ФІЗИЧНІ І ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Фізичні властивості. До фізичних властивостей металів відносять колір, щільність, температуру плавлення, теплопровідність, теплове розширення, теплоємність, електропровідність, магнітні властивості та ін
Кольором називають здатність металів відображати світлове випромінювання з певною довжиною хвилі. Наприклад, мідь має рожево-червоний колір, алюміній - сріблясто-білий.
Щільність металу характеризується його масою, укладеної в одиниці об'єму. За щільністю всі метали ділять на легкі (менше 4500 кг / м 3) і важкі. Щільність має велике значення при створенні різних виробів. Наприклад, в літако-та ракетобудуванні прагнуть використовувати більш легкі метали і сплави (алюмінієві, магнієві, титанові), що сприяє зниженню маси виробів.
Температурою плавлення називають температуру, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. По температурі плавлення розрізняють тугоплавкі метали (вольфрам 3416 ° С, тантал 2950 ° С, титан 1725 ° С. та ін) V легкоплавкі (олово 232 ° С, свинець 327 ° С, цинк 419,5 ° С, алюміній 660 ° С ). Температура плавлення має велике значення при виборі металів для виготовлення литих виробів, зварних та паяних з'єднань, термоелектричних приладів та інших виробів. В одиницях СІ температуру плавлення виражають в градусах Кельвіна (К).
Теплопровідністю називають, здатність металів передавати тепло від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла. Срібло. мідь, алюміній володіють великою теплопровідністю. Залізо має теплопровідність приблизно в три рази менше, ніж алюміній, і в п'ять разів менше, ніж мідь. Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить тепло, то при нагріванні і швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) у ньому утворюються тріщини. Деякі деталі машин (поршні двигунів, лопатки турбін) повинні бути виготовлені з матеріалів з хорошою тeплопpoводностью. В одиницях СІ теплопровідність має розмірність Вт / (м * К).
Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірах при нагріванні і зменшуватися при охолодженні. Теплове розширення характеризується коефіцієнтом лінійного розширення α = (l 2-l 1) [l 1 (t 2 - t 1)], де l 1 і l 2 довжини тіла при температурах t 1 і t 2. Коефіцієнт об'ємного розширення дорівнює 3 α. Теплові розширення повинні враховуватися при зварюванні, упакування і гарячого об'ємного штампування, виготовленні ливарних форм, штампів, прокатних валків, калібрів, виконанні точних з'єднань і збірці приладів, при будівництві мостових ферм, укладанні залізничних рейок.
Теплоємністю називають здатність металу при нагріванні поглинати певну кількість тепла. В одиницях СІ має розмірність Дж / К. Теплоємність різних металів порівнюють по величині питомої теплоємності - кількості тепла, висловленим у великих калоріях, яке потрібно для підвищення температури 1 кг металу на 1 ° С (в одиницях СІ - Дж / (кг.К).
Здатність металів проводити електричний струм оцінюють двома взаємно протилежними характеристиками - електропровідністю і електроопору. Електрична провідність оцінюється в системі СІ в Сіменса (См), а питома електропровідність - у См / м, аналогічно електроопір виражають у омах (Ом), а питомий електроопір - у Ом / м. Хороша електропровідність необхідна, наприклад, для струмоведучих проводів (мідь, алюміній). При виготовленні електронагрівачів приладів і печей необхідні сплави з високим електроопору (ніхром, константан, манганін). З підвищенням температури металу його електропровідність зменшується, а зі зниженням - збільшується.
Магнітні властивості характеризуються абсолютною магнітною проникністю або магнітної постійною, тобто здатністю металів намагнічуватися. В одиницях СІ магнітна постійна має розмірність Гн / м. Високими магнітними властивостями володіють залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, звані феромагнітними. Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі і для виготовлення магнітів.
Хімічні властивості. Хімічні властивості характеризують здатність металів і сплавів чинити опір окисленню або вступати в з'єднання з різними речовинами: киснем повітря, розчинами кислот, лугів та ін Чим легше метал вступає в з'єднання з іншими елементами / тим швидше він руйнується. Хімічне руйнування металів під дією на їх поверхню зовнішнього агресивного середовища називають корозією.
Метали, стійкі до окислення при сильному нагріванні, називають жаростійкими або окалино-стійкими. Такі метали застосовують для виготовлення деталей, які експлуатуються в зоні високих температур.
Опір металів корозії, окалині-освіти і розчинення визначають по зміні маси піддослідних зразків на одиницю поверхні за одиницю часу.
Хімічні властивості металів обов'язково враховуються при виготовленні тих чи інших виробів. Особливо це відноситься до виробів або деталей, які працюють в хімічно агресивних середовищах.
§ 4. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Здатність металу чинити опір впливу зовнішніх сил характеризується механічними властивостями. Тому при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно перш за все враховувати його механічні властивості: міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість і витривалість. Ці властивості визначають за результатами механічних випробувань, при яких метали піддають дії зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердому тілі напругу і деформацію.
Напруга - величина навантаження, віднесена до одиниці площі поперечного перерізу випробуваного зразка. Деформація-зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, кручення, зрізу (рис. 8). Насправді матеріал може піддаватися одного або декількох видів деформації одночасно.
Для визначення міцності, пружності і пластичності метали у вигляді зразків круглої або
Рис. 8. Види деформацій:
а - стиснення, б - розтяг, в - кручення, г - зріз, д - вигин
плоскої форми випробовують на статичний розтяг (ГОСТ 1497-73). Випробування проводять на розривних машинах. У результаті випробувань отримують діаграму розтягування (рис. 9). По осі абсцис цієї діаграми відкладають значення деформації, а по осі ординат - навантаження, прикладені до зразка.
Міцність - здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантажень оцінюється межею міцності і межею плинності. Важливим показником міцності матеріалу є також питома міцність - відношення границі міцності матеріалу до його щільності. Межа міцності σв (тимчасовий опір)-це умовне напруження у Па (Н / м 2). відповідне найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка: σв = Pmax / Fo, де Рmах - найбільше навантаження, Н; Fo-початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, м 2. Істинне опір розриву S k - це напруга, обумовлений ставленням навантаження Рк в момент розриву до площі мінімального поперечного перерізу зразка після розриву Fк (Sк = Рк / Fк).
Межа плинності (фізичний) σ т - це найменше напруга (в МПа), при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження: σт = Рт / Fо, де Рт - навантаження, при якій спостерігається майданчик плинності. Н.
Майданчик плинності мають в основному тільки малоуглеродистая сталь і латуні. Інші сплави площадки плинності не мають. Для таких матеріалів визначають межу текучості (умовний), при якому залишкове подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: σо = P 0, 2 / Fo.
Пружність - здатність матеріалу відновлювати первинну форму і розміри після припинення дії навантаження Руп оцінюють межею пропорційності σпц і межею пружності σун.
Межа пропорційності σпц - напруга (МПа), вище якого порушується пропорційність між прикладеним напруженням і деформацією зразка σ ПЦ = РПЦ / Ро.
Межа пружності (умовний) σ 0,05 - це умовне напруження у МПа. відповідне навантаженні, при якій залишкова деформація вперше досягає 0,05%, від розрахункової довжини зразка lo: σ 0,05 = P 0,05 / F 0, де P 0,05 - навантаження межі пружності, М.
Пластичність, тобто здатність матеріалу-приймати нову форму і розміри під дією зовнішніх сил не руйнуючись, характеризується відносним подовженням і відносним звуженням.
Відносне подовження (після розриву) δ - це відношення приросту (l k - lo) розрахункової довжини зразка після розриву до його первісної розрахунковій довжині lo, виражене у відсотках: δ = ((1к-1о) / 1о] 100%.
Відносне звуження (після розриву) Ψ - це відношення різниці початкової і мінімальної площ (Fo - Fк) поперечного перерізу зразка після розриву до початкової площі Fo поперечного перерізу, виражене у про центах: Ψ = [(F 0 - F k) / Fо] 100%.
Чим більше значення відносного подовження і звуження для матеріалу, тим він більш пластичний. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу є негативним властивістю.
Ударна в'язкість, тобто здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням, визначається як відношення витраченої на злам зразка роботи W (в МДж) до площі його поперечного перерізу F (в м 2) в місці надрізу KC = W / F.
Для випробування (ГОСТ 9454-78) виготовляють спеціальні стандартні зразки, що мають форму квадратних брусків з надрізом. Відчувають зразок на маятникових копрах. Вільно падаючий маятник копра вдаряє по зразку з боку, протилежного надрізу. При цьому фіксується робота.
Визначення ударної в'язкості особливо важливо для деяких металів, що працюють при мінусових температурах і виявляють схильність до хладноломкости. Чим нижче поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить в крихке, і більше запас в'язкості матеріалу, тим більше ударна в'язкість матеріалу. Хладноломкость-зниження ударної в'язкості при низьких температурах.
Циклічна в'язкість - це здатність матеріалів поглинати енергію при повторно-змінних навантаженнях. Матеріали з високою циклічної в'язкістю швидко гасять вібрації, які часто є причиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун, що має високу циклічну в'язкість, в деяких випадках (для станин та інших корпусних деталей) є більш цінним матеріалом, ніж вуглецева сталь.
Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Високої твердістю повинні володіти металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези, а також поверхнево-зміцнені деталі. Твердість металу визначають способами Брінелля, Роквелла і Віккерса (рис. 10).
Спосіб Брінелля (ГОСТ 9012-59) грунтується на тому, що в плоску поверхню металу вдавлюють під постійним навантаженням сталевий
Рис. 10. Визначення твердості металу методами Брінеллн (а), Роквелла (б) і Віккерса (в)
загартований кульку. Діаметр кульки і величину навантаження встановлюють залежно від твердості та товщини випробуваного металу. Твердість за Бринеллю визначають на твердомере ГШ (твердомір кульковий). Випробування проводять таким чином. На поверхні зразка, твердість якого потрібно виміряти, напилком або абразивним кругом зачищають майданчик розміром 3-5 см 2. Зразок ставлять на столик приладу і піднімають до зіткнення зі сталевою кулькою, який укріплений в шпинделі приладу. Вантаж опускається і вдавлює кулька в випробуваний зразок. На поверхні металу утворюється відбиток. Чим більше відбиток, тим метал м'якше.
За міру твердості НВ беруть відношення навантаження до площі поверхні відбитка діаметром d і глибиною t, який утворюється при вдавлюванні силою Р кульки діаметра D (див. рис. 10, а).
Числове значення твердості визначають так:
вимірюють діаметр відбитка за допомогою оптичної лупи (з поділками) і за отриманим значенням знаходять у таблиці, яка додається до ГОСТу, відповідне число твердості.
Перевага способу Брінелля полягає в простоті випробування і точності одержуваних результатів. Способом Брінелля не рекомендується вимірювати твердість матеріалів з НВ> 450, наприклад загартованої сталі, так як при вимірюванні кулька деформується і показання спотворюються.
Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла (ГОСТ 9013-59). У зразок вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120 ° або сталевий загартований кульку діаметром 1,59 мм . Твердість по Роквеллу вимірюється в умовних одиницях. Умовна величина одиниці твердості відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм . Випробування проводять на приладі ТК. Значення твердості визначається за глибиною відбитка h і відраховують по циферблату індикатора, встановленому на приладі. У всіх випадках попередня навантаження Ро дорівнює 100 H.
При випробуванні металів з високою твердістю застосовують, алмазний конус і загальне навантаження P = Po + P 1 = 1500 H. Твердість відраховують за шкалою «С» і позначають HRC.
Якщо при випробуванні береться сталева кулька і загальне навантаження 1000 H, то твердість відраховується за шкалою «В» і позначається HRB.
При випробуванні дуже твердих або тонких виробів використовують алмазний конус і загальне навантаження 600 Н. Твердість відраховується за шкалою «А» і позначається HRA. Приклад позначення твердості по Роквеллу: HRC 50 - твердість 50 за шкалою «С».
При визначенні твердості способом Віккерса (ГОСТ 2999-75) як втискується в матеріал наконечника використовують чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136 °. При випробуваннях застосовують навантаження від 50 до 1000 Н (менші значення навантаження для визначення твердості тонких виробів і твердих, зміцнених поверхневих шарів металу). Числове значення твердості визначають так: заміряють довжини обох діагоналей відбитку після зняття навантаження і за допомогою мікроскопа і за отриманим середньому арифметичному значенню довжини діагоналі знаходять у таблиці відповідне число твердості. Приклад позначення твердості по Віккерсу - HV 500.
Для оцінки твердості металів у малих обсягах, наприклад, на зернах металу або його структурних складових застосовують спосіб визначення мікротвердості. Наконечник (індентор) приладу являє собою алмазну чотиригранну піраміду (з кутом при вершині 136 про, таким же як і в піраміди при випробуванні за Віккерсу). Навантаження на індентор невелика і становить 0,05-5 Н. а розмір відбитка 5-30 мкм. Випробування проводять на оптичному мікроскопі ПМТ-3, забезпеченому механізмом навантаження. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.
Втомою називають процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напруг, що призводить до утворення тріщин і руйнування. Втома металу обумовлена концентрацією напружень в окремих його обсягах, в яких є неметалеві включення, газові бульбашки, різні місцеві дефекти і т. д. Характерним є втомний злам, що утворюється після руйнування зразка в результаті багаторазового навантаження (рис. 11) і складається з двох різних за зовнішнім виглядом частин. Одна частина / зламу із рівною (затертої) поверхнею утворюється внаслідок тертя поверхонь в області тріщин, що виникли від дії повторно-змінних навантажень, інша
Рис. 11. . Устатолостний злам
частину 2 з зернистим зламом виникає в момент руйнування зразка. Випробування на втому проводять на спеціальних машинах. Найбільш поширені машини для повторно-змінного згинання обертового зразка, закріпленого одним або обома кінцями, а також машини для випробувань на розтяг - стиск і на повторно-змінне кручення. У результаті випробувань визначають межу витривалості, що характеризує опір втоми.
§ 5. ТЕХНОЛОГІЧНІ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ
Технологічні властивості. Ці властивості характеризують здатність металів піддаватися обробці в холодному і гарячому станах. Технологічні властивості визначають при технологічних пробах, які дають якісну оцінку придатності металів до тих чи інших способів обробки. Зразок, підданий технологічної пробі (рис. 12), оглядають. Ознакою того, що зразок витримав випробування, є відсутність тріщин, надривів, розшарування або зламу. До основних технологічними властивостями відносять: оброблюваність різанням, зварюваність, ковкість, ливарні властивості та ін
Оброблюваність різанням - одна з найважливіших технологічних властивостей, тому що переважна більшість заготовок, а так само деталей зварних вузлів і конструкцій піддається механічній обробці. Одні метали обробляються добре до отримання чистої і гладкої поверхні, інші ж, що мають високу твердість, погано. Дуже в'язкі метали з низькою твердістю також погано обробляються: поверхня виходить шорсткою, з задираками. Поліпшити оброблюваність, наприклад, сталі можна термічною обробкою, знижуючи або підвищуючи її твердість.
Зварюваність - здатність металів утворювати зварне з'єднання, властивості якого близькі до властивостей основного металу. Її визначають пробою звареного зразка на загин або розтяг.
Ковка - здатність металу оброблятися тиском у холодному або гарячому стані без ознак руйнування. Її визначають ковальської пробою на осадку до заданого ступеня деформації. Висота зразка для опади дорівнює зазвичай двом його діаметрам. Якщо на бічній поверхні зразка тріщина не утвориться, то і такий зразок вважається витримали пробу; а випробуваний метал - придатним для обробки тиском.
Ливарні властивості металів характеризують здатність їх утворювати виливки, без тріщин, раковин та інших дефектів. Основними ливарними властивостями є, жидкотекучесть, усадка і сегрегація.
Жидкотекучесть - здатність розплав-
Рис. 12. Технологічні проби:
а вигин на певний кут, б вигин до паралельності сторін, в - вигин до зіткнення сторін, г - на навивання, д - на сплющування труб, е - на осідання
леного металу добре заповнювати порожнину ливарної форми.
Усадка при кристалізації - це зменшення обсягу металу при переході з рідкого стану в твердий; є, причиною утворення усадочних раковин і усадочної пористості (див. рис. 6) у зливках і виливках.
Ліквація - неоднорідність хімічного складу сплавів, що виникає при їх кристалізації, обумовлена тим. що сплави на відміну від чистих металів кристалізуються не при одній температурі, а в інтервалі температур. Чим ширше температурний інтервал кристалізації сплаву, тим сильніше розвивається ізоляція, причому найбільшу схильність до неї проявляють ті компоненти сплаву, які найбільш сильно впливають на ширину температурного інтервалу кристалізації (для сталі, наприклад, сірка, кисень, фосфор, вуглець).
Експлуатаційні властивості. Ці властивості визначають залежно від умов роботи машини спеціальними випробуваннями. Одним з найважливіших експлуатаційних властивостей є зносостійкість.
Зносостійкість - властивість матеріалу чинити опір зносу, тобто поступового зміни розмірів і форми тіла внаслідок руйнування поверхневого шару виробу при терті. Випробування металів на знос проводять на зразках у лабораторних умовах, а деталей - в умовах реальної експлуатації. Під час випробувань зразків моделюються умови тертя, близькі до реальних. Величину зносу зразків або деталей визначають різними способами: вимірюванням розмірів, зважуванням зразків та іншими методами.
До експлуатаційних властивостей слід також віднести хладостойкость, жароміцність, анти-фрикційного і ін Зазначені технологічні властивості будуть розглянуті у наступних розділах
Фізичні властивості. До фізичних властивостей металів відносять колір, щільність, температуру плавлення, теплопровідність, теплове розширення, теплоємність, електропровідність, магнітні властивості та ін
Кольором називають здатність металів відображати світлове випромінювання з певною довжиною хвилі. Наприклад, мідь має рожево-червоний колір, алюміній - сріблясто-білий.
Щільність металу характеризується його масою, укладеної в одиниці об'єму. За щільністю всі метали ділять на легкі (менше 4500 кг / м 3) і важкі. Щільність має велике значення при створенні різних виробів. Наприклад, в літако-та ракетобудуванні прагнуть використовувати більш легкі метали і сплави (алюмінієві, магнієві, титанові), що сприяє зниженню маси виробів.
Температурою плавлення називають температуру, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. По температурі плавлення розрізняють тугоплавкі метали (вольфрам 3416 ° С, тантал 2950 ° С, титан 1725 ° С. та ін) V легкоплавкі (олово 232 ° С, свинець 327 ° С, цинк 419,5 ° С, алюміній 660 ° С ). Температура плавлення має велике значення при виборі металів для виготовлення литих виробів, зварних та паяних з'єднань, термоелектричних приладів та інших виробів. В одиницях СІ температуру плавлення виражають в градусах Кельвіна (К).
Теплопровідністю називають, здатність металів передавати тепло від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла. Срібло. мідь, алюміній володіють великою теплопровідністю. Залізо має теплопровідність приблизно в три рази менше, ніж алюміній, і в п'ять разів менше, ніж мідь. Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить тепло, то при нагріванні і швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) у ньому утворюються тріщини. Деякі деталі машин (поршні двигунів, лопатки турбін) повинні бути виготовлені з матеріалів з хорошою тeплопpoводностью. В одиницях СІ теплопровідність має розмірність Вт / (м * К).
Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірах при нагріванні і зменшуватися при охолодженні. Теплове розширення характеризується коефіцієнтом лінійного розширення α = (l 2-l 1) [l 1 (t 2 - t 1)], де l 1 і l 2 довжини тіла при температурах t 1 і t 2. Коефіцієнт об'ємного розширення дорівнює 3 α. Теплові розширення повинні враховуватися при зварюванні, упакування і гарячого об'ємного штампування, виготовленні ливарних форм, штампів, прокатних валків, калібрів, виконанні точних з'єднань і збірці приладів, при будівництві мостових ферм, укладанні залізничних рейок.
Теплоємністю називають здатність металу при нагріванні поглинати певну кількість тепла. В одиницях СІ має розмірність Дж / К. Теплоємність різних металів порівнюють по величині питомої теплоємності - кількості тепла, висловленим у великих калоріях, яке потрібно для підвищення температури
Здатність металів проводити електричний струм оцінюють двома взаємно протилежними характеристиками - електропровідністю і електроопору. Електрична провідність оцінюється в системі СІ в Сіменса (См), а питома електропровідність - у См / м, аналогічно електроопір виражають у омах (Ом), а питомий електроопір - у Ом / м. Хороша електропровідність необхідна, наприклад, для струмоведучих проводів (мідь, алюміній). При виготовленні електронагрівачів приладів і печей необхідні сплави з високим електроопору (ніхром, константан, манганін). З підвищенням температури металу його електропровідність зменшується, а зі зниженням - збільшується.
Магнітні властивості характеризуються абсолютною магнітною проникністю або магнітної постійною, тобто здатністю металів намагнічуватися. В одиницях СІ магнітна постійна має розмірність Гн / м. Високими магнітними властивостями володіють залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, звані феромагнітними. Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі і для виготовлення магнітів.
Хімічні властивості. Хімічні властивості характеризують здатність металів і сплавів чинити опір окисленню або вступати в з'єднання з різними речовинами: киснем повітря, розчинами кислот, лугів та ін Чим легше метал вступає в з'єднання з іншими елементами / тим швидше він руйнується. Хімічне руйнування металів під дією на їх поверхню зовнішнього агресивного середовища називають корозією.
Метали, стійкі до окислення при сильному нагріванні, називають жаростійкими або окалино-стійкими. Такі метали застосовують для виготовлення деталей, які експлуатуються в зоні високих температур.
Опір металів корозії, окалині-освіти і розчинення визначають по зміні маси піддослідних зразків на одиницю поверхні за одиницю часу.
Хімічні властивості металів обов'язково враховуються при виготовленні тих чи інших виробів. Особливо це відноситься до виробів або деталей, які працюють в хімічно агресивних середовищах.
§ 4. МЕХАНІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ
Здатність металу чинити опір впливу зовнішніх сил характеризується механічними властивостями. Тому при виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно перш за все враховувати його механічні властивості: міцність, пружність, пластичність, ударну в'язкість, твердість і витривалість. Ці властивості визначають за результатами механічних випробувань, при яких метали піддають дії зовнішніх сил (навантажень). Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердому тілі напругу і деформацію.
Напруга - величина навантаження, віднесена до одиниці площі поперечного перерізу випробуваного зразка. Деформація-зміна форми і розмірів твердого тіла під впливом прикладених зовнішніх сил. Розрізняють деформації розтягування (стиснення), вигину, кручення, зрізу (рис. 8). Насправді матеріал може піддаватися одного або декількох видів деформації одночасно.
Для визначення міцності, пружності і пластичності метали у вигляді зразків круглої або
Рис. 8. Види деформацій:
а - стиснення, б - розтяг, в - кручення, г - зріз, д - вигин
плоскої форми випробовують на статичний розтяг (ГОСТ 1497-73). Випробування проводять на розривних машинах. У результаті випробувань отримують діаграму розтягування (рис. 9). По осі абсцис цієї діаграми відкладають значення деформації, а по осі ординат - навантаження, прикладені до зразка.
Міцність - здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантажень оцінюється межею міцності і межею плинності. Важливим показником міцності матеріалу є також питома міцність - відношення границі міцності матеріалу до його щільності. Межа міцності σв (тимчасовий опір)-це умовне напруження у Па (Н / м 2). відповідне найбільшому навантаженню, що передує руйнуванню зразка: σв = Pmax / Fo, де Рmах - найбільше навантаження, Н; Fo-початкова площа поперечного перерізу робочої частини зразка, м 2. Істинне опір розриву S k - це напруга, обумовлений ставленням навантаження Рк в момент розриву до площі мінімального поперечного перерізу зразка після розриву Fк (Sк = Рк / Fк).
Межа плинності (фізичний) σ т - це найменше напруга (в МПа), при якому зразок деформується без помітного збільшення навантаження: σт = Рт / Fо, де Рт - навантаження, при якій спостерігається майданчик плинності. Н.
Майданчик плинності мають в основному тільки малоуглеродистая сталь і латуні. Інші сплави площадки плинності не мають. Для таких матеріалів визначають межу текучості (умовний), при якому залишкове подовження досягає 0,2% від розрахункової довжини зразка: σо = P 0, 2 / Fo.
Пружність - здатність матеріалу відновлювати первинну форму і розміри після припинення дії навантаження Руп оцінюють межею пропорційності σпц і межею пружності σун.
Межа пропорційності σпц - напруга (МПа), вище якого порушується пропорційність між прикладеним напруженням і деформацією зразка σ ПЦ = РПЦ / Ро.
Межа пружності (умовний) σ 0,05 - це умовне напруження у МПа. відповідне навантаженні, при якій залишкова деформація вперше досягає 0,05%, від розрахункової довжини зразка lo: σ 0,05 = P 0,05 / F 0, де P 0,05 - навантаження межі пружності, М.
Пластичність, тобто здатність матеріалу-приймати нову форму і розміри під дією зовнішніх сил не руйнуючись, характеризується відносним подовженням і відносним звуженням.
Відносне подовження (після розриву) δ - це відношення приросту (l k - lo) розрахункової довжини зразка після розриву до його первісної розрахунковій довжині lo, виражене у відсотках: δ = ((1к-1о) / 1о] 100%.
Відносне звуження (після розриву) Ψ - це відношення різниці початкової і мінімальної площ (Fo - Fк) поперечного перерізу зразка після розриву до початкової площі Fo поперечного перерізу, виражене у про центах: Ψ = [(F 0 - F k) / Fо] 100%.
Чим більше значення відносного подовження і звуження для матеріалу, тим він більш пластичний. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу є негативним властивістю.
Ударна в'язкість, тобто здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням, визначається як відношення витраченої на злам зразка роботи W (в МДж) до площі його поперечного перерізу F (в м 2) в місці надрізу KC = W / F.
Для випробування (ГОСТ 9454-78) виготовляють спеціальні стандартні зразки, що мають форму квадратних брусків з надрізом. Відчувають зразок на маятникових копрах. Вільно падаючий маятник копра вдаряє по зразку з боку, протилежного надрізу. При цьому фіксується робота.
Визначення ударної в'язкості особливо важливо для деяких металів, що працюють при мінусових температурах і виявляють схильність до хладноломкости. Чим нижче поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в'язке руйнування матеріалу переходить в крихке, і більше запас в'язкості матеріалу, тим більше ударна в'язкість матеріалу. Хладноломкость-зниження ударної в'язкості при низьких температурах.
Циклічна в'язкість - це здатність матеріалів поглинати енергію при повторно-змінних навантаженнях. Матеріали з високою циклічної в'язкістю швидко гасять вібрації, які часто є причиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун, що має високу циклічну в'язкість, в деяких випадках (для станин та інших корпусних деталей) є більш цінним матеріалом, ніж вуглецева сталь.
Твердістю називають здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, більш твердого тіла. Високої твердістю повинні володіти металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези, а також поверхнево-зміцнені деталі. Твердість металу визначають способами Брінелля, Роквелла і Віккерса (рис. 10).
Спосіб Брінелля (ГОСТ 9012-59) грунтується на тому, що в плоску поверхню металу вдавлюють під постійним навантаженням сталевий
Рис. 10. Визначення твердості металу методами Брінеллн (а), Роквелла (б) і Віккерса (в)
загартований кульку. Діаметр кульки і величину навантаження встановлюють залежно від твердості та товщини випробуваного металу. Твердість за Бринеллю визначають на твердомере ГШ (твердомір кульковий). Випробування проводять таким чином. На поверхні зразка, твердість якого потрібно виміряти, напилком або абразивним кругом зачищають майданчик розміром 3-5 см 2. Зразок ставлять на столик приладу і піднімають до зіткнення зі сталевою кулькою, який укріплений в шпинделі приладу. Вантаж опускається і вдавлює кулька в випробуваний зразок. На поверхні металу утворюється відбиток. Чим більше відбиток, тим метал м'якше.
За міру твердості НВ беруть відношення навантаження до площі поверхні відбитка діаметром d і глибиною t, який утворюється при вдавлюванні силою Р кульки діаметра D (див. рис. 10, а).
Числове значення твердості визначають так:
вимірюють діаметр відбитка за допомогою оптичної лупи (з поділками) і за отриманим значенням знаходять у таблиці, яка додається до ГОСТу, відповідне число твердості.
Перевага способу Брінелля полягає в простоті випробування і точності одержуваних результатів. Способом Брінелля не рекомендується вимірювати твердість матеріалів з НВ> 450, наприклад загартованої сталі, так як при вимірюванні кулька деформується і показання спотворюються.
Для випробування твердих матеріалів застосовують спосіб Роквелла (ГОСТ 9013-59). У зразок вдавлюють алмазний конус з кутом при вершині 120 ° або сталевий загартований кульку діаметром
При випробуванні металів з високою твердістю застосовують, алмазний конус і загальне навантаження P = Po + P 1 = 1500 H. Твердість відраховують за шкалою «С» і позначають HRC.
Якщо при випробуванні береться сталева кулька і загальне навантаження 1000 H, то твердість відраховується за шкалою «В» і позначається HRB.
При випробуванні дуже твердих або тонких виробів використовують алмазний конус і загальне навантаження 600 Н. Твердість відраховується за шкалою «А» і позначається HRA. Приклад позначення твердості по Роквеллу: HRC 50 - твердість 50 за шкалою «С».
При визначенні твердості способом Віккерса (ГОСТ 2999-75) як втискується в матеріал наконечника використовують чотиригранну алмазну піраміду з кутом при вершині 136 °. При випробуваннях застосовують навантаження від 50 до 1000 Н (менші значення навантаження для визначення твердості тонких виробів і твердих, зміцнених поверхневих шарів металу). Числове значення твердості визначають так: заміряють довжини обох діагоналей відбитку після зняття навантаження і за допомогою мікроскопа і за отриманим середньому арифметичному значенню довжини діагоналі знаходять у таблиці відповідне число твердості. Приклад позначення твердості по Віккерсу - HV 500.
Для оцінки твердості металів у малих обсягах, наприклад, на зернах металу або його структурних складових застосовують спосіб визначення мікротвердості. Наконечник (індентор) приладу являє собою алмазну чотиригранну піраміду (з кутом при вершині 136 про, таким же як і в піраміди при випробуванні за Віккерсу). Навантаження на індентор невелика і становить 0,05-5 Н. а розмір відбитка 5-30 мкм. Випробування проводять на оптичному мікроскопі ПМТ-3, забезпеченому механізмом навантаження. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.
Втомою називають процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напруг, що призводить до утворення тріщин і руйнування. Втома металу обумовлена концентрацією напружень в окремих його обсягах, в яких є неметалеві включення, газові бульбашки, різні місцеві дефекти і т. д. Характерним є втомний злам, що утворюється після руйнування зразка в результаті багаторазового навантаження (рис. 11) і складається з двох різних за зовнішнім виглядом частин. Одна частина / зламу із рівною (затертої) поверхнею утворюється внаслідок тертя поверхонь в області тріщин, що виникли від дії повторно-змінних навантажень, інша
Рис. 11. . Устатолостний злам
частину 2 з зернистим зламом виникає в момент руйнування зразка. Випробування на втому проводять на спеціальних машинах. Найбільш поширені машини для повторно-змінного згинання обертового зразка, закріпленого одним або обома кінцями, а також машини для випробувань на розтяг - стиск і на повторно-змінне кручення. У результаті випробувань визначають межу витривалості, що характеризує опір втоми.
§ 5. ТЕХНОЛОГІЧНІ ТА ЕКСПЛУАТАЦІЙНІ ВЛАСТИВОСТІ
Технологічні властивості. Ці властивості характеризують здатність металів піддаватися обробці в холодному і гарячому станах. Технологічні властивості визначають при технологічних пробах, які дають якісну оцінку придатності металів до тих чи інших способів обробки. Зразок, підданий технологічної пробі (рис. 12), оглядають. Ознакою того, що зразок витримав випробування, є відсутність тріщин, надривів, розшарування або зламу. До основних технологічними властивостями відносять: оброблюваність різанням, зварюваність, ковкість, ливарні властивості та ін
Оброблюваність різанням - одна з найважливіших технологічних властивостей, тому що переважна більшість заготовок, а так само деталей зварних вузлів і конструкцій піддається механічній обробці. Одні метали обробляються добре до отримання чистої і гладкої поверхні, інші ж, що мають високу твердість, погано. Дуже в'язкі метали з низькою твердістю також погано обробляються: поверхня виходить шорсткою, з задираками. Поліпшити оброблюваність, наприклад, сталі можна термічною обробкою, знижуючи або підвищуючи її твердість.
Зварюваність - здатність металів утворювати зварне з'єднання, властивості якого близькі до властивостей основного металу. Її визначають пробою звареного зразка на загин або розтяг.
Ковка - здатність металу оброблятися тиском у холодному або гарячому стані без ознак руйнування. Її визначають ковальської пробою на осадку до заданого ступеня деформації. Висота зразка для опади дорівнює зазвичай двом його діаметрам. Якщо на бічній поверхні зразка тріщина не утвориться, то і такий зразок вважається витримали пробу; а випробуваний метал - придатним для обробки тиском.
Ливарні властивості металів характеризують здатність їх утворювати виливки, без тріщин, раковин та інших дефектів. Основними ливарними властивостями є, жидкотекучесть, усадка і сегрегація.
Жидкотекучесть - здатність розплав-
Рис. 12. Технологічні проби:
а вигин на певний кут, б вигин до паралельності сторін, в - вигин до зіткнення сторін, г - на навивання, д - на сплющування труб, е - на осідання
леного металу добре заповнювати порожнину ливарної форми.
Усадка при кристалізації - це зменшення обсягу металу при переході з рідкого стану в твердий; є, причиною утворення усадочних раковин і усадочної пористості (див. рис. 6) у зливках і виливках.
Ліквація - неоднорідність хімічного складу сплавів, що виникає при їх кристалізації, обумовлена тим. що сплави на відміну від чистих металів кристалізуються не при одній температурі, а в інтервалі температур. Чим ширше температурний інтервал кристалізації сплаву, тим сильніше розвивається ізоляція, причому найбільшу схильність до неї проявляють ті компоненти сплаву, які найбільш сильно впливають на ширину температурного інтервалу кристалізації (для сталі, наприклад, сірка, кисень, фосфор, вуглець).
Експлуатаційні властивості. Ці властивості визначають залежно від умов роботи машини спеціальними випробуваннями. Одним з найважливіших експлуатаційних властивостей є зносостійкість.
Зносостійкість - властивість матеріалу чинити опір зносу, тобто поступового зміни розмірів і форми тіла внаслідок руйнування поверхневого шару виробу при терті. Випробування металів на знос проводять на зразках у лабораторних умовах, а деталей - в умовах реальної експлуатації. Під час випробувань зразків моделюються умови тертя, близькі до реальних. Величину зносу зразків або деталей визначають різними способами: вимірюванням розмірів, зважуванням зразків та іншими методами.
До експлуатаційних властивостей слід також віднести хладостойкость, жароміцність, анти-фрикційного і ін Зазначені технологічні властивості будуть розглянуті у наступних розділах