Температурный интервал стеклования. Температурный интервал вынужденной эластичности различных полимеров Температурный режим обработки металлов давлением

Нагрев металла повышает его пластичность. Однако, температуры нагрева должны лежать в определенном интервале.

Слишком низкие температуры нагрева могут вызывать упрочнение (наклеп) металла. Упрочнение (наклеп) – явление снижения запаса пластичности материала вследствие искажения кристаллической решетки и изменения формы зерен металла под действием силового инструмента (штампа). Упрочнение может вызвать разрушение исходной заготовки в процессе обработки давлением вследствие снижения пластичности.

Слишком высокие температуры нагрева вызывают такие явления, как перегрев и пережог.

Перегрев характеризуется резким ростом размеров зерна, обуславливающим снижение пластичности металла. Перегрев ухудшает свойства получаемых изделий и его следует избегать. Последствия перегрева в большинстве случаев можно исправить последующей термообработкой (отжигом), но для ряда материалов такое исправление вызывает значительные трудности.

Пережог возникает при более высоких температурах, чем перегрев. Пережог характеризуется окислением и оплавлением границ зерен, что нарушает связь между ними. В случае пережога материал не может обрабатываться давлением и должен быть отправлен на переплавку, поскольку пережог является неисправимым видом брака.

Температурный интервал, расположенный между оптимальными температурами начала и конца горячей обработки материала, называется температурным интервалом горячей обработки давлением . Этот интервал находится в области максимальной пластичности конкретного материала. Причем, в этом температурном интервале не должны возникать явления упрочнения (наклепа) металла, перегрева и пережога.

Температурный интервал горячей обработки давлением для углеродистых и легированных сталей приведен в табл. 3.

Объем последующей механической обработки, связанной с получение детали из заготовки, с определенной степенью приближения оценивается коэффициентом использования металла заготовки – КИМз. Чем больше КИМз, тем меньше расход металла, удаляемого в отход при механической обработки заготовки, полученной обработкой давлением.

КИМз = Мдетали / Мпоковки = Vдетали /Vпоковки.

Объем поковки (Vпоковки) отличается от объема детали на величину штамповочных уклонов, припусков на механическую обработку, радиусов скруглений и напусков.

Объем металла, приходящегося на радиусы скруглений пересекающихся поверхностей, рассчитывается как половина объема усеченного конуса, образующая которого проходит через места сопряжения радиуса с пересекающимися поверхностями.

Температурный интервал кипения (интервал перегонки)- это скорректированный интервал температур, в котором перегоняется все вещество или его определенная часть при нормальном атмосферном давлении, если определение проводят описанным ниже методом.

Подходящий прибор для определения состоит из перегонной колбы, холодильника, приемника, источника тепла с защитным экраном и термометра.

Перегонная колба емкостью 50-60 мл должна быть выполнена из термоустойчивого стекла. Удобны колбы следующих размеров: горло 10-12 см длиной и внутренним диаметром 14-16 мм; боковой отвод длиной 10-12 см и внутренним диаметром около 5 мм находится посредине горловины колбы и образует угол 70-75° с нижней частью горла.

Холодильник представляет собой прямой стеклянный холодильник из термоустойчивого стекла, длиной 55-60 см, с водяной рубашкой длиной около 40 см или холодильник

другой системы с такой же охлаждающей способностью. Нижний конец холодильника может быть изогнут, чтобы служить выходной трубкой, или к холодильнику для этой цели может быть присоединен изогнутый наконечник.

Приемник представляет собой мерный цилиндр емкостью 25-50 мл с делением шкалы 0,5 мл.

Источник тепла состоит из небольшой газовой горелки, предпочтительно горелки Бунзена, или электрического нагревателя, обеспечивающих такое регулирование нагрева, которое достигается с помощью газовой горелки. Если используют газовую горелку, основание колбы закрывают асбестовым экраном. Экран делают из листа асбеста толщиной 5-7 мм в форме квадрата со стороной 14-16 см и отверстием в центре. Диаметр последнего должен быть таким, чтобы часть вставленной в него колбы ниже верхней поверхности асбестового листа имела емкость 3-4 мл.

Желательно, чтобы термометр был откалиброван на частичное погружение на 100 мм, как описано в разделе А для определения температуры плавления и температурного интервала плавления измельчаемых веществ; в противном случае можно использовать термометр, откалиброванный на полное погружение, с соответствующей поправкой на выступающий столбик. После установления термометра столбик должен располагаться в центре горла колбы, а вершина шарика должна находиться непосредственно под основанием выхода бокового отвода.

Еще по теме Д. Определение температурного интервала кипения (интервала перегонки):

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ ПЛАВЛЕНИЯ, ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА ПЛАВЛЕНИЯ, ТОЧКИ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ, ТОЧКИ КИПЕНИЯ И ТЕМПЕРАТУРНОГО ИНТЕРВАЛА КИПЕНИЯ

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер плотности потока водяного пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 кельвин [К] = 1 градус Цельсия [°C]

Исходная величина

Преобразованная величина

кельвин градус Цельсия градус Цельсия (centigrade) Градус Фаренгейта градус Ранкина градус Реомюра

Метрическая система и СИ

Подробнее о разности температур и о конвертере разности температур

Общие сведения

Этот конвертер разности температур отличается от конвертера температур тем, что здесь можно сравнить интервал температуры в разных шкалах. Например, в конвертере температур 5 °C = 41 °F, а в этом конвертере разности температур интервал в 5 °C равен интервалу в 9 °F. То есть, если, например, увеличить температуру с 0 °C до 5 °C, то по шкале Фаренгейта она поднимется с 32 °F до 32 + 9 = 41 °F. Аналогичный пример: разность температур в 100 °C равна разности в 180 °F, то есть, если поднять температуру от 0 °C до 100 °C, то по шкале Фаренгейта она поднимется от 32 °F до 32 + 180 = 212 °F.

В повседневной жизни, в природе и в науке и технике разность температур, а также температурные интервалы имеют большое значение. Например, в климатологии следят за изменениями разности между средними годовыми температурами, температурами в определенное время года и другими особенностями погоды. Это помогает определить изменения в особенностях климата, например изменения, вызванные глобальным потеплением. В кулинарии еда подвергается тепловой обработке и температурные интервалы, в пределах которых нагреты продукты, влияют на вкус и на то, можно ли при такой температуре уничтожить микроорганизмы, опасные для людей. В природе интервалы температур вещества влияют на его агрегатное состояние. Это далеко не все примеры, где разность температур играет важную роль, но эта статья описывает два последних примера с кулинарией и агрегатными состояниями веществ.

Изменение агрегатного состояния вещества

Для каждого вещества существуют интервалы температуры, при которых оно находится в одном из трех агрегатных состояний - в кристаллической форме, в форме жидкости, или газа. Температура, при которой твердые тела переходят в жидкое состояние, называется точкой плавления , а температура, при которой жидкость испаряется и превращается в газ, называется точкой кипения . Интервал температур для каждого агрегатного состояния, а также точка плавления и точка кипения зависят от давления. Обычно говорят о точках кипения и плавления для нормального атмосферного давления. В этом случае точка кипения называется нормальной точкой кипения , а точка плавления называется нормальной точкой плавления .

При достаточно высоких температурах вещества приобретают особые свойства - жидкости и газы в этом случае ведут себя одинаково. Это состояние называется критической точкой .

Обычно вещества в твердом, жидком и газообразном состоянии существуют при определенных интервалах температуры и определенном давлении, но иногда изменение агрегатного состояния происходит и при других температурах. Например, жидкости часто испаряются при температурах ниже, чем точка кипения. Такое испарение - более медленный процесс, по сравнению с испарением в процессе кипения.

Давление и кипение воды

Многие знают температуру замерзания и кипения воды при нормальном атмосферном давлении. Нормальная точка плавления льда (и замерзания воды) - 0 °C (32 °F) , а нормальная точка кипения - 100 °C (212 °F) .

При восхождении на вершины альпинисты часто находятся при низком атмосферном давлении. В этих условиях вода кипит при более низких температурах. Температура кипения понижается на 1 °C каждые 285 метров (935 футов). К примеру, на вершине Эвереста (8,848 метров или 29,029 футов) вода кипит при температуре 71 °C (160 °F) . На больших высотах над уровнем моря приходится готовить еду дольше или использовать портативные скороварки - они уменьшают время приготовления пищи, так как давление в них искусственно увеличивается, а с ним повышается и температура кипения.

Температура кипения воды при определенном давлении - это максимальная температура, которую вода может достичь в этих условиях. Именно поэтому высота над уровнем моря и, соответственно, атмосферное давление, влияют в первую очередь на приготовление пищи с использованием воды, например на варку. На максимальную температуру воздуха давление не влияет, поэтому «сухие» методы приготовления пищи, например запекание, практически не отличаются от приготовления на высоте уровня моря.

Увеличение давления, наоборот, повышает температуру кипения воды, делая ее выше, чем 100 °C (212 °F) . Это значительно ускоряет процесс приготовления пищи. По такому принципу работают скороварки - пар, образующийся в процессе приготовления пищи, остается внутри, увеличивая тем самым давление и, соответственно, температуру.

Разность температур и температурные интервалы в кулинарии

В кулинарии температурные интервалы очень важны, так как выбор температуры во время приготовления пищи влияет на ее консистенцию, и вкус. Температура особенно сильно влияет на белки, содержащиеся в продуктах питания, так как при разных температурах белки ведут себя по-разному. При комнатной температуре молекула белка скручена в шарик, и держит форму благодаря химическим связям внутри молекулы. С увеличением температуры эти связи ослабевают и молекула постепенно раскручивается и распрямляется. Это влияет на вкус, консистенцию и текстуру продукта. Этот процесс называется денатурацией или коагуляцией белков. Если температуру поднять еще выше, то раскрученные молекулы соединяются с другими молекулами и еще больше изменяют структуру белка. Так продукты приобретают знакомый нам «готовый» вкус. На протекание этого процесса влияет не только температура, но также и время приготовления пищи. Денатурация может также произойти в результате соприкосновения белков с кислыми продуктами.

Приготовление яиц

Если варить или жарить яйца при температуре от 63 °C до 65 °C (от 145 °F до 150 °F) , то постепенно они начинают загустевать, так как начинается процесс денатурации содержащихся в них белков. Для некоторых рецептов яйца готовят именно при этой температуре, чтобы получить полужидкий желток и немного более жидкий белок. Яйца всмятку, а также похожие по консистенции «онсэн-тамаго» (от японского «яйца из горячего источника») готовят именно так. Онсэн-тамаго изначально готовили в Японии в горячих источниках, поэтому у них такое название. Обычно их подают к завтраку вместе с рисом, супом мисо, запеченной рыбой и маринованными овощами.

Яйца затвердевают при температурах между 70 °C и 73 °C (158 °F и 165 °F) . Если долго готовить их при температуре 100 °C (212 °F) или выше, то они теряют мягкость и становятся «резиновыми».

Приготовление мяса

Происходящие в белках мяса при температурной обработке химические реакции изменяют его цвет. Степень готовности мяса также можно определить по температуре, при которой его готовили. Часто для определения готовности мяса используют пищевой термометр. Это особенно удобно при приготовлении толстых кусков мяса, например ростбифа, запеченного мяса, или птицы. В этом случае важно измерять температуру внутри мяса, а не на поверхности, так как внутренняя часть прогревается медленнее, чем внешняя, и ее температура всегда ниже.

При 50 °C (120 °F) мясо приобретает розоватый или белый оттенок. Если готовить его при более низкой температуре, от 46 °C до 49 °C (от 115 °F до 120 °F) , то получится обжаренное снаружи и сырое внутри мясо категории extra-rare, blue или bleu. Если температура внутри мяса достигла от 52 °C до 55 °C (от 130 °F до 140 °F) , то получится мясо «с кровью», также известное как rare или saignant.

По мере того, как температура увеличивается, мясо приобретает коричневый цвет и поджаренную корочку, особенно начиная с интервала между 55 °C и 60 °C (130 °F и 140 °F) . При такой температуре мясо получается среднесырым, то есть, medium rare, или à point. Цвет мяса темнеет в результате окисления железа, которое содержится в белках мышечных тканей. На этой стадии приготовления мясо пускает сок и его структура начинает изменяться.

По мере того, как мясо нагревается до 70 °C (160 °F) , оно становится мягче, так как молекулы коллагена, вещества, которое отвечает за структурную прочность мяса, постепенно разрушаются. Во время этого процесса коллаген превращается в желатин. Так как это долгий процесс, то жесткое мясо, например мясо с тканью мышц, которые интенсивно использовались животным, или мясо старых животных, лучше готовить дольше. Чтобы мясо было мягче, его также можно разрезать на маленькие кусочки. Температура в уменьшенном куске повышается быстрее, и помогает ускорить процесс преобразования коллагена в желатин при воздействии температуры.

Если готовить мясо при очень высоких температурах от 140 °C до 150 °C (от 285 °F до 302 °F) , то при этом также образуется коричневая корочка, но это не связано с окислением. В этом случае происходит химическая реакция Майяра - реакция между аминокислотами и сахарами. Она изменяет вкус мяса и других продуктов на знакомый нам, «жареный» или «печеный» вкус, и делает поверхность мяса и других продуктов коричневой. Эта реакция также происходит при выпечке хлеба, приготовлении кленового сиропа, тепловой обработке кофейных зерен, и во многих других случаях.

Мясо может приобрести коричневый цвет благодаря еще одной реакции - карамелизации. Она протекает при температурах между 110 °C и 160 °C (230 °F и 320 °F) , в зависимости от сахаров, которые содержатся в продукте. Во время этой реакции сахара становятся коричневыми, и приобретают карамельный вкус. Такая реакция происходит в любой еде, содержащей сахар.

Пищевая безопасность

Еду подвергают тепловой обработке не только для того, чтобы улучшить ее вкус, но и для того, чтобы уничтожить находящиеся в ней бактерии. Если продукты употребляют в сыром виде (например, рыбу в суши или сырое мясо), то для этих же целей их иногда замораживают. Сальмонеллу, которая встречается в яйцах, мясе, рыбе, молочных продуктах, и даже в некоторых овощах, можно уничтожить, нагрев еду до температуры от 65 °C до 70 °C (от 150 °F до 160 °F) . При 70 °C (160 °F) эти бактерии умирают мгновенно, а при более низких температурах тепловая обработка должна быть более продолжительной. Раньше считалось, что от сальмонеллы в яйцах можно избавиться, просто промыв сырые яйца снаружи, то есть, сделав чистой скорлупу. Сейчас известно, что сальмонелла может заразить и внутреннюю часть яйца, поэтому для безопасности необходима тепловая обработка.

Другой опасный для здоровья микроорганизм - кишечная палочка. Он встречается в сыром мясе, молочных продуктах, овощах и фруктах. Тепловая обработка при температуре 71 °C (160 °F) убивает этот микроорганизм.

Сальмонелла и кишечная палочка могут вызвать у человека расстройство желудка, тошноту и диарею. Эти симптомы исчезают у многих через неделю даже без лечения, но в некоторых случаях заражение достаточно опасно и пациента кладут в больницу. В самых тяжелых случаях возможен летальный исход. Во избежание этого заражения следует соблюдать правила безопасности и подвергать продукты питания тепловой обработке. Это особенно важно, если эти продукты предназначены для людей из группы риска: для детей, беременных женщин, пожилых людей, и тех, у кого ослабленная иммунная система. Существует огромное множество способов приготовления и обработки мяса, яиц, молочных и других продуктов, поэтому всегда есть подходящий рецепт даже для самого привередливого человека, так что лучше не подвергать здоровье риску, употребляя необработанные продукты.

Предотвратить заражение кишечной палочкой и сальмонеллой можно и с помощью пастеризации пищевых продуктов. Во время этого процесса молоко, соки и другие продукты нагревают до определенной температуры в течение установленного промежутка времени. Так, например, молоко можно нагревать 30 минут при 63 °C (145 °F) , 15 секунд при 72 °C (161 °F) или 2 секунды при138 °C (280 °F) . Во время пастеризации происходит денатурация ферментов внутри микроорганизмов. При этом вода в клетках бактерий расширяется и повреждает или разрушает стенки этих клеток. Под действием высоких температур во время пастеризации структура белков в клетках бактерий изменяется, в результате еще больше ослабляя стенки этих клеток. Пастеризация убивает не всех бактерий, а уменьшает их число настолько, что вероятность распространения инфекции значительно понижается. Благодаря пастеризации молоко - один из самых безопасных продуктов, если хранить его в холодильнике и употреблять до истечения срока хранения.

Вы затрудняетесь в переводе единицы измерения с одного языка на другой? Коллеги готовы вам помочь. Опубликуйте вопрос в TCTerms и в течение нескольких минут вы получите ответ.

В отличие от кристаллов, стёкла не имеют определенной температуры затвердевания или плавления. Оба эти процесса протекают в некотором температурном интервале. Это принципиальное различие свойств объясняется особенностями структуры кристаллов и стёкол (рис.1.4).

кристалл стекло

Рис. 1.4. Структуры кристаллического и стеклообразного

состояния вещества

Энергия парного взаимодействия атомов в кристалле одинаковая: e 1 =e 2 =e 3 =¼=e i . При повышении температуры растет подвижность согласовано колеблющихся атомов в правильной кристаллической решетке, увеличивается среднее расстояние между ними. Из-за ангармоничности колебаний атомов возникают области уплотнения и разрежения кристаллической структуры. Появляются локальные микрообъёмы относительно близко расположенных атомов. При температуре плавления Т пл вследствие исчезновения касательных напряжений между атомами в областях разрежения возникают плоскости скольжения смежных соседних микрообъёмов с плотно расположенными атомами. Такие группировки атомов обладают высокой подвижностью и относительно свободно перемещаются в жидкости. Текучесть – основное свойство жидкости.

В стекле все связи неравноценны по величине и направлению: e 1 ¹e 2 ¹e 3 ¹¼¹e i . При повышении температуры растёт расстояние между атомами, силы притяжения постепенно уменьшаются без существенного ослабления связей между соседними микрообъёмами. Сначала нарушаются более слабые разрозненные связи, а затем – сильные. В стекле нет кристаллографических плоскостей, слабые связи не локализованы в определённых плоскостях, как в кристалле, а распределены случайным образом по всей структуре стекла. Так как слабые связи разрознены и разориентированы, распределены по всему объёму стекла, то при нагревании не возникает и скачкообразного роста текучести вещества. Из-за геометрически неправильной структуры стекла исключается появления плоскостей скольжения. Рост температуры приводит к постепенному разупрочнению структуры стекла. Стекло не плавится, а размягчается.

При охлаждении стеклообразующий расплав переходит из жидкого состояния в пластическое и только затем в твердое состояние.

Процесс стеклования : расплав®пластическое состояние®твердое состояние.

При нагревании система также проходит через стадию пластического состояния.

Процесс размягчения : твердое состояние®пластическое состояние®расплав

Температурный интервал, в котором происходят процессы стеклования или размягчения называется температурным интервалом стеклования. Интервал стеклования ограничен двумя температурами: со стороны высоких температур – температурой Т f ; со стороны низких температур – температурой Т g .

Т f – температура текучести (нем. fliissigheit – жидкость);

Т g – температура стеклования (нем. glas – стекло);

При охлаждении ниже температуры стеклования стекло теряет последние свойства жидкости, становится твёрдым телом и для него характерен хрупкий излом. При нагревании выше температуры текучести стекло теряет последние свойства твердого состояния и из стекломассы можно вытягивать нити стекла. Ниже температуры текучести формировать изделия из стекла невозможно. Процессы стеклования и размягчения являются однофазными (табл. 1.1).

Таблица 1.1

Сопоставление свойств кристаллических и

стеклообразных тел

Так как в стёклах расстояния между атомами и энергии их взаимодействия для различных пар соседних атомов различаются, то в структуре стекла всегда имеется определённая доля атомов с энергией взаимодействия меньшей, чем в соответствующем кристалле. Эти атомы во многом и определяют пластические свойства стекла. Поэтому температуры Т g и T f всегда лежат ниже температуры плавления Т пл соответствующего кристалла и зависят от состава стекла. Температуры Т g и T f являются характеристическими температурами на температурной зависимости вязкости стёкол (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Характеристические температуры различных стёкол

Температура стеклования Т g соответствует вязкости h = 10 12,3 Па×с, температура текучести T f соответствует вязкости h = 10 8 Па×с (рис. 1.5).

Рис. 1.5. Температурная зависимость вязкости

Отметим очень широкий интервал изменения вязкости в интервале стеклования. Вязкость стеклообразных расплавов вблизи температуры плавления Т пл обычно очень большая. Ниже в таблице 1.3 сопоставлены вязкости различных веществ (1 Па×с = 10 пуаз).

Таблица 1.3

Вязкости расплавов различных веществ

Общие условия стеклообразования при охлаждении расплава:

1. Вязкость при понижении температуры в точке плавления должна нарастать интенсивно, но не скачкообразно.

2. Возможность перевода вещества в стеклообразное состояние из жидкого определяется для каждого вещества скоростью охлаждения в области температур, где велика вероятность кристаллизации. Скорость охлаждения в интервале от температуры ликвидуса до температуры стеклования Т g должна превышать критическую, при которой возможно образование центров кристаллизации.

Интервал стеклования широко используется в теории и практике стекловарения. Тем не менее, границы интервала стеклования условны и зависят от условий проведения опыта.

Например, для стёкол системы PbO-SiО 2 получены данные (табл. 1.4).

Таблица 1.4

Изменение температуры стеклования со скоростью

нагревания образца стекла

Чем выше скорость нагревания, тем больше температура стеклования. Для однозначности представлений о свойствах различных стёкол определение характеристических температур ведут при стандартной скорости нагрева образца, равной 3 град/мин. Для определения температур стеклования Т g и размягчения Т w , как правило, используют дилатометр.

Рис. 1.6. Влияние температуры на линейные размеры

образца стекла

Температура стеклования находится графически (рис. 1.6) по пересечению касательных на дилатометрической кривой и является удобным критерием для анализа свойств стекла. В действительности, у стекла нет температуры стеклования, так как никакие свойства стекла при температуре Т g не меняются скачкообразно. Температура стеклования отражает появление у стекла при нагревании качественно новых свойств, отсутствующих у твёрдого стекла при низких температурах. При температуре стеклования твёрдое состояние начинает постепенно переходить в жидкое состояние. Этот процесс завершается при температуре текучести, однако в полной мере свободное течение проявляется при вязкости расплава стекла 10 Па∙с и менее. В интервале вязкости 10 8 -10 2 Па∙с стекломасса пластична, что позволяет придавать стеклу различную форму, легко закрепляемую при охлаждении до интервала стеклования.

Несмотря на условность понятия температуры стеклования, эта характеристическая температура широко используется в практике и теории стеклоделия. Температуру стеклования можно определить и при охлаждении образца.

Например, для стекла системы Na 2 O-CaO-SiO 2 получены следующие значения (табл. 1.5).

Таблица 1.5

Влияние скорости охлаждения на температуру стеклования

С увеличением скорости охлаждения температура стеклования Т g возрастает. Такую зависимость можно обосновать теоретически, анализируя охлаждение как релаксационный процесс. Релаксация – это процесс перехода системы к равновесному состоянию. Время релаксации обратно пропорционально скорости охлаждения

.

С другой стороны, релаксация является активационным процессом.

,

где U – энергия активации процесса структурной перестройки при релаксации.

Сопоставим обе зависимости:

, ,

.

В правой части последнего уравнения все параметры, кроме скорости охлаждения W охл , являются постоянными. Экспериментальное уравнение зависимости Т g = Т g (W охл ) для стеклообразных веществ имеет похожий вид:

,

где С 1 – постоянная, зависящая от состава стекла.

Температура стеклования тем выше, чем больше температура плавления соответствующего кристаллического вещества (табл. 1.6).

Таблица 1.6

Температуры плавления и стеклования различных оксидов

Для многих стёкол выполняется правило «двух третей»:

,

что и подтверждается данными таблицы.

Нагрев металла при обработке давлением. Значение нагрева.

Тема 2.2. Физико-механические основы обработки металлов давлением. Нагрев металла

Вопросы:

1. Пластичность металлов и сопротивление деформиро­ванию. Влияние различных факторов на пластичность.

2. Физическая сущность пластической деформации. Влия­ние обработки давлением на структуру и свойства ме­талла.

5. Общая характеристика и принцип работы нагреватель­ных печей и электронагревательных устройств.

1. Пластичность – это способность металла изменять под действием внешних сил свою форму и размеры не разрушаясь, и сохранять полученную форму после прекращения действия силы.

Пластичность зависит от природы вещества (его химического состава и структурного строения), температуры, скорости деформации, степени наклепа и от условий напряженного состояния в момент деформации.

Влияние природных свойств металла . Пластичность находится в прямой зависимости от химического состава материала. С повышением содержания углерода в стали пластичность падает. Большое влияние оказывают элементы, входящие в состав сплава как примеси. Олово, сурьма, свинец, сера не растворяются в металле и, располагаясь по границам зерен, ослабляют связи между ними. Температура плавления этих элементов низкая, при нагреве под горячую деформацию они плавятся, что приводит к потере пластичности. Примеси замещения меньше снижают пластичность, чем примеси внедрения.

Пластичность зависит от структурного состояния металла , особенно при горячей деформации. Неоднородность микроструктуры снижает пластичность. Однофазные сплавы, при прочих равных условиях, всегда пластичнее, чем двухфазные. Фазы имеют неодинаковые механические свойства, и деформация получается неравномерной. Мелкозернистые металлы пластичнее крупнозернистых. Металл слитков менее пластичен, чем металл прокатанной или кованой заготовки, так как литая структура имеет резкую неоднородность зерен, включения и другие дефекты.

Влияние температуры . При очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, все металлы хрупкие. Низкую пластичность необходимо учитывать при изготовлении конструкций, работающих при низких температурах.

С повышением температуры пластичность малоуглеродистых и среднеуглеродистых сталей повышается. Это объясняется тем, что происходит исправление нарушений границ зерен. Но повышение пластичности происходит не монотонно. В интервалах некоторых температур наблюдается «провал» пластичности. Так для чистого железа обнаруживается хрупкость при температуре 900…1000°С. Это объясняется фазовыми превращениями в металле. Снижение пластичности при температуре 300…400°С называется синеломкостью, при температуре 850…1000°С – красноломкостью.

Влияние наклепа и скорости деформации . Наклеп понижает пластичность металлов.

Влияние скорости деформации на пластичность двояко. При горячей обработке давлением повышение скорости ведет к снижении пластичности, т.к. наклеп опережает рекристаллизацию. При холодной обработке повышение скорости деформации чаще всего повышает пластичность из-за разогрева металла.

Влияние характера напряженного состояния . Характер напряженного состояния оказывает большое влияние на пластичность. Возрастание роли напряжений сжатия в общей схеме напряженного состояния увеличивает пластичность. В условиях резко выраженного всестороннего сжатия возможно деформировать даже очень хрупкие материалы. Схема всестороннего сжатия является наиболее благоприятной для проявления пластических свойств, так как при этом затрудняется межзеренная деформация и вся деформация протекает за счет внутризеренной. Возрастание роли напряжений растяжения приводит к снижению пластичности. В условиях всестороннего растяжения с малой разностью главных напряжений, когда касательные напряжения малы для начала пластической деформации, даже самые пластичные материалы хрупко разрушаются.

2. Обработка металлов давлением является процессом пластичес­кой деформации . Выше указывалось, что между атомами металлов действуют внутренние уравновешивающие силы. Если приложить к металлу внешнюю силу, то это равновесие нарушается и атомы смещаются относительно друг друга до тех пор, пока не будет до­стигнуто новое равновесие между атомными силами притяжения и отталкивания, с одной стороны, и внешней силой – с другой. Та­кой металл находится в напряженно-деформированном состоянии.

Пластической деформации металлов всегда предшествует упру­гая деформация. Она сохраняется до тех пор, пока действует внеш­няя сила. Если сдвиг атомов происходит в пределах параметра кристаллической решетки, то такую деформацию называют упру­гой. После снятия внешней силы искажение кристаллической ре­шетки исчезает и атомы возвращаются в исходное состояние. Если сдвиг атомов превышает параметр кристаллической решетки, то деформацию называют упруго – пластической. После снятия внешней силы искажение кристаллической решетки может исчезнуть (при со­ответствующей температуре), но атомы в исходное состояние не возвращаются.

В результате холодной деформации прочностные свойства металла и твердость с ростом степени деформации увеличиваются, а его пластические свойства уменьшаются.

Механические свойства после горячей обработки давлением литого металла значительно повышаются. Это повышение прочности и пластичности металла происходит главным образом за счет образования мелких зерен взамен дендритов литого металла, а также за счёт заварки усадочных пустот и рыхлости, образующихся в слитке в процессе кристаллизации жидкого металла.

3. Нагрев заготовок перед обработкой давлением произ­водится с целью повышения пластичности металла, в ре­зультате чего его сопротивление деформации значительно уменьшается (в 10…15 раз) по сравнению с обычным холодным состоянием. Следовательно, для деформации нагретых заготовок требуется прикладывать меньшие усилия, чем при деформации тех же заготовок в холод­ном состоянии, что позволяет снизить стоимость изготов­ляемых изделий. Нагрев должен обеспечить равномер­ную температуру по сечению заготовки, минимальное окисление и обезуглероживание стали.

Рассмотрим изменения механических свойств отожженной мягкой (0,3 % С) стали в зависимости от температуры ее нагрева. При на­греве выше 300 °С идет процесс разупрочнения стали, увеличивается пластичность и облегчается обработка давлением, следовательно, для такой обработки нагрев стали должен быть достаточно высоким, однако нельзя допускать пережога, который наблюдается при на­греве, близком к температурам линии солидуса.

Пережженный металл является неисправимым браком. Ниже зоны пережога лежит зона перегрева, выражающаяся резким ростом зерна аустенита, что приводит к образованию крупнозернистой структуры, определяющей пониженную пластичность при обработке давлением и пониженную прочность охлажденных Рис. 23

изделий. Пере­гретый металл также является браком, но его можно исправить отжигом или нормализацией.

Заканчивать обработку давлением следует также при оптималь­ной температуре; продолжение обработки при более низкой темпе­ратуре приводит к неполной рекристаллизации и наклепу.

4. При обработке давлением металл нагревают для снижения сопротив­ления деформации, придания ему достаточной пластичности, умень­шения расхода энергии на обработку и увеличения обжатия.

Качество нагрева металла оказывает значительное влияние на производительность оборудования, размер зерен изделия, механи­ческие свойства, службу деформирующего инструмента, выход годного металла.

Для каждого металла установлен определенный интервал тем­ператур (начальная и конечная температуры), в котором его обра­ботка давлением осуществляется наилучшим образом, обеспечи­вая хорошую пластичность при минимальном сопротивлении дефор­мации.

При горячей обработке металлов давлением температура нагре­ва зависит от ряда факторов и, в первую очередь, от способа обра­ботки и свойств металла. Так, прокатку ведут при более высокой температуре, чем ковку и штамповку. Температурный интервал нагрева выбирают по диаграмме состояния сплава.

Начальную температуру обработки t н рекомендуется выбирать по формуле

t н = αt пл,

где t пл – температура плавления сплава, определяемая по диаграм­ме состояния, ° С;

α – коэффициент понижения температуры, α= 0,85…0,95.

Коэффициент понижения температуры учитывает возможность предотвращения перегрева или пережога при температурах, близ­ких к температуре плавления. Чем выше температура плавления сплава и чем больше склонен сплав к перегреву и пережогу, тем ниже коэффициент α.

Если с понижением температуры не происходит фазовых пре­вращений (например, при полной растворимости металлов), то ко­нечную температуру деформации t к можно определять по формуле

t к = 0,7t пл .

При этой температуре и выше в большинстве случаев возможна деформация с полным разупрочнением металла. Ниже этой тем­пературы сопротивление металла деформации наиболее интенсивно повышается.

В случае, если обработка давлением с нагревом должна обес­печить получение определенных механических свойств, то темпера­туру и степень обжатия в конце обработки выбирают по диаграммам рекристаллизации (см. рис. 22). В этом Рис. 22

случае температура конца обработки будет ниже 0,7t пл.

При разработке технологического процесса обработки давле­нием температурный интервал деформации углеродистых сталей определяется по диаграмме состояния сплавов железо – углерод (рис.22, заштрихованная область). Следует отметить, что тем­пература обработки заэвтектоидных сталей находится ниже ли­нии ES (двухфазное состояние).

5. Оборудование, применяемое для нагрева заготовок перед обработкой давлением, подразделяется на нагревательные печи и электронагревательные устройства .

К нагревательным печам относят оборудование, в котором теплота к заготовке передается конвекцией и излучением из нагревательной каме­ры.

Нагревательные печи классифици­руют по следующим основным признакам: 1) источнику энергии – пламенные, в которых теплоту получают за счет химических реакций горения топлива, и электриче­ские печи; 2) назначению – кузнечные печи и печи про­катного производства; 3) принципу действия – камерные и методические.

Снизу рабочее пространство печи ограничено подом, на котором располагают нагреваемые заготовки, с боков – стенками печи, на которые опирается свод, замыкающий верхнюю часть ра­бочего пространства. В стенках печи имеются одно или два окна для загрузки холодных и выгрузки нагретых заго­товок. Отработанные печные газы отводятся из рабочего пространства в вытяжную трубу через специальные ка­налы – боров или дымоход. Пол, стены и свод печей выполняются из огнеупорных материалов. Необходимую температуру (до 1300 °С и более) в печах получают сжи­ганием газообразного или жидкого топлива либо с помощью электриче­ских нагревателей. По принципу действия печи подразделяются на ка­мерные и методические.

К камерным относят печи, имеющие одинаковую тем­пературу по всему рабочему про­странству. Загрузку и выгрузку заготовок производят по мере не­обходимости. Такие печи обычно имеют одно окно. Нагрев под ковку крупных слитков и заготовок для облегчения их загрузки и выгрузки производят в больших камерных печах с выдвижным подом (рис.23, б), с приводом от электродвигателя или гидроцилиндра. Камерные печи используют в ковочно-штамповочном производстве.

Методические печи , как правило, вытянутые в одном направлении, имеют загрузочное окно, в районе которого устанав­ливается относительно невысокая температура, удлиненную камеру печи, по длине которой темпера­тура повышается, вплоть до ко­нечной, вблизи у окна выгрузки (рис. 23, а). Нагреваемые заго­товки перемещаются с установ­ленной скоростью от загрузочно­го до окна выгрузки. В методиче­ских печах пламенного типа по­ток нагревающих газов направлен навстречу движению заготовок, что способствует их равномерному нагреву.

С целью экономии топлива газы, отходящие из печи, используют для подогрева горючих смесей до 500…900 °С. Это позволяет повысить эффек­тивность работы и экономить до 35% топлива.

Рис.23. Нагревательные печи:

а – методическая печь; 1 – толкатель; 2 – методическая зона; 3 – сварочная зо­на; 4 – торцовые горелки; 5 – роликовый конвейер; 6 – нижние горелки; 7 - ре­куператоры; б – камерная регенеративная печь с выдвижным подом: 1 – под; 2 – слиток; 3 – горелки или форсунки; 4 – каналы для подачи нагретого воздуха или отвода продуктов горения; 5 – песчаный затвор; 6 – шибер для регулирования по­дачи воздуха; 7 – регенератор; 8 – канал для отвода продуктов горения (дымоход); в – карусельная печь с вращающимся по­дом: 1 – под; 2 – цилиндрический выступ; 3 – зона для подогрева; 4 – дымоход; 5 – окно загрузки; 6 - пе­регородка; 7 – окно выдачи; 8 – зона высоких температур; 9 – горелки или форсунки

На рис.2, а показаны методические печи, в которых продвижение слитков и за­готовок осуществляется толкательным механизмом с ме­ханическим или пневматическим приводом, а также на­гревательные колодцы, представляющие собой разновид­ность камерных печей. Крышка колодца выполнена на уровне пола цеха, а слитки устанавливают в них в верти­кальном положении для лучшего обогрева. Методические печи применяют в прокатном производстве.

В ковочно-штамповочном производстве используют ка­мерные, методические и полуметодические печи. Иногда нагрев небольших заготовок из черных или цветных металлов с целью предохранения их от окисления выполняют в гер­метичном муфеле, изготовленном из жаропрочного мате­риала и устанавливаемом в камеру печи, которую назы­вают муфельной печью. В цехах горячей объемной штампов­ки применяют полу- методические печи, которые короче ме­тодических, и печи с вращающимся подом (рис.23, в), пред­ставляющие собой разновидность полуметодических печей.

Рис.24. Схемы электронагревательных установок:

а – для индукционного нагрева: 1 – генератор (преобразователь частоты тока); 2 – индуктор; 3 – нагреваемая заготовка; 4 – батарея конден­саторов; 5 – контактор для включения и выключения установки; б – для нагрева методом сопротивления: 1 – нагреваемая заготовка; 2 – контакты; 3 – вторичная обмотка понижающего трансформатора; 4 – первичная обмотка трансформатора; 5 – контактор для включения и выключения установки

В электронагревательных устройствах теплота выделяется непосредст­венно в самой заготовке в виде теплоты сопротивления при пропускании через нее большой силы тока (рис.24, б) либо при возбуждении в ней вих­ревых токов в специальных индукционных печах (рис.24, а).

При нагревании заготовки проходящим током основной частью является трансформатор, обеспечивающий необходимую силу тока. Первичная обмотка его обычно секционирована, что позволяет регулировать в необходимых преде­лах силу тока нагрева. Вторичная обмотка состоит чаще всего из одного, редко двух-трех витков. Такая конструкция обеспечивает напряжение на зажимах дета­лей 2…12 В и силу тока до 200…300 тыс. А. Сила тока выбирается исходя из рода материала, сечения нагреваемой заготовки и необходимой скорости нагрева. Установки для контактного нагрева сопротивлениемприменяют для нагрева длинных заготовок постоянного сечения диаметром 15…75 мм.

Основной частью установки для индукционного нагрева (рис.24, а), явля­ются генератор повышенной частоты (50…8000 Гц) и собственно индуктор, вы­полненный в виде многовитковой спирали из медной круглой или прямоуголь­ной трубы. В необходимых случаях индуктор охлаждается проточной водой, подаваемой по внутренней полости. Внутрь спирали помещается корпус камеры,выполненный из огнеупорного диэлектрического материала. Нагреваемые заго­товки помещаются в корпус и перемещаются в нем с помощью толкателя.

По индуктору, подключенному к генератору повышенной частоты, про­текает переменный ток, образующий поле индукции. Вследствие этого в за­готовках, находящихся в переменном магнитном поле, возникают вихревые токи, сосредоточенные, в основном, в поверхностных слоях заготовки. Тол­щина нагреваемого слоя зависит от частоты тока; чем она выше, тем более поверхностным и интенсивным будет нагрев. Поэтому для разогрева мас­сивных заготовок иногда применяют промышленную частоту (50 Гц). Глу­бина прогрева в этом случае может достигать 25…30% от толщины заготов­ки. Прогрев по всему сечению, т. е. центральной части заготовки, происходит за счет теплопроводности. За время прохождения заготовки от входа в индуктор до выхода должен быть обеспечен нагрев до необходимой температуры.