Свойства металлов и метолы их испытаний.

Ошибка! Ошибка связи.

К физическим свойствам металлов относят электрические, маг­нитные, тепловые свойства. Для целого ряда деталей именно они определяют возможность применения металлов.

Прежде всего это детали, используемые в электротехнической промышленности, от которых может требоваться высокая элект­ропроводность или, наоборот, высокое электросопротивление, оп­ределенные магнитные свойства, например материал должен быть немагнитным, и т.д. В этих случаях механические свойства второ­степенны.

Физические свойства металлов определяются их строением — наличие свободных электронов — электронного газа определяет вы­сокие электро- и теплопроводность.

Все металлические материалы непрозрачны в видимой области спектра, а в отраженном свете обладают блеском, особенно зна­чительным на свежем срезе. Каждый материал имеет свой оттенок блеска: медь — красный; алюминий, олово и магний -- белый; сталь — серый; чугун — темно-серый; свинец и цинк — светло­серый. По оттенку блеска опытный квалифицированный рабочий может определить не только группу металла и вид сплава, но и их марки.

Различные цвета металлов и сплавов обусловлены разным спек­тральным составом (т.е. неодинаковым сочетанием длин волн) света, отражаемого поверхностями этих материалов. Свет с раз­ной длиной волны человеческий глаз воспринимает как различные цветовые ощущения (белый, желтый, красный и другие цвета).

Удельный вес – это вес , приходящийся на единицу объёма металла, величина, обратная плотности.

 

γ = G / W;                   [ Н / м³ ]

В зависимости от значения удельного веча ( плотности ) все металлы делятся на легкие и тяжелые. К легким относятся металлы, плотность которых менее 5 г / см³  ( магний, бериллий, алюминий, титан ).

Электросопротивление проводника r зависит от его размеров (оно тем больше, чем больше длина l и меньше площадь поперечного сечения s проводника) и мате­риала:

r = ρ l / s,

 

 где ρ - (Ом х мм²/м или Ом х см) — удельное электросопротивление мате­риала, т.е. сопротивление проводника площадью 1 мм² и длиной 1 м.

Удельное электросопротивление ме­таллов зависит от температуры, оно тем больше, чем выше температура.

В качестве проводников в электротех­нике наиболее широко применяют медь, (ρ = 1,7-10^-6 Ом-см) и алюминий (ρ = 2,7-10^-6б Ом см), имеющие ма­лое удельное электросопротивление.

Величина, обратная удельному электросопротивлению, назы­вается удельной проводимостью: γ = 1/ρ.

Магнитные свойства. По магнитным свойствам материалы делят­ся на два класса: магнитно-неупорядоченные и магнитно-упорядо­ченные. К первому классу относятся диамагнитные и парамагнит­ные материалы, ко второму — ферромагнитные. У материалов пер­вого класса элементарные магнитные моменты в пространстве расположены хаотически, а у второго — упорядоченно (рис. 10).

 

Рисунок 10 – Схема расположения магнитных моментов:

а – парамагнетик; б – ферромагнетик.

 

Магнитно-упорядоченные металлы, в отличие от магнитно-не­упорядоченных, отличаются большой величиной магнитной воспри­имчивости (это величина , которая связывает напряженность маг­нитного поля Н намагниченность I, т.е. I= / H). Для диамагнитных материалов  отрицательна, для парамагнитных — положительна.

Таким образом, в магнитном поле намагничиваются ферромаг­нетики. Они имеют большую магнитную восприимчивость и могут быть намагничены до насыщения в сравнительно малых полях, кроме того, они обладают остаточной намагниченностью, т.е. со­храняют магнитные свойства после снятия магнитного поля. Для того чтобы размаг­нитить ферромагнетик, необходимо приложить поле обратного направления.

Различные сочетания магнитных свойств материалов определя­ют их применение.

Для изготовления постоянных магнитов используют магнитотвердые материалы, от которых требуется получение высоких значений коэрцитивной силы. Магнитомягкие материалы, используемые для изготовления магнитопроводов, якорей машин постоянного тока и др., напро­тив, должны обладать низкой коэрцитивной силой, а также высо­кой магнитной проницаемостью. Это достигается применением чи­стого, без примесей и включений металла с крупным зерном.

В электротехнике, приборостроении и других отраслях требуют­ся немагнитные (парамагнитные) материалы. К таким относятся цветные металлы (медь, алюминий и сплавы на их основе), а так­же аустенитные стали.

Теплопровооность материала характеризует его способность передавать тепловую энергию от одной части к дру­гой, если между ними возникает разница температур.

Для определения теплопроводности испытуемый материал помещают одним концом в нагревательное устройство, обеспечивающее постоянную температуру, а вторым — в водяной калорифер, слу­жащий холодильником. По нагреву воды судят о количестве тепло­ты , прошедшей за определенное время.

Большая разница в теплопроводности определяет применение материалов в технике и быту. Теплоизолирующими свойствами об­ладают неметаллические материалы, в случае необходимости отво­да теплоты должны быть использованы металлы, так как они обла­дают высокой теплопроводностью.

 

Механическими свойствами материалов называют свойства, которые выявляются испытаниями при воздействии внешних нагрузок. В результате таких испытаний определяют количественные характеристики механических свойств. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.

Контроль механических свойств начинается еще при производстве ме­талла на металлургических заводах. Когда металл или прокат поступает к потребителю, например на машиностроительные заводы, его отбирают в за­висимости от уровня характеристик механических свойств для изготовления тех или иных изделий с учетом условий их эксплуатации. При изготовлении изделий металл подвергается различной технологической обработке (меха­нической, термической и др.), под воздействием которой происходят изме­нения в структуре и механических свойствах. Поэтому необходим контроль механических свойств металла и на различных стадиях изготовления изделий.

В процессе эксплуатации изделий под влиянием различных факторов (повышенные или пониженные температуры, давление, агрессивная среда и др.) изменяются структура и механические свойства, что с течением времени приводит к ухудшению свойств и даже разрушению металла. Это вызывает необходимость периодического контроля механических свойств металла с целью выявления опасных зон в деталях и конструкциях и предотвращения аварий. Более того, во многих отраслях промышленности (например, в теп­лоэнергетике, нефтегазохимии и др.) насчитывается большое число агрега­тов, пробывших длительное время в эксплуатации и выработавших свой рас­четный срок службы. Поэтому требуется уточненная оценка их остаточного ресурса, которая невозможна без определения и учета фактических механи­ческих свойств материалов, из которых изготовлены эти агрегаты.

При проведении механических испытаний стремятся воспроизвести та­кие условия воздействия на материал, которые имеют место при эксплуата­ции изделия, изготовленного из этого материала. Многообразие условий службы материалов обусловливает проведение большого числа механиче­ских испытаний. Но вместе с тем основными признаками, позволяющими классифицировать виды механических испытаний, являются:

- способ нагружения (растяжение, сжатие, изгиб, кручение, срез, цикличе­ское нагружение и др.);

- скорость нагружения (статическая, динамическая);

- протяженность процесса испытания во времени (кратковременная, дли­тельная);

- температура процесса испытания (нормальная, повышенная, пониженная );

 другие признаки классификации, которые характеризу­ются сложностью напряженно-деформированного состояния, режимами на­гружения, типами образцов, агрессивностью среды.

В результате механических испытаний материалов определяют следую­щие характеристики:

упругость – свойство металла деформироваться без остаточной деформации;

пластичность – свойство деформироваться в определенной степени боз разрушения;

прочность – свойство выдерживать заданные нагрузки;

твердость – способность сопротивляться проникновению более твердого материала;

вяз­кость – склонность материалов к хрупкому разрушению;

выносливость – свойство противостоять процессу постепенного накопления повреждений в металле под действием циклических нагрузок;

 жаропрочность – способность работать в условиях высоких температур и действия механических нагрузок;

жаростойкость – способность работать в агрессивных средах при высоких температурах в малонагруженном состоянии.

 

Технологические свойства металлов характеризуют поведение ма­териалов в процессе изготовления из них деталей. Под технологич­ностью следует понимать легкость проведения технологических опе­раций. Это означает, что уровень технологических свойств опреде­ляет возможность применения той или иной технологии. Низкая технологичность материала может являться причиной брака или вызывает снижение производительности обработки.

Основные технологические процессы, применяемые при изго­товлении деталей: литье, обработка давлением, обработка реза­нием, сварка, пайка, термическая обработка.

Литейные свойства оценивается жидкотекучестью материала и усадкой.

Жидкотекучесть характеризует спо­собность материала заполнять литейную форму. Представим себе трубку, в ко­торую заливают жидкий металл. По мере прохождения по этой трубке металл ос­тывает, и его перемещение прекраща­ется, когда произошло затвердевание. Таким образом, жидкотекучесть лучше у того металла, который имеет более низкие темпепатуры плавления.

Анализ диаграмм состояния показывает, что наименьшую тем­пературу затвердевания имеют сплавы эвтектического состава.

Так, система «А1 — Si»— это сплав, содержащий ll,7%Si. Сплавы с близким содержанием кремния — это литейные сплавы, называемые силуминами.

Именно наличие эвтектики в структуре чугунов определяет их высокие литейные качества в отличие от сталей, в структуре кото­рых эвтектики нет.

Усадка. При производстве фасонного литья, т.е. изделий сложной фор­мы, материал должен обладать малой усадкой, т.е. его объем дол­жен мало изменяться (уменьшаться) при затвердевании. В чугунах это достигается за счет наличия в структуре свободного углерода — графита. Поскольку его плотность значительно меньше плотности железа, т.е. он имеет больший удельный объем, достигается мень­шая усадка. Малой усадкой обладают также бронзы, так как для бронзового литья характерна большая пористость; коэффициент усадки бронз менее 1%, чугуна — около 1,5%, тогда как для сталей он превосходит 2%.

Обрабатываемость давлением. Обрабатываемость давлением (про­кат, ковка и др.) зависит от пластичности металла. Напомним, что только для металлов возможна обработка давлением. Это связано с тем, что пластичность определяется металлическим, гибким, не­направленным типом связи.

Высокая пластичность присуща однофазным сплавам, появление второй фазы, особенно если она обладает высокой твердостью или малой пластичностью, резко снижает пластичность металла.

Так, в системе «А1 — Си» деформируемыми являются сплавы с содержанием меди до 5,7%, т.е. не содержащие эвтектики.

В сплавах системы «Си — Zn» высокая пластичность наблюдается при содержания цинка не более 38—39%, т.е. в одно­фазных, а затем она резко снижается.

Остановимся особо на обрабатывае­мости давлением сталей — основного конструкционного металла. Чугуны из-за высокой хрупкости и весьма малой пластичности не могут быть обработа­ны методами пластической деформации. Пластичность стали тем выше, чем меньше в ней содержание углерода и вредных примесей — серы и фосфора.

Повышенное содержание серы вы­зывает в стали красноломкость — раз­рушение при горячей пластической де­формации. Это связано с тем, что сульфиды образуют в системе «FeS - Fe» легкоплавкую эвтектику, при нагреве под ковку в структуре об­разуется жидкость, что вызывает разрушение в процессе дефор­мации.

В промышленности при изготовлении деталей из стали широкое распространение получила технология холодной пластической де­формации. Это операции листовой (вытяжка, гибка) и объемной (высадка) штамповки.

В сталях для особо сложной штамповки с большими степенями деформации содержание углерода не должно превышать 0,08%. При содержании углерода 0,20—0,30% можно производить гибку дета­лей и незначительную вытяжку, а при содержании 0,30—0,40% толь­ко гибку с большим радиусом.

Для оценки возможности проведения операций с определенной степенью деформации применяют различные технологические испытания (пробы), имитирующие процесс холодной пластической деформации.

В зависимости от сортамента металла используют следующие технологические пробы: на загиб, на перегиб, на скручива­ние, на вытяжку сферической лунки.

Обрабатываемость резанием — это комплексная характеристика материала. Обрабатываемость оценивают рядом показателей: про­изводительностью обработки, качеством обработанной поверхности, видом образующейся стружки. В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев. Напри­мер, в условиях автоматизированного производства важнейшим является вопрос стружкообразования — стружка должна легко уда­ляться из зоны резания, т.е. быть элементной, а не сливной.

Наиболее распространенной является оценка обрабатываемости материала по производительности. Она оценивается скоростью реза­ния, при которой достигается заранее заданная стойкость инстру­мента. Используют критерий - скорость резания (м/мин), при которой достигается 60-минутная стойкость режущего инстру­мента до регламентируемого износа.

Производительность обработки тем ниже, чем выше твердость и прочность обрабатываемого материала. Кроме того, обрабатывае­мость зависит от структуры — наличие твердых частиц в структуре снижает обрабатываемость материала (так, увеличение содержания углерода в стали приводит к росту количества твердых карбидов в структуре, обрабатываемость при этом понижается). Обрабатывае­мость при прочих равных условиях ниже у материалов с малой теп­лопроводностью, т.е. она ниже у легированных сталей, чем у угле­родистых. При очень низкой твердости обрабатываемость также по­нижается. Материал имеет высокую пластичность, при обработке он налипает на режущий инструмент, что приводит к потере стой­кости, а также к снижению качества обработанной поверхности.

Шероховатость обработанной поверхности зависит главным об­разом от твердости материала — более высокая твердость обеспе­чивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности.

Элементная, «сыпучая» стружка образуется в том случае, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (на­пример, графит в чугуне).

В условиях массового автоматизированного производства необ­ходимо использовать материалы, обладающие высокой обрабаты­ваемостью (например, при производстве нормалей — винтов, бол­тов, гаек и т. п). Для этих целей используют специальные матери­алы. К ним относятся автоматные стали и латуни (термин «автоматные» означает, что материал специально предназначен для обработки на автоматических станках).

Наиболее известны автоматные стали с повышенным содержа­нием серы. Сернистые включения в виде сульфидов нарушают сплошность металла, что приводит к дроблению стружки, кроме того, они оказывают смазывающее влияние. В автоматные латуни вводится свинец, его влияние аналогично.

Помимо автоматных сталей и латуней, к материалам с высокой обрабатываемостью относятся медные сплавы, чугуны без отбела (см. гл. 4).

К труднообрабатываемым материалам относятся нержавеющие и жаропрочные стали и сплавы; материалы с высокими твердостью и прочностью; сплавы на основе титана и тугоплавких металлов (вольфрама, молибдена, ниобия).

Свариваемость металлов. Это понятие можно разделить на физи­ческую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость — это свойство металла образовывать монолитное соединение. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд соче­таний металлов и неметаллов.

Технологическая свариваемость оценивает поведение металла в процессе сварки. Она характеризуется склонностью к окислению металла при сварочном нагреве; склонностью к образованию горя­чих и холодных трещин.

Склонность к окислению определяется химическими свойствами металла. Чем выше химическая активность, тем больше склонность к окислению и, соответственно, выше должна быть защита метал­ла при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, молибден. При их сварке необходимо защищать не только расплавленный металл, но и при­легающий к сварочной ванне основной металл и остывающий шов. Сварку этих металлов следует выполнять в вакууме или в среде инертных газов высокой чистоты.

Высокой химической активностью отличаются также цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель, сплавы на их основе. Их сварка должна выполняться в среде инертных газов или с ис­пользованием специальных покрытий или флюсов.

Склонность к образованию горячих трещин. Горячие трещины воз­никают в процессе кристаллизации, т.е. во время существования твердой и жидкой фаз, а также при высоких температурах в твер­дом состоянии. При высоких температурах прочность материала по­ниженная, поэтому он может разрушаться вследствие воздействия напряжений, возникающих при усадке шва и уменьшении объема металла при охлаждении. Горячие трещины могут возникать как в самом шве, так и в околошовной зоне.

Склонность к образованию холодных трещин. Они могут возникнуть вследствие закалки нагретого металла при быстром охлаждении, когда металл теряет пла­стичность или под действием остаточ­ных напряжений, возникающих в свар­ных соединениях. В целях предотвраще­ния холодных трещин осуществляют подогрев зоны металла, прилегающей к сварному шву, с целью снижения ско­рости охлаждения.

Способность материала поддаваться термической обработке определяют свойства закаливаемость и прокаливаемость.

Закаливаемость – свойство увеличивать твердость в результате термообработки. Закаливаемость стали определяется в первую очередь содержанием в ней углерода. При его увеличении закаливаемость увеличивается. Легирующие элементы оказывают относительно небольшое влияние на закаливаемость.

Прокаливаемость – способность закаленный слой с высокой твердостью на ту или иную глубину. Прокаливаемость определяется скоростью охлаждения, и химическим составом стали. Сильно повышают прокаливаемость марганец, хром, молибден и малые добавки бора (0,003 – 0,005 %), менее сильно влияют никель и кремний. Прокаливаемость особенно возрастает при одновременном введении в сталь нескольких легирующих элементов.

 

Испытания на твердость.

Твердость — это свойство материала оказывать сопротивление значительной деформации или хрупкому разрушению при внедрении индентора в его поверхность. Испытания на твердость — самый доступный и распро­страненный вид механических испытаний. Это объясняется рядом причин: определение твердости является неразрушающим методом, деталь после такого измерения может быть использована по назначению; испытания не требуют высокой квалификации; по значению твердости можно судить о других механических свойствах.

Наибольшее применение в техни­ке получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринелля, метод Виккерса, метод Роквелла и метод Шора..

Метод Бринелля.

 В качестве индентора используется стальной закален­ный или твердосплавный шарик диаметром 10, 5, 2.5, 2 и 1 мм, который вдавливается в испытуемый образец на специаль­ном прессе - твердомере (рис. 11). Вдавливание шарика происходит при постоянной нагрузке, в результате на поверхно­сти образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис. 12). Диаметр отпечатка измеряется в двух взаимно перпендикулярных направ­лениях с помощью микроскопа Бри­нелля — это лупа со шкалой.

 

 

Рисунок 11 – Прибор для измерения твердости по Бринеллю:

1 — установочный стол; 2 — маховик вращения винта для создания

предварительной нагрузки; 3 — груз; 4 — держатель индентора;

5 — электродвигатель

 

 

 

Рисунок 12 – Схема определения твердости по Бринеллю.

 

Значения твердости — это от­ношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка. Значения твердости вычисляются по фор­муле:

 

                              НВ = 2 P / (D(D - (D²- d²)^1/2),

 

где НВ — обозначение твердости;

   Р — при­лагаемая нагрузка (кгс);

    D и d — диамет­ры шарика и отпечатка (мм).

На практике пользуются таблицей, в которой указаны значения твердости в за­висимости от диаметра отпечатка.

Диаметр шарика и нагрузку выбира­ют так, чтобы соблюдалось соотношение: d= (0,25 ... 0,5)D т.е. для разных матери­алов эти параметры различны.

 При диа­метре индентора 10 мм, нагрузке 3000 кгс (29 430 Н) и времени выдержки под на­грузкой 10 с твердость обозначается толь­ко цифрами и латинскими буквами, на­пример 200 НВ. Эти условия приняты для определения твердости сталей и чугунов. При изменении условий испытаний по­мимо значений твердости указываются диаметр шарика, усилие и выдержка под нагрузкой. Например, 185НВ _{5 / 750 / 20}, здесь 5 — диаметр шарика в мм, 750 — нагрузка в кгс, 20 — время выдержки под нагрузкой в с. При использовании твердосплавного индентора применяют символ НВW.

Метод Бринелля не является универ­сальным. Он не позволяет испытывать ма­териалы с твердостью более 450 НВ стальным шариком и не более 650 НВW твердосплавным, так как при этом может деформироваться ша­рик, а также образцы толщиной менее 1-2 мм из-за их продавливания.

Между твердостью_гю_Бринеллю с одной стороны и пределами прочности и текучести соблюдаются следующие примерные соотношения: для стали σ_в= НВ/3, σ_т= НВ/6; для алюминиевых сплавов σ_в= 0,362 НВ; для медных сплавов σ_в= 0,26 НВ.

Применяют этод метод для измерения твёрдости чугуна, незакаленной стали и цветных металлов и сплавов.

 

Метод Виккерса. Метод основан на вдавливании четырехгран­ной алмазной пирамидки с углом между противоположными гра­нями, равным 136°. Твердость (она обозначается HV) определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Значения твердости вычисляются по формуле:

            

                HV = 1,854 Р / d^{2 ,}

                     

где d -  сред­нее значение длины диагоналей отпечатка.

Нагрузка может изменяться в пределах от 1 до 250 кгс. Величи­на диагоналей определяется с помощью специального микроско­па, встроенного в прибор.

Для измерения очень тонких слоев или отдельных фаз сплава используют метод измерения микротвердо­сти при нагрузке от 1 до 500 г, твердость определяется в единицах НV.

Число твердости по Виккерсу обозначается символом НV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10 – 15 сек, а для цветных металлов - 30 сек. Например, 450 HV _{10 /15}  означает , что число твердости 450 по Виккерсу получено при нагрузке 10 кгс и выдержке 15 сек. Методом Виккерса применяют для измерения твердости более твердых материалов. Значения твердости по Бринеллю и Виккерсу практически равны.

Метод Роквелла. Принципиальное отличие этого метода от рас­смотренного ранее заключается в том, что твердость определяется не площадью поверхности отпечатка индентора, а глубиной его проникновения в исследуемый образец.

В качестве индентора используют алмазный конус с углом при вершине 120^о  при испыта­ниях твердых материалов и стальной закаленный шарик диаметром 1, 588 мм ( 1/16 дюйма) при испы­таниях мягких материалов. Нагрузка при использовании алмазного конуса устанавливается 150 или 60 кгс в зависимости от твердости материала — большая для незакаленные стали), меньшая для материалов с очень высокой твер­достью (твердые сплавы, режущая керамика). Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс.

Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем черную (С) и красную (В) шкалы. Шкала «С» используется при испытаниях с помощью алмазного конуса при нагрузке 60 и 150 кгс, шкала «В» — для шарика с нагрузкой 60 кгс. Значения твердости обозначаются:

 HRC — алмазный конус, нагрузка 150 кгс;

 HRA — алмазный конус, нагрузка 60 кгс;

 HRB — шарик (например, 90 HRA).

 Шкала по измерению твердости HRC изменена в связи с изменени­ем эталона, поэтому в измеряемые значения следует вносить по­правку. Твердость в этом случае обозначается HRC_э, она меньше HRC на 1—2 единицы. В настоящее время часть приборов может быть настроена уже по новой шкале, это следует знать при измерении твердости.

Значения твердости в единицах HRC примерно в 10 раз мень­ше, чем в единицах НВ, т.е. твердость 30HRC примерно соответ­ствует 300НВ. Между значениями твердости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость:

                             HRC = 2HRA - 104

Метод Шора. При измерении твердо­сти по Шору груз вместе с укрепленным на нем индентором (обычно это стальной шарик) падает с высоты  на образец перпендикулярно его поверхности. Твердость по Шору определяется по вы­соте отскока шарика (груз с инден­тором). Шкала твердости разделена на 130 единиц. Она рассчитана таким образом, что твердость закаленной эвтектоидной стали оказывается равной 100 единицам. Эти приборы используются для экспресс-анализов.

В некоторых случаях, когда применение перечисленных методов невозможно, твердость определяется с помощью тарированных напильников. Этот метод менее точен, но прост и легко применим в цеховых условиях.

 

12345678910Следующая ⇒

Поделиться: