Механические свойства металлов. Производство стали

Механические свойства металлов. Производство стали

Механические свойства металлов. Испытание на растяжение

Механические свойства материалов характеризуют их способность сопротивляться деформированию и разрушению под воздействием различного рода нагрузок.

Механические нагрузки могут быть статическими, динамическими и циклическими.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла под действием приложенных механических сил.

К механическим свойствам относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость, хрупкость.

Механические свойства:

Сопротивление металла деформации - прочность.

Сопротивление металла разрушению, которое характеризуется пластичностью, вязкостью и способностью металла не разрушаться при наличии трещин.

При механических испытаниях получают числовые значения механических свойств.

Испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно, называют статическими.

Для определения механических характеристик проводят испытания на растяжение.

Рассмотрим диаграмму растяжения Ме.

Рис. 1. Диаграмма растяжения металла: I - область упругой деформации; II - область пластической деформации; III - область развития трещин или разрушения

Кривая характеризует деформацию Ме под действием напряжений.

σ=Р/F

где Р - нагрузка, Н; F - площадь поперечного сечения действия сил, Н.

ОА характеризует деформацию пропорциональную напряжению.

Тангенс угла АОВ характеризует модуль упругости материала.

Е= σ/δ

где σ - величина напряжения; δ - относительное удлинение.

В общем случае модуль упругости определяет жесткость материала. Физический смысл модуля упругости заключается в том, что он характеризует сопротивляемость Ме упругой деформации, т.е. смещение атомов из положения равновесия кристаллической решетки.

Отличительная особенность модуля упругости: он не зависит от структуры металла и определяется только силами межатомного взаимодействия.

Все другие механические свойства зависят от структуры и изменяются в широких пределах.

Напряжение, соответствующее точке А, называют пределом пропорциональности, т.е. условное напряжение, соответствующее точке перехода от линейного участка к криволинейному участку (переход от упругой к пластической деформации).

Напряжение, не превышающее σпц, вызывают только упругие деформации, поэтому σпц отождествляют с условным пределом упругости.

Предел упругости - максимальное условное напряжение, при снятии которого величина остаточной деформации ≤0,05% от первоначальной длины образца.

Условное напряжение, вызывающее остаточную деформацию = 0,2%, называют условным пределом текучести.

Напряжение, при котором образец деформируется без увеличения растягивающей нагрузки, называется физическим пределом текучести σТ.

Напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называют временным сопротивлением или пределом прочности σВ.

Относительное удлинение:

δ=(Lк-Lo)/ Lo·100%

Относительное сужение:

ψ=Fo-Fк/Fo·100%

где Fк - площадь после растяжения.

Твердость

Способы определения:

) Твердость, определяемая как отношение нагрузки при вдавливании стального шарика в материал к площади поверхности, полученной сферическим отпечатком, называется твердостью по Бринеллю.

кг/мм2

 - диаметр шарика, d - диаметр отпечатка.

Данный метод не рекомендуется применять для измерения твердости стали, более чем 450НВ.

) Твердость, определяемая путем проникновения в испытуемый материал алмазного конуса или стального закаленного шарика под действием заданной нагрузки, называется твердостью по Роквеллу.

Величина твердости по Роквеллу не имеет точного перевода в другие величины.

) Твердость, определяемая как отношение нагрузки при вдавливании в испытуемый образец алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136о к площади поверхности, полученного пирамидального отпечатка, называется твердостью по Викерсу.

НV=1,854 F/d

 - диагональ отпечатка.

Данный метод используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

При этом необходимо помнить, что чем тоньше материал, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Викерсу определяют по специальной таблице согласно величине диагонали отпечатка.

Ударная вязкость

В условиях эксплуатации многие детали и конструкции могут хрупко разрушаться под действием ударных нагрузок.

При этом склонность металлов к хрупкому разрушению возрастает при увеличении скорости приложения нагрузки, снижении температуры, увеличении зерна, наличии надрезов, повышении содержания в стали углерода, а также вредных примесей: фосфора, серы, кислорода, водорода, азота.

Наибольшее распространение получили динамические испытания на изгиб образцов с надрезом (испытания на ударную вязкость) на маятниковом копре. Ударная вязкость - КС представляет собой удельную работу, затраченную на деформацию и разрушение образца, и определяется как отношение работы ударного разрушения путем изгиба к площади поперечного сечения образца в месте надреза (образцы из хрупких материалов испытываются без надреза).

В верхнем положении маятник массой Р обладает потенциальной энергией РН, при опускании маятник разрушает образец и , истратив на это часть энергии, поднимается на высоту h, обладая при этом энергией Рh. Работа разрушения А определяется по формуле

Ударную вязкость определяют по формуле

где F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза (обычно 80 мм2).

Существуют также и переменные нагрузки, поэтому механические свойства определяют и при них.

В результате длительного воздействия переменных нагрузок могут осуществляться процессы лавинообразного зарождения трещин и разрушение наступает даже при напряжениях меньше предела текучести.

В связи с этим, постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушений, называется усталостью.

Упругость - это способность материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил.

Вязкость - это способность материала сопротивляться быстро возрастающим нагрузкам или способность поглощать механическую энергию, проявляя пластичность.

Хрупкость - это способность материала разрушаться под действием ударных нагрузок

сварка ковка медный сплав

Производство стали в дуговых электрических печах, кислый металлургический процесс

Производство стали в электропечах имеет ряд преимуществ по сравнению с другими плавильными агрегатами. В электропечах можно быстро нагревать и плавить металл, выплавлять высококачественные стали.

Электропечи используют для выплавки конструкционных сталей ответственного назначения, высоколегированных инструментальных, нержавеющих и др. специальных сталей.

Процесс электродуговой выплавки стали появился в конце ХIХ - начале ХХ века. В этих печах в качестве источника тепла используют электрическую дугу, возникающую между электродами и металлической шихтой.

Емкость дуговых печей колеблется от 0,5 до 400 т. Рабочее напряжение в малых печах 100-200 В, в больших - 400-600 В. Сила тока - до десятков тысяч ампер. Длина дуги регулируется автоматически. Электропечи бывают с основной и кислой футеровкой.

В металлургических цехах обычно используют печи с основной футеровкой, в литейных - с кислой. Однако большая доля электростали выплавляется в основных печах. Применяют два вида технологии плавки в основных печах: на углеродистой шихте и на легированной.

Рис. 2. Схема дуговой электрической плавильной печи. Снаружи печь имеет стальной кожух 4, изнутри футерована огнеупорным кирпичом 1 (основным - магнезитовым, или кислым - динасовым). Подина печи набивается огнеупорной массой 12. Печь имеет стенки 5 и свод 6 (съемный). Для ведения плавки имеется рабочее окно 10, для слива металла - желоб 2. Печь можно наклонять с помощью механизма 11

Плавка на углеродистой шихте чаще применяется для производства конструкционных углеродистых сталей и имеет много общего с мартеновским скрап-процессом.

Шихта состоит из 90 % стального скрапа и 10 % передельного чугуна М1 или М2. Флюс - известь. Шихта должна быть чистой по сере и фосфору.

Плавка состоит из следующих периодов:

. Заправка печи.

. Завалка шихты. В старых печах шихту загружают через рабочие окна завалочными машинами. В новых крупных печах шихта загружается сверху. Для этого свод поднимается и отводится в сторону.

После загрузки электроды опускают, под них подкладывают куски кокса (для облегчения зажигания дуги) и включают ток. При опускании электродов в шихте проплавляются колодцы.

. Образуется шлак, как и в мартеновской печи:

+ O2 = SiО2;

Мn + O2 = 2МnO.

. Окислительный период (в мартеновском процессе это - период кипения).

После расплавления металла и шлака и нагрева ванны до 1500 ° С в печь загружают железную руду и известь. Содержащийся в руде кислород интенсивно окисляет углерод и вызывает кипение ванны: С + О2 = 2СО.

Шлак вспенивается, уровень его повышается. Для выпуска шлака печь наклоняют в сторону рабочего окна, шлак стекает в шлаковую чашу. Кипение ускоряет нагрев ванны, удаление из металла газов, неметаллических включений, способствует удалению фосфора.

Шлак удаляют, руду и известь добавляют 2-3 раза, пока не доведут содержание фосфора в стали до 0,01 %.

. Восстановительный период плавки включает раскисление металла и удаление серы, а также доводку химического состава стали до заданного. Раскисление электростали, в отличие от мартеновской и конверторной стали, производят комбинированным путем: глубинным (осаждающим) и диффузионным.

Для глубинного раскисления в печь загружают ферромарганец, ферросилиций и алюминий.

Затем металл раскисляют диффузионным способом. Сущность его заключается в следующем: раскисляют не металл, а шлак, восстанавливая в нем FеО:

FеО + Si = 2Fе + SiО2;еО + С = Fе+ СO.

В соответствии с законом действующих масс, уменьшение содержания оксида FеО в шлаке вызывает его интенсивный диффузионный переход из металла в шлак, чем и обеспечивается раскисление металла. Этот метод позволяет почти полностью раскислить металл. Процесс протекает в шлаке и на границе шлак - металл. При этом металл не загрязняется неметаллическими включениями. Удаление серы в виде СаS обеспечивается значительно лучше, чем в мартеновской печи. Это объясняется высокой основностью шлака и хорошей раскисленностью шлака и металла. Эти условия необходимы, чтобы протекала реакция рафинирования металла:

еS + Са = FеО + СаS.

По ходу восстановительного периода берут пробы для определения химического состава стали. После этого следует выпуск металла из печи в ковш.

При выплавке легированных сталей по этой технологии в сталь вводят легирующие элементы в виде ферросплавов. Порядок ввода определяется сродством легирующих элементов к кислороду.

Никель, молибден, вольфрам и другие не окисляющиеся в ходе плавки элементы вводят в период плавления или в окислительный период. Хром - легко окисляющийся элемент - вводят в восстановительный период. Кремний, ванадий, титан - наиболее сильно окисляющиеся элементы - вводят перед выпуском в ковш.

Плавку на легированной шихте производят из отходов легированных сталей (например, быстрорежущую сталь выплавляют из отходов быстрорежущей стали; нержавеющую сталь - из отходов нержавеющей стали). По сути, это переплав. После расплавления шихты металл доводят (если требуется) до химического состава (добавляют углерод, ферросплавы). В процессе плавки в жидкую сталь может попасть кислород из воздуха и из загрязненной шихты. Производят его удаление путем раскисления ферромарганцем, ферросилицием, алюминием, ферротитаном и выпускают сталь в ковш, т. е. нет периодов кипения, дефосфорации, рафинирования, восстановления.

Кислый процесс в электродуговых печах имеет те же особенности, что и кислый процесс в мартеновских печах, т. е. для выплавки используют чистую по сере и фосфору шихту. В качестве флюса используют песок SiО2.

Кислая футеровка обладает значительно большей стойкостью и дешевле основной. Кислые печи применяются, главным образом, в литейных цехах.

Особенности получения отливок из медных сплавов, литейные свойства

Центробежное литье - это способ получения отливок в металлических формах. При центробежном литье расплавленный металл, подвергаясь действию центробежных сил, отбрасывается к стенкам формы и затвердевает. Таким образом, получается отливка. Этот способ литья широко используется в промышленности, особенно для получения пустотелых отливок (со свободной поверхностью).

Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах, к примеру:

Высокая износостойкость

Высокая плотность металла

Отсутствие раковин.

Наибольшее применение центробежное литьё находит при изготовлении втулок из медных сплавов, преимущественно оловянных бронз.

Литьём называют также продукцию литейного производства, художественные изделия и изделия народных промыслов, полученные с помощью литья.

Известно множество разновидностей литья:

в песчаные формы (ручная или машинная формовка); в стержневые формы; в многократные (цементные, графитовые, асбестовые формы); в оболочковые формы; по выплавляемым моделям; по замораживаемым ртутным моделям; центробежное литье; в кокиль <#"654940.files/image006.gif">

Рис. 3. Типовые схемы машин для контактной точечной (а), шовной (б) и стыковой (в) сварки: 1 - трансформатор; 2 - переключатель ступеней; 3 - вторичный сварочный контур; 4 - прерыватель первичной цепи; 5 - регулятор; 6 - привод сжатия; 7- привод зажатия деталей; 8 - привод осадки деталей; 9 - привод вращения роликов; 10- аппаратура подготовки; 11 - орган включения

Электрическая часть включает в себя силовой сварочный трансформатор 1 с переключателем ступеней 2 его первичной обмотки, с помощью которого регулируют вторичное напряжение, вторичный сварочный контур 3 для подвода сварочного тока к деталям, прерыватель 4 первичной цепи сварочного трансформатора 1 и регулятор 5 цикла сварки, обеспечивающий заданную последовательность операций цикла и регулировку параметров режима сварки.

Механическая часть состоит из привода сжатия 6 точечных и шовных машин, привода 7 зажатия деталей и привода 8 осадки деталей стыковых машин. Шовные машины снабжены приводом 9 вращения роликов.

Пневмогидравлическая система состоит из аппаратуры 10 подготовки (фильтры, лубрикаторы, которые смазывают движущиеся части), регулирования (редукторы, манометры, дросселирующие клапаны) и подвода воздуха к приводу 6 (электропневматические клапаны, запорные вентили, краны, штуцера).

Система водяного охлаждения включает в себя штуцера разводящей и приемной гребенок, охлаждаемые водой полости в трансформаторе 1 и вторичном контуре 3, разводящие шланги, запорные вентили и гидравлические реле, отключающие машину, если вода отсутствует или ее мало.

Все машины снабжены органом включения. У точечных и шовных машин это ножная педаль с контактами, у стыковых - это комплект кнопок. С органов управления поступают команды на сжатие "С" электродов или зажатие "3" деталей, на включение "Т" и отключение "О" сварочного тока, на вращение "В" роликов, на включение "а" регулятора цикла сварки. Эти команды отрабатываются соответствующими блоками машины, обеспечивая выполнение операций цикла сварки.

Кроме универсальных применяются специальные машины, приспособленные для сварки конкретных конструкций и типов размеров изделий. Примером могут служить машины для контактной точечной сварки кузовов автомобилей, встроенные в автоматические линии, машины для стыковой сварки оплавлением продольных швов труб в прокатном производстве.

Точечная контактная сварка - сварочный процесс, при котором детали соединяются в одной или одновременно в нескольких точках. Прочность соединения определяется размером и структурой сварной точки, которые зависят от формы и размеров контактной поверхности электродов, силы сварочного тока <#"654940.files/image007.gif">

Рис. 4

Ультразвуковая обработка применяется после чистовой токарной обработки. Ультразвуковой инструмент, зажатый в резцедержку универсального токарного станка, под действием статической силы, создаваемой прижимом, и динамической силы, создаваемой ультразвуковой колебательной системой, пластически деформирует и упрочняет поверхностный слой детали, увеличивает микротвердость, снимает остаточные макро- и микронапряжения, сглаживает неровности поверхности и создает, в итоге, улучшенный поверхностный слой с регулярным характером микрорельефа.

Результаты применения данного способа улучшения поверхностного слоя деталей совмещают в себе лучшие показатели отдельных, классических, способов обработки:

микротвердость поверхности, в зависимости от исходной и вида обрабатываемого металла, возрастает на 30 - 300%;

шероховатость снижается с 5 до 9 - 14 класса, данное качество поверхности можно получать не только на термически обработанных и сырых сталях, но и на чугунах, на цветных и нержавеющих металлах и сплавах;

толщина наклепа может быть до 0.1 мм , в отдельных случаях возможно реализовать режим холодной проковки с толщиной наклепа до 15 - 20 мм;

оптимально сочетая статическую и динамическую составляющую силы ультразвуковой обработки, можно превысить предел текучести обрабатываемого металла, и, тем самым, проводить коррекцию геометрии обрабатываемой детали;

предел контактной выносливости повышается на 10 - 20%;

отсутствие шаржированных в поверхность зерен абразива увеличивает до 2 раз срок службы сопряженных деталей ( пар скольжения, уплотнительных сальников, сальниковой набивки и т.д. ), появляется возможность с помощью ультразвуковой обработки изготавливать детали для пищевой промышленности ( дозаторы и т.д. ), для любых машин и механизмов, для которых наличие абразива в технологической зоне недопустимо;

регулярный микрорельеф повышает свойство удержания обработанной поверхностью масел и смазок;

регулярный микрорельеф дополнительно снижает износ при возвратно-поступательном характере движения относительно друг друга сопрягаемых деталей;

повышается коррозионная устойчивость обработанной поверхности.

В результате комплекса перечисленных свойств, детали машин и механизмов, подвергнутые ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработке, имеют большую износостойкость, циклическую прочность, контактную усталостность и т.д., чем после шлифования, обкатывания шаром и многих других окончательных, финишных, способов обработки поверхности деталей.

Ультразвуковую упрочняюще-чистовую обработку следует рассматривать как не размерную, финишную. Величина необходимых припусков определяется экспериментально, в зависимости от конкретных технологических параметров обработки. В общем случае можно сказать, что размеры деталей практически не изменяются.

Индентор через некоторое время работы необходимо заправить, заправка инструмента производится самим пользователем и не представляет большого труда.

Производительность ультразвуковой импульсной упрочняюще-чистовой обработки определяется теми же факторами, что и обработка резаньем в штатном режиме.

Сущность процессов спекания изделий из порошков

Спеканием производят изделия из полимеров, температура плавления которых превышает температуру термодеструкции.

Основным представителем таких пластмасс являются фторопласты, а именно Ф-4 и Ф-4-НТД.

Они поставляются в виде белого рыхлого, жирного при растирании пальцами порошка с насыпной плотностью 400-500 кг/м3. При нагревании фторопласт не плавится, в интервале температур 260-380°С он размягчается, а при 415 °С начинается его интенсивное разложение с образованием более чем вредных токсичных газообразных продуктов, представляющих собой соединения фтора (перфторизобутилен, фтористый водород и др.). Фторопласт - кристаллический полимер. Его кристалличность может достигать 90%, но степень кристалличности зависит от режима нагревания-охлаждения при температуре от 260 до 380 °С.

Спекание заготовок выполняется в специальных печах с многосторонним электрическим нагревом и воздушной циркуляцией, выравнивающей температуру. Нагрев ступенчатый, с выдержкой при температуре 342 °С (аморфизация кристаллической фазы) и 360-380 °С (размягчение всей массы фторопласта и ее «сплавление», сопровождающееся проявлением эффекта прозрачности). Плотность спеченной заготовки должна составлять 2,2 т/м3 , сопровождающая его усадка достигает 4-7%.

Продолжительность спекания определяется из расчета примерно 1 час на 3 мм толщины изделия.

Охлаждение заготовок, то есть образование собственно изделий с требуемым комплексом свойств, - весьма ответственная операция. В зависимости от скорости охлаждения в изделии формируется преимущественно аморфная или кристаллическая структуры, которые определяют такие свойства, как эластичность, газонепроницаемость, твердость, жесткость.

Аморфная структура формируется при быстром охлаждении изделия в интервале температур от температуры спекания до 250 °С. Закалка достигается опусканием изделий в воду. При такой обработке содержание кристаллической фазы в изделии не превышает 50%.

Кристаллическая структура (степень кристалличности до 70%) формируется при медленном охлаждении спеченных изделий непосредственно в остывающей печи. Заготовки толщиной более 100 мм для предотвращения внутренних напряжений следует охлаждать медленно.

Фторопластовые пленки получают двумя основными способами. Первый состоит в том, что цилиндрическую заготовку обрабатывают при помощи широкого токарного резца; полученную плоскую стружку толщиной 15-1000 мкм раскатывают между горячими валками до уменьшения ее толщины до 5-7 мкм. Такая пленка менее пориста, имеет повышенную продольную прочность и улучшенные диэлектрические характеристики (электрическая прочность до 250 кВ/мм). Второй способ является непрерывным. Его сущность состоит в следующем: порошкообразный полимер из вибропитателя подается на двухвалковый горизонтальный каландр и однократно прокатывается до толщины 10-50 мкм, а затем поступает в ванну с солевым расплавом, имеющим температуру примерно 380 °С, где и происходит процесс равномерного и быстрого спекания.

Далее пленка проходит через тянущие валки, поступает на валки раскаточные, затем у нее обрезают кромку и наматывают в катушки и рулоны.