Возникновение напряжений и деформаций

Наиболее простое представление о возникновении тепловых деформаций и напряжений рассмотрим на примере равномерного нагрева и свободного охлаждения металла стержня.

Рассмотрим 3 наиболее характерных варианта закрепления стержня:

1. Стержень закреплен с одной стороны.

Все частицы стержня при нагревании могут без сопротивления со стороны соединяющих частиц смещаться на одинаковую величину, поэтому напряжения и деформации не возникают. При охлаждении напряжения и деформации также не возникают ввиду отсутствия сопротивления свободному укорачиванию стержня. В результате после полного охлаждения стержень восстанавливает свои размеры без напряжения и деформации.

2. Стержень свободно вставлен между двумя неподвижными стенками.

При нагревании стержень удлиняться не может, может только увеличиваться его диаметр. При охлаждении пластическая деформация будет сохраняться, поэтому усадка стержня приведет к уменьшению его длины, и после полного охлаждения он упадет между стенками, деформированный в диаметре.

3. Стержень жестко закреплен между двумя неподвижными стенками.

При нагреве стержня также возникает деформация диаметра, как во втором варианте. Однако в этом варианте при охлаждении стержень не может свободно укорачиваться, поэтому наступает другая деформация, уменьшающая его диаметр. Если же металл стержня обладает малой пластичностью, то нарастание внутреннего напряжения приведет к разрушению стержня.

Если наплавить валик на кромку металла пластины, то сам металл валка и нагретая часть металла под ним будут расширяться и растягивать холодную часть пластины, которая будет сопротивляться растяжению.

Это вызовет в пластине деформацию растяжения с изгибом, и, как следствие, пластина прогнется выпуклостью вверх. В процессе остывания наплавленный валик и нагретая часть полосы, получив пластическую деформацию, будут укорачиваться. Этому укорачиванию вновь будет препятствовать холодная часть полосы, и, как следствие, пластина прогнется выпуклостью вниз.

Продольные и поперечные деформации образуются при выполнении всех видов швов и соединений.

Продольные остаточные деформации зависят от:

• ширины и толщины сварных деталей;

• ширина шва;

• способа сварки.

Поперечные остаточные деформации зависят исключительно от длины шва.

При выполнении стыковых соединений с зазором из-за неравномерного нагрева пластин по их ширине они деформируются с раскрытием зазора. Остывание металла в зоне уже сваренного шва приводит к противоположно направленной деформации - сближению пластин, стремящихся закрыть зазор.

Деформации изгиба проявляются при сварке листов, оболочек и стержней. Они являются следствием:

• несимметричного расположения швов относительно центра тяжести;

• неодновременного выполнения симметричных швов двумя сварщиками;

• неодновременного заполнения швов валиками при многопроходной сварке.

Причем металл малой толщины, как правило, деформируется выпуклостью вверх, а

металл большой толщины - выпуклостью вниз.

Деформации скручивания присущи стержням, узкому и длинному профилю, узким и длинным полосам листового металла. Они возникают в основном из-за:

• несимметричного расположения швов относительно центра изгиба;

• неодновременного наложения швов несколькими сварщиками.

Деформация потери устойчивости (среза) возникает под действием больших по величине сжимающих напряжений. В этом случае приложение к конструкции даже малых по величине сил приводит к ее разрушению.

№ 28 Химико-термическая обработка металла

Предназначается для поверхностного упрочения металла путем насыщения его различными химическими элементами:

1. цементация (насыщение углеродом);

2. азотирование (насыщение азотом);

3. цианирование (С + N2);

4. диффузионная металлизация;

5. силицирование

Цементация - процесс насыщения углеродом поверхности изделия. Как правило, низкоуглеродистые или низколегированные стали. Проводят путем нагрева изделий до температуры плюс (910-950) °С в специальной науглероженной среде. От времени выдержки зависит глубина цементации. Обычно изделие цементируют на глубину не более 2мм, при этом содержание углерода ~ 1-1,2%. В качестве науглероженной среды применяют вещества - карбюризаторы. Время выдержки 8-16 час.

Азотирование - насыщение поверхностного слоя изделия азотом. Основная цель - повышение коррозионной стойкости, твердости и износостойкости. Этой обработке, как правило, подвергают среднеуглеродистые стали. Производят в специальных печах в присутствии аммиака (NH3) при температуре плюс (500-730) °С. Выдержка 24-60 час. (длительность зависит от глубины азотированного слоя). Азотируют детали, для которых требуется высокая коррозионная стойкость, высокое сопротивление изнашиванию при действии знакопеременных нагрузок, сохранение поверхностной твердости при длительной работе при температуре плюс (500-600) °С.

Цианирование - процесс насыщения поверхности изделий углеродом (С) и азотом (N2) одновременно. Обеспечивает более высокую поверхностную твердость и износостойкость, чем при цементации, а также повышает коррозионную стойкость.

Достоинство цианирования - более быстрый процесс ~ 8 час.

Низкотемпературное цианирование - температура плюс (540-560) °С.

Высокотемпературное цианирование - температура плюс (900-950) °С.

Диффузионная металлизация - процесс насыщения поверхности изделия алюминием, хромом, бором и другими металлами (алитирование, хромирование, борирование). Применяют для получения изделий с износостойкими, жаропрочными и коррозионностойкими поверхностями. Металл нагревают до температуры плюс (730- 1200) °С, выдерживают при этих температурах, чтобы слой не был более 1,5-2мм, приблизительно 24-48 час (зависит от толщины слоя).

Силицирование - процесс насыщения поверхностного слоя кремнием. Применяют для получения изделий с крррозионностойкими поверхностями от морской воды, азотной, серной, соляной кислот, для повышения жаропрочности и износостойкости. В качестве

вещества применяют карборунд, ферроси Нагрев до температуры (1000-1100) °С.

Толщина слоя до 1мм, время 12-24 час. (зависит от толщины слоя).

При затвердевании жидкого металла в сплаве могут получится 3 вида соединений: