7.4 Испытания на выносливость (гост 2860)
Данные испытания позволяют определить характеристики усталостной прочности.
Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.
Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.
Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.12.
а |
б |
Рисунок 7.12 – Зарождение и развитие трещины при переменном изгибе образца круглого поперечного сечения (а); характерный вид усталостного разрушения детали (шатун ДВС) (б). |
|
1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение.
2 – постепенное распространение трещины, на изломе наблюдается участок гладкой притертой поверхности.
3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается, а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое.
Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.13.
|
Рисунок 7.13 – Испытания на усталость: схема испытаний (а); характерный вид кривой усталости (б). |
В результате испытаний определяются следующие основные характеристики.
Предел выносливости (-1 – при симметричном изменении нагрузки, R – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.
Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.
Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.
8. Технологические и эксплуатационные свойства, их значение
Необходимость экономии материальных ресурсов предъявляет высокие требования к рациональному выбору заготовок, к уровню их технологичности, в значительной мере определяющей затраты на технологическую подготовку производства, себестоимость, надёжность и долговечность изделий.
8.1 Основные технологические свойства и процессы
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства. Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Литье – получение заготовок путем заливки расплавленного металла заданного химического состава в литейную форму, полость которой имеет конфигурацию заготовки.
По условиям эксплуатации независимо от способа изготовления различают отливки:
– общего назначения – отливки для деталей, не рассчитываемых на прочность;
– ответственного назначения – для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при статических нагрузках;
– особо ответственного назначения – для деталей, рассчитываемых на прочность и работающих при циклических и динамических нагрузках.
В зависимости от способа изготовления, массы, конфигурации поверхностей, габаритного размера, толщины стенок, количества стержней, назначения и особых технических требований отливки делят на 6 групп сложности. В зависимости от способа изготовления их габаритных размеров и типа сплавов ГОСТ 26645-85 устанавливает 22 класса точности.
Основными литейными свойствами являются следующие.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для возмещения усадки литейную форму создают большего размера, чем изготовляемая деталь.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
Для изготовления отливок служит литейная форма, которая представляет собой систему элементов, образующих рабочую полость, при заливке которой расплавленным металлом формируется отливка.
Литейные формы изготовляют как из неметаллических материалов (песчаные формы (рис. 8.1), формы изготовляемые по выплавляемым моделям (рис. 8.2), оболочковые формы (рис. 8.3)) для одноразового использования, так и из металлов (кокили (рис. 8.4), изложницы для центробежного литья (рис. 8.5)) для многократного использования.
Литые изделия широко распространены в судостроении – это как крупные несущие и опорные элементы (рамы, станины, колонны), так средние и малые детали различного назначения и сложности, изготавливаемые из черных и цветных металлов.
2. Способность материала к обработке давлением. Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.
Обработкой давлением называются процессы получения заготовок или деталей машин силовым воздействием инструмента на заготовку из исходного материала. Пластическое деформирование, состоящее в преобразовании заготовки простой формы в деталь более сложной формы того же объема, относится к малоотходной технологии. Обработкой давлением получают не только заданную форму и размеры, но и обеспечивают требуемое качество металла, надежность работы изделия.
Высокая производительность обработки давлением, низкая себестоимость и высокое качество продукции привели к широкому применению этих процессов.
По назначению процессы обработки металлов давлением группируют следующим образом:
|
Рисунок 8.1 – Технология литья в песчаную форму. Основные этапы: изготовление модели; формовка нижнего и верхнего ящиков; изготовление стержня; извлечение модели и помещение стержня в литейную форму; заливка; очистка отливки; обрезка литниковой системы; окончательная обработка. |
|
Рисунок 8.2 – Технология литья по выплавляемым моделям. Основные этапы: формовка модели в пресс-форме, извлечение и доработка модели; набор в блок на общем стояке; погружение блока в огнеупорную смесь с обсыпкой кварцевым песком до образования «корки»; прокаливание готовой формы и заливка расплавленного металла. |
|
Рисунок 8.3 – Технология литья в оболочковую форму. Основные этапы: изготовление верхней и нижней моделей; нанесение связующего, засыпка песком, формовка нижнего и верхнего ящиков; извлечение моделей и снятие оболочек; сборка формы, заливка металла; снятие оболочек, обработка отливки. |
|
Рисунок 8.4 – Технология литья в кокиль. Основные этапы: изготовление верхней и нижней частей формы, сборка; заливка металла; разборка формы, извлечение заготовки, окончательная обработка отливки. |
|
Рисунок 8.5 – Технология центробежного литья. Горизонтальное (а) и вертикальное (б) расположение формы. 1 – ковш с расплавленным металлом; 2 – заливное устройство; 3 – форма; 4 – слой расплава; 5 – вал привода. |
– для получения изделий постоянного поперечного сечения по длине (прутков, проволоки, лент, листов, труб), применяемых в конструкциях или в качестве заготовок для последующего изготовления деталей – прокатка, волочение, прессование;
– для получения деталей или заготовок, имеющих формы и размеры, приближенные к размерам и формам готовых деталей, требующих механической обработки для придания им окончательных размеров и заданного качества поверхности – ковка, штамповка.
По температуре различают холодную и горячую деформацию.
Основными схемами деформирования объемной заготовки являются (рис. 8.6):
– сжатие между плоскостями инструмента – ковка;
– ротационное обжатие вращающимися валками – прокатка;
– затекание металла в полость инструмента – штамповка;
– выдавливание металла из полости инструмента – прессование;
– вытягивание металла из полости инструмента – волочение.
а |
б |
в |
г |
д |
е |
Рисунок 8.6 – Схемы деформирования объемной заготовки. Ковка (а); прокатка (б); объемная (в) и листовая (г) штамповка; прессование (д); волочение (е). |
||
Способность материала к обработке давлением контролируется в результате технологических (производственных) испытаний.
Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, навивание. Трубы испытывают на раздачу (местное увеличение диаметра под воздействием осевой нагрузки), сплющивание по высоте и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.
Обработка давлением широко распространена в судостроении и судоремонте. Этим способом изготовляют различные, в том числе особо ответственные детали (коленчатые валы, шатуны, поршни ДВС, шестерни, фланцы, оси и т.д.).
3. Свариваемость. Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества.
Сварка – технологический процесс получения неразъемных соединений в результате возникновения атомно-молекулярных связей между соединяемыми деталями при их нагреве и пластическом деформировании. Существует множество технологических процессов сварки (более 70).
Сварные соединения можно получать двумя принципиально разными путями: сваркой плавлением и сваркой давлением.
При сварке плавлением атомно-молекулярные связи между деталями создают условия для оплавления их примыкающих кромок, так, чтобы получилась смачивающая их общая ванна. Эта ванна затвердевает при охлаждении и соединяет детали в одно целое. Как правило, в жидкую ванну вводят дополнительный металл (присадку), чтобы полностью заполнить зазор между деталями и восстановить химический состав основного материала.
Сварка плавлением осуществляется в следующих вариантах:
- дуговая сварка (электрической дугой, горящей между электродом и заготовкой). Разновидности дуговой сварки различают по способу защиты дуги и расплавленного металла и степени механизации процесса. Наиболее широко применяется во всех отраслях промышленности;
- плазменная сварка (потоком направленных частиц в столбе сжатой дуги). Используется для соединения легированных сталей и сплавов цветных металлов;
- электрошлаковая сварка (тепловую энергию, необходимую для расплавления основного и присадочного металла, дает теплота, выделяемая в объеме шлаковой ванны при прохождении через нее электрического тока). Употребляется для сварки и наплавки значительных объемов металла;
- лучевая сварка (пучком электронов, движущихся с большой скоростью). Применяется при создании малых изделий в точном машиностроении, в электротехнике и электронике;
- газовая сварка (высокотемпературным пламенем газовой горелки). Наиболее часто выполняется при проведении ремонтных работ во всех отраслях и для изделий точного машиностроения.
При сварке давлением обязательным является совместная пластическая деформация деталей сжатием зоны соединения. Этим обеспечивается очистка свариваемых поверхностей от пленок загрязнений, изменение их рельефа и образование атомно-молекулярных связей. Пластической деформации обычно предшествует нагрев, так как с ростом температуры уменьшается значение деформации, необходимой для сварки, и повышается пластичность металла.
Сварка давлением производится:
- контактным способом (в результате нагрева деталей проходящим через них током и последующей пластической деформации зоны соединения). Применяется преимущественно для листовых заготовок различного профиля и сечения;
- диффузионным способом (приложением сдавливающих сил при повышенной температуре и в вакууме). Используется при создании высоко ответственных изделий и в точном машиностроении;
- сварка трением (при воздействии теплоты, возникающей при трении свариваемых поверхностей). Реализуется преимущественно для тел вращения;
- сварка взрывом (направленной ударной волной и тепловым излучением). Реализуется для деталей различных форм и размеров, позволяет соединять разнородные материалы, которые другими способами сварить не возможно.
Сварка является наиболее важным способом получения неразъемных соединений из различных материалов, свариваются металлы и сплавы, керамика, стекло, пластмассы, разнородные материалы. Сварка применяется во всех областях техники.
Свариваемость материалов оценивается по качеству сварного шва.
В судостроении и судоремонте сварка является одним из основных способов получения прочных и герметичных соединений: свариваются корпуса и надстройки судов (набор и обшивка), трубопроводы судовых систем, элементы энергетических установок, вспомогательного оборудования, якорные цепи и т.д.
4. Способность к обработке резанием. Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом.
Обработка металлов резанием – процесс срезания режущим инструментом с поверхности заготовки слоя металла в виде стружки для получения необходимой геометрической формы, точности размеров, взаимного расположения и шероховатости поверхностей детали.
Основными способами обработки резанием являются (рис. 8.7):
- точение (поверхности тел вращения);
- сверление (получение сквозных и глухих отверстий);
- протягивание (сложные формы поперечного профиля);
- фрезерование (поверхности сложных форм);
- шлифование (обработка поверхностей различных форм абразивным материалом);
- строгание (поверхности сложных форм).
а |
б |
в |
г |
д |
е |
Рисунок 8.7 – Схемы обработки резанием. Точение (а); сверление (б); протягивание (в); фрезерование (г) штамповка; шлифование (д); строгание (е). |
||
Способность к обработке резанием оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
Резанием получают самые разные детали судового машиностроения. Этот способ позволяет получить детали высокой точности без последующей доработки. Применяется как при изготовлении новых изделий (обработка литых и горячедеформированных заготовок, сварных швов), так и при ремонтах существующих.