Analiza principalelor tipuri de coloane din industria petrolieră [309176]

Capitolul 1

Analiza principalelor tipuri de coloane din industria petrolieră

În funcție de variantele constructive ale amenajărilor interioare se deosebesc urmatoarele tipuri de aparate tip coloană.

Coloane cu umplutură.

[anonimizat]. (v. Fig. 1.1.)

Coloanele cu umplutură se utilizează de exemplu la operații de distilare fracționată în vid (cădere mică de presiune), [anonimizat].

[anonimizat], a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate.

[anonimizat], răcirea sau umezirea gazelor.

Coloane cu talere.

[anonimizat], extracție, desorbție, [anonimizat]-[anonimizat], etc. (v. Fig. 1.2.).

Transferul de substanță la aceste coloane are loc în zona de spumare ce se obține ca urmare a barbotării vaporilor sau gazului prin lichidul de pe taler.

Dispersarea fazelor de pe taler este uniformă. [anonimizat]: [anonimizat], preț de cost mai mare și întreținere mai pretențioasă.

Coloane cu rafturi și cu șicane.

[anonimizat]. (v. Fig. 1.3.)

[anonimizat].

Coloane cu sisteme de injectare a vaporilor prin lichid.

Mărirea debitelor coloanelor de rectificare și de absorbție se poate face pe două cai:

prin mărirea diametrului coloanei

prin utilizarea unor amenajări interioare care să permită mărirea vitezei vaporilor și a debitului de lichid. (v. Fig. 1.4.)

Sistemele de injectare a [anonimizat].

Coloane cu elemente tubulare.

Se utilizează numai pentru operații de transfer de masă însoțite sau nu de transfer de căldură.

Coloane cu elemente rotative.

Unele aparate tip coloană sunt prevăzute cu elemente rotative: arbori cu amestecătoare sau cu discuri.

[anonimizat], intensificarea transferului de masă se poate obține prin turbulența care rezultă din amestecarea sau agitarea lichidelor.

Coloana cu umplutură. Generalități.

Coloanele cu umplutură se utilizează în deosebi la prelucrarea substanțelor organice sau de mare vâscozitate. De asemenea se utilizează când sunt necesare căderi mici de presiune sau când cantitatea de lichid din coloană este mică. [anonimizat], [anonimizat].

Noile tipuri de umplutură de mare eficacitate permit separarea în coloane cu umplutură, a componentelor care au temperaturi de fierbere apropiate. Interioarele aparatelor tip coloană depind de natura procesului fizico – chimic precum și de parametrii procesului. La aceste coloane transferul de substanță are loc “pe suprafața” peliculei de lichid care se formează pe corpurile de umplere, între lichid si vapori (sau gaze).

Datorită principiului lor de funcționare, coloanele cu umplutură (v. Fig. 1.5.) nu sunt adecvate pentru a lucra cu gaze sau cu lichide impurificate. Impuritățile pot astupa spațiile libere ale umpluturii, ceea ce ar determina creșterea accentuată a rezistenței hidraulice a umpluturii (la trecerea gazelor sau vaporilor) și micșorarea în timp a eficacitații coloanei. In coloanele cu diametru interior Di>0,8m, pe anumite porțiuni, vaporii (gazele) și lichidul pot circula pe secțiuni diferite, fără a veni în contact ceea ce micșorează eficacitatea separării. Deoarece la peretele coloanei volumul de goluri este maxim (rezistența hidraulică este minimă), lichidul are tendința să se deplaseze în lungul peretelui; zona centrală fiind în acest caz insuficient udată. Pentru a obține o eficacitate a separării este necesară organizarea rațională a regimului de lucru al coloanei. În acest scop, pe înălțimea umpluturii sau între două straturi distincte de umplutură se prevăd dispozitive de redistribuire, care aduc lichidul spre zona centrală a umpluturii.

Umplutura se pune pe toată înălțimea coloanei sau înălțimea se fracționează. Ultima variantă este valabilă atunci când, datorită greutății umpluturii, dimensiunile grătarelor ar urma sa fie prea mari, sau când construcția ar fi puternic solicitată în zona de asamblare a grătarului cu corpul coloanei. La coloanele de absorbție, în partea inferioară a coloanei, se prevăd dispozitive pentru uniformizarea circulației gazelor. Sub grătarul stratului de umplutură, în zona de evacuare a lichidului, se prevede de exemplu, un taler cu clopote, care are rolul de a egaliza viteza gazelor pe secțiunea coloanei.

Funcționarea coloanei cu umplutură

Construcția interiorului coloanei urmărește mărirea la maximum a suprafeței de contact dintre faze; rolul principal îl are umplutura. Lichidul și vaporii circulă în general în contracurent. Transferul de substanță are loc între lichid și vapori pe suprafața peliculei de lichid formată pe corpurile de umplere.

Intensitatea contactului gaz-lichid, într-un caz dat (coloana si corpuri de umplere de dimensiuni date), depinde de dinamica lichidului si gazelor (vaporilor) prin coloană. Funcționarea optimă a coloanei are loc la rapoarte determinate între cantitatea de lichid care udă umplutura și viteza sau cantitatea vaporilor (gazelor) care circulă în contracurent. Stropirea umpluturii cu o cantitate insuficientă de lichid, duce la micșorarea suprafeței de contact între gaze și lichide. Stropirea în exces duce la înecarea coloanei deoarece spațiile dintre corpurile umpluturii se umplu cu lichid și partea respectivă a umpluturii nu mai participă la procesul de transfer de substanță. Funcționarea coloanei se înrăutățește în ambele cazuri.

Viteza vaporilor sau a gazului prin coloană trebuie să fie inferioară vitezei critice wcr, care corespunde începutului saturării umpluturii. Aceasta are loc în momentul egalării forței de frecare dintre vapori (gaz) și lichid cu forța de gravitație care acționează asupra lichidului, ceea ce duce la încetarea curgerii lichidului.

La viteze ale vaporilor (gazului) mai mari ca bulele de vapori (gaz) pătrund în lichid (care ocupă întregul volum liber) și produc emulsionarea acestuia. Starea procesului care marchează trecerea la regimul de emulsionare, corespunde “punctului de înecare” după care lichidul va fi antrenat afară din coloană.

Regimurile de funcționare într-o coloană cu umplutură.

La o cantitate dată de lichid de stropire, intenstitatea transferului de substanță depinde de viteza gazului sau vaporilor. Regimurile de funcționare ale coloanei cu umplutură depind de relația care există între pierderea de presiune a vaporilor la trecerea prin umplutura udată si viteza acestora.

La viteze ale vaporilor mai mici decât ale lichidului, regimul de curgere al vaporilor și lichidului este laminar. Interacțiunea vapori-lichid are loc pe suprafața corupurilor de umplere (faza continuă sunt vaporii, iar faza dispersă este lichidul). Transferul de substanță este puțin intens.

La viteza vaporilor mai mare sau egală cu viteza lichidului, forțele de frecare dintre gaz și lichid cresc, au loc turbionări ale lichidului, ceea ce asigură uniformizarea repartiției lichidului în tot volumul de umplutură. În cazul acesta, transferul de substanță se îmbunatațește.

La viteza vaporilor egala cu iteza de turbulenta a lichidului incepe regimul de curgere turbulent prin umplutura. Pentru viteze ale vaporilor mai mari ca viteza de turbulență a lichidului, interacțiunea vapori-lichid are loc pe suprafața lichdului aflat în curgere turbulentă. În curentul de vapori apar turbioane. În cazul acesta, transferul de substanță crește pronunțat.

Cand viteza vaporilor a devenit egala cu viteza critica, care corespunde inceputului saturarii umpluturii, are loc inecarea coloanei cu umplutura si incepe regimul de emulsionare al coloanei. Presiunea creste brusc, lichidul este oprit sa mai curga sau este impins inapoi de catre gaz.

Viteza critica depinde caracteristicile fizice ale vaporilor.

Menținerea regimului de lucru al coloanelor cu umplutură, în condiții industrial, implica unele greutati determinate de gama ingusta a incarcarii cu vapori sau cu gaze. Pentru a evita aceste neajunsuri au fost realizate coloane care permit folosirea volumului umpluturii aproximativ cu aceeasi eficacitate ca si in regimuri apropiate de vcr și care sunt practice insensibile la schimbari in anumite limite ale regimului de lucru.

Aceste coloane poartă denumirea de coloane cu umplutura inecata sau cu functionare in regim de emulsionare fortata. Acestea se umplu cu lichid pana la o inaltime, incat in timpul funcionarii nivelul lichidului barbotat de vapori sa ajunga pana la suprafata superioara a umpluturii. Nivelul lichidului in coloana se mentine la valoarea dorita cu ajutorul unei tevi in forma de U, prevazuta cu robinete de scurtcircuitare intre brate.

Pentru ca această țeavă să nu lucreze ca un sifon, partea ei superioară se leagă la vârful coloanei. Coloana cu umplutură înecată funcționează în regim combinat de turbulență și de emulsionare forțată, ceea ce asigură o intensitate mai mare a transferului de substanta. Regimul de funcționare a coloanei depinde de presiunea interioară din coloană.

Corpuri de umplere si umpluturi.

Corpurile de umplere trebuie să aibă suprafață specifică mare (favorabilă transferului de substanță), volum liber mare (deci rezistentă mică la trecerea gazului sau vaporilor), densitate în vrac mică (influentează solicitarea grătarelor și peretelui coloanei,ensiunile fundației coloanei), rezistență la coroziune fața de substanțele prelucrate, rezistență la compresiune si cost redus.

Corpurile de umplere pot avea formă regulată sau neregulată. (v. Fig. 1.6.) Pentru umplutură se poate utiliza orice material rezistent (chimic și mecanic) în condițiile regimului de lucru din coloană. Așezarea corpurilor de umplere în coloană se poate face ordonat (după o anumită rețea) sau în vrac.

Materialele de construcție pentru corpurile de umplere sunt:

materiale ceramice

materiale plastice (policlorură de vinil, polistiren, poliamidă, polietilenă, polipropilenă)

lemn

metale (oțel, aluminiu, cupru, monel),

cuarț

cocs

fibre de sticlă

grafit

Corpurile de umplere metalice se obțin prin turnare sub presiune sau din platbandă, iar cele din material plastic se realizează prin injectare.

Pentru a obține caracteristici mecanice mai bune se utilizează ca material de umplutură fibre de sticlă în loc de talc sau fibre de azbest.

Utilizarea unor stabilizatori adecvați permit menținerea în timp a caracteristicilor fizice și chimice a corpurilor de umplere din materiale plastice.

Umplutura metalică se utilizează în cazurile în care este posibilă depunerea de sediment și este necesară curățirea repetată a coloanei (în special în cazul umpluturilor cu configurație complicată), în coloane care funcționează sub vacuum. Umplutura ceramică (inclusiv cea din porțelan), se utilizează când nu este necesară curățirea frecventă a coloanei, precum și la prelucrarea mediilor corozive. Grafitul, sticla și materialele plastice pot fi utilizate la prelucrarea produselor agresive. Materialele plastice pot fi utilizate la temperaturi medii (policlorura de vinil la T≤60°C; polietilena la T≤80°C; polipropilena la T≤100°C; teflonul la T≤240°C).

La alegerea dimensiunilor corpurilor de umplere se va avea în vedere ca raportul dintre diametrul interior al coloanei Di și diametrul dmax a celui mai mare corp de umplere . Di / dmax ≥ 10.

Alegerea tipului de umplutură depinde de parametrii de proces specifici coloanelor cu umplutură, care rezultă din principiul de funcționare al coloanei.

Eficacitatea unei umpluturi depinde în primul rând de forma și dimensiunile corpurilor de umplere. Eficacitatea unui anumit tip de corpuri de umplere depinde de dimensiunile acestora dar si de natura materialului din care sunt executate. Natura materialului influențeaza eficiența procesului, prin capacitatea de udare a acestuia de către lichidul prelucrat în coloană. La scăderea debitului lichidului sub o anumită limită, eficacitatea coloanei scade brusc, datorită scăderii sub limita admisă a udării suprafeței acesteia.

Debitul de lichid nu trebuie sa depășească valoarea corespunzătoare înecării umpluturii cu lichid.

Dacă din motive tehnologice nu se poate aplica recircularea lichidului, iar acesta este în cantitate insuficientă pentru a asigura densitatea de stropire minimă, se recurge la utilizarea unei coloane cu barbotare.

Alegerea corpurilor de umplere si aranjarea în coloană.

Alegerea tipului de umplutură se face în general pe baza unor rezultate experimentale sau în funcție de factorul de umplutură. În literatura de specialitate sunt date recomandări în acest sens.

Dacă este necesară o cădere mică de presiune și dacă nu se impune un grad mare de separare, se utilizează umpluturi mai ieftine: inele Pasching, Lessing, Pall, șei Berl și Intallex. La separarea componentelor cu volatilități apropiate sunt recomandate umpluturi de mare eficacitate (inele Dixon, inele Hy-Pak, rulouri din bandă de plasă de sârmă, umpluturi Stedmann). La prelucrarea unor cantități mari de substanțe cele mai potrivite sunt umpluturile din site profilate sau din suluri de plasă de sârmă.

Alegerea tipului de umplutură trebuie să se facă pe baza unui studiu tehnico-economic corespunzător. Buna funcționare a coloanelor cu umplutură depinde de repartizarea uniformă a lichidului în stratul de umplutură. Distribuția defectuoasă a fazei lichide este determinată de neirigarea întregii umpluturi, formarea de canale în interiorul umpluturii, curgerea preferențială a lichidului în apropierea pereților (v. Fig. 1.7).

Încărcarea umpluturii conform fig. 1.7a, întâi stratul conic central 1, apoi straturile 3 până la nivelare, determină ca densitatea umpluturii la limita de separare între straturile 1 și 3 să fie mai mică.

Acest lucru permite scurgerea lichidului pe suprafețele de separare conice spre peretele coloanei. Acest mod de încărcare nu este avantajos.

Încărcarea coloanei ca în fig. 1.7b, întâi straturile 2 de la perete, apoi stratul central 3, până la nivelare, ușurează scurgerea lichidului de la perete spre centru, pe suprafața de separare dintre straturile 2 și 3, unde densitatea umpluturii este mai mică decât în restul stratului. Încărcarea conform figurii 1.7c, permite scurgerea lichidului de la perete, pe suprafața de separare dintre staturile 2 și 3 și de la centru pe suprafețele dintre straturile 1 și 3. Încărcarea se face în ordinea: straturile 2 de la perete, stratul conic central 1 și apoi straturile laterale 3, până la nivelare. La stropire uniformă cu lichid se obțin rezultate bune în cazul variantelor din fig. 1.7b și fig. 1.7c.

1.6 Elemente specifice coloanelor cu umplutură.

Suporturi pentru umplutură

Stratul de umplutură, în coloană este susținut de suporturi plane sau ondulate. Acestea trebuie să îndeplinească următoarele condiții: să reziste la coroziune si la greutatea umpluturii și a lichidului; să aibă o secțiune liberă care să nu permită căderea corpurilor de umplutură, dar care să fie suficient de mare pentru trecerea fluidelor; să se monteze și demonteze ușor.

Secțiunea liberă a suportului pentru corpurile de umplutură trebuie să fie mai mare, cel puțin egală cu secțiunea liberă a umpluturii. (v. Fig. 1.8).

Suportul sub formă de grătar din placă perforată nu îndeplinește aceste condiții, motiv pentru care nu mai este utilizat în construcțiile moderne.

În prezent se mai realizează încă un grătar și suporturi cu suprafață plană, executate din platbande distanțate cu bucșe (din țeavă) prin care trec tiranți de solidizare a platbandelor sau din platbande sudate în interiorul unui inel metalic soluție constructivă acceptată în special pentru aparate cu diametru mic.

Distanța dintre barele grătarelor se ia minim (0,6…..0,8)·d unde d este dimensiunea minimă a corpului de umplere. În coloanele executate din grafit, căptușite cu material ceramic, sau emailate, grătarele plate sunt din același material cu peretele sau cu căptușeala.

Suporturile ondulate se realizează din oțel sau aluminiu, material ceramic, materiale plastice armate, etc. (v. Fig. 1.9.). În cazul colectoarelor cu diametru mare, în vederea unei montări ușoare, suporturile cu umplutură se realizează din 2-7 segmente. Acestea por fi apoi montate pe grinzi transversale executate din laminate (I, U, L sau alte profile).

La coloanele a căror talere se construiesc din rocă sau din material ceramic și care au distanță relativ mare între elementele grătarului (mai mare ca d), deasupra grătarului se așează fie câteva straturi de cărămidă (de exemplu cărămidă antiacidă), fie câteva straturi de corpuri de umplere cu dimensiuni mai mari decât cele prevăzute pentru umplutură (de ex. 100×100 sau 150×150).

Aceste prime staturi se așează ordonat, deasupra lor se toarnă corpurile de umplere de diametru mai mic. (v. Fig. 1.9d).

Suporturile cu umpluturi cu suprafață plană au două dezavantaje majore:

lichidul și gazul circulă în contra curent prin aceleași orificii, motiv pentru care pe suprafața suportului se adună un strat de lichid prin care barbotează gazul sau vaporii;

stratul de umplutură din apropierea suprafeței suportului plan, obturează parțial spațiile libere ale acestuia.

Ambele dezavantaje au ca efect reducerea capacității coloanei.

Suporturile ondulate permit trecerea separată a vaporilor și a lichidului. Vaporii pătrund în umplutură prin ondulațiile superioare, care se află deasupra “ondulației” prin care lichidul se scurge din stratul de umplutură, ceea ce împiedică formarea stratului de lichid pe suprafața suportului. În felul acesta vaporii sunt injectați prin suprafața laterală a “ondulațiilor’’ în stratul de lichid, iar lichidul datorită deschiderilor, din partea inferioară a “ondulațiilor’’ este uniform distribuit pe stratul de umplutură inferior. (v. Fig. 1.9e).

Aria liberă a unor asemenea suporturi poate depăși valoarea ariei secțiunii transversale a coloanei.

Se realizează astfel debite mari de lichid și de vapori în condițiile unei căderi minime de presiune.

Pentru proiectarea optimă a unui suport pentru umplutură, este necesară cunoașterea diametrului interior al coloanei, a înălțimii stratului de umplutură, a tipului umpluturii, debitele de lichid și de vapori și materialul corpurilor de umplere. Materialul se alege pe baza cunoașterii agresivității mediului de lucru.

Suporturile ondulate se realizează din oțel, aluminiu, material ceramic (porțelan, material refractar), material plastic (furan sau poliester) armat cu fibre de sticlă, policlorură de vinil, polipropilenă.

La coloanele cu diametru mare , în vederea unei montări ușoare suporturile pentru umplutură se execută din 2-7 segmente separate. Acestea se pot monta pe grinzi executate din cornier sau din alte laminate.

Grătare limitatoare de strat

În coloanele cu umplutură, în cazul unor încărcări mari cu lichid și gaz, când căderea de presiune pe înălțimea de un metru de umplutură, devine mai mare decât 40-70 mm. col. H2O, este posibilă fierberea aparentă (fluidizarea) umpluturii în partea ei superioară, ceea ce determină micșorarea capacității coloanei ca urmare a distrugerii umpluturii ce implică micșorarea fracției de goluri. Pentru a evita asemenea efecte, în partea superioară a stratului de umplutură se prevede un limitator de strat (v. Fig. 1.10). Așezarea direct pe umplutură a unui limitator de strat poate împiedica prin greutatea sa (50…150 kg/m2), fluidizarea umpluturii.

Uneori, un asemenea limitator nu împiedică complet distrugerea umpluturii. Dacă nu există pericol de înfundare sau de corodare, sub placa limitatoare se poate prevede o sită, care împiedică deplasarea corpurilor de umplere.

Secțiunea liberă a limitatorului de strat trebuie să fie mai mare decât 70% din aria secțiunii transversale a coloanei.

Limitatoarele de strat se suspendă pe distribuitorul de lichid sau se fixează pe clipsuri sudate de peretele interior al coloanei. Limitatoarele de strat se realizează din metal (oțel sau oțel aliat) sau material termoplastic (polipropilenă, policlorură de vinil). În general se realizează din 2-3 segmente, care se asamblează între ele la montaj.

Dispozitive pentru redistribuirea lichidului.

Spre a asigura contactul optim între fazele aflate în coloană, este necesară evitarea formării de canale verticale prin care să aibă loc curgerea preferențială a fluidelor. Aceasta se obține prin repartizarea uniformă a fazei lichide pe suprafața umpluturii și prin fracționarea umpluturii în straturi de înălțime mică, între care se intercalează dispozitive pentru colectarea și redistribuirea lichidului (v. Fig. 1.11.).

Dispozitivele de colectare și redistribuire a lichidului trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

să nu îngusteze secțiunea aparatului ( ceea ce va determina mărirea bruscă a vitezei gazului sau vaporilor și deci la perturbarea regimului de lucru a coloanei ),

să asigure redistribuirea uniformă a lichidului

să nu fie complicate din punct de vedere constructiv.

Utilizarea unor confuzoare simple este dezavantajoasă din punct de vedere funcțional. Ca dispozitive de colectare și redistribuire se utilizează conuri cu găuri ștanțate, buzunare inelare și talere speciale.

La conurile cu găurile ștanțate lichidul care se scurge pe pereții coloanei, este dirijat către centrul acesteia. În dreptul conului, viteza gazului (vaporilor) se mărește fără a deranja prea mult funcționarea coloanei, datorită prezenței găurilor.

Criteriile care stau la baza proiectării unui redistribuitor sunt similare cu cele pentru distribuitoarele de lichid. Redistribuitorul trebuie să fie compatibil cu suportul umpluturii sub care acesta este prevăzut. Racordurile redistribuitorului pentru trecerea vaporilor sau gazului sunt în dreptul și pe lungimea ondulațiilor suportului umpluturii prin care trec vaporii. In felul cesta se asigură o cădere de presiune minimă a ansamblului redistribuitor – suport pentru umplutură, ca urmare a neintersectării traiectoriilor lichidului și vaporilor. Rozetele distribuitoare, reprezintă o clasă specială de redistribuitoare, utilizate atunci când eficiența coloanei cu umplutură poate scădea datorită procentului ridicat de lichid care ar curge în preajma peretelui coloanei. Acest fenomen se petrece în cazul coloanelor cu diametru mic. Rozetele distribuitoare se prevăd atunci când amestecul aflat în blazul coloanei urmează a fi epuizat total de componentul volatil. Aceste rozete pot fi amplasate în interiorul stratului de umplutură, deasupra stratului de umplutură sau deasupra unui distribuitor obișnuit. Ele se prind etanș de suporturi inelare prevăzute pe interiorul coloanei, sau se instalează între flanșe.

Dispozitive de stropire

Funcționarea în bune condiții a coloanei este influențată de uniformitatea distribuirii lichidului pe umplutură.

Dispozitivele de stropire trebuie să îndeplinească următoarele condiții:

să asigure o distribuție uniformă a lichidului asupra umpluturii,

să nu se înfunde în timpul funcționării,

pentru o funcționare corectă să nu fie necesară o presiune prea mare.

Dispozitivele de stropire sunt de două categorii:

tip A – dispozitive care asigură stropirea într-un număr determinant de puncte pe secțiunea umpluturii,

tip B – dispozitive care asigură stropirea umpluturii sub formă de picături.

Dispozitive de stropire tip A

Numărul punctelor de stropire pe unitatea de arie a suprafaței transversale a umpluturii depinde de diametrul coloanei și de modul de așezare a umpluturii în coloană.

Diametrul țevilor de scurgere se alege astfel ca nivelul lichidului să se afle în permanență deasupra capetelor superioare ale țevilor. Vaporii (gazul) sunt îndepărtați fie lateral, fie prin racorduri special prevazute în acest scop pe placă.

Lungimea țevii se ia mai mare decât de 3 ori diametrul ei.

În cazul deversării libere a lichidului, țevile trebuie să aibă diametrul mare (30 –100 mm), deoarece lichidul si vaporii trec în contracurent prin aceleași țevi. Tevile se dispun după o rețea hexagonală, pătrată sau circulară.

Spre a asigura o distribuție uniformă a lichidului, capetele superioare ale țevilor trebuie să se afle în același plan orizontal. Acest lucru este mai dificil de realizat în cazul coloanelor cu diametrul de 2–3 m. La aceste coloane se recurge la alte variante constructive, sau se construiește diametrul din segmente.

Dispozitivul de stropire tip păianjen este o construcție robustă, deoarece la diametrele mai mari devin prea grele.

Deversorul zimțat, amplasat între cilindrul central de alimentare și închizătorul hidraulic, de deasupra țevilor de stropire, asigură liniștirea și uniformizarea nivelului lichidului. Lichidul trece din în spațiul inelar dintre și prin ferestrele.

Datorită închiderii hidraulice, țevile funcționează în secțiunea complet plină. In consecință, vaporii trebuie să fie dirijați, la un racord lateral care se află sub dispozitivul de stropire.

Jgheaburile se utilizează pentru distribuirea uniformă a lichidului în coloanele cu diametru mare. Lichidul alimentat în jgheabul central 1, este repartizat în jgheaburile transversale, unde curge prin cădere liberă, pin deversoarele cu secțiune triunghiulară sau în unele cazuri, trapezoidală. Funcționarea corectă a jgheaburilor este determinată de reglarea poziției orizontale a acestora.

Vârfurile sau baza mică a deversoarelor trebuie să se afle în același plan orizontal. Viteza lichidului în jgheaburi trebuie să fie mai mică decât 0,3 m/s. Jgheaburile se amplasează la 1,2–1,4 m deasupra umpluturii (sau a ultimului taler, în cazul coloanelor cu talere).

Dispozitivele de stropire din țevi perforate sunt eficiente și micșorează mai puțin decât celelalte dispozitive aria liberă a secțiunii transversale. Datorită pericolului înfundării orificiilor, aceste dispozitive sunt recomandate pentru stropirea sub presiune a lichidelor curate, care au fost în prealabil filtrate.

Diametrul orificiilor practicate în țevi este de 3-6 mm. Distribuția uniformă pe întreaga secțiune transversală a coloanei se asigură prin alimentarea cu lichid a țevii inelare 1 prin două racorduri 3, diametral opuse.

Țevile transversale, asigură stropirea și în zona centrală a coloanei. La alimentarea unidirecțională spre a asigura stropirea uniformă, în special la coloanele cu diametru mare, este necesar ca diametrele orificiilor țevilor a, de la capătul opus alimentării să fie mai mari decât al țevilor din apropierea secțiunii de alimentare. Dispozitivul de stropire cu ajutaje se utilizează în aceleași condiții.

Brațele transversale ale acestui dispozitiv sunt prinse de țeava centrală cu flanșe. Prin reglarea ajutajelor 1 se poate uniformiza debitul de stropire pe toata secțiunea coloanei.

Dispozitive de stropire de tipul B

Se utilizează dispozitive de stropire fixe sau rabatabile, a căror piesă principală o constituie stropitorul care poate fi de formă cilindrică sau semisferică și care este prevăzut cu orificii sau cu 6 – 8 fante dreptunghiulare (v. Fig. 1.12).

Aceste elemente sunt dispuse în general în centrul coloanei la înălțimea de 0,7–1 m și mai mult deasupra umpluturii.

Stropitorul asigură stropirea pe o rază relativ mică, motiv pentru care în coloane cu diametrul mare se utilizează câteva asemenea piese. Orificiile se execută cu diametrul de 3÷15 mm.

Lichidul este alimentat sub o presiune de 1-6 m col.H2O, de la o pompă sau vas de nivel.

Funcționarea corectă a acestor stropitoare are loc la debit constant al lichidului de stropire. La micșorarea debitului, umplutura de lângă perete nu va fi udată. La mărirea debitului peste cel optim, o parte din lichid va fi dirijat pe pereții coloanei.

Stropitoarele sunt simple din punct de vedere constructiv și ieftine. Sunt utilizate la coloane cu diametre mari până la 9m.

Se preferă soluțiile constructive cu orificii circulare, deoarece fantele dreptunghiulare se înfundă ușor.

Dispozitivele de stropire cu deflector sunt simple din punct de vedere constructiv, permit stropirea unor debite mari de lichid și nu se înfundă.

Cea mai simplă construcție consta dintr-o țeavă , de care este sudat la o anumită distanță discul deflector (v. Fig. 1.13).

Lovindu-se de deflector lichidul se împrăștie sub formă de picături în toate părțile. Placa deflectoare (plană, bombată sau conică) este prevazuta cu orificii pentru a asigura și stropirea părții centrale a umpluturii.

Pentru debite mari de lichid (50-200 m3/h) se utilizează stropitorul cu deflector multiplu care are o raza de acțiune de până la 3m. Lichidul curge de pe elementele deflectoare, sub forma unei pelicule care este întreruptă de vaporii care circulă de jos în sus și o transformă în picături.

Fiecare peliculă de acest fel asigura udarea umpluturii pe o distanță radială de 0,3-0,6m.

Dispozitivele de stropire centrifugale.

Sunt constituite dintr-un element rotitor pe care cade lichidul. Datorită acțiunii forței centrifuge, lichidul este raspândit sub formă de picăturideasupra umpluturii (v. Fig. 1.14).

Rotorul este constituit dintr-un arbore pe care este asamblat un disc stea. Acest dispozitiv nu asigură o stropire uniformă pe secțiunea coloanei.

Un disc cu un diametru de 500mm la turații de 48190 rot./min asigură udarea pe o rază de 0,8-3m.

Racorduri pentru intrarea, redistribuirea și ieșirea vaporilor (gazelor) și pentru ieșirea lichidului.

Racordurile prin care se introduc gazele (vaporii) trebuie astfel concepute încât să împiedice intrarea directă a lichidului. In acest sens se adoptă soluțiile din figura, capătul racordului se taie înclinat față de axă sau se prevăd cu o degajare în partea inferioară și cu capac frontal.

Racordurile talerelor de distribuire sau redistribuire a vaporilor sau gazelor se acoperă cu capace.

Racordurile pentru ieșirea vaporilor sau gazelor se concep astfel încât să fie împiedecată trecerea mai departe (prin racord) a picăturilor antrenate de curentul de vapori sau gaz. În acest scop, în calea vaporilor se prevăd separatoare de picături, sau în jurul intrării în racord se prevăd buzunare deschise în partea de sus, sau plăci protectoare fixate în partea de jos (astfel ca în ele să nu poată fi păstrat lichid) care au de asemenea rol de separatoare de picături. Separatoarele de picături se prevăd în cazul antrenării unor cantități mari de picături și când deflectoarele sau buzunarele simple nu asigură reținerea picăturilor.

Racordurile pentru ieșirea fazei lichide trebuie să permită trecerea debitului de lichid dar să împiedice ieșirea vaporilor sau gazelor. La aparatele care funcționează la presiune mică se utilizează închizătoare hidraulice simple.

Când în coloană presiunile sunt mari se utilizeaza închideri hidraulice din țeavă în formă de U. Partea inferioară a coloanei servește uneori și ca rezervor tampon, în care se găsește în permanență o cantitate de lichid. Aceasta permite cuplarea directă a coloanei cu pompa care evacuează lichidul.

Capitolul 2

Proiectarea tehnologiei de fabricație pentru gura de vizitare GV4

Dimensiunile flanșei sunt: DN 600; PN 10

Dimensiunile ștuțului sunt: De=610 mm; s=7.1 mm

2.1 Alegerea semifabricatului

Conform STAS 2171-92 se alege semifabricatul pentru flanșă ținând cont de următoarele cazuri:

În cazul în care diametrul maxim al piesei este mai mic de 350 mm, se alege ca semifabricat o piesă refulată în șaibă fără menisc.

În cazul în care diametrul maxim al piese este mai mare de 350 mm, se alege ca semifabricat un inel lărgit pe dorn.

Pentru alegerea ștuțului:

Se alege o țeavă cu diametrul exterior De=610 mm, grosimea de perete s=7,1 mm, respectiv lungimea de 3 metri.

Tabelul 2.1 Adaosurile de prelucrare si abaterile limita pentru piesa aleasă

2.3. Proiectarea bazării și fixării pentru operațiile din filmul tehnologic

Baza constructivă (Bc) reprezintă totalitatea suprafețelor, liniilor sau punctelor față de care se orientează, după calculele proiectantului, celelalte elemente ale piesei.

Baza de montaj (Bmt) este suprafața piesei față de care se orientează celelalte suprafețe ale pieselor componente la realizarea montajului

Baza de măsurare (Bmăs) a piesei este suprafața (sau totalitatea suprafețelor) de la care se măsoară dimensiunile piesei

Baza tehnologică (Bt) a piesei reprezintă suprafața față de care se orientează în timpul procesului tehnologic suprafața ce se prelucrează.

Bază tehnologică de așezare (Bta) reprezintă suprafața semifabricatului cu care acesta se sprijină pe suprafața dispozitivului sau a mașinii-unelte.

Bază tehnologică de reglare (Btrg) reprezintă suprafața semifabricatului față de care se orientează suprafețele prelucrate, fiind legată de aceste suprafețe prin dimensiuni ce se obțin în cadrul aceleași așezări.

Bază tehnologică de verificare (Btv) reprezintă suprafața semifabricatului de la care se efectuează verificarea poziției acesteia la prelucrarea pe mașina-unealtă sau la așezarea sculei așchietoare.

Eroarea de bazare(b) reprezintă eroarea la dimensiunea sau corelația de dimensiuni ce determină distanța între baza de referință și suprafața ce se prelucrează.

Baza de referință (Br) reprezintă elementul semifabricatului (suprafață, linie sau punct) care este legat de suprafața ce se prelucrează prin dimensiuni sau corelații de dimensiuni ce trebuie respectate la prelucrarea respectivă.

Dimensiunea de bază (DB) reprezintă dimensiunea semifabricatului de care depinde poziția bazei de referință la prelucrarea considerată.

2.4 Stabilirea adaosurilor de prelucrare

În urma calculelor efectuate la subcapitolele 2.1, respectiv 2.2 s-au stabilit următoarele adaosuri de prelucrare, conform tabelului 2.3.

Tabelul 2.3 Adaosurile de prelucrare

2.5 Proiectarea fiecărei operații din filmul tehnologic (alegerea mașinii, sculelor și dispozitivelor de lucru, stabilirea parametrilor de regim, stabilirea normelor tehnice de timp pentru operația precizată). Întocmirea fișei tehnologice de prelucrare mecanică a elementului.

Proiectarea operațiilor din filmul tehnologic pentru flanșă

Alegerea mașinilor necesare prelucrărilor.

A. Pentru operația de strunjire se alege un strung carusel SC 125 cu următoarele caracteristici:

– diametrul maxim de prelucrat: ;

– înălțimea maximă a piesei prelucrate: ;

– unghiul maxim de înclinare al suportului vertical: ;

– turațiile: 16 trepte între 2 și 250 rot/min: 2; 8, 10; 12,5; 16; 20; 25; 31,5; 40; 50; 63; 80; 160; 200; 250;

– avansul: 0,045; 0,06; 0,085; 0,112; 0,16; 0,2; 0,3; 0,4; 0,6; 0,8; 1,1;1,5; 2; 2,8; 3,75; 5 mm/rot;

– cursa maximă a suporturilor: ;

– cursa maximă a saniei suporților: ;

– puterea motorului: 45 kW.

B. La operația de găurire se alege o mașină de găurit radială tip Csepel RF2 cu următoarele caracteristici:

– diametrul maxim de găurire: ;

– R = ; h = ;

– puterea motorului de antrenare: 4,5 kW;

– turația axului principal: 47,5; 67, 95; 132; 190; 265; 375; 530; 750; 1050; 1500; 2100 rot/min;

– gama de avansuri: 0,048, 0,075; 0,12, 0,19; 0,30; 0,48; 0,75; 1,20.

Alegerea sculelor așchietoare necesare prelucrărilor.

– tipurile de scule utilizate la strunjire și parametrii geometrici sunt prezentați in tabelul următor:

Tabelul 2.2 Tipurile de cuțite utilizate pentru prelucrare.

Stabilirea parametrilor regimului de lucru

Stabilirea parametrilor regimului de lucru constă în determinarea valorilor parametrilor de bază (adâncimea de așchiere, avansul, viteza de așchiere, turația, puterea necesară de prelucrare) în concordanță cu datele concrete de lucru (forma, dimensiunile, caracteristicile mecanice ale materialului sculei și ale materialului prelucrat, etc.).

a) Stabilirea parametrilor regimului de așchiere pentru strunjirea frontală de degroșare la cota ϕ610 mm pe înălțimea de 88 mm.

Parametrii regimului de așchiere se stabilesc conform [1]:

– alegerea sculei așchietoare: pentru strunjirea frontală de degroșare se alege un cuțit încovoiat pentru degroșare cu plăcuțe din carburi metalice P10 STAS 6377-80 cu parametrii geometrici conform tabelului anterior.

– durabilitatea economică se alege în funcție de dimensiunile și tipul secțiunii cuțitului, de materialul părții active și materialul de așchiat din [1] tab. 9.10: T= 90 min;

– uzura admisibilă a cuțitului de strung, conform [1] tab. 9.11 este: h = 1,0…1,4;

Se adoptă h= 1,3;

– adâncimea de așchiere: t= 4 mm;

– avansul de așchiere:

Avansul se alege din [1] tab. 9.1 pentru prelucrarea oțelului carbon cu cuțit din carburi metalice, funcție de diametrul piesei D, adâncimea de așchiere. Rezultă că

s = (1,0…1,5) mm/rot. Din gama de avansuri a mașinii unelte se adoptă s = 1,1 mm/rot;

– viteza de așchiere, forța, puterea:

Din tabelul 9.25 pentru strunjirea frontală a oțelului cu = 55 daN/mm, cu cuțit P10 având geometria , fără răcire și T= 90 min se alege (cunoscând avanul s = 1,1 mm/rot și adâncimea de așchiere t):

viteza de așchiere: v = 120 m/min;

forța principală: F= 580 daN;

puterea necesară: P= 14.50 Kw.

Pentru că avem alte condiții la prelucrare decât cele din tab. 9.25. valorile vitezei, forței și puterii se corectează cu coeficienții din [1]. tab. 9.25 și 9.40.

Coeficienții de corecție au următoarele valori:

– funcție de rezistența oțelului avem: k

– funcție de starea materialului: k

– funcție de unghiul de atac al cuțitului: k= 1,0;

– funcție de raza la vârf a cuțitului: k;

– funcție de secțiunea transversală a cuțitului: k;

– funcție de durata tăișului T

– funcție de calitatea plăcuței: k= 1,0.

Rezultă viteza, forța, puterea corectate:

v;

F

PkW

– stabilirea turației semifabricatului:

n = rot/min

unde: D- diametrul semifabricatului, mm; din gama de turații ale SC125 se alege turația: n = 160 rot/min.

Viteza de așchiere reală va fi : v

– verificarea puterii motorului:

N

– randamentul mașinii; = 0,8;

P. Deoarece puterea reală necesară este mai mică decât puterea mașinii unelte alese, rezultă că operația se poate executa pe mașina aleasă.

b) Stabilirea parametrilor regimului de așchiere pentru strunjirea interioară de degroșare la cota ϕ 595,8 mm pe înălțimea de 88 mm.

Parametrii regimului de așchiere se stabilesc conform [1]:

– alegerea sculei așchietoare: pentru strunjirea interioară de degroșare se alege un cuțit pentru interior cu plăcuțe din carburi metalice P10 STAS 6384-80 cu parametrii geometrici conform tabelului anterior.

– durabilitatea economică se alege în funcție de dimensiunile și tipul secțiunii cuțitului, de materialul părții active și materialul de așchiat din [1] tab. 9.10: T= 90 min;

– uzura admisibilă a cuțitului de strung, conform [1] tab. 9.11 este: h = 1,0…1,4;

Se adoptă h= 1,3;

– adâncimea de așchiere: t= 7 mm;

– avansul de așchiere:

Avansul se alege din [1] tab. 9.3 în funcție adâncimea de așchiere t = 7…8 mm și de ieșirea în afară a cuțitului pentru strunjirea interioară de degroșare până la . Rezultă că s= (0,7…0,9) mm/rot. Din gama de avansuri a mașinii unelte se adoptă s = 0,8 mm/rot;

– viteza de așchiere, forța, puterea:

Din tabelul 9.25 pentru strunjirea interioară a oțelului cu = 55 daN/mm, cu cuțit P10 având geometria , fără răcire și T= 90 min se alege (cunoscând avanul s = 0,8 mm/rot și adâncimea de așchiere t):

viteza de așchiere: v = 87 m/min;

forța principală: F= 900 daN;

puterea necesară: P= 16 Kw.

Pentru că avem alte condiții la prelucrare decât cele din tab. 9.25. valorile vitezei, forței și puterii se corectează cu coeficienții din [1]. tab. 9.25 și 9.40.

Coeficienții de corecție au următoarele valori:

– funcție de rezistența oțelului avem: k

– funcție de starea materialului: k

– funcție de unghiul de atac al cuțitului: k= 0,86;

– funcție de raza la vârf a cuțitului: k;

– funcție de secțiunea transversală a cuțitului: k;

– funcție de durata tăișului T

– funcție de calitatea plăcuței: k= 1,0.

Rezultă viteza, forța, puterea corectate:

v;

F

PkW

– stabilirea turației semifabricatului:

n = rot/min

unde: D- diametrul semifabricatului, mm; din gama de turații ale SC125 se alege turația: n = 80 rot/min.

Viteza de așchiere reală va fi : v

– verificarea puterii motorului:

N

– randamentul mașinii; = 0,8;

P. Deoarece puterea reală necesară este mai mică decât puterea mașinii unelte alese, rezultă că operația se poate executa pe mașina aleasă.

c) Stabilirea parametrilor regimului de așchiere pentru strunjirea exterioară de degroșare la cota ϕ780 mm pe înălțimea de 81 mm.

Parametrii regimului de așchiere se stabilesc conform [1]:

– alegerea sculei așchietoare: pentru strunjirea exterioară de degroșare se alege un cuțit lateral cu plăcuțe din carburi metalice P10 STAS 6381-80 cu parametrii geometrici conform tabelului anterior.

– durabilitatea economică se alege în funcție de dimensiunile și tipul secțiunii cuțitului, de materialul părții active și materialul de așchiat din [1] tab. 9.10: T= 90 min;

– uzura admisibilă a cuțitului de strung, conform [1] tab. 9.11 este: h = 1,0…1,4;

Se adoptă h= 1,3;

– adâncimea de așchiere: t= 6 mm;

– avansul de așchiere:

Avansul se alege din [1] tab. 9.1. pentru prelucrarea oțelurilor carbon cu cuțit din caruri metalice, funcție de diametrul piesei D, adâncimea de așchiere. Rezultă că s = (1,0…1,5) mm/rot. Din gama de avansuri a mașinii unelte se adoptă:

s = 1,1mm/rot;

– viteza de așchiere, forța, puterea:

Din tabelul 9.25 pentru strunjirea exterioară a oțelului cu = 55 daN/mm, cu cuțit P10 având geometria , fără răcire și T= 90 min se alege (cunoscând avanul s = 1,1 mm/rot și adâncimea de așchiere t):

viteza de așchiere: v = 108 m/min;

forța principală: F= 760 daN;

puterea necesară: P= 16,70 Kw.

Pentru că avem alte condiții la prelucrare decât cele din tab. 9.25. valorile vitezei, forței și puterii se corectează cu coeficienții din [1]. tab. 9.25 și 9.40.

Coeficienții de corecție au următoarele valori:

– funcție de rezistența oțelului avem: k

– funcție de starea materialului: k

– funcție de unghiul de atac al cuțitului: k= 0,81;

– funcție de raza la vârf a cuțitului: k;

– funcție de secțiunea transversală a cuțitului: k;

– funcție de durata tăișului T

– funcție de calitatea plăcuței: k= 1,0.

Rezultă viteza, forța, puterea corectate:

v;

F

PkW

– stabilirea turației semifabricatului:

n = rot/min

unde:

D- diametrul semifabricatului, mm; din gama de turații ale SC125 se alege turația: n = 80 rot/min.

Viteza de așchiere reală va fi : v

– verificarea puterii motorului:

N

– randamentul mașinii; = 0,8;

P.

Deoarece puterea reală necesară este mai mică decât puterea mașinii unelte alese, rezultă că operația se poate executa pe mașina aleasă.

d) Stabilirea parametrilor regimului de așchiere pentru strunjirea frontală de finisare de la cota ϕ81 mm la ϕ 80 mm.

Parametrii regimului de așchiere se stabilesc conform [1]:

– alegerea sculei așchietoare: pentru strunjirea frontală de finisare se alege un cuțit drept pentru finisat conform STAS 6378-80 cu parametrii geometrici conform tabelului anterior.

– durabilitatea economică se alege în funcție de dimensiunile și tipul secțiunii cuțitului, de materialul părții active și materialul de așchiat din [1] tab. 9.10: T= 90 min;

– uzura admisibilă a cuțitului de strung, conform [1] tab. 9.11 este: h = 0,1;

– adâncimea de așchiere: t= 0,25 mm;

– avansul de așchiere:

Avansul se alege din [1] tab. 9.8 în funcție de raza la vârf a cuțitului r =1 mm și R și viteza de așchiere. s= (0,08…0,15) mm/rot. Din gama de avansuri a mașinii unelte se adoptă s = 0,112 mm/rot;

– viteza de așchiere, forța, puterea:

Din tabelul 9.25 pentru strunjirea interioară a oțelului cu = 55 daN/mm, cu cuțit P10 având geometria , fără răcire și T= 90 min se alege (cunoscând avanul s = 0,112 mm/rot și adâncimea de așchiere t):

viteza de așchiere: v = 294 m/min;

forța principală: F= 18 daN;

puterea necesară: P= 1,10 Kw.

Pentru că avem alte condiții la prelucrare decât cele din tab. 9.25. valorile vitezei, forței și puterii se corectează cu coeficienții din [1]. tab. 9.25 și 9.40.

Coeficienții de corecție au următoarele valori:

– funcție de rezistența oțelului avem: k

– funcție de starea materialului: k

– funcție de unghiul de atac al cuțitului: k= 0,92;

– funcție de raza la vârf a cuțitului: k;

– funcție de secțiunea transversală a cuțitului: k;

– funcție de durata tăișului T

– funcție de calitatea plăcuței: k= 1,0.

Rezultă viteza, forța, puterea corectate:

v

F

PkW

– stabilirea turației semifabricatului:

n = rot/min

unde:

D- diametrul semifabricatului, mm; din gama de turații ale SC125 se alege turația: n = 250 rot/min.

Viteza de așchiere reală va fi : v

– verificarea puterii motorului:

N

– randamentul mașinii; = 0,8;

P.

Deoarece puterea reală necesară este mai mică decât puterea mașinii unelte alese, rezultă că operația se poate executa pe mașina aleasă.

e) Stabilirea parametrilor regimului de aschiere pentru burghierea a 20 găuri echidistante cu ϕ20 mm;

Parametrii regimului de așchiere la găurire se stabilesc conform [1].

Datorită eforturilor axiale mari care apar din cauza condițiilor necorespunzătoare de așchiere realizate de tăișul transversal al burghiului, găurile de diametre mari nu se pot executa dintr-o singură găurire. În acest caz găurile de diametru ϕ30 mm se execută astfel ([1] tab. 27 pag. 187):

– găurire cu burghiu de diametru d = ;

– găurire (lărgire) d = 30 mm;

Scula așchietoare folosită: pentru operația de burghiere se folosește un burghiu elicoidal cu coada conică, cu diametrul D = , din oțel rapid conform STAS 575-80.

Durabilitatea economică, conform [1]. Tab. 9,116 pentru diametrul D = și materialul de prelucrat oțel T= 90 min.

Uzura admisibilă a burghiului, conform [1] tab. 9,116 valoarea recomandată este h = 1,0…1,2;

Se adoptă h= 1,2;

Adâncimea de așchiere: t = mm.

Din tabelul 9,98 pentru găurirea oțelului cu și diametrul burghiului D = se recomandă s = 0,29 …0,47 mm/rot. Se adoptă s = 0,30 mm/rot.

Din tabelul 9,121 pentru găurirea cu burghiu elicoidal din oțel rapid se alege:

v = 19,4 m/min;

n = 310 rot/min;

s= 93 mm/min;

F= 567 daN;

M= 4190 daNmm;

P=1,66 kw;

Coeficienții de corecție, conform [1], tab. 9,121 au următoarele valori:

– funcție de starea materialului: k

– funcție de adâncimea găurii: k =1,0;

– funcție de calitatea și rezistența materialului;

k

v

Turația semifabricatului :

n = rot/min.

Din gama de turații ale mașinii se alege n = 375 rot/min;

Viteza de așchiere reală va fi:

v

Verificarea puterii motorului:

P

f) Stabilirea regimului de sudare si verificarea acestuia pentru otelurile cu rezistenta mecanica ridicata prin procedeul de sudare cu electrozi.

g) Stabilirea normei tehnice de timp pentru operația de strunjire de degroșare;

Stabilirea normei tehnic de timp se calculează conform [1]:

Timpul de bază se calculează cu relația : T

unde: L- lungimea suprafeței de prelucrat; L = ;

L – distanța de pătrundere a cuțitului; L= ;

L- distanța de ieșire a sculei; L= .

T2,2 min

T- timpul de pregătire – încheiere se alege conform [3]. Tab. 5,67: T=14 min;

T- timpul ajutător este dat de relația:

T= tmin

unde: t- timpul pentru prinderea și desprinderea piesei; se stabilește din [3] tab 5,72, rezultă t= 6 min;

t- timpul pentru comanda mașinii; conform [3] tab.5,73, rezultă:

t= 0,1+0,1+0,4+1,4+0,8=2,9 min;

t- timpul pentru mânuire, legate de fază, din [3] tab. 5,77: t= 0,5 min;

t- timpul pentru măsuri și control, din [3] tab. 5,78: t=0,56 min.

T- timpul operativ; T= T+ T= 12,06 min

T- timpul de deservire tehnică, din [3] tab. 5,79, rezultă T= 2,4% T

– timpul de deservire organizatorică, din [3] tab. 5,79 rezultă T= 1,1% T

T- timpul de necesități fiziologice și odihnă; T= 0,5% T

T- timpul unitar;

T= T+ T+ T+ T+ T= 12,06+0,043+0,019+0,03+0,06=12,21 min

Capitolul 3

Studiul corelației dintre duritate și caracteristicile mecanice ale materialelor metalice

3.1 Informații generale privind caracteristicile mecanice ale materialelor metalice.

Piesele confecționate din materiale metalice, folosite cu cea mai mare pondere în construcția de mașini și utilaje, sunt supuse în timpul utilizării la acțiunea unor încărcări mecanice exterioare. Ca efect al acțiunii forțelor exterioare, în aceste piese se creează așa numitele forțe interioare sau eforturi, iar piesele se deformează.

Comportarea unei piese la solicitările mecanice produse de forțele exterioare depinde de anumite însușiri specifice materialului metalic din care este confecționată piesa, numite proprietăți mecanice. De obicei, proprietățile mecanice ale unui material metalic se determină prin încercări mecanice, constând în solicitarea unor epruvete în condițiile adecvate evidențierii proprietăților urmărite. Cu ajutorul încercărilor mecanice se obțin date calitative privind comportarea materialelor în condițiile de solicitare corespunzătoare acestor încercări și valorile unor mărimi fizice sau convenționale, numite caracteristici mecanice, care se pot utiliza ca parametri cantitativi de exprimare a proprietăților mecanice.

Elasticitatea și plasticitatea materialelor metalice

Elasticitatea este proprietatea unui material de a se deforma sub acțiunea solicitărilor mecanice și de a reveni la forma inițială când solicitările și-au încetat acțiunea. S-a stabilit pe cale experimentală că, în cazul în care solicitările mecanice aplicate asupra unei piese creează stări de tensiuni capabile să producă numai deformații elastice ale materialului acesteia, este valabilă legea lui Hooke, adică dependența dintre tensiunile generate de solicitările mecanice și deformațiile specifice de natură elastică produse esteliniară.

Astfel, în cazul unei piese metalice care suferă deformații elastice sub acțiunea unei solicitări de întindere sau compresiune monoaxială, starea de tensiuni generată în piesă este caracterizată numai printr-o tensiune normală σ (orientată după direcția forțelor exterioare care produc întinderea sau comprimarea monoaxialăa piesei) și legea lui Hooke care are următoarea formulare analitică:

σ=Eε,

ε fiind deformația specifică liniară(de natură elastică) a materialului piesei, măsurată pe direcția tensiunii σ. De asemenea, în cazul unei piese metalice care suferă deformații elastice sub acțiunea unei solicitări de forfecare pură, starea de tensiuni generată în piesă este caracterizată numai print-o tensiune tangențială τ și legea lui Hooke are următoarea exprimare analitică:

τ=Gγ,

γ fiind lunecarea specifică (de natură elastică) a materialui piesei, produsă pe direcția tensiunii τ.

Factorii de proporționalitate E și G, care intervin în formulările particulare (expuse anterior) ale legii lui Hooke, sunt caracteristici (constante) proprii materialului piesei solicitate, ce exprimă capacitatea materialului de a se opune acțiunii de deformare elastică exercitate de solicitările mecanice exterioare; caracteristica E este denumită modul de elasticitate longitudinală, iar caracteristica G–modul de elasticitate transversală. În teoria elasticității este demonstrat că formulările analitice ale legii lui Hooke pentru materialele continue, omogene și izotrope conțin ca factori de proporționalitate numai caracteristicile E și G, oricare ar fi complexitatea stărilor de tensiuni mecanice care produc deformațiile elastice.

Deformarea elastică a cristalelor care alcătuiesc structura pieselor metalice se realizează prin modificarea distanțelor interatomice și schimbarea parametrilor structurii cristaline. Deformarea elastică a materialelor metalice cu structură policristalină se realizează prin deformarea cristalelor componente conform mecanismului anterior prezentat.

Comportarea la deformare și valorile caracteristicilor elastice (E și G) ale materialelor metalice policristaline sunt determinate în principal de natura și intensitatea forțelor de legătură dintre atomii care alcătuiesc cristalele (dependente de compoziția chimică a materialului, de tipul și de parametrii structurii sale cristaline) și sunt influențate în măsură nesemnificativă de factorii structurali modificabili prin prelucrări tehnologice, cum ar fi forma și dimensiunile cristalelor, tipul și densitatea imperfecțiunilor structurii cristaline (dislocații, limite de cristale, limite de subcristale etc.).

Încercarea la tracțiune a materialelor metalice.

Conform standardului 10002-1:2002, parte a ISO 6892, se stabilește metoda de încercare la tracțiune a materialelor metalice și definește caracteristicile mecanice care se pot determina la temperatura ambiantă.

Pentru aplicarea acestui standard, se vor aplica următoarele definții și termeni:

L – lungime între repere (lungimea porțiunii calibrate a epruvetei pe care se măsoară alungirea în orice moment al încercării).

L0 – lungime inițială între repere (lungimea L înainte de aplicarea forței, măsurată la temperatura ambiantă).

Lu – lungimea ultimă între repere (lungimea L după ruperea epruvetei, măsurată la temperatura ambiantă, cele două fragmente fiind potrivite cu grijă, astfel încât axele lor să fie aliniate).

Lc – lungime calibrată (lungimea porțiunii calibrate cu secțiune redusă a epruvetei).

Alungire – creșterea lungimii inițiale între repere în orice moment din timpul încercării.

Alungire procentuală – alungirea exprimată în procente din lungimea inițială între repere.

A – alungire procentuală după rupere (alungirea remanentă a lungimii între repere după rupere exprimată în procente din lungimea inițială între repere).

Le – lungimea de bază a extensometrului (lungimea de bază inițială a extensometrului utilizată pentru măsurarea alungirii cu un extensometru).

Extensie – creșterea lungimii de bază a extensometrului la un moment dat al încercării.

Extensie procentuală (deformare) – extensie exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului.

Extensie remanentă procentuală – creșterea lungimii de bază a extensometrului, după îndepărtarea forțelor specifice de pe epruvetă, exprimată ca procente din lungimea de bază a extensometrului.

Ae – extensie procentuală pe palierul limitei de curgere (pentru materialele care prezintă o curgere discontinuă, extensia între începutul curgerii și începutul ecruisării uniforme, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.1).

Agt – extensie procentuală sub forța maximă (extensia totală sub forță maximă, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.2).

Ag – extensie plastică sub sarcină maximă, exprimată în procente din lungimea de bază a extensometrului (v. Fig. 3.2).

Z – coeficient de gâtuire (variația maximă a ariei secțiunii transversale produsă prin încercare (S0-Su) exprimată în procente din aria secțiunii inițiale S0.

Fm – forța maximă suportată de epruvetă pe parcursul încercării (v. Fig. 3.3a și Fig. 3.3b).

Efort unitar (tensiune) – forța raportată la aria secțiunii inițiale S0, a epruvetei, în orice moment al încercării.

Rm – rezistență la tracțiune (efortul unitar corespunzător forței maxime).

Limita de curgere aparentă – în timpul încercării, când materialul metalic prezintă un fenomen de curgere, se atinge un punct în care se produce o deformare plastică, aceasta continuând fara creșterea forței.

ReH – limita de curgere superioară (valoarea efortului unitar în momentul în care se observă prima scădere a forței v. Fig. 3.5).

ReL – limita de curgere inferioară (valoarea cea mai mică a efortului unitar în timpul curgerii plastice v. Fig. 3.4).

Rp – limita de curgere convențională, extensie plastică (efortul unitar la care extensia plastică este egală cu un procentaj specificat din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.5).

Rt – limita de curgere convențională, extensie totală (efortul unitar la care extensia totală este egală cu un procentaj specificat din lungimea de bază a extensometrului v. Fig. 3.6).

Rr – limita de alungire remanentă (efortul unitar pentru care alungirea remanentă a lungimii inițiale între repere nu depășește valoarea prescrisă după înlăturarea forței).

Rupere – fenomenul care se produce când are loc separarea totală a epruvetei.

Această încercare constă în supunerea unei epruvete la o deformare de tracțiune, în general până la rupere, în vederea determinării uneia sau mai multor caracteristici definite anterior. Încercarea se va efectua la o temperatură ambiantă cuprinsă între 10°C și 35°C.

Epruvete. Forme și dimensiuni.

Forma și dimensiunile epruvetelor depind de forma și de dimensiunile produselor metalice din care sunt prelevate epruvetele.

Epruveta se obține în general prin prelucrarea unei probe dintr-un produs sau dintr-un material semifabricat turnat. Totuși, produsele cu secțiuni constante (profile, bare, sârme etc.) ca și epruvetele brute turnate (fonte, aliaje neferoase) pot fi supuse încercării fără a fi prelucrate (v. Fig. 3.7).

Secțiunea transversală a epruveteleor poate fi circulară, pătrată, dreptunghiulară, inelară sau în cazuri particulare cu o altă secțiune transversală uniformă.

Epruvetele care se utilizează de preferință prezintă o relație directă între lungimea inițială între repere (L0) și suprafața inițială a secțiunii transversale (S0), exprimate prin relația:

Unde k – coeficient de proporționalitate și sunt numite epruvete proporționale. Valoarea coeficientului k utilizată pe plan internațional este 5,65. Lungimea inițială între repere nu trebuie să fie mai mică de 15mm. Când aria secțiunii transversale a epruvetei este prea mică, pentru ca această condiție să fie satisfăcută cu valoarea 5,65 a coeficientului k, se poate utiliza fie o valoare superioară a lui k, fie o epruvetă neproporțională.

În cazul epruvetelor neproporționale, lungimea inițială între repere L0 este luată independentde aria secțiunii inițiale S0.

Toleranțele la dimensiuni ale epruvetelor trebuie să fie conform anexelor de la B până la E, conform tabelului 3.1.

Epruvetele prelucrate trebuie să aibă o zonă de racordare între capetele de prindere și lungimea calibrată, când acestea sunt de dimensiuni diferite. Dimensiunile acestei zone pot fi importante și se recomandă ca ele să fie definite în specificațiile materialului dacă acestea nu sunt prezentate în anexa corespunzătoare (v. Tab. 3.1).

Capetele de prindere pot avea orice formă adaptată la dispozitivele de fixare ale mașinii de încercare. Axa epruvetei trebuie să coincidă cu axa de aplicare a forței. Lungimea calibrată (Lc) sau în cazul în care epruveta nu are zonă de racordare, lungimea liberă între capetele de prindere trebuie să fie întotdeauna superioară lungimii inițiale între repere (L0).

În cazul în care epruveta este construită dintr-un tronson neprelucrat de produs sau dintr-o bară de încercare neprelucrată, lungimea liberă între capetele de prindere trebuie să fie suficientă pentru ca reperele să fie la o distanță convenabilă față de aceste capete de prindere.

În cazul epruvetelor brute turnate, acestea trebuie să aibă o zonă de racordare între capetele de prindere și porțiunea calibrată. Dimensiunile acestei zone sunt importante și se recomandă ca ele să fie definite în standardul de produs. Capetele de prindere pot avea orice formă adaptată la dispozitivele de prindere ale mașinii de încercare. Lungimea calibrată (Lc), trebuie să fie întotdeauna mai mare decât lungimea inițială între repere (L0).

Determinarea rezistenței la tracțiune Rm, alungirii procentuale după rupere A, extensiei totale procentuale la forță maximă Agt, extensiei plastice procentuale la forță maximă Ag și a coeficientului de gâtuire Z.

După determinarea caracteristicilor cerute de limita de curgere aparentă/convențională, viteza de deformare estimată pe lungimea calibrată eLc, trebuie modificată pentru a aparține unuia dintre intervalele specifice următoare:

Intervalul 2: eLc=0,00025 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Intervalul 3: eLc=0,002 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Intervalul 4: eLc=0,0067 s-1 cu o toleranță relativa de ±20%

Dacă scopul încercării la tracțiune este numai de a determina rezistența la tracțiune, atunci se poate aplica o viteză de deformare estimată pe lungimea calibrată a epruvetei conform intervalului 3 sau 4, pe tot parcursul încercării.

Determinarea limitelor de curgere aparente și convenționale.

Limita de curgere superioară, ReH

Viteza de îndepărtare a traverselor trebuie menținută pe cât posibil constantă și trebuie să se situeze în limitele corespunzătoare vitezelor de solicitare din tabelul 3.2.

Limita de curgere inferioară, ReL

În cazul în care nu se determină decât limita de curgere inferioară, viteza de deformare a lungimii calibrate a epruvetei în domeniul curgerii trebuie să fie cuprinsă între 0,00025s-1 și 0,0025s-1. Viteza de deformare a lungimii calibrate trebuie menținută cât mai constant posibil. Dacă această viteză nu se poate regla direct, ea trebuie fixată prin reglarea vitezei de deformare chiar înainte de începutul curgerii, comenzile mașinii nefiind modificate până la sfârșitul curgerii.

În toate cazurile, viteza de solicitare în domeniul elastic nu trebuie să depășească vitezele maxime date în tabelul 3.2.

În cazul în care se determină cele două limite de curgere superioară și inferioară în cursul aceleiași încercări, condițiile de respectat trebuie să fie cele reținute pentru determinarea limitei de curgere inferioare.

Limita de curgere convențională și limita de extensie Rp și Rt

Viteza de îndepărtare a traverselor trebuie menținută cât mai constantă posibil și trebuie să fie cuprinsă în limitele care corespund vitezelor de solicitare din tabelul 3.2 din domeniul elastic.

În domeniul plastic și până la atingerea limitei de curgere convenționale, vitea de deformare nu trebuie să depășească 0,0025s-1.

Determinarea limitei de curgere superioare

ReH se poate determina pe diagrama forță – extensie sau din indicatorul valorii de vârf a forței și este definită ca valoarea maximă a forței unitare înainte de prima scădere a forței. Aceasta din urmă se obține prin împărțirea acestei forțe la aria inițială a secțiunii transversale a epruvetei.

Determinarea limitei de curgere inferioare

ReL se determină pe diagrama forță – extensie și este definită ca cea mai mică valoare a forței pe parcursul curgerii plastice, ignorând orice efect tranzitoriu inițial. Aceasta din urmă se obține prin împărțirea acestei forțe la aria inițială a secțiunii transversale a epruvetei S0. Pentru productivitatea încercării, ReL se poate raporta ca cea mai mică forță unitară din primul interval de 0,25% deformare după ReH și ignorând orice efect tranzitoriu inițial. După determinarea ReL prin această procedură, viteza de încercare poate fi crescută. Utilizarea acestei proceduri mai scurte se recomandă să fie înregistrare în raportul de încercare.

Determinarea limitei de curgere convenționale, extensie plastică

Rp se determină pe diagrama forță – extensie trasând o dreaptă paralelă cu porțiunea rectilinie a curbei, distanțată de aceasta cu o valoare care corespunde procentajului neproporțional prescris, de exemplu: 0,2%. Punctul unde această dreaptă intersectează curba reprezintă forța corespunzătoare limitei de curgere convenționale prescrise. Aceasta se obține prin împărțirea forței la aria secțiunii inițiale a epruvetei S0.

Atunci când porțiunea rectilinie a diagramei forță – extensie nu este clar definită astfel încât dreapta paralelă nu poate fi trasată cu o certitudine suficientă, se recomandă următorul procedeu (v. Fig. 3.8).

După ce s-a depășit limita de curgere convențională stabilită, forța se reduce până la o valoare egală cu 10% din forța atinsă. Apoi se crește din nou forța până ce se depășește valoarea atinsă inițial.

Pentru determinarea limitei de curgere convențională prescrisă, în interiorul buclei de histerezis se trasează o dreaptă. Se trasează apoi o dreaptă paralelă cu aceasta din urmă la o distanță de originea curbei, măsurată pe axa absciselor, corespunzătoare procentajului neproporțional neprescris. Punctul unde această dreaptă paralelă intersectează curba forță – extensie corespunde limitei de curgere convenționale. Aceasta este obținută prin împărțirea forței la aria secțiunii inițiale a epruvetei, S0.

Determinarea limitei de extensie

Rt se determină pe diagrama forță – extensie prin trasarea unei drepte paralele la axa ordonatei și la o distanță de aceasta echivalentă cu extensia totală procentuală prescrisă. Punctul în care această linie intersectează diagrama reprezintă forța corespunzătoare limitei de extensie dorite. Aceasta se obține prin împărțirea forței la aria inițială a secțiunii epruvetei, S0.

Determinarea extensiei procentuale pe palierul limitei de curgere

Pentru materialele care prezintă curgere discontinuă, Ae, se determină pe diagrama forță – extensie prin scăderea extensiei corespunzătoare ReH din extensia la începutul durificării uniforme. Extensia la începutul durificării uniforme este definită prin intersecția între o dreaptă orizontală care trece prin ultimul punct local minim sau o dreaptă de regresie pe palierul de curgere, înainte de a se obține durificarea uniformă și o dreaptă corespunzând la cea mai înaltă pantă a curbei care apare la începutul durificării uniforme. Aceasta este exprimată ca procent din lungimea de bază a extensometrului Le.

Determinarea extensiei plastice procentuale la forță maximă

Această metodă constă în determinarea extensiei la forță maximă pe diagrama forță – extensie, obținută cu un extensometru și scăderea deformării elastice.

Extensia plastică procentuală, Ag, la forța maximă se calculează cu ecuația:

în care:

Lm este lungimea de bază a extensometrului

mE este panta părții elastice a diagramei forță – extensie procentuală

Rm este rezistența la tracțiune

∆Lm este extensia la forța maximă.

Determinarea alungirii totale procentuale la forță maximă

Metoda constă în determinarea extensiei la forță maximă pe forță – extensie, obținută cu ajutorul unui extensometru.

Alungirea totală procentuală sub forță maximă, Agt se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

∆Lm este extensia la forță maximă.

Determinarea extensiei totale procentuale la rupere

Metoda constă în determinarea extensiei la rupere pe diagrama forță – extensie, obținută cu ajutorul unui extensometru.

Alungirea totală procentuală la rupere, At, se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

∆Lf este extensia la rupere.

Determinarea alungirii procentuale după rupere

Cele două fragmente ale epruvetei sunt, în acest fel, foarte aproape, astfel încât axele lor să fie în prelungire.

Pentru a asigura un contact bun al fragmentelor de epruvetă, în timpul măsurării lungimii ultime între repere, trebuie luate măsuri de prevedere speciale. Această precizare este importantă, îndeosebi în cazul epruveteleor cu secțiune redusă sau al celor care prezintă valori mici ale alungirii.

Alungirea procentuală după rupere, A, se calculează din ecuația:

în care:

Le este lungimea de bază a extensometrului

Lu este lungimea finală între repere după rupere.

Alungirea după rupere trebuie determinată cu o exactitate de cel puțin 0,25mm cu un dispozitiv de măsurare cu o rezoluție suficientă.

Dacă alungirea procentuală minimă specificată este mai mică de 5%, se recomandă să se ia măsuri speciale pentru determinarea alungirii. Această măsură nu este valabilă în principiu decât dacă distanța de la secțiunea de rupere la reperul cel mai apropiat este mai mare decât Le/3. Totuși, măsurarea este valabilă indiferent de poziția secțiunii de rupere, dacă alungirea procentuală după rupere este mai mare sau egală cu valoarea specificată.

Când se măsoară extensia la rupere cu ajutorul unui extensometru, marcarea lungimilor între repere nu este necesară. Alungirea măsurată este extensia totală la rupere și pentru obținerea alungirii procentuale după rupere, este necesară scăderea extensiei elastice. Pentru a se obține valori comparabile cu metoda manuală, se poate aplica o reglare suplimentară.

Această măsură nu este valabilă în principiu decât dacă ruptura se situează pe lungimea de bază a extensometrului Le. Totuși, măsurarea rămâne valabilă fără a se ține seama de poziția rupturii, dacă alungirea procentuală după rupere este mai mare sau egală cu valoarea specificată.

Dacă standardul de produs prevede determinarea alungirii procentuale după rupere pentru o lungime între repere dată, se stabilește să se ia lungimea de bază a extensometrului egală cu această lungime.

Determinarea coeficientului de gâtuire Z

Dacă este necesar, cele două fragmente ale epruvetei sunt apropiate astfel încât axele lor să fie una în prelungirea celeilalte.

Coeficientul de gâtuire, Z, se calculează cu relația:

în care:

S0 este aria secțiunii inițiale a lungimii calibrate

Su este aria minimă a secțiunii transversale după rupere și se măsoară cu o exactitate de ±2%.

Raportul de încercare.

Raportul de încercare trebuie să conțină următoarele informații:

Identificarea epruvetei;

Materialul specificat, dacă este cunoscut;

Tipul epruvetei;

Amplasarea și direcția prelevării epruvetelor;

Metoda de verificare a încercării și viteza de încercare, respectiv intervalele de viteză dacă sunt diferite de metodele și valorile recomandate;

Rezultatele încercării.

3.2 Informații generale privind duritatea materialelor metalice folosind metoda încercării Vickers conform SR EN ISO 6507-1.

Încercarea de duritate Vickers specificată în această parte a ISO 6507 este pentru lungimi ale diagonalelor urmei cuprinse între 0,020mm și 1,400mm.

Valoarea forțelor a fost calculată în kilograme forță. Acestea au fost introduse înainte adoptării Sistemului Internațional de unități SI. S-a decis să se mențină în această ediție valorile bazate pe vechile unități, urmând ca la următoarea revizuire să se ia în considerare avantajele introducerii valorilor rotunjite ale forțelor de încercare și posibilele consecințe asupra scărilor de durități.

Principiul metodei

Un penetrator de diamant având formă de piramidă dreaptă, cu bază pătrată și cu un unghi specific la vârful dintre două fețe opuse, se aplică pe piesa de încercat cu o forță F, după care se măsoară lungimile diagonalelor urmei rămase în piesa de încercat după îdepărtarea penetratorului (v. Fig. 3.9).

Duritatea Vickers este proporțională cu valoarea raportului dintre forța de încercare și aria urmei rămase, care trebuie să fie o piramidă dreaptă, cu bază pătrată și care are la vârf același unghi ca al penetratorului.

Simboluri și definiții

Notarea durității Vickers se face folosind simbolul HV precedat de valoarea durității și urmat de:

Un indice care reprezintă forța de încercare

Durata de aplicare a forței de încercare, în secunde, dacă diferă de timpul specificat.

Exemplu: 640HV30 – duritatea Vickers de 640, determinată cu o forță de încercare de 294,2N, aplicată timp de 10s până la 15s.

Aparatură folosită

Aparat de încercare (permite aplicarea unei forțe prestabilite);

Penetrator (diamant în formă de piramidă dreaptă, cu bază pătrată);

Dispozitiv de măsurare.

Epruvetele

Încercarea trebuie să se efectueze pe o suprafață netedă și plană, lipsită de oxid și de substanțe străine și în particular lipsită total de lubrifiant, dacă nu se specificaă altfel în standardele de produse. Finisarea suprafețelor trebuie să permită determinarea cu acuratețe a lungimii diagonalei urmei.

Pregătirea trebuie efectuată astfel încât orice afectare a suprafeței, de exemplu, prin încălzire sau ecruisare, să fie diminuate.

Datorită adâncimii reduse a urmerlor în cazul microdurității Vickers, este important să se ia precauții speciale pe parcursul pregătirii suprafeței. Se recomandă utilizarea polizării/eletrcopolizării în funcție de caracteristicile materialului.

Grosimea epruvetei sau a stratului supus încercării trebuie să fie cel puțin egală cu de 1,5 ori lungimea diagonalei urmei. După încercare nu trebuie să fie vizibilă nici o deformație pe suprafața opusă a epruvetei (v. Anexa A).

Pentru încercările efectuate pe suprafețe curbe, trebuie aplicată corecția indexată în anexa B (v. Anexa B).

Pentru epruvete cu secțiunea transversală mică sau cu forme neregulate poate fi necesar să se prevadă anumite forme pentru suportul suplimentar.

Mod de lucru

Ca regulă generală, încercarea se efectuează la temperatura ambiantă în limite cuprinse între 10°C și 35°C. Încercărie efectuate în condiții controlate trebuie să fie efectuate la o temperatură de (23±5)°C.

Se utilizează forțele de încercare din tabelul 3.3.

3.3 Determinări experimentale pentru corelarea durității cu caracteristicile mecanice

Pentru determinarile experimentale am ales 3 tipuri de materiale metalice (316L, S355J0, C45E).

316L – oțel aliat utilizat pentru sudare

Rezistența la tracțiune 548 MPa

Yield strength 325 MPa

Elongation 33%

Compoziție chimică:

C max 0,03%

Mn 1-2,5%

P max 0,03%

S max 0,03%

Si max 0,65%

Cr 18-20%

Mo 2-3%

Cu max 0,75%

S355J0 – oțel carbon nealiat

Tensile strength 545 MPa

Yield strength 358 MPa

Elongation 28%

Compoziție chimică:

C max 0,22%

Si max 0,55%

Mn max 1,6%

P max 0,035%

S max 0,035%

N max 0,012%

Cu 0,55%

C45E – oțel nealiat de îmbunătățire

Tensile strength 668 MPa

Yield strength 340 MPa

Elongation 19%

Compozitie chimica:

C 0,42-0,5%

Si max 0,4%

Mn 0,5-0,8%

Ni max 0,4%

P max 0,03

S max 0,035

Cr max 0,04

Mo max 0,1

Corelații teoretice duritate-proprietati mecanice.

Deși testul de duritate al materialelor metalice evaluează doar rezistența la suprafață a materialelor împotriva deformărilor plastice, acesta este frecvent utilizat deoarece reprezintă o metodă simplă și ieftină de control nedistructiv, care de asemenea vizează și limita de curgere, rezistența la tracțiune, rezistența la oboseală a materialelor, dar și studiul tensiunilor reziduale, iar în cazul materialelor fragile, rezistența la rupere.

Pentru a determina relația dintre rezistența la tracțiune (Rm) si duritate (H), a fost stabilită următoarea relație, care este și cea mai des folosită în practică:

Rm = H · k

Acest coeficient k diferă în funcție de materiale, acestea fiind prelevate folosind metoda Brinell (HB) și anume:

Pentru oțel – 3,38-3,55

Pentru alamă – 3,48-3,21

Pentru fier – 2,86-3,63

În figura 3.10 este prezentat progresul rezistenței la tractiune (Rm) în dependență cu duritatea Brinell (HB) pentru diferte materiale. În cazul aliajelor de aluminiu, în comparație cu oțelurile, se observă în general valori mai mici ale coeficientului k.

Utilizarea oțelurilor de mare rezistență a început să crească în toată aria industrială. În industria vehiculelor auto, cererea este mare pentru materialele cu o rezistenta ridicata la deformarile plastice.

Testarea microduritatii este un mod eficient de a evalua proprietatile mecanice ale materialelor si este convenabila in special pentru epruvetele de mici dimensiuni.

Limita de curgere este punctul la care un material incepe sa se deformeze plastic si dupa care nu va mai reveni la forma initiala dupa ce forta care se aplica se indeparteaza. Limita superioara de curgere este punctul maxim la care un material va rezista la tractiune inainte de a se rupe.

Aceste doua proprietati joaca roluri importante in producerea de materiale prin diferite procedee mecanice, incluzand recoacerea, forjarea, roluirea si presarea.

Limita de curgere si rezistenta mecanica au fost testate folosind un instrument de mari dimensiuni, care necesita forte enorme pentru a actiona asupra epruvetelor. Pentru a testa cele doua proprietati este nevoie de timp si de resurse materiale, acesta fiind un procedeu scump si de durata, deoarece epruvetele se pot testa o singura data si este nevoie de mai multe incercari pentru a obtine rezultate cat mai exacte. Micile defecte existente pe suprafata epruvetelor sau in acestea pot conduce la variatii considerabile in rezultatele finale. Alti factori care pot influenta rezultatele finale sunt configuratia si aliniamentul epruvetelor in momentul incercarilor.

Obiectul masuratorilor.

Utilajul Nanovea este folosit in indentare pentru a analiza limita de curgere si rezistenta mecanica de pe epruvete de aliaje metalice, inclusiv otel inoxidabil si aluminiu.

Principiul metodei.

Nanoindentarea se bazeaza pe standarde si instrumentatie. Aceasta foloseste o metoda prestabilita, unde un poanson cu o geometrie cunoscuta este condus intr-o zona specifica a materialului ce trebuie testat.

Relația fizică dintre duritate și limita de curgere a materialelor

Corelarea dintre două valori este folositoare, dar relațiile care stau la baza acestora sunt mult mai valoroase. În continuare voi analiza relațiile dintre duritate și limita de curgere a materialelor, analiza ce va urma fiind una simplificată.

Așa cum a descris Tabor, penetrările efectuate în timpul testelor de duritate sunt perceptate ca fiind permanente în materialele metalice, lucru ce determină să prioritizăm analiza proprietăților plastice ale materialelor metalice.

După înlăturarea penetratorului au loc anumite schimbări de formă și dimensiuni ale materialului, efectul major fiind efectul de curgere plastică a metalului în jurul penetratorului, acest lucru indicând faptul că presiunea aplicată de penetrator este mai de grabă legată de proprietățile plastice decât de cele elastice. Tabor arată că în acest caz, pentru o varietate de teste de duritate, aceste măsurători pot fi folosite și pentru analiza limitei de curgere a metalelor, folosindu-se și de analizele efectuate de Prandtl și Hencky.

În timpul penetrării, se aplică o presiune pe suprafața metalică. Deși vârful penetratorului nu este paralel cu suprafața epruvetei, starea de tensiune din timpul penetrării nu este o simplă stare de compresiune. Așadar, presiunile trebuie analizate după două direcții (perpendicular pe axa penetratorului și în paralel cu aceasta). Deformarea plastică în timpul penetrării are loc în momentul în care efectul Huber-Mises este satisfăcut și anume, momentul în care forța de forfecare atinge o valoare critică:

unde 𝜎y este limita de curgere.

Forma piramidală a vârfului penetratorului poate fi considerat de forma unei pene în timpul penetrării. Modelul curgerii plastice din jurul vârfului penetratorului poate fi determinat cu ajutorul soluției lui Prandtl. Modelul curgerii este prezentat schematic în figura de mai jos (v. Fig. 3.11) pentru o penetrare tip Vickers.

Presiunea normală la suprafață poate fi calculată cu următoarele formule:

Pentru un penetrator tip Vickers:

unde: 0.927 este raportul dintre suprafața bazei piramidei în raport cu suprafața fețelor acesteia.

Combinând cele două ecuații vom obține:

Hv = 0.927P = 0.927 · 2.96𝜎y = 2.74𝜎y

Dacă inversăm această relație:

𝜎y = 0.364 Hv, 𝜎y și Hv fiind măsurate în kg/mm2, alternativ,

𝜎y = 3.55 Hv, acestea fiind măsurate în MPa și kg/mm2.

Corelarea durității cu proprietățile mecanice s-a realizat pentru oțelurile: AISI 316L (X2CrNiMo17-12-2) – oțel inoxidabil; C45E – oțel carbon nealiat de îmbunătățire; S355J0 – oțel carbon nealiat. Curbele caracteristice determinate la încercarea la tracțiune sunt prezentate în figura 3.11 și în tabelul 3.4.

Tab. 3.4. Sistematizarea caracteristicilor mecanice pentru oțelurile analizate

Oțelurile analizate au fost supuse încercării de duritate Vickers, cu două sarcini diferite (1 kgf și 3 kgf), rezultatele centralizate sunt prezentate în tabelele 3.4 și figurile 3.11.

Tab. 3.5 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru oțelul 316L (X2CrNiMo17-12-2)

Tab. 3.6 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru C45E (oțel carbon nealiat de îmbunătățire)

Tab. 3.7 Datele obținute la determinarea durității Vickers pentru S355J0 – oțel carbon nealiat

Pentru a determina corelarea dintre valorile de duritate și cele două proprietăți mecanice ale oțelurilor analizate (rezistența la tracțiune Rm și limita de curgere convențională Rp0,2) se va lua în considerare valorile medii ale durităților în funcție de forța de apăsare (HV1 și HV3), așa cum se prezintă în tabelul 3.8.

Tab. 3.8 Valorile caracteristicilor mecanice, în funcție de duritatea medie obținută

1 Rm= HB · k ;

2 Rp0,2 = 3,55 · Hv ;

k ϵ (3,38;3,55) ; Se alege k = 3,40.

Analizând rezultatele obținute în tabelul 3.8, se observă o variație mare între valorile limită standard ale materialelor metalice și valorile determinate experimental în cadrul proiectului de diplomă (rezistența la tracțiune Rm și limita convențională de curgere Rp0,2), fapt ce conduce la corectarea coeficientului k, prezentat în tabelul 3.9

Tabelul 3.9 Valorile corectate ale coeficientului k