Вступи в группу https://vk.com/pravostudentshop

«Решаю задачи по праву на studentshop.ru»

Решение задач по юриспруденции [праву] от 50 р.

Опыт решения задач по юриспруденции 20 лет!

 

 

 

 


«Ответы на вопросы материаловедению»

/ Материаловедение
Конспект, 

Оглавление

1. Поверхностная закалка сталей

 

Поверхностная закалка – это термическая обработка, при которой закаливается только поверхностный слой изделия на заданную глубину, тогда как сердцевина изделия остается незакаленной. В результате поверхностный слой обладает высокой прочностью, а сердцевина изделия остается пластичной и вязкой, что обеспечивает высокую износостойкость и одновременно стойкость к динамическим нагрузкам. 

Таким образом, назначение поверхностной закалки – повышение твердости, износостойкости и предела выносливости поверхности обрабатываемых изделий. При этом сердцевина остается вязкой и изделие воспринимает ударные нагрузки. 

Наибольшее распространение получил метод поверхностной закалки при нагреве токами высокой частоты (ТВЧ).

Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема устройства для закалки с нагревом токами высокой частоты: 1 – закаливаемая деталь; 2 – индуктор; 3 – охладитель 

 

Деталь 1 помещают в индуктор 2, который представляет собой медные трубки с циркулирующей внутри водой для охлаждения. К индуктору подводят переменный электрический ток. Внутри индуктора возникает переменное магнитное поле. Магнитный поток индуцирует в металле изделия вихревые токи, вызывающие нагрев поверхности. Основное количество тепла выделяется в тонком поверхностном слое. Глубина нагрева зависит от свойств металла и частоты тока. Чем больше частота тока, тем тоньше получается закаленный слой.

После нагрева в индукторе деталь охлаждается с помощью специального охлаждающего устройства 3. Через имеющиеся в нем отверстия на поверхность детали разбрызгивается охлаждающая жидкость. Закаленные изделия подвергают отпуску при 160-200°С. 

Преимущества поверхностной закалки ТВЧ:

  регулируемая глубина закаленного слоя;

  высокая производительность;

  возможность автоматизации;

  отсутствие обезуглероживания и окалинообразования;

  минимальное коробление детали.

Недостатком является высокая стоимость индуктора, индивидуального для каждой детали.

Особенностью индуктивного тока является его неодинаковая плотность по сечению изделия. В основном ток концентрируется в поверхностном слое изделия. Толщина (м) закаленного слоя может быть подсчитана по формуле

где ρ – электросопротивление, Ом·м; μ – магнитная проницаемость, Гн/м; f– частота, Гц.

Чем меньше f (частота тока), тем больше глубина нагреваемого слоя. Если применять ток малой частоты (промышленный), то индуцированный ток будет течь по всему сечению детали и вызывать сквозной нагрев. Индукционный нагрев обеспечивает высокие скорости нагрева. Скорость нагрева ТВЧ в зависимости от f, ρ, μ составляет 50–500°С/с, а при обычном печном нагреве она не превышает 1–3°С/с. Нагрев до температуры закалки осуществляется за 2–10 с. Глубина слоя 2–5 мм. Большие скорости нагрева приводят к тому, что превращение перлита в аустенит смещается в область более высоких температур, поэтому температура закалки при индукционном нагреве выше, чем при нагреве в печах, где скорость нагрева не превышает 1,5–3°С/с. Чем больше скорость нагрева в районе фазовых превращений, тем выше температура аустенизации и получения при охлаждении нормальной структуры (мелкокристаллического мартенсита) и максимальной твердости. Так, например, при печном нагреве стали 40 температура закалки 840–860°С, при индукционном нагреве со скоростью 250°С/с – 880–920°С, а со скоростью 500°С – 980–1020°С.

Охлаждающую жидкость (вода, водные растворы полимеров) для закалки обычно подают через спрейер (душевое устройство). Различают следующие способы закалки с индукционным нагревом:

1)  одновременный нагрев и охлаждение всей поверхности; этот метод применяется для изделий, имеющих небольшую упрочняемую поверхность (инструменты, валики, пальцы);

2) непрерывно-последовательный нагрев и охлаждение; этот метод применяют для закалки длинных валов, осей и т.д.;

3)  последовательный нагрев и охлаждение отдельных участков; данный метод используют при закалке шеек коленчатых валов (последовательный нагрев и закалка одной шейки за другой), кулачков распределительных валов и т.д.

После закалки с индукционным нагревом изделия подвергают низкому отпуску при 160–200°С, нередко и самоотпуску. В этом случае при закалке охлаждение проводят не до конца и в детали сохраняется некоторое количество теплоты, нагревающей закаленный слой до температур отпуска.

Для поверхностной индукционной закалки применяют стали, содержащие 0,4–0,5% С (40, 45, 40Х, 45Х, 40ХН и др.), которые после закалки имеют высокие твердость (HRC 50–60), сопротивляемость износу и не склонны к хрупкому разрушению.

Структура на поверхности – мартенсит отпуска, а в сердцевине, если сталь предварительно термически не обработана, сохраняется ферритно-перлитная структура. Для улучшения механических характеристик перед закалкой ТВЧ проводят улучшение на зернистый сорбит или нормализацию.

После закалки с индукционным нагревом действительное зерно аустенита значительно меньше (10–12 баллов), чем при обычной закалке с печным нагревом (7–8 баллов). Мелкое зерно получается вследствие большой скорости нагрева и отсутствия выдержки при нагреве. При этом образуется мелкоигольчатый мартенсит с твердостью на 3–6 ед. HRC выше, чем при печном нагреве.

          При поверхностной закалке значительно повышается предел выносливости стали. Так, для стали 40 после нормализации он составляет 150 МПа, а после закалки с индукционным нагревом – 420 МПа. Повышение предела выносливости объясняется образованием в закаленном слое остаточных напряжений сжатия. Это особенно важно для различных осей и валов, работающих на изгиб и кручение, у которых максимальные напряжения растяжения возникают в поверхностных слоях.

 


2. Теплостойкие стали

 

Жаростойкие стали. Под жаростойкостью (окалиностойкостью) понимают сопротивление металла окислению в газовой среде при высоких температурах. К жаростойким относят стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550°С.

Для повышения окалиностойкости сталь легируют элементами (хромом, алюминием и кремнием), имеющими большее сродство к кислороду, чем железо, и образующими на поверхности стали плотные оксидные пленки типа (Cr,Fe)2O3, (AI,Fe)2O3 и др. В связи с тем, что диффузия (особенно кислорода) через эти пленки затруднена, наличие на поверхности указанных тонких пленок приводит к торможению процесса дальнейшего окисления. Стали, легированные Сr и Si, называют сильхромами; Сr и А1 – хромалями; Сr–А1–Si – сильхромалями. Среди сильхромов широкое применение получили жаростойкие (с температурой окалинообразования 850°С) и одновременно жаропрочные (до 600°С) стали мартенситного класса 40Х9С2 и 40X10C2M. Стали подвергаются закалке в масле с 1000–1050°С с последующим отпуском при 500–540°С (охлаждение на воздухе; сталь 40Х9С2) или при 720–780°С (охлаждение в масле; сталь 40X10C2M). Ускоренное охлаждение после отпуска в масле или на воздухе необходимо для избежания охрупчивания сильхромов в интервале температур 450–600°С.

Сильхромы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания и деталей печного отопления.

Сталь 10X13СЮ (сильхромаль) окалиностойка до 950°С; она устойчива в серосодержащих средах. Однако высокое содержание алюминия и кремния в сталях вызывает их охрупчивание, в связи с чем эти элементы добавляют в небольших количествах.

Ферритная сталь 08X17Т жаростойка до 900°С и применяется в теплообменниках.

Аустенитные стали 12Х18Н9Т и 36Х18Н25С2 обладают высокой технологичностью и достаточной прочностью при повышенных температурах. Они жаростойки соответственно до 800 и 1100°С.

Сталь 36Х18Н25С2 благодаря добавке кремния обладает высокой жаростойкостью в среде с повышенным содержанием серы; она применяется для изготовления сопловых аппаратов и жаровых труб в газотурбинных установках.

Жаропрочные стали используются при работе под нагрузкой (в течение заданного промежутка времени) и обладают достаточной жаростойкостью при температурах выше 350°С. Легирование вносит существенный вклад в повышение жаропрочности сталей: во-первых, возрастает энергия межатомной связи в твердых растворах (а следовательно, затормаживаются диффузионные процессы); во-вторых, за счет легирования и термической обработки (закалка с последующим старением) формируется специальная гетерогенная структура, состоящая из твердого раствора и вкрапленных в него дисперсных карбидных или интерметаллидных фаз, когерентных с основой.

Жаропрочные стали перлитного класса – это низколегированные стали (12Х1МФ, 25Х1МФ, 20Х1М1Ф1БР и др.), содержащие 0,08–0,25% С и легирующие элементы – Сr, V, Mo, Nb.

Ряд легирующих элементов (например, Мо, Сr), растворяясь в феррите, затормаживает диффузионные процессы, повышая тем самым прокаливаемость, температуру рекристаллизации и жаропрочность сталей. Роль ванадия и ниобия заключается в образовании дисперсных карбидов, упрочняющих твердый раствор. Хром повышает жаростойкость. Предельное максимальное содержание углерода 0,25% ограничивается опасностью обеднения феррита молибденом и снижения в связи с этим уровня прочностных и технологических свойств. Лучший комплекс механических свойств обеспечивается закалкой в масле или нормализацией с 880–1080°С с последующим высоким отпуском при 640–750°С.

Стали перлитного класса используются для изготовления деталей, длительно (10000 часов и более) работающих в режиме ползучести при температурах до 500–580°С и малых нагрузках: это трубы пароперегревателей, арматура паровых котлов, детали крепежа. Предел длительной прочности () для стали 12Х1МФ при 580°С равен 120 МПа.

Стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов (15Х11МФ, 11ХПН2В2МФ, 15Х12ВНМФ, 18Х12ВМБФР и др.) используются при температурах до 580–600°С. Введение в высокохромистые (8–13% Сr) стали вольфрама и ванадия совместно с молибденом способствует существенному повышению их жаропрочности. Стали с меньшим содержанием хрома (до 11% Сr) принадлежат к мартенситному классу, а с большим (11–13% Сr) – к мартенситно-ферритному. Стали закаливают на мартенсит с температур 1000–1100°С в масле или на воздухе. В процессе нагрева под закалку происходит растворение в аустените карбидов М23С6, МС и М6С. После отпуска при 600–750°С стали приобретают структуру сорбита (смесь упрочненного легированного феррита и выделившихся мелких карбидов). Предел длительной прочности стали 15Х12ВНМФ составляет при 55О°С = 200 МПа. Стали используют для изготовления деталей газовых турбин и паросиловых установок.

К жаропрочным сталям мартенситного класса можно отнести также сильхромы 40Х9С2 и 40Х10С2М, рассмотренные в разделе жаростойких сталей.

Аустенитные стали обладают большей жаропрочностью, чем мартенситные, – их рабочие температуры достигают 700–750°С. Аустенитные стали пластичны, хорошо свариваются. По способу упрочнения аустенитные стали подразделяются на три группы:

1)  твердые растворы, не упрочняемые старением;

2)  твердые растворы с карбидным (МС, М7С3, М23Сб, М6С) упрочнением;

3) твердые растворы с интерметаллидным (Ni3Ti, Ni3Al, Ni3(Ti,Al), Ni3Nb и др.) упрочнением.

Стали первой группы (08X15H24B4TP, 09Х14Н19В2БР) применяют в закаленном состоянии (закалка 1100–1160°С, вода или воздух). Эти стали используют для изготовления трубопроводов силовых установок высокого давления, работающих при 600–700°С.

Аустенитные жаропрочные стали с карбидным и интерметаллидным упрочнением, как правило, подвергают закалке с 1050–1200°С в воде, масле или на воздухе и последующему старению при 600–850°С. При закалке происходит растворение карбидов и интерметаллидов в твердом растворе (аустените) с их последующим выделением в мелкодисперсном виде при старении. Иногда применяют двойную закалку и ступенчатое старение.

В аустенитных сталях с карбидным упрочнением 45Х14Н14В2М, 40Х15Н7Г7Ф2МС высокая жаропрочность достигается введением в хромоникелевый аустенит 0,3–0,5% углерода и карбидообразующих элементов – Mo, W, V и др. После закалки, в процессе последующего старения образуются дисперсные карбиды типа М23С6и МС, повышающие механические свойства сталей. Сталь 45Х14Н14В2М в отожженном состоянии (после выдержки при 810–830°С с охлаждением на воздухе) используют для изготовления клапанов авиационных двигателей.

Стали с интерметаллидным упрочнением (10Х11Н20ТЗР, 10Х11Н23Т3МР) содержат небольшое количество углерода и дополнительно легированы титаном, алюминием, молибденом и бором. Титан и алюминий образуют основную упрочняющую γ'-фазу (Ni3Ti или Ni3TiAl). Бор упрочняет границы зерен аустенита. Молибден легирует твердый раствор, повышая энергию межатомной связи. Стали используют для изготовления камер сгорания, дисков и лопаток турбин, а также сварных конструкций, работающих при температурах до 700°С.

Жаропрочные сплавы на железоникелевой основе (например, ХН35ВТ, ХН35ВТЮ и др.) дополнительно легированы хромом, титаном, вольфрамом, алюминием, бором. Они упрочняются, как и аустенитные стали, закалкой и старением. Сплав ХН35ВТЮ применяют для изготовления турбинных лопаток и дисков, колец соплового аппарата и других деталей, работающих при температурах до 750°С.

 


3. Испытание на ударную вязкость

 

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца и отнесенной к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Согласно ГОСТ 9454–78, для определения ударной вязкости применяют призматические образцы с надрезами различных типов. Самыми распространенными типами являются образцы с U-образным (рис. 2, а) и V-образным (рис. 2, б) надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 3).

Работа К, МДж, затраченная на ударный излом образца, может быть определена по следующей формуле:

где G – вес маятника; h1 – высота подъема маятника до испытаний; h2высота подъема маятника после испытаний.

Рис. 2. Образцы для испытаний на ударную вязкость:

а – с U-образным надрезом; б – с V-образным надрезом

Рис. 3. Схема испытаний на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; брасположение образца на копре;

1 – корпус; 2 – маятник; 3 – образец

 

Указатель на шкале копра фиксирует величину работы К и проградуирован с учетом потерь (трение в подшипниках, сопротивление стрелки указателя, сопротивления воздуха и др.).

Ударная вязкость обозначается символом КС, МДж/м2, и подсчитывается как отношение работы К к площади поперечного сечения образца в надрезе F. Если образец с U-образным надрезом, то к символу добавляется буква U (KCU), а если с V-образным надрезом, то добавляется буква V (KCV).

Вместе с тем ударная вязкость является сложной механической характеристикой и состоит из двух составляющих: удельной работы зарождения трещины КСз и удельной работы ее распространения КСp , т.е.

Для охрупченных материалов основная часть работы идет на зарождение трещины, а работа распространения трещины незначительна. Для пластичных материалов работа распространения трещины имеет преобладающее значение. Анализ составляющих ударной вязкости позволяет более рационально выбрать материал и определить его назначение.

Существует несколько методов определения составляющих ударной вязкости. Наиболее широкое распространение получили методы Б.А. Дроздовского и А.П. Гуляева. По методу Б.А. Дроздовского испытывают ударные образцы с V-образным надрезом с заранее выращенной усталостной трещиной. Считается, что при разрушении образца вся работа динамического излома расходуется на распространение трещины, т. е. при таком испытании определяется величина КСр.

Рис. 4. Схема определения составляющих ударной вязкости по методу А.П. Гуляева

 

Работа зарождения трещины КС3 в этом случае подсчитывается как разность между полной ударной вязкостью образца без усталостной трещины КС и работой ее распространения КСр.

По методу А.П. Гуляева испытывают несколько ударных образцов, имеющих различный радиус округления в вершине надреза r. После испытаний и подсчета ударной вязкости каждого образца строится график (рис. 4). Экстраполируя прямую на ось ординат, получают удельную работу распространения трещины КСр. В этом случае образец с радиусом надреза, близким к нулю, отождествляется с образцом, имеющим усталостную трещину.

При сравнении оба метода дают достаточно близкие значения составляющих ударной вязкости.

 



0
рублей


© Магазин контрольных, курсовых и дипломных работ, 2008-2019 гг.

e-mail: studentshopadm@ya.ru

об АВТОРЕ работ

 

Вступи в группу https://vk.com/pravostudentshop

«Решаю задачи по праву на studentshop.ru»

Решение задач по юриспруденции [праву] от 50 р.

Опыт решения задач по юриспруденции 20 лет!