Часть 4. Остаточные напряжения

Цель работы:исследовать влияние температуры нагрева на величину остаточных напряжений.

Содержание работы

Остаточными называются напряжения, сохраняющиеся в твердом теле после устранения воздействий, вызывавших их появление. Остаточные напряжения (ОН) возникают в изделиях в процессе изготовления и эксплуатации. Важно уметь предвидеть возможность их появления и оценить степень влияния ОН на служебные свойства детали, чтобы при необходимости уметь создать ОН или избавиться от них. В работе изучаются макронапряжения, уравновешенные в пределах областей, соизмеримых с размерами тела. Рассмотрим основные причины возникновения ОН, а также их влияние на механические свойства и размерную стабильность твердых тел.

Рис. 1. Образование ОН в результате неравномерной пластической деформации

Проследим процесс образования ОН на примере выпрямления изогнутой пластины (рис. 1а). Допустим, что при приложении момента М₁ (рис. 1б) в пластине возникает упругая (обратимая) деформация, при этом наибольшее растяжение (+) появляется вблизи нижней поверхности, а наибольшее сжатие (-) вблизи верхней поверхности. При увеличении момента до величины М₂ > М₁ в поверхностных слоях появляется пластическая (необратимая) деформация (рис.1в), в то время как средние слои остаются деформированными упруго. После устранения внешнего момента (рис. 1г) средние слои стремятся разогнуть пластину, чему препятствуют необратимо деформированные поверхностные слои. Под действием средних слоев верхние слои будут упруго растянуты, а нижние сжаты, в результате чего пластина окажется выпрямленной в отсутствии внешних сил. Напряжения, сохранившиеся в пластине, являются ОН.

Рассмотренный пример показывает:

1. ОН могут возникать в результате неравномерной пластической деформации.

2. ОН поддерживаются и уравновешиваются внутри тела за счет упругих деформаций разного знака в различных его участках. Равновесие ОН может быть нарушено, если, например, удалить верхний слой, содержащий напряжения растяжения. При этом происходит перераспределение ОН, приводящее к деформации пластины (рис.1 д). По величине деформации можно судить об ОН, ранее присутствовавших в снятом слое.

3. ОН не могут превышать критические значения напряжений, вызывающих пластическую деформацию, то есть они не могут быть больше, по крайней мере, предела текучести (s_T). Это обстоятельство лежит в основе снятия ОН путем нагрева, приводящего к снижению sти, следовательно, уровня ОН.

Неравномерная пластическая деформация, приводящая к появлению ОН, может возникнуть за счет фазовых превращений, а также неравномерного теплового и силового воздействий, возникающих в процессе резания, шлифования и обработки давлением.

Рис. 2. Образование ОН при прокатке

Например, при прокатке (рис.2) полоса испытывает деформацию растяжения вдоль направления прокатки. Если внешние слои растягиваются пластически, то есть необратимо, а внутренние только упруго, то внутренние слои после прокатки стремятся сжаться, но этому препятствуют необратимо растянутые внешние слои. В результате во внешних слоях в продольном направлении появятся ОН сжатия, а во внутренних - ОН растяжения.

При резком охлаждении тела с высоких температур сжатию более охлажденных поверхностных слоев препятствуют менее охлажденные внутренние слои, за счет чего наружные слои могут оказаться пластически растянутыми. Далее, по мере охлаждения внутренних слоев их сжатию будут препятствовать охлажденные и необратимо растянутые наружные слои. В результате во внешних слоях будут формироваться ОН сжатия, а во внутренних – ОН растяжения. Это может происходить, в частности, при закалке металлических материалов и стекла.

Присутствие ОН, как правило, нежелательно. Суммирование ОН с одинаковыми по знаку напряжениями, возникающими при обработке или эксплуатации деталей, может привести не только к изменению формы, но и к разрушению. При этом особенно опасны растягивающие ОН в изделиях из хрупких материалов, так как в них предел текучести близок к пределу прочности. Опасность возрастает при наличии на поверхности концентраторов напряжений (трещин, надрезов и др.) и коррозионной среды.

ОН могут быть и полезны, если они противоположны по знаку напряжениям, вызванным внешними нагрузками. Так, закалка стекла с помощью резкого охлаждения с высоких температур вызывает появление в поверхностных слоях сжимающих ОН. Эти напряжения частично или полностью компенсируют опасные растягивающие напряжения от внешней нагрузки, что повышает эффективную прочность изделий из стекла.

Однако ОН могут вызвать нежелательные воздействия на оптические свойства стекол. Они являются причиной изменений коэффициента преломления линз, что приводит к уменьшению их разрешающей способности и искажению изображения. При изготовлении зеркал методом высокотемпературного спекания металлического основания и стеклянного отражающего слоя ОН могут образоваться из-за разницы их коэффициентов теплового расширения. Для предотвращения появления ОН подбирают материалы с близкими коэффициентами теплового расширения, кроме того, охлаждение после спекания следует производить как можно медленнее и равномернее.

Самым распространенным способом снятия ОН является нагрев (отжиг), при котором происходит уменьшение предела текучести материала, вследствие чего упругая деформация переходит в пластическую. В технологическом процессе изготовления точных деталей такой нагрев, называемый стабилизирующим отпуском, производится между различными технологическими операциями, при которых могут появиться ОН.

Для измерения ОН применяются различные механические и физические методы. Достоинствами механических методов определения ОН являются простота, универсальность и достаточная точность. Недостаток – необходимость частичного разрушения изделия при определении ОН.

Из физических методов используется, например, дифракция рентгеновских лучей, которая позволяет определить параметры кристаллической решетки в поверхностных слоях деталей, содержащих ОН. Основным преимуществом этого метода является то, что детали в процессе измерений не повреждаются. Недостаток заключается в возможности контроля ОН только в тонких поверхностных слоях.

В работе исследуется влияние температуры нагрева на величину ОН.

Для этого необходимо моделировать в кольцах из выбранного материала ОН определенной величины, после чего нагревать их до различных температур, а затем определять величину ОН, сохранившихся после нагрева.

Для испытаний используются кольца с разрезом (рис.3а), в которых с помощью клиньев создаются ОН (рис.3б). Образовавшиеся при введении клина ОН пропорциональны увеличению периметра кольца:

s_ост= (Dа·b·E)/(p·D²_ср),

где Dа – изменение периметра кольца; b – толщина кольца; s_ост- окружные ОН; Е – модуль Юнга (Е = 10⁵МПа); D_ср - средний диаметр кольца (D_ср = D_внеш – b).

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о природе влияния температуры на поведение материалов, находящихся в напряженном состоянии.

Рис. 3. Моделирование ОН в системе клин – кольцо

Оборудование и материалы

1. Кольца из латуни Л-62 с клиньями.

2. Штангенциркули.

3. Термостаты.

Порядок выполнения работы

1. Измерить с помощью штангенциркуля значения b, D_внеш, а₀– начальное расстояние между отметками на кольце (рис.3а); все данные вносить в таблицу.

2. Рассчитать величину Dа для s_ост= 170 МПа.

3. Ввести клинья в разрез колец с помощью винтов (рис. 3б) до тех пор, пока расстояние между отметками не станет равным

а₁= а₀+ Dа.

4. Произвести нагрев каждого кольца с клином при своей температуре: 100, 200, 330°С в течение 20 минут.

5. Охладить кольца с клиньями на воздухе.

6. Удалить клинья из разрезов колец.

7. Измерить расстояние между отметками a₁’ (рис. 3в).

8. Рассчитать разницу Da’= а₁– a’_1.

9. Определить величину ОН, сохранившихся в кольцах:

s’_ост= (Da’/Da)·s_ост

11. Построить на основании полученных данных график зависимости s’_остот температуры нагрева Т.

Температура нагрева,	Dср (Dвнеш – b), мм	b, мм	а0, мм	sост, МПа	Dа,мм	а1 (а0+Dа) мм	a1’, мм	Dа’ (а1 – а1’), мм	s’ост (Dа’/Dа)·sост, МПа
100°С
200°С
330°С

Содержание отчета

1. Цель работы.

2. Таблица с данными.

3. График зависимости s_остот температуры нагрева Т.

4. Рисунок 3.

5. Краткий анализ полученных результатов.

Контрольные вопросы

1. Какие напряжения называются остаточными?

2. Каковы основные причины возникновения остаточных напряжений?

3. Какое влияние могут оказывать остаточные напряжения на механические свойства, стабильность размеров и формы деталей.

4. Почему остаточные напряжения не превышают предела текучести?

5. С чем связано снижение уровня остаточных напряжений при нагреве?

6. На чем основаны методы измерения остаточных напряжений?

Литература

1. Биргер И.А. Остаточные напряжения. - М.: Машгиз, 1963.

2. Подзей А.В. Технологические остаточные напряжения. - М.: Машиностроение, 1973.

3. Сидорин И.И. Основы материаловедения. - М.: Машиностроение, 1976, гл. VII, §I.

4. Арзамасов Б.Н. Материаловедение-М.: Машиностроение,1986,гл. 5.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

УПРОЧНЯЮЩАЯ ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА

Часть 1. Железоуглеродистые сплавы в равновесном состоянии

Цель работы: изучить изменение микроструктуры железоуглеродистых сплавов (область сталей) в зависимости от их химического состава и температуры.

Содержание работы

Железоуглеродистые сплавы находят самое широкое применение, в первую очередь, как конструкционные и инструментальные материалы. Это объясняется их высокой жесткостью, оптимальным сочетанием прочности и пластичности, получаемым за счет термической обработки, хорошей технологичностью, а также невысокой стоимостью. Грамотное использование железоуглеродистых сплавов возможно при знании закономерностей изменения структуры и свойств, вызванных изменением состава и температуры.

При изучении микроструктуры железоуглеродистых сплавов следует особое внимание обратить на то, что в рассматриваемом диапазоне температур железо (Fe) претерпевает перестройку кристаллической решетки (полиморфное превращение). В связи с этим Fe имеет две кристаллические модификации:

a) при Т больше 911°С до 1392°С - Fe_g- кристаллическая решетка гранецентрированного куба (ГЦК);

b) при T меньше 911°С – Fe_aкристаллическая решетке объемноцентрированного куба (ОЦК).

Углерод образует с железом следующие фазы:

1. Аустенит (А) - твердый раствор внедрения С в Fe_gв котором атомы С размещены в междоузлиях кристаллической решетки ГЦК (растворяет до 2% С (по массе);

2. Феррит (Ф) - твердый раствор внедрения С в Fe_a, в котором атомы С размещены в междоузлиях кристаллической решетки ОЦК, (может растворить до 0,02% С (по массе);

3. Цементит (Ц) - химическое соединение Fe₃С, содержащее 6,67% С (по массе).

А, Ф, Ц - три основные твердые фазы, входящие в состав железоуглеродистых сплавов.

Различная растворимость С в различных модификациях Fе играет решающую роль в превращениях, происходящих в железоуглеродистых сплавах при изменении температуры, а также в процессе термической обработки стали.

Следует отметить, что А и Ф обладают невысокой твердостью (~800 МПа), и высокой пластичностью, Ц имеет высокую твердость (~8000 МПа) и очень хрупок.

Рассматривать превращения, происходящие в железоуглеродистых сплавах удобно с помощью диаграммы состояния Fe – Fe₃С, которая является графическим представлением фазового и структурного состояния железоуглеродистых сплавов в зависимости от температуры и химического состава (рис. 1).

Рис. 1. Упрощенная диаграмма равновесного состояния сплавов Fe - Fe₃C

Здесь ACD - линия начала кристаллизации сплавов (линия ликвидус); AECF - линия окончания кристаллизации сплавов (линия солидус), PSK- линия перлитного или эвтектоидного превращения (соответствует температуре перестройки решетки при охлаждении А, содержащего 0,8 % C); GS - линия превращения А в Ф при охлаждении (зависимость температуры перестройки кристаллической решетки от концентрации С в А); SЕ - линия предельной растворимости С в А (зависимость растворимости С в Fe_gот температуры).

Железоуглеродистые сплавы делятся на две группы в зависимости от содержания углерода (C): а) стали (C<2%); б) чугуны (C >2%).

Используя диаграмму, рассмотрим превращения, происходящие при охлаждении сталей, наиболее характерных по содержанию С, из жидкого состояния до 0°C.

Превращения в стали, содержащей 0,8%С, можно записать следующим образом:

Ж(0,8)®(АСD)®Ж+А®(АЕСF)®А(0,8)®(PSK)®(Ф+Ц)=Перлит (П)

Образующийся в процессе охлаждения перлит (П) представляет собой грубодисперсную механическую смесь кристаллов Ф и Ц, причем Ц имеет характерную пластинчатую форму (рис.1). Температура образования П - 727°C (PSK). Содержание C в П равно 0,8%. П называют эвтектоидом, поэтому сталь такого состава (0,8%C) называется эвтектоидной, а превращение А(0,8) в П эвтектоидным.

Превращения при охлаждении доэвтектоидной стали, содержащей 0,6%C можно записать:

Ж(0,6)®(АСD)®Ж+А®(АЕСF)®А(0,6)®(GS)®А(0,6®0,8)+Ф®(PSK)®П+Ф

Отличительной особенностью превращений при охлаждении сталей доэвтектоидного состава является выделение ниже линии GS кристаллов Ф (рис. 1), при этом состав А приближается к эвтектоидному.

Превращения при охлаждении одной из заэвтектоидных сталей, содержащей 1,2%C можно записать:

Ж(1,2)®(АСD)®Ж+А®(АЕСF)®А(1,2)®(SE)®А(1,2®0,8)+Ц_II®(PSK)®П+Ц_II

Выделение Ц_II в сталях заэвтектоидного состава происходит по границам зерен А в виде объемной сетки, которая создает на границах А и областей П хрупкие прослойки, резко уменьшающие пластичность стали (рис. 1). Здесь проявляется значительное влияние структуры материалов на их свойства при неизменном составе.

Рис. 2. Пластичность (1) и твердость (2) стали

Несмотря на то, что механические свойства стали, во многом, определяются ее составом (рис. 2), существенное влияние оказывает также структура, в частности, форма частиц Ц, их величина и расстояние между ними.

Так, в П частицы Ц представляют собой пластины неправильной формы, острые края которых являются местами, где могут возникать трещины. В результате специальной термической обработки можно добиться более округлой формы частиц Ц, что уменьшает вероятность возникновения трещин. Объемную сетку Ц_IIудается с помощью термической обработки преобразовать в систему мелких округлых частиц Ц, равномерно распределенных в Ф. Существуют способы уменьшения величины частиц Ц, при этом, естественно, увеличивается количество частиц, а расстояние между ними уменьшается. Такое воздействие на параметры системы частиц существенно влияет на прочностные и пластические характеристики механической смеси феррита и цементита (см. “Отпуск стали”, “Дисперсионное упрочнение”). Таким образом, изменяя структуру при неизменном составе, можно оптимизировать свойства стали.

При рассмотрении чугунов следует обратить внимание на то, что чугуны подразделяются на белые, серые литейные, ковкие и высокопрочные. В белых чугунах C входит в состав Ц, а в остальных ,частично или полностью,- в состав графита. Графит в сером литейном и высокопрочном чугуне формируется при достаточно малой скорости охлаждения из жидкого расплава в присутствии графитизирующих добавок, например, кремния. Ковкий чугун получают при длительной выдержке белого чугуна в твердом состоянии в области высоких температур, что сопровождается диссоциацией (распадом) Ц с образованием графита.

Большое количество Ц делает белый чугун чрезвычайно хрупким, в связи с этим плохо поддающимся механической обработке и ненадежным в качестве конструкционного материала. Поэтому его чаще используют в литом состоянии как инструментальный материал, а также для передела в ковкий чугун или сталь.

В технике наиболее широко применяются серый литейный, ковкий и высокопрочный чугуны (рис.3).

Рис. 3. Форма включений графита в чугунах:

а) сером литейном, б) ковком, в) высокопрочном

Они отличаются друг от друга формой включений графита, существенно влияющей на механические свойства. В сером литейном чугуне графит заключен в полости, имеющих изогнутую форму с острыми краями (рис. 3а), которые играют роль трещин, вследствие чего литейный чугун обладает малой прочностью и низкой пластичностью. В ковком, и особенно в высокопрочном чугуне, форма включений графита более округла (рис.3б, в), что способствует уменьшению вероятности появления трещин и тем самым, снижается вероятность хрупкого разрушения. В случае высокопрочного чугуна округлая форма графитных включений обеспечивается их формированием вокруг частиц специально вводимых модификаторов (Mg, Ni, Al).

В работе изучается связь между составом, структурой и свойствами железоуглеродистых сплавов. Микроструктуры рассматриваются с помощью микроскопа ММУ-3. При наблюдении микроструктур железоуглеродистых сплавов Ф выглядит светлым, П - темным (возможна радужная окраска), сетка Ц_II– светлой.

При рассмотрении микроструктур следует:

a) определить примерное содержание C в сталях;

b) выявить образцы серого литейного, ковкого и высокопрочного чугунов;

c) изобразить схематически характерные микроструктуры сталей (доэвтектоидной, эвтектоидной, заэвтектоидной) и серого литейного, ковкого и высокопрочного чугунов.

Полученные результаты должны быть проанализированы на основе физических представлений о влиянии состава и температуры на фазовое и структурное состояние железоуглеродистых сплавов.

МАРКИРОВКА СТАЛЕЙ

Углеродистые качественные стали маркируются двузначными числами 05, 08, 10, 15, 20,..., 85, обозначающими среднее содержание C в сотых долях процента.

Стали 05, 08, 10 - низкоуглеродистые, малой прочности и твердости в нормализованном состоянии (твердость по Бринеллю -HB~1430 МПа) и высокой пластичности (максимальное относительное удлинение - d~31%), хорошо поддаются сварке. Применяются для деталей, получаемых холодной штамповкой и глубокой вытяжкой.

Стали 15, 20, 25 - низкоуглеродистые, невысокой прочности и твердости (HB ~1700 МПа), пластичные (d~25%), хорошо штампуются и свариваются. Применяют как конструкционный материал для изделий небольших размеров и невысокой прочности (крепежные детали, втулки, малонагруженные шестерни). При необходимости поверхностный слой насыщают углеродом (цементация) для придания высокой твердости и износостойкости поверхности после термической обработки.

Стали 30, .....,55 - среднеуглеродистые, имеют более высокую прочность и твердость (HB ~ 2550 МПа), но меньшую пластичность(d~15%) по сравнению с низкоуглеродистыми. Их применяют как конструкционный материал для деталей небольшого сечения. Подвергаются улучшению - закалке и высокому отпуску (см. “Закалка стали” и “Отпуск стали”).

Стали 60, ....., 85 - высокоуглеродистые, обладают еще большей прочностью и твердостью (HB ~3020 МПа), но меньшей пластичностью (d~10%). Применяются как материал для упругих элементов после закалки и среднего отпуска (см. “Закалка стали” и “Отпуск стали”).

Стали с содержанием углерода более 0,7%, используемые в основном как инструментальные, маркируются У7, У8, У9, У10,…,У13. Здесь число соответствует содержанию углерода в десятых долях процента. Они подвергаются неполной закалке и низкому отпуску.

Оборудование и материалы

1. Набор стальных и чугунных образцов.

2. Микроскоп ММУ-3 с телевизионной приставкой.

Порядок выполнения работы

1. Рассмотреть с помощью микроскопа ММУ-3 микроструктуры сталей и чугунов.

2. Составить последовательность образцов сталей в порядке возрастания содержания углерода; идентифицировать образцы серого литейного, ковкого и высокопрочного чугунов.

3. По требованию преподавателя измерить твердость образцов сталей в выбранной последовательности.

4. Зарисовать схематически микроструктуры трех сталей (доэвтектоидной, эвтектоидной и заэвтектоидной), а также серого литейного, ковкого и высокопрочного чугунов.

Содержание отчета

Цель работы.