В какой форме затвердевание металла обеспечит более высокие прочностные свойства
Обновлено: 09.05.2024
Зона термического влияния является обязательным спутником сварного шва при всех способах сварки плавлением и давлением, кроме холодной сварки. Эта зона охватывает основной металл, не расплавляющийся в процессе сварки и сохраняющий неизменным свой химический состав, но изменивший свою структуру и механические свойства вследствие нагрева и охлаждения (термообработки) в процессе сварки.
Прочность сварного соединения и его эксплуатационные свойства во многом зависят от структурных изменений, которые происходят в ЗТВ. Строение и размеры ЗТВ зависят от химического состава и теплофизических свойств свариваемого металла, мощности источника теплоты, степени его концентрированности, скорости движения и других факторов. Ширина ЗТВ меняется от 1…3 мм при ручной дуговой сварке до 20 мм и более при электрошлаковой сварке.
Термический цикл любой точки металла сварного соединения характеризуется максимальной температурой нагрева, длительностью нагрева до определенной температуры и скоростью охлаждения. Для ЗТВ характерно неравномерное распределение максимальных температур нагрева (рис. 1.4).
Рис. 1.4. Термический цикл при сварке плавлением: 1, 2, 3, 4 – точки, в которых измерялась температура
Результат теплового воздействия на металл в ЗТВ зависит от его отношения к термообработке. В зависимости от способа и погонной энергии сварки возможны два предельных случая:
1) закалка – при быстром охлаждении – с образованием твердых и хрупких структур и возникающих при этом значительных по величине напряжений;
2) перегрев – при медленном охлаждении, – характеризующийся чрезмерным ростом зерна и снижением пластических и вязких свойств металла.
Оценить общий характер возможных превращений, протекающих в ЗТВ при сварке низкоуглеродистых сталей, можно по диаграмме железо–цементит, а при различных скоростях охлаждения – по термокинети- ческим диаграммам распада аустенита, которые построены для большинства марок углеродистых и легированных сталей. Скорость охлаждения обычно оценивается в интервале температур наименьшей устойчивости аустенита (500…550 °С). При малых скоростях охлаждения, соответствующих электрошлаковой и ванной сварке, превращение аустенита приводит к формированию структуры, состоящей из феррита и перлита. При средних скоростях охлаждения (автоматическая сварка под флюсом) в зависимости от марки стали образуются перлит и бейнит или бейнит и мартенсит с небольшим количеством феррита. При скорости охлаждения выше критической образуется только мартенсит. Мартенситное превращение сопровождается увеличением объема стали и возникновением больших напряжений, которые могут вызвать разрушение металла. В подобных случаях приходится принимать специальные меры к улучшению структуры металла ЗТВ и предотвращению образования мартенсита. Эти меры сводятся к изменению теплового режима в процессе сварки, выбору рациональной формы разделки кромок под сварку и последующей термообработке.
На рис. 1.5 показана схема структур, образующихся в зоне термического влияния при сварке стыкового соединения из малоуглеродистой стали за один проход.
Рис. 1.5. Строение ЗТВ при сварке низкоуглеродистой стали
Над сечением шва показана кривая температур, а рядом – часть диаграммы железо–цементит в том же масштабе. В зависимости от температуры нагрева в ЗТВ различают следующие участки:
- перегрева;
- нормализации;
- неполной перекристаллизации;
- рекристаллизации.
Участок перегрева. Он включает металл, нагретый до температур выше 1100 °С, т. е. несколько ниже температуры плавления. Металл на этом участке в процессе нагрева претерпевает аллотропические превращения ( α - железа в γ - железо), сопровождающиеся ростом аустенитного зерна. В тех случаях, когда перегрев сочетается с последующим быстрым охлаждением (закалка), металл на этом участке после сварки облада- ет пониженной пластичностью и прочностью по сравнению с основным металлом. Участок особенно опасен для закаливающихся сталей, поэтому выбор рациональной технологии сварки сводится в первую очередь к обеспечению наименьшего ухудшения свойств на этом участке ЗТВ.
Участок нормализации (перекристаллизации). Этот участок охватывает металл, нагретый до температуры, немного превышающей тем- пературу аллотропических превращений (900…1050 °С). Происходящий здесь процесс перекристаллизации при нагреве и охлаждении приводит к значительному измельчению зерен металла. Структура металла становится более мелкозернистой по сравнению с исходной. Механические свойства металла этого участка обычно лучше, чем основного металла.
Участок неполной перекристаллизации. Он включает металл, нагретый до температур 700…850 °С. При этих температурах происходит частичная перекристаллизация, т. е. часть феррита остается в исходном состоянии, другая – образует аустенит. При последующем охлаждении и распаде аустенита образуется мелкозернистая структура, поэтому здесь, наряду с зернами основного металла, не изменившимися в процессе сварки, присутствуют зерна, образовавшиеся при перекристаллизации.
Участок рекристаллизации (старения). Он наблюдается при сварке сталей, предварительно подвергшихся пластической деформации (ковке, прокатке). Температурный интервал участка 450…650 °С. На этом участке ЗТВ происходят сращивание (укрупнение) раздробленных при нагартовке зерен основного металла и некоторое его разупрочнение по сравнению с исходным состоянием. При сварке изделий из литья рекристаллизации не наблюдается. Для металлов и сплавов, склонных к старению, необ- ходимо учитывать некоторое снижение пластичности на этом участке.
Об изменении прочностных и в определенной степени пластических свойств в различных участках металла шва и ЗТВ можно судить по изменению твердости (рис. 1.6).
Повышение твердости обычно связано с повышением прочности и снижением пластичности. Характер распределения твердости в ЗТВ может быть различным, он определяется химическим составом стали и режимом сварки. Обычно в сварных изделиях не допускается твердость в зоне сварки более НВ = 300 МПа.
Таким образом, зона термического влияния неоднородна по структуре и механическим свойствам. Наиболее ослабленным является участок перегрева, а наилучшие механические свойства имеет участок нормализации. В целом механические свойства ЗТВ хуже, чем у основного металла, поэтому ее размеры необходимо ограничивать.
Чувствительность стали к изменению термического цикла сварки зависит от содержания в ней углерода, а также элементов, повышающих ее прокаливаемость и склонность к перегреву.
В сварных соединениях низкоуглеродистой и большинства низколегированных сталей рост зерна в околошовной зоне не оказывает заметного влияния на свойства металла.
При сварке углеродистых и особенно легированных сталей быстрое охлаждение околошовной зоны вызывает часто закалку металла и образование структур, имеющих значительные твердость и хрупкость. В этих случаях для улучшения структуры и свойств ЗТВ применяют термическую обработку, обычно высокий отпуск.
Рис. 1.6. Изменение механических свойств в металле шва и околошовной зоне: а – твердость; б – прочность; в – пластичность
В последние годы в строительстве возрос объем сварочных работ с применением углеродистых и низколегированных сталей, поставляемых в термоупрочненном состоянии. По сравнению с горячекатаным термоупрочненный металл (закаленный и отпущенный при определенной температуре) имеет более высокие механические свойства и более низкую температуру хладноломкости.
Рис. 1.7. Схема возможных вариантов распределения твердости в сварном соединении: ОМ – основной металл; св. шов – сварной шов, ЗТВ – зона термического влияния
При сварке давлением (например, контактная сварка) сварной шов может иметь как литую структуру, так и пластически деформированную. Например, при контактной точечной сварке прохождение тока вызывает разогрев и расплавление металла в зоне сварки, создающее ядро сварной точки. Точечная сварка низкоуглеродистой стали без расплавления металла хотя и возможна, но недостаточно надежна и поэтому на практике почти не применяется.
Диаметр ядра, определяющий в основном прочность сварной точки, зависит от диаметра рабочей поверхности электрода, толщины листов, давления, силы тока и времени его прохождения. При неправильно подобранном режиме сварки может не произойти достаточного расплавления металла, и получается непроваренная точка. Когда ядро расплавляется, прилегающая к нему по окружности зона металла находится в пластическом состоянии и плотно сжимается давлением электродов. Давление создает уплотняющее кольцо пластического металла, удерживающего жидкий металл ядра. При недостаточном давлении уплотняющее кольцо не может удержать жидкий металл ядра, и происходит внутренний выброс (выплеск) металла в зазор между листами.
Кристаллизация жидкого металла происходит так же, как и при электродуговой сварке, т. е. от поверхности ядра к его середине. Ядро имеет столбчатую дендритную структуру. При охлаждении и затвердевании происходит уменьшение объема расплавленного металла ядра. В результате в центральной части ядра могут образовываться усадочная раковина, пористость и рыхлость металла. Чем толще металл, тем сильнее неблагоприятное влияние усадки. Наиболее надежным способом борьбы с этим явлением может служить повышение рабочего давления.
При сварке давлением также имеется ЗТВ, однако ее общие размеры относительно малы и не оказывают решающего влияния на прочность сварного соединения.
Практическую часть работы рекомендуется выполнять в следующей последовательности:
Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.
Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.
Основные механические свойства
К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.
Пластичность — способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ () , а после закалки — 500 . . . 600 НВ.
Ударная вязкость — способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.
Упругость — способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм2), который равен отношению напряжения а к вызванной им . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.
Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов
Сталь малоуглеродистая (мягкая)
Котельное железо трубы, котлы
Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)
Оси, шатуны, валы, рельсы
Сталь твердая после закалки и отпуска
Инструмент ударный и режущий
Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии
Детали, изготовленные горячей штамповкой
Детали в авиастроении и автостроении
Основные механические свойства металлов
Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:
— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.
— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.
— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.
— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.
— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.
— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.
— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.
— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.
— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.
Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.
Механические свойства металлов
Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).
В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.
Оценка свойств
При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.
- Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий. Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
- Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
- Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.
Физические свойства металлов
Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.
Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.
В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?
Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.
Конструкторская прочность металлов
Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:
- критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
- критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).
Критерии оценки
Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.
Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.
Как определить механические свойства?
Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:
— испытания на растяжение;
— метод вдавливания по Бринеллю;
— определение твердости металла по Роквеллу;
— оценка твердости по Виккерсу;
— определение вязкости с помощью маятникового копра;
Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.
Кол-во блоков: 8 | Общее кол-во символов: 11512
Количество использованных доноров: 3
Информация по каждому донору:
А) нитрид бора, алмаз, кремень, электрокорунд, наждак.
Б) алмаз, электрокорунд, кремень, нитрид бора, наждак.
В) алмаз, нитрид бора, электрокорунд, наждак, кремень.
Г) алмаз, нитрид бора, электрокорунд, кремень, наждак.
12. По крупности абразивные материалы подразделяются на …
А) 4 группы и 28 номеров.
Б) 6 групп и 24 номера.
В) 2 группы и 10 номеров.
Г) 4 группы и 24 номера.
13. Абразивный инструмент принято маркировать
обозначениями, характеризующими:
А) абразивный материал, связку, твёрдость, прочность.
Б) зернистость, твёрдость, прочность, связку.
В) твёрдость, зернистость, прочность, ударную вязкость.
Г) абразивный материал, связку, зернистость, твёрдость.
14. На маркировке шлифовального круга
ПП450х50х127ЗАЗЭ50С1Б цифра 450 обозначает …
А) диаметр отверстия круга.
Б) зернистость круга.
Г) наружный диаметр круга.
15. Процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали
до определённой температуры, выдержке и последующим
медленном охлаждении вместе с печью, называется …
16. Процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали
до температур, превышающих фазовые превращения,
выдержке и последующим быстрым охлаждением называется …
17. Процесс термообработки, применяемый после закалки, и
заключающийся в нагреве стали, выдержке и
последующим охлаждением, называется …
18. Процесс насыщения поверхностного слоя одновременно
азотом и углеродом в расплавленных цианистых солях
называется …
19. Получение стали с высокой твёрдостью, прочностью,
износоустойчивостью достигается …
20. Неметаллический композиционный материал на основе
полимеров (смол) называется …
Сталью называется сплав железа с углеродом, в котором углерода содержится …
А) от 2,14% до 6,67%.
В каких печах сталь не производят?
В) кислородных конверторах.
Сталь, содержащая в своём составе углерод, марганец,
кремний, серу и фосфор называется …
Г) с особыми свойствами.
У углеродистой конструкционной стали обыкновенного
качества, поставляемой по химическому составу, впереди
маркировки ставится буква …
Г) буква не пишется.
У углеродистой конструкционной стали обыкновенного
качества, поставляемой по механическим свойствам, впереди
маркировки ставится буква …
Г) буква не пишется.
6. Углеродистые стали, содержащие до 0,25% углерода
называются …
Г) с повышенным содержанием углерода.
7. В углеродистых инструментальных сталях впереди маркировки
ставится буква …
8. Сталь, в состав которой вводят специальные элементы для
придания ей требуемых свойств, называется …
9. Сталь, в которой легирующих элементов содержится свыше
10%, называется …
10. У быстрорежущих сталей впереди маркировки ставится
У высококачественных сталей в конце маркировки
ставится буква …
Коррозионностойкие (хромистые) стали содержат хрома
К сталям и сплавам с особыми физическими и химическими свойствами относится …
В маркировке легированных сталей буквой Г
обозначают …
15. В маркировке легированных сталей буквой Ф
обозначают …
16. Какой металл не является цветным?
17. Какой из перечисленных цветных металлов является
самым легкоплавким?
18. Какой из перечисленных цветных металлов имеет
наименьшую плотность?
19. Какой из перечисленных цветных металлов имеет
наилучшую электропроводность?
20. Сплав меди с цинком называется …
Процесс термообработки, заключающийся в нагреве
стали до определённой температуры, выдержке и
последующим медленном охлаждении вместе с печью,
называется …
Процесс термообработки, заключающийся в нагреве стали до
температур, превышающих фазовые превращения, выдержке
и последующим быстрым охлаждением называется …
Процесс термообработки, заключающийся в нагреве
стали до температуры 800-1150 0 , выдержке и
последующим охлаждением на воздухе, называется …
Процесс термообработки, применяемый после закалки,
и заключающийся в нагреве стали, выдержке и
последующим охлаждением, называется …
5. Недостатком закалки в одной среде является …
А) неравномерное охлаждение и термическое напряжение.
Б) определение точного времени охлаждения.
В) большая продолжительность процесса.
Г) большие затраты на процесс.
6. Процесс насыщения углеродом поверхностного слоя стали при
нагреве в соответствующей среде называется …
7. Процесс насыщения поверхностного слоя одновременно азотом
и углеродом в расплавленных цианистых солях называется …
8. Процесс насыщения поверхностного слоя одновременно
азотом и углеродом в газовой среде называется …
9. Ковкий чугун получают после отжига …
А) белого чугуна.
Б) серого чугуна.
В) высокопрочного чугуна.
Г) специального чугуна.
Улучшение микроструктуры стали, её механических свойств и подготовка изделий к последующей термообработки достигается …
Устранение внутренних напряжений, уменьшение
хрупкости, понижение твёрдости, увеличение вязкости и
улучшение обрабатываемости достигается …
12. Получение стали с высокой твёрдостью, прочностью,
износоустойчивостью достигается …
13. Уменьшение внутренних напряжений в деталях после
механической обработки, изменение структуры в целях
облегчения условий обработки, выравнивание
химического состава стали в слитках достигается …
14. Свойства металлов и сплавов, характеризующие способность подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях, называются …
15.Свойства металлов и сплавов, характеризующие способность
сопротивляться воздействию внешних сил, называются …
16. Свойства металлов и сплавов, характеризующие способность
сопротивляться окислению, называются …
17. К физическим свойствам металлов и сплавов относится:
Г) ударная вязкость.
18. К механическим свойствам металлов и сплавов относится:
В) температура плавления.
19. К технологическим свойствам металлов и сплавов
Б) ударная вязкость.
20. К химическим свойствам металлов и сплавов относится:
Б) коррозионная стойкость.
Г) температура плавления.
1. Свойства металлов и сплавов, характеризующие
способность подвергаться обработке в холодном и горячем
состояниях, называются …
2. К механическим свойствам металлов и сплавов относится:
В) температура плавления.
3. Масса вещества, заключённая в единице объёма называется …
В) тепловым расширением.
4. Способность металла принимать новую форму и размеры
под действием внешних сил, не разрушаясь, называется …
Б) ударной вязкостью.
5. К физическим свойствам металлов и сплавов относится:
Г) ударная вязкость.
6. Чугуном называется сплав железа с углеродом, где углерода
содержится …
Б) от 2,14% до 6,67%.
7. Чугун выплавляют в….
А) доменных печах.
Б) мартеновских печах.
В) кислородных конверторах.
8. Вредными примесями при производстве стали и чугуна
А) сера и фосфор.
Б) кремний и марганец.
В) углерод и кислород.
Г) все примеси вредные.
9. Сухой перегонкой угля при t=1000 0 С без доступа кислорода
Читайте также: