Обозначения условные графические в схемах. Элементы кинематики». Наименование Вал, валик, ось, стержень и т.п.

122

Подшипники скольжения и качения на валу (без уточнения типа): а) радиальные; б) упорные; Подшипник скольжения радиальный; Подшипники качения: а) радиальные; б) радиально-упорный; Винт, передающий движение Гайка на винте, передающем движение: а) неразъемная; б) неразъемная с шариками; Муфта. Общее обозначение без уточнения типа: Муфта нерасцепляемая (неуправляемая): а) упругая; б) компенсирующая Муфта сцепляемая (управляемая): а) общее обозначение; 123

Таблица 28 Обозначение

Муфта сцепляемая механическая: а) синхронная, например, зубчатая б) асинхронная, например, фрикционная Передача ремнем без уточнения типа ремня; Передача плоским ремнем;

Передача клиновидным ремнем;

Передача цепью (общее обозначение без уточнения типа цепи)

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ: 1. Ознакомиться с принципами классификации и нумерации металлорежущих станков (таблица 29). 2. Пользуясь условными обозначениями построить кинематическую схему настольно-фрезерного станка. 3. Подсчитать передаточное отношение. 4. Составить уравнение главного движения кинематической цепи. 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Признаки классификации металлорежущих станков. 2. Что называют приводом станка? 124

3. Что называют передачей, передаточным отношением? Виды передач, их условное обозначение?

125

Группы и типы металлорежущих станков

3

-

круг лошлифо валь ные

внут ришлифо валь ные

обди рочные шли фоваль ные

специализированные шли фоваль ные

-

4

-

-

-

-

-

-

кару- то- мно- спе- разру- кар- горез циа- ные сель ные рез- лизи- тоцо- зиро- карные и лобо вые ро- ные ванбоные вые

Комбине Зубо- и резьбооб рабатываю щие

5

резьбонарезные

зубострогаль ные для цил. колес

зуборезные для кон. колес

зубофрезер ные

для нарезания червячных пар

для резьобра- бофбот- резер ки ные торцов зубьев

разные свер лиль ные

Фрезерные

6

-

верт. консоль ные

непрерывного действи я

-

копи роваль ные и гравиро валь ные

верт. про- кон- го- разбес- доль соль риз. ные кон- ные ные кон- фреширо соль зерсоль ко- ные ные ные универсаль ные

Таблица 29 Наименовавание груп пы стан ка -

Шиф р груп пы

Токарные

1

Свер лиль ные и расточные

2

0*

Шифр типа 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Автоматы и по- релуавтоматы воль верные спе- од- мноциа- нош гошлизи- пин- пинзиро- дель дель ро- ные ные ванные вер- Полуавтоматы тикаль носвер од- мнолиль нош гошные пин- пиндель дель ные ные

свер лиль ноотрез резные

коор- ради- гориорди ди- риди- аль- зоннат- но- таль но- свер норас- лиль расточ- ные точные ные

алмазнорасточные

гориризонталь носвер лиль ные

127

заточ плос приные кош- тилифо рочваль ные ные и поли ровочные

разные, работаю щие абразивами

Шли фоваль ные и доводочные

-

-

-

-

зубоотделочные и проверочные

зубои резьбошлифо валь ные

разные зубои резьбооб рабатываю щие

Стро галь ные, долбежные, протяжные Разрезные

7

Разные

9

8

-

-

-

Продольные од- двух нос- стоеч тоеч- ные ные

попе дол- прореч- беж- тяжно- ные ные гористрозонгаль таль ные ные

Разрезные, рабо- прав тающие льно рез- абра- глад отрез цом зив- ким ные ным дискру- ком гом опи- пило прав бало- на- льно- ланвоч- сека- и сироные тель бес- вочные цен- ные тровообдирочные

-

протяжные вертикаль ные

Пилы

-

-

разные строгаль ные

-

делитель ные машины

-

УСТРОЙСТВО КОНСОЛЬНО-ФРЕЗЕРНОГО СТАНКА И РАБОТЫ, ВЫПОЛНЯЕМЫЕ НА НЕМ. 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ: Изучение технологии фрезерования поверхностей заготовок, ознакомление с универсальной делительной головкой, типами фрез в процессе проведения практических работ на фрезерном станке. 2. ПРИБОРЫ, ОБОРУДОВАНИЕ И МАТЕРИАЛЫ: Консольно-фрезерный станок 6М82, универсальная делительная головка.

лен- дис- ножо точ- ко- вочные вые ные для испы тания свер ли шли ф. кругов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА

-

* - Нулевая группа станков является резервной и пока наименования не имеет.

-

3. ЗАДАНИЕ: 1. Изучить кинематическую схему консольно-фрезерного станка 6М82. 2. Изучить консольно-фрезерный станок 6М82 в лаборатории под руководством учебного мастера. 3. Изучить кинематическую схему универсальной делительной головки. 4. Рассчитать число оборотов рукоятки делительной головки для простого деления по заданию преподавателя. 4. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. Виды фрезерных станков: - консольно-фрезерные (горизонтальные, вертикальные, универсальные и широкоуниверсальные); - вертикально-фрезерные бесконсольные; - продольно – фрезерные (одно- и двухстоечные); - фрезерные беспрерывного действия (карусельные и барабанные); - копировально-фрезерные (для контурного и объемного фрезерования; - специализированные (резьбо-фрезерные, шпоночно-фрезерные, шлицефрезерные) и др. На фрезерных станках обрабатывают (рисунок 61):

128

129

- наружные и внутренние поверхности различной конфигурации;

ны для фрезерования различных поверхностей торцовыми,

- прорезают винтовые канавки; - нарезают наружные и внутренние резьбы;

фасонными и другими фрезами.

- обрабатывают зубчатые колеса и т.д.

На рисунке 62 схематически изображен горизонтальнофрезерный станок. Технологический метод формообразования поверхностей заготовок фрезерованием характеризуется наличием двух движений: - главного движения V - вращательного движения фрезы; - движения подачи S – прямолинейного движения заготовки. а – цилиндрическая; б – торцовая; в – дисковые; г – прорезные (отрезные);

з – шпоночная при работе на станках с маятниковой подачей; и – шпоночная при работе на вертикально-фрезерных станках.

д – концевые; е – угловые;

t – глубина резания;

ж – фасонные;

В – ширина фрезерования. Рисунок 61 – Фрезы.

В консольно-фрезерных станках стол станка установлен на консоли, перемещающейся вверх по направляющим станины. К ним относят горизонтально-фрезерные, вертикальнофрезерные и универсально-фрезерные станки. Предназначе-

130

131

скоростей; 4 – электродвигатель глав-

15 – консоль;

ного движения; 5 – лимб частоты вращения;

16 – фундаментная плита;

7 – коробка скоростей;

17 – рукоятка переключения подач;

8 – хобот;

18 – лимб с величинами подач;

9 – шпиндель;

19 – механизм переключения подач;

10 – подвески;

20 – коробка подач.

11 – рукоятка включения продольной подачи; 1 - станина;

12 – стол;

2, 6 – панель управления;

13 – поворотная часть;

3 – коробка переключения

14 – поперечные салазки;

Рисунок 62 – Универсальный консольно-фрезерный станок 6М82. В универсально-фрезерном станке стол можно развернуть на некоторый угол вокруг вертикальной оси и подачу осуществ-

132

133

лять в горизонтальной плоскости под углом к направлению продольной подачи. На рисунке 63 показана кинематическая схема универсального горизонтально-фрезерного станка 6М82.

Рисунок 63 – Кинематическая схема универсального консольно-фрезерного станка 6М82.

134

135

Главное движение – вращение шпинделя фрезы – осуществ-

Специальные блокировочные устройства обеспечивают не-

ляется от электродвигателя М1 (N = 7,5 кВт; n = 1460 мин-1),

возможность одновременного включения нескольких движе-

который через коробку скоростей сообщает шпинделю 18

ний.

различных частот вращения. Уравнение кинематической цепи главного движения (для ми-

Коробка подач имеет однорукояточное селективное управление (рисунок 64).

нимальной частоты вращения шпинделя):

nmin = 1460

27 16 17 19 = 31,5 мин −1 53 38 46 69

Изменение направления вращения шпинделя осуществляется реверсированием электродвигателя. Движение подачи производится от электродвигателя М2 (N = 2,2 кВт; n = 1430 мин-1). Коробка подач станка позволяет осуществлять механическое перемещение стола в трех направлениях: - продольном – перпендикулярно оси шпинделя; - поперечном – параллельно оси шпинделя; - вертикальном.

136

137

Быстрое перемещение стола во всех трех направлениях осуществляется от электродвигателя М2 без участия коробки поА, В, С – передвижные бло-

3 – фиксаторы;

ки;

дач, непосредственно через зубчатую передачу

25 50 67 , 50 67 33

фрикционную муфту М4 на валу ХΙ и далее по кинематиче-

D1, D2 – диски переключе-

4 – диск;

ским цепям рабочих подач.

ния;

Элементы режима резания.

1 – лимб;

5 – упорное кольцо.

2 – рукоятка переключения;

В зависимости от марки материала заготовки, условий обработки выбирают тип и размеры фрезы, материал режущей части, оптимальные геометрические параметры. Назначают

Рисунок 64 – Механизм переключения подач станка 6М82.

глубину резания, стремясь снять весь припуск на обработку за один проход.

Переключение подач осуществляется передвижением зубчатых блоков или отдельных зубчатых колес с помощью вилок, закрепленных на соответствующих рейках. Рейки получают продольное перемещение от двух дисков с отверстиями, за-

Глубина резания t – расстояние между обрабатываемой и обработанной поверхностями, измеренное перпендикулярно к последней за один рабочий ход.

крепленных на одной оси с рукояткой переключения. Рейки,

Подача S – величина перемещения заготовки относительно

перемещающие блоки, могут занимать три различных поло-

вращающейся фрезы. Различают три разновидности подачи:

жения относительно дисков. 138

139

- подача на один зуб Sz – величина перемещения заготовки за

V=

время поворота фрезы на один зуб; - подача на один оборот фрезы So - величина перемещения заготовки за один оборот фрезы;

πDф n 1000

где Dф – диаметр фрезы, мм; n – частота вращения фрезы, мин-1.

- минутная подача Sм – величина перемещения заготовки в

Выбранный режим резания проверяют по эффективной мощ-

минуту.

ности станка. Если эффективной мощности станка недоста-

Эти подачи взаимосвязаны между собой:

точно, то снижают расчетную скорость резания.

Sм = Son = Sz Z n, Делительные головки.

где Z – число зубьев фрезы; n – частота вращения фрезы, мин-1. Ширина фрезерования В, мм – величина обрабатываемой поверхности, измеренная в направлении, параллельном оси фрезы при цилиндрическом фрезеровании, и перпендикулярном к направлению подачи при торцовом фрезеровании.

Делительные головки применяют при работе на консольнофрезерных станках для установки заготовки под требуемым углом относительно стола станка, поворота заготовки на определенный угол, деления окружности на нужное число частей, а также для непрерывного вращения заготовки при фрезеровании винтовых канавок.

Величину подачи выбирают по техническим справочникам. Различают делительные головки для непосредственного деСкорость резания V – окружная скорость вращения фрезы, м/мин, определяют по формуле: 140

ления (делительные приспособления), оптические делительные головки и универсальные делительные головки. Универ141

сальные делительные головки делят на лимбовые и безлим-

вручную на требуемый угол по имеющейся на нем градусной

бовые, применяют для простого и дифференциального деле-

шкале или отверстиям, просверленным на его тыльной сторо-

ния.

не. После поворота на нужный угол лимб закрепляется фик-

Лимбовая универсальная делительная головка. Основные узлы делительной головки (рисунок 5) делительная

сатором, входящим в соответствующее отверстие лимба непосредственного деления.

бабка 3, задняя бабка 1, люнет 2 и принадлежности (трехкулачковый самоцентрирующийся патрон, поводок с центром, гитара для дифференциального деления, гитара для фрезерования винтовых канавок, сменные зубчатые колеса). Способы деления. Периодический поворот обрабатываемой детали на определенный угол выполняют способами непосредственного, простого и дифференциального деления. Способ непосредственного деления – деление проводится по лимбу (рисунок 65). Для этого однозаходный червяк, находящийся внутри головки, выводят из зацепления с червячным колесом. Рукояткой 5 выводят фиксатор из лимба непосредственного деления. После этого лимб можно поворачивать 142

143

Рисунок 65 – Общий вид универсальной делительной головки.

Для выпускаемых делительных головок число заходов червяка Z = 1 и, в большинстве случаев, число зубьев червячного колеса z0 = 40, тогда n =

40 z.

Способ простого деления заключается в том, что вращая рукоятку шпиндель проворачивают на заданный угол. Схема наладки универсальной делительной головки на простое деление показана на рисунке 66а. Уравнение кинематического баланса для определения числа оборотов рукоятки составляют из условия, что за n оборотов рукоятки шпиндель должен повернуться на 1/z оборота, где z – число частей, на которое требуется разделить окружность. Расчетные перемещения: n об. рукоятки → 1/z об. шпинделя.

Уравнение кинематического баланса:

n ×1

Z 1 z = , откуда n = 0 zZ . z0 z

144

а – на простое деление; б – на дифференциальное деление

145

в – на фрезерование винтовых канавок. Рисунок 66 – Кинематическая схема настройки универсальной делительной головки.

b – число шагов (расстояние между соседними отверстиями) ряда отверстий, на которое должна быть повернута рукоятка (дополнительно к целым оборотам А); а – число отверстий в одном из рядов отверстий делительного диска.

Величину, обратную передаточному отношению червячной пары, называют характеристикой делительной головки и обозначают буквой N. Следовательно:

N N = z0 , n = z.

Пример: Требуется отфрезеровать головку болта, имеющего 6 граней. Величину поворота рукоятки делительной головки определяют по формуле:

Для поворота рукоятки на нужное число оборотов, выражен-

n=

ное смешанным числом или дробью, головки снабжены делительными дисками.

N , z.

где N = 40 – характеристика делительной головки;

При z < N, n =

N b = А+ , z a

где А – число полных оборотов рукоятки;

z – число, на которое требуется разделить окружность детали. Выделяем целую часть дроби (число полных оборотов рукоятки делительной головки). Дробную часть умножаем на необходимое число, чтоб в знаменателе получилось значение из

146

147

стандартного ряда количества отверстий в концентрических

где Z – число, на которое требуется разделить окружность

окружностях делительного диска (54, 49, 47, 43, 41, 39, 37,

обрабатываемой детали;

33).

Zo – вспомогательное число, близкое к требуемому.

n=

40 4 9 36 =6 * =6 , 6 6 9 54

При Z > Zo лимб и рукоятка должны вращаться в одну сторону (по часовой стрелке) и передаточное отношение i имеет

Следовательно, заготовку каждый раз необходимо поворачи-

положительное значение.

вать на 6 полных оборотов рукоятки и 36 отверстий по конПри Z < Zo передаточное отношение i отрицательно и нацентрической окружности из 54 отверстий. правления рукоятки и диска противоположны (диск вращаетСпособ дифференциального деления применяют, когда простое деление осуществить невозможно, т.е. когда нельзя подобрать диск с необходимым для простого деления числом

ся против часовой стрелки). Направление вращения лимба изменяют введение дополнительного паразитного колеса в гитару сменных зубчатых колес.

отверстий. Фрезерование винтовых канавок. Заготовке сообщается При этом способе деление проводят при вращающемся диске. Для этого на делительную бабку устанавливают гитару сменных зубчатых колес (рисунок 66б). Передаточное число сменных колес гитары определяют по формуле:

i=

40( Zo − Z ) , Zo

148

сложное винтовое движение, состоящее из поступательного прямолинейного (вдоль ее оси) и вращательного (вокруг оси). Поступательное движение заготовка получает вместе со столом, а вращательное – от ходового винта стола станка через сменные зубчатые колеса.

149

Стол станка при фрезеровании винтовых канавок поворачи-

Рисунок 67 – Схема фрезерования винтовых канавок.

вают по отношению к оси шпинделя на угол ω, равный углу наклона винтовой канавки. При нарезании левой винтовой

Угол поворота стола:

канавки стол поворачивают на угол ω по часовой стрелке

ω = arctg

(рисунок 67), а при нарезании правой винтовой канавки –

πD Pp

,

против часовой стрелки. где D – диаметр обрабатываемой заготовки; Рр – шаг винтовой канавки. Если винтовая линия задана углом подъема α, то стол необходимо повернуть на угол 900 - α. Медленное вращение шпинделю делительной головки передается от продольного ходового винта станка по кинематической цепи (рисунок 66в).

1 – делительная головка; 2 – деталь.

150

5. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ 1. Ознакомиться с кинематической схемой и устройством станка 6М82. 2. Изучить конструкцию и кинематическую схему делительной головки. 3. Под руководством учебного мастера ознакомиться с поворотом и фиксацией шпинделя, сменой делительных дис-

151

ков, с креплением головки к столу, с методом простого деления. 4. Начертить кинематическую схему делительной головки при настройке на простое деление. 5. По заданию преподавателя произвести расчет числа оборотов рукоятки делительной головки для простого деления. 6. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ 1. Технологические возможности обработки заготовок на фрезерных станках. 2. Виды фрез. 3. Главное движение и движение подачи при фрезеровании. 4. Элементы режима резания при фрезеровании: глубина резания, подача, ширина фрезерования, скорость резания. 5. Делительные головки, их применение. 6. Способ настройки на простое деление. 7. Нарезание винтовых канавок.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Основная 1. Кузьмин Б.А., Абраменко Ю.Е., Кудрявцев М.А. и др. Технология металлов и конструкционные материалы Учебник для техникумов – М.: Машиностроение, 1989; 2. Практикум по технологии конструкционных материалов и материаловедению под ред. Некрасова С.С. –М.: Агропромиздат, 1991; 3. Материаловедение под ред. Арзамасова Б.Н. -М.: Машиностроение,1986; 4. Богородицкий Н.П., Пасынков В.В., Тареев Б.М. Электротехнические материалы - Л.: Энергия, 1985; 5. Силенко Н.В. Электротехнические материалы и их применение на водном транспорте – С-П: Политехника, 1985; 6. Справочник по электротехническим материалам под ред. Корицкого Ю.В. в 3-х томах -Л.: Электротомиздат 1988, 7. Чернов Н.Н. Металлорежущие станки - М.: Машиностроение, 1986.

Дополнительная 1. Гуляев А.П. Металловедение, - М.: Металлургия, 1978; 2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение,- М.: Металлургия, 1983.

152

153

ОГЛАВЛЕНИЕ Введение ……………………………………………………… Лабораторная работа Определение твердости………………………………….……. Лабораторная работа Структура и свойства углеродистых сталей …………….….. Лабораторная работа Структура и свойства чугунов ………………………………. Лабораторная работа Классификация и маркировка сталей и чугунов …………… Лабораторная работа Структура и свойства цветных металлов и сплавов …….…. Лабораторная работа Исследование влияния температуры на материалы с различным удельным электрическим сопротивлением…….….. Лабораторная работа Исследование параметров полупроводников……………….. Лабораторная работа Маркировка магнитных материалов…………………………. Лабораторная работа Геометрия токарного проходного резца. Ее влияние на процесс резания и качество обработанной поверхности…… Лабораторная работа Условные обозначения в кинематических схемах станков. Классификация и нумерация металлорежущих станков…… Лабораторная работа Устройство консольно-фрезерного станка и работы, выполняемые на нем……………………………………………... Список рекомендуемой литературы………………………

154

Стр. 3 4 17 31 42 54 73 83 92 104 115 124 136