Напряжения и деформации в сварочных соединениях. Учёные представили сверхлипкую ткань Определение слова плоть в словарях

В процессе сварки участки соединяемых деталей, которые оказываются в зоне сварного шва и вокруг него, подвергаются интенсивному температурному воздействию: вначале быстро нагреваются до температур плавления, а затем почти с такой же интенсивностью остывают. Деформации и напряжения при сварке - неизбежное следствие таких процессов.

При сверхбыстром нагреве в любом металле происходят структурные изменения. Они вызваны тем, что составляющие микроструктуры любого металла имеют различные размеры зерна.

Применительно к нелегированным средне- и низкоуглеродистым сталям (стали с повышенным содержанием углерода, как известно, свариваются плохо), при различных температурах в них могут образовываться, в основном, следующие структуры:

Аустенит - твердый раствор углерода в α-железе. Образуется при температурах нагрева выше 723 0 С, и существует, в зависимости от процентного содержания углерода в стали, до температур 1100-1350 0 С. Подвижность зерен микроструктуры в таких условиях - высокая, поэтому аустенитные стали довольно пластичны и при медленном охлаждении не обладают значительным уровнем остаточных напряжений. Частично (до 18-20%) аустенит сохраняется и в структуре стали после окончательного охлаждения. Размеры аустенитного зерна составляют 0,27-0,8 мкм.
Карбид железа/цементит . Структура имеет ромбовидную решетку и характеризуется высокой поверхностной твердостью. Размеры зерна находятся в пределах 0,1-0,3 мкм.
Феррит - низкотемпературная, самая мягкая составляющая микроструктуры, образующаяся в процессе сравнительно медленного остывания металла, что и происходит во время выполнения . Зерна феррита - округлые в плане, размером 0,7-0,9 мкм.
Перлит - структура, которая формируется в процессе остывания металла и представляет собой смесь феррита и цементита. В зависимости от скорости охлаждения перлит может быть зернистым или пластинчатым. В первом случае зерна вытянуты вдоль оси заготовки, во втором - имеют округлую форму. Средний размер частиц перлита находится в диапазоне 0,6-0,8 мкм. При повышенных скоростях охлаждения вместо перлита появляется более тонкая структурная составляющая, которую называют трооститом. Размеры зерна троостита не превышают 0,2 мкм.
Мартенсит - неравновесная структурная составляющая, которая существует только в стали, нагретой до температуры выше 750-900 0 С (с повышением процентного содержания углерода начало мартенситного превращения сдвигается в область более низких температур). Фиксируется в составе стали лишь при ее ускоренном охлаждении, например, при закалке. Такой мартенсит имеет зерно размером 0,2-2,0 мкм.

Еще более сложным составом отличаются легированные стали, в микроструктуре которых появляются карбиды и нитриды составляющих. Кроме того, на размеры зерен сильно влияют скорость охлаждения различных участков деталей, состав атмосферы, в которой выполняется нагрев, интенсивность диффузии материала сварочных электродов и т.п.

Таким образом, основной причиной возникновения напряжений в свариваемых конструкциях являются резко различные размеры зерна в микроструктуре сталей.

Классификация напряжений и деформаций

Основной причиной возникновения сварочных напряжений и деформаций является неравномерность свойств соединяемых деталей. Различают внутренние (остаточные) и поверхностные напряжения. Первые образуются в сваренных деталях при их охлаждении. Они вызывают коробление конструкций, а при повышенных параметрах твердости могут приводить к появлению внутренних разрывов в металле. Такие напряжения опасны по следующим причинам:

Не могут быть выявлены визуальным осмотром.
Не являются постоянными во времени, иногда увеличиваются при эксплуатации сварного узла.
Способствуют снижению эксплуатационной стойкости, вплоть до разрушения сварного шва.

Наличие поверхностных напряжений выявляется легко по короблению элементов сварной конструкции, особенно в тонкостенных. Такие напряжения легко исправляются после сварки. Однако, если такие напряжения превышают предел прочности металла, то на поверхности появляются трещины. Для малоответственных изделий их можно заварить, в остальных случаях сварка считается бракованной. Вероятность возникновения напряжений снижается, если сваривать металлы с примерно схожими физико-механическими свойствами. Более опасными считаются объемные сварочные напряжения, поскольку их знак и абсолютное значение трудно оценить обычными методами.

Следствием действия напряжений являются возникающие деформации при сварке. Они могут быть упругими и пластическими. Упругие деформации возникают в результате действия поверхностных напряжений, когда линейные и объемные параметры металла изменяются: увеличиваются в процессе сварки и уменьшаются при охлаждении зоны сварного шва. Пластические деформации - следствие необратимых изменений формы изделия под воздействием внутренних напряжений, превысивших предел прочности металла.

Важной характеристикой качества сварки является коэффициент неравномерности деформации. Он устанавливается по линейным и угловым изменениям исходных размеров деталей по различным координатам. Неравномерность деформации минимальна тогда, когда свариваемые изделия не фиксируются в каком-либо зажимном приспособлении. Например, при контакте с менее нагретыми тисками температурное расширение соединяемого элемента в данном направлении невозможно, поэтому именно там будут сформированы повышенные остаточные напряжения.

Уровень деформаций в зоне сварного шва увеличивается, если ведется сварка резко разнородных между собой металлов. Это объясняется разнице в физических характеристиках материалов - коэффициентах температурного расширения, теплопроводности, теплоемкости, модуле упругости и т.п.

Работоспособность сварочного узла, в котором остаются внутренние напряжения, определяется условиями его эксплуатации. Например, при низких температурах и динамических нагрузках разрушение сварного шва вследствие имеющихся там напряжений более вероятно, чем в обычных условиях.

Таким образом, после выполнения сварки разнородных металлов, а также деталей с резко различными габаритными размерами, следует более тщательно осматривать сваренную конструкцию. При выявлении угловых или линейных деформаций использовать изделие без исправления дефектов нельзя.

Способы устранения напряжений и деформаций

Существует достаточно способов избежать сварочного брака по деформациям и напряжениям, имеющимся в сварном шве.

Минимизация размеров шва - наиболее простой способ снизить опасность разрушения узла. С уменьшением ширины шва уменьшается зона действия напряжений, а также усилия коробления детали, вызванные структурными изменениями в ней. При положительный эффект достигается тщательной подготовкой кромок: их разделывают в виде букв V, U или X. При угловой сварке того же результата можно добиться правильной формой сечения шва: она должна иметь вид параболического треугольника, когда перепад напряжений является наименьшим. Следует отметить, что сварочные напряжения могут взаимно уравновешивать друг друга, поэтому при двухстороннем шве одну его часть выполняют вогнутым параболическим треугольником, а противоположную - выпуклым.

С увеличением длины шва вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций возрастает. Поэтому для разгрузки практикуют выполнение прерывистого шва, когда между его отдельными участками оставляют зоны, не подвергшиеся тепловому воздействию пламени или сварочной дуги. Если по условиям прочности выполнение прерывистого шва невозможно, то в конструкции предусматривают компенсационные ребра жесткости.

Уровень и вероятность возникновения сварочных напряжений и деформаций в поперечном направлении резко снижается, если использовать электроды увеличенного диаметра. При этом температурный перепад по сечению шва уменьшается. Тот эффект дает и уменьшение количества сварочных проходов: каждый последующий увеличивает уровень сварочных напряжений, которые еще не успели снизиться после предыдущего прохода. С этой целью предусматривают двухстороннюю (но однотипную!) разделку кромок.

При сварке деталей с резко различной толщиной, либо сложного Z-образного профиля, шов предусматривают вдоль оси симметрии, когда расстояние до обеих кромок примерно одинаково. В таком случае металл по обе стороны оси симметрии остывает примерно в одинаковых условиях.

Для компенсации возникающих сил растяжения-сжатия практикуют выполнение швов в обратной последовательности. В результате напряжения взаимно уравновешиваются. Обратная последовательность возможна не только по длине, но и по глубине шва.

Особую группу способов, чтобы снизить сварочные напряжения и деформации, образуют конструктивные элементы: промежуточные подкладные пластины, водоохлаждаемые тиски и т.д. В первом случае используют металлы, отличающиеся повышенной теплоемкостью, например, медь. Медные же трубки используют и в конструкциях зажимных приспособлений, при этом место подачи воды должно совпадать с местом накладываемого шва. При выполнении длинных швов эффективны дополнительные зажимы, которые предотвращают термическую деформацию металла в зоне сварки. Такие зажимы снимают лишь после полного остывания соединенной конструкции.

Кардинальным методом снятия напряжений и деформаций, возникающих при сварке, является разупрочняющая термическая обработка готовых конструкций - их отжиг.

Антифрикционные материалы

Подшипники скольжения – антифрикционность (низкий коэффициент трения скольжения) и сопротивление усталости. Сопряжённая деталь – стальной или чугунный вал.

Антифрикционность обеспечивается такими свойствами материала как:

Высокая теплопроводность .

Хорошая смачиваемость смазочными материалами.

Способность на поверхности образовывать защитные плёнки мягкого металла.

Прирабатываемость – способность материала при трении легко пластически деформироваться и увеличивать площадь фактического контакта.

Критерии оценки подшипникого материала:

Коэффициент трения.

Допустимая нагрузочно-скоростная характеристика – давление, действующее на опору и скорость скольжения: параметр pv (удельная мощность трения).

Металлические материалы

Материалы предназначены для работы в режиме жидкостного трения – режим граничной смазки. При перегреве возможно разрушение граничной масляной плёнки, поэтому материал должен сопротивляться схватыванию . Для этого сплав должен иметь в структуре мягкую составляющую.

Металлические антифрикционные материалы по структуре делятся на два типа:

Мягкая матрица и твёрдые включения.

А) Матрица обеспечивает защитную реакцию подшипникого материала на усиление трения.

Б) Хорошую прирабатываемость.

В) Микрорельеф поверхности, улучшающий снабжение поверхности смазочным материалом.

Твёрдые включения обеспечивают износостойкость.

Твёрдая матрица и мягкие включения.

Первый тип – баббиты, бронзы и латуни (сплавы на основе меди).

Баббиты – сплавы на оловянной или свинцовой основе – Б83 (83% Sn, 11% Sb, 6% Cu) на оловянной основе; Б16 (16% Sn, 16% Sb, 2% Cu) на свинцовой основе. Свинцово-кальциевые баббиты (БКА, БК2) дешевле. Баббиты самые лучшие из сплавов по антифрикционным свойствам, но плохо сопротивляются усталости 1 . Поэтому баббиты применяют в виде тонких покрытий (до 1 мм) рабочей поверхности опоры скольжения.

Лучшие баббиты – оловянистые (pv = 5070 МПамс), но они дороги и используются в ответственных узлах. Структура – твёрдый раствор сурьмы в олове (мягкая фаза) и твёрдых интерметаллических включений (SnSb, Cu 3 Sn).

Бронзы – лучшие антифрикционные материалы. Это оловянистые бронзы – БрО10Ф1, БрО10Ц2, и оловянисто-цинково-свинцовистые – БрО5Ц5С5, БрО6Ц6С3. Их применяют для монолитных подшипников скольжения. Их используют как компоненты порошковых антифрикционных материалов или тонкостенных пористых покрытий, пропитанных твёрдым смазочным материалом.

Латуни – уступают бронзам по антифрикционным и прочностным свойствам, но они дешевле. Они применяются при малых скоростях скольжения и не больших нагрузках (ЛЦ16К4, ЛЦ38Мц2С2).

Второй тип сплавов – свинцовистые бронзы (БрС30) и алюминиевые сплавы с оловом (А09-2 – 9% Sn, 2% Cu). Мягкая составляющая – включения свинца или олова. При трении на поверхность вала наносится тонкая плёнка мягкого лёгкоплавкого металла, которая защищает его шейку. Из алюминиевых сплавов отливают монометаллические вкладыши, бронзу используют для наплавки на стальную ленту.

Чугуны относятся также ко второму типу сплавов, где мягкая составляющая – графит. Они используются при значительных давлениях и малых скоростях скольжения (СЧ 15, СЧ 20, антифрикционные чугуны – АЧС-1, АЧС-2, АЧВ-1, АЧВ-2, АЧК-1, АЧК-2). Чугуны вибирают так, чтобы его твёрдость была меньше твёрдости стального вала. Достоинства чугунов – низкая стоимость; недостатки – плохая приробатываемость, низкая стойкость к ударным нагрузкам и чувствительность к недостатку смазочного материала.

Многослойные подшипники. Сталь обеспечивает прочность и жёсткость изделия; верхний мягкий слой улучшает прирабатываемость, после износа которого рабочим слоем становится свинцовистая бронза; никелевый слой препятствует диффузии олова из верхнего слоя в свинец бронзы.

Неметаллические антифрикционные материалы. Текстолит, капрон и особенно фторопласты (Ф4, Ф40) – отличаются низким коэффициентом трения, высокой износостойкостью и коррозионной стойкостью. Недостатки – низкая теплопроводность полимеров, старение, а фторопласты при очень низком коэффициенте трения (0,04 – 0,06 без смазки) – под нагрузкой «течёт».

Комбинированные материалы.

1. Самосмазывающиеся подшипники. Материал – железо-графит, железо-медь(2 – 4%)-графит, бронза-графит. Графита – 1 – 4%. Изделия изготовляются методами порошковой металлургии и после спекания они имеют пористость 15 – 35%. Поры заполняют маслом. При увеличении трения происходит разогрев подшипника, поры расширяются и при этом увеличивается подача смазки в зону трения. Подшипники работают при небольших скоростях скольжения, при отсутствии ударных нагрузок и устанавливаются в труднодоступных местах.

2. Металлофторопластовые подшипники . Четырёхслойная лента состоит из верхнего – приработочного слоя из фторопласта, наполненного MoS 2 – 25% масс. тощиной 0,01 – 0,05 мм; второй слой – бронзофторопластовый – пористая бронза БрО10Ц2 в виде шаровидных спечённых частиц, заполненная смесью фторопласта и 20% Pb (или MoS 2); третий слой – 0,1 мм меди для сцепления бронзового слоя со сталью (сталь 08, 1 – 4 мм).

Фторопластовая губка является смазочным материалом. При разогреве в месте трения фторопласт из-за большего температурного коэффициента линейного расширения выдавливается из пор бронзы и увеличивает количество смазки в зоне трения и разогрева. При сильном разогреве начинает плавиться свинец (327 о С), что приводит к снижению коэффициента трения.

Металлофторопластовые подшипники могут работать в вакууме, в жидких не смазывающих средах и при наличии абразивных частиц, которые «утапливаются» в их мягкой составляющей.

Минералы. Естественные твёрдые минералы (агат), искусственные минералы (рубин, корунд) и ситаллы (стеклокристаллические материалы) применяются для миниатюрных подшипников скольжения – каменных опор. Основное их достоинство – низкий и стабильный момент трения. Момент трения мал благодаря:

Малым размерам опоры;

Низкой адгезией металла к минералу (низкий коэффициент трения);

Постоянство момента трения обеспечивается высокой износостойкостью минералов, благодаря их высокой твёрдости.

1 Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью. Свойство противостоять усталости – выносливость .

Циклическая долговечность – число циклов (или эксплуатационных часов), которые выдерживает материал до образования усталостной трещины определённой протяжённости или до усталостного разрушения при заданном напряжении. Она характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений между двумя предельными значениями  max и  min в течении периода Т. При экспериментальном определении сопротивления усталости материала за основной принят синусоидальный цикл изменения напряжения.

Циклическая долговечность – физический или ограниченный предел выносливости. Он характеризует несущую способность материала, т. е. то наибольшее напряжение, которое он способен выдержать за определённое время работы.

Вы уже не так удобно себя чувствуете на вашем старом добром матрасе? Вам мешают спать выступающие пружины или другие внутренние элементы конструкции? Ваш матрас потерял былую жесткость? Пора покупать новый матрас. Попробуем разобраться, какие они бывают и как правильно подобрать матрас.

Какой матрас выбрать ортопедический или анатомический?

Многие производители и менеджеры в магазинах любят произносить эти термины. Давайте разберемся, что они означают.

Ортопедическая (от слова ortos – что означает прямой, правильный) поверхность предназначена для правильного расположения вашего позвоночника во время сна. Наиболее очевидной ортопедической поверхностью будет прямая доска. Такая постель вряд ли устроит большинство наших читателей, но с точки зрения позвоночника – это то, что надо.

Второй, более мягкий способ – это анатомическая поверхность (она повторяет контуры вашего тела). Добиться этого эффекта можно, используя мягкую независимую основу, которая будет пропорционально распределять вес человека.

Поверхность повторяет контуры тела

Применительно к нашим «баранам» (ой, т.е. матрасам), анатомический и ортопедический - это одно и то же: удобный матрас, принимающий форму тела.

Хороший матрас должен сочетать в себе два противоположных качества. Быть мягким и жестким одновременно. Жесткость конструкции определяется каркасом, а мягкая составляющая - слоями обшивки.

Рассмотрим основные конструктивные решения для матрасов

Обычные пружинные матрасы – наиболее бюджетный вариант.

Основа выполнена из пружин большого диаметра, связанных между собой (правильное название – пружинный блок типа боннель). В данной конструкции каждая пружина зависит от своих соседей. Если на какую-нибудь пружину надавить, то давление распространится и на соседние (т.к они жестко связаны между собой), что приводит к нежелательной деформации поверхности матраса. Стоят такие модели недорого, но ортопедическая составляющая у них не на высоте.

При выборе такого матраса стоит обратить внимание на количество пружин. Производители в погоне за низкой себестоимостью могут сэкономить, уменьшая количество пружин, что неизбежно скажется на качестве товара. Средним показателем считается не менее 100 пружин на один квадратный метр поверхности. У более дорогих моделей количество пружин может доходить до 150-ти и даже выше.

Первые ортопедические матрасы на независимых пружинах появились в Америке в начале прошлого века.

Их основное отличие от традиционных матрасов – каждая пружина находится в отдельном чехле и не влияет на своих соседей. Такая конструкция подавляет колебания и распределяет нагрузку более точно, что положительно сказывается на ортопедических свойствах. Как и в случае с зависимыми пружинами обратите внимание на количество пружин, приходящееся на один квадратный метр конструкции. У простых моделей их число составляет 250 штук, у более дорогих доходит до 500 и выше.

Беспружинные матрасы изготавливаются из различных материалов.

В качестве наполнителя могут выступать природные материалы (латекс, кокосовая койра, войлок, шерсть), синтетические материалы (пенополиуретан, искусственный латекс) или их сочетание. Ортопедические свойства в таких матрасах напрямую зависят от качества материалов, используемых в наполнителе. Конечно, предпочтительней выбирать натуральные материалы, но такой матрас может больно ударить по вашему кошельку.

Многие беспружинные модели поставляются в вакуумной упаковке скрученными в рулон, что позволяет их перевозить даже в легковой машине.

На что обратить внимание при выборе матраса

Есть нехитрый способ определения качества матраса. Если вы приставите матрас к стене коротким ребром к полу и он будет стоять ровно, не теряя форму (не начнёт крениться под собственным весом), то считайте, что первый экзамен данный экземпляр выдержал. Можно переходить к полевым испытаниям. Прилягте на матрас (без доли стеснения), развалитесь, так, как привыкли у себя дома. Если вам удобно, то и второй экзамен пройден. Если модель двухсторонняя, то повторите второй экзамен для обратной стороны матраса. Обратите внимание на швы, строчку, хорошо ли простегана ткань, крепко ли пришиты ручки (ручки нужны для переворачивания матраса).

Отдельно стоит обсудить жесткость матраса. Чем больше у вас вес тела, тем более жесткий матрас вам придётся подобрать. Так человек весом в 60 кг будет себя чувствовать удобно на мягком матрасе, а для человека с весом в 120 кг этот же матрас больше будет напоминать гамак. Жесткий матрас может понадобиться и по рекомендации врача. В продаже имеются двухсторонние матрасы с разной жесткостью. В основном это беспружинные модели (в пружинных матрасах для получения разной жескости с каждой из сторон производители иногда используют различные подкладочные материалы, но обеспечить на одной стороне перину, а на другой упругое ложе вам смогут только беспружинные модели).

При выборе матраса обратите внимание на чехол. Если конструкция предусматривает снятие чехла, то это еще один плюс, т.к. возможна периодическая его стирка или чистка в химчистке.

Еще одна особенность актуальная для жителей средней полосы – двухсторонние чехлы типа зима – лето. В таких чехлах одна сторона предназначена для использования летом (выполнена обычно из легкого материала), а другая утеплена для зимнего периода.

В качестве обивки для чехла современными производителями используется достаточно широкий спектр тканей: от синтетики до натуральных материалов. При выборе основы матраса желательно отдавать предпочтение натуральным тканям, т.к. они наименее аллергенны.

Новый материал выдерживает рекордно большой вес и прилепляется даже к гладкому стеклу. При этом его можно снять без больших усилий и спокойно использовать много раз подряд.

Исследователи из Массачусетского университета в Амхерсте создали необычайно цепкую ткань по мотивам лапок геккона и назвали её Geckskin («кожа геккона»).

«Липучка» Geckskin размером с открытку надёжно удерживает 42-дюймовый телевизор весом 18 килограммов, зацепившись за гладкую вертикальную поверхность. Однако снять её при необходимости так же нетрудно, как прицепить — достаточно аккуратно потянуть за край материала. И никаких липких следов, перед нами пример обратимой сухой адгезии (фото UMass Amherst).

Однако, по мнению нынешних героев, их предшественники не учитывали всю сложность строения живого прототипа, действовали однобоко. Мол, для того чтобы возникло устойчивое (но при этом обратимое) прилипание, должны правильно взаимодействовать между собой микроволоски, сухожилия, кости и кожа на лапке. Они вместе создают условия для правильного прилипания.

В группу исследователей из Массачусетского университета входят не только специалисты по материалам (в частности, полимерам), но и биолог. Вместе они разработали улучшенную теорию лапок геккона, которая позволила им найти закономерности и… отказаться от копирования тех самых волосков, на которые так уповали все предыдущие экспериментаторы.

Именно благодаря такому сочетанию мягкая составляющая ткани точно приспосабливается к поверхности, обеспечивая максимально плотный контакт.

Кроме того, вся «кожа геккона» в новом проекте переплетена с некими синтетическими сухожилиями. Это обеспечило системе оптимальный баланс между твёрдостью и податливостью («свободой вращения»), объясняют учёные.