Определение остаточных напряжений в отливках 3 страница

Для проведения лабораторной работы нужно подготовить изложницы к заливке. Кристаллический тиосульфат расплавить в специальной емкости и довести его до температуры 65⁰ С. Расплавленный тиосульфат залить в изложницы до назначенного уровня заполнения (рекомендуется преподавателем). После окончания заполнения к изложнице № 2 подключить проточную воду и наблюдать за процессом кристаллизации. Зафиксировать момент начала кристаллизации и далее через каждые 5 мин определять толщину δ затвердевшей корки твердой фазы в жидком тиосульфате сбоку и снизу изложницы. Результаты измерения занести в таблицу 7.1 для каждой из исследованных изложниц.

 

Таблица 7.1

 

Номер слитка

Время, мин

Кристаллизация снизу

Кристаллизация сбоку

δн, мм

Кн, мм/мин0,5

Vн, мм/мин

δб, мм

Кб, мм/мин0,5

Vб, мм/мин

№1

№2

№1

№2

№1

№2

№1

№2

№1

№2

№1

№2

 

7.5 Результаты экспериментального определения зависимости

толщины корки затвердевания и скорости продвижения

фронта кристаллизации от времени кристаллизации

 

По результатам наблюдения за процессами кристаллизации снизу и сбоку изложницы определяют коэффициент затвердевания К для описания процесса уравнением (7.1) и последующего расчета скорости кристаллизации по уравнению (7.2).

Для этого по измерениям толщины затвердевшей корки в каждый момент времени определяют значения

,

которые затем усредняют:

где K_і - эмпирическое (вычисленное) значение К в і- й точке;

n – число измерений.

Полученное значение есть параметр кристаллизации (коэффициент затвердевания), позволяющий статически описать процесс затвердевания уравнением (7.1) и рассчитать скорость кристаллизации по зависимости (7.2).

Значение К необходимо получить для процессов кристаллизации снизу и сбоку. Результаты расчетов свести в таблицу 7.1 для каждой из исследованных изложниц. Результаты представить графически в системе координат “τ-δ” и “τ-V” с учетом найденного значения К. Зависимости построить для кристаллизации снизу и сбоку.

 

7.6 Содержание отчета

 

Отчет должен содержать: название и цель работы, краткие теоретические сведения, ход работы, схему лабораторной установки (см. рис.7.2), таблицу 7.1, графики изменения толщины затвердевшей корки в зависимости от времени затвердевания по уравнению (7.2).

В выводах изложить выявленные закономерности изменения скорости кристаллизации и толщины затвердевающей корки в процессе кристаллизации, а также влияние условий охлаждения.

 

 

8 Лабораторная работа № 6

 

Влияние содержания влаги и Степени уплотнения

ФОРМОВОЧНОЙ ПЕСЧАНО-ГЛИНИСТОЙ СМЕСИ

на ЕЕ газопроницаемость и Прочность

 

8.1 Цель работы

 

Изучить методику и технологию определения прочности и газопроницаемости формовочных и стержневых смесей, а также исследовать закономерности влияния содержания влаги и степени уплотнения формовочной смеси на ее газопроницаемость и прочность.

 

8.2 Теоретические сведения

 

Литейное производство – широко распространенный процесс получения заготовок или готовых изделий путем заливки расплавленным металлом литейной формы. Во многих случаях литье – единственный способ изготовления нужных изделий. Особенно это проявляется в тех случаях, когда требуется изготовить детали больших размеров и массы, а также сложной конфигурации из малопластичных сплавов (например, чугун).

Наиболее широко применяют литье в песчаные формы, на долю которого приходится до 80 % от общего количества полученных отливок.

Исходными материалами для изготовления формовочных смесей служат формовочные пески и глины, классифицируемые по ГОСТу.

Приготовленные формовочные смеси должны обладать следующими основными свойствами: достаточной прочностью, хорошей газопроницаемостью, низкой газотворностью, пластичностью, податливостью, огнеупорностью.

Газопроницаемостью называется способность формовочной и стержневой смесей пропускать газы, выделяемые компонентами формы и жидким металлом в процессе его заливки в литейную форму и охлаждения в ней. Она зависит от величины и формы зерен формовочного песка, количества глины, степени влажности и степени уплотнения смеси при изготовлении формы.

Метод оценки газопроницаемости основан на определении способности образца материала формовочной смеси пропускать через себя воздух. Содержание этого метода отражено в ГОСТе и заключается в пропускании через стандартный образец 2000 см³ воздуха под давлением 980,7 Па с фиксированием параметров, необходимых для определения газопроницаемости. Стандартным принято считать образец, на уплотнение которого израсходовано 0,93 Дж энергии, т.е. три удара груза на лабораторном копре.

Прочностью называется способность формовочной смеси оказывать сопротивление разрушению при транспортировке форм, а также размывающему действию струи жидкого металла при заливке формы. Прочность зависит от количества введенного в формовочную смесь связующего вещества (глины) и технологических добавок, особенно воды. Поглощая влагу, глина образует пластичную тестообразную массу, склеивающую песчинки смеси и обеспечивающую форме определенные показатели прочности.

Существующие (стандартные) методы определения показателей прочности элементов литейной формы регламентированы ГОСТом и основаны на определении величины напряжений, приводящих к разрушению стандартного образца при приложении к нему нагрузки по соответствующей схеме (сжатие, растяжение, изгиб). В настоящей работе исследуется прочность при сжатии. При этом методе стандартным принят образец формовочной смеси диаметром (50±0,25) мм, высотой (50±0,8) мм, на уплотнение которого израсходована определенная энергия (0,93 Дж, или три удара груза на лабораторном копре).

 

8.3 Материалы, оборудование и принадлежности

 

Для выполнения лабораторной работы необходимы: формовочная смесь, сушильный шкаф, весы лабораторные, мензурка, емкость для приготовления смеси, копер лабораторный, гильза стальная (стандартная) с поддоном, прибор для определения газопроницаемости, прибор для определения прочности.

Лабораторный копер (рис.8.1) имеет станину 1 с отверстием для установки поддонов, кронштейн 3 с направляющими 2 и вертикальным приливом 4. Вдоль направляющих перемещается подъемник 7 вместе с улиткой (эксцентриком) 10 и штоком 5, проходящим через отверстие в кронштейне. Вдоль штока свободно скользит груз 8. Масса падающего груза (6,35±0,15) кг. Высота падения груза (50±0,25) мм. Кольцо 6 ограничивает перемещение груза по штоку. Боек 9 входит в гильзу 11, установленную на поддоне 12, и служит для уплотнения смеси. При повороте улитки на полный оборот груз поднимается на высоту 50 мм и затем падает на подъемник. Энергия падающего груза передается смеси и расходуется на ее уплотнение.

Рисунок 8.1 – Лабораторный копер

 

Для того чтобы установить гильзу с поддоном на основание станины копра, подъемником поднимают шток с грузом в крайнее верхнее положение. Вводят хвостик поддона в отверстие в станине копра и опускают шток без толчков до соприкосновения бойка со смесью.

Высота стандартного образца (50±8) мм. Для контроля высоты образца служат три риски, нанесенные на вертикальном проливе кронштейна. В случае, если верхняя кромка штока после последнего (третьего) удара грузом выходит за пределы крайних рисок, образец бракуется и к испытанию не допускается.

Прибор для определения газопроницаемости (рисунок 8.2) смонтирован на станине 1, на которой закреплены бак 2 для воды, резиновая пробка 8 для установки гильзы 9 с исследуемым образцом 10 и водяной манометр 12. Трубка 3, расположенная в баке, связана воздуховодом 6 через трехходовой кран 7 с рабочим пространством под испытуемым образцом. В нее входит направляющая колокола 4, в котором создается необходимый запас воздуха. На колокол устанавливают калиброванный груз 5, создавая тем самым давление под колоколом на уровне 980,7 Па. Резервуар водяного манометра связан воздуходувом 13 с рабочим пространством под образцом.

Рисунок 8.2 – Прибор для определения газопроницаемости смеси

 

При нулевой газопроницаемости образца в этой системе устанавливается давление, равное 980,7 Па, а воздух не расходуется. Если газопроницаемость образца отлична от нуля, воздух начинает вытекать в атмосферу, давление в системе падает на величину, пропорциональную величине газопроницаемости образца. Величина коэффициента газопроницаемости безразмерна. Для ускоренного определения газопроницаемости расход воздуха в приборе нормируют с помощью ниппеля с калиброванным отверстием, устанавливаемым вместо предохранительной крышки 11. В комплекте прибора имеется два ниппеля – с отверстием диаметром 0,5мм (устанавливается для образцов с газопроницаемостью менее 50) и 1,5мм (с газопроницаемостью более 50). Ниппель поддерживает определенный минутный расход воздуха. Поэтому нет необходимости пропускать через образец 2 000 см³ воздуха. Достаточно зафиксировать только показания манометра и, воспользовавшись таблицами, укрепленными на корпусе бака, определить показатель газопроницаемости.

Прибор для определения прочности (рис.8.3) смонтирован на станине 1 и имеет откидную траверсу 15, подшипники 2 и 5, стойку 16. На стойке шарнирно закреплена подвижная опора 9 с лотком 10, нижней 11 и верхней 13 опорными площадками для установления образца 12. Подвижная опора подвижно связана с рычагом 7, на котором жестко закреплен груз 8. Откидная траверса 15 снабжена винтом 14. При вращении рукоятки 6 с помощью винта 3 передвигается опора 4.

На передней поверхности рычага нанесена шкала, которая соответствует напряжениям сжатия, развиваемым в образце с помощью груза при различных положениях опоры. В исходном состоянии подвижная опора должна быть установлена в крайнее правое положение, а откидная траверса повернута вправо до упора.

 

8.4 Ход работы

 

8.4.1 Исследование влияния содержания влаги на газопроницаемость

и прочность песчано-глинистой формовочной смеси

 

Выполнение этой части работы предусматривает подготовку формовочных смесей различной влажности, изготовление стандартных образцов, испытание их на газопроницаемость и прочность. Опыты проводятся со смесями влажностью 3, 5, 7 и 9 % в следующей последовательности.

1 Взять пробу высушенной формовочной смеси массой 700 г и поместить в емкость для перемешивания.

2 Определить количество воды, необходимое для получения заданного состава (рекомендуется провести исследование при влажности, составляющей 3, 5, 7 и 9 %).

3 С помощью мензурки отмерить вычисленное количество воды и влить в пробу сухой смеси.

4 Перемешать вручную смесь с водой до равномерного распределения влаги.

5 От приготовленной смеси отобрать навеску массой 170 г и высыпать в гильзу, предварительно установленную в поддон.

6 Гильзу со смесью установить на копер и трехкратным ударом груза добиться стандартной степени уплотнения смеси в гильзе. Это произойдет, если верхняя кромка штока после последнего удара остановилась на уровне, ограниченном верхней и нижней рисками на приливе кронштейна. В противном случае образец бракуют, смесь высыпают, разрыхляют и опыт повторяют с корректировкой количества смеси, засыпанной в гильзу.

7 Гильзу с готовым образцом снять с копра и отделить от поддона.

8 Определить газопроницаемость образца, для чего кран прибора перевести в положение “открыто”. Колокол плавно поднять от отметки “Х”. Затем кран установить в положение “закрыто”, на резиновую пробку установить гильзу с образцом. Кран перевести в положение “испытание”, при этом колокол постепенно опустить. В момент прохождения колоколом отметки “О” снять показания манометра.

В зависимости от показаний манометра и диаметра отверстия калиброванного ниппеля газопроницаемость определить по соответствующей таблице, нанесенной на лицевой стороне бака.

Результаты исследования занести в таблицу 8.1.

 

Таблица 8.1

 

Состав формовочной смеси	Номер образца	Содержание влаги, %	Число ударов копра	Энергия, затраченная на уплотнение образца, Дж	Коэффициент газопроницаемости К	Прочность, МПа
Песок формовочный – 90% глина – 10%				0,93
			0,31
			0,62
			0,93
			0,93
			0,93

 

9 Определить прочность на сжатие, для чего опрокинуть гильзу образцом кверху, вставить выталкиватель, сделать упор им в стол и, обхватив гильзу двумя руками, нажать сверху вниз, выталкивая образец. Полученный образец установить на нижнюю опорную площадку прибора, перевести траверсу в вертикальное положение и нажимным винтом опустить верхнюю опорную площадку на образец, стараясь при этом не создавать в последнем механических напряжений. Вращая рукоятку с маховиком против часовой стрелки, перемещать каретку до разрушения образца. По указателю на каретке снять со шкалы значение предела прочности. Освободить лоток от разрушенного образца и привести прибор в исходное положение.

Опыты выполнить со всеми смесями заданной влажности (т.е. 3, 5, 7 и 9 %). Для получения смеси с большей влажностью можно в смесь меньшей влажности добавить разницу количества воды между уже введенным и необходимым (например, для получения смеси с влажностью 5% необходимо в смесь с влажностью 3 % добавить 35 – 21 = 14 г воды).

Результаты исследования записать в таблицу 8.1.

8.4.2 Исследование влияния степени уплотнения

на газопроницаемость и прочность песчано-глинистой смеси

 

Опыты производятся в той же последовательности, что и в первом этапе. Отличие только в степени уплотнения при одной и той же влажности смеси – 5%. Для этого смесь уплотняют последовательно однократным, двукратным и трехкратным ударами.

 

8.5 Содержание отчета

 

Отчет должен содержать: название и цель работы, краткие теоретические сведения, ход работы, результаты исследования в виде табл. 8.1 и графики зависимости газопроницаемости и прочности от содержания влаги и энергии уплотнения с нанесенными на кривых экспериментальными точками, выводы, отражающие полученные закономерности.

 

 

9 Лабораторная работа № 7

 

ИЗУЧЕНИЕ ХАРАКТЕРА ПРЕВРАЩЕНИЙ И ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПО ДИАГРАММАМ СОСТОЯНИЯ

ДВУХКОМПОНЕНТНЫХ СИСТЕМ

 

9.1 Цель работы

 

Изучить приемы анализа диаграмм состояния двухкомпонентных систем, получить навыки в использовании диаграмм состояния для описания превращений в сплавах.

 

9.2 Теоретические сведения

 

9.2.1 Кристаллизация твердых растворов и формирование

их структуры

 

Диаграммы состояния являются наглядным изображением фазового состояния сплавов в равновесных условиях в зависимости от температуры и состава. Диаграммы состояния используют для решения ряда задач. На примере диаграммы состояния системы Cu – Ni, приведенной на рисунке 9.1, а, рассмотрены основные задачи, решаемые с помощью диаграммы состояния, и методы их решения.

 

 

Линия АтВ – линия ликвидуса, выше нее все сплавы находятся в жидком состоянии (Ж). Линия АпВ – линия солидуса, ниже нее все сплавы находятся в твердом состоянии. Сплавы рассматриваемой системы в твердом состоянии представляют собой твердые растворы α.

По диаграмме состояния могут быть решены следующие задачи.

1 Определение температуры критических точек. Для решения этой задачи необходимо найти проекции на ось температур точек пересечения линии сплава (вертикальной линии, проходящей через точку оси концентраций, соответствующую составу заданного сплава) с линиями диаграммы. Так, сплав, содержащий 30% Сu и 70% Ni, (сплав 1) имеет следующие температуры критических точек (см. рис.9.1, а): 1 400⁰ С (точка 1 – начало кристаллизации) и 1 250⁰ С (точка 2 – конец кристаллизации).

2 Определение фазового состояния сплава при заданных температурах. Для решения этой задачи необходимо через точки, характеризующие определенные температуры в различных температурных интервалах охлаждения сплава, провести горизонтальные линии (изотермы) до пересечения с линией сплава. Области расположения точек пересечения определяют фазовое состояние сплава. Так, пусть сплав І (см. рис.9.1, а) охлажден до температур, например: t_a = 1450⁰ С, t_б = 1350⁰ С, t_в = 1100⁰ С. Проведем изотермы t_a, t_б, t_в. Точки пересечения а, б и в характеризуют фазовое состояние сплава при рассматриваемых температурах. Так, при температуре t_a (температурный интервал t₀-t₁) сплав состоит из одной фазы (Ж), при температуре t_б (интервал t₁-t₂) сплав состоит из двух фаз (Ж+ α) и при температуре t_в (интервал t₂-t₃) – из одной фазы (α).

 

3 Определение химического состава фаз сплава, находящихся в равновесии (в двухфазной области). Решение этой задачи для области двухфазного состояния сплава (интервал кристаллизации) осуществляется с помощью первого положения правила отрезков. Для этого необходимо через точку б на линии сплава, характеризующую его состояние при температуре t _б = 1350⁰ С, провести горизонтальную линию (коноду) до пересечения с линиями диаграммы, ограничивающими данную двухфазную область. Проекции точек пересечения на ось концентрации укажут состав фаз. Так, проекция г^/ точки г на ось концентрации указывает химический состав жидкой фазы, а проекция д^/ точки д – твердой фазы. В рассматриваемом сплаве при температуре 1350⁰ С существует жидкая фаза, содержащая 48 % Ni и 52 % Сu (точка г^/) и твердая фаза α, содержащая 86 % Ni и 14% Сu (точка д ^/).

 

4 Определение количественного соотношения между фазами сплава в двухфазной области. Эту задачу решают с помощью второго положения правила отрезков (правила рычага). Согласно этому положению весовые количества фаз сплава, находящиеся в равновесии при определенной температуре, обратно пропорциональны отрезкам коноды.

Обозначим: q - общая масса сплава;

q_ж - масса жидкой фазы;

q_α - масса α-твердого раствора.

Согласно правилу отрезков при t _г =1350⁰ С:

 

, ,

 

, .

 

Подставляя в эти выражения координаты точек по оси концентрации (например, значения концентрации Ni), получим:

(42% от массы всего сплава составляет жидкая фаза);

 

(58% от массы всего сплава составляет твердая фаза)

при рассматриваемой температуре t _г = 1350⁰ С.

Необходимо еще раз подчеркнуть, что правило отрезков может быть использовано только для областей двухфазного состояния сплавов.

 

5 Анализ кристаллизации сплава и построение кривой охлаждения. Рассмотрим с помощью диаграммы состояния процесс кристаллизации сплава І при медленном охлаждении от температуры 1500⁰ С (точка 0 – см. рис.9.1, а). При медленном охлаждении до температуры, соответствующей точке І, сплав сохраняется в жидком состоянии. Линия 0-1 на кривой охлаждения сплава характеризует условия этого охлаждения (см. рисунок 9.1, б). В соответствии с правилом фаз (С=К-Ф+1, где К – число компонентов, Ф – число фаз, С – число степеней свободы) условия равновесного существования сплава (т.е. без изменения фазового состава) на этом участке будут С = 2 – 1 + 1 = 2. Это означает, что сплав будет сохранять однофазное состояние при некотором изменении двух воздействующих факторов, один из которых температура.

В точке І начинается кристаллизация сплава. Это соответствует перегибу на кривой охлаждения сплава в точке І (критическая точка), связанному с уменьшением скорости охлаждения вследствие выделения скрытой теплоты кристаллизации. Кривая охлаждения в интервале кристаллизации сплава 1-2 поэтому более пологая (см. рисунок 9.1, б).

При кристаллизации из жидкого сплава возникают кристаллы твердого раствора меди и никеля, который условно обозначается буквой α. Процесс кристаллизации протекает при понижающейся температуре, т.к. согласно правилу фаз число степеней свободы будет равно единице (С = 2 – 2 + 1 = 1).

При достижении температуры, соответствующей точке 2, (см. рис.9.1, а) сплав полностью затвердевает, и при более низких температурах существует только α-твердый раствор. Вместе с завершением процесса кристаллизации прекращается выделение тепла системой, и в условиях непрерывного охлаждения ускорится процесс отвода тепла – участок 2-3 на рисунке 9.1, б. Моменту окончания кристаллизации соответствует перегиб на кривой охлаждения сплава в точке 2 (критическая точка).

При кристаллизации составы жидкости и вырастающих кристаллов α-твердого раствора, в соответствии с правилом отрезков, будут изменяться (см. рис.9.1, а): состав жидкости – по линии ликвидус от точки 1 (70% Ni, 30% Сu) до точки л (22% Ni, 78% Сu), а состав кристаллов – по линии солидус от точки к (93% Ni, 7% Сu) до точки 2 (70% Ni, 30% Сu). Таким образом, кристаллы твердого раствора будут иметь переменный состав.

В то же время при медленном охлаждении в фазах сплава будет происходить выравнивающая диффузия, что способствует усреднению их состава. Однако процесс диффузии происходит медленно, поэтому в практических условиях состав кристаллов после окончания кристаллизации (ниже линии солидус) не успевает выравниваться, и они оказываются химически неоднородными. Поскольку кристаллы имеют, как правило, форму дендритов, то их оси, которые при кристаллизации возникают первыми, оказываются обогащенными никелем (более тугоплавким компонентом), а межосевое пространство – медью (более легкоплавким компонентом).

Такая химическая неоднородность в пределах дендритного кристалла называется дендритной, или внутрикристаллической, ликвацией.

 

6 Определение структуры сплава Ni-Сu при заданных температурах. В температурном интервале t₀–t₁ (см. рис.9.1, а) сплав находится в жидком (однофазном) состоянии. Таким образом, структура (строение) сплава при этой температуре будет однородной – однофазной. Условно структура сплава приведена на рисунке 9.2, а.

В интервале кристаллизации сплава t₁– t₂ он находится в двухфазном состоянии (Ж+α), как уже было показано ранее. При кристаллизации из жидкости образуются кристаллы твердого раствора α, как правило, дендритной формы. В результате структура сплава будет состоять из дендритов твердого раствора и жидкости (рисунок 9.2, б).

Ниже интервала кристаллизации в температурном интервале t₂ – t₃ структура сплава будет однофазной и состоит из кристаллов твердого раствора. Схематично структура сплава в твердом состоянии приведена на рисунке 9.2, в.

 

9.2.2 Кристаллизация сплавов эвтектического типа

и формирование их структуры

 

На примере диаграммы состояния системы Pb-Sb (рис.9.3) рассмотрим основные приемы описания кристаллизации сплавов эвтектического типа и формирования их структуры.

Линия АСВ – линия ликвидуса, выше этой линии сплавы системы «свинец-сурьма» находятся в жидком состоянии. Линия ДСЕ – линия солидуса, ниже этой линии все сплавы этой системы находятся в твердом состоянии в виде смеси кристаллов свинца и сурьмы.

Сплавы, соответствующие по составу точке С (в данной системе - 13% Sb), называются эвтектическими, расположенные на диаграмме левее точки С – доэвтектическими и расположенные правее точки С – заэвтектическими. Эти сплавы отличаются не только по химическому составу, но и по структуре.

Рассмотрим процесс кристаллизации эвтектического сплава ІІ. Этот сплав является самым легкоплавким. При охлаждении этого сплава от температуры выше ликвидуса, например t₀, до температуры t_с, соответствующей точке С, жидкое состояние сохраняется, процесс охлаждения описывается линией 0-С на кривой охлаждения сплава (см. рисунок 9.3, б). На этом участке охлаждения число степеней свободы С=К–Ф+1=2–1+1=2. Кристаллизация этого сплава начнется при температуре, соответствующей точке С. В процессе кристаллизации из жидкости Ж_с состава точки С одновременно кристаллизуются кристаллы и свинца, и сурьмы, т.е. Ж_с ® Pb+Sb. Такое превращение называется эвтектическим. В ходе этого превращения одновременно сосуществуют три фазы (Ж, Pb и Sb), что определяет процесс, который совершается в условиях, когда число степеней свободы С=К–Ф+1=2–3+1=0. Это объясняет тот факт, что эвтектическая кристаллизация происходит при постоянной температуре и выражается горизонтальной «площадкой» на кривой охлаждения (линия С-С^/, см. рисунок 9.3, б).