Производственные технологии

При работе деталей машин возможны динамические нагрузки, при которых многие металлы проявляют склонность к хрупкому разрушению. Опасность разрушения усиливают надрезы — концентраторы напряжений. Для оценки склонности металла к хрупкому разрушению под влиянием этих факторов проводят динамические испытания на ударный изгиб на маятниковых копрах (рис. 1). Стандартный образец устанавливают на две опоры и посредине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний — ударную вязкость:

KC = K/S'₀ ,

где S'_{0 — площадь поперечного сечения образца в месте надреза.}

Единица измерения ударной вязкости — мегаджоуль на квадратный метр (МДж/м²).

В соответствии с ГОСТ 9454–78 предусмотрены испытания образцов с концентратором напряжений трех видов: (U-образным (радиус надреза r = 1мм); V-образным (r = 0,25 мм) и Т-образным (трещина усталости, созданная в основании надреза). Соответственно ударную вязкость обозначают: KCU, КСТ, KCV. Основным критерием ударной вязкости является KCU. Она состоит из двух составляющих:

KCU = КС₃ + КС_р,

где КС₃ — работа зарождения трещины; КС_Р? КСТ — работа распространения трещины. Чем острее надрез, тем меньше КС₃. Критерий КСТ является критерием трещиностойкости, оценивающим сопротивление материала распространению трещины.

Рис. 1. Схема маятникова копра (а) и испытание под удар (б):

1 — образец; 2 — маятник; 3 — шкала; 4 — стрелка шкалы; 5 — тормоз

Ударная вязкость из всех характеристик механических свойств наиболее чувствительна к снижению температуры. Поэтому испытания на ударную вязкость при пониженных температурах используют для определения порога хладноломкости — температуры или интервала температур, в котором происходит снижение ударной вязкости.

Хладноломкость — свойство металлического материала терять вязкость, хрупко разрушаться при понижении температуры. Хладноломкость проявляется у железа, стали, металлов и сплавов, имеющих ОЦК или ГП решетку. Она отсутствует у металлов с ГЦК решеткой.

Рис. 2. Влияние температуры испытания на процент вязкой составляющей в изломе (В) и ударную вязкости материала KCU, КСТ

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости (рис. 2) в интервале температур (t_B-t_x) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения). Строение излома изменяется от волокнистого матового при вязком разрушении (t ? t_B) до кристаллического блестящего при хрупком разрушении (t ? t_x). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (t_B — t_H) либо одной температурой t₅₀ при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и КСТ снижается наполовину.

Многие детали машин (валы, шатуны, зубчатые колеса) испытывают во время работы повторяющиеся циклические нагружения. Цикл напряжения — совокупность изменения напряжений между двумя его предельными значениями ?_max и ?_min в течение периода Т. При экспериментальном исследовании сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения (рис.3). Он характеризуется коэффициентом асимметрии цикла R = ?_min/?_max; амплитудой напряжения ?_a = (?_max — ?_min)/2; средним напряжением цикла ?_m = (?_max+?_min)/2.

Различают симметричные циклы (R = -1) и асимметричные (R изменяется в широких пределах). Различные виды циклов характеризуют различные режимы работы деталей машин.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости — выносливостью (ГОСТ 23 207- 78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке (меньших предела текучести или временного сопротивления).

2. Разрушение начинается на поверхности (или вблизи от нее) локально, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.

3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости, постепенное развитие и слияние некоторых из них в одну магистральную трещину и быстрое окончательное разрушение.

4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон — усталости и долома (рис.4). Очаг разрушения примыкает к поверхности и имеет небольшие размеры и гладкую поверхность.

Зону усталости формирует последовательное развитие трещины усталости.

Рис. 3. Синусоидальный цикл изменения напряжений

В этой зоне видны характерные бороздки, которые имеют конфигурацию колец, что свидетельствует о скачкообразном продвижении трещины усталости. Зона усталости развивается до тех пор, пока в уменьшающемся рабочем сечении напряжения возрастут настолько, что вызовут его мгновенное разрушение.

Эту последнюю стадию разрушения характеризует зона долома.

Рис. 4. Излом усталостного разрушения: 1 — очаг зарождения трещины; 2 — зона усталости; 3 — зона долома (схема) О способности материала работать в условиях циклического нагружения судят по результатам испытаний образцов на усталость (ГОСТ 25.502−79). Их проводят на специальных машинах, создающих в образцах многократное нагружение (растяжение-сжатие, изгиб, кручение). Образцы (не менее 15 шт.) испытывают последовательно на разных уровнях напряжений, определяя число циклов до разрушения. Результаты испытаний изображают в виде кривой усталости, которая в логарифмических координатах: максимальное напряжение цикла ?_max (или ?_a) — число циклов нагружений n cостоит из участков прямых линий (рис.5). Горизонтальный участок определяет напряжение, которое не вызывает усталостного разрушения после неограниченно большого или заданного (базового N_?) числа циклов. Это

Рис. 5. Кривые усталости для стали (1 ) и цветных металлов (2)

напряжение представляет собой физический предел выносливости ?_R (R — коэффициент асимметрии цикла), при симметричном цикле ? — 1. Наклонный участок кривой усталости характеризует ограниченный предел выносливости, равный напряжению ?_K, которое может выдержать материал в течение определенного числа циклов (N_K).

Кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах испытаний. Кривые без горизонтального участка (кривая 2 на рис. 5.) характерны для цветных металлов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде. Такие материалы имеют только ограниченный предел выносливости.

Рис. 6. Обобщенная диаграмма усталостного разрушения (схема): I — стадия постепенного накопления повреждений до возникновения трещины усталости; II — стадия распространения трещины; III — стадия долома Кривые усталости позволяют определить следующие критерии

1) циклическую прочность - физический или ограниченный предел выносливости. Она характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определенное время работы;

2) циклическую долговечность — число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживают материал до образования усталостной трещины определенной протяженности или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Долговечность также может быть неограниченной (при ?_max < ?_-1) и ограниченной (при ?_max > ?_-1).

Кривые выносливости в области ограниченной долговечности определяют на основе статистической обработки результатов испытаний. Это связано со значительным разбросом долговечности из-за ее высокой чувствительности к состоянию поверхности образцов.

Кроме определения рассмотренных выше критериев многоцикловой выносливости, для некоторых специальных случаев применяют испытания на малоцикловую усталость. Их проводят при высоких напряжениях (выше при ?_0,2) и малой частоте нагружения (обычно не более 5 Гц). Эти испытания имитируют условия работы конструкций (например, самолетных), которые воспринимают редкие, но значительные циклические нагрузки. База таких испытаний не превышает 5*10⁴ циклов, поэтому малоцикловую усталость материала характеризует левая верхняя ветвь кривой усталости (рис. 5).

Кривые усталости характеризуют стадию разрушения и не отражают процессы, ему предшествующие. Более показательна обобщенная диаграмма усталости (рис.6). Она содержит дополнительные линии (штриховые), выделяющие в процессах усталости три стадии.

Обобщенная диаграмма позволяет установить дополнительные критерии выносливости. Из них наиболее важное значение имеет живучесть, определяемая скоростью роста трещины усталости (СРТУ). Живучесть характеризует способность материала работать в поврежденном состоянии после образования трещины (в области II на рис.6). Живучесть (СРТУ) — критерий надежности материала, с помощью которого прогнозируют работоспособность детали, рассчитанную на циклическую прочность по ограниченному пределу выносливости. При высокой живучести (малой СРТУ) можно своевременно путем дефектоскопии обнаружить трещину, заменить деталь и обеспечить безаварийную работу конструкции.

Конструкционная прочность — комплексная характеристика, включающая сочетание критериев прочности, жесткости, надежности и долговечности.

Критерии прочности материала выбирают в зависимости от условий его работы. При статических нагрузках критериями прочности являются временное сопротивление ?_B и предел текучести ?_0,2 (?_T) характеризующие сопротивление материала пластической деформации. Поскольку при работе большинства деталей пластическая деформация недопустима, то их несущую способность, как правило, определяют по пределу текучести. Для приближенной оценки статической прочности используют твердость НВ (для сталей справедливо эмпирическое соотношение ?_B - НВ/3,4).

Большинство деталей машин испытывает длительные циклические нагрузки. Критерий их прочности — предел выносливости ?_R (при симметричном круговом изгибе ?_-1).

По значениям выбранных критериев прочности рассчитывают допустимые рабочие напряжения. При этом, чем больше прочность материала, тем выше допустимые рабочие напряжения и меньше размеры и масса детали.

Однако повышение уровня прочности материала и, как следствие, рабочих напряжений сопровождается увеличением упругих деформаций

?_упр = ? / Е

где Е - модуль нормальной упругости.

Для материалов, используемых в авиационной и ракетной технике, важна эффективность материала по массе. Она оценивается удельными характеристиками: удельной прочностью ?_B/(?g) (где ? — плотность материала; g - ускорение свободного падения) и удельной жесткостью Е/(pg).

В качестве критериев конструкционной прочности выбирают те характеристики, которые наиболее полно отражают прочность в условиях эксплуатации.

Кроме стандартных механических характеристик ?_B и ?_0,2 характеризующих металлургическое и технологическое качество материала, для оценки конструкционной прочности необходимы характеристики прочности при рабочих температурах и в эксплуатационных средах.

Например, для расчета на прочность вала, работающего во влажной атмосфере при 250 °C, необходимы ?_B и ?_{0,2 ,} E при такой температуре, а также ?_-1, определенный во влажной среде и при нагреве.

Работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

1. Критерии прочности ?_B, ?_0,2, ?_-1, которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;

2. Модули упругости Е, G, которые при заданной геометрии детали определяют величину упругих деформаций, т. е. ее жесткость;

3. Пластичность, , ударная вязкость КСТ, KCV, KCU, вязкость разрушения К_1с, порог хладноломкости t_50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;

4. Циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

2. Любой технологический процесс можно рассмотреть как систему более мелких технологических процессов или как часть более сложного технологического процесса.

Например, технологический процесс сборки двигателя автомобиля можно разделить на более мелкие системы сборки блока цилиндров, кривошипно-шатунного механизма и др. С другой стороны сам технологический процесс сборки двигателя является частью технологического процесса сборки автомобиля в целом.

Сложный технологический процесс состоит из: элементарных технологических процессов, технологических операций, технологических и вспомогательных переходов, рабочих и вспомогательных ходов.

Элементарный технологический процесс, который при дальнейшем упрощении теряет свои характерные признаки.

Технологическая операция — законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и характеризуемая постоянством используемого сырья, применяемого оборудования и характером воздействия на сырье.

Технологический переход (Тех.П) — законченная часть технологической операции, характеризуемая постоянством применяемого оборудования и инструмента, режимов работы оборудования и местом воздействия на сырье.

Вспомогательный переход (Всп.П) — часть технологической операции, которая в отличии от технологического перехода не связана с воздействием инструмента на исходное сырье, но необходимая для выполнения технологического перехода (например, установка детали, включение станка, снятие детали и др.)

Рабочий ход (Рх) — элементарное звено технологического перехода, характеризуемое однократным воздействием инструмента на сырье, приводящее к изменению его состояния (формы, размеров, свойств).

Вспомогательный ход (Вх) — часть технологического перехода, характеризуемого однократным действием, не приводящим к изменению состояния сырья.

Структура технологического процесса представлена на рис. 7.

Проиллюстрируем вышеизложенное на примере технологического процесса обработки материалов резанием, включающего технологические операции: точения, сверления, фрезерования. В свою очередь, простейшая операция, например сверление, включает в себя технологический переход (непосредственно сверление) и вспомогательные переходы (установка обрабатываемой детали, инструмента, включение станка, снятие детали после обработки). Технологический переход сверления, в свою очередь, включает — один рабочий ход (снятие стружки и образование отверстия в детали) и два вспомогательных хода (подвод сверла к детали и отвод сверла в исходное положение после получения отверстия).

Рис. 7. Структура технологического процесса

Необходимо отметить, что особенностью технологических операций в некоторых технологических процессах может быть неполный набор их составных элементов (например, отсутствие вспомогательного перехода — в станках автоматах), а для некоторых технологий совмещение по времени вспомогательного хода с рабочим.

Основополагающим звеном в технологическом процессе является рабочий ход — то элементарное звено воздействия на сырье, которое характеризует сущность технологического процесса.

По способу организации технологические процессы делятся на две группы:

1. Процессы с дискретными технологическими циклами характеризуются последовательным проведением всех стадий процесса в одном агрегате. Он образуется при наличии регулярного чередования рабочих и вспомогательных ходов с четким разграничением их по времени реализации. Например, при обработке материалов резанием происходит установка детали на станке, ее обработка, контроль, снятие и так далее с последующими деталями; при обжиге кирпича или термообработке стали, проводимых в печах периодического действия.

Чаще всего технологические процессы с дискретными циклами реализуются в машиностроении, добывающих отраслях промышленности, капитальном строительстве и т. д.

2. Процессы с непрерывными технологическими циклами не имеют резко выраженного чередования во времени рабочих и вспомогательных ходов (характеризуются одновременным выполнением рабочих и вспомогательных ходов), сырье непрерывно вводится в технологический процесс и готовый продукт выдается непрерывно.

Технологические процессы с непрерывными технологическими циклами реализуются в химической промышленности, металлургии, энергетике и т. д.

Наиболее экономичным видом процессов являются непрерывные, имеющие преимущества перед периодическими (дискретными):

— отсутствие простоев, вызываемых загрузкой сырья и выгрузкой готовой продукции;

— возможность максимальной механизации и автоматизации процесса;

— создание благоприятных условий для использования вторичных энергоресурсов (например, тепла отходящих газов в металлургии);

— облегчение работы оборудования (отсутствие режимов его частого пуска);

— повышение качества выпускаемой продукции за счет обеспечения постоянства заданных технологических параметров (температура, давление);

— высокая производительность непрерывных технологических процессов.

Использование непрерывных технологических процессов нецеле-сообразно только при малых масштабах производства, при получении опытных партий.

Уровень технологии любого производства оказывает решающее влияние на его экономические показатели, поэтому выбор оптимального варианта технологического процесса должен осуществляться исходя из важнейших показателей его эффективности — трудоемкости и себестоимости.

Трудоёмкость, показатель, характеризующий затраты рабочего времени на производство определённой потребительной стоимости или на выполнение конкретной технологической операции; показатель трудоемкость является обратным показателю производительности труда, определяет эффективность использования одного из главных производственных ресурсов — рабочей силы. На величину трудоемкости влияет ряд факторов: технический уровень производства (фондо-вооружённость труда и энерговооружённость труда, полезные свойства предметов труда, технология), квалификация работников, организация и условия труда, сложность изготовляемой продукции и др.

В узком смысле под трудоемкостью понимаются средние затраты живого труда на единицу или на весь объём изготовленной продукции. Мера измерения трудоемкости — рабочее время.

Себестоимость — совокупность материальных и трудовых затрат предприятия в денежном выражении, необходимых для изготовления и реализации продукции. Такая себестоимость называется полной. Затраты предприятия, непосредственно связанные с производством продукции, называются фабрично-заводской себестоимостью. Соотношение между различными видами затрат, составляющих себестоимость, представляет собой структуру себестоимости.

Все затраты, необходимые для изготовления продукции, делятся на четыре основные группы:

1) затраты, связанные с приобретением исходного сырья, полуфабрикатов, вспомогательных материалов, топлива, воды, электроэнергии;

2) затраты на заработную плату всего числа работников;

3) затраты, связанные с амортизацией.

4) прочие денежные затраты (цеховые и общезаводские расходы на содержание и ремонт зданий, оборудования, технику безопасности, оплата за аренду помещений, оплата процентов банку и т. д.).

Соотношение затрат по различным статьям себестоимости зависит от вида технологического процесса. Например, в металлургии при производстве металлов главными затратами являются затраты на энергию (так, в производстве алюминия эти затраты составляют 50% себестоимости). В большинстве же химических процессов, особенно в производстве продуктов органического синтеза, полимеров и др., важнейшей статьей себестоимости служат затраты на сырье (около 70%)

Доля заработной платы в себестоимости продукции тем ниже, чем выше степень механизации и автоматизации труда, его производительность.

Анализ структуры себестоимости необходим для выявления резервов производства, интенсификации технологических процессов. Основными путями снижения себестоимости при сохранении высокого качества продукции являются: экономное использование сырья, материалов, топлива, энергии; применение высокопроизводительного оборудования; повышение уровня технологии.

3. При упругопластической деформации под действием внешней силы необратимо изменяются форма и размеры изготовленной из металла детали или испытуемого образца. Во время формации, которую обычно называют пластической, зерна металла под действием силы Р

Рис. 8. Схема пластической деформации отдельного зерна металла

расслаиваются на пачки скольжения. Образующиеся пачки смещаются друг относительно друга, что приводит к вытягиванию зерен в волокна (рис. 8).

В волокнистой структуре между волокнами располагаются различные разделяющие волокна включения, из-за которых пластически деформированный металл анизотропен. Его прочность на разрыв вдоль волокон оказывается выше, чем поперек.

Образованию и перемещению пачек скольжения в зернах предшествует лавинообразный процесс передвижения дислокаций по определенным плоскостям-системам скольжения в кристаллической решетке. Системы скольжения включают те параллельные плоскости, по которым могут передвигаться дислокации. Насчитывается до трех действующих систем. Наиболее легкие условия скольжения в первой, самые трудные — в третьей.

На рис. 9 изображена принципиальная схема передвижения одной из многочисленных дислокаций к границе зерна под действием сдвигового напряжения ?. Экстраплоскость 1−1, содержащая дислокацию, под действием напряжения оттесняет противолежащую полуплоскость 2−2 в промежуточное положение и таким образом превращает ее в новую экстраплоскость. При этом полуплоскость 1^,-1^, становится продолжением бывшей экстраплоскости 1-1 (рис. 9, а, б).

Описанный процесс повторяется с экстраплоскостями и их дислокациями до тех пор, пока экстраплоскость 4-4 не выйдет за границу зерна, образуя при этом ступеньку величиной с параметр решетки (рис. 7. б, в, г).

При эстафетном передвижении экстраплоскости и дислокации каждый раз разрывается только одна связь между атомами, находящимися по разные стороны от плоскости сдвига S-S. Связи между остальными парами атомов, выходящими к данной плоскости сдвига, не разрываются. По мере выхода на границу зерна новых дислокаций образующаяся ступенька растет, превращаясь в зародыш сдвига. Описанное в сочетании с аналогичными процессами вдоль соседних плоскостей сдвига приводит к формированию в зернах и взаимному передвижению пачек скольжения. В течение процесса пластической деформации металла в кристаллической решетке его зерен под действием приложенного напряжения перемещаются не только «старые» дислокации, существовавшие в металле до начала деформации. Под действием этого напряжения, которое по мере развития пластической деформации возрастает, в решетке возникает огромное количество новых дислокаций, создаваемых источниками Франка-Рида. Новые дислокации, возникнув, включаются в работу механизма пластической деформации.

Рис. 9. Схема работы дислокационного механизма пластической деформации (эстафетное движение к границе зерна под действием напряжения ?)

Генерирование новых дислокаций в процессе пластической деформации источниками Франка-Рида происходит непрерывно. Поэтому количество дислокаций на границах зерен, возрастая, достигает критической величины. Вследствие этого на какой-то стадии развития пластической деформации в местах скопления дислокаций и сдвигов пачек скольжения на границах зерен возникают зародыши трещин. Зародыши, которые раньше других достигают критических размеров, превращаются в быстро распространяющиеся трещины, что и приводит металл к разрушению.

Знание дислокационной природы и особенностей механизма пластической деформации металла позволяет уяснить важный вопрос о причине более высокой прочности мелкозернистого металла по сравнению с крупнозернистым.

Вытягивание зерен в процессе деформации связано с выходом на их границы дислокаций, а также с перемещением пачек скольжения. Оно сопровождается поворотом самих расслаивающихся зерен под действием внешней силы. Однако этим элементарным процессам препятствуют границы соседних зерен. Чем мельче зерна, тем больше суммарная площадь их границ и тем больше сопротивление пластической деформации. Влияние размера зерна d на одну из характеристик прочности металла — предел текучести ?_T — отражено в формуле Холла-Петча:

где ?_M — прочность монокристалла; k_y — коэффициент зернограничного упрочнения.

Размером зерна металла можно целенаправленно управлять путем изменения условий кристаллизации или применением термической обработки.