Производство эпоксидных смол

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

Тульский государственный университет

Кафедра Дизайн

курсовая работа

Производство эпоксидных смол

по дисциплине материаловедение в промышленном дизайне

Выполнил Се Цзюнь цацз

Гр 830691п

Руководитель Поздова.Т.В.

Тула 2012



Содержание

эпоксидный смола пенопласт компаунд

Введение

1. Эпоксидные смолы

1.1 Эпоксидные формовочные и заливочные коммпаунды

1.2 Эпоксидные смолы для инструмента и приспособлений

1.2.1 Формы из эпоксидных смол для заливочных и формовочных компаундов

1.2.2 Эпоксидные смолы для матриц

1.2.3 Системы из эпоксидных смол для штампования металла.

1.3 Литье, заливка, капсулирование, герметизация.

2. Цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов

2.1 Общее устройство цистерны

2.2 УСТРОЙСТВО ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ

2.3МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

3.Велотренажер материала

3.1Алюминий и сплавы на его основе

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Производство эпоксидных смол началось с исследований проводимых в США и Европе накануне второй мировой войны. Первые смолы -- продукты реакции эпихлоргидрина с бисфенолом А -- были получены в промышленных масштабах в 1947 г. За 10 лет уровень их производства составил свыше 13,6 тыс. т., в последующие шесть лет уровень производств их увеличился в 3 раза. В конце 50-х годов были получены новые эпоксидные смолы, отличные от диглицидилового эфира; в конце 1960 г. промышленностью освоено производство не менее 25 типов смол. На этом этапе термин «эпоксидная смола» становится общим и в настоящее время применяется к большому семейству материалов.

Эпоксидные смолы относятся к классу термореактивных пластиков и сходны с такими материалами как фенолы и полиэфиры. Ряд ценных свойств эпоксидных смол привел к их широкому применению в промышленности. Эпоксидные смолы универсальны вследствие своей незначительной усадки, легкости отверждения, хорошей химостойкости и чрезвычайно высокой прочности клеевого соединения.



1. Эпоксидные смолы

Эпоксидная смола -- олигомеры, содержащие эпоксидные группы и способные под действием отвердителей (полиаминов и др.) образовывать сшитые полимеры. Наибольшее практическое и широкое применение для получения эпоксидных смол нашли дифенилолпропан (диан или бнсфенол А) и эпихлоргидрин. Реакция получения эпоксидной смолы протекает по схеме, изображенной на рис. 1-1.

Рис1-1

Реакция протекает в щелочной среде в присутствии раствора NаОН. Ниже приводятся примерная рецептура и технология изготовления эпоксидной смолы.

Состав:

Дифенилолпропан -- 100 массовых частей (1,0 моль)

Эпихлоргидрин -- 93 массовых частей (2,3 моля)

Едкий натр (10-процентнын раствор) -- 35 массовых частей (2,0 моля)

Дифенилолпропан представляет собой твердые кристаллы, температура плавления 154-156 °С, содержание свободного фенола не более 0,1%, влаги не более 1%. Эпихлоргидрин -- прозрачная бесцветная жидкость, температура кипения 116-118 °С, плотность 1,15-1,16, температура вспышки 40,5 °С, содержание основного вещества 98-99%.

1.1 Эпоксидные формовочные и заливочные коммпаунды

Эпоксидные формовочные компаунды существуют в основном двух типов: собственно формовочные компаунды и вязко-текучие (компаунды для капсулирования и герметизации).

Собственно формовочные компаунды аналогичны другим термореактивным компаундам, таким как фенольные и диаллилфталатные. Эти эпоксидные компаунды применяются для изготовления объемных изделий, например футляров, в жилищном строительстве и т. д.

Вязко-текучие компаунды применяются главным образом для герметизации электронных и электротехнических деталей и узлов и поэтому должны сравниваться с эпоксидными заливочными смолами.

Эпоксидные формовочные компаунды обладают рядом преимуществ перед обычными термореактивными формовочными компаундами, среди них:

1. стабильность размеров отвержденного продукта;

2. хорошая совместимость с наполнителем;

3. хорошие электрические и механические свойства, которые для правильно подобранной композиции сохраняются до 150 оС;

4. высокая химостойкость;

5. хорошая текучесть, что требует меньшие давления при литье. Меньшие давления позволяют применять менее дорогие формы с тонкими стенками.

6. отверждение проходит без выделения летучих и с малой усадкой.

Однако у эпоксидных компаундов есть и недостатки:

1. Эпоксидные формовочные компаунды дороже, чем обычные термореактивные компаунды.

2. Очень хорошая адгезия эпоксидных компаундов вносит некоторые трудности при выемке изделий из формы.

3. Эти материалы при температурах, при которых производится формовка, мягки и выталкивающая шпилька может проткнуть отливку.

4. Для предотвращения появления излишнего грата вследствие текучести компаундов форма должна быть герметичной.

5. Так как текучесть компаундов весьма сильно зависит от температуры, то требуется строгий контроль температуры.

1.2 Эпоксидные смолы для инструмента и приспособлений

Использование эпоксидных композиций для инструментов дает ряд преимуществ:

1) быстроту и простоту производства:

2) стабильность размеров;

3) отличные прочностные характеристики, особенно у армированных композиций;

4) небольшую массу;

5) низкую усадку при отверждении, что дает точную воспроизводимость размеров

1.2.1 Формы из эпоксидных смол для заливочных и формовочных компаундов

Эпоксидные инструменты с успехом применяются при изготовлении форм для литья пластмасс под вакуумом. Требования к композиции в этом случае более жесткие, чем при производстве моделей. Довольно плохая теплопроводность эпоксидов уменьшает теплоотвод и тем самым повышает качество отлитых изделий.

С другой стороны из-за плохой теплопроводности продолжительность литья увеличивается. Повысить теплопроводность можно введением в композицию металлических волокон что позволяет повысить рабочую температуру, но лучше использовать залитые в композицию медные трубки. по которым прокачивается хладагент. Эпоксидные смолы могут применяться для изготовления форм для эпоксидных и других термореактивных заливочных компаундов. Это контейнеры, в которые наливается жидкая смола и в них отверждается. Затем контейнеры или снимаются, или остаются. Из эпоксидов изготавливались формы и для полиэтилена, но вследствие их малой теплопроводности была получена низкая скорость процесса.

1.2.2 Эпоксидные смолы для матриц

Эпоксидные матрицы могут быть изготовлены литьем, но чаще требуются матрицы, армированные стекловолокном. Процесс начинается с нанесения разделительного слоя и декоративного слоя. Перед укладкой слоев на углы и во впадины модели кладутся жгуты (стеклянные и хлопковые волокла, пропитанные смолой). Это предотвращает появление воздуха в этих точках во время процесса выклейки. Стеклоткань можно предварительно пропитывать жидкой смолой или укладывать стеклоткань сухую и каждый слой промазывать смолой В некоторых случаях для получения более жестких систем с большим содержанием стекла матрица во время отверждения может вакуумироваться.

1.2.3 Системы из эпоксидных смол для штампования металла

Эпоксидные системы хотя и непригодны для режущих инструментов, но могут использоваться для штамповки металлических изделий в тех случаях, когда это позволяют прочностные характеристики эпоксида. Эпоксидные штампы могут быть отлиты или, чаще, для большей прочности, выклеены

Эпоксидные штампы используются дли штамповки изделий из латуни и других сплавов на основе меди, маркой стали, нержавеющей стали, титана и т. д. Из алюминия, например, с помощью эпоксидных штампов изготавливались изделия с толщиной 0,5 мм. Для более жестких листов и в тех случаях, когда требуется получение сложней формы, необходимо укреплять штампы металлическими вставка , так как прочность на сжатие эпоксида может быть недостаточной в местах с высокими концентрациями напряжений.

Использование эпоксидно-металлических штампов дает хорошие результаты вследствие их высоких прочностных свойств и хорошей теплопроводности.

При создании эпоксидных композиций для штамповки металлов обычно не добиваются получения высокой жесткости конструкции. Гораздо важнее прочность на сжатие Невысокая жесткость может быть компенсирована созданием надлежащего штамподержателя. В пуансонах, где важна ударная вязкость, наиболее ответственным фактором является поверхностная твердость. И для пуансона, и для матрицы в процессе штамповки требуется некоторая упругость; упругость создает плавность воздействия на штампуемый лист и помогает избежать возникновения складок на изделии. Упругость обычно создаётся облицовкой отлитого пуансона и облицовкой выклеенной матрицы.

1.3 Литье, заливка, капсулирование, герметизация

Можно выделить четыре метода применения эпоксидных композиций: блочная отливка, вакуумная заливка, заливка под давлением, окунание.

Блочная отливка. Она определяется как заливка на открытом воздухе при обычных условиях. Необходимо получить изделие без пустот и раковин, даже используя компаунды с небольшой вязкостью. Пузырьки образуются в компаунде, во время перемешивания, и особенно много их появляется во время заливки. Эти пузырьки могут быть полностью устранены применением нескольких приемов. Применяется тщательное перемешивание или катализаторы, позволяющие проводить отверждение при комнатной температуре, время жизни компаунда должно быть достаточно большим, чтобы можно было устранить пузырьки.

На практике нагревание почти также хорошо устраняет пузырьки, как и вакуумирование. Koгда пузырьки устранятся в достаточной степени, компаунд должен быть осторожно и медленно перелит в форму. Хорошие результаты дает нагревание самих форм. Затем залитое изделие должно быть немедленно нагрето до температуры, при которой происходит отверждение. Если эта температура выше комнатной, то будет наблюдаться быстрое уменьшение вязкости и оставшиеся пузырьки легче устранятся.

Вакуумная заливка. Вакуумная технология хороша практически для всех применений и по возможности проводится вместе с пропиткой под давлением. Определяя тот вакуум, который требуется в этом случае, надо руководствоваться задачами заполнения формы и давлением паров (парциальным давлением) компонентов эпоксидной композиции.

Рис1-2

Некоторые реакционноспособные разбавители очень легко испаряются, и степень вакуума должна быть всегда такой, чтобы избежать улетучивания отвердителя. Следует предусмотреть ловушки для предотвращения попадания в атмосферу летучих продуктов. Они могут также загрязнять масло в насосе. Хорошо, когда низкий вакуум достаточен для того, чтобы компаунд натек в форму. Если же необходим высокий вакуум, то требуется особая осторожность в выборе эпоксидной композиции. Поэтому следует тщательно изучить вещества, входящие в композицию, прежде чем их применять. Если влажность слишком велика, то необходимо ее уменьшить сушкой или предварительным вакуумированнем. Там, где, конечно, возможно, хорошо производить заливку под вакуумом. Это устраняет пузырьки воздуха, находящиеся в компаунде и сушит компаунд.

Заливка методом окунания. Технология состоит из окунания в смолу изделий, которые требуется залить или капсулнровать. Компаунд, используемый для этих целей, должен иметь большую вязкость, чтобы он не стекал с изделий, а отвердитель должен быть таков, чтобы он мог обеспечить компаунду большое время жизни.

Заливка больших изделий или изделий, имеющих сложную форму. Когда производится заливка больших объемов, за исключением литья сильнонаполненными композициями, то существует опасность образования трещин. Изменение температуры по объему и местная усадка создают очень высокие напряжения во время отверждения. Высокая энергия экзотермической реакции создает условия для большой летучести отвердителя и модификаторов, что в свою очередь является причиной образования пузырьков. Лучшими отвердителями для больших отливок являются ангидриды и эпоксидно-фенольные смеси, так как они обладают меньшей энергией реакции.

Для уменьшения критических параметров хорошо применять наполнители и пластификаторы. Во многих случаях наиболее рациональным решением является заливка по стадиям; по этому методу большие заливки формируются из отдельных слоев компаундов, причем каждый последующий слой накладывается после отверждения или по крайней мере после процесса гелеобразовання в предыдущем.

Заливка композициями с большим содержанием наполнителей. Для некоторых целей, возможно, использовать маловязкие композиции и работать с ними при повышенных температурах. В этом случае нужно вводить большое количество наполнителей. Иногда возможно готовить такие композиции без существенного увеличения вязкости. Эту технологию полезно применять для заливки или капсулирования изделий, требующих хорошей пропитки и высоконаполненной оболочки. Лучше, чем проведение этого процесса в две стадии, является метод, по которому изделие покрывается сухим наполнителем и затем все вместе пропитывается ненаполненной композицией. В этом случае вакуум при пропитке должен быть ниже 1 мм рт ст.



2. Цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов

2.1 Общее устройство цистерны

В зависимости от вида перевозимых грузов вагоны-цистерны подразделяются на цистерны общего назначения и специальные. К цистернам общего назначения относятся цистерны для перевозки широкой номенклатуры жидких нефтепродуктов, не требующих подогрева при наливе и сливе в диапазоне климатических изменений температуры груза. Цистерны общего назначения составляют основную часть парка вагонов-цистерн.

Для каждого типа цистерны заводом-изготовителем в составе технической документации разрабатывается инструкция по эксплуатации, сливу и наливу перевозимого продукта, о конструктивные особенности конкретной модели.

Основным изготовителем цистерн является ПО «Азовмаш» (бывшее ПО «Ждановтяжмаш», город Мариуполь) Министерства тяжелого и транспортного машиностроения.

Котел представляет собой цилиндрическую емкость сварной конструкции, состоящую из обечаек и эллиптических днищ, подкрепленную шпангоутами для повышения несущей способности и жесткости цилиндрической оболочки.Цилиндрическая часть котла с внутренним диаметром 3000мм составлена из 2-х половин, сваренных встык. Преимуществом стыковых швов по сравнению с применявшимися ранее нахлесточными соединениями являются: отсутствие дополнительных напряжений в зоне швов, обусловленных местным изгибом оболочки; большая вибрационная и ударная прочность швов; лучшие условия контроля за качеством шва (просвечивание рентгеном, гамма-лучами и.т.п.); меньшая масса котла.

Повышение прочности и устойчивости оболочки котла при малой его массе достигается подкреплением кольцевыми шпангоутами 7 и 8, расположенными в средней и опорных частях котла (рис.1). Эти шпангоуты, имеющие ?-образную форму поперечного сечения, приварены к стенкам котла, отличающимися от неподкрепленных конструкций меньшей толщиной. В подкрепленных таким образом цистернах существенно снижены напряжения в загруженных зонах, повышена устойчивость котла при вакууме , иногда возникающем при сливе и пропарке цистерн, а также увеличивается жесткость и частота собственных колебаний оболочки, что затрудняет возникновение резонанса колебаний.

Для обеспечения полного слива груза предусмотрены уклоны к сливным приборам. Эти уклоны создаются выштамповкой броневого листа на глубину 20-30мм. Котел оборудован двумя сливными приборами 6 и двумя колпаками с крышками 4,что позволяет ускорить операции налива и слива груза и обеспечить лучшие условия труда при очистке котла. Внутри горловин размещены по 2 сегментные планки: верхняя для контроля предельного уровня налива и нижняя для принятия мер к замедлению налива котла.

Колпаки цистерны имеют малые размеры. При наливе груза часть объема котла (2%) остается незаполненной для обеспечения температурного расширения груза.



Рис2-1

Горловины люков закрываются крышками, закрепляемыми 8-ю откидными болтами каждая. Крышки шарнирно крепятся к кронштейнам, относительно которых они поворачиваются при открывании. Вблизи горловины люка расположены 2 штуцера для крепления предохранительно - впускных клапанов 2 (рис.2). Котел оборудован наружной 3 и внутренней 5 лестницами и помостами с ограждениями у горловин люка.



Рис2-2

Рис2-3

Сложным и ответственным узлом безрамной цистерны является опора котла (рис 3), поскольку через нее передаются основные нагрузки на котел и от котла на тележку. Опора, одновременно являющаяся консольной частью рамы, имеет мощные хребтовую 1 и шкворневую 8, облегченные концевую 10 и боковые 9 балки. На хребтовой и концевой балках размещены части автосцепного устройства, а на шкворневой - опоры кузова (пятник 14 и скользуны 17). Шкворневая балка имеет верхний лист 12, нижний 11, вертикальные листы 13, ребра 18 и 19, концевые части 20; к одной из таких частей прикреплена табличка 5 завода - изготовителя. На пересечении хребтовой и шкворневой балок размещено надпятниковое усиление 15. К шкворневой и хребтовой балкам приварены подкрепленный ребрами 21 и 16 опорный лист 22 толщиной 12мм, являющийся непосредственной опорой котла, а также опорные накладки 4 и 6, расположенные с двух сторон от шкворневого узла. Хребтовая балка связана с опорными накладками лапами 3 и 7, которые перед сваркой узла могут перемещаться вдоль хребтовой балки в зависимости от конкретных зазоров между опорой и котлом. Такая конструкция обеспечивает существенное снижение технологических напряжений. Применение опорных упрощенных элементов вместо прежних опорных конструкций стало возможным в результате подкрепления котла кольцевыми шпангоутами 23. осуществленное в данной конструкции дополнительное соединение 2 концевых участков котла с хребтовой балкой повышает ее сопротивление большим продольным усилиям, возникающим при соударении вагонов. Основные части котла и опор изготовлены из низколегированной стали марки 09Г2С(ГОСТ 5520 - 79). Восьмиосной цистерне присвоен государственный знак качества.

Перевозка различных нефтепродуктов а цистернах общего назначения связана со значительными трудностями их выгрузки из котлов. Для облегчения слива таких грузов созданы цистерны с наружной подогревательной рубашкой (кожухом).

Рубашка 1 (рис 4) расположена в нижней части котла. Она образуется стенками котлаи наружным листом, которые связаны между собой каркасом из углового проката. Для пологрева груза подается пар в рубашку через штуцер кожуха сливного прибора 2, а выход пара или конденсата происходит через два патрубка, расположенных по концам котла. Сливной прибор цистерны вместо резинового уплотнительного кольца клапана имеет медное кольцо, что обусловлено высокой температурой наливаемого в котел груза и большой его вязкостью.

Рис2-4

Унифицированные узлы и элементы нефтебензиновых цистерн включают люк-лаз для загрузки продукта и технического обслуживания и доступа внутрь котла, сливной прибор для слива груза, предохранительный клапан для ограничения избыточного давления в котле при повышении температуры груза и предохранительно-выпускной клапан для защиты котла от вакуума при охлаждении груза и конденсации его паров. В настоящее время цистерны выпускаются с предохранительно-выпускным клапаном, в конструкции которого объединены предохранительный клапан избыточного давления и предохранительно-выпускной (вакуумный) клапан. Нижний лист котла цистерны имеет уклон к сливному прибору для обеспечения полного слива продукта. Восьмиосные цистерны имеют по два люка-лаза, сливных прибора и предохранительно-выпускных клапана. При нахождении цистерны в эксплуатации на путях МПС люк-лаз всегда должен быть опломбирован. Пломбирование крышки люка производится перед каждым выходом цистерны на пути МПС как в груженом, так и в порожнем состояниях.

Достоинствами таких цистерн являются: значительное сокращение времени слива; устранение обводнения груза, происходящего при разогреве подводимым к нему острым паром; уменьшение расхода пара. К недостаткам можно отнести увеличение тары (на 1т), вызванное устройством рубашки, которая используется только при сливе высоковязких грузов.

В конструкции цистерн используются типовые узлы автосцепного устройства, автотормозного оборудования и ходовые части.

2.2 УСТРОЙСТВО ХОДОВЫХ ЧАСТЕЙ

В ходовых частях восьмиосных цистерн - четырехосные тележки 1(рис 5) типа ЦНИИ-ХЗ-О, связанных соединительной балкой 2. Эта балка снизу по концам имеет пятники и скользуны, которымиона опирается на подпятники и скользуны надрессорных балок двухосных тележек. Сверху в средней части соединительной балки расположены подпятник диаметром 450мм, на который опирается пятник рамы кузова, и скользуны, поддерживающие кузов при действии боковых сил.

Центральный подпятник четырехосной тележки имеет длинный шкворень, а крайние пятники центрируются короткими шкворнями с буртом в средней части, который препятствует выходу конца шкворня за пределы верхней плоскости соединительной балки.

Сложность формы соединительной балки тележки обусловлена необходимостью воспринятия больших вертикальных нагрузок и стесненными габаритами размещения. Нижнее очертание балки сделано таким, чтобы обеспечивались над осями внутренних колесных пар тележки зазоры 120мм, которые требуются на случай полного сжатия пружин рессорных комплектов , допустимой разности диаметров колес и неблагоприятного совпадения допусков на изготовление. Верхнее очертание балки обусловлено стремлением уменьшить эксцентриситет между продольными осями хребтовой балки и автосцепки, а также обеспечить зазоры, необходимые для безопасного прохода вагоном сортировочной горки.

База тележки, равная расстоянию между центрами подпятников двухосных тележек, составляет 3.2 м и является оптимальной по условиям воздействия восьмиосных вагонов на железнодорожный путь при минимальной массе соединительной балки.

Рис2-5

2.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

Опыт показывает, что часто о свойствах металлов судят только по их твердости, пределу прочности и относительному удлинению, абсолютизируя их значимость. Исходя только из этих параметров пытаются делать серьёзные выводы по конкретному металлу или сравнивать разные сплавы. На самом деле этой информации абсолютно недостаточно для решения вопроса о пригодности материала для конкретной задачи. Кроме механических и физических свойств применяемость металлов и сплавов определяют а) степень неупругих проявлений, б) конструкционная прочность, в) износостойкость, г) устойчивость к коррозии и др.

На этой странице мы выясним, что определяют параметры механических свойств, а также рассмотрим основные показатели конструкционной прочности. На других страницах будут рассмотрены вопросы износостойкости и коррозионной стойкости . В тексте специально даны ссылки на ГОСТы, в которых приведены методики соответствующих испытаний и точное определение терминов. Кроме того описание методик полезно для лучшего понимания описываемых свойств и процессов.

1. УПРУГИЕ И ПЛАСТИЧЕСКИЕ ДЕФОРМАЦИИ

Механические свойства металлов и сплавов определяются тем, как они воспринимают внешние нагрузки, т.е. сопротивляются деформированию и разрушению. При их деформировании наблюдается два различных вида деформаций - упругие и пластические, - которые отличаются и внешними проявлениями и внутренними механизмами. Понятно, что свойства, определяющие упругое и пластическое состояние металлов, должны описываться разными характеристиками.

Упругие деформации происходят за счет изменения межатомных расстояний, поэтому они не изменяют структуру металла и являются обратимыми. Обратимость означает, что после снятия нагрузки остаточная деформация отсутствует.

Пластические деформации возникают за счет образования и движения дислокаций, они изменяют структуру и свойства металла. После снятия нагрузки деформации остаются, т.е. пластические деформации носят необратимый характер.

ПОКАЗАТЕЛИ УПРУГОГО И ПЛАСТИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ

ПРЕДЕЛЫ ПРОПОРЦИОНАЛЬНОСТИ, УПРУГОСТИ и ТЕКУЧЕСТИ.

Область напряжений, при которых происходит только упругая деформация, ограничена пределом пропорциональности у пц . В этой области в каждом зерне имеют место только упругие деформации, а для образца в целом выполняется закон Гука - деформация пропорциональна напряжению (отсюда и название предела).

С повышением напряжения в отдельных зернах возникают условия для движения дислокаций и в них начинается пластическая деформация, но пока доля таких зерен невелика это не проявляется на деформации образца в целом (пластической макродеформации нет).

Напряжение, при котором появляются первые признаки макропластической деформации, называется условным пределом упругости. В его обозначении индекс указывает на величину остаточной деформации (в процентах), для которой произведено определение предела упругости, например у 0.01 .

Напряжение, при котором пластическая деформация проявляется уже в большей степени, называется условным пределом текучести. Чаще всего он определяется при величине остаточной деформации 0.2% и обозначается у 0.2 .

Формально, различие между пределами упругости и текучести связано с точностью определения «границы» между упругим и пластическим состоянием, что и отражает слово «условный». Очевидно, что у пц <у 0.01 <у 0.2 . Однако именно предел пропорциональности или упругости определяет проявления неупругих свойств и предел усталости. Кроме этого термообработка может увеличить предел упругости без изменения предела текучести. Это означает, что величина этих пределов определяется разными процессами.

Отсутствие резкой границы между упругим и пластическим состоянием означает, что в интервале напряжений между у пц и у 0.2 происходят и упругие и пластические деформации.

Упругое состояние существует до тех пор, пока во всех зернах металла дислокации неподвижны. Переход к пластическому состоянию наблюдается в таком интервале нагрузок, при которых движение дислокаций (и, следовательно, пластическая деформация) происходит только в отдельных кристаллических зернах, а в остальных продолжает реализовываться механизм упругой деформации. Пластическое состояние реализуется, когда движение дислокаций происходит во всех зернах образца. После перестройки дислокационной структуры (завершения пластической деформации) металл возвращается в упругое состояние, но с измененными упругими свойствами. Поскольку пластическая деформация происходит на фоне упругой деформации, то пластическое состояние часто называют упруго-пластическим. но очень часто термин "упруго-пластическое" относится к переходной области, когда прекращается упругая деформация и начинаются процессы пластической деформации.

Очень часто в качестве «границы» между упругим и пластическим состоянием приближенно принимают величину условного предела текучести у 0.2 . Значения пределов пропорциональности и упругости, которые намного точнее определяют границу упругого состояния, обычно приводят для металлов, применяющихся для изготовления пружин.

Приведенные обозначения пределов соответствуют одноосному растяжению, диаграмма которого приведена на рисунке. Аналогичные по смыслу пределы определяют для сжатия, изгиба и кручения.

Рассмотренная диаграмма характерна для металлов, у которых переход от упругого состояния к пластическому очень плавный. Существуют металлы с ярко выраженным переходом в пластическое состояние. Диаграммы растяжения таких металлов имеют ярко выраженный горизонтальный участок, и они характеризуются не условным, а физическим пределом текучести. ример такой диаграммы см. на сайте http://www.physics-words.com/130/207/2770120.html.. По достижении физического предела текучести небольшое увеличение напряжения приводит к резкому удлинению образца, металл как-бы течет, отсюда и название предела.

ХАРАКТЕРИСТИКИ УПРУГОГО СОСТОЯНИЯ

Самые важные параметры упругого состояния - предел упругости (или очень грубо - предел текучести у 0.2 ) и модули упругости.

Предел текучести определяет предельно допустимые эксплуатационные нагрузки , при которых металл испытывает только упругие или небольшие допустимые упруго-пластические деформации. (как отмечалось, значения предела упругости или пропорциональности определяют границу упругости намного точнее)

Модули упругости характеризуют сопротивление материала действию нагрузки в упругом состоянии. Модуль Юнга E определяет сопротивление нормальным напряжениям (растяжение, сжатие и изгиб), а модуль сдвига G - касательным напряжениям (кручение). Чем больше модули упругости, тем больше наклон упругого участка на диаграмме деформации (см. рисунок), тем меньше величина упругих деформаций при равных напряжениях и, следовательно, больше жесткость конструкции. Упругие деформации не могут быть больше величины у упр /Е.

Таким образом, модули упругости определяют предельно допустимые эксплуатационные деформации (с учетом величины предела текучести) и жесткость изделий . Модули упругости измеряются в тех же единицах, что и напряжение (МПа или кгс/мм 2 ).

Конструкционные материалы должны сочетать высокие значения пределов текучести (выдерживают большие нагрузки) и модулей упругости (обеспечивают большую жесткость).Модуль упругости Е имеет одинаковую величину при сжатии и растяжении. Однако, пределы текучести при сжатии и растяжении могут отличаться. Поэтому при одинаковой жесткости, диапазоны упругости при сжатии и растяжении могут быть различны.

В упругом состоянии металл не испытывает макро пластических деформаций, однако в его отдельных микроскопических объемах могут происходить локальные микро пластические деформации. Они являются причиной так называемых неупругих явлений, существенно влияющих на поведение металлов в упругом состоянии. При статических нагрузках проявляются упругое последействие и релаксация, а при динамических - внутреннее трение.

Упругое последействие - самопроизвольное изменение величины деформации при неизменном напряжении. Оно характеризуется разностью между начальной и конечной деформацией. Примером его проявления является изменение со временем деформации пружин и мембран, работающих под нагрузкой. Чем меньше последействие металла - тем стабильнее размеры изделия под нагрузкой.

Релаксация - самопроизвольное уменьшение напряжений в изделии при неизменной деформации, характеризуется разностью между начальным и конечным напряжением. Примером её проявления является ослабевание со временем натяжных соединений. Чем меньше релаксация, тем стабильнее действующие напряжения.

Внутреннее трение определяет необратимые потери энергии при переменных нагрузках. Потери энергии характеризуются декрементом затухания или коэффициентом внутреннего трения. Металлы с большим декрементом затухания эффективно гасят звук и вибрации, меньше подвержены резонансу (один из лучших демпфирующих металлов - серый чугун). Металлы с низким коэффициентом внутреннего трения, наоборот минимально влияют на распространение колебаний (например колокольная бронза). В зависимости от назначения металл должен иметь высокое внутреннее трение (амортизаторы) или, наоборот, низкое (пружины измерительных приборов).

С повышением температуры упругие свойства металлов ухудшаются. Это проявляется в сужении упругой области (за счет уменьшения пределов упругости), усилении неупругих явлений и уменьшении модулей упругости.

Металлы, которые используются для изготовления упругих элементов, изделий со стабильными размерами должны иметь минимальные проявления неупругих свойств. Это требование лучше выполняется когда предел упругости значительно превышает рабочее напряжение. Кроме этого важно соотношение пределов упругости и текучести. Чем больше отношение у у / у 0.2 , тем меньше проявление неупругих свойств. Когда говорят, что металл обладает хорошими упругими свойствами, обычно подразумевается не только высокий предел упругости, но и большое значение у у / у 0.2.

ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ

При напряжениях, превышающих предел текучести у 0.2 , металл переходит в пластическое состояние. Внешне это проявляется в снижении сопротивления действующей нагрузке и видимым изменением формы и размеров. После снятия нагрузки металл возвращается в упругое состояние, но остается деформированным на величину остаточных деформаций, которые могут намного превышать предельные упругие деформации. Изменение дислокационной структуры в процессе пластической деформации увеличивает предел текучести металла - происходит его деформационное упрочнение.

Обычно пластическую деформацию исследуют при одноосном растяжении образца. При этом определяются временное сопротивление у в , относительное удлинение после разрыва д и относительное сужение после разрыва ш. Картина растяжения при напряжениях, превышающих предел текучести, сводится к двум вариантам, представленным на рисунке.

В первом случае (рисунок на вставке) наблюдается равномерное растяжение всего образца - происходит равномерная пластическая деформация, которая завершается разрывом образца при напряжении у в . В этом случае у в имеет смысл условного предела прочности при растяжении, а д и ш определяют максимальную равномерную пластическую деформацию.

Во втором случае образец сначала растягивается равномерно, а после достижения напряжения у в образуется местное сужение (шейка) и дальнейшее растяжение, вплоть до разрыва, сосредоточено в области шейки. В этом случае д и ш являются суммой равномерной и сосредоточенной деформаций (см. рис.). Поскольку «момент» определения временного сопротивления уже не совпадает с «моментом» разрыва образца, то у в определяет не предельную прочность, а условное напряжение, при котором завершается равномерная деформация. Тем не менее, величину у В часто называют условным пределом прочности при растяжении независимо от наличия или отсутствии шейки.

В любом случае разница (у в - у 0.2 ) определяет интервал условных напряжений, в котором происходит равномерная пластическая деформация, а отношение у 0.2 / у В характеризует степень упрочнения. В отожженном металле у 0.2 / у В =0.5-0.6. а после деформационного упрочнения (наклепа) оно увеличивается до 0.9-0.95.

Слово «условный» применительно к у в означает, что оно меньше «истинного» напряжения S Действующего в образце. Дело в том, что напряжение у определяется как отношение растягивающей силы к площади начального сечения образца (что удобно), а истинное напряжение S должно определяться по отношению к площади сечения в момент измерения (что сложнее). В процессе пластической деформации происходит утончение образца и по мере растяжения разница между условным и истинным напряжением увеличивается (особенно после образования шейки).Если строить диаграмму растяжения для истинных напряжений, то кривая растяжения будет проходить над кривой, нарисованной на рисунке без ниспадающего участка.

Металлы могут иметь одинаковое значение у в , но, если у них разные диаграммы растяжения, разрушение образца будет происходить при разных истинных напряжениях S В (их истинная прочность будет различной).

Временное сопротивление у В определяется при нагрузке, действующей в течение десятков секунд, поэтому часто называется пределом кратковременной прочности.

Пластическое деформирование исследуется также при сжатии, изгибе, кручении, диаграммы деформаций при этом подобны приведенной на рисунке. Но по многим причинам одноосное растяжение в большинстве случаев оказывается более предпочтительным. Наименее трудоёмко определение параметров одноосного растяжения у в и д, они всегда определяются при массовых заводских испытаниях, а их значения обязательно приводятся во всех справочниках.

Описание методики испытания металлов на растяжение (и определение всех терминов) приведены в ГОСТ 1497-73 . Испытание на сжатие описано в ГОСТ 25.503-97 , а на кручение - в ГОСТ3565-80.

ПЛАСТИЧНОСТЬ И ВЯЗКОСТЬ

Пластичность - это способность металла изменять форму без нарушения целостности (без трещин, надрывов и тем более разрушения). Она проявляется, когда упругое деформирование сменяется пластическим, т.е. при напряжениях больших предела текучести у в .

Возможности пластического деформирования характеризует отношение у 0.2 /у в . При у 0.2 /у В= 0.5-0.6 металл допускает большие пластические деформации ( д и ш составляют десятки процентов). Наоборот, при у 0.2 /у В =0.95-0.98 металл ведет себя как хрупкий: область пластических деформаций практически отсутствует (д и ш составляют 1-3%).

Чаще всего пластические свойства оценивают по величине относительного удлинения при разрыве д. Но эта величина определяется при статическом одноосном растяжении и поэтому не характеризует пластичность при других видах деформаций (изгиб, сжатие, кручение), больших скоростях деформирования (ковке, прокатке) и высоких температурах.

В качестве примера можно привести латуни Л63 и ЛС59-1, у которых практически одинаковые значения д, но существенно разные пластические свойства. Надрезанный пруток из Л63 в месте разреза сгибается, а из ЛС59-1 обламывается при небольшом усилии. Проволока из Л63 легко расплющивается без образования трещин, а из ЛС59-1 растрескивается после нескольких ударов. Латунь ЛС59-1 легко поддается горячей прокатке, а Л63 прокатывается только в узком диапазоне температур, за пределами которого заготовка растрескивается.

Таким образом, пластичность зависит от температуры, скорости и способа деформации. На пластические свойства сильно влияют многие примеси, часто даже в очень малых концентрациях.

Другой характеристикой пластичности является относительное сужение ш при разрыве. Во многих случаях оно точнее отражает способность металла к прокатке, ковке, осадке. Более точно о пластических свойствах можно судить, если известно соотношение между равномерным и сосредоточенным удлинением (сужением).

На практике для определения пластичности применяются технологические пробы, в которых используются такие способы деформирования, которые больше отвечают соответствующим технологическим процессам.

При испытании на сжатие (близкая аналогия с деформациями при прокатке) определяется величина максимальной деформации, при которой ещё не начинается трещинообразование.

Распространена оценка пластичности по углу изгиба, количеству перегибов или скручиваний, которые выдерживает полуфабрикат без появления трещин и надрывов.

Испытание на выдавливание лунки из ленты (аналогия со штамповкой и глубокой вытяжкой) проводится до появления надрывов и трещин.

Хорошие пластические свойства важны при технологических процессах обработки металлов давлением. При нормальной же эксплуатации металл находится в упругом состоянии и его пластические свойства не проявляются. Поэтому ориентироваться на показатели пластичности при нормальной эксплуатации изделий на первый взгляд нет смысла.

Но если существует вероятность возникновения нагрузок, превышающих предел текучести, то желательно, чтобы материал был пластичен. Хрупкий металл разрушается сразу после превышения некоторого предела, а пластичный материал способен, не разрушаясь, поглотить достаточно избыточной энергии.

Понятия вязкости и пластичности часто отождествляют, но эти термины характеризуют разные свойства:

Пластичность - определяет способность деформироваться без разрушения, она оцениваются в линейных, относительных или условных единицах.

Вязкость - определяет количество энергии, поглощаемой при пластической деформации, она измеряется с использованием единиц энергии

Величина энергии, необходимой для разрушения материала, равна площади под кривой деформации на диаграмме «истинное напряжение - истинная деформация». Это означает, что она зависит и от максимально возможной деформации и от прочности металла. Способ определения энергоемкости при пластической деформации описан в ГОСТ 23.218-84 .

ТВЕРДОСТЬ

Обобщенной характеристикой упруго-пластических свойств является твердость.

Твердость - это свойство поверхностного слоя материала сопротивляться внедрению другого, более твердого тела, при его сосредоточенном воздействии на поверхность материала. «Другое, более твердое тело» - это индентор (стальной шарик, алмазная пирамида или конус), вдавливаемый в испытываемый металл.

Напряжения, вызванные индентором, определяются его формой и силой вдавливания. В зависимости от величины этих напряжений в поверхностном слое металла происходят упругие, упруго-пластические или пластические деформации. В первом случае снятие нагрузки не оставляет следа на поверхности. Если напряжение превышает предел упругости металла, то после снятия нагрузки на поверхности остаётся отпечаток.

Если построить диаграмму деформации для вдавливания, она будет качественно подобна диаграмме растяжения с участками упругого, упруго-пластического и пластического деформирования. В зависимости от условий испытания твердость характеризует сопротивление различным видам деформаций. Чем меньше отпечаток, тем выше сопротивление вдавливанию и тем большей считается твердость. По величине сосредоточенного усилия, ещё не оставляющего отпечатка, можно определить твердость на пределе текучести ( ГОСТ 22762-77) .

В хрупких материалах вдавливание приводит к локальному разрушению, по краям отпечатка могут быть трещины. Поэтому твердость хрупких материалов характеризует сопротивление локальному разрушению при действии сосредоточенной нагрузки.

Численное определение твердости производится по методикам Виккерса, Бринелля и Роквелла.

В методе Роквелла ( ГОСТ 9013-59 ) твердость измеряется в условных единицах HR, которые отражают степень упругого восстановления отпечатка после снятия нагрузки. Т.е. число твердости по Роквеллу определяет сопротивление упругим или малым пластическим деформациям. В зависимости от вида металла и его твердости используют разные шкалы. Чаще всего используется шкала С. По ней, в единицах HRC, определяется твердость поверхностного слоя сталей после упрочняющей термообработки. В единицах HRC выражают требования к уровню прочности стальных деталей. Твердость HRC в наибольшей степени отражает уровень рабочих характеристик высокопрочных сталей, а с учетом простоты измерений по Роквеллу, очень широко применяется на практике. Подробно о методе Роквелла с описанием различных шкал и твердости разных классов материалов см. http://www.fast-const.ru/articles.php?article_id=2

Твердость по Виккерсу и Бринеллю определяется как отношение усилия вдавливания к площади контакта индентора и металла при максимальном внедрении индентора. Т.е. числа твердости HV и HB имеют смысл среднего напряжения на поверхности невосстановленного отпечатка, измеряются в единицах напряжения (МПа или кгс/мм) и определяют сопротивление «малым» или «большим» пластическим деформациям. Основное различие между этими методами связано с формой индентора.

Применение алмазной пирамиды в методе Виккерса ( ГОСТ 2999-75 , ГОСТ Р ИСО 6507-1 ) обеспечивает геометрическое подобие пирамидальных отпечатков при любой нагрузке - соотношение глубины и размера отпечатка при максимальном вдавливании не зависит от приложенного усилия. Это позволяет достаточно строго сравнивать твердость разных металлов, в том числе результаты, полученные при разных нагрузках.

Шаровые инденторы в методе Бринелля ( ГОСТ 9012-59 ) не обеспечивают геометрического подобия сферических отпечатков. Это приводит к необходимости выбирать величину нагрузки в зависимости от диаметра шарового индентора и вида испытуемого материала по таблицам рекомендуемых параметров испытаний. Следствием этого является неоднозначность при сравнении чисел твердости HB для разных материалов.

Зависимость определяемой твердости от величины приложенной нагрузки (небольшая для метода Виккерса и очень сильная в методе Бринелля) требует обязательного указания условий испытания при записи числа твердости (см. ГОСТы), хотя это правило часто не соблюдается.

Область воздействия индентора на металл сопоставима с размерами отпечатка, т.е.твердость характеризует локальные свойства полуфабриката или изделия. Если поверхностный слой (плакированный или упрочненный) отличается по свойствам от основного металла, то измеряемые значения твердости будут зависеть от соотношения глубины отпечатка и толщины слоя - т.е. будут зависеть от метода и условий измерения. Результат измерения твердости может относиться или только к поверхностному слою или к основному металлу с учетом его поверхностного слоя. Как уже говорилось, твердость HRC характеризует состояние именно поверхностного слоя (в частности, после упрочнения).

При измерении твердости определяется результирующее сопротивление внедрению индентора в металл без учета отдельных структурных составляющих. Усреднение происходит, если размер отпечатка превосходит размер всех неоднородностей. Твердость отдельных фазовых составляющих (микротвердость) определяется по методу Виккерса ( ГОСТ 9450-76 ) при малых усилиях вдавливания.

Прямой взаимосвязи между разными шкалами твердости не существует, отсутствуют и обоснованные методы перевода чисел твердости из одной шкалы в другую. Имеющиеся таблицы, формально связывающие различные шкалы, построены по данным сравнительных измерений и справедливы только для конкретных категорий металлов. В таких таблицах числа твердости обычно сопоставляются с числами твердости HV. Это связано с тем, что метод Виккерса позволяет определять твердость любых материалов (в других методах диапазон измеряемой твердости ограничен) и обеспечивает геометрическое подобие отпечатков.

Графическая связь между шкалами Роквелла и Виккерса см.http://www.gordonengland.co.uk/hardness/hardness_conversion.gif.

для сталей - http://www.grantadesign.com/images/hardness.fe2.gif

То же для цветных сплавов - http://www.grantadesign.com/images/hardness.al1.gif

Табличная связь между всеми шкалами для сталей есть вhttp://www.freetechnicalcharts.com/images/Steel_hardness_conversion_chart.jpg

Также не существует прямой связи твердости с пределами текучести или прочности, хотя на практике часто используется соотношение у в = k НВ. Значения коэффициента k определяются на основе сравнительных испытаний для конкретных классов металлов и варьируются от 0.15 до 0.5 в зависимости от вида металла и его состояния (отожженный, нагартованный и т.д.).

Изменения упругих и пластических свойств с изменением температуры, после термической обработки, нагартовки и т.д. проявляются в изменении твёрдости. Твердость измеряется быстрее, проще, допускает неразрушающий контроль. Поэтому изменение характеристик металла после различных видов обработки удобно контролировать именно по изменению твердости. Например, упрочнение, увеличивая у 0.2 и у 0.2 /у в , увеличивает твердость, а отжиг её уменьшает.

В большинстве случаев твердость определяется при комнатной температуре при воздействии индентора менее минуты. Определяемая при этом твердость называется кратковременной твердостью. При высоких температурах, когда развивается явление ползучести (см. ниже), определяется длительная твердость - реакция металла на длительное воздействие индентора (обычно в течение часа). Длительная твердость всегда меньше кратковременной и это различие растет с увеличением температуры. Например в меди кратковременная и длительная твердость при 400 о С составляет 35HV и 25HV , а при 700 о С - 9HV и 5HV соответственно.

Рассмотренные методы относятся к статическим: индентор внедряется медленно, а максимальная нагрузка действует достаточно долго для завершения процессов пластической деформации (10 - 180с). В динамических (ударных) методах воздействие индентора на металл кратковременно, поэтому и деформационные процессы протекают иначе. Различные варианты динамических методов используются в портативных твердомерах.

При столкновении с исследуемым материалом энергия индентора (бойка) расходуется на упругую и пластическую деформацию. Чем меньше энергии израсходовано на пластическую деформацию образца, тем выше должна быть его «динамическая» твердость, которая определяет сопротивление материала упруго-пластическому деформированию при ударе. Первичные данные пересчитываются в числа «статической» твердости (HR, HV, HB), которые и отображаются на приборе. Такой пересчет возможен только на основе сравнительных измерений для конкретных групп материалов.

Существуют также оценки твердости по сопротивлению абразивному изнашиванию или резанию, которые лучше отражают соответствующие технологические свойства материалов.

Из сказанного следует, что твердость не является первичным свойством материала, скорее это обобщенная характеристика, отражающая его упруго-пластические свойства. При этом, выбор метода и условий измерения может преимущественно характеризовать или его упругие или, наоборот, пластические свойства.

ПОКАЗАТЕЛИ КОНСТРУКЦИОННОЙ ПРОЧНОСТИ

При одноосном растяжении разрушение происходит при достижении предела прочности у в уже после завершения пластической деформации. Однако, в реальных условиях металлы разрушаются при напряжениях, не превышающих даже предела текучести у 0.2 . Это означает, что величина у вне определяет реальную прочность металлов и для её описания нужны другие характеристики.

Практика показывает, что долговечность изделия определяют 1) конструкционная прочность, 2) износостойкость и 3) коррозионная стойкость соответствующего материала при соответствующих условиях эксплуатации. Именно эти свойства определяют выбор материала в большинстве практических задач.

ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ (ВЯЗКОСТЬ РАЗРУШЕНИЯ)

В металлах всегда имеются концентраторы напряжений. Ими являются неоднородности структуры (примеси, упрочняющие фазы), дефекты (внутренние и поверхностные трещины), конструктивные особенности изделия (надрезы, резкие изменения в сечении). Механизмы разрушения связаны с микропластическими деформациями, которые развиваются вблизи концентраторов напряжений и с течением времени приводят к зарождению трещины.

По скорости распространения трещины различают вязкое и хрупкое разрушение. При хрупком разрушении она достигает скорости 1000 м/с, а при вязком - в сотни раз меньше. Для вязкого разрушения требуется значительно больше энергии, поскольку область деформации охватывает область металла далеко за пределами трещины. При хрупком разрушении деформация локализована в узкой области у вершины трещины, поэтому для её продвижения требуется намного меньше энергии.

Пока трещина развивается медленно, изделие сохраняет работоспособность. Но после того, как трещина достигает некоторой критической величины, её дальнейшее распространение происходит очень быстро и наступает катастрофическое разрушение конструкции. Чем медленнее развивается трещина, тем больше конструкционная прочность. Для характеристики конструкционной прочности используют несколько величин ( ГОСТ 25.506-85 ).

Важнейшим параметром конструкционной прочности материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины К 1С (или вязкость разрушения). Он учитывают длину трещины и процесс её развития. Его знание позволяет рассчитывать максимально допустимую нагрузку в конструкции с трещиной таких размеров, при которых ещё не начинается её быстрое развитие до полного разрушения. В конструкционных сталях, алюминиевых и титановых сплавах К 1С изменяется в широких пределах - от 15 до 200 МПа*м.Чем больше его значение, тем выше конструкционная прочность материала.

...