ррп. Методичка по ТКМ (1). Отчет по работе. В лабораторных предусмотрены эксперименты, которые проводятся по типовой мето дике или по системе учебной исследовательской работы студентов (уирс) с элементами творческого поиска
 Скачать 4.17 Mb.
|
|
Рис. 48. Схема микроструктуры участка неполной перекристаллизации (Т = Ас 3 Ас 1 ): а – стали Ст3 и 40Х с подогревом (мелкозернистая феррито-перлитная структура и крупные зерна феррита), б – сталь 40Х без подогрева (сорбит и крупные зерна феррита) 59 Новая мелкозернистая структура располагается в виде скоплений вновь образо- вавшегося феррита и перлита по границам старых зерен феррита. 6. Участок рекристаллизации наблюдается при сварке стали, подверг- шейся пластической деформации. Пластическая деформация приводит к раз- дроблению зерен и превращению равноосной структуры в неравноосно- вытянутую структуру. Температурный интервал рекристаллизации 450...700 °С. На этом участке обломки зерен, феррита, деформированные при прокатке, ковке и других видах пластической деформации срастаются. Структура участка будет состоять из равноосных зерен феррита и перлита, полученных в результа- те рекристаллизации. 7. Участок синеломкости (старения) охватывает температурный интервал 200...400 °С. Структура этого участка не отличается от основного металла (рис. 49). Явление синеломкости, т.е. повышенной прочности и пониженной пластичности, происходит при температуре, соответствующей появлению си- них цветов побежалости. Предполагается, что синеломкость есть результат вы- падения из твердого раствора субмикроскопических (чрезвычайно мелких) ча- стичек различных примесей, располагающихся по границам зерен и тем самым понижающих пластичность. Понижение пластичности металла в этом участке установлено, поэтому с наличием этого явления следует считаться. Размеры отдельных участков зоны термического влияния и размер зоны в целом зависят от метода сварки, режима (погонной энергии), размеров изделия и теплофизических свойств стали (табл. 7). При большой зоне термического влияния имеет место увеличение пластических деформаций в соединении, что, в свою очередь, вызывает увеличение остаточных деформаций в изделии. Таблица 7 Вид сварки Средние размеры участков, мм Общая длина зоны влияния перегрева нормализации неполной пере- кристаллизации Тонкопокрытым электродом Толстопокрытым электродом Под слоем флюса Газовая 1.2 2,2 0,8...1,2 21,0 0,6 1,6 0,8...1,7 4,0 0,7 2,2 0,7 2,0 2,5 6,0 2,5 27,0 Кроме этого, механические качества металла участков зоны, кроме участка нормализации, ниже, чем у основного металла, поэтому обычно целесообразно ограничивать размеры зоны термического влияния. Рис. 49. Схема микроструктуры участка основного металла (Т = Ас 1 200 С): а – стали Ст3 и 40Х с подогревом (феррито-перлитная структура), б – сталь 40Х без подогрева (феррито-перлитная структура) 60 При многослойной сварке описанные структурные участки имеют послед- ний по порядку наложения шов и основной металл в его зоне термического влияния. Нижележащие швы и их зоны влияния утрачивают первоначальную структуру в результате однократной или многократной термической обработки. При сварке сталей с повышенным содержанием углерода во 2-5 участках зоны влияния появляются в различных соотношениях закалочные структуры: мартенсит, троостит и сорбит. Они имеют низкую пластичность и могут являть- ся причиной образования трещин. Появление закалочных структур в зоне тер- мического влияния можно предупредить путем нагрева деталей перед свар- кой. Температура предварительного нагрева зависит от химического состава стали и находится в пределах от 150 до 450 °С. При подогреве снижается скорость охлаждения сварного шва и стано- вится возможным распад аустенита на феррито-цементитную смесь. Следует особо отметить влияние околошовной зоны на прочность сварных соедине- ний, изготовленных из термически упрочненных сталей. При их сварке может произойти разупрочнение на участке 5 вследствие неполной закалки, на участке 6 из-за высокого отпуска. По этой причине изготовление изделий из термически упрочненных ста- лей с помощью сварки иногда становится затруднительным с технологической точки зрения. Определение твердости металла шва, околошовной зоны и основного металла О механических свойствах сварного соединения можно косвенно судить по значениям твердости. Качество сварного соединения тем выше, чем меньше градиент изменения твердости от основного металла к наплавленному. Характер изменения твердости при переходе от основного металла к наплавленному зависит, главным образом, от способа и режима сварки. Определение твердости производится на приборе Виккерса (табл. 8, рис. 50). Таблица 8 № п/п Сталь Ст3 без подогрева Сталь 40Х без подогрева Сталь 40Х с подогревом Диагональ отпечатка Твердость НV Диагональ отпечатка Твердость НV Диагональ отпечатка Твердость НV 1 0,457 178 0,453 181 0,453 181 2 0,471 167 0,437 194 0,432 199 3 0,427 203 0,283 463 0,420 210 4 0,454 180 0,301 409 0,423 207 5 0,497 150 0,323 356 0,432 199 6 0,497 150 0,360 280 0,438 193 7 0,502 147 0,360 280 0,440 191 8 0,495 151 0,370 271 0,440 191 9 0,586 108 0,436 195 0,448 185 10 0,586 108 0,488 156 0,460 175 11 – – 0,488 156 0,470 188 12 – – – – 0,480 161 13 – – – – 0,488 156 14 – – – – 0,488 156 61 Изучение дефектов сварных швов При несоблюдении технологического процесса сварки возможно образова- ние тех или иных дефектов в сварных швах, ухудшающих механические, физи- ко-механические и другие свойства металла в зоне сварки. Основными дефектами сварных швов являются наплывы, подрезы, крате- ры, непровары, пористость, шлаковые включения и трещины. Эти дефекты чаще всего встречаются при сварке плавлением. Характери- стики приведены в табл. 9. Таблица 9 Характеристика дефектов сварных швов и методы их устранения Вид дефекта, его характеристика Причины появления и способы его обнаружения Оценка дефекта, методы его предупреждения и устранения Наплыв – натек излишне расплавленного металла на основной. Большой сварочный ток и ма- лая скорость сварки. Смеще- ние электрода с оси разделки кромок. Сварка длинной ду- гой. Обнаруживается внешним осмотром. Часто сопровождается непро- варом основного металла. Необходимо правильно выби- рать режим сварки, простран- ственное положение шва, не допускать сварку длинной ду- гой, точно вести электрод по оси разделки кромок. Устраняется путем снятия ча- сти усиления сварного шва в месте наплыва. Рис. 50. Распределение твердости по зоне термического влияния 62 Вид дефекта, его характеристика Причины появления и способы его обнаружения Оценка дефекта, методы его предупреждения и устранения Непровар или несплавле- ние, местное несплавле- ние основного и наплав- ленного металла или от- дельных валиков между собой при сварке много- слойного шва. Недостаточная величина сва- рочного тока, большая ско- рость сварки, большая длина дуги, малый угол раскрытия кромок, смещение и перекос свариваемых элементов, ма- лая величина зазора, большой диаметр электрода, магнитное дутье при сварке, плохая за- чистка кромок изделия, пло- хое удаление шлака при свар- ке многослойного шва, непра- вильная техника сварки. Обнаруживается просвечива- нием рентгеновским и гамма- лучами, магнитным, ультра- звуковым, металлографиче- ским и другими методами контроля. Сильно снижает прочность сварного соединения, что яв- ляется недопустимым дефек- том. Способы предупреждения не- провара вытекают из анализа причин, вызвавших его появ- ление. Устранение путем вырубки дефектного места с последу- ющей его заваркой. Подрез – утонение основ- ного металла в месте пе- рехода к наплавленному металлу. Чрезмерно большая сила тока, не соответствующая скорости сварки, неравномерное пере- мещение электрода, сварки длинной дугой. Обнаруживается внешним осмотром. Дефект недопустим, создает концентрацию напряжения. Необходимо правильно выби- рать режим и технику сварки швов. Устраняется путем зачистки дефектного места и повтор- ной подварки. Прожог – сквозное про- плавление основного ме- талла с образованием под- теков и свищей. Большая величина сварочного тока при малой скорости сварки, большой зазор; малая величина притупления кро- мок. Дефект недопустим. Необходимо правильно выби- рать режим сварки, правильно производить разделку кромок и выдерживать зазоры при сборке. Устраняется путем вырубки дефектного места и повтор- ной подварки его. 63 Вид дефекта, его характеристика Причины появления и способы его обнаружения Оценка дефекта, методы его предупреждения и устранения Поры: внутренние – близкие к сферической форме, за- мкнутые полости в метал- ле шва; поверхностные – отлича- ются от внутренних тем, что их полости сообщают- ся с атмосферой. Наличие в расплавленном ме- талле сварочной ванны газов: водорода, азота, окиси угле- рода, поглощенных из зоны дуги или образовавшихся в процессе химических реакций и не успевших выделиться при быстром охлаждении шва. Обнаруживаются внешним осмотром и дефектоскопией. Наличие пор уменьшает по- лезное сечение шва и приво- дит к концентрации напряже- ния, что снижает прочность шва при статических и осо- бенно динамических нагруз- ках. Необходимо сварку вести в условиях хорошей газовой и шлаковой защиты; хорошо защищать кромки изделия; вести сварку короткой дугой. Дефектные места вырубаются и завариваются вновь. Шлаковые включения – полости в металле шва, заполненные твердыми неметаллическими веще- ствами. Быстрое охлаждение металла шва, затрудняющее всплыва- ние шлака на поверхность; тугоплавкость, повышенная вязкость или большой удель- ный вес шлаков электродных покрытий и флюсов; неудо- влетворительная зачистка кромок или отдельных вали- ков наплавленного металла при сварке многослойных швов. Обнаруживается дефектоско- пией. Наличие шлаковых включе- ний уменьшает полезное се- чение шва и приводит к кон- центрации напряжения, что снижает прочность шва при статических и особенно ди- намических нагрузках. Необходимо сварку вести в условиях хорошей шлаковой защиты; хорошо защищать кромки изделия; вести сварку короткой дугой. Дефектные места вырубаются и завариваются вновь. Трещины (горячие и холодные). Временные и остаточные напряжения при сварке; структурные превращения в зоне термического влияния при сварке закаливающихся сталей; повышенное содержа- ние углерода, водорода, серы и фосфора в металле; непра- вильная техника сварки. Трещины – наиболее опас- ный и поэтому недопустимый дефект сварного соединения. Предупреждаются примене- нием электродов с покрытием основного типа, подогревом металла перед сваркой, мно- гослойной сваркой, прокали- ванием электродов, очисткой кромок от ржавчины Оборудование и материалы 1. Микроскоп. 2. Прибор для испытания на твердость. 3. Набор шлифов для исследования микроструктуры и макроструктуры. 4. Плакаты: диаграмма состояния; фотографии микроструктуры; схемы изображения макроструктуры и дефектов сварных швов. 64 Порядок выполнения работы 1. Изучить и описать микроструктуру сварного шва. 2. То же околошовной зоны. 3. Определить твердость металла шва, околошовной зоны и основного ме- талла. Построить графики распределения твердости металла в зоне сварки ста- лей различного химического состава. Содержание отчета 1. Описание и схематическое изображение микроструктуры металла шва и околошовной зоны. 2. Графики изменения твердости в зоне дуговой наплавки на стали марок Ст3 и 40Х (по данным табл.8). 3. Эскизы и описание дефектов сварных швов. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 10 1. Укажите пути улучшения качества сварного шва. 2. Объясните механизм возникновения крупнозернистой видманштеттовой структуры на участке перегрева основного металла. 3. Укажите пути улучшения структуры металла на этом участке. 4. Какая и почему образуется структура металла на участках нормализации и частичной пе- рекристаллизации? 5. Какие особенности структуры в зоне термического влияния среднеуглеродистой и низко- легированной стали? 6. Какими способами можно предотвратить образование мартенсита в зоне термического влияния средне- и высокоуглеродистых сталей? 7. Назовите основные дефекты сварных швов. Объясните причины их возникновения, спо- собы их предупреждения и устранения. 8. Какие применяются методы контроля сварных соединений? 65 РАБОТА № 11. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДЕФОРМАЦИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПРИ НАПЛАВКЕ ВАЛИКА НА КРОМКУ ПЛАСТИНЫ Цель работы – ознакомиться с некоторыми способами измерения сварочных деформаций; изучить характер распределения остаточных продольных дефор- маций по ширине пластины после наплавки валика на кромку и характер изме- нения деформаций изгиба по времени в процессе наплавки валика на кромку пластины. Краткие теоретические сведения Основной причиной возникновения напряжений и деформации в сварных элементах конструкций является неравномерный нагрев этих элементов в направлении вдоль и поперек шва и тепловое расширение металла. В толстостенных конструкциях на образование напряжений при сварке влияет также неравномерный нагрев по толщине. При наплавке валика на кромку пластины наиболее нагретыми являются шов и участки металла, непосредственно прилегающие к шву. На противопо- ложной от шва стороне пластины температура в процессе сварки при достаточ- ной их ширине незначительно отличается от температуры окружающей среды. Если выделить некоторый наиболее нагретый участок пластины, считая, что средняя температура нагрева по ширине этого участка Т, то при отсутствии связи с менее нагретым участком пластины он получил бы удлинение: T L L 0 , (24) где L – приращение длины наиболее нагретого участка при свободном дефор- мировании, мм; – коэффициент температурного расширения, 1/град; 0 L – первоначальная длина пластины, мм; T – средняя температура нагрева по ши- рине выделенного участка, град. В действительности нагре- тый участок пластины связан с остальной частью пластины и, стремясь расшириться в соответ- ствии с температурой нагрева, вызывает растяжение в менее нагретой части. Одновременно сам нагретый участок испыты- вает сжатие (рис. 51). Растягивающие усилия при- ложены к пластине эксцентрич- но, что приводит к возникнове- нию при нагреве временных де- формаций изгиба, величина которых зависит от жесткости пластины и ширины нагретого участка. Прогиб пластины, а также деформации и напряжения в ней в процессе нагрева и охлаждения непрерывно изменяются во времени и поэтому называ- Рис. 51. Образование остаточных напряжений 66 ются временными. Противодействие расширению со стороны более холодных участков металла вызывает при нагреве в зоне высоких температур образование не только упругих ( упр ), но и пластических ( пл ) деформаций укорочения. При остывании после сварки слои металла, получившие при нагреве пла- стические деформации укорочения ( ук пл ), стремятся сократиться на величину этих деформаций, чему препятствуют соседние участки, не получившие при нагреве пластического укорочения. В результате этого после остывания пластина приобретает прогиб, обрат- ный тому, который имел место при нагреве пластины, и в зоне сварного шва возникают напряжения растяжения, а в периферийных участках – напряжения сжатия. Этот прогиб, возникающий после полного остывания пластины, а также соответствующие ему деформации волокон и напряжения остаются неизмен- ными во времени и называются остаточными. Исследование продольных деформаций и прогиба осуществляется на пла- стине имеющую длину 450 мм, ширину 100 мм и толщину 10 мм. На торцевых поверхностях пластины через каждые 10 мм наносятся базы, длину которых в процессе эксперимента определяют с помощью индикатора. Схема измерения продольных деформаций и прогиба представлены на рис. 52. Оборудование и материалы 1. Сварочный трансформатор. 2. Индикатор для определения деформаций изгиба. 3. Индикатор для определения продольных деформаций. 4. Секундомер. 5. Клещи кузнечные. 6. Пластина из низкоуглеродистой стали. 7. Электроды. Порядок выполнения работы 1. Ознакомиться с краткими теоретическими положениями. 2. Разметить на пластине продольные сечения для измерения с помощью индикатора их длины. 3. Измерить с помощью индикатора № 1 и записать в табл. 1 рабочей тет- ради длину продольных волокон образца до сварки (рис. 52, а), делая по два измерения в каждом сечении. 4. Установить образец на приспособление для измерения деформаций из- Рис. 52. Схема проведения эксперимента а) измерения продольных деформаций, б) измерения прогиба 67 гиба в процессе сварки (рис. 52, б). Отметить в рабочей тетради начальное (ну- левое) показание индикатора № 2. 5. Наложить на свободную кромку пластины сварной шов. В процессе наплавки и охлаждения пластины в течение 10 мин наблюдать за изменением прогиба пластины по изменению показаний индикатора № 2 через интервалы времени, указанные в рабочей тетради, заполняя этими показаниями табл. 2. 6. Охладить пластину и с помощью индикатора повторить измерение дли- ны продольных волокон пластины (рис. 52, а), делая по два измерения в каждом сечении. Результаты измерений занести в табл. 1 рабочей тетради. Отчет по работе 1. Схема измерения деформаций продольных волокон пластины и схему измерений деформаций изгиба (рис. 52, а), а также схемы деформирования пла- стины при нагреве и после охлаждения (рис. 51). 2. Вычислить среднее значение из двух показаний индикатора и записать в табл. 1 тетради для каждого сечения значения ср A – до наплавки и ср В – после наплавки. Для каждого сечения вычислить изменения длины каждого из воло- кон: ср ср A B L . (25) 3. Построить график изменения длины по ширине пластины ) ( y f L , где y – координата в направлении, перпендикулярном шву. 4. Вычислить и занести в табл. 2 разницу отсчетов между нулевым пока- занием и его показаниями в различные моменты времени в процессе нагре- ва и охлаждения. 5. По данным табл. 2 построить график изменения прогиба пластины в процессе ее нагрева и охлаждения ) ( y f , где t – время, прошедшее от начала сварки. 6. Сделать выводы по работе. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ К РАБОТЕ № 11 1. Объясните основные причины образования сварочных напряжений и деформаций. 2. Укажите основные способы снижения сварочных деформаций. 3. Укажите основные способы снижения сварочных напряжений. 68 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для вузов ж.-д. трансп. // Н.Н. Воронин, Д.Г. Евсеев, В.В. Засыпкин и др.; Под ред. Н.Н. Воронина. – М.: Маршрут, 2004. – 456с. 2. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов. Учебник для вузов. -М.: Машиностроение. 1995. - с 551. 3. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. – М.: Машинострое- ние. 1990. – с. 527. 69 Учебно-методическое издание Скляров Виктор Михайлович Воронин Николай Николаевич МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к лабораторным работам |