3.2.2 Основні властивості

Більшість механічних властивостей визначаються щільністю розташування атомів. У будь-якому чарунку вона різна у різних напрямках. Таку різницю у властивостях називають анізотропією. Аморфні тіла ізотропні. У реальних металів та їх сплавів, які складаються з великої кількості різно орієнтованих анізотропних чарунків (кристалів) властивості в різних напрямках однакові. Такі матеріали називають квазіізотропними.

У металів та їх сплавів виділяють фізичні, хімічні, механічні та технологічні властивості.

Фізичні властивості визначаються фізичними станом та відношенням до різних фізичних факторів. Основні з них:

Щільність – маса одиниці об’єма (кг/м³). Абсолютну щільність (щільність одиниці об’єма у абсолютно щільному стані) називають питомою вагою.

Температура плавлення – температура переходу з твердого стану у рідкий. Температуру переходу з рідкого стану у твердий називають температурою кристалізації.

Температурне розширення – здатність матеріала розширюватись при нагріванні. Воно характеризується коефіцієнтом лінійного розширення, що показує на яку частку довжини розширився матеріал при підвищенні температури на 1С.

Теплопровідність – здатність матеріала передавати тепло від однієї своєї поверхні до іншої. Вона визначається коефіцієнтом теплопровідності, що показує кількість тепла яке проходить через зразок матеріала товщиною 1м, площею 1м² протягом 1 години при різниці температур на протилежних поверхнях зразка 1С.

Електричний опір – здатність матеріала опиратись проходженню електричного струма. Одиниця вимірювання – ом.

Електрична провідність – здатність матеріала проводити електричний струм. Одиниця вимірювання – сіменс.

Хімічні властивості визначаються здатністю метеріала опиратись дії зовнішнього середовища, кислот, луг та інших хімічних реагентів. Для оцінки інтенсивності руйнування у різних середовищах застосовують показник – корозійна стійкість. Він визначається швидкістю корозії, а саме, масою матеріала, що перетворилася в іржу з одиниці поверхні за одиницю часу, або товщиною зруйнованого шару (мм/рік).

Крім цього показника корозійну стійкість матеріала можливо визначити за зміною маси вироба, його механічних властивостей, електричного опору або за кількістю водню, що виділився за певний час.

Технологічні властивості визначаються здатністю піддаватись певним методам обробки. Основні з них:

Оброблюваність різанням – швидкість затуплювання різця при обточуванні на певних режимах з забезпеченням необхідних параметрів оброблюваної поверхні. Визначається у відсотках до швидкості обробки м’якої сталі певної марки або свинцевої латуні.

Оброблюваність тиском визначають у холодному та гарячому стані. Оцінюють технологічними пробами на згинання, витяжку та інші, а також показниками пластичності, твердості та зміцнюваності.

Зварюваність – здатність утворювати нероз’ємні з’єднання з потрібними механічними властивостями.

Ливарні властивості визначають можливість отримати якісну відливку. Визначаються такими показниками як температура плавлення, щільність, усадка, ступінь поглинання газів та інші.

Зміцнюваність – здатність набувати більш високі механічні властивості після механічної або термічної обробки або їх комбінацій.

Механічні властивості визначають здатність матеріала опиратись дії зовнішніх механічних сил. Для їх визначення проводять статичні випробування на розтягування, стискування, згинання, скручування, динамічні випробування на ударну в’язкість, а також випробування на втомлюваність, повзучість, довготривалу міцність та твердість. Основні з них:

Міцність- здатність опиратись руйнуванню під дією зовнішніх сил.

Пластичність– здатність незворотньо деформуватись без порушення суцільності під впливом механічних навантажень з одночасним поглинанням механічної енергії.

Твердість - здатність матеріала опиратись проникненню в нього іншого який, при цьому, не деформується.

Крихкість – здатність матеріала руйнуватись без помітного поглинання механічної енергії.

Витривалість – здатність матеріала витримувати без руйнування значну кількість повторно-змінних напружень.

Втомлюваність - здатність матеріала поступово руйнуватись при значній кількості повторно-змінних напружень під впливом яких на поверхні з’являються та розвиваються тріщини, що призводить до руйнування.

Пружність – здатність матеріала відновлювати свою форму та об’єм після припинення навантаження.

Стираємість – здатність матеріала опиратись дії сил тертя, що викликають поступове руйнування поверхні та її знос.

Повзучість – здатність матеріала поступову і безперервно деформуватись при постійному напружені та підвищеній температурі.

Для вивчення властивостей металів і сплавів застосовують структурні (металографічні) методи. Кожний з них дозволяє виявити певні властивості і має певний діапазон використання. Основні з них:

Макроскопічний аналіз. Полягає у вивчені будови неозброєним оком, або з допомогою збільшуваного скла (збільшення до 30 разів). Виявляють форму і розташування зерен у відливках, напрямок волокон у поковках та штамповках, дефекти зварювання. Досліджують на поверхні, у зламі або на макрошліфах.

Мікроскопічний аналіз. Полягає у вивчені будови (структури) з допомогою металографічних мікроскопів при збільшенні у 50...2000 разів. Виконують на спеціально підготовлених зразках – мікрошліфах. Після полірування виявляють мікротріщини та неметалеві вкраплення. Після травлення полірованої поверхні розчинами кислот, лугів або солей проявляються форма та розміри окремих зерен, структурні складові. Для ще більш детального вивчення будови використовують електронні мікроскопи (збільшення до 200 000 разів). Виготовляють тонкі відбитки з мікрошліфів – репліки.

Рентгеноструктурний аналіз. Дозволяє дослідити внутрішню будову окремого кристала, виявити розташування атомів у кристалічній решітці. Рентгенівська дефектоскопія дозволяє контролювати якість зварних швів, литих, кованих та штампованих деталей.

Радіоактивних ізотопів. Дозволяє виявити розподіл окремих хімічних елементів у сплавах, або окремих атомів у кристалічній решітці.

Магнітна дефектоскопія. Дозволяє виявити тріщини, порожнини на поверхні або близько від неї на глибині до 5мм у виробах з феромагнітних матеріалів. Для цього вироб намагнічують і наносять на його поверхню порошок заліза або його окислів. У місцях порушення рівномірності структури змінюється конфігурація магнітних силових ліній.

Люмінісцентна дефектоскопія. Дозволяє виявити поверхневі мікротріщини. Для цього наносять спеціальну речовину у вигляді пасти і старанно протирають поверхню. При освітленні ультрафіолетовим промінням починає світитись речовина що проникла у мікротріщину.

Ультразвукова дефектоскопія. Дозволяє виготовити дефекти будови (тріщини, порожнини, неметалеві вкраплення) глибоко у товщі матеріала (на глибині до 1,5 м).

Для визначення механічних властивостях матеріалів проводять випробування з різними способами навантаження:

• Статичне – навантаження збільшують дуже повільно. Застосовують при випробуваннях на розтягування, стискування, згинання, скручування, зрізання та на твердість;

• Динамічне – навантаження збільшується (змінюється) з великою швидкістю, ударно (стрибком). Застосовують при випробуваннях на ударну в’язкість;

• Повторно-змінне – навантаження багаторазово змінюється за величиною, або за величиною і напрямом дії (знаком). Застосовують при випробуваннях на втомлюваність.

Статичні випробування на розтягування здійснюють на стандартних зразках на спеціальних розривних машинах які мають прилад що записує величину деформації (абсолютне видовження l, мм) та прикладене навантаження (Н, кгс). За цими даними будують діаграму розтягування, яка має, наприклад, для пластичних матеріалів такий вигляд (Рис. 3.9).

Рисунок 3.9 Діаграма розтягування

До точки А деформація пропорційна навантаженню і за своїм характером пружня. В точці В починається горизонтальна ділянка. Матеріал зразка розтягується (тіче) без збільшення навантаження. Точка С характеризує найбільше навантаження, що витримує зразок. У точці D відбувається руйнування зразка (розрив). Випробування на розрив дозволяють встановити більшість механічних властивостей матеріалів.

Випробування на твердість дуже поширені, бо дозволяють оцінити і інші механічні властивості. Найбільш відомі:

Метод Брінелля. У поверхню випробуємого метала вдавлюють сталеву загартовану кулю діаметром 10,5 або 2,5 мм (Рис. 3.10). На поверхні утворюється відбиток (лунка) діаметром d.

Ч исло твердості і:

Діаметр кулі та навантаження вибирають в залежності від матеріала, його твердості та товщини. Для тонких зразків та матеріалів з твердістю більше за 450 не використовують. Твердість позначають НВ.

М

Рисунок 3.10 Схема випробування на твердість за методом Брінелля

етод Роквелла. У поверхню випробуємого метала вдавлюють алмазний конус з кутом 120, або сталеву загартовану кулю діаметром 1,59 мм (мал. 3.11). Випробування кулею проводять для м’яких матеріалів, а алмазним конусом – для

т вердих матеріалів. Кулю або конус вдавлюють в зразок двома навантаженнями: попереднім та основним. Попереднє навантаження у всіх випадках дорівнює 100Н (10кг), а основне:

При вдавленні алмазного конуса (шкала А) – Р=600Н (60 кг)

При вдавленні кулі (шкала В) – Р=1000Н (100 кг)

При вдавленні алмазного конуса (шкала С) – Р=1500Н (150 кг)

Т вердість визначають за глибиною відбитка h. За одиницю твердості прийнята умовна величина, яка відповідає осьовому переміщенню наконечника на 0,002 мм. Шкалу С використовують для твердих, шкалу А для дуже твердих матеріалів, а шкалу В для м’яких матеріалів. В залежності від використаної шкали твердість позначають: HRA, HRB, HRC.

М

Рисунок 3.12 Схема випробування на твердість за методом Віккерса

етод Віккерса. У поверхню випробуємого метала удавлюють чотирьохгранну алмазну піраміду з кутом між протилежними гранями 136 (Рис. 3.12). За навантаженням, що припадає на одиницю поверхні відбитка визначають число твердості, яке позначають HV:

де Р – навантаження на піраміду, Н (кг)

d – середнє арифметичне довжини обох діагоналей, мм

 - кут між протилежними гранями при вершині

Величина навантаження Р=50…1000Н (5…100 кг). Визначають твердість тонких матеріалів або окремих структур.

Для визначення твердості окремих структурних складових використовують спеціальні прилади обладнанні металографічними мікроскопом. Випробування проводять за схемою метода Віккерса, але при навантаженні Р=0,05…5Н (5…500 г). Число твердості Н розраховують за тією самою формулою.

Метод Шора. Застосовують для м’яких матеріалів (гума, пластмаси). Полягає у визначенні висоти підстрибування твердого тіла визначеної маси скинутого з певної висоти. Найбільша твердість “100”.