Методы испытания металлов и сплавов. Костин П.П. Физико-механические испытания металлов, сплавов и неметаллических материалов Методы механических испытаний черных сплавов

(прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.

Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:

· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);

· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);

· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);

· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).

Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а ), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).

Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а ) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б )

Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).

Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.

При испытании на растяжение определяют:

· σ в — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2):

0 — начальная площадь сечения образца;

· σ пц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2):

где P пц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;

· σ пр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р пр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σ пр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);

· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2):

где Р т — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;

· δ — относительное удлинение, %:

где l 0 — длина образца до разрыва, м; l 1 — длина образца после разрыва, м;

· ψ — относительное сужение, %:

где F 0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .

Испытания на твердость

Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.

Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а ).

Твердость по Бринеллю определяется по формуле:

— диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.

Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.

Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.

Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б ). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р 0 и общей Р :

Р = Р 0 + Р 1 ,

0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.

Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу

Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.

Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:

НR = 100 - e (шкалы А и С); НR = 130 - e (шкала В).

Величину e определяют по формуле:

где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р 0 + Р 1); h 0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р 0 .

В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА .

Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в ). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.

Твердость по Виккерсу:

— среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.

Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d . При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.

Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:

Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.

Испытание на ударную вязкость

Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:

K = Р(h 1 - h 2)

K = Рl (соs β - соs α), Дж (кг·м),

де P — масса маятника, Н (кг); h 1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h 2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.

Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры

Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:

МДж/м 2 (кг·м/см 2),

где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2).

Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K . При этом F = 0,8 · 10 -4 м 2 .

Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т . Запись KСU означает ударную вязкость образца с U -образным надрезом, KСV — с V -образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).

Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U -образный надрез (KCU ); б — V -образный надрез (KСV ); в — надрез с трещиной (KСТ )

Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла . При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.

При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).

Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; виг — изгибающий момент

Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).

Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.

Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон

Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.

Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.

Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке

Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм . Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.

Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками: одни детали испытывают постоянно действующие нагрузки в одном направлении, другие - удары, третьи - нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных или низких температурах. Поэтому разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов. Различают статические и динамические испытания.

Статическими называют такие испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной или медленно возрастающей нагрузке.

Динамическими называют испытания, при которых материал подвергают воздействию ударным нагрузкам.

Наиболее распространенными испытаниями являются испытания на твердость, статическое растяжение, ударную вязкость. Кроме того, иногда производят испытания на усталость, ползучесть и изнашивание, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - распространенный способ механических испытаний металлов. При этих испытаниях по сечению образца создается однородное напряженное состояние, материал находится под действием нормальных и касательных напряжений.

Для статических испытаний используют, как правило, круглые образцы 1 (рис. 2.5) или плоские 2 (листовые). Образцы имеют рабочую часть и головки, предназначенные для закрепления их в захватах разрывной машины.

Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины / 0 к начальному диаметру (/ 0 /^/ 0) называется кратностью образца, от которой зависит его конечное относительное удлинение. На практике применяют образцы с кратностью 2,5; 5 и 10. Самым распространенным является образец кратностью 5.

Расчетная длина / 0 берется несколько меньше рабочей длины /,. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части

Рис. 2.5. 1 - круглый образец; 2 - плоский образец; /1 - длина рабочей части; /о - начальная расчетная длина

нормального круглого образца 20 мм. Образцы других диаметров называются пропорциональными.

Растягивающее усилие создает напряжение в испытываемом образце и вызывает его удлинение. В тот момент, когда напряжение превзойдет прочность образца, он разорвется.

Перед испытанием образец закрепляют в вертикальном положении в захватах испытательной машины. На рис. 2.6 представлена схема испытательной машины, основными элементами которой являются: приводной нагружающий механизм, обеспечивающий плавное нагружение образца вплоть до его разрыва; силоизмерительное устройство для измерения силы сопротивления образца растяжению; механизм для автоматической записи диаграммы растяжения.

Рис. 2.6. 1 - основание; 2 - винт; 3 - нижний захват (активный); 4 - образец; 5 - верхний захват (пассивный); 6 - силоизмерительный датчик; 7 - пульт управления с электроприводной аппаратурой; 8 - индикатор нагрузок; 9 - рукоятка управления; 10 - диаграммный механизм; 11 - кабель

В процессе испытания диаграммный механизм непрерывно регистрирует так называемую первичную (машинную) диаграмму растяжения (рис. 2.7) в координатах нагрузки Р; Д/ - абсолютное удлинение образца. На диаграмме растяжения пластичных металлических материалов можно выделить три характерных участка: участок ОА (прямолинейный) соответствует

упругой деформации (такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой называется законом пропорцио-

Рис.

нальности); участок ЛВ (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при возрастании нагрузки; участок ВС (криволинейный) соответствует упругопластической деформации при снижении нагрузки. В точке С происходит окончательное разрушение образца с разделением его на две части.

При переходе от упругой деформации к упругопластической для некоторых металлических материалов на машинной диаграмме растяжения может появится небольшой горизонтальный участок ЛЛ", называемый площадкой текучести. Образец удлиняется без увеличения нагрузки - металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без заметного увеличения нагрузки продолжается деформация испытуемого образца, называется физическим пределом текучести.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали, а также для некоторых марок латуни. На диаграммах растяжения высокоуглеродистых сталей нет площадки текучести.

С увеличением упругопластической деформации усилие, с которым сопротивляется образец, растет и достигает в точке В своего максимального значения. Для пластичных материалов в этот момент в наиболее слабом сечении образца образуется локальное сужение (шейка), где при дальнейшем деформировании происходит разрыв образца.

При растяжении определяют показатели прочности и пластичности материалов.

Показатели прочности материалов характеризуются напряжением а, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерных точках диаграммы растяжения).

К наиболее часто используемым показателям прочности материалов относятся: предел текучести, условный предел текучести, предел прочности.

Предел текучести а т, МПа - наименьшее напряжение, при котором материал деформируется (течет) без заметного изменения нагрузки:

а. г = Р Т /Р 0 ,

где Р т - нагрузка, соответствующая площадке текучести на диаграмме растяжения (см. рис. 2.7); Р 0 - площадь поперечного сечения образца до испытания.

Если на машинной диаграмме растяжения нет площадки текучести, то задаются допуском на остаточную деформацию образца и определяют условный предел текучести.

Условный предел текучести а 02 , МПа - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от начальной расчетной длины образца:

а 0,2 = Л)2 /^0’

где Р 02 - нагрузка, соответствующая остаточному удлинению

Д/ 0>2 = 0,002/ 0 .

Предел прочности а в, МПа - напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Р тах, предшествующей разрыву образца:

Показатель пластичности. Пластичность - одно из важных механических свойств металла, которое в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Наиболее часто используются следующие показатели пластичности.

Относительное удлинение 5, % - наибольшее удлинение, до которого образец деформируется равномерно по всей его расчетной длине, или другими словами, отношение абсолютного приращения расчетной длины образца Д/ р до нагрузки Р тах к ее первоначальной длине (см. рис. 2.7):

8 = (Д/ р //о)100 = [(/ р - /о)//(,]! 00.

Аналогично предельному равномерному удлинению существует относительное сужение 1|/ (%) площади поперечного сечения:

у =(А/’ р // , 0)100 = [(/- 0 - р р ур 0 ] т ,

где Е 0 - начальная площадь поперечного сечения образца; Е р - площадь в месте разрыва.

У хрупких металлов относительное удлинение и относительное сужение близки нулю; у пластичных материалов они достигают нескольких десятков процентов.

Модуль упругости? (Па) характеризует жесткость металла, его сопротивление деформации и представляет собой отношение напряжения в металле при растяжении к соответствующему относительному удлинению в пределах упругой деформации:

Е = а/ 8.

Таким образом, при статическом испытании на растяжение определяют показатели прочности (а т, а 02 , а в) и показатели пластичности (8 и |/).

Испытания на твердость. Твердость - свойство материала оказывать сопротивление контактной деформации или хрупкому разрушению при внедрении твердосплавного наконечника (ин-дентора) в его поверхность. Испытания на твердость - самый доступный и распространенный способ механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса и метод Роквелла.

При испытании на твердость методом Бринелля в поверхность материала вдавливается твердосплавный шарик диаметром /) под действием нагрузки Р и после снятия нагрузки измеряется диаметр с! отпечатка (рис. 2.8, а).

Число твердости по Бринеллю (НВ) подсчитывается по формуле

НВ = Р/Е,

где Р - нагрузка на шарик, Н; .Г - площадь поверхности сферического отпечатка, мм 2 .

Определенная нагрузка соответствует конкретному значению твердости. Так, при определении твердости стали и чугуна на-

Рис. 2.8. Схемы испытаний на твердость по Бринеллю (а), Виккерсу (б),

Роквеллу (в)

грузка на шарик Р= ЗО/) 2 ; для меди, ее сплавов, никеля, алюминия, магния и их сплавов - Р= 10/) 2 ; для баббитов - Р = 2,5/) 2 .

Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до края образца - не меньше /).

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью 4500 НВ. Если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытаний тонколистового материала.

Если твердость по Бринеллю испытывалась шариком диаметром 10 мм и нагрузкой в 29-430 Н, то число твердости обозначается цифрами, характеризующими значение твердости, и буквами «НВ», например 185НВ.

Если испытания проходили при других условиях, то после букв «НВ» указывают эти условия: диаметр шарика (мм), нагрузка (кгс) и продолжительность выдержки под нагрузкой (с): например 175НВ5/750/20.

Этим методом можно испытывать материалы твердостью не более 450НВ.

При испытании на твердость методом Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом 136° при вершине (рис. 2.8, б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ с1 х отпечатка. Число твердости по Виккерсу (НУ) подсчитывается по формуле

НУ= 1,854 Р/б 2 ,

среднее арифметическое значение длины обеих диагоналей отпечатка, мм.

Число твердости по Виккерсу обозначается буквами «НУ» с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм 2) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой для сталей 10-15 с, а для цветных металлов 30 с. Например, 450НУ10/15 означает, что твердость по Виккерсу 450 получена при Р= 10 кгс, приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринелля заключается в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость методом Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом 120° при вершине или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Однако согласно этому методу за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания методом Роквелла показана на рис. 2.8, в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р 0 , под действием которой индентор вдавливается на глубину И (у Затем прикладывается основная нагрузка Р х, под действием которой индентор вдавливается на глубину /?,. После этого снимают нагрузку Р { , но оставляют предварительную нагрузку Р 0 . При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня И 0 . Разность (И - /г 0) зависит от твердости материала. Чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой деления 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Твердость, определенная методом Роквелла, обозначается буквами «Н11». Однако в зависимости от формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляются буквы: А, С, В, обозначающие соответствующую шкалу измерений.

Метод Роквелла по сравнению с методами Бринелля и Виккерса имеет преимущество, которое заключается в том, что значение твердости по методу Роквелла фиксируется непосредственно индикатором, при этом отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Испытания на ударную вязкость (ударный изгиб). Если та или иная деталь машины или механизма в силу своего назначения испытывает ударные нагрузки, то металл для изготовления такой детали кроме статических испытаний испытывают еще динамической нагрузкой, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках. Такими металлами являются, например, чугун и стали с крупнозернистыми структурами.

Для оценки склонности материалов к хрупкому разрушению широко применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость. Ударная вязкость оценивается работой, затраченной на ударный излом образца, отнесенная к площади его поперечного сечения в месте надреза.

Для определения ударной вязкости используют призматические образцы с различными надрезами. Самыми распространенными являются образцы с и- и У-образнымм надрезами.

Испытания на ударную вязкость проводят на маятниковом копре (рис. 2.9). Маятник весом С поднимают на высоту /?, и затем освобождают. Маятник, свободно падая, ударяет по образцу и разрушает его, продолжая движение по инерции на высоту /? 2 .

Работа, затраченная на ударный излом образца, определяется по формуле

К=0(И х -Л 2),

где С - вес маятника; /?, - высота подъема маятника до испытаний; Л 2 - высота подъема маятника после испытаний.

Указатель на шкале копра фиксирует работу К.

Ударная вязкость имеет обозначения: КСУ и КСИ, где первые две буквы обозначают символ ударной вязкости, третья (V или и) - вид концентратора (надреза). Подсчитывается ударная

Рис. 2.9. а - маятниковый копр; б - расположение образца на копре; 1 - корпус; 2 - маятник; 3 - образец

вязкость как отношение работы к площади поперечного сечения образца в надрезе:

КС = АГ/^о,

где К - работа удара на излом образца; 5 0 - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Технологические испытания или пробы металлов проводятся с целью определения способности металлов воспринимать деформацию, подобную той, которой он должен подвергаться в условиях обработки или эксплуатации. Технологические пробы металлов проводят:

• на осадку;
• сплющивание;
• навивание проволоки;
• загиб, перегиб;
• выдавливание;
• свариваемость;
• развертывание фасонного материала и др.

Технологические пробы металлов во многих странах (в том

числе и России) стандартизованы. Технологические пробы не дают численных данных. Оценка качества металла при этих испытаниях производится визуально по состоянию поверхности металла после испытания. Например, для оценки качества труб проводят технологические испытания на расширение, плющева-ние, разбортовку, растяжение и расширение кольца, а также гидравлическим давлением.

Для того чтобы оценить способность металла пластически деформироваться без нарушения целостности при обработке давлением, определяют его технологическую пластичность (деформируемость). Иногда способность к деформированию называют по названию конкретного процесса: штампуемость (проба на выдавливание).

Штампуемость определяется путем продавливания пуансона через листовой материал толщиной до 2 мм, зажатый между матрицей и прижимом; служит для определения способности металла к холодной штамповке и вытяжке.

Прокатываемость - продольная прокатка клиновидных образцов (прокатка на клин), служит для приближенного определения максимальной степени деформации для данного материала.

Прошиваемость - винтовая прокатка конических или цилиндрических образцов с торможением, служит для приближенного (конический образец) или более точного (цилиндрический образец) определения максимальных обжатий перед носком оправки при прошивке заготовок.

Свариваемость определяет сопротивление разрыву по сварному шву. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву по шву должно составлять не менее 80 % от предела прочности цельного образца.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать перегибы; применяется для оценки качества полосового и листового металла, а также проволоки и прутков.

Испытания на осадку проводят с целью определения способности металла принимать заданную форму в холодном состоянии, не допуская при этом трещин, разрывов, изломов и т. д. Такие испытания проводят для заклепочных металлов.

Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Как привило, таким испытаниям подвергают отрезки сварных труб диаметром 22-52 мм с толщиной стенок от 2,5 до 10 мм. Проба заключается в сплющивании образца под прессом, которое выполняется до получения просвета между внутренними стенками трубы, размер которого равен четырехкратной толщине стенки трубы, при этом образец не должен иметь трещин.

Прочностью называется способность металла не поддаваться разрушению под действием внешних нагрузок. Ценность металла как машиностроительного материала наряду с другими свойствами определяется прочностью.

Величина прочности указывает, какая сила необходима, чтобы преодолеть внутреннюю связь между молекулами.

Испытание металлов на прочность при растяжении производится на специальных машинах различной мощности. Эти машины состоят из нагружающего механизма, который создает усилие, производит растяжение испытываемого образца и показывает величину усилия, приложенного к образцу. Механизмы бывают механического и гидравлического действия.

Мощность машин различна и достигает 50 т. На рис. 7, а показано устройство машины, состоящей из станины 2 и зажимов 4, при помощи которых закрепляются испытываемые образцы 3.

Верхний зажим закреплен в станине неподвижно, а нижний при помощи особого механизма при испытании медленно опускается, растягивая образец.

Рис. 7. Испытание металлов на растяжение :

а - прибор для испытания металлов на растяжение; б - образцы для испытания на растяжение: I - круглый, II - плоский

Нагрузка, передаваемая при испытании на образец, может быть определена по положению стрелки прибора на измерительной шкале 1.

Испытание образцов должно всегда проводиться в одинаковых условиях, чтобы полученные результаты можно было сравнивать. Поэтому соответствующими стандартами установлены определенные размеры образцов для испытания.

Стандартными образцами для испытания на растяжение являются образцы круглого и плоского сечений, показанные на рис. 7, б.

Плоские образцы применяют при испытании листов, полосового материала и т. д., а если профиль металла позволяет, то делают круглые образцы.

Пределом прочности (σ b) называется наибольшее напряжение, которое может испытывать материал до его разрушения; предел прочности металла равняется отношению наибольшей нагрузки при испытании образца на разрыв к первоначальной площади поперечного сечения образца, т. е.

σ b = P b /F 0 ,

где Р b - наибольшая нагрузка, предшествующая разрыву образца, кгс;

F 0 - начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 .

В целях безопасной работы машин и сооружений необходимо, чтобы при эксплуатации напряжения в материале не превышали установленного предела пропорциональности, т. е. наибольшего напряжения, при котором не вызываются деформации.

Предел прочности некоторых металлов при испытании на растяжение, кгс/мм 2:

Свинец 1,8

Алюминий 8

Ответы на экзамены по ТКМ.

1. .Строение конструкционных материалов.

Металлы - кристаллические тела, атомы которых располага­ются в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы, в отличие от аморфных тел (например, смола), атомы которых находятся в беспорядочном состоянии.

Располагаясь в металлах в строгом порядке, атомы в плоскости образуют атомную сетку, а в пространстве - атомно-кристаллическую решетку. Линии на этих схемах являются услов­ными; в действительности никаких линий не существует, а атомы колеблются возле точек равновесия, т. е. узлов решетки с большой частотой. Элементарные ячейки таких кристаллических решеток приве­дены на рис. 1. Все кристаллические тела образуют семь разновидностей кристаллических решеток, из которых для металлов наиболее характерны объемно-центрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) (рис. 1)

В ячейке кубической объемно-центрированной решетки атомы расположены в вершинах куба и в центре куба; такую решетку имеют хром, ванадий, вольфрам, молибден и др. В ячейке кубической гранецентрированной решетки атомы расположены в вер­шинах и в центре каждой грани куба; такую решетку имеют алю­миний, никель, медь, свинец и др. В ячейке гексагональной решетки атомы расположены в вершинах шестиугольных оснований призмы, в центре этих оснований и внутри призмы; гексагональную решетку имеют магний, титан, цинк и др. В реальном металле кристалли­ческая решетка состоит из огромного количества ячеек.

Размеры кристаллической решетки характеризуются ее пара­метрами, измеряемыми в ангстремах - А (1А = 10 -8 см или lA = 0,1 Нм). Параметр кубической решетки характеризуется дли­ной ребра куба, обозначается буквой а и находится в пределах 0,28-0,6 Нм (2,8 - 6А). Для характеристики гексагональной решетки принимают два параметра - сторону шестигранника а и высоту призмы с. Когда отношение с/а -- 1,633, то атомы упако­ваны наиболее плотно, и поэтому такая решетка называется гекса­гональной плотноупакованной.

Рис.1. Атомно-кристаллическое строение металлов.

2. .Типы кристаллических решеток.

Свойства кристалла определяются не только типом кристал­лической решетки, но и характером взаимодействия атомов, ионов и электронов между собой. При переходе паров металла в жидкость, а затем в твердое состояние его атомы сближаются настолько, что валентные электроны получают возможность пере­ходить от одного атома к другому и свободно перемещаться, таким образом, по всему объему металла, обеспечивая высокую электро- и теплопроводность. Между электронами и положительными ионами возникают силы электрического взаимодействия.

Рис. 2. Схемы кристаллических решеток:

а – объемно-центрированная кубическая; б - гранецентрированная кубическая; в - гексагональная плотноупакованная.

В зависимости от температуры и давления многие металлы могут образовывать различные типы кристаллических решеток. Эта способность металлов носит название полиморфизма или алло­тропии. Полиморфные превращения свойственны таким широко применяемым в машиностроении металлам, как Fe, Ti, Mn, Co, Sn. Полиморфные модификации элементов обычно обозначают, начи­ная с наиболее низкотемпературны, буквами α, β, γ, δ и т. д. Так например: железо при нагреве до температуры 910 °С образует модификацию α-Fe с ОЦК-решеткой, в интервале 910-1400 °С - γ-Fe с ГЦК-решеткой и свыше 1400 °С - δ-Fe с решеткой ОЦК. При этом происходит существенное изменение свойств материала. Это явление широко используют в технике для улучшения обра­батываемости металлов, при их термообработке и других про­цессах.

Для характеристики формы и размера элементарной ячейки кристаллической решетки используют (рис.2) шесть основных параметров: расстояния по осям координат - a, b, c называемые периодом решетки, и три угла - α, β, γ между этими отрезками. Кроме основных параметров в кристаллографии при­няты еще другие, дополнительно характеризующие кристалличе­скую решетку.

3. Анизотропия кристаллов и его влияние на свойства материалов.

В различных плоскостях кристаллической решетки атомы рас­положены с различной плотностью и поэтому многие свойства кристаллов в различных направлениях различны. Такое различие называется анизотропией.

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов аморф­ные тела (например, смола) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность атомов и, следовательно, одина­ковые свойства, т. е. они изотропны.

В металлах, состоящих из большого количества по-разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов (поликри­сталл), свойства во всех направлениях одинаковы (усредненные). Эта кажущаяся независимость свойств от направления называется квазиизотропией *.

Если в структуре металла создается одинаковая ориентировка кристаллов, то появляется анизотропия.

При переходе металла из жидкого состояния в твердое про­исходит так называемый процесс кристаллизации. Основы теории кристаллизации разработаны основоположником науки о металлах - металловедения Д. К. Черновым, кото­рый установил, что кристаллизация состоит из двух процессов: зарождения мельчайших частиц кристаллов (зародышей кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров (рис.3).

Рис.3 . Последовательные этапы процесса кристаллизации.

Рост кристаллов заключается в том, что к их зародышам при­соединяются все новые атомы жидкого металла. Сначала кристаллы растут свободно, сохраняя правильную геометрическую форму, но это происходит только до момента встречи растущих кристаллов. В месте соприкосновения кристаллов рост отдельных их граней прекращается и развиваются не все, а только некоторые грани кристаллов. В результате кристаллы не имеют правильной геометрической формы. Такие кристаллы называют кристаллитами или зернами. Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем больше кристаллов образуется в данном объеме и каждый кристалл (зерно) меньше. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше скорость охлаждения металла, тем больше возникает в нем центров кристаллизации, и зерна получаются мельче (рис.4). Это подтверждается на практике в тонких сечениях литых деталей охлаждающихся более быстро, металл всегда получается более мелкозернистым, чем в толстых массивных литых деталях, охлаждающихся медленнее. Однако не всегда можно регулировать скорость охлаждения.

Всем кристаллам присуща анизотропия, т. е. неравномерность свойств по направлениям, определяемая различными рассто­яниями между атомами в кристаллической ячейке. Наиболее сильно анизотропия выражена у металлов, имеющих асимметричное кри­сталлическое строение. От направления действия сил в кристалле существенно зависят такие показатели физических свойств, как прочностные характеристики, модуль упругости, термический коэффициент расширения, коэффициенты тепло- и электропровод­ности, показатель светового преломления и др. Анизотропия характерна и для поверхностных слоев кристаллов. Такие свой­ства, как поверхностное натяжение, электронные потенциалы, адсорбционная способность, химическая активность существенно различаются у различных граней кристалла.

Рис.4. Влияние скорости охлаждения на возникновение центров кристаллизации и на величину образующихся зерен.

1 - медленное охлаждение, 2 – ускоренное охлаждение, 3 – быстрое охлаждение.

4. .Дефекты кристаллических решеток.

Строение и свойства реальных кристаллов отличаются от иде­альных, представленных на рис. 1, вследствие наличия в них дефектов, которые подразделяют на поверхностные и внутренние. Реальный единичный кристалл обладает свободной (наружной) поверхностью, на которой уже вследствие поверхностного натяже­ния решетка будет искажена. Это искажение может распростра­няться и на прилегающую к поверхности зону.

Рис.5. Дефекты кристаллической решетки:

а - точечные; б - линейные; в - двухмерные (плоскостные)

Дефекты внутреннего строения подразделяют на нульмерные (точечные), одномерные - линейные и двухмерные, т. е. развитые в двух направлениях. К точечным дефектам относятся: вакансии в случае, когда отдельные узлы кристаллической решетки не за­няты атомами; дислоцированные атомы, когда отдельные атомы оказываются в междуузлиях, или примесные атомы, количество которых даже в чистых металлах весьма велико. Около таких дефектов решетка будет упруго-искаженной на расстоянии одного-двух ее периодов (рис. 5, а). Хотя относительная концентрация точечных дефектов может быть невелика, они вызывают чрезвы­чайно большие изменения физических свойств материала. Напри­мер, тысячные доли атомного процента примесей к чистым полу­проводниковым кристаллам изменяют их электрическое сопроти­вление в 10 5 -10 8 раз.

Линейные дефекты малы в двух измерениях кристаллической решетки и достаточно велики в третьем. К таким дефектам отно­сятся смещения атомных плоскостей или дислокации и цепочки вакансий (рис. 5, б ). Важнейшим свойством таких дефектов является их подвижность внутри кристалла и активное взаимо­действие между собой и с другими дефектами.

Плотность дислокаций в кристаллах велика: в недеформированных кристаллах их количество на 1 см 3 достигает 10 6 -10 8 ; при пластической деформации происходит возникновение новых дисло­каций, и это число увеличивается в тысячи раз. Двухмерные де­фекты характерны для поликристаллических материалов, т. е. для материалов, состоящих из большого количества мелких кристаллов, различно ориентированных в пространстве.

Граница сросшихся при затвердевании кристаллов предста­вляет собой тонкую, до 10 атомных диаметров, зону с нарушением порядка в расположении атомов. В поликристаллическом теле границы отдельных кристаллов имеют криволинейные поверх­ности раздела, а сами кристаллы - неправильную форму. По­этому их, в отличие от правильно ограниченных кристаллов, на­зывают кристаллитами или зернами. Зерна поликристалла при затвердевании растут из различных центров кристаллизации и ориентация осей кристаллических решеток соседних зерен раз­лична. Зерно металла состоит из отдельных блоков, ориентирован­ных один по отношению к другому под небольшим углом. Границы между ними представляют собой обычно скопления дислокаций (рис. 5, в ). Поверхностные дефекты малы только в одном направле­нии; в двух других они могут достигать размера кристаллита.

5. .Влияние дефектов кристаллических решеток на свойства материалов.

Влияние дефектов строения на свойства материалов огромно. Например, прочность реальных кристаллов на сдвиг из-за наличия дефектов строения уменьшается на три-четыре порядка по сравне­нию с той же характеристикой идеального кристалла. Влияние дефектов строения на прочностные характеристики металлов не однозначно. Из представленной на рис. 6 зависимости видно, что прочность практически бездефектных кристаллов (так называемых «усов») очень высока. Увеличение количества п дефектов строения в 1 см 3 приводит к резкому снижению прочности (ветвь А ). Точка Р к характеризует прочность металлов, которые принято называть «чистыми». Дальнейшее увеличение дефектов, например, введением легирующих примесей или методами специального искажения кристаллической решетки повышает реальную прочность металлов (ветвь В ). Для создания наиболее прочных материалов стараются получить оптимальное количество дефектов. Наибольшее упроч­нение достигается при плотности дислокаций 10 12 -10 18 на 1 см 3 .

Рис. 6. Зависимость проч­ности кристаллического тела от плотности де­фектов строения

Кроме влияния на прочностные характеристики дефекты ре­шетки играют большую роль в процессах диффузии и самодиффу­зии, которые во многом определяют скорости протекания хими­ческих реакций в твердом теле, а также ионную проводимость кристаллов. Дефекты кристаллической решетки, распределенные необходимым образом по объему кристалла, позволяют создавать в одном образце области с различными типами проводимости, что является необходимым при изготовлении некоторых полупровод­никовых элементов.

6. .Виды кристаллических решеток сплава.

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов, называ­емых компонентами. В качестве компонентов сплавов могут быть как чистые элементы, так и химические соединения. Широкое применение сплавов в качестве машиностроительных материалов можно объяснить тем, что они обладают разнообразным комплек­сом свойств, которые могут быть направленно изменены в зависимости от количества и вида компонентов, а также с помощью термической или других видов обработки.

Рис. 7. Виды кристаллических решеток сплавов.

а - твердый раствор замещения; б - твердый раствор внедрения; в - химическое соединение

а б

прочностью а.

где Р F 0

7. .Понятие о фазах, виды фаз.

При сплавлении ком­поненты образуют в сплаве фазы - однородные объемы, разграниченные друг от друга поверхностями раздела - границами, при переходе через которые свойства могут изменяться скачко­образно. В сплавах образуются следующие основные фазы: твер­дые растворы, химические соединения и механические смеси.

Твердые растворы являются наиболее распространенной фазой в металлических сплавах. Характерной особенностью их строения является сохранение кристаллической решетки металла-раствори­теля. Растворенные металлы могут быть распределены в ней в виде твердого раствора замещения (рис. 7, а ) в том случае, если у обоих компонентов однотипные решетки, достаточно близкие атомные радиусы и физико-химические свойства, или в виде твердого раствора внедрения (рис. 7, б ), если атомный радиус растворенного компонента достаточно мал.

Химические соединения обычно образуются между металлами и неметаллами и обладают свойствами неметаллических включе­ний, а также между металлами. При этом образуется новый тип кристаллической решетки, отличной от решеток составляющих компонентов и обладающий другими свойствами (рис.7, в). При сплавлении компонентов с весьма различными атомными радиусами и электрохимическими свойствами взаимная раствори­мость практически отсутствует. В этом случае образуется механи­ческая смесь кристаллов компонентов.

Как правило, в много­компонентных металлических сплавах можно одновременно встре­тить три вида фаз. Направленным изменением сочетания компонентов в сплавах можно изменять количество дефектов строения и, следо­вательно, управлять физико-механическими характеристи­ками.

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механические, физико-хими­ческие, технологические и эксплуатационные. К основным меха­ническим свойствам относят прочность, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность, ползучесть, твердость и износо­стойкость. Под прочностью понимают способность материала сопроти­вляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. При статических нагрузках произ­водят испытания на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Пока­зателем прочности является предел прочности образца испытуемого металла, приведенного на рис. 9, а.

где Р - нагрузка, необходимая для разрушения стандартного образца, МН; F 0 - площадь поперечного сечения образца в мм .

8. .Механические свойства конструкционных материалов.

Методы испытания механических свойств металлов.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испы­тания механических свойств металлов делят на три группы:

статические , когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, твер­дость);

динамические , когда нагрузка возрастает с большой скоростью, ударно (испытание на удар);

испытания при повторно-переменных нагрузках , когда нагрузка в про­цессе испытания многократно изменяется по величине или по вели­чине и знаку (испытание на усталость).

Необходимость проведения испытания в различных условиях определяется различием в условиях работы деталей машин, инстру­ментов и других металлических изделий.

Испытание на растяжение . Для испытания на растяжение при­меняют цилиндрические или плоские образцы определенной формы и размеров по стандарту. Испытание образцов на растяжение про­водится на разрывных машинах с механическим или гидравличе­ским приводом. Эти машины снабжены специальным приспособле­нием, на котором при испытании (растяжении) автоматически записывается диаграмма растяжения.

Учитывая, что на характер диаграммы растяжения влияет размер образца, диаграмму строят (рис.8) в координатах напряжение σ (в Н/м 2 или кгс/мм 2) - относительное удлинение δ(в % ). При испытании на растяжение определяют следующие характе­ристики механических свойств: пределы пропорциональности, упру­гости, текучести, прочности, истинного сопротивления разрыву, относительное удлинение и сужение.

Рис. 8. Диаграмма растяжения.

Пределом пропорциональности (условным) σ пц называется такое напряжение, когда отступление от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, при которой тангенс угла, образуемого касательной к кривой нагрузка - дефор­мация с осью нагрузок, увеличивается, например, на 25 или 50% по сравнению с первоначальным значением:

где Р пр - нагрузка, соответствующая пределу пропорциональности (условному).

Пределом упругости (условным) σ уп называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,05% от расчетной величины образца и определяется по формуле:

где P 0,05 - нагрузка, соответствующая пределу упругости (услов­ному).

Пределом текучести (физическим) σ т называется наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без замет­ного увеличения нагрузки:

где Р т - нагрузка, соответствующая пределу текучести (физиче­скому).

Пределом текучести (условным) σ 0,2 называется напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2 % от расчетной длины образца:

где Р 0,2 - нагрузка, соответствующая пределу текучести (услов­ному).

Пределом прочности (временным сопротивлением) σ в называется напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р в, пред­шествующей разрушению образца:

Истинным сопротивлением разрушению S К называется напря­жение, определяемое отношением нагрузки Р к в момент разрыва образца к площади поперечного сечения F K образца в шейке после разрыва:

Относительным удлинением δ называется отношение абсолют­ного удлинения, т. е. приращения расчетной длины образца после разрыва (l к - l 0 ), к его первоначальной расчетной длине l 0 , выражается в процентах:

,

где l к - длина образца после разрыва.

Относительным удлинением характеризуется пла­стичность металла - это свойство твердых материалов изменять без разрушения форму и размеры под влиянием нагрузки или напряжений, устойчиво сохраняя образовавшуюся форму и раз­меры после прекращения этого влияния.

Рис.9. Испытания для определения ме­ханических характеристик:

а – предела проч­ности и пластических характеристик; б - ударной вязкости; в - твердости (по Бринеллю)

Прочность при динамических нагрузках определяют по дан­ным испытаний: на ударную вязкость - разрушением ударом стандартного образца на копре (рис.9б), на усталостную прочность - опре­деляя способность материала выдерживать, не разрушаясь, боль­шое число повторно-переменных нагрузок, на ползучесть - определяя способность нагретого материала медленно и непре­рывно деформироваться при постоянных нагрузках. Наиболее часто применяют испытания на ударную вязкость:

где А - работа, затраченная на разрушение образца, МДж; А = РН - Ph, здесь Р - вес маятника, МН; F - площадь поперечного сечения разрушаемого образца, м 2 .

Испытание на твердость. Твердостью называется способность металла сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела. Определение твердости является наиболее часто применяе­мым методом испытания металлов. Для определения твердости не требуется изготовления специальных образцов, т. е. испытание проводится без разрушения детали.

Существуют различные методы определения твердости - вдав­ливанием, царапанием, упругой отдачей, а также магнитный метод. Наиболее распространенным является метод вдавливания в металл стального шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды. Для испытания на твердость применяют специальные приборы, несложные по устройству и простые в обращении.

Твердость по Бринеллю В поверхность испытываемого металла с определенной силой вдавливают стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм. В результате на поверхности металла получается отпе­чаток (лунка). Диаметр отпечатка изме­ряют специальной лупой с делениями. Число твердости по Бринеллю записывается латинскими буквами НВ, после которых записывается числовой показатель твердости. Например, твердость по НВ 220. Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450, так как шарик может деформироваться и результат получится неправильным. Нельзя также испытывать тонкие материалы, которые при вдавливании шарика продавли­ваются.

Твердость по Роквеллу - испытание на твердость вдавливанием конуса или шарика в поверхность испытываемого металла. Вдавливают алмазный конус с углом 120° или стальной закаленный шарик диаметром 1,59 мм Испытания шариком применяют при определении твердости мягких материалов, а алмазным конусом – при испытании твердых материалов. Число твердости по Роквеллу записывается латинскими буквами HRC, после которых записывается числовое значение твердости. Например, твердость по HRC 230.

Твердость по Виккерсу - испытание на твердость вдавливанием пирамиды. В поверх­ность металла вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду. По нагрузке, приходящейся на единицу поверхности отпечатка, определяют число твердости, обозначаемое HV 140.

Испытание на микротвердость . Это испыта­ние применяют при определении твердости микроскопически малых объемов металла, например твердости отдельных структурных составляющих сплавов. Микротвердость определяют на специаль­ном приборе, состоящем из механизма нагружения с алмазным наконечником и металлографического микроскопа. Поверхность образца подготавливают так же, как и для микроисследования (шлифование, полирование, травление). Четырехгранная алмазная пирамида (с углом при вершине 136°, таким же, как и у пирамиды при испытании по Виккерсу) вдавливается в испытываемый материал под очень малой нагрузкой. Твердость определяется величиной Н/м 2 или кгс/мм 2 .

Износостойкость - способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

К физико-химическим свойствам материалов относятся темпе­ратура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэф­фициенты линейного и объемного расширения, способность к хи­мическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства. Перечисленные свойства во многом определяются химическим составом компонентов сплава и их структурой.

Технологические свойства

Литейные свойства

Ковкость

Свариваемостью

Обрабатываемостью

Работоспособность конструкции определяется эксплуатацион­ными или служебными характеристиками материалов, применя­емых для их изготовления. В зависимости от условий эксплуата­ции и рабочей среды к машиностроительным материалам помимо прочностных характеристик можно предъявлять требования жаро­прочности, т. е. сохранения высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионной стойкости при работе в различных агрессивных средах; повышенной износостойкости, необходимой, если детали в процессе работы подвергаются исти­ранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности, с кера­микой, графитом и др.

9. .Технические свойства конструкционных материалов.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холод­ной обработки. К основным из них относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инстру­ментом.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение от­ливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость - это способность металла или сплава деформиро­ваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности, от температуры нагрева и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовы­вать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечива­ющих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть вне­дрены в производство только в том случае, если их технологи­ческие свойства удовлетворяют необходимым требованиям. По­казатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатацион­ными или служебными характеристиками материалов, применя­емых для их изготовления. В зависимости от условий эксплуата­ции и рабочей среды к машиностроительным материалам помимо прочностных характеристик можно предъявлять требования жаро­прочности, т. е. сохранения высоких механических характеристик мри высоких температурах; коррозионной стойкости при работе в различных агрессивных средах; повышенной износостойкости, необходимой, если детали в процессе работы подвергаются исти­ранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности, с кера­микой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания техноло­гичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характе­ристики.

10. .Литейные сплавы.

Литейные сплавы и их применение.Литейные сплавы полу­чают сплавлением двух или нескольких металлов и неметаллов. Такие сплавы должны обладать хорошей электро- и теплопровод­ностью, повышенной пластичностью и др. Практическое значение литейных сплавов определяет то, что они по некоторым свойствам (прочности, твердости, способности воспроизводить очертания литейных форм, обрабатываемости режущим инструментом и др.) превосходят чистые металлы. Важное место в литейном произ­водстве занимают сплавы с особыми физическими свойствами (например, электропроводностью, магнитной проницаемостью и др.).

Сплавы в зависимости от химического состава отличаются друг от друга температурой плавления, химической активностью, вязкостью в расплавленном состоянии, прочностью, пластич­ностью и другими свойствами. Для производства фасонных отли­вок применяют серые, высокопрочные, ковкие и другие чугуны, углеродистые и легированные стали, сплавы алюминия, магния, меди, титана и др.

Серый чугун (состав в %: 2,8-3,5 С; 1,8-2,5 Si; 0,5- 0,8Мn; до 0,6 Р и до 0,12 S) имеет достаточно высокую прочность, высокую циклическую вязкость, легко обрабатываем и дешев. Недостатком серого чугуна является низкая ударная вязкость и хрупкость. Прочность серых чугунов обусловлена пластинчатой формой графитовых включений и прочностью металлической основы. Из серого чугуна изготовляют станины станков, корпуса и крышки редукторов, шкивы и другие отливки.

Высокопрочный чугун (состав в %: 3,2-3,6 С; 1,6-2,9 Si; 0,4-0,9 Мn; не более 0,15 Р; не более 0,02 S; не менее 0,04 Mg) обладает высокой прочностью, пластичностью, хорошо обрабаты­вается. Высокие механические свойства этих чугунов получают обработкой расплавленного чугуна магнием или церием, при которой графит принимает шаровидную форму. Из высоко­прочного чугуна получают ответственые тяжелонагруженные детали: коленчатые валы, барабаны шахтных вагонеток, шатуны и др.

Ковкий чугун (состав в %: 2,4-2,8 С; 0,8-1,4 Si; менее 1 Мn; не менее 0,2 Р; не менее 0,1 S) по прочности превосходит серые чугуны и имеет высокую пластичность. Получают ковкий чугун при отжиге отливок из белого чугуна (в белом чугуне углерод почти полностью находится в связанном состоянии в виде Fe 3 C) в течение 30-60 ч при температуре 900-1050 °С. При отжиге обра­зуется графит в виде хлопьев (рис. 6, е). В зависимости от условий отжига ковкий чугун может быть ферритным (КЧ 37-12), ферритно-перлитным (КЧ 45-6) и перлитным (КЧ 63-2). Ковкий чугун используют для производства корпусов пневматического инстру­мента, ступиц, кронштейнов, звеньев цепей и других деталей.

Углеродистые стали (состав в %: 0,12-0,6 С; 0,2-0,5 Si; 0,5-0,8 Мn; до 0,05 Р и до 0,05 S) имеют более высокие механи­ческие свойства, чем серый и ковкий чугуны. Углеродистые стали при­меняют для изготовления различных цилиндров, станин прокат­ных станов, зубчатых колес и других изделий.

Легированные стали отличаются от углеродистых составом ле­гирующих, т. е. дополнительно добавленных элементов (хром, никель, молибден, титан и др.) или повышенным содержанием марганца и кремния. Легирующие элементы придают стали высо­кую коррозионную стойкость, жаропрочность и другие специаль­ные свойства. Из легированных сталей получают турбинные лопатки, коллекторы выхлопных систем, различную арматуру и прочие подобные детали.

Алюминиевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочностью и пластичностью, их легко обрабатывать. Наиболее распространены сплавы алюминия с кремнием (силумины), кото­рые обладают повышенной коррозионной стойкостью, хорошей свариваемостью и другими свойствами. Алюминиевые сплавы применяют при производстве блоков цилиндров, корпусов при­боров и инструментов и т. п.

Магниевые сплавы обладают малой плотностью, высокой прочно­стью, хорошей обрабатываемостью. Недостатком магниевых сплавов является низкая коррозионная стойкость. Для повышения меха­нических свойств практически все магниевые сплавы обрабаты­вают (модифицируют) гексахлорэтаном, мелом и другими веще­ствами. Из магниевых сплавов изготовляют корпуса насосов, приборов и инструментов и другие детали.

Медные сплавы (бронзы и латуни) имеют сравнительно высо­кие механические и антифрикционные свойства, высокую коррозионную стойкость, хорошей обрабатываемостью. Для изготовле­ния отливок применяют оловянные и безоловянные бронзы и ла­туни. Безоловянные бронзы используют как заменители оловян­ных бронз.

По механическим, коррозионным и антифрикционным свой­ствам безоловянные бронзы превосходят оловянистые. Медные сплавы применяют при производстве арматуры, подшипников, гребных винтов, зубчатых колес и др.

Алюминиевые, магниевые и медные сплавы широко применяют в приборостроении.

11. .Литейные чугуны.

ЧУГУН

Чугуном называют сплавы железа с углеродом с содержа­нием более 2% С (точнее более 2,14% С)

В зависимости от состояния углерода в чугуне различают:

белый чугун , в котором весь углерод связан в цементит. В белых чугунах углерод образует с железом химическое соединение Fe 3 C, а свободный углерод находится в виде графита.

серый чугун , в котором весь углерод находится в свободном состоя­нии в виде графита или часть углерода (большая) находится в виде графита, а часть в связанном состоянии в виде цементита. Форма графита пластинчатая.

высокопрочный чугун , то же, что серый чугун, но форма графита шаровидная.

ковкий чугун , то же, что серый чугун, но форма графита хлопье­видная.

Как видно из приведенной классификации чугуна, отличитель­ной особенностью серого, высокопрочного и ковкого чугунов явля­ется наличие в структуре свободного углерода - графита. В зави­симости от формы и расположения графитных включений они в боль­шей или меньшей степени ослабляют металлическую основу, в кото­рой находятся.

Учебное пособие для профессионально-технических училищ. — М.: Машиностроение, 1990. — 256 с.: ил. — ISBN 5-217-00830-X.В доступной форме изложены основы теории прочности,пластичности металлов и сплавов. Рассмотрены устройство, принцип действия,правила эксплуатации приборов и оборудования для проведения испытаний,дефектоскопии. Приведены математические основы обработки результатов измерений. Учебное пособие может быть использовано при подготовке рабочих на производстве.Техника безопасности, противопожарная безопасность и производственная санитария
Основные сведения по технике безопасности.
Противопожарная безопасность.
Производственная санитария.
Основные свойства материалов
Исходные металлические материалы. Основные сведения о производстве металлов и сплавов.
Основные свойства металлов и сплавов.
Неметаллические материалы, их свойства и области применения.
Основы теории упругой и пластической деформации и разрушения
Общая характеристика и атомно-кристаллическое строение металлов и сплавов.
Понятие о напряженно-деформированном состоянии.
Упругая и пластическая деформации.
Влияние температуры на прочность и пластичность металлов и сплавов.
Сведения о процессе разрушения.
Механические испытания металлов и сплавов
Классификация методов испытаний.
Статические испытания.
Испытания на ударный изгиб.
Испытания на усталость.
Испытания на длительную прочность и ползучесть.
Измерение твердости.
Оборудование и приборы для проведения механических испытаний
Классификация оборудования и приборов для проведения механических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для статических испытаний.
Устройство и принцип действия машин для ударных испытаний.
Устройство и принцип действия машин для повторно-переменных нагрузок (испытания на усталость).
Устройство и принцип действия машин для проведения специальных испытаний.
Приборы для измерения твердости.
Контрольно-измерительные средства, применяемые при испытаниях.
Неразрушающие методы контроля. Определение физических свойств металлов и сплавов
Классификация методов неразрушающего контроля.
Дефекты металлов и сплавов, причины их возникновения.
Тепловые методы обнаружения дефектов.
Термический анализ фазовых превращений в металлах и сплавах.
Термический анализ при высоких температурах.
Термический анализ при высоких скоростях нагрева и охлаждения.
Калориметрический анализ.
Дилатометрический метод.
Магнитные методы.
Электрические методы.
Параметрический вихретоковый метод.
Акустические методы.
Методы капиллярного контроля.
Методы течеискания.
Радиографический и радиоскопический методы.
Испытания неметаллических материалов
Испытания строительных материалов и изделий.
Испытания текстильных материалов.
Испытания пластических масс.
Специальные виды испытаний
Испытания на обрабатываемость металлов резанием.
Технологические испытания.
Испытания слесарного инструмента.
Основные сведения о стандартизации, метрологии и контроле качества продукции
Государственные стандарты и метрология.
Стандартизация и качество продукции.
Стандарты на испытания материалов и готовой продукции.
Требования к образцам для испытаний и методы обработки результатов испытаний
Пробы и изготовление из них образцов для испытаний.
Статистическая обработка результатов испытаний.
Оформление результатов испытаний.
Список литературы