Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине ''Технология конструкционных материалов''

Министерство образования Российской Федерации

Лабораторная работа 1

Восточно-Сибирский государственный технологический университет Кафедра «Технология изделий легкой промышленности»

Тема: Макроструктурный анализ металлов и сплавов

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Технология конструкционных материалов» для студентов 2-го курса специальностей 280800;280900;281100;281200

Составитель: Раднатаров В.Ц

Улан-Удэ 2003

Макроанализ - исследование структуры металлов и сплавов невооруженым глазом или при увеличении до 30 раз через лупу. При макроанализе применяют два метода: метод изломов и метод макрошлифов. Метод изломов – позволяет установить характер предшествующей обработки металлов давлением, величину зерен, вид чугуна, дефекты внутреннего строения (поры, трещины и др.). Для изучения излома образцы ломают и место излома изучают визуально или пользуются лупой. Метод макрошлифов – дает возможность исследовать структуру, образующуюся в процессе кристаллизации или последующей обработки давлением. Этим способом можно выявить волокнистость, ликвацию серы и фосфора, различного вида дефекты: усадочную раковину, газовые пузыри, поры, трещины и др. Макрошлиф приготовляют шлифованием образца. Подготовленную поверхность травят соответствующим реактивом для выявления структуры. Волокнистость, возникающую при обработке металлов давлением, выявляют глубоким травлением одной отшлифованной стороны образца в сильных кислотах, нагретых до 70…1000С. При этом примеси, скопившиеся на границах зерен, растворяются быстрее основного металла, в результате чего образуется рельефная поверхность в виде тонких волокон. Волокнистость, повторяющаяся конфигурацию сечения детали, свидетельствует о правильной технологии горячей обработки давлением (рис.1.1). При несоответствии расположения волокон контуру детали в местах перехода от одной конфигурации к другой создаются напряжения, сокращающие эксплуатационный срок ее службы.

фотобумагу и осторожно, не допуская ее смещения, проглаживают рукой для удаления пузырьков воздуха. Фотобумагу на шлифе выдерживают 2…3 мин. При этом сернистые соединения FeS и MnS, содержащиеся в стали, взаимодействуют с серной кислотой: FeS + H2SO4 = FeSO4 + H2S. Выделившийся при этом сероводород вступает в реакцию с бромистым серебром фотобумаги: Рис.1.1. Макроструктура поковки полуоси автомобиля, травленной 50%-ной соляной кислотой

Цель работы. Освоить методику макроструктурного анализа металлов и сплавов (макроанализ). Образцы, реактивы, приборы, инструменты 1. Образцы заготовок из углеродистой, конструкционной, инструментальной сталей. 2. 5 %-ый водный раствор серной кислоты, 25%-ый водный раствор гипосульфита, фотобумага бромосеребряная, бумага фильтровальная. 3. Посуда кислотостойкая. 4. Микроскоп школьный, лупа 30хувеличения.

2AgBr + H2S = Ag2S + 2HBr. Для закрепления отпечатка на фотобумаге ее после снятия с макрошлифа помещают на 10-15 мин. в 25%-ый водный раствор гипосульфита, затем промывают проточной водой и сушат при комнатной температуре. В результате сера обнаруживается на поверхности фотобумаги в виде сернистого серебра (Ag2S). Темно-коричневые пятна указывают на места, обогащенные серой, на форму скоплений сульфидов по сечению образца (рис.1.2).

Методика и порядок выполнения работы Для выявления в образце ликвации серы применяют метод Баумана. Согласно данному методу, фотографическую бромосеребряную бумагу на свету смачивают 5%-ым водным раствором серной кислоты, выдерживают в нем 5-10 мин. и слегка просушивают между двумя листами фильтровальной бумаги. После этого на шлиф исследуемой детали накладывают

Рис.1.2. Ликвация серы в стали

В стали сернистое железо образует с железом легкоплавкую эвтектику, которая располагается преимущественно по границам зерен и плавится при 9850С. Поэтому при горячей обработке сталей давлением при температурах выше 1000оС эвтектика быстро расплавляется, разобщая зерна, и в металле образуются надрывы и трещины. Такое явление носит название красноломкости. Вредное влияние серы на сталь также усиливается при неравномерном распределении ее по сечению образца (ликвация). Подлежащие изучению образцы марлевым тампоном. очищаются от пыли и грязи. Затем образцы внимательно осматривают невооруженным глазом со всех сторон и после этого помещают по одному на предметный столик микроскопа отшлифованной стороной к его объективу. Соблюдая масштабность, в тетради выполняют зарисовку увиденной картины, по каждому образцу, отмечая при этом: а) изломы с выявлением размеров зерен, волокнистости, кристалличности, дендритности и др.; б) макроструктуру шлифов образцов с выявлением распределения волокон в деталях (оценивая правильность конфигурации волокон, размер зоны термического влияния сварного соединения, глубину закалки и др.) После выполнения вышеуказанной процедуры приступают к поочередному выявлению на шлифах изучаемых образцов ликвации серы по способу Баумана и получают их фотоотпечатки. Задание. В предложенных образцах заготовок из сталей определить ликвацию серы и дать оценку влияния характера выявленной при этом макроструктуры на свойства металлов. Контрольные вопросы 1. Что такое ликвация? 2. Какие различают виды ликваций?

3. Какое строение имеют металлы? 4. Что называют сталью? 5. Что понимают под термином красноломкость?

Лабораторная работа 2

НВ

Тема: Определение твердости металлов Твердостью называют свойство металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого тела, не получающего при этом остаточной деформации. Для определения твердости металлов чаще применяют методы Бринелля (ГОСТ 9012-59) или Роквелла (ГОСТ 9013-59). Эти методы отличаются простотой, возможностью применять их на готовом изделии без его разрушения. Метод Бринелля основан на том, что в металл под нагрузкой вдавливают закаленный стальной шарик определенного диаметра D мм (рис.2.1) и по величине диаметра

Рис.2.1. Схема измерения твердости по Бринеллю

шарового отпечатка d (глубине h) судят о его твердости. Твердость по Бринеллю (HB) определяют из выражения НВ = P/F,

(2.1)

где Р – нагрузка, кН (кгс); F – площадь поверхности шарового отпечатка, мм2.

Выразив площадь поверхности отпечатка через диаметр шарика и диаметр отпечатка, получим формулу:

=

(

2P

πD D − D 2 − d 2 )

.

(2.2)

Нагрузку Р, диаметр шарика D и продолжительность выдержки шарика под нагрузкой выбирают по табл.2.1. Таблица 2.1. Зависимость диаметра шарика и нагрузки от твердости и толщины испытуемого образца Минима Твердость льная Диаметр МатеНагрузтолщина шарика НВ, риал ка Р,кгс 2 образца, D,мм кгс/мм мм 6…3 10 3000 4 …2 5 750 140…450 Черные Менее 2 2,5 187,5 металлы Более 6 10 1000 Менее 6…3 5 250 140 Менее 3 2,5 62,5 9…3 10 1000 35…130 6…3 5 250 Цветные Менее 3 2,5 62,5 металлы Более 6 10 250 8…35 6…3 5 62,5 Менее 3 2,5 15,6

Выдержка, сек

10

10 30 60

К недостаткам метода Бринелля необходимо отнести невозможность испытания металлов, имеющих твердость более НВ450 или толщину менее 2 мм. При испытании металлов с твердостью более НВ 450 возможна деформация шарика и результаты будут неточными.

Метод Роквелла основан на том , что в испытуемый образец вдавливается алмазный конус с углом при вершине 120о или реже закаленный стальной шарик диаметром 1,59 мм. Алмазный конус используют для твердых металлов, а шарик – для мягких. Шарик или алмазный конус (рис.2.2)

при вдавливании алмазного конуса: HRC = 100 -

h − h0 , 0,002

(2.3)

при вдавливании шарика: HRB = 130 -

Рис.2.2. Схема измерения твердости по Роквеллу

вдавливают в испытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагрузок – предварительной Ро, равной 0,1 кН (10 кгс), и основной Р1. При вдавливании алмаза к нему прилагается общая нагрузка Р, равная 0,6кН (60кгс) или 1,5 кН (150 кгс), а при вдавливании – 1 кН (100 кгс).Соответственно этим нагрузкам на индикаторе прибора нанесены шкалы: черные А и С и красные В. Шкалой А пользуются при измерении твердости изделий с очень твердым поверхностным слоем, полученным посредством химико- термической обработки (цементация, азотирование и др.), а также твердых сплавов с твердостью до HRA 85. Шкалу С используют при измерении твердости закаленных сталей, обладающих твердостью до HRC67. Шкалой В пользуются при измерении твердости незакаленных сталей, цветных металлов и сплавов, имеющих твердость до HRB100. Числа твердости по Роквеллу HR измеряют в условных единицах и определяют по формулам:

h − h0 , 0,002

(2.4)

где 100 – число черных делений шкалы С циферблата индикатора прибора, а 130 – число красных делений шкалы В; h0 – глубина внедрения алмаза(шарика), мм под действием предварительной нагрузки; h – глубина внедрения алмаза(шарика) под действием общей нагрузки, мм, замеренная после ее снятия с предварительной нагрузкой; 0,002 – глубина внедрения алмаза (шарика), мм, соответствующая перемещению стрелки индикатора на одно деление.

Чтобы установить на приборе у мягкого металла малую твердость, а у твердого металла – высокую твердость, ⎛ h − h0 ⎞ полученное число делений ⎜ ⎟ вычитается из общего ⎝ 0,002 ⎠ числа делений 100 для шкалы С или 130 для шкалы В. Метод Роквелла отличается простотой и высокой производительностью, обеспечивает сохранение качественной поверхности после испытаний позволяет испытывать металлы и сплавы как низкой, так и высокой твердости, при толщине изделия (слоя) до 0,8 мм. Однако этот метод не рекомендуется применять для сплавов с неоднородной структурой (чугуны серые, ковкие и высокопрочные). Цель работы. Ознакомиться с устройством приборов Бринелля и Роквелла и методикой измерения твердости металлов и сплавов.

Материалы,инструменты, приборы 1. Образцы заготовок деталей из отожженных и закаленных сталей. 2. Штангенциркуль, лупа специальная к прибору для определения твердости. 3. Приборы Бринелля и Роквелла. Устройство и принцип работы приборов Бринелля и Роквелла Схема рычажного прибора Бринелля (тип представлена на рис.2.3. Прибор имеет станину 1.

ТШ)

Рис.2.3. Схема прибора Бринелля

Испытуемый образец устанавливают на предметный столик 4. Вращая маховик 3, винтом 2 поднимают образец до соприкосновения его с шариком 5 и далее до полного сжатия пружины 7, надетой на шпиндель 6. Пружина создает предварительную нагрузку на шарик, равную 1 кН (100 кгс), что обеспечивает устойчивое положение образца во время нагружения. После этого включают электродвигатель 13 и через червячную передачу редуктора 12, шатун 11 и систему рычагов 8, 9 с грузами 10 создают заданную полную нагрузку

на шарик. На испытуемом образце получается шаровой отпечаток. После разгрузки прибора образец снимают и определяют диаметр отпечатка специальной лупой. За расчетный диаметр отпечатка принимают среднее арифметическое значение измерений в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По диаметру отпечатка в табл.2.2 при шарике диаметром 10 мм и нагрузке 30 кН (3000 кгс) находят соответствующее число твердости НВ и записывают, например НВ302. Твердость, измеренная по методу Бринелля для ряда металлов, связана эмпирической зависимостью с пределом прочности при растяжении. Для кованых и катаных углеродистых сталей σ в =0,36НВ, для легированных сталей σ в =(0,33…0,35) НВ, для стального литья σ в =(0,3…0,4) НВ. Таблица 2.2. Соотношение чисел твердости по Бринеллю и Роквеллу

На рис.2.4 дана схема рычажного прибора Роквелла (тип ТК). Согласно методике определения, хорошо зачищенный

Рис.2.4. Схема прибора Роквелла

испытуемый образец устанавливают на предметный столик 2. Затем вращением штурвала 1 по часовой стрелке поднимают образец до соприкосновения с алмазом или шариком 3. При дальнейшем вращении штурвала начинают перемещаться малая и большая стрелки циферблата индикатора 4 и создается предварительная нагрузка, равная 0,1 кН (10 кгс), препятствующая смещению образца во время испытания. Когда малая стрелка совместится с красной точкой, нанесенной на циферблат, вращение штурвала прекращают. После этого циферблат индикатора поворачивают так, чтобы нулевое деление черной шкалы С стало против конца большой стрелки и соответственно против 30-го деления красной шкалы В. Красная шкала В смещена относительно нулевого деления черной шкалы С на 30 делений, так как при испытании шариком большая стрелка может поворачиваться более чем на 100 делений. Поворотом рукоятки 5, расположенной с правой стороны прибора, в направлении от себя или включением электропривода посредством грузов 7 создают основную нагрузку Р1 на алмаз (шарик). Благодаря масляному демпферу 6 грузы плавно опускаются, алмаз (шарик) вдавливается в металл, а большая стрелка циферблата поворачивается влево, в сторону уменьшения числовых значений твердости, т.е.

происходит то вычитание, о котором было сказано выше. После остановки большой стрелки через 1…3 сек поворотом рукоятки 5 в направлении на себя (у электрического прибора автоматически) снимается основная нагрузка. При этом большая стрелка поворачивается в обратном направлении и останавливается против деления, показывающего значение твердости испытуемого металла. За число твердости принимают среднее арифметическое значение, полученное при трех испытаниях. Число твердости по Роквеллу можно перевести на число твердости по Бринеллю (см.табл.2.2). Последовательность выполнения работы 1. Измеряют твердость отожженных сталей марок 30, 60 и У8 на приборе Бринелля со стальным шариком диаметром 10 мм при нагрузке 30 кН (3000 кгс). 2. Измеряют твердость отожженных сталей марок 30, 60 и У8 на приборе Роквелла со стальным шариком диаметром 1,59 мм при нагрузке 1,0 кН (1000 кгс). 3. Измеряют твердость закаленных сталей марок 30, 60 и У8 на приборе Роквелла с алмазным конусом при нагрузке 1,5 кН (150 кгс). 4. Результаты измерений твердости сталей вносят в протокол испытаний. 5. На основании полученных результатов строят график зависимости твердости отожженной и закаленной стали от содержания в ней углерода. Задание. На предложенных стальных деталях по вышеизложенной методике определить их твердость на двух разных приборах. Заполнить протокол испытаний и построить график зависимости твердости о содержания углерода в стали. В выводах указать факторы, влияющие на твердость стали, объяснить полученный график.

Контрольные вопросы 1. 2. 3. 4.

Назовите основные механические свойства металлов. Что понимают под термином пластичность? Какие знаете методы определения твердости? Объясните устройство прибора Роквелла и порядок работы на нем. 5. В каких единицах измерения определяется твердость по Бринеллю?

Лабораторная работа 3 Тема: Контроль качества сварного шва металлографическим методом Сваркой называют (технологический) процесс получения неразъемных соединений из различных материалов. Наибольшее промышленное значение имеет сварка металлов и их сплавов в однородных и разнородных сочетаниях, но возможна и находит применение сварка неметаллических материалов∗, таких как стекло, пластмассы, смолы, керамика и т.п., между собой и с металлами. Сущность процесса сварки. Образование неразъемного соединения при сварке происходит за счет возникновения межатомных сил связи между контактирующими поверхностями. Для того чтобы возникли межатомные силы связи, необходимо свариваемые поверхности сблизить на расстояния, соизмеримые с межатомными расстояниями, характерными для агрегатного состояния материала в месте сварки. В реальных условиях сближению поверхностей препятствуют микронеровности, окисные и органические пленки, адсорбированные газы. Для получения качественного соединения необходимо устранить причины, препятствующие сближению контактирующих поверхностей и сообщить атомам твердого тела некоторую энергию, необходимую для повышения энергии поверхностных атомов. Такая энергия может сообщаться в виде теплоты (термическая активация) и в виде упруго-пластической деформации (механическая активация). В зависимости от метода активации все способы сварки подразделяются на две основные группы (см.табл.3.1): 1) сварка пластическим деформированием(давлением); 2) сварка плавлением. ∗

-Сварка пластмасс рассматривается в след. лабор. работе.

Таблица 3.1 Сварка плавлением термические процессы Дуговая Газовая Электронно-лучевая Лазерная Плазменно-лучевая

Сварка давлением термомеханические процессы Контактная Газопрессовая Индукционная Диффузионная

механические процессы Холодная Трением Ультразвуковая Взрывом

Дефекты сварных швов Сварка как и любой другой производственный процесс предполагает определенные отклонения от требований технических норм. Если такие отклонения выходят за пределы установленных допусков для конкретного изделия – это брак, дефект, который должен быть устранен. Если устранение дефекта невозможно, изделие не может быть принято к эксплуатации. В сварочном производстве изделием является правильно сваренное изделие, узел, конструкция. В изделиях, выполненных сваркой, дефекты различаются по месту их расположения и по причинам возникновения. По расположению в шве дефекты подразделяются на наружные и внутренние. К н а р у ж н ы м дефектам относятся продольные и поперечные трещины, подрезы, кратеры, остатки шлака, неровная поверхность шва, наплывы и др. (рис.3.1)

Рис.3.1. Дефекты сварочных швов

Трещины (рис.3.1, а, б) чаще всего образуются из-за внутренних напряжений, возникающих вследствие неравномерного нагрева и охлаждения металла, изменения его структуры при сварке и наличия в нем повышенного содержания серы, фосфора, водорода, кислорода и др. Подрез (рис.3.1, в) характеризуется наличием канавки у края шва. Подрезы получаются при сварке током большой силы или горелкой большой мощности. Кратеры (незаплавленные углубления), остатки шлака и неровная поверхность шва появляются при низкой квалификации или небрежности сварщика. Наплывы (рис.3.1, г) образуются при слишком быстром плавлении электрода или присадочной проволоки и при недостаточной прогретости свариваемого металла. К в н у т р е н н и м дефектам относятся внутренние трещины, непровар корня шва или его кромки, поры, шлаковые включения, раковины, пережог металла шва и др. Внутренние трещины обычно возникают по тем же причинам, что и наружные. Непровар корня шва или его кромки (рис.3.1, д,е, ж) характеризуется плохим сплавлением или даже отсутствием сцепления наплавленного металла с основным металлом. Этот дефект возникает из-за плохого прогрева свариваемого металла, некачественной разделки кромок (малый угол среза), недостаточного зазора между свариваемыми деталями, малого тока или малой мощности горелки, из-за слишком большой скорости сварки. Поры (рис.3.1, з) чаще заполнены газом (водородом, окисью углерода и др.) и образуются преимущественно из-за влажности электродного покрытия или неправильной регулировки газовой горелки, плохой очистки свариваемой поверхности от грязи, масла, ржавчины и окалины. Шлаковые включения – раковины (рис.3.1, и) наблюдаются при сварке длинной дугой или окислительным пламенем. При такой сварке из-за недостаточного прогрева

жидкого металла он недостаточно интенсивно перемешивается, быстро затвердевает и из него плохо удаляется шлак. Пережог представляет собой окисленный крупнозернистый металл шва, который возникает вследствие применения тока большой силы или горелки большой мощности, сильноокислительной среды, медленного перемещения электрода или горелки. Цель работы. Изучить наружные и внутренние дефекты сварных швов и ознакомиться с методами их выявления. Материалы, инструменты, реактивы, приборы 1. Образцы сварных соединений стальных деталей и сплавов с поперечным и продольным разрезами швов. 2. Лупа увеличительная; штангенциркуль. 3. Керосин; 10%-ый раствор азотной кислоты; обмазка меловая; 5%-ый раствор серной кислоты; 25%-ый раствор гипосульфита; бумага фильтровальная. 4. Микроскоп МИМ-7. Методика исследования дефектов сварного шва и порядок выполнения работы Наружные дефекты сварных швов обычно контролируют визуально или через лупу при небольшом увеличении (в 10…20 раз). В некоторых случаях для выявления трещин прибегают к травлению шва 10%-ым раствором азотной кислоты. Для обнаружения внутренних дефектов сварных швов применяют просвечивание шва рентгеновскими или гаммалучами (трещины, непровары, поры, шлаковые включения), ультразвуковой метод (трещины, поры), магнитный метод (трещины, непровары), металлографический метод и др.

Плотность швов, т.е. их непроницаемость, проверяют гидравлическим или пневматическим нагружением сварных изделий (баков) или керосиновой пробой. При первых двух методах контроля дефектные места устанавливают по течи воды или выделению пузырьков воздуха через сварной швов. При последнем методе сварной покрывают меловой обмазкой, а противоположную сторону сварного соединения смачивают керосином. Если шов неплотный, на меловой обмазке выступает керосин. Наиболее известным и доступным методом среди известных является металлографический метод, при котором изделие вначале разрезается вдоль или поперек шва, или вырезаются из него образцы. Затем это изделие или образцы подготавливаются к макро- и микроанализу (см. лабор. работу 1). Макроанализ внутренних дефектов шва по разрезу детали или вырезанным образцам проводят визуально или через линзу при небольшом увеличении, что позволяет обнаружить трещины, поры, раковины, шлаковые включения, непровары, границу раздела шва и основного металла, дендритность шва – направленность и величину столбчатых кристаллов. Вдоль самих столбчатых кристаллов и в местах окончания их кристаллизации нередко получаются трещины. 1. Осмотреть дефектные и бездефектные образцы сварных соединений, выполненных различными способами сварки (ручная и автоматическая дуговая и газовая). 2. Получить для исследования комплект макро- микрошлифов сварных швов с различными наружными и внутренними дефектами (трещины, подрезы, кратеры, шлаковые включения, наплывы, поры, непровары, пережог и дендритность) и без дефектов с указанием химического состава металла шва и основного металла, лупу и металлографический микроскоп. 3. Изучить и зарисовать наружные дефекты сварных швов.

4. Изучить и зарисовать макро- микроструктуру внутренних дефектов сварных швов. 5. Изучить и зарисовать макро- и микроструктуру качественного сварного шва. 6. При исследовании отметить вид дефекта, указать его размер, место расположения и причину возникновения, определить границу раздела шва и основного металла (по макро- микроструктуре) и дать оценку дефектной и качественной структуры сварного шва. 7. Результаты исследований внести в протокол лабораторной работы. Задание. Изучив образцы сварных соединений, выполнить рисунки наружных и внутренних дефектов, а также качественного шва с их описанием. В выводах по работе дать сравнительную оценку изученным сварным швам с указанием обнаруженных наиболее опасных дефектов и причин их возникновения. Контрольные вопросы. 1. Что понимают под словом «сварка»? 2. Какие способы сварки металлов вы знаете, и чем они отличаются друг от друга? 3. Назовите наиболее распространенные дефекты сварных швов и каковы причины их возникновения? 4. Какие способы вам известны для определения дефектов сварного шва? 5. В чем особенности сварки цветных металлов?

Лабораторная работа 4 Тема: Сварка пластмасс газовым теплоносителем Источниками теплоты для сварки плавлением термопластов могут служить: струя нагретого газа, поток лучистой энергии, нагретый и введенный в непосредственный контакт инструмент, ультразвуковые колебания, высокочастотное электрическое поле, энергия трения и т.д. Под воздействием источников теплоты происходит нагрев свариваемых поверхностей и перевод полимера в вязкотекучее состояние. Для соединения мягких термопластов (полиэтилен, поливинилхлоридный пластикат в виде тонких листов) применяют шовную и точечную сварку, а для сварки жестких термопластов (винипласт, полистирол) – сварку с использованием присадочного материала. Сварка с присадкой особенно эффективна в случае жестких термопластов, так как только при достаточной жесткости присадочного прутка представляется возможным обеспечить стабильность его положения при сварке и необходимый контакт между нагретыми поверхностями свариваемых деталей и присадочным прутком. Присадочный материал выпускается промышленностью в виде прутков круглого сечения диаметром 2…6 мм, а также в виде спаренных двойных прутков толщиной 2-3 мм. Газовым теплоносителем можно сваривать панели, воздуховоды, трубопроводы и другие детали из материалов толщиной 1,5…20 мм, а также экраны, оболочки и другие изделия из полимерных пленок. В качестве газа-теплоносителя при сварке поливинилхлорида, полиметилметакрилата и пентапласта используют воздух; при сварке полиэтилена и полипропилена лучше использовать азот. Основными параметрами режима сварки пластмасс газовым теплоносителем являются температура и расход газа,

усилие, прикладываемое к присадочному прутку и скорость его укладки в разделку шва. Образование сварных соединений при сварке газовым теплоносителем, так же как и при других методах сварки, возможно только при условии, если соединяемые поверхности материала и присадочного прутка находятся в вязкотекучем состоянии, поэтому температура газа-теплоносителя на выходе из сопла сварочного аппарата должна на 50 –100оС превышать температуру текучести полимера (при условии, если расстояние между срезом сопла и свариваемыми поверхностями минимально и составляет 5…6 мм). Расход газа-теплоносителя зависит от типа и толщины свариваемого материала, диаметра сопла сварочного аппарата, формы и площади сечения присадочного материала. При сварке поливинилхлорида, полиэтилена, полипропилена и пентапласта рекомендуется расход газа, равный 0,3 ± 0,09 м3/ч на 1 мм2 сечения сопла сварочного аппарата. Давление газа-теплоносителя при сварке термопластов невелико и составляет 0,006 –0,15 МПа. Рекомендуемые параметры выполнения сварки термопластов представлены в табл.4.1 и 4.2. Таблица 4.1 Режимы и условия сварки термопластов газовым теплоносителем с присадочным прутком Материал Винипласт Пластикат ПВХ ПЭВД ПП ПЭНД Пентапласт Поликарбонат ПММА Полиамид

Газтеплоноси тель Воздух « Азот « « Воздух « « Азот

Давление, МПа

Расход, м3/ч

0,03-0,06 « 0,03 0,07 0,03-0,06 0,04-0,07 0,07-0,15 0,03-0,06 « «

1,5-2,0 « 0,9-2.4 1,8-2,4 0,9-2,4 2-3 1,2-1,8 0,7-1,5 0,6-0,7

Расход через 1мм сеч.,м3/ч 0,3 ± 0,09 « « « « « -

Таблица 4.2 Температура, оС Материал

Винипласт Пласт.ПВХ ПЭВД ПП ПЭНД Пентапласт Поликарбонат ПММА Полиамид

на выходе из сопла 250-350 180-210 450-500 350-400 240-280

на расст. 6мм от сопла 200 ± 15 240 ± 15 200 ± 15 250 ± 15 300 ± 15 300 ± 15 -

Скорость, м/мин при диаметре прис.прутка, мм 3

4

0,17 0,6 0,17 « « « 0,3-0,6 кв.сеч. 0,07-0,1

0,13 0,13 0,13 0,13 0,13 -

Усилие вдавливания прутка, Н 3 3 3 3 3 3 1,5-2 0,2-0,3 0-0,2

Положение шва при сварке может быть самое разнообразное (горизонтальное, вертикальное, смешанное). Сваркой газовыми теплоносителями могут быть выполнены швы практически всех типов соединений – стыковых, нахлесточных, угловых и тавровых. Цель работы. Изучить оборудование и технологию сварки пластмасс; приобрести практические навыки по их сварке; оценить качество сварных пластмассовых соединений. Материалы, инструменты, оборудование, приборы 1. Пластины из свариваемых пластмасс (винипласт, полиметилметакрилат, полиэтилен высокого и низкого давлений, ПВХ –пластикат); прутковые присадочные материалы. 2. Термометр ртутный (0-500оС); штангенциркуль; толщиномер; нож.

3. Горелки: газовые и газоэлектрические; компрессор; генератор ацетиленовый; манометр газовый низкого давления. 4. Разрывная машина РТ-250; микроскоп металлографический МИМ-7 или школьный в комплекте. Устройство и работа горелок для сварки пластмасс Пластмассы сваривают специальной газовой или газоэлектрической горелкой. На рисунке 4.1, а представлена принципиальная схема газовой горелки ГГП-1-56. Работает

Рис.4.1. Схема горелок для сварки термопластов горячими газами: а –газовая горелка ГГП-1-56; б – газоэлектрическая горелка

горелка следующим образом. Открывают ацетиленовый вентиль, и ацетилен попадает в канал 1. Проходя через инжектор 2, он создает разрежение, и через отверстие 3 подсасывается атмосферный воздух. Ацетилено-воздушная смесь при выходе из сопла сгорает, образуя внутри воздушной камеры 5 пламя 4. Одновременно по каналу 6 подается сжатый воздух, который попадая в воздушную камеру 5, омывает пламя, нагревается и смешивается с горячими продуктами

горения ацетилена. Эта смесь и служит для нагревания пластмассы при сварке. Газоэлектрическая горелка приведена на рис. 4.1, б. Сжатый воздух от баллона или компрессора, пройдя через фильтр 1, поступает в канал 3. В канале 3 воздух нагревается и, выходя из сопла 4, нагревает свариваемую пластмассу и присадочный материал. Нагрев воздуха регулируют реостатом 5, а его расход – вентилем 2. Технология выполнения сварки Перед началом сварки необходимо по возможности точно устанавливать температуру истекаемых из сопла горелки газов (см.табл.4.2). При низкой температуре нагретого воздуха сварное соединение будет непрочным и легко разрушится. При высокой температуре воздуха, поступающего из горелки, обугливаются кромки сварного соединения, что вызывает разложение пластмассы с выделением едкого газа. Температуру теплоносителя рекомендуется контролировать термопарой. Чаще всего из всех пластмасс сваривают винипласты. Винипласт переходит в вязкотекучее состояние при температуре 200..220оС. При толщине материала более 2.. 3 мм применяют V-образную разделку кромок под сварку. Кромки разделки срезают в горячем состоянии. Перед сваркой детали изделия струбцинами, кондукторами и другими приспособлениями фиксируют в требуемом положении. Прихватки при сварке не рекомендуются. Сварку начинают с предварительного подогрева места сварки. При нагреве пластмасса приобретает характерный блеск, и это указывает на ее вязкотекучее состояние. Затем конец присадочного прутка вертикально вдавливают в это место с одновременным подогревом его, как показано на рисунке 4.2. Пруток разогревают по периферии до вязкотекучего состояния, тогда как его стержень (центральная часть) находится в твердом эластичном состоянии, способствуя вдавливанию его и сварке

35 Без разделки

-

70-80 60-80 40-50 50-70 50-70 50-70 70-80 70-75 Х-образная

60-80

70-75 V-образная с подваркой корня шва

-

70-80 60-80 40-50 50-70 50-70 50-70 70-80 60-65 V-образная

60-80

35-40 45-50 К-образная

-

ПЭНД Пластикат ПВХ Винипласт Разделка кромок

ПЭВД

ПП

Полиамиды

Относительная прочность, %

ППМА

Поликар- Пентабонат пласт

Таблица 4.3 с кромками. Кромки и присадочный пруток должны равномерно нагреваться. Сварка газовым теплоносителем применима и для пленок, без использования присадочного материала. В этом случае сварка осуществляется путем нагрева струей газа непосредственно свариваемых поверхностей. Сопло сварочного аппарата при этом вводят между соединяемыми пленками, после чего начинается его перемещение и подача горячего газа, а затем нагретые пленки сдавливают прижимным устройством. Таким способом сваривают пленки и листы толщиной 0,1-5 мм нахлесточным швом шириной до 40 мм со скоростью до 7 м/мин, глубина проплавления материала между нахлестами должна быть не более трети толщины материала. Сварные соединения, полученные при оптимальных режимах сварки, имеют прочность при расслаивании, равную 80-90% прочности основного материала, а прочность при сдвиге, практически равную прочности материала. Относительная кратковременная прочность при растяжении для сварных соединений из различных термопластов, полученных сваркой газовым теплоносителем с присадочным прутком (отношение разрушающего напряжения при растяжении сварного соединения к разрушающему напряжению основного материала) приведена в табл.4.3.

Относительная прочность сварных соединений при растяжении

Рис.4.2. Схема сварки пластмасс: 1 – пластмасса, разогретая до вязкотекучего состояния; 2 – пластмасса, сохранившая эластичное состояние; 3 – направление сварки

Последовательность выполнения работы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.

Изучить устройство газоэлектрической или газовой горелки для сварки пластмасс. Из листового материала термопласта вырезать (выпилить) 6 пластин размером 100х20 мм. Подобрать и установить режим сварки (температуру теплоносителя, диаметр присадочного прутка). На пластинах из термопласта произвести напильником разделку кромок по различным вариантам. Закрепить пластины разделанными кромками друг к другу в лабораторных зажимах и сварить прутками из соответствующего пластинам материала. После остывания образцов до комнатной температуры осмотреть шов и визуально оценить его качества. Произвести испытание образцов на разрывной машине (типа РТ-250) и результаты сравнить с прочностью термопласта до сварки.

Задание. Определить прочностные показатели цельного термопласта; освоить технологию сварки газовым теплоносителем и выполнить сваривание образцов встык. После полного остывания под микроскопом оценить качество швов в разрезе и определить относительную прочность сварных соединений при растяжении. Дать выводы по проделанной работе с указанием особенностей процесса сварки пластмасс с применением присадочного материала. Контрольные вопросы. 1. Чем отличается сварка пластмасс от сварки металлов? 2. Какие способы сварки применяются для сварки пластмасс и в чем их особенности? 3. Каково устройство газоэлектрического и газового горелок?

4. Какие способы разделок кромок свариваемых деталей из пластмасс вы знаете и с какой целью это делается? 5. Какие дефекты возможны при сварке пластмасс и от чего они возникают?

Лабораторная работа 5 Тема: Склеивание конструкционных материалов Склеиванием называется процесс создания неразъемного соединения материала с помощью клея, который образует между соединяемыми поверхностями тонкую и прочно сцепленную с ними клеевую пленку. Прочность клеевого соединения зависит от адгезии∗ (прилипания, сцепления) клеевой пленки со склеиваемыми материалами и ее когезии, т.е. прочности самой пленки. Увеличению прочности клеевого соединения в значительной степени способствуют создание шероховатости на склеиваемой поверхности материала и тщательное ее обезжирование. Оптимальная толщина клеевой пленки должна быть в пределах 0,1…0,6 мм. Склеивание синтетическими клеями находит широкое применение в авиации (обшивка панели), в судостроении (конструкция из стеклопластиков), в автомобильной промышленности (фрикционные накладки, обивка кузовов), в ремонтном производстве (заделка трещин, пробоин). Склеивание позволяет соединять металлы и неметаллы в различных сочетаниях. По сравнению со сваркой и клепкой оно обеспечивает значительное снижение массы конструкций при высокой антикоррозийности клеевого шва, дает возможность вести процесс при сравнительно низких температурах, отличается простотой производства и достаточно высокой экономичностью. Недостатки клеевых соединений – невысокая долговечность (из-за старения) и небольшая прочность при неравномерном отрыве. Клеи состоят из пленкообразующей органической или неорганической основы с заданными адгезионными и ∗

Адгезия – молекулярная связь приведенных в контакт клеящего вещества (адгезив) и склеиваемой поверхности (субстрат); когезионная прочность (когезия) – сцепление молекул внутри физического тела под действием различных сил притяжения.

когезионными свойствами. Кроме того, в их состав могут входить растворители, создающие определенную вязкость клея, пластификаторы для повышения его пластичности и уменьшения усадки, наполнители для повышения прочности соединения, отвердители и др. В качестве пленкообразующей основы используют синтетические смолы или каучуки, а для наполнителей – порошковые волокна органического и неорганического происхождения и др. Растворителями служат ацетон, дихлорэтан, бензол и спирты. В качестве пластификаторов применяются глицерин, каучук и некоторые смолы. Промышленность выпускает клеи холодного или горячего отверждения. Клеи горячего отверждения обеспечивают более высокую прочность и теплостойкость. При нагреве лучше удаляется растворитель и происходит более полное отверждение. Обычно для удаления растворителя из клеевой пленки до окончательного нагрева с целью отверждения ее сушат на открытом воздухе при 50…60оС. Способствует прочности клеевого соединения также горячее отверждение под давлением. Ряд материалов, как, например, органическое стекло, полистирол, склеивают их растворителями или клеями, содержащими склеиваемый материал и его растворитель (дихлорэтан, ацетон и др.). Для склеивания пластмасс на основе фенолоформальдегидных олигомеров наиболее часто используются фенольные (типа ВИАМ Б-3), модифицированные фенольные (БФ-2, ВК-32-200), полиуретановые (ПУ-2, ВК-5) и эпоксидные (ВК-9, К-153, Эпоксид П и Пр) клеевые композиции. При склеивании термореактивных пластмасс прежде всего следует учитывать химическую природу соединяемых материалов, их растворимость и состояние поверхности. Необходимо также принимать во внимание термический коэффициент линейного расширения материалов, технологию

процесса склеивания, конструктивные особенности изделия и условия его эксплуатации. Основные виды используемых на практике клеевых соединений приведены на рис.5.1

Таблица 5.2

Рис.5.1. Рекомендуемые конструктивные формы клеевых соединений: а – соединение встык (плохое); б – внахлестку (хорошее и практичное); в – нахлестка со скошенными краями (хорошее, но требующее точной подгонки); г – усовое (хорошее, но требующее механической обработки); д – усовое (хорошее и практичное); е – с накладкой (неплохое, но редко применяемое); ж – с утопленной двойной накладкой (хорошее, но требующее механической обработки); и – полушиповое (хорошее, но требующее механической обработки); к – со скошенными накладками (хорошее, но трудоемкое в изготовлении); л – двойная нахлестка (хорошее); м – усовое с двумя скошенными накладками (очень хорошее, но требующее механической обработки и сложной подгонки)

В данной лабораторной работе для склеивания текстолита используется вышеупомянутый клей горячего отверждения БФ-2, основные свойства которого представлена в табл.5.2.

температура, оС

продолжительность, час

давление, МПа

140 - 175

1

0,8 – 2,0

60

Вязкость по ВЗ-1 при 20оС, сек 30 - 60

Резольный олигомер(1 м.ч.), поливинилбутираль (1 м.ч.), этиловый спирт

Концентрация, %

Состав

14 - 17

Режим отверждения

Максимальная рабочая температура, о С

Основные свойства клея БФ-2

Технология склеивания При склеивании текстолитов, стеклотекстолитов, древесных слоистых пластиков клеем БФ-2 его наносят на склеиваемые материалы в два слоя; расход клея на каждый слой 150 –200 г/м2. Каждый из нанесенных слоев высушивают сначала при 16-30оС в течение 30 мин, а затем при 50-60оС в течение 15 мин. Заготовки с нанесенным клеем складывают и запрессовывают в прессе, снабженном контактными или какими-либо другими нагревателями. Давление при склеивании 0,5-2 МПа. Для деталей сложной конфигурации следует придерживаться верхнего предела давлений. Выдержка под давлением зависит от температуры склеивания: Температура, оС

120-125

130-135

136-140

Продолжительность выдержки, мин

50-60

25-30

20-25

Время выдержки считают с момента достижения требуемой температуры в клеевом шве, которую контролируют с помощью термопары или термометра. Снятие давления производят после охлаждения склеенных деталей до 40оС. Цель работы. Ознакомиться с технологией склеивания конструкционных материалов; оценить прочность клеевых соединений в зависимости от продолжительности их нагрева при термообработке под давлением. Материалы, инструменты, реактивы, приборы, оборудование 1. Конструкционный материал – текстолит листовой (толщиной 2…4 мм); бумага наждачная; лоскут ткани; вата. 2. Шпатель; линейка металлическая; струбцина; штангенциркуль; чертилка; кисточки для нанесения клея. 3. Клей БФ-2; ацетон; спирт этиловый. 4. Термостат лабораторный; термометр ртутный; визкозиметр ВЗ-1; секундомер. 5. Машина разрывная РТ-250 с паспортом по эксплуатации. Последовательность выполнения работы 1.

Из листового текстолита вырезать (выпилить) шесть плоских образцов размером 115х15х2 мм и с помощью напильника притупить острые кромки. Образец клеевого соединения представлен на рисунке 5.2.

2. Наметить на образцах чертилкой места склеивания и обезжирить их ацетоном, после чего просушить на воздухе в течение 3…5 мин. 3. Нанести на зачищенные места образцов первый слой клея (слой наносится движением кисточки в одну сторону, чтобы не образовывались пузырьки воздуха). 4. Провести первую открытую сушку образцов с нанесенным слоем клея в термошкафу (термостате) при 50…60оС в течение 15 мин. 5. Нанести второй слой клея. 6. Провести вторую сушку при том же режиме, что и первая. 7. Соединить склеиваемые поверхности образцов и зажать их в струбцинах давлением 0,25…0,3 МПа (2,5…3 кгс/см2). 8. Нагреть склеиваемые образцы вместе со струбцинами в термостате до 150оС и выдержать при этой температуре 5, 15 и 25 мин. 9. Извлечь образцы со струбцинами из термостата и охладить их на воздухе до комнатной температуры и раскрепить. 10. Произвести испытание склеенных образцов на сдвиг. 11. Определить предел прочности клеевого соединения на сдвиг по формуле: P σ = , F где Р - разрушающая нагрузка, Н (кгс); F – площадь склеивания, см2.

12. Построить график изменения предела прочности на сдвиг клеевого соединения в зависимости от продолжительности нагрева при выдержке под давлением. Рис.5.2. Клеевое соединение внахлестку для испытания на сдвиг

Задание. Соблюдая вышеизложенную последовательность работы, с разной продолжительностью нагрева, изготовить образцы клеевого соединения внахлестку. Определить их предел прочности на сдвиг. Дать анализ изменения этого предела прочности в зависимости от продолжительности нагрева и определить оптимальный режим нагрева для склеивания текстолита клеем БФ-2.

Контрольные вопросы 1. Какие реактивы могут быть использованы для склеивания органического стекла, винипласта, целлулоида, полистирола? 2. Какие формы клеевых соединений пластмасс вы знаете, и каковы их достоинства и недостатки? 3. От каких основных факторов зависит прочность клеевых соединений? 4. Что означает выражение «термореактивный клей»?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Соколов И.И. Газовая сварка и резка металлов. М.: Металлургия, 1998. - 346 с. 2. Справочник по сварке, пайке, склейке и резке металлов и пластмасс. Под ред. А. Ноймана, Е. Рихтера. М.: Металлургия, 1980. - 464 с. 3. Кнорозов Б.В., Усова Л.Ф., и др. Технология металлов. - М.: Металлургия, 1974. - 648 с. 4. Ковачич Л. Склеивание металлов и пластмасс. Пер. со словацкого под ред. А.С. Фрейдина. М.: Химия, 1985. - 241 с. 5. Кардашов Д.А. Конструкционные клеи. М.: Химия, 1980. 288 с. 6. Кардашов. Д.А., Петрова А.П. Полимерные клеи. Создание и применение. М.: Химия», 1983. - 256 с. 7. Кортес А.Р. Сварка, резка, пайка металлов. М.: ООО «Аделант –Арфа СВ», 2000. - 192 с. 8. Дж. Шилдз. Клеящие материалы. Справочник. Пер. с англ. Ю.А. Гаращенко и др. М.: Машиностроение, 1980. -368 с.

СОДЕРЖАНИЕ Лабораторная работа 1. Макроструктурный анализ металлов и сплавов……………………………… Лабораторная работа 2. Определение твердости металлов………………………………………………….. Лабораторная работа 3. Контроль качества сварного шва металлографическим методом…………. Лабораторная работа 4. Сварка пластмасс газовым теплоносителем…………………………………………. Лабораторная работа 5. Склеивание конструкционных материалов………………………….. Список рекомендуемой литературы……………...

Методические указания по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Технология конструкционных материалов» для студентов 2-го курса специальностей 281100, 280800, 280900, 281200 Составитель: Раднатаров В.Ц. Рецензент: Дармаева М.Ф. Компьютерный набор и верстка: Раднатаров В.Ц.

Подписано в печать ________________2003 г. Формат 60х80 1/16. Усл. п.л. , уч.-изд. л. 2,0. Тираж 50 экз. РИО ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 40, а. Отпечатано в типографии ВСГТУ. г. Улан-Удэ, ул. Ключевская, 42.