Література:

Конструкционные и электротехнические материалы: Учеб. для учащихся электротехн. спец. /В.Н. Бородулин, А.С. Воробьев, С.Я. Попов и др.; Под ред. В.А. Филикова. – М.: Высш. шк., 1990 Кузьмин Б.А., Самохацкий А.И. Металлургия, металловедения и конструкционные материалы. – М.: Высш. шк., 1984 Корицкий В.И. Электротехнические материалы. – Энергия. 1978 Электротехнические материалы. Справочник. Под ред. В.А. Березина. –М.: Энергоатомиздат, 1983

Лекція № 4

Тема: Вступ. Загальні відомості про литійне виробництво

Мета: Вивчити процес лиття сталей, та механічні властивості

Методи: словесний

План:

1 Механічні властивості

2 Контроль, види контролів

3 Сигналізація, види сигналізацій

4 Регулятор, САР, види зв’язків

Матеріально-технічне забезпечення та дидактичні засоби, ТЗН:

Механічні й інші властивості металів і методи їхнього визначення. Використовувані для виготовлення різних виробів матеріали насамперед повинні мати певний запас механічних властивостей, що забезпечують не руйнування виробів експлуатаційними навантаженнями.

Іншими властивостями матеріалів є їх різні фізичні й хімічні властивості, наприклад щільність, теплопровідність, електротехнічні властивості, здатність пручатися корозії й та ін.

Особливо виділяються технологічні властивості матеріалів. Від них залежить, яким способом з даного матеріалу можна виготовити ту або іншу деталь. До них ставляться ковкість, ливарні властивості, оброблюваність різальним інструментом, проколюваність і т. інше.

Під механічними властивостями прийнято розуміти комплекс властивостей, що відбивають здатність матеріалу протидіяти деформації під дією прикладених сил.

Деформація — це зміна форми й розміри виробу, яка може бути розтягнутою, стискаючою й зрушеною. Розтягання приводить до збільшення розміру виробу (або випробовуваного зразка) у напрямку діючої сили й відповідному зменшенню розміру в поперечному напрямку. При стиску, навпаки, поздовжній розмір зменшується, а поперечний - збільшується. Зрушення приводить до зсуву однієї частини матеріалу виробу (зразка) щодо іншої по якій-небудь площині. Наприклад, при скручуванні стрижня в ньому відбуваються деформації зрушення або деформації зрізу

Залежно від поводження деформуючого металу після зняття прикладеної сили кожна з описаних видів деформацій може бути пружною або залишковою.

Пружна деформація після зняття її сили, повністю зникає, і всі розміри виробу (зразка) , як поздовжні, так і поперечні, залишаються без зміни. При цьому не змінюється й взаємне положення атомів у кристалічних ґратах. Пояснюється це тим, що викликані зовнішньою силою тимчасові зміни відстаней між атомами, рівних періоду ґрат, а також зсуву сусідніх атомів відносно один одного, що приводять до перекручування ґрати, усуваються завдяки обумовленому металевим зв'язком між атомною взаємодією.

Якщо діючі сили й породжені ними напруги виявляться досить більшими, то у виробі (зразку) відбуваються залишкові, тобто необоротні, переміщення матеріалу, що зберігаються після зняття навантаження. При цьому форма й розміри виробу (зразка) змінюються. Така деформація матеріалу називається пластичної.

Сумарна пластична деформація металу складається з переміщень металу в його окремих зернах. При цьому зерна витягаються, здобувають довгасту форму.

Пластична деформація є результатом масового переміщення величезної кількості дислокацій, що існують у зернах і знову виникаючих під дією напруг.

Таким чином, механічні властивості в основному відбивають здатність матеріалу пручатися пластичної деформації й характеризують його поводження в xoді її розвитку. Як правило, до них відносять твердість, міцність, пластичність і ударну в'язкість.

Під твердістю прийнято розуміти здатність матеріалу чинити опір впровадженню в нього під дією сили наконечника з іншого більше твердого матеріалу. При впровадженні наконечника в матеріалі відбувається місцева пластична деформація. Отже, сутність твердості матеріалу - це його опір зосередженої (місцевої) пластичної деформації.

Вимір твердості виробляється за допомогою спеціальних приладів —твердомірів. Найпоширенішим методом виміру є метод вдавлення якого-небудь стандартного наконечника — індентора — у поверхню зразка з досліджуваного матеріалу. При вимірі твердості по методу Бринелля (прилад ТШ) індентором служить загартована сталева кулька (мал. 1.6). При цьому кулька під певним навантаженням Р у плин деякого часу вдавлюється в матеріал, залишаючи на його поверхні лунку діаметром d. Тому що глибина й діаметр лунки залежать від опору матеріалу пластичної деформації, викликуваної кулькою, що вдавлюється, то за міру твердості по Бринеллю приймається число, рівне відношенню сили Р к площі сферичної поверхні лунки F; НВ= P/F або НВ = 2P/(?D)

М ал I.6 Схема виміру твердості по методу Бринелля

На практиці при вимірі твердості її величина не обчислюється по наведеній формулі, а перебуває на спеціальній таблиці по обмірюваному спеціальною лупою діаметру відбитка d. У таблиці проти значень d зазначені відповідні їм обчислені значення твердості. Твердість по Бринеллю оцінюється в мега-паскалях [МПа] або в кгс/мм² (I МПа = 0,1 кгс/мм²). Якщо матеріал має дуже високу твердість, особливо коли вона твердіше кульки, приладу Бринелля, то для виміру твердості користуються приладом Роквелла, наконечник якого оснащений конусом, виготовленим із самого твердого матеріалу - алмаза.

Міцність характеризує опорів матеріалу пластичної деформації під дією прикладеної сили. Її характеристиками є умовні числа - межі, що знаходять при механічних випробуваннях.

Найбільше часто застосовуються випробування на розтягання, Під час яких спеціально виготовлені циліндричні або плоскі стандартні зразки розтягуються на розривній машині.

Під час випробування машина вичерчує діаграму розтягання в координатах: подовження зразка Al (мм): Р (Н, кгс) (мал. 1.8). У результаті обробки цієї діаграми будується діаграма напруг (мал. 1.9) і знаходять відповідні межі, що є характеристиками міцності.

Мал 1.8 Діаграма розтягу Мал 1 9. Діаграма напрягу

зразка при механічних при розтягу зразка

випробуваннях характеристики міцності

Напруги б (Па або кгс/мм²) обчислюються шляхом розподілу, сили Р на початкову площу поперечного переріза зразка F_o, які відкладаються по осі ординат. По осі абсцис відкладаються відносні подовження б (%), що обчислюють розподілом , абсолютного подовження зразка At на його початкову довжину /₀.

Абсолютне подовження перебуває як різниця між довжиною зразка в момент виміру сили 1_Х и початковою довжиною: At = 1_м — /₀.

При випробуванні на розтягання визначаються наступні основні характеристики міцності: межі пропорційності, пружності й плинності, тимчасове (межа міцності) і щирий опір розриву.

П ластичністю називається здатність матеріалу до пластичної деформації. Її характеристиками є відносне подовження б (%) і відносне звуження ? (%), що обчислюються по формулах

де l_к і F_K — довжина зразка в зруйнованому стані й площа його поперечного переріза в місці руйнування — шийці.

Ударна в'язкість матеріалу показує його здатність пручатися руйнуванню при ударному додатку навантаження. Вона оцінюється за результатами ударного руйнування на маятниковому копрі спеціального брущатого зразка з надрізом.

П ри цьому ударна в'язкість обчислюється як результат розподілу витраченої на руйнування зразка роботи А на його робочий перетин F: KCU — A/F.

Мал 1.10 Зразок для визначення ударної в'язкості

П оняття про металеві сплави і їхні властивості. Сплавом називається складна речовина, одержуване шляхом сплавки декількох простих речовин, називаних компонентами сплаву. У металевому сплаві основним компонентом (більше 50 %) повинен бути метал. У сплавів можна одержати більше високі механічні, фізичні й хімічні властивості, чим у чистих металів, тому їх так широко застосовують у техніку. Для розуміння природи сплавів і їхніх властивостей необхідно познайомитися з діаграмами станів найпростіших сплавів - подвійних. Ці сплави складаються із двох компонентів.

Діаграма станів являє собою креслення, у якому відбите зміна структури й фазового состава сплавів даних компонентів залежно від їхнього змісту (концентрації) і температури Т (мал. 1.11).

Мал 1 11 Основні типи діаграм стану (верхній ряд) і характер зміни властивостей залежно від концентрації В

Насамперед з'ясуємо, що таке структура й фазовий состав. Сплави, як і чисті метали, побудовані із зерен, які можна спостерігати в оптичний мікроскоп. Залежно від природи компонентів, що сплавляють, у сплавах можуть спостерігатися у вигляді зерен наступні фази:

- суміш зерен чистих компонентів (якщо останні не вступають один з одним ні в яку взаємодію);

- тверді розчини одного компонента в іншому, коли кристалічні ґрати в зернах побудовані з атомів обох компонентів, з яких один є розчинником, а іншої — розчинним;

- хімічні сполуки компонентів сплаву один з одним, що мають свою властиву їм кристалічні ґрати, відмінну від ґрат вихідних компонентів.

При утворенні твердих розчинів компоненти залежно від їхньої природи можуть розчинятися один в одному обмежено або необмежено. При обмеженій розчинності в ґратах одного компонента може розчинитися лише якесь, як правило, що залежить від температури кількість атомів іншого компонента. Інша кількість узятого для сплаву компонента при цьому або саме стає розчинником і утворить зерна зі своїми ґратами, у якій розчинені атоми іншого компонента, що сплавляє, або вступає із другим компонентом у хімічну взаємодію. Розглянемо приклади діаграм станів і показаних на них фаз і структурних складових.

Діаграма станів сплавів — механічних сумішей — зображена на мал. 1.11, а. Це випадок, коли компоненти А и В взаємно розчиняються тільки в рідкому стані, а у твердому не розчиняються й не вступають у хімічну взаємодію.

У твердому стані (нижче лінії CDE) всі сплави цієї системи складаються із зерен чистих компонентів А + В. Властивості сплавів у цьому випадку залежать від властивостей компонентів і їхніх відносних кількостей у кожному сплаві й змінюються за лінійним законом від компонентів А і В.

При необмеженій взаємній розчинності компонентів у твердому стані виходить діаграма станів, зображена на мал. 1.11,6. У цьому випадку утвориться безперервний ряд сплавів - твердих розчинів а змінної концентрації.

Відомо, що при розчиненні в кристалічних ґратах одного компонента атомів іншого вона спотворюється й у ній виникають внутрішні напруження, тим більше, чим більше в ґратах сторонніх («чужих») атомів. Все це утрудняє пересування дислокацій у зернах під час пластичної деформації й підвищує міцність сплаву.

У зв'язку з відзначеним властивості сплавів необмежених твердих розчинів змінюються за криволінійним законом.

Показана на мал. 1.11, у діаграма станів відбиває поводження компонентів, що сплавляють, при обмеженій розчинності.

У цьому випадку у твердому стані (нижче лінії ACDEB) спостерігаються три структурно-фазові області: області обмежених  (ліворуч) і  (праворуч) розчинів і між ними область механічних сумішей цих розчинів (+).

В областях, зайнятих тільки одним розчином, властивості змінюються за криволінійними законами, а в змішаній області - по лінійному.