Спіральна пружина перепускного клапану

д)Границя плинності при крутінні (умовна) ф_0,3 Н/м2 - - дотичне напруження, обчислена умовно за формулою для пружного крутіння, при якому зразок отримує залишковий зсув, який дорівнює 0,3%.

При визначенні границі плинності (умовної) деформація до границі пропорційності вважається пружною, а за цією границею - залишковою.

Випробування проводять тим же чином, як і для визначення границі пропорційноності, але результати обчислюють наступним чином.

За отриманими значеннями крутних моментів М і кутовими показниками ц₁ і ц₂ відповідним границі пропорційності і подальшим ступеням, обчислюють значення найбільшого дотичного напруження за формулою:

І відносний зсув за формулою (2.19)

Границя плинності (умовна) може бути знайдена графічно.

е)Границя міцності при крутінні (умовна) ф_пч Н/м2- найбільше дотичне напруження, яке відповідає найбільшому крутному моменту М в Н*м, що передував руйнуванню зразка, яке обчислюється за формулами для пружного крутіння:

Де W - момент опору в мм2 для зразків циліндричного зразка:

W =рd3/16

Отже:

ж) Істинна границя міцності при крутінні ф_к - найбільше дотичне напруження, обчислене за найбільшим скрутним моментом Мк, що передував руйнування зразка, з урахуванням пластичної деформації за формулою:

Де d - діаметр зразка в мм;

М_к - найбільший крутний момент, що передує руйнуванню зразка;

и - питомий кут закручування при руйнуванні зразка в радіанах на 1 мм, який вираховується за формулою:

и= (ц₁ - ц₂)/l

dM/dи - величина яка визначається графічно.

При випробуванні на крутіння визначають характер руйнування зразка.

Руйнування від дотичних напружень (зріз) відбувається перпендикулярно або паралельно осі зразка; руйнування від розтягуючих напружень (відрив) відбувається по гвинтовій лінії приблизно під кутом 45? до осі зразка.

2.6 Випробування на релаксацію напружень (ГОСТ 26007-83)

Сутність випробування в тому, що в зразках, які випробовуються, зміна напруження в часі та в умовах постійності сумарної деформації розрахункової частини зразка, яка дорівнює заданій початковій деформації.

Релаксацією називають самодовільне зменшення напружень в матеріалі при незмінному значенні величини його загальної деформації.

Це обумовлено перехідом пружньої деформації в пластичну.

При випробуваннях на релаксацію оцінюють зменшення мікронапружень в всьому зразку.

Для пружини використовують випробування при періодичному розвантаженні.

Використовують пружні зразки з квадратним перетином робочих витків (рисунок 2.18).

При цьому відношення середнього діаметру до ширини перетину витків повинно бути не менше 3, кількість витків - не менше 2, висота циліндричної частини не менше 2d.

Для випробування використовують спіральну машину для проведення випробування на релаксацію напружень.

Рисунок 2.18 - Зразок для проведення випробування на релаксацію напружень (ГОСТ 26007-83):

Механізм релаксації пов'язаний з поступовим переміщенням дислокацій за рахунок поперечного ковзання і переповзання навіть в умовах зменшуючого зовнішнього навантаження.

Випробуваня на релаксацію напружень проводять за схемами розтягу, згину та крутіння.

Для пружинного зразка вид навантаження - крутіння, шорсткість поверхні не більше 2,50 мкм. Вимірюються наступні величини: товщина витка та зовнішній діаметр.

Радіальне биття не повинно перевищувати 0,005 від величини середнього діаметра. Зразки, що мають короблення, механічні пошкодження, поверхневі дефекти у вигляді інорідних включень, пор, раковин, тріщин, до випробувань не допускаються. На пружиних зразках наносять відбитки, які слугують для відліку виміру деформації в процесі випробування.

При виготовленні зразків не повинно відбуватися зміни структури та властивостей матеріала.

Для всіх видів навантаження в процесі випробування встановлюється постійність переміщення ?₀ (у випадку пружинних зразків - скорочення вздовж вісі зразка). Для пружинного зразка також виконується умова постійності сумарної деформації.

Випробування при заданій температурі проводять не менш ніж на трьох рівнях початкового напруження, при цьому на кожному рівні випробовують не менше двох зразків.

Пружні переміщення (?₀- початкове й ?_ф- після закінчення часу ф з початку випробування) визначаються як різниця показань при вимірах переміщень для навантаженого стану С₂ й розвантаженого С₁.

Порядок випробування зразків у режимі автоматичної підтримки сталості деформації наступний.

Встановлений у захватах машини для випробування й поміщений у піч зразок нагрівають до температури випробування й витримують його при цій температурі до повного прогріву не менш 2 год. Потім навантажують зразок і одночасно включають систему автоматичної підтримки сталості деформації на розрахунковій частині зразка, при цьому реєструють зміну навантаження безупинно або з таким інтервалом, щоб можна було повністю встановити характер релаксації.

Швидкість наростання напруження в зразку при навантаження не повинна перевищувати 700 МПа/хв.

При навантаженні до заданої деформації не допускається видовження зразка внаслідок повзучості більш ніж на 0,01 мм за рахунок несинхронності включення системи автоматичної підтримки деформації й навантаження зразка.

Порядок випробування зразків при періодичному розвантаженні наступний. Зразок навантажують при температурі (20 +/- 5) °З на розрахункове навантаження, при цьому фіксуєме переміщення повинне становити:

Визначають переміщення .

Вимірюють відстань між відбитками С₁. Потім зразок навантажують на розрахункове напруження при температурі (20 +/- 5) °С и вимірюють відстань між відбитками С₂.

У навантаженому стані зразок поміщають у камеру нагрівального пристрою. Після закінчення часу зразок витягають із печі, охолоджують у навантаженому стані до температури (20 +/- 5) °С, вимірюють С₂- відстань між відбитками, далі - розвантаження й вимірюється С₁- відстані між відбитками.

Після цього розраховують пружне переміщення:

Що заноситься в журнал випробувань. Потім зразок знову навантажують до С₂ й після перевірки С₂ з відхиленням не більше +/- 0,01 мм поміщають у камеру нагрівального пристрою.

Примітка. Рекомендується періодичне розвантаження робити через 0,1% від установленого часу випробувань, якщо не потрібний інший час розвантаження.

Відстань між відбитками С₁, С₂ і С_1ф, необхідно вимірювати на інструментальному мікроскопі із ціною поділки не більше 0,005 мм. Температура приміщення під час виміру повинна бути (20 +/- 5) °С.

Величина постійного в процесі випробування переміщення повинна розраховуватися за формулою:

А₃=К₁D_ср/d2n; К₁

Обробка результатів полягає у визначенні величини пружніх напружень у зразку під час випробувань, при випробуваннях на крутіння діленням величини згинаючого моменту на момент опору розрахункової частини зразка, виміряного до початку випробування. Криві релаксації будують в координатах: «напруження в рівномірному маштабі - час в логарифмічному маштабі» (рисунок 2.14).

Рисунок 2.14. - Крива релаксації напружень:

Розділ 3.Експертиза причин руйнування виробів

Як було зазначено в розділі 1, в процесі експлуатації пружина перепускного клапана зазнавала дії:

у_аmax?1000 МПа

При експлуатації в середовищі - 65% -вий водний розчин HNO₃ при температурі:

t=85?C

Кількість циклів:

Nц=3*105

В результаті чого відбулося руйнування виробу.

Пружина виготовлена зі сталі 40Х13. Аналіз хімічного складу пружини показав, що він відповідає ГОСТу 5632-72. Розміри, форма пружини відповідають робочому кресленню.

Вимоги до матеріалу пружини були такі:

у_в?1650 МПа

у_т?1400 МПа

у_-1?700 МПа

HRCe ?50

KCU?20 Дж/см2.

Проведення випробувань механічних властивостей показало, що властивості матеріалу відповідають вимогам (розділ 2). Дослідження мікроструктури показало, що структура також відповідає вимогам - тростит відпуску. Аналіз зламу показав, що характер руйнування - крихкий, вигляд зламу втомний (рис.3.1).

Рисунок 3.1. - Крихкий злам від втоми

Причиною руйнування пружини перепускного клапану зі сталі 40Х13 були завищені напруження циклу:

у_аmax?1000 МПа

Що набагато перевищили ті, на які розрахований матеріал:

у_-1?700 МПа

Причиною високих напружень у_аmax може бути невірна конструкція вузла, частиною якого є пружина перепускного клапану.

Розділ 4. Аналіз залежності механічних властивостей матеріалу від складу, структури, термічної обробки та розумів випробування

В розділі 1 приведені дані щодо хімічного складу (табл.1.1) та механічних властивостей (таб.1.2) сталі 40Х13.

Хром (13%) - основний легувальний елемент сталі 40Х13, частково розчиняється в твердому розчині підвищуючи міцність, твердість, прогартовуваність, сталі та утворює спеціальні карбіди:

(Cr,Fe)₂₃C₆

Вплив вуглецю в сталі 40Х13. Із збільшенням концентрації вуглецю підвищується міцність і твердість, але знижуються пластичність·та в'язкість сталі.

Після гартування міцність і твердість різко зростають зі збільшенням вмісту вуглецю. При низькому відпуску ці властивості повністю визначаються концентрацією вуглецю в твердому розчині.

Вуглець змінює технологічні властивості сталі: оброблюваність різанням, тиском, зварюваність. Збільшення вмісту вуглецю внаслідок зміцнення й погіршення теплопровідності веде до зниження оброблюваності різанням. Зі збільшенням вмісту вуглецю знижується технологічна пластичність - здатність сталі деформуватися в гарячому й особливо в холодному станах. Вуглець утрудняє також зварюваність сталі.

В сталі 40Х13 є постійні домішки: марганець, кремній, сірка, фосфор, а також гази: кисень, азот, водень.

Марганець - корисна домішка; він вводиться в сталь для розкислення й залишається в ній у кількості 0,3-0,8%. Марганець зменшує шкідливий вплив кисню й сірки.

Кремній - корисна домішка; він вводиться в сталь як активний роскиснювач та залишається в ній у кількості до 0,4%.

Сірка - шкідлива домішка, що викликає червоноламкість сталі - крихкість при гарячій обробці тиском. В сталі вона знаходиться у вигляді сульфідів. Сульфіди FeS утворюють з залізом евтектику, що має низьку температуру плавлення (988°С) та розташовується по межах зерен. При гарячій деформації межі зерен оплавлюються, і сталь крихко руйнується.

Червоноламкості сталі запобігає марганець, що зв'язує сірку в сульфіди MnS, які виключають утворення легкоплавкої евтектики. Усуваючи червоноламкість, сульфіди MnS також, як і інші неметалеві включення (оксиди, нітриди й т.п.) порушують однорідність будови сталі, знижують її пластичність і в'язкість, втомну міцність, погіршують зварюваність і корозійну стійкість. Тому вміст сірки в сталі суворо лімітують. Позитивний вплив сірки проявляється лише в поліпшенні оброблюваності різанням.

Сірка також знижує роботу зародження тріщини.

Фосфор - шкідлива домішка. Він розчиняється у фериті, зміцнює його, але знижує в'язкість при понижених температурах, тобто викликає холодноламкість. Крім того, фосфор підвищує температурний інтервал переходу сталі в крихкий стан, так званий поріг холодноламкості. Крихкість сталі, що викликана фосфором, тим вища, чим більше в ній вуглецю. Фосфор також знижує роботу розвитку тріщини.

Кисень, азот і водень - шкідливі скриті домішки. Їх вплив найбільш сильно проявляються в зниженні пластичності і підвищенні схильності сталі до крихкого руйнування.

На рисунку 4.1. показано діаграму термокінетичного розпаду переохолодженого аустеніту сталі 40Х13. З діаграми (рис. 4.1.) легко побачити, що 13%Cr суттєво впливає на вигляд С-кривої. Проміжне перетворення сильно загальмовано та зсунуто в область температур мартенситного перетворення,. Внаслідок чого на діаграмі термокінетичного розпаду аустеніту присутне лише перлитне перетворення, а бейнітне відсутнє. Перлитне перетворення також зсунуто праворуч, тобто стійкість переохолодженого аустеніту підвищується, а критична швидкість охолодження зменшується.

Рисунок 4.1 - Діаграмма термокінетичного розпаду переохолодженого аустеніта для сталі 40Х13:

Сталь 40Х13 відноситься до коррозійностійких сталей.

При введенні >12,5% Cr залізо стає корозійностійким в атмосферних умовах і в ряді інших середовищ, переважно окисних, що, наприклад широко використовується при виготовленні апаратури для виробництва азотної кислоти. Корозійна стійкість сталі 40Х13 обумовлюється явищем пасивності металів. Явище пасивності особливо добре проявляється при впливі на метали й сплави окислювачів: азотної кислоти, хлорноватої кислоти і її солей, двохромокислого й марганцовистого калію. Кисень також відноситься до сильних окислювачів, якщо він торкається поверхні металів в електролітах (розчинений) і на повітрі.

До одного з найбільш сильних елементів, що легко пасивуються в окисних середовищах зі зміною негативного потенціалу на позитивний відносять хром (рис.4.2), при цьому пасивність в нього виникає самодовільно на повітрі й у кисеньмістячих середовищах. Здатність хрому до самопасивації має велике значення, тому що при механічному ушкодженні пасивної плівки вона легко самодовільно відновлюється й захищає поверхню металу від подальшого впливу середовища.

Введення хрому в залізо надає залізохромистим сплавам нержавіючі властивості, що підвищують їх корозійну стійкістъ в атмосферних умовах і в ряді окисних середовищ крім того, поліпшується окалиностійкість цих сплавів.

Рисунок 4.2 - Змінення електродного потенціалу у залізо хромистих сплавів в 0,5%-вом розчині HNO₃ при 22°С через 24 год:

В більш окисному середовищі електродний потенціал з негативного на позитивний змінюється при меншому вмісті хрому, тоді як у присутності повітря його перехід здійснюється при 11-14% Сr. Збільшення вмісту хрому з 13 до 17% сильно збільшує корозійну стійкість хромистих сталей в азотній кислоті.

Сталь 40Х13 - хромиста сталь мартенситного класу з підвищеним вмістом хрому. На рис.4.3 показано вплив температури гартування на зміну твердості хромистих сталей з різним змістом хрому. Зі збільшенням вмісту хрому зменшується здатність хромистих сталей до зміцнення в результаті гартування.

Рисунок 4.3 - Вплив хрому на зміну твердості 12-20%-вих хромистих сталей після гарту їх з різних температур.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1 - 12,3% Cr; 0,09%C; 2 - 14% Cr; 0,086%C; 3 - 15,5% Cr; 0,1%C;

4 - 16% Cr; 0,07%C; 5 - 17,2% Cr; 0,13%C; 6 - 20,4% Cr; 0,10%C

Зміщення евтектоїдної точки вбік меншого вмісту вуглецю зі збільшенням вмісту хрому та зменшення швидкості перетворення г>б є причиною підвищення прогартовуваності хромистих сталей. Повної здатності до гартування хромисті сталі набувають тільки після нагрівання до більш високих температур, що пов'язано з тим, що карбіди хрому повніше розчиняються при високих температурах.

На рис. 4.4 показано вплив температури гартування для попередньо відпалених 12-13%-вих хромистих сталей з різним вмістом вуглецю на зміну твердості. При нагріванні до 800-900°С сталь загартовується слабко, лише незначна кількість карбідів розчиняється у твердому розчині. Нагрівання при температурах вище 900°С викликає більш швидкий перехід карбідів у твердий розчин і надає сталям більш високу твердість після охолодження. На відміну від вуглецевих, 12%-ві хромисті сталі вже при охолодженні на повітрі сильно загартовуються, набуваючи високої твердості навіть у тому випадку, коли вміст вуглецю в них порівняно невеликий.

Рисунок 4.4 - Вплив вуглецю і температури гарту на зміну твердості 12%-вих хромистих сталей:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

а - нагрів на протязі 30 хв. при температурах гарту і охолодження в маслі:

1 - 0,35% C;

13%Cr;

2 - 0,12% C;

12%Cr;

3 - 0,05% C;

12,4%Cr;

4 - 0,05% C;

12%Cr;

5 - 0,01% C;

13%Cr;

б - нагрів на протязі 1 год і охолодження на повітрі:

1 - 0,42% C;

12,38%Cr;

2 - 0,32% C;

12,58%Cr;

3 - 0,22% C;

12,20%Cr;

4 - 0,13% C;

11,52%Cr

З підвищенням температури гартування збільшується розмір зерна. Швидкість росту зерна в сталях мартенситного класу невелика доки, не досягається температура переходу в область д-фериту.

Наявність карбідів, що володіють порівняно високою температурою розчинення в аустеніті, є причиною, затримку росту зерна.

Структура сталі 40Х13 після гартування в маслі або на повітрі повністю мартенситна. Після гарту в сталі 40Х13 можуть бути такі фази: мартенсит, залишковий аустеніт, а також вільні карбіди, що часто розподіляються у вигляді сітки. Кількість аустеніту збільшується з підвищенням температури гарту.

У зв'язку з тим, що безпосередньо після гарту на повітрі або в маслі в сталі 40Х13 з'являються високі напруження, що можуть викликати саморозтріскування, рекомендується загартовані вироби негайно після гарту піддавати відпуску. Відпуск при низьких температурах сприяє зняттю напружень, що виникають в 12 %-вых хромистих сталях після гарту. Відпуск при більш високих температурах викликає зниження твердості та механічних властивостей. Вплив відпуску на зміну твердості сталі 40Х13 значно слабший, ніж вплив відпуску на твердість загартованої вуглецевої сталі. Тому для одержання таких же значень твердості в сталі 40Х13 відпуск проводять і при більш високих температурах. Слід зазначити, що при ~500°С спостерігається зниження ударної в'язкості й погіршення корозійної стійкості. Тому сталь 40Х13 піддають відпуску тільки для зняття напружень при температурах нижче 400°С або ж більше високому відпуску вище 600°С.

Проводити відпуск в інтервалі температур 400-600°С і особливо при 450-550°С не рекомендується. Разом з тим, якщо цю сталь піддати гарту в маслі й відпуску при 760°С, а потім повторному відпуску при 370-650°С, то провалу в ударній в'язкості не спостерігається.

Внаслідок більше високого вмісту вуглецю в сталі цієї марки частина вуглецю при відпуску переходить із твердого розчину в карбіди, що трохи знижує корозійну стійкість пружини. Тому найкращі нержавіючі властивості мають вироби із цієї сталі в полірованому стані. Збільшення вмісту вуглецю сприяє одержанню більш високої твердості при гартуванні та більш повної прогартовуванності.

Початок евтектоїдного перетворення при нагріванні в сталі 40Х13 відбувається при 820°С (Ac_l) та закінчується при 860-880°С (Ас_з)

При охолодженні розпад аустеніту починається при 670°С і закінчується при 225°С. Точка мартенситного перетворення знижується до 225°С.

Сталь гартується при охолодженні на повітрі в достатньо великих перерізах. Вплив температури гарту на твердість показано на рис.4.4

Температура гарту вище 1050°С не рекомендується, тому що із її підвищенням збільшується кількість залишкового аустеніту. Для сталі 40Х13 це проявляється в зменшенні твердості після гартування.

40Х13 дуже чутлива до тріщин, тому при нагріванні й охолодженні при гарячій обробці тиском і термічній обробці рекомендується нагрів починати при температурі не вище 500-540°С і вести його повільно до 790°С. Після вирівнювання температури нагріву його можна вести швидше. Найкращий інтервал гартування 980-1050°С, витримка 15-30хв. і охолодження в підігрітому маслі або на повітрі (твердість при цьому буде в межах 53-56 НRC). Одразу ж після гартування (щоб уникнути самодовільного розтріскування) виріб необхідно піддавати відпуску на необхідну твердість:

а) 1-2 год при 150-370°С із охолодженням на повітрі або у воді на твердість 48-53 Н RC (для зняття напружень),

б) 1-4 год. при 600-760°С (для полегшення машинної обробки, але не для використання);

в) проміжному (високому) відпуску 2-6 год. при 735-900°С ізохолодженням на повітрі або у воді ( 205-225 НВ);

г) повному відпалу: 1-2 год при 870-900°С, повільне охолодження з піччю до 540-650°С і далі на повітрі або у воді ( 155-180 НВ).

Зазначені режими термічної обробки показали кращі результати в порівнянні із гартуванням з 1100°С, що часто рекомендується різними авторами; після відпуску при 450-550°С може трохи знизитися ударна в'язкість внаслідок чутливості сталі до відпускної крихкості. Однак це зменшення ударної в'язкості не так суттєве та практичного значення не має. Чутливість до відпускної крихкості змінюється в залежності від умов виплавки.

Розділ 5. Напрям підвищення конструктивної міцності виробів

Під конструктивною міцністю розуміється комплекс властивостей виробів, які забезпечують необхідні їм надійність та довговічність. До показників надійності відносяться такі характеристики: ударна в'язкість, температурний поріг холодноламкості, тріщиностійкість, критичний коефіціент інтенсивності напружень. Довговічність характеризується опором руйнуванню від втоми, зносостійкістю, контактною витривалістю, опором повзучості, довготривалою міцністю, опором релаксації напружень. Всі вище наведені характеристики виробів залежать як від властивостей використаного матеріалу, так і особливостей конструкції.

Найбільш небезпечні крихкі руйнування, при яких швидкість розповсюдження тріщини може досягати швидкості розповсюдження звуку в матеріалі. Небезпечність крихкого руйнування підсилюється ще і тим, що при випробуванні зразків, виготовлених з крихко зруйнованих виробів, отримують високі значення вязкості і пластичності.

Для підвищення конструкційної міцності пружини перепускного клапану можна використати такі заходи:

1.Захищають зони з концентраторами напружень від корозії,забоїн.

2.Використовують заходи для зменшення водневої крихкості після нанесення та видалення гальванічного покриття та інших видів крихкості.

Оскільки втомні тріщини утворюються в поверхневих шарах зразків та деталей, стан цих шарів має важливу роль: для отримання високої границі витривалості структура поверхневого шару повинна володіти максимально можливим опором деформації.

3.Підвищують корисні стискуючі напруження і зменшують шкідливі розтягуючі поверхневі напруження. Для підвищення втомної міцності на 20-50% пружини упрочняют дробоструменевою обробкою, що створює в поверхневих шарах витків залишкові напруження. Для обробки пружин використовують кульки діаметром 0,5 - 1,0 мм. Найбільш ефективною є обробка пружин кульками малого діаметра при високій швидкості польоту. Пружини, що працюють в умовах тривалого впливу змінних навантажень, підвищених температур (150 -50 ° С) і корозійних середовищ, не заневолівают, так опір втоми заневоленних пружин не підвищується.

4.Запобігають виникненню резонансу, тобто збільшують розрив між частотами власних коливань виробів і частотою коливань напружень.

5.Підвищують міцність всієї конструкції з метою досягнення рівноміцності всіх її елементів. Рівноміцна конструкція (деталь) повинна руйнуватися одночасно у всіх точках поперечного перетину. При цьому ступінь одночасності руйнування по мірі наближення до рівноміцності зростає.

6.Створюють конструкції, до складу яких вводять так звані запобіжники. Вони зупиняють роботу механізму або розвантажують основні його елементи після досягнення небезпечного зусилля, напруження, обертового або згинаючого моменту.

7.Вводять в конструкцію сигналізатори, які попереджують про небезпечний рівень навантаження.

8.Підвищують опір релаксації напружень за рахунок конструктивних рішень або заміни матеріалу і його структури.

9.Підвищують втомлену конструкційну міцність. З цією метою використовують: різні частоти коливань окремих складових сумарного напруження (високочастотні коливання з дотичними напруженнями і низькочастотні - з нормальними); різну асиметрію циклу.

10.На втомну міцність також сильно впливає зовнішнє середовище, що контактує із поверхнею. Так, рідке корозійне середовище різко знижує границю витривалості матеріалу. Для запобігання цього на пружину зі сталі 40Х13 можна нанести хромове гальванічне покриття (хромування).

11.Також негативно на границю витривалості впливають грубі включення надлишкових фаз, особливо неметалеві. Вони є найбільш важливими внутрішніми концентраторами напружень, поблизу яких зароджуються втомні тріщини. Чим крупніші включення, тим більш негативним є їх вплив на витривалість. Тому необхідно використовувати очищення від домішок матеріалу (використовувати перетопи).

12.Втомні тріщини часто виникають на поверхні поблизу різних концентраторів напружень. Тому надрізи, у вигляді рисок, царапін, дрібних тріщин не припустимі на поверхні пружин (електрополірування).

Ті чи інші напрями підвищення конструкційної міцностіі виробу пропонуються з врахуванням особливостей його конструкції, умов експлуатації, маршрутної технології виготовлення, термічної (хіміко-термічної) обробки, матеріалу виробів і можливих варіантів відмовлень.

Розділ 6. Конструкція та робота обладнання для випробування механічних властивостей

6.1 Обладнання для випробування на розтяг

Для випробування на розтяг використовують машину УМЭ-10Т. Конструктивно машина УМЭ-10Т складається з таких вузлів (див. рис.6.1,а): машина 1, пульт керування з електронною та електропривідною апаратурою 2 і нагрівальні пристрої, що складаються з шафи керування 3, термостату (373-773 К) та печі (773-1273 К). Основа 15, колонни 9 та верхня траверса 10 утворюють жорстку раму машини (див.рис.6.1, б). На верхній траверсі кріпиться силовимірювальний датчик (динамометр) 11, що являє собою полий циліндр з прікрипленими до нього тензометричними датчиками опору. Верхній захват (для циліндричних зразків з головками) виконаний як одне ціле з корпусом динамометра. Якщо використовуються змінні захвати (наприклад, для плоских зразків), то вони кріпляться до захватів для циліндричних зразків. Нижній захват 12 центрується при зборці машини відносно динамометра і крипиться до столу 13, який переміщується по спрямляючих втулках 8 по колонах при русі вантажного гвинта 16. Вантажний гвинт з'єднаний з двошвидкісним асинхронним електро двигуном 17 через електромагнітну муфту 7, коробку передач 6 та розрізну гайку 14. Коробка передач забезпечує співвідношення чисел обертів вихідного вала до вхідного 1: 1, 1 : 10, 1: 100, 1: 1000 і 1: 10000. Використання двошвидкісного двигуна з такою коробкою передач дозволяє отримати діапазон швидкостей деформування від 0,005 до 100 мм/хв.

На робочій частині зразка встановлюють тензометр, що має базу - довжину 50 мм, на якій виконується вимірювання деформації. При розтягуванні зразка на виході вимірювальних мостів тензометричних датчиків силовимірювача, і деформації з'являються сигнали розбалансу. Вони посилюються, проходять ряд перетворень та поступають на вхід ревірсивних асинхронних електродвигунів 2 та 5. Двигун 2 зв'язан через систему передач зі стрілкою індикатора навантажень 1 та пером самописця 3, а двигун 5 обертає діаграмний барабан 4. Перо переміщується та записує діаграму розтягу. Допустима похибка під час запису діаграм на машині УМЭ-10Т не перевищує 2 % від вимірюємої величини. Масштаб по вісі деформації може задаватися в межах від 100: 1 до 1000: 1. Масштаб по вісі навантажень визначається використовуємим діапазоном навантажень і шириною діаграмної стрічки, яка складає 500 мм. Наприклад при використанні діапазону 0-0,05 МН 1 мм діаграмної стрічки буде відповідати 100 Н.

Рисунок 6.1. - Схема універсальної машини УМЭ-10Т: а)загальний вид; б)кінематична схема

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

6.2 Обладнання для випробування ударним згином

Випробування ударним згином проводять на спеціальній машині маятниковому копрі який показан на рис.6.2. Зразок 8 встановлюють на двох опорах 9 надрізом в середину станини 7. Маятник 6 з ножем 5 підіймають на певну висоту (кут) та закріплюють кріпленням 4. Відпущений маятник, розбиваючи зразок, підіймається та стрілка 3 шкали 2 вказує на кут його взлету. Зупиняють маятник ременем 10, натягуючи останній рукояткою 1. Роботу удару визначають за шкалою маятникового копра.

Рисунок 6.2 - Схема маятникового копра:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

6.3 Обладнання для випробування твердості за Роквеллом

Існує декілька типів приладів для вимірювання твердості за Роквеллом. На рис. 6.3,а надана схема прилада марки ТК. На станині 14 з однієї сторони розташовані дві стійки 16, які підтримують поперечину 1. з іншої сторони у спрямовуючий втулці 13 зі шпонкою 12 розміщений підйомний гвинт 17, на якому встановлюють в залежності від форми зразка різні опорні столики 21-23 і 10. Підйом гвинта зі столиком та зразком виконують обертанням маховичка 11. Прикладання попереднього навантаження до зразка виконується циліндричною пружиною 19, що діє на шпиндель 20. Вантажний важель другого роду 4, розташований на поперечені 1, має точку опори на призмі 8. До довгого плеча важеля 4 підвішують вантажі 15. У неробочому положенні приладу важель 4 спирається на підвіску 2 і навантаження на шпиндель не діє. Для прикладання основного навантаження звільняють рукоятку 5. При цьому підвіска 2 разом із важелем 4 плавно опускається і останній діє на шпиндель. Плавне опускання важеля отримується завдяки масляному амортизатору 18, що дозволяє регулювати швидкість прикладення основного навантаження обертанням штока 3. Співвідношення пліч у вантажного важеля 1:20 і тому дійсна вага змінних вантажів у 20 раз менша їх умовної ваги.

Передача руху від шпинделя до стілок індикатора 9 виконується важелем 7 зі співвідношенням плеч 1:5. Призма шпинделя спирається на гвинт 6 на важелі 7. За допомогою гвинта 6 регулюється натяг пружини 19, що створює попереднє навантаження.

Послідовність роботи на пристрої наступна. В залежності від матеріалу та форми зразка обирають та встановлюють відповідний індентор, опорний столик та необхідне навантаження. Укладають зразок на столик та обертанням маховичка 11 плавно підіймають гвинт 17 доти, доки індентор не опиниться втисненим у зразок попереднім навантаженням:

Р₀= 10 Н

Цей момент буде отриманий, коли маленька стрілка на допоміжному лимбі індикатора 9 співпаде з червоною точкою на шкалі. Потім, якщо як індентор використовують алмазний конус (за шкалою А або С), необхідно повернути ободок індикатора, щоб нуль чорної шкали сумістився з великою стрілкою. Якщо випробування проводять по шкалі В (індентор - сталева кулька), велику стрілку встановлюють на ділення 30 червоної шкали. Після цього злегка натискають рукоятку 5 і важель із грузом на протязі 3-6 с плавно опускається вниз передаючи на шпиндель основне навантаження. Через 1-3 с після зупинки великої стрілки знімають основне навантаження плавно повертаючи рукоятку 5 у початкове положення і рахують число твердості з точністю до половини ділення шкали. На кожному зразку твердість вимірюють не менш ніж у 3-5 точках та підраховують середне значення.

Більш нова модифікація твердомера Роквелла - прилад ТК-2 (рис.6.3,б) за принципом дії не відрізняється від ТК. Він оснащений електромеханічним приводом 6-7, який виконує прикладення, витримку та зняття основного навантаження.

Рисунок 6.3. - Схема приладу для випробування твердості за Роквеллом.

а)машина марки ТК; б)машина марки ТК-2

6.4 Обладнання для циклічних випробувань

На рис.6.4. показана схема однієї з машин для циклічних випробувань (МВП-10000). Зразок 8 обертається електродвигуном 1 через двуступінчатий шків 2 та шків 3 програмного пристрою. Навантаження на зразок подається важелем 11 з вантажем що переміщується 10 та зйомними вантажами 14. Важельна система з грузами підвішена до зразка на тягах 12. Вантажний важель встановлюється у робоче положення маховиком 14. Биття (деформація) зразка фіксується на індикаторах 9, кількість циклів навантаження рейструє лічильник 4, який з'єднаний з шпинделем 7 через редуктор 5 та гнучкий валик 6. Програмний пристрій дозволяє змінювати навантаження у процесі випробування за заданою програмою.

Рисунок 6.4. - Схема машини для циклічних випробувань (МВП-10000).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

6.5 Обладнання для випробування на крутіння

На рис.6.5 надана принципіальна схема горизонтальної випробувальної машини з маятниковим силовимірювачем.

Зразок 13 кріпиться у захватах 4 і 5. Лівий захват 5 не пов'язан з приводом та може переміщуватися у горизонтальному напрямку по спрямляючим 7 та 8.

Правий захват встановлюється у нерухомому підшипнику 14 та отримує обертання від черв'ячного колеса 2, яке приводиться до руху електродвигуну через редуктор і вал 1 ( можливе обертання вручну). Кількість обертів та кут закручування активного захвата 4 можно визначити за нерухомою круговою шкалою за допомогою вказівника 3, який обертається разом із захватом.

Другий захват 5 жорстко пов'язаний з важким маятником 11. Змінюючи навантаження або переставляючи штангу 12 по вертикальному напрямі відносно захвату, можно змінювати масштаб шкали силовимірюача. Обертання захвату 5 разом із маятником 11 створює крутящий момент, спрямований протилежно цьому обертанню і рівний моментом кручення, що переданий на зразок активним захватом 4.

Відхилення маятника 11 від вертикального положення призводить до переміщення кінця 6 штанги 12 потім стрижня 9 та стрілки 10 силовимірювача. пружина клапан механічний

Переміщення стрілки прямо пропорційне моменту крутіння М_кр, який є мірою опору зразка деформації замінюючи при крутінні зусилля Р, що вимірювалось у інших статичних випробуваннях.

Рисунок 6.5. - Схема горизонтальної випробувальної машинидля випробування на крутіння з маятниковим сило вимірювачем:

6.6 Обладнання для випробування на релаксацію напружень

Схему установки для випробування на релаксацію напружень при розтягу показано на рисунку 6.6.

Зразок 4 кріпиться у захватах 2 та 5, поміщується у піч 6 та навантажується важелем 7 від електродвигуна 11 через пружину 10. На межах розрахункової довжини зразка встановлюють вимірювач деформації 3.

При видовженні зразка на величину допуска контакт 1 замикає коло регулятора 12, двигун змінює напрямок обертання та послаблює пружину 10.

Спад напруги у зразку призводить до його скорочення та коли довжина зразка знову стає рівною початковій, контакт 1 розмикається, зразок знов починає видовжуватись і т.д.

Крива релаксації записується на барабані 8, який обертається двигуном 9.

Рисунок 6.6. - Схема установки для випробування на релаксацію напружень при розтягу:

Висновки

В даній курсовій роботі було вказано умови роботи пружини перепускного клапану, зазначено напруження, що діють в пружині, хімічний склад, механічні властивості та дія окислювального середовища. Обрано випробування для визначення необхідних механічних властивостей, наведені відповідно на розтяг, ударну в'язкість, релаксацію напружень, твердість за Роквелом, циклічні випробування та крутіння. Розглянуто вплив легувальних елементів на термокінетичну діаграму переохолодженого аустеніту в сталі 40Х13, вказано структуру та характер зламу. Наведена залежність між твердістю та температурою відпуску. Зроблено висновок, що пружина перепускного клапану зруйнувалась від завищених напружень, отже іншу сталь не пропонували. Наведено напрями щодо підвищення конструкційної міцності сталі. Показано схеми випробувальних машин.

ЛІТЕРАТУРА

1. Золотаревский В.С. Механические испытания и свойства металлов.-М.: Металлургия, 1974.- 303 с.

2. Химушин Ф.Ф. Нержавеющие стали. - М.: Металлургия, 1967. - 798 с.

3. Авдеев Б.А. Поверка машин и приборов для механических испытаний материалов - М.: Издательство стандартов, 1969. - 175 с.

4. Рахштадт А.Г. Пружинные стали - М.: Металлургия. 1982. - 400 с.

5. Попов А. А., Попова Л. Е. Изотермические и термокинетические диаграммы распада переохлажденного аустенита. Справочник термиста. М.: Машгиз, 1961. - 430 с.

6. Методичні вказівки до лабораторних робіт з дисципліни «Механічні властивості та конструкційна міцність матеріаллів» для студентів спеціальності 7.090101 «Прикладне матеріалознавство» денної і заочної форми навчання/ укл.: І.М. Лазечний. - Запоріжжя, ЗНТУ, 2005.- 74 с.

7. Парфеновская Н.Г., Самохоцкий А.И. Технология термической обработки металлов. - М.: Машиностроение, 2002.-538с.

8. Марочник сталей и сплавов. В. Г. Сорокин, А. В. Волосникова, С. А. Вяткин и др ; Под общ. ред. В. Г. Сорокина. - М.: Машиностроение, 1989. - 640 с.

9. ГОСТ 26007-83 Расчеты и испытания на прочность. Методы механических испытаний металлов. Методы испытания на релаксацию напряжений.

10. ГОСТ 9013-59 Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу.

11. ГОСТ 1497-84: Металлы. Метод испытаний на растяжение.

12. ГОСТ 9454-78 Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах.

Размещено на Allbest.ru