Обеспечение повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин, работающих при статическом нагружении
- Главная
- Физика
- Обеспечение повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин, работающих при статическом нагружении
Содержание
- 2. Тема 5. Обеспечение повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин, работающих при длительном статическом нагружении
- 3. 5.1. Влияние высоких температур на механические свойства при кратковременном и длительном растяжении. Многие детали машин и
- 4. 5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности. Замедленное разрушение конструкционных материалов наступает, как
- 5. 5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности. Длительной прочностью – называется сопротивление материала
- 6. 5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности. Машины для испытания металлов на длительную
- 7. 5.3. Длительная пластичность и ее роль в обеспечении работоспособности изделий. Относительное удлинение δ (%) после разрыва
- 8. 5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести. По мере развития техники все большее число
- 9. 5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести. По основными стадиями ползучести оценивают сопротивление металла
- 10. 5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести. По результатам испытаний строят кривые ползучести в
- 11. 5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести По современным представлениям ползучесть металлов рассматривают как результат ряда
- 12. 5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести 3. При температуре Т > 0,4…0,6 ТПЛ развивается наиболее
- 13. 5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности. Развитие техники связано с ростом эффективности рабочих процессов. В паровых
- 14. 5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности. Перечислим основные условия выбора металла основы для создания жаропрочных сплавов:
- 15. 5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности. Важнейшими характеристиками, определяющими применение жаропрочных материалов, являются материалов, являются кратковременная
- 16. 5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности. Существуют следующие способы создания металлических систем (жаропрочных сплавов), в которых
- 17. Контрольные вопросы по Теме 5 1. Перечислить основные стадии кривой ползучести во временной последовательности: 2. Понижение
- 19. Скачать презентацию
Тема 5. Обеспечение повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин,
Тема 5. Обеспечение повышения качества поверхности и эксплуатационных свойств деталей машин,
1. Влияние высоких температур на механические свойства при кратковременном и длительном растяжении.
2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
3. Длительная пластичность и ее роль в обеспечении работоспособности изделий.
4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести.
6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
5.1. Влияние высоких температур на механические свойства при кратковременном и длительном
5.1. Влияние высоких температур на механические свойства при кратковременном и длительном
Многие детали машин и конструкций подвергаются весьма длительному воздействию постоянных длительных статических нагрузок, а также воздействию коррозионных или поверхностно-активных сред при нормальных или при повышенных температурах (крепежные детали, пружины, детали судов и котлов, нагруженных внутренним давлением, химической и нефтяной аппаратуры, паровых и газовых турбин и т. п.).
При длительных статических нагружениях значительную опасность может представлять преждевременное разрушение. У многих деталей из конструкционных сталей и сплавов на алюминиевой и титановой основе (затянутые болты, пружины, сварные соединения и др.) наблюдается склонность к замедленному разрушению. Многие металлы и жаропрочные стали и сплавы при высоких температурах обнаруживают при длительных статических нагрузках значительное понижение прочности, пластичности и вязкости.
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Замедленное разрушение
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Замедленное разрушение
Склонность к замедленному межзеренному разрушению проявляется обычно у высокопрочных материалов в деталях сложной формы или крупных размеров с нестабильной или неоднородной структурой, в жестких сварных соединениях под воздействием внутренних растягивающих напряжений. На рис. представлена временная зависимость прочности при испытании образцов на кручение из стали 30ХН3А в закаленном без отпуска состоянии. При осевом растяжении в стали такого состояния была обнаружена временная зависимость прочности только на образцах с кольцевым надрезом.
Ст. 30ХН3А
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Длительной прочностью
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Длительной прочностью
Различают длительную прочность при растяжении, кручении и изгибе, а также в сложнонапряженном состоянии, например, растяжение и изгиб, растяжение и кручение.
Длительная прочность характеризуется пределом длительной прочности, который чаще всего определяют при растяжении. Предел длительной прочности характеризует способность материала противостоять разрушению при длительном воздействии температуры и напряжения. Длительная прочность большинства материалов с повышением температуры снижается; она зависит от химического состава, микроструктуры (размера зерна, формы, размера и характера распределения упрочняющих частиц), состояния поверхности образцов (снижение при увеличении шероховатости), окружающей среды.
Испытание на длительную прочность при температурах до 1200°С заключается в том, что образец доводится до разрушения под действием постоянной растягивающей нагрузки при постоянной температуре. Результатом испытания каждого из серии образцов являются три характеристики: время до разрушения (долговечность), относительное удлинение, относительное сужение. В результате испытаний определяют предел длительной прочности на базе испытаний 50…10.000 ч.
Пределом длительной прочности – называется наибольшее напряжение, вызывающее разрушение металла при определенной температуре за установленное время испытания (срок службы).
Для испытаний на длительную прочность (ГОСТ 10145 – 81) устанавливают цилиндрические образцы «пятикратные» и "десятикратные" диаметром (d0) 5;10 мм с начальной расчетной длиной (l0=5;10⋅d0) 50;100 мм, соответственно; плоские образцы с начальной расчетной длиной l0 = 5,65 (F0)1/2, где F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, мм2.
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Машины для
5.2. Испытания материалов на длительную прочность. Определение предела длительной прочности.
Машины для
Этим требованиям отвечают машины АИМА-5-2, 1243ПРЛ-5/1200, 1242П-1/1800.
Для определения предела длительной прочности необходимо провести испытание до разрушения нескольких (5…6) образцов при разных напряжениях. Основным результатом испытания каждого образца является время до разрушения (τР) при заданном напряжении (σ) Связь между τР и σ хорошо аппроксимируется уравнением: τР = В ⋅ σ- m .
В логарифмических координатах эта зависимость прямолинейна и, следовательно, дает возможность экспраполировать результаты на более длительное время (что сокращает время испытаний).
Иногда зависимость lgσ – lgτР характеризуется точкой перелома. Она соответствует переходу от внутрикристаллитного или смешанного разрушения к полному межкристаллитному при низких температурах
Предел длительной прочности обозначается σ с двумя числовыми индексами: верхний – температура испытаний, °С; нижний – заданная продолжительность испытания до разрушения, ч., например σ7501000 – предел длительной прочности (80 МПа) на базе испытания 1000 ч при температуре 750°С.
5.3. Длительная пластичность и ее роль в обеспечении работоспособности изделий.
Относительное
5.3. Длительная пластичность и ее роль в обеспечении работоспособности изделий.
Относительное
δ = 100 ⋅ (l К– l0) / l0 ,
где, l0 – начальная расчетная длина образца, измеренная при комнатной температуре перед испытанием, мм;
l К – расчетная длина образца после испытания на разрыв, мм; для чего, части образца плотно складываются так, чтобы оси их образовывали прямую линию.
Относительное сужение ψ (%) после разрыва подсчитывают по формуле:
ψ = 100 ⋅ (F0– FК) / F0 ,
где, F0 – начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, измеренная при комнатной температуре перед испытанием, мм2;
F К – минимальная площадь поперечного сечения образца после разрушения, мм2;
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По мере
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По мере
Надежность их работы определяется жаропрочностью металличеких материалов, из которых они изготовлены.
Жаропрочностью – называется комплекс свойств металлов, обеспечивающих их работоспособность под напряжением в условиях повышенных температур без заметной пластической деформации и разрушения.
При длительной работе металла при высоких температурах первостепенное значение приобретает явление ползучести металлов.
Ползучестью – называется свойство металлов медленно и непрерывно пластически деформироваться с течением времени при постоянном напряжении (нагрузке) и постоянной температуре.
Например, у сталей ползучесть наблюдается в интервале температур 350…400°С. Она опасна тем, что может привести к недопустимым остаточным изменениям расчетных размеров деталей. Например, между лопатками и корпусом паровой турбины должен быть очень небольшой зазор. Если вследствие ползучести хотя бы одна лопатка увеличится в размере настолько, что закроет этот зазор, то в связи с трением может произойти авария турбины.
Экспериментальная оценка
предела ползучести.
Основным первичным результатом испытания на ползучесть при заданной температуре и постоянном напряжении τ > τКР , является кривая ползучести в координатах относительная деформация – время, которую строят по данным систематического измерения деформации (обычно относительного удлинения δ) образца в процессе испытания.
Основными стадиями ползучести являются:
- стадия нагружения;
- неустановившейся ползучести;
- установившейся (равномерной) ползучести (Vp = δр / τр = const);
- стадия разрушения.
Т1< Т2< Т3
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По основными
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По основными
Величину допустимой остаточной деформации устанавливают в зависимости от условий эксплуатации оборудования и точности сохранения размеров деталей.
Испытания на ползучесть проводят на специальных машинах, в которых длительное время поддерживают постоянными нагрузку и температуру образца. Обычно эти машины с рычажным нагружением усилием до 5000 кг, что позволяет испытывать образцы до 10 мм. Температуру образца измеряют термопарой, и постоянство температуры поддерживают с помощью электронного потенциометра. Через определенные промежутки времени (например, через 2 или 4 часа) измеряют деформацию с помощью индикаторов с ценой деления 0,01…0,001 мм. Длительность испытания образца на ползучесть зависит от срока службы детали или конструкции:
- при кратковременном сроке службы деталей до 10.000 часов, база испытания образцов принимается равной сроку службы τисп.= 10.000 час.;
- при длительном сроке службы деталей более 100.000 часов, база испытания принимается τисп.= 10.000 час.;
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По результатам
5.4. Жаропрочность материалов. Явление ползучести. Экспериментальная оценка предела ползучести.
По результатам
На кривой ползучести определяют участок установившейся ползучести и скорость равномерной ползучести на этом участке: Vp = δр / τр , % / час , где δр – относительная деформация на участке установившейся ползучести, τр – продолжительность этого участка. Чем выше напряжение и температура, тем интенсивнее ползучесть (больше скорость равномерной ползучести) и, следовательно, больше деформация детали за равный промежуток времени. При высоких напряжениях, обычно недопустимых в контрукциях, наблюдается участок ускоренной ползучести, приводящий к разрушению.
Критерием для оценки сопротивления металла ползучести служит так называемый условный предел ползучести.
Условным пределом ползучести – называется напряжение вызывающее заданную скорость ползучести или степень деформации детали за срок ее службы.
Например, σ7501,4 /10000 – напряжение, вызывающее суммарную остаточную деформацию 1,4%, за 10000 часов при температуре 750°С.
(σ1< σ2< σ3
(σ1< σ2< σ3
Для определения предела ползучести при заданной температуре проводят испытания обычно трех образцов при разных напряжениях σ1, σ2 , σ3, строят кривые ползучести и определяют накопившуюся деформацию за срок службы – δ1, δ2, δ3. Построив график зависимости напряжение – деформация в логарифмических координатах (рис.), по допускаемой деформации [δ] определяют величину условного предела ползучести σ[δ] путем линейной экстраполяции.
5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести
По современным представлениям ползучесть металлов
5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести
По современным представлениям ползучесть металлов
упрочняющих – наклепа, увеличения дислокационной плотности, дисперсионного твердения, измельчения зерен, старения в результате распада неравновесных твердых растворов;
разупрочняющих – отдыха, перераспределения дислокаций, рекристаллизации, коагуляции и сфероидизации частиц второй фазы, обеднении твердого раствора жаростойкими легирующими элементами.
Релаксацией напряжения – называется самопроизвольное уменьшение напряжений в материале при постоянном значении деформации.
Сочетание этих процессов в зависимости от температуры и уровня приложенного напряжения, ползучесть протекает по разным законам. Наиболее известны четыре вида ползучести. По оси абсцисс отложена температура (Т/ТПЛ), а по оси ординат – отношение приложенного напряжения к модулю сдвига (τ / G).
1. При напряжениях ниже критического напряжения сдвига τ < τКР протекает неупругая обратимая ползучесть. При разгрузке материала, имеет место упругое последействие, запаздывание во времени перестройки кристаллической решетки. Она обычно не опасна для конструкций, поэтому специальных испытаний на ползучесть в этих условиях не проводят.
2. При напряжениях выше критического напряжения сдвига τ > τКР протекает низкотемпературная логарифмическая ползучесть, по закону: δ = а ln (1+ατ)+b. В этих температурно-временных условиях интенсивно развивается поперечное скольжение дислокаций и не успевает проходить достаточно полный термический возврат.
5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести
3. При температуре Т >
5.5. Основные закономерности структурообразования в условиях ползучести
3. При температуре Т >
В этих температурно-временных условиях интенсивно развивается переползание дислокаций. Эта ползучесть может развиваться при напряжениях значительно меньших макроскопического предела текучести поликристаллического материала.
4. При температуре Т > 0,5…0,8 ТПЛ и низких напряжениях реализуется диффузионная ползучесть.
Показано, что окончание стадии неустановившейся ползучести сопровождается формированием в испытуемом материале дислокационной субзеренной структуры. Снижение напряжения и повышение температуры приводит к увеличению размера субзерен.
На стадии установившейся ползучести устанавливается размер субзерен, отвечающий заданному уровню напряжения. По мере накопления деформации, происходит увеличение разориентировки между субзернами.
При Т < 0,3 ТПЛ – низкотемпературная ползучесть. Границы зерен препятствуют внутризеренному скольжению и приводят к упрочнению.
При Т > 0,5 ТПЛ – высокотемпературная ползучесть. Происходит проскальзывание по границам зерен.
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Развитие техники связано с ростом эффективности
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Развитие техники связано с ростом эффективности
Представим сравнительные данные различных сплавов по их жаропрочности. Видно, что наиболее высокие прочностные свойства при температурах испытания 800…1000°C сохраняют сплавы на основе никеля и молибдена. Наименее жаропрочными, но и самыми легкими являются сплавы на основе магния и алюминия.
Сравнительная оценка различных материалов по длительной прочности при различных температурах. 1 – Магниевые сплавы;
2 – Алюминиевые сплавы; 3 – Титановые сплавы; 4 – Жаропрочные нержавеющие стали;
5 – Жаропрочные аустенитные стали;
6 – Никелевые сплавы; 7– Молибденовые сплавы
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Перечислим основные условия выбора металла основы
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Перечислим основные условия выбора металла основы
На графике приведены данные по распространению в земной коре, температуре плавления и удельному весу важнейших металлов и металлоидов, имеющих значение в создании жаропрочных сплавов. В качестве металлов основы для сплавов, работающих при разных температурах, могут быть использованы:
Важнейшими элементами по их назначению в области применения в жаропрочных материалах являются: в качестве металла основы – Mg, Al, Ti, Fe, Co, Ni, Zr, V, Cr, Mo, Nb;
в качестве металлоидов для тугоплавких соединений – B, C, N, O, Si
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Важнейшими характеристиками, определяющими применение жаропрочных материалов,
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Важнейшими характеристиками, определяющими применение жаропрочных материалов,
Чистые железо и никель в интервале рабочих температур 800…900°С имеют предел кратковременной прочности не более σВ <20…30 МПа. Предел длительной прочности будет еще ниже и составит примерно
σ8001000 = (1/3…1/4)σВ < 10 МПа.
Приведенные данные показывают, что чистые металлы не могут служить в качестве жаропрочных материалов.
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Существуют следующие способы создания металлических систем
5.6. Жаропрочные материалы. Способы повышения жаропрочности.
Существуют следующие способы создания металлических систем
1. Формирование многокомпонентных ограниченных твердых растворов за счет одновременного легирования атомами, повышающими энергию межатомных связей. С увеличением числа компонентов, повышается температура упрочненного состояния.
2. Замедление диффузии за счет легирования и уменьшения дефектов кристаллического строения (например, уменьшение предварительного наклепа), . Известно, что диффузия в металле замедляется при формировании атомами более плотной упаковки (например, со структурой ГЦК (Ni), ГПУ (Ti) – типа). Следовательно, металл в литом состоянии или подвергнутый полигонизации после деформации, является более жаропрочным.
3. Формирование, при распаде пересыщенных твердых растворов, избыточных дисперсных металлических фаз, их выделение и сохранение до высоких температур в течение длительного времени. Например, в сплаве ЭИ437 (нихром) состава Ni + 20%Cr + 3% Ti.
4. Высокотемпературное упрочнение границ зерен за счет добавок поверхностно-активных элементов (п.а.э.), например бора в количестве 0,010…0,025%, повышающих энергию связи между атомами Fe и Ni. В этом случае наилучший эффект достигается на крупнозернистых материалах с меньшей протяженностью границ зерен. Однако, при этом, пластические свойства снижаются.
5. Создание композиционных материалов с волокнами сапфира (α – Al2O3 ), графита, карбидов (В4С, SiC). В качестве пластической связки используются Cu, Al, Ni.
Перечислим широко известные жаропрочные материалы:
Контрольные вопросы по Теме 5
1. Перечислить основные стадии кривой ползучести во
Контрольные вопросы по Теме 5
1. Перечислить основные стадии кривой ползучести во
2. Понижение (повышение) температуры нагрева деталей машин во время их эксплуатации приводит к изменению (не изменению) предела ползучести?
3. Повышение (понижение) напряжения в материале деталей машин во время эксплуатации приводит к изменению (не изменению) предела длительной прочности?
4. Дать определение параметров, используемых при оценке предела ползучести: [δ], [τ], [Vp]
5. Дать определение предела ползучести.
6. Основные известные механизмы ползучести?
7. Нарисовать кривую ползучести. По кривой определить предел ползучести.
8. Дать определение предела длительной прочности.
9. Нарисовать кривую длительной прочности. По кривой определить предел длительной прочности.
10. Условное обозначение предела ползучести (предела длительной прочности)?