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

Способы закалки

В зависимости от формы изделия, марки стали и нужного комплекса свойств применяют различные способы охлаждения (рис. 14.1)

14_files/image006.gif

Рис.14.1. Режимы закалки

1. Закалка в одном охладителе (V1).

Нагретую до нужной температуры деталь переносят в охладитель и полностью охлаждают. В качестве охлаждающей среды используют:

воду – для крупных изделий из углеродистых сталей;

масло – для небольших деталей простой формы из углеродистых сталей и изделий из легированных сталей.

Основной недостаток – значительные закалочные напряжения.

2. Закалка в двух сферах или прерывистая (V2).

Нагретое изделие предварительно охлаждают в более резком охладителе (вода) до температуры ~ 3000C и затем переносят в более мягкий охладитель (масло).

Прерывистая закалка обеспечивает максимальное приближение к оптимальному режиму охлаждения.

Применяется в основном для закалки инструментов.

Недостаток: сложность определения момента переноса изделия из одной среды в другую.

3. Ступенчатая закалка (V3).

Нагретое до требуемой температуры изделие помещают в охлаждающую среду, температура которой на 30 – 50oС выше точки МН и выдерживают в течении времени, необходимого для выравнивания температуры по всему сечению. Время изотермической выдержки не превышает периода устойчивости аустенита при заданной температуре.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли или металлы. После изотермической выдержки деталь охлаждают с невысокой скоростью.

Способ используется для мелких и средних изделий.

4. Изотермическая закалка (V4).

Отличается от ступенчатой закалки продолжительностью выдержки при температуре выше МН, в области промежуточного превращения. Изотермическая выдержка обеспечивает полное превращение переохлажденного аустенита в бейнит. При промежуточном превращении легированных сталей кроме бейнита в структуре сохраняется аустенит остаточный. Образовавшаяся структура характеризуется сочетанием высокой прочности, пластичности и вязкости. Вместе с этим снижается деформация из-за закалочных напряжений, уменьшаются и фазовые напряжения.

В качестве охлаждающей среды используют расплавленные соли и щелочи.

Применяются для легированных сталей.

5. Закалка с самоотпуском.

Нагретые изделия помещают в охлаждающую среду и выдерживают до неполного охлаждения. После извлечения изделия, его поверхностные слои повторно нагреваются за счет внутренней теплоты до требуемой температуры, то есть осуществляется самоотпуск. Применяется для изделий, которые должны сочетать высокую твердость на поверхности и высокую вязкость в сердцевине (инструменты ударного действия: молотки, зубила).

Отпуск

 Отпуск является окончательной термической обработкой.

Целью отпуска является повышение вязкости и пластичности, снижение твердости и уменьшение внутренних напряжений закаленных сталей.

С повышением температуры нагрева прочность обычно снижается, а пластичность и вязкость растут. Температуру отпуска выбирают, исходя из требуемой прочности конкретной детали.

Различают три вида отпуска:

1. Низкий отпуск с температурой нагрева Тн = 150…300oС.

В результате его проведения частично снимаются закалочные напряжения. Получают структуру – мартенсит отпуска.

Проводят для инструментальных сталей; после закалки токами высокой частоты; после цементации.

2. Средний отпуск с температурой нагрева Тн = 300…450oС.

Получают структуру – троостит отпуска, сочетающую высокую твердость 40…45HRC c хорошей упругостью и вязкостью.

Используется для изделий типа пружин, рессор.

3. Высокий отпуск с температурой нагрева Тн = 450…650oС..

Получают структуру, сочетающую достаточно высокую твердость и повышенную ударную вязкость (оптимальное сочетание свойств) – сорбит отпуска.

Используется для деталей машин, испытывающих ударные нагрузки.

Комплекс термической обработки, включающий закалку и высокий отпуск, называется улучшением.

 Отпускная хрупкость

Обычно с повышением температуры отпуска ударная вязкость увеличивается, а скорость охлаждения не влияет на свойства. Но для некоторых сталей наблюдается снижение ударной вязкости. Этот дефект называется отпускной хрупкостью (рис. 14.2).

14_files/image007.gif

Рис.14.2. Зависимость ударной вязкости от температуры отпуска

Отпускная хрупкость I рода наблюдается при отпуске в области температур около 300oС. Она не зависит от скорости охлаждения.

Это явление связано с неравномерностью превращения отпущенного мартенсита. Процесс протекает быстрее вблизи границ зерен по сравнению с объемами внутри зерна. У границ наблюдается концентрация напряжений, поэтому границы хрупкие.

Отпускная хрупкость I рода “необратима“, то есть при повторных нагревах тех же деталей не наблюдается.

Отпускная хрупкость II рода наблюдается у легированных сталей при медленном охлаждении после отпуска в области 450…650oС.

При высоком отпуске по границам зерен происходит образование и выделение дисперсных включений карбидов. Приграничная зона обедняется легирующими элементами. При последующем медленном охлаждении происходит диффузия фосфора к границам зерна. Приграничные зоны обогащаются фосфором, снижаются прочность и ударная вязкость.

 Этому дефекту способствуют хром, марганец и фосфор.

Уменьшают склонность к отпускной хрупкости II рода молибден и вольфрам, а также быстрое охлаждение после отпуска.

Отпускная хрупкость II рода “обратима“, то есть при повторных нагревах и медленном охлаждении тех же сталей в опасном интервале температур дефект может повториться.

Стали, склонные к отпускной хрупкости II рода, нельзя использовать для работы с нагревом до 650oС без последующего быстрого охлаждения.

6. Основное оборудование  для термической обработки.

Нагрев стали для термической обработки производится  в термических печах. Различают термические печи электрические, работающие на газообразном и жидком топливе.

 Электрические печи обеспечивают температуру 1350оС ,  они позволяют очень точно регулировать температуру.

По способу передачи  тепла деталям, подвергающимся термообработке, печи подразделяются на камерные,  муфельные, шахтные и печи-ванны.

В камерных печах детали загружаются в  камеру, сюда же поступают и горячие газы.

В муфельных печах изделия загружаются  в муфель (камеру), который нагревается снаружи.

В шахтных печах рабочее  пространство (шахта) вытянуто в вертикальном направлении, изделия загружаются  сверху.

В электрических печах-ваннах рабочее пространство представляет  собой тигель, муфель, ванну с расплавленными солями или маслом, куда погружаются  изделия. Они обеспечивают более равномерный и быстрый нагрев, детали в них меньше  окисляются.

По назначению различают печи для отжига, нормализации, закалки,  отпуска, цементации и т. п. . Каждая из этих печей имеет свои конструктивные особенности,  определяемые характером вида обработки. 

При термической обработке температуры  измеряются термометрами, термоэлектрическими (состоящими из термопары и гальванометра)  и оптическими пирометрами (состоящего из аккумулятора, лампочки, реостата, зрительной  трубы).

Когда нет приборов, температуру можно определить приближенно по  цветам побежалости – появляющейся оксидной плёнке на светлой поверхности металла  при нагревании в пределах температур от 220-3300С и цветам каления – цветам свечения,  которые приобретает раскалённый металл при 530- 13000С.

Цвета побежалости  и

цвета каления и 

соответствующие им температуры.

Таблица 3

Цвета побежалости

температура

Цвета каления

температура

Светло-жёлтый

220

Начало свечения

530-580

жёлтый

230

Тёмно-красный

580-660

коричневый

255

Тёмно-вишнёвый

660-720

Коричнево-красный

265

Светло-вишнёвый

780-830

Фиолетовый

285

Светло-красный

900-1050

Тёмно-синий

295-310

Светло-жёлтый

1150-1250

серый

330

Белый

1250 и выше

 

Термическая  обработка легированных сталей.

Легированные стали подвергаются тем же видам  термической обработки, что и углеродистые, но процессы термообработки легированных  сталей имеют свои особенности.

Легирующие элементы (особенно вольфрам)  понижают теплопроводность стали, поэтому нагрев легированных сталей нужно вести  медленно, иначе могут появиться трещины.

Легирующие элементы изменяют также  температуры, при которых происходят превращения в сталях. Хром, ванадий, вольфрам,  молибден, титан, медь повышают критические точки Ас3 и Ас1. Значит, при отжиге , нормализации, закалке сталей, содержащих эти элементы, нагрев должен вестись  до более высоких температур, чем для углеродистых сталей. Марганец, никель, наоборот,  понижают критические точки. Соответственно, стали, легированные этими элементами,  нагревают до более низких температур.

Все легирующие элементы (особенно те, которые образуют карбиды: хром, ванадий, молибден, титан, вольфрам) препятствуют  росту зерна аустенита. Располагаясь по границам зёрен, карбиды затрудняют рост  зерна. Поэтому все легированные стали можно нагревать до более высоких температур,  не опасаясь перегрева стали, что способствует более полному растворению карбидов  в аустените.

Исключение составляют стали, легированные марганцем. Марганец  не препятствует росту зерна аустенита. Поэтому марганцовистые стали следует нагревать  до температур, возможно более близких к критической точке Ас3.

Так как легированные стали имеют меньшую теплопроводность, то для полного прогрева детали  и более полного растворения карбидов в аустените нужна более продолжительная выдержка  при достигнутой температуре, чем для углеродистых сталей.

Все легирующие  элементы, кроме кобальта, уменьшают критическую скорость закалки, следовательно, легированные стали при закалке можно охлаждать с меньшей скоростью. Обычно в большинстве  легированных сталях мартенсит получается при закалке в масле, а в некоторых высоколегированных  сталях даже на воздухе.

Прокаливаемость у легированных сталей более высокая,  чем у углеродистых. Стали с высоким содержанием легирующих элементов закаливаются  на большую глубину даже при больших сечениях изделий.

Контрольные вопросы.

Сталь  подвергалась закалке и последующему отпуску. Из каких основных превращений складывается  этот технологический процесс? (см. пункты 2, 3, 4).

Какие мероприятия обеспечивают  получение мелкого зерна аустенита при нагреве стали?

Какие соединения называют  карбидами? Какие легирующие компоненты образуют карбиды? Как влияют на рост зерна  карбиды?

Укажите особенности термической обработки марганцовистой стали.

В  чём проявляется перегрев и пережог стали? Какой из этих дефектов можно исправить  и как это сделать?

Как предупредить появление окалины и обезуглероживание  поверхности при нагреве? Как создать защитную атмосферу в печи?

Какие структуры  стали являются неустойчивыми и какие превращения они претерпевают при повторном  нагревании?

Какие дефекты устраняются при отпуске стали?

Что называется  критической скоростью закалки? Как она изменяется в зависимости от содержания  углерода в стали?

Перечислите виды термообработки. Что такое термическая  обработка детали (изделия)?

**Как определить температуру стали. Нагретой  до температуры ниже критической точки Ас1?

**Как определить температуру  стали, нагретой до температуры выше критической точки Ас3?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ПРИРОДНЫЕ КАМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ 

5.1. Общие сведения

Природный камень – один из древнейших конструкционных и отделочных строительных материалов. Долговечность этого материала позволила сохранить до нашего времени величайшие шедевры архитектуры.

 И в наши дни горные породы являются основным источником получения строительных материалов. Так, в результате относительно несложной механической обработки монолитных горных пород получают материалы в виде плит, блоков, бортовых и облицовочных камней, дорожной брусчатки, бутового камня, щебня и др. В огромных количествах используются рыхлые породы: валуны, гравий, песок, глина и др. Также горные породы являются главным сырьем для производства искусственных строительных материалов (строительной керамики, огнеупоров, стекла, цемента, извести и др.), для чего их подвергают сложным видам механической и химической обработки. В настоящее время в нашей стране на нужды промышленности стройматериалов ежегодно расходуется около 2 млрд. т горных пород.

Рациональное использование природных каменных материалов обусловлено учетом их минералогического состава, декоративных характеристик (цвета, текстуры, насыщенности) и основных физико-технических свойств: плотности, пористости, водопоглощения, морозостойкости, теплопроводности, прочности, твердости, истираемости и др.

Физико-технические и декоративные свойства природного камня определяют вид фактурной обработки его поверхности.

Учет строителем совокупности свойств природного камня при возведении зданий и сооружений предопределяет их долговечность и архитектурную выразительность.

Горные породы – это природные образования более или менее однородного состава и строения, образующие в земной коре самостоятельные геологические тела.

Они слагают поверхностные слои земной коры толщиной 15…60 км.

Горные породы представляют собой сочетание одного или нескольких минералов и могут быть мономинеральными (гипс, кальцит и др.) или полиминеральными (гранит, сиенит и др.).

Минералами называются однородные по химическому составу, строению и физическим свойствам природные тела, образовавшиеся в земной коре в результате физико-химических процессов.

В большинстве случаев минералы – твердые тела, иногда жидкие и газообразные. Всего в природе более 2 тыс. минералов, но в образовании горных пород участвуют лишь около 50. Такие минералы называются породообразующими минералами.

Зная содержание минералов в горной породе, можно предопределять важнейшие свойства горной породы.

Природные каменные материалы и изделия получают путем механической обработки горных пород способом дробления, раскалывания, распиловки, тески, шлифования или без таковых (песок, гравий). В природном каменном материале почти полностью сохраняются свойства исходной горной породы.

5.2. Цель работы

Изучение основных характеристик горных пород, породообразующих минералов, и области ихприменения в строительстве.

5.2. Порядок выполнения работы

С помощью учебных плакатов студенты изучают генетическую классификацию горных пород (рис. 18). С помощью коллекций породообразующих минералов и горных пород учатся распознавать их по внешним признакам, определять в полиминеральных породах породообразующие минералы, их пропорциональное соотношение, преобладающий цвет, крупность кристаллов, наличие пор (визуально). С помощью литературных источников, конспекта лекций устанавливаются эксплуатационно-технические и декоративные свойства породообразующих минералов и горных пород, способы их переработки в строительный материал или изделие и вид обработки поверхности камня (фактуры), области использования  в строительной практике. Полученные данные оформляются в виде таблицы

  Для оказания помощи студентам в оформлении результатов работы, в описании свойств породообразующих минералов и горных пород, а также области их применения в строительстве в работе представлены табл.25, 26.

При выполнении работы студенты делятся на бригады по 2 - 4 человека и изучают по заданию преподавателя по 3 - 4 разновидности породообразующих минералов и горных пород из числа изверженных, осадочных и метаморфических.

Приборы, инструменты, материалы: коллекция породообразующих минералов, коллекция магматических горных пород, коллекция осадочных горных пород, коллекция метаморфических горных пород, образцы строительных материалов и изделий из природного камня, таблицы с показателями эксплуатационно-технических и эстетических свойств природных каменных материалов, породообразующих минералов, строительных материалов и изделий из горных пород, генетическая классификация горных пород, лупа, шкала твердости Мооса.

Аттестационные вопросы

Что такое минерал, горная порода?

Как классифицируются горные породы по происхождению?

Каковы основные свойства породообразующих минералов?

Перечислить основные породообразующие минералы изверженных горных пород.

Перечислить основные породообразующие минералы осадочных горных пород.

Назвать главные эксплуатационно-технические свойства природного камня.

Какие виды строительных материалов и изделий изготовляют из горных пород?

Перечислить факторы, вызывающие разрушение строительных материалов из природного камня и способы защиты их от разрушения (коррозии).

Чем объясняется выбор способа и вида фактурной обработки поверхности природных каменных материалов?

Перечислить виды фактурной обработки природного камня.


Содержание и задачи курса сопротивление материалов