Властивості металів і сплавів

1. Основні властивості металів.

2. Механічні випробування.

1. У металів виділяють механічні, технологічні, фізичні і хімічні властивості.

До фізичних властивостей відносяться: колір, густина, температура плавлення, електропровідність, магнітні властивості, теплопровідність, теплоємність, розширення і стиснення при нагріванні, охолоджуванні і при фазових перетвореннях;

до хімічних – окислюваність, розчинність, корозійна стійкість, жаротривкість;.

до технологічних – ковка, ливарні властивості, оброблюваня різальним інструментом, зварюваність і т.д. Від них залежить, яким способом з даного матеріалу можна виготовити ту або іншу деталь;

до механічних – міцність, твердість, пружність, в'язкість, пластичність, крихкість.

Здатність плавитися при нагріванні використовується для отримання відливань шляхом розплавлення металу у форми. Деякі складні сплави мають таку низьку температуру плавлення, що розплавляються в гарячій воді. Такі сплави застосовуються для відливання матриць друкарень, у приладах, що служать для запобігання від пожеж, і т.д.

Метали з високою електропровідністю (мідь, алюміній) використовуються в електромашинобудуванні, для пристроїв ліній електропередачі, а сплави з високим електроопором – для ламп розжарювання, в електронагрівальних приладах.

Магнітні властивості металів грають першорядну роль в електромашинобудуванні (електричні генератори, електродвигуни, трансформатори), в приладобудуванні і т.д.

Теплопровідність металів дає можливість рівномірно нагрівати їх для обробки тиском, термічної обробки; вона забезпечує також можливість паяння металів, їх зварювання і т.п.

Деякі сплави металів мають коефіцієнт лінійного розширення, близький до нуля; такі сплави застосовуються для виготовлення точних приладів. Розширення металів повинне прийматися до уваги при будівництві довгих споруд, наприклад, мостів, трубопроводів. Потрібно також враховувати, що дві деталі з металів з різним коефіцієнтом розширення і скріплені між собою при нагріванні згинаються.

Корозійна стійкість особливо важлива для виробів, що працюють в хімічно активних середовищах. Для деталей і споруд, які повинні володіти високою корозійною стійкістю, застосовують спеціальні нержавіючі, кислотні і жаротривкі сталі та інші сплави. Для виробів також застосовують захисні покриття.

Технологічні властивості мають вельми важливе значення при тих або інших видах обробки.

Міцність – здатність матеріалу опиратися руйнуванню і появі залишкових деформацій під впливом зовнішніх сил.

Питома міцність – відношення межі міцності до густини.

Твердістю називається опір тіла деформації в поверхневому шарі при місцевій силовій контактній дії.

Пружність – властивість матеріалів відновлювати свою форму після припинення дії зовнішніх сил, що викликали зміну форми (деформацію).

Пластичність – властивість металу деформуватися без руйнувань під дією зовнішніх сил і зберігати нову форму після припинення дії сил. Пластичність – властивість, зворотна пружності.

В'язкістю матеріалу називають його здатність поглинати механічну енергію і при цьому проявляти значну пластичність аж до руйнування. В'язкість – властивість, зворотна крихкості.

Перша вимога, що пред'являється до будь-якого виробу, - це достатня міцність. Метали – міцні матеріали, тому навантажені деталі машин, механізмів і споруд звичайно виготовляються з металів. В'язкі метали застосовують у тих випадках, коли деталі при роботі піддаються ударному навантаженню. Пластичність металів дає можливість обробляти їх тиском (кувати, прокочувати, волочити).

Експлуатаційні властивості. Багато виробів, окрім загальної міцності, повинні володіти особливими властивостями, характерними для роботи даного виробу. Наприклад, різальні інструменти повинні володіти високою твердістю.

2 Механічні випробування мають найважливіше значення в промисловості. Деталі машин механізмів і споруд працюють під різними видами навантаження: одні деталі навантажені постійно діючою в одному напрямку силою, інші піддаються ударам, у третіх – сили більш менш часто змінюються за своєю величиною і напрямком. Деякі деталі машин піддаються навантаженням при підвищених або низьких температурах, при дії корозії і т.п.; такі деталі працюють у складних умовах.

Відповідно до цього розроблені різні методи випробувань, за допомогою яких визначають механічні властивості металів.

Під твердістю прийнято розуміти здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього під дією сили наконечника з іншого більш твердого матеріалу. Сутність твердості матеріалу - це його опір зосередженої (місцевої) пластичної деформації. Вимірювання твердості проводиться за допомогою спеціальних приладів - твердомірів. Найпоширенішим методом вимірювання є метод вдавлювання якого-небудь стандартного наконечника - індикатора - в поверхню зразка з досліджуваного матеріалу.

При вимірюванні твердості за методом Брінелля (прилад ТШ) індикатором служить загартована сталева кулька (рис. 1.5). При цьому кулька під певним навантаженням Р протягом деякого часу вдавлюється в матеріал, залишаючи на його поверхні лунку діаметром d. Оскільки глибина і діаметр лунки залежать від опору матеріалу пластичної деформації, що викликається кулькою, що вдавлюється, то за міру твердості за Брінеллем приймається число, рівне відношенню сили Р до площі сферичної поверхні лунки F:

НВ=Р/ F.

На практиці при вимірюванні твердості її величина не обчислюється за приведеною формулою, а знаходиться за спеціальною таблицею по зміряному спеціальною лупою діаметру відбитка d. У таблиці проти значень d вказані відповідні їм обчислені значення твердості НВ.

¯ P

P1

D Ро Ро Ро

ho h1

d

Рисунок 1.5 Рисунок 1.6

Твердість за Брінеллем оцінюється в мегапаскалях (МПа). Якщо матеріал має дуже високу твердість, особливо коли вона твердіше за кульку приладу Брінелля, то для вимірювання твердості використовують прилад Роквелла, наконечник якого оснащений конусом, виготовленим з найтвердішого матеріалу - алмазу.

Приладом Роквелла користуються так само і для вимірювання твердості порівняно м'яких матеріалів. У зв'язку з цим в його комплект входить наконечник, оснащений сталевою кулькою діаметром 1,5875 мм. Вимірювання твердості за Роквеллом складається з трьох етапів (рис. 1.6). На першому етапі наконечник впроваджується в матеріал на глибину h_o (мм), створюваним вручну попереднім навантаженням Ро, рівним 100 Н. Потім прикладається основне навантаження Р, яке включає окрім попереднього Ро додаткове навантаження Р1, рівне 500, 1400 або 900 Н залежно від роду випробовуваного матеріалу. Під цим навантаженням наконечник протягом певного часу впроваджується в матеріал на деяку глибину h₁. На третьому етапі додаткове навантаження Р1 знімається і при попередньому навантаженні Ро, що збереглося, проводитися розрахунок твердості. Для цього на приладі є індикатор із стрілкою і двома шкалами: чорною і червоною. За чорною шкалою визначається твердість, що заміряється алмазним конусом, а за червоною - сталевою кулькою. Шкали нанесені на диску по колах. Числа твердості, визначені за чорною шкалою, для повного навантаження (Ро+Р1), рівного 1500 Н, позначаються HRC, а для навантаження 600Н – HRA. Твердість, що заміряється кулькою, позначається HRB (навантаження 1000 Н).

Вказана на шкалах стрілкою твердість обчислюється за такими формулами:

HRC(HRA) = 100 - (h1 -ho)/0,002;

HRB = 130 - (h1 - ho)/0,002

де h1 - залишкова глибина впровадження після зняття додаткового навантаження P1, мм;

ho - глибина впровадження при попередньому навантаженні Ро, мм

Міцність характеризує опір матеріалу пластичнії деформації під дією прикладеної сили. Її характеристиками є умовні числа - межі, необхідні при механічних випробуваннях. Найбільш часто застосовуються випробування на розтягування, під час якого циліндрові або плоскі стандартні зразки, що спеціально виготовляються, розтягуються на розривній машині. Під час випробувань машина викреслює діаграму розтягування (рис. 1.7), в результаті обробки цієї діаграми будується діаграма напруги (рис. 1.8) і знаходяться межі, що є характеристиками міцності

Пластичністю називають здатність матеріалу до пластичної деформації. Її характеристиками є відносне подовження d (%) або відносне звуження y (%)

d =((lk - lo) / lo) 100%

y =((Fo - Fk) / Fo) 100%

lk і Fk - довжина зразка в зруйнованому стані і площа його поперечного перетину в місці руйнування - шийці.

Р,Н s, Па Sк

Рmax

Рк s _в

s _о.2

Рпц s_{пц ï}

, мм d %

Рисунок 1.7 Рисунок 1.8

s _пц - межа пропорційності

s _т- межа текучості

s _о.2 - умовна межа текучості

s _в - межа міцності

Sк - розрив

Ударна в'язкість матеріалу показує його здатність чинити опір руйнуванню при ударному прикладенні навантаження. Вона оцінюється за наслідками ударного руйнування на маятниковому копрі спеціального брусчатого зразка з надрізом (рис. 1.9). При цьому ударна в'язкість обчислюється як результат ділення роботи А, яка затрачується на руйнування зразка, на його робочий перетин F:

Р

F

KCU = А/ F [кг з м/ см2]

Рисунок 1.9

Випробування на втомленість. Багато деталей машин (шатуни двигунів, колінчасті вали та ін.) в процесі роботи піддаються навантаженням, що змінюються за величиною і напрямком. При таких повторно-змінних напругах метал поступово з в'язкого стану переходить у крихкий (втомлюється). Крихкий стан пояснюється появою мікротріщин, які поступово розширяються і ослабляють метал. У результаті цього руйнування наступає при напругах менших, ніж межа міцності.

Розвиток тріщин від втомленості пов'язаний також з дефектами реальних кристалічних структур: наявністю дислокацій, субзерен (блоків), а також неметалічних включень, які розташовуються по межах зерен..

Випробування на втомленість (витривалість) проводять на різних машинах залежно від роду служби виробу. Найбільш поширені машини для випробування:

1) вигин при обертанні;

2) при розтягуванні – стисненні;

3) при крученні.

При випробуванні на втомленість вигином зразка, що обертається, його закріплюють у патроні машини, що обертається, і згинають постійним вантажем Р, підвішеним за допомогою підшипника до його кінця. Після руйнування зразка його замінюють іншим і зменшують вантаж Р. Випробування повторюють кілька разів, визначаючи кожного разу число циклів (обертів), що доводять зразок до руйнування. Межею витривалості вважається найбільша напруга, яку матеріал може витримати N раз не руйнуючись (N – велике число, звичайно 10⁷ або 10⁶, 10⁸, задане технічними умовами).