Испытание на сжатие образцов Определение деформаций при косом изгибе Лабораторные работы по сопромату Испытание материалов на выносливость Проверка теории изгибающего удара Расчет на прочность и жесткость Метод сечений

Лабораторные работы по сопромату

Отжиг второго рода предназначен для изменения фазового состава.

Температура нагрева и время выдержки обеспечивают нужные структурные превращения. Скорость охлаждения должна быть такой, чтобы успели произойти обратные диффузионные фазовые превращения.

Является подготовительной операцией, которой подвергают отливки, поковки, прокат. Отжиг снижает твердость и прочность, улучшает обрабатываемость резанием средне- и высокоуглеродистых сталей. Измельчая зерно, снижая внутренние напряжения уменьшая структурную неоднородность способствует повышению пластичности и вязкости.

В зависимости от температуры нагрева различают отжиг:

1. полный, с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А3

13_files/image016.gif

Проводится для доэвтектоидных сталей для исправления структуры.

При такой температуре нагрева аустенит получается мелкозернистый, и после охлаждения сталь имеет также мелкозернистую структуру.

2. неполный, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А1

13_files/image017.gif

Применяется для заэвтектоидных сталей. При таком нагреве в структуре сохраняется цементит вторичный, в результате отжига цементит приобретает сферическую форму (сфероидизация). Получению зернистого цементита способствует предшествующая отжигу горячая пластическая деформация, при которой дробится цементитная сетка. Структура с зернистым цементитом лучше обрабатываются и имеют лучшую структуру после закалки. Неполный отжиг является обязательным для инструментальных сталей.

Иногда неполный отжиг применяют для доэвтектоидных сталей, если не требуется исправление структуры (сталь мелкозернистая), а необходимо только понизить твердость для улучшения обрабатываемости резанием.

3. циклический или маятниковый отжиг применяют, если после проведения неполного отжига цементит остается пластинчатым. В этом случае после нагрева выше температуры А1 следует охлаждение до 680 oС, затем снова нагрев до температуры 750…760) oС и охлаждение. В результате получают зернистый цементит.

4. изотермический отжиг – после нагрева до требуемой температуры, изделие быстро охлаждают до температуры на 50…100oС ниже критической температуры А1 и выдерживают до полного превращения аустенита в перлит, затем охлаждают на спокойном воздухе (рис. 13.5). Температура изотермической выдержки близка к температуре минимальной устойчивости аустенита.

В результате получают более однородную структуру, так как превращение происходит при одинаковой степени переохлаждения. Значительно сокращается длительность процесса. Применяют для легированных сталей.

13_files/image018.gif

Рис. 13.5. Режимы изотермического отжига

5. Нормализация. – разновидность отжига.

Термическая обработка, при которой изделие нагревают до аустенитного состояния, на 30…50 oС выше А3 или Аст с последующим охлаждением на воздухе.

13_files/image019.gif

или

13_files/image020.gif

В результате нормализации получают более тонкое строение эвтектоида (тонкий перлит или сорбит), уменьшаются внутренние напряжения, устраняются пороки, полученные в процессе предшествующей обработки. Твердость и прочность несколько выше чем после отжига.

В заэвтектоидных сталях нормализация устраняет грубую сетку вторичного цементита.

Нормализацию чаще применяют как промежуточную операцию, улучшающую структуру. Иногда проводят как окончательную обработку, например, при изготовлении сортового проката.

Для низкоуглеродистых сталей нормализацию применяют вместо отжига.

Для среднеуглеродистых сталей нормализацию или нормализацию с высоким отпуском применяют вместо закалки с высоким отпуском. В этом случае механические свойства несколько ниже, но изделие подвергается меньшей деформации, исключаются трещины.

 Закалка

Конструкционные стали подвергают закалке и отпуску для повышения 1.прочности и

2. твердости,

3. получения высокой пластичности,

4. вязкости и

5. высокой износостойкости,

  а инструментальные – 1.для повышения твердости и 

 2. износостойкости. 

Верхний предел температур нагрева для заэвтектоидных сталей ограничивается, так как приводит к росту зерна, что снижает прочность и сопротивление хрупкому разрушению.

Основными параметрами являются температура нагрева и скорость охлаждения. Продолжительность нагрева зависит от нагревательного устройства, по опытным данным на 1 мм сечения затрачивается: в электрической печи – 1,5…2 мин.; в пламенной печи – 1 мин.; в соляной ванне – 0,5 мин.; в свинцовой ванне – 0,1…0,15 мин.

По температуре нагрева различают виды закалки:

– полная, с температурой нагрева на 30…50oС выше критической температуры А3

14_files/image001.gif.

Применяют ее для доэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

14_files/image002.gif.

Неполная закалка доэвтектоидных сталей недопустима, так как в структуре остается мягкий феррит. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

14_files/image003.gif

– неполная с температурой нагрева на 30…50 oС выше критической температуры А1

14_files/image004.gif

Применяется для заэвтектоидных сталей. Изменения структуры стали при нагреве и охлаждении происходят по схеме:

14_files/image005.gif.

После охлаждения в структуре остается вторичный цементит, который повышает твердость и износостойкость режущего инструмента.

После полной закалки заэвтектоидных сталей получают дефектную структуру грубоигольчатого мартенсита.

Заэвтектоидные стали перед закалкой обязательно подвергают отжигу – сфероидизации, чтобы цементит имел зернистую форму.

Охлаждение при закалке.

Для получения требуемой структуры изделия охлаждают с различной скоростью, которая в большой степени определяется охлаждающей средой, формой изделия и теплопроводностью стали.

Режим охлаждения должен исключить возникновение больших закалочных напряжений. При высоких скоростях охлаждения при закалке возникают внутренние напряжения, которые могут привести к короблению и растрескиванию.

Внутренние напряжения, уравновешиваемые в пределах макроскопических частей тела, называются напряжениями I рода. Они ответственны за искажение формы (коробление) и образование трещин при термообработке. Причинами возникновения напряжений являются:

различие температуры по сечению изделия при охлаждении;

разновременное протекание фазовых превращений в разных участках изделия.

Для предупреждения образования трещин необходимо избегать растягивающих напряжений в поверхностных слоях изделия. На характер распределения напряжений при закалке, помимо режима охлаждения, оказывает влияние и температура нагрева под закалку. Перегрев содействует образованию закалочных трещин, увеличивает деформации.

Режим охлаждения должен также обеспечить необходимую глубину закаленного слоя.

Оптимальный режим охлаждения: максимальная скорость охлаждения в интервале температур А1 – MН, для предотвращения распада переохлажденного аустенита в области перлитного превращения, и минимальная скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения MН – MК, с целью снижения остаточных напряжений и возможности образования трещин. Очень медленное охлаждение может привести к частичному отпуску мартенсита и увеличению количества аустенита остаточного, а следовательно к снижению твердости.

В качестве охлаждающих сред при закалке используют воду при различных температурах, технические масла, растворы солей и щелочей, расплавленные металлы.

Вода имеет существенный недостаток: высокая скорость охлаждения в интервале мартенситного превращения приводит к образованию закалочных дефектов. С повышением температуры воды ухудшается ее закалочная способность.

Наиболее высокой и равномерной охлаждающей способностью отличаются холодные 8…12 %-ные водные растворы NaCl и NaOH. Они мгновенно разрушают паровую рубашку, и охлаждение происходит более равномерно и на стадии пузырькового кипения.

Увеличения охлаждающей способности достигают при использовании струйного или душевого охлаждения, например, при поверхностной закалке.

Для легированных сталей с высокой устойчивостью аустенита используют минеральное масло (нефтяное). Обеспечивающее небольшую скорость охлаждения в интервале температур мартенситного превращения и постоянство закаливающей способности. Недостатками минеральных масел являются повышенная воспламеняемость, низкая охлаждающая способность в интервале температур перлитного превращения, высокая стоимость.

При выборе охлаждающей среды необходимо учитывать закаливаемость и прокаливаемость стали.

Закаливаемость – способность стали приобретать высокую твердость при закалке.

Закаливаемость определяется содержанием углерода. Стали с содержанием углерода менее 0,20 – 0,30% не закаливаются.

Прокаливаемость – способность получать закаленный слой с мартенситной и троосто-мартенситной структурой, обладающей высокой твердостью, на определенную глубину.

За глубину закаленной зоны принимают расстояние от поверхности до середины слоя, где в структуре одинаковые объемы мартенсита и троостита.

Чем меньше критическая скорость закалки, тем выше прокаливаемость. Укрупнение зерен повышает прокаливаемость.

Если скорость охлаждения в сердцевине изделия превышает критическую, то сталь имеет сквозную прокаливаемость.

Нерастворимые частицы и неоднородность аустенита уменьшают прокаливаемость.

Характеристикой прокаливаемости является критический диаметр.

Критический диаметр – максимальное сечение, прокаливающееся в данном охладителе на глубину, равную радиусу изделия.

С введением в сталь легирующих элементов закаливаемость и прокаливаемость увеличиваются (особенно молибден и бор, кобальт – наоборот).

Определение предела прочности при скалывании вдоль волокон

Изготавливают образцы (3 шт) специальной формы (рис. 17а). Площадь скалывания должна быть либо в тангенциальной и радиальной плоскости. Измеряют размеры площади скалывания. Затем образец ставят в специальное приспособление (рис. 17б)и нагружают до разрушения (откола выступающей части). Скорость нарастания нагрузки должна равняться 40 10 Н/мин.

Предел прочности при скалывании при влажности W вычисляют по формуле:

  , МПа (кгс/см2) (45)

где Pmax - разрушающая нагрузка, Н (кгс);

  b , ℓ - размеры площади скалывания, см.

Полученные значения приводят к стандартной влажности (12%) по формуле:

   (46)

где a - поправочный коэффициент на влажность, равный 0,03 для всех пород;

 W - влажность образца в момент испытания, %.

Результаты испытаний оформляют в виде табл. 23. 

Таблица 23. 

 Определения прочности древесины при скалывании

Порода древесины

Номер образца

Плоскость скалывания

Размеры поперечного сечения, м (см)

Максимальная нагрузка, Н (кгс)

Влажность, W, %

Предел прочности при скалывании, МПа

b

h

Полученные результаты сравниваются со справочными данными (см. табл.24). Прочность при скалывании вдоль волокон составляет 1/5 часть прочности при сжатии вдоль волокон. Предел прочности при скалывании поперек волокон примерно в два раза меньше предела прочности при скалывании вдоль волокон, что необходимо учитывать при производстве врубок.

Таблица 24 

Физико-механические свойства древесины

Порода

Плотность в абсолютно сухом состоянии, кг/м3

Плотность при стандартной влажности, кг/м3

Условная плотность, кг/м3

Предел прочности, МПа, при влажности 12 %

Торцовая твердость, МПа

Ударная вязкость, Дж/м3

Сжатие вдоль волокон

Статический изгиб

Скалывание вдоль волокон

радиальное

тангенциальное

Лиственница

600

630

520

65

112

9,9

9,4

44

51933

Сосна обыкновенная

470

500

400

49

86

7,5

7,3

29

41202

Ель

420

445

360

45

80

6,9

6,8

26

39240

Пихта сибирская

350

375

300

39

69

6,4

6,5

28

29430

Граб

760

800

630

60

137

15,6

19,4

91

99081

Дуб

650

690

550

58

108

10,2

12,2

68

76518

Ясень обыкновенный

640

680

550

59

123

13,9

13,4

80

88290

Бук

640

670

530

56

109

11,6

14,5

61

80442

Береза

600

650

520

55

110

9,3

11,2

47

93195

Орех грецкий

-

590

470

55

110

11,0

11,6

-

74556

Осина

470

495

400

43

78

6,3

8,6

27

84360

Липа

470

495

400

46

88

8,6

8,1

26

  Приборы, инструменты, материалы:  штангенциркуль, образцы древесины в форме прямоугольной призмы 20 × 20 × 30 мм, 20 × 20 × 300 мм и для определения прочности при скалывании; испытательный пресс с усилием 5…10 тс; приспособления для проведения испытаний на изгиб и скалывание; плакат с показателями физико-механических свойств древесины различных пород.

Аттестационные вопросы

1.Как определяют предел прочности при сжатии вдоль волокон?

2. Как определяют предел прочности при статическом изгибе?

3. Какова средняя величина предела прочности при сжатии и изгибе

 для большинства пород древесины?

4. Как определяют предел прочности при скалывании?

5. Приведите формулу пересчета величины прочности

 древесины с рабочей влажности на стандартную.

6. Что влияет на показатель величины механической прочности древесины?


Содержание и задачи курса сопротивление материалов