§ 3. Определение механических и технологических свойств материалов

Чтобы определить механические свойства машиностроитель­ных материалов, их испытывают при помощи специальных уста­новок на прочность, твердость и ударную вязкость.

Пределы упругости, текучести и прочности материалов при растяжении определяют на гак называемой разрывной машине (рис. 24), где круглые или плоские образцы стандартных размеров под­вергают растяжению.

Машина вычерчивает диаграмму растяжения (рис. 24, б). По одной из осей диаграммы откладывается нагрузка, а по дру­гой — удлинение образца. По характеру зависимости величины удлинения от прилагаемой нагрузки можно судить об упру­гости, пластичности и прочности материала. Вид диаграммы, ее характерные точки и участки позволяют определить основные механические свойства испытываемых материалов.

Рис. 24. Разрывная машина (а)

и диаграмма растяжения (б):

1 — образец; 2-3 — захваты;

4 — записывающее устройство.

Т вердость определяется чаще всего мето­дом вдавливания твердого шарика стандарт­ного размера в поверхность образца (испытание по Бринелю, рис. 25).

По величине полученного отпечатка (лунки), размерам ша­рика и величине нагрузки определяют число твердости по Бри­нелю (НВ).

Между числом твердости НВ и пределом Прочности ơ_пч при растяжении существует зависимость

,

где k — коэффициент пропорциональности, равный для ста­ли 0,3—0,4.

Таким образом, способ Бринеля позволяет достаточно быстро и точно определять и прочность материала, поэтому его очень широко применяют в машиностроении.

Для определения твердости тонких, а также закаленных изделий применяют другие способы испытания, например спо­соб Роквелла, при котором в образец вдавливают маленький закаленный шарик или алмазный конус.

Ударная вязкость определяется у материалов, из которых предполагают изготовлять детали, испытывающие при работе ударные, т. е. резко возрастающие, нагрузки.

Па специальном маятниковом копре (рис. 26) надрезанный образец стандарт­ных размеров разрушается ударом тя­желого маятника. Ударная вязкость А_к определяется величиной работы А па­дающего груза, которая приходится на единицу площади сечения образца (в ме­сте надреза).

.

Рис. 26. Испытание материалов на ударную вязкость:

а — устройство маятникового копра; б — схема установки образца;

1 — маятник; 2 — образец; 3 — шкала.

Для определения техноло­гических свойств материалов необходимо прежде всего озна­комиться с их физическими свойствами (такими, как удельный вес, температура плавления, теплоемкость п др.), а также механическими (такими, как прочность, ударная вяз­кость, пластичность и др.).

Если по этим характеристикам невозможно достаточно точ­но определить технологические свойства материала, его под­вергают специальным технологичес-ким пробам на обрабатываемость.

§ 4. Изменение механических и технологических свойств материалов

В отличие от физических и химических свойств материалов механические и технологические свойства можно изменять в оп­ределенном направлении, что имеет большое значение для ма­шиностроения.

Для изменения свойств стали — наиболее распространенного материала для деталей машин — ее подвергают термической или химико-термической обработке. Термическая обработка ста­ли заключается в ее нагреве, выдержке и охлаждении. Раз­личают следующие основные виды термиче­ской обработки: отжиг, нормализацию, закалку, отпуск, обработку холодом. Виды химико-тер­мической обработки: цементация, азотирова­ние, цианирование и др.

Отжиг применяется для понижения твердости металла и уве­личения его пластичности и вязкости, снятия внутренних напря­жений, улучшения его строения. Для отжига стальных деталей их нагревают до температуры 760—900° С, выдерживают при этой температуре некоторое время, а затем медленно охлаж­дают вместе с печью, где нагревались детали, или на воздухе. При отжиге изделия укладывают в ящики или трубы, наполнен­ные песком или углем, или применяют защитную газовую среду, чтобы предохранить поверхность деталей от разрушения.

Нормализация имеет целью получение равномерной мелко­зернистой структуры металла, снятие в нем внутренних напря­жений, возникших вследствие той или иной деформации, и повы­шение прочности и пластичности металла.

Нормализация стали заключается в ее нагреве до 800—1000° С (для различных сталей поразному), некоторой выдержке при этой температуре и охлаждении деталей на воздухе. Отжигу и нормализации подвергают, например, стальные заготовки после литья, ковки, волочения, холодной прокатки. Эти заго­товки (отливки, поковки, прутки, проволока и т. д.) после отжи­га и нормализации приобретают технологические свойства, не­обходимые для их дальнейшей обработки.

Закалка применяется для придания стали повышенной проч­ности и твердости. Закалке поддаются стали с содержанием углерода свыше 0,2%. Для закалки сталь нагревают до тем­пературы 800—900° С, а затем быстро охлаждают в масле или воде. При быстром охлаждении создается мелкозернистая структура металла, повышается его твердость и прочность. За­калке подвергают различные режущие инструменты — напиль­ники, сверла, резцы, фрезы, зубья зубчатых колес, валы, оси, втулки и другие детали, работающие в тяжелых условиях, мно­гие измерительные инструменты.

Большое значение для качества закалки имеет правильный выбор закалочной среды (охладителя), температуры нагрева стали, а также скорости охлаждения.

В зависимости от состава стали и требований к ее механи­ческим свойствам применяют различные виды закалки.

Наиболее проста закалка в одной среде, однако у изделий переменного сечения, сложной формы она вызывает деформа­ции, а иногда и появление трещин (из-за неравномерного рас­ширения при нагреве и сжатия при резком охлаждении). Для таких изделий лучшие результаты дает закалка в двух средах: с охлаждением, например, сначала в воде, а затем в масле, а также ступенчатая закалка, предусматривающая сначала охлаждение, например, в соляной ванне, а затем охлаждение и выдержку в масле или на воздухе.

Закалка делает деталь хрупкой, плохо противостоящей де­формациям, поэтому, если необходимо достичь лишь увеличе­ния твердости поверхности детали, применяют поверхностную закалку, при которой нагревают (до 800—900°С), а затем быстро охлаждают лишь поверхностный слой детали, получая твердую корку металла на вязкой сердцевине. Нагрев деталей п этом случае ведут в пламени газовой горелки, токами высокой частоты (т. в. ч), в электролитах, контактным способом при по­мощи электрического тока.

Наиболее широкое распространение получил метод поверх- постной закалки токами высокой частоты, разработанный со­ветским инженером В. П. Вологдиным в 1931 году. При этом способе обрабатываемую деталь помещают в индуктор, медную спираль, через которую пропускают электрический ток высокой частоты, небольшого напряжения, но значительной силы. При этом на поверхности металлической детали возбуждаются ин­дукционные вихревые токи, вызывающие быстрый поверхност­ный нагрев. Скорость и температура, а также глубина прогре­ва ния зависят от скорости перемещения изделия, величины за­пора между изделием и индуктором.

Индукционный способ поверхностной закалки позволяет закаливать лишь тонкий поверхностный слой, легко поддается автоматизации и обеспечивает большую производительность. Закалка токами высокой частоты широко применяется сейчас для термообработки коленчатых валов, зубчатых колес, кулач­ковых валиков, осей, реек, направляющих станины станков, а также в производстве режущих инструментов.

Отпуск применяется после закалки для уменьшения твердо­сти и повышения вязкости стали или снятия внутренних напря­жений, вызванных закалкой. Отпуск осуществляют путем на­грева стали ниже 700° С и ее последующим охлаждением.

Если нужно сохранить высокую твердость изделий (напри­мер, режущих инструментов) после закалки и устранить их хрупкость, то применяют низкий отпуск — нагрев до 150—200° С, вы­держку при этой температуре и охлаждение на воздухе.

Если требуется понизить твердость и увеличить вязкость из­делий (например, ударных инструментов, пружин, рессор), то используют средний отпуск, при котором нагрев производится до 350—450° С.

Высокий отпуск, предусматривающий нагрев до 500—600° С, применяют для получения максимальной вязкости изделий, под­вергающихся переменным ударным нагрузкам.

В настоящее время применяется новый вид термической об­работки стали — обработка холодом. Она применяется для повы­шения стойкости инструментов, для повышения износоустойчи­вости подшипников и других изделий из легированной стали, со­держащей не менее 0,6% углерода. Обработка производится в среде, температура которой значительно ниже нуля (например, в смеси твердой углекислоты со спиртом, имеющей температу­ру — 80° С, или в жидком азоте, температура которого — 196° С). После охлаждения изделия выдерживают некоторое время на воздухе при нормальной комнатной температуре.

Химико-термическая обработка состоит в изменении химиче­ского состава поверхностного слоя детали и ее последующей тер­мической обработке.

Одним из методов химико-термической обработки стали является цементация. Она заключается в увеличении содержания углерода в поверхностном слое деталей, изготовленных из угле­родистой и легированной сталей с содержанием углерода 0,1—0,25%, и в последующей термообработке (чаще всего это закалка и отпуск). При цементации детали выдерживают в среде, бога­той углеродом, при /температуре 920—960° С в течение 3—15 ча­сов. Продолжительность цементации зависит от состава и свойств насыщающей углеродной среды (карбюризатора), заданной глу­бины цементованного слоя, температуры цементации и других факторов.

Наиболее распространена цементация изделий в твердом кар­бюризаторе, состоящем из древесного угля с добавками в виде солей и других веществ. Цементируемые изделия (например, ре­жущие инструменты) помещают в металлический ящик, запол­ненный карбюризатором, и подвергают длительному нагреву (до 15 часов) в печи.

Для цементации мелких изделий применяют жидкостную це­ментацию в расплавленных солях. Высокой производительностью и экономичностью отличается процесс газовой цементации, вы­полняемый в печи при температуре около 1000° С в среде цемен­тирующего газа (например, метана).

Азотированием достигается повышение поверхностной твер­дости металла и его коррозионной стойкости. При азотировании благодаря насыщению поверхностного слоя стали азотом возни­кает очень твердая корка, образованная химическим соединением стали с азотом — нитридами. Азотирование осуществляется в среде аммиака (ИНз) при температуре 500—650° С.

При термической и химико-термической обработке металлов применяется специальное оборудование: печи для нагрева дета­лей, ванны для закалки с различными закалочными жидкостями.

Контроль за температурой нагрева деталей в печи и режима­ми закалки, отпуска, отжига, цементации осуществляется при помощи всевозможной измерительной и регистрирующей аппа­ратуры (термометров, пирометров, термопар, самопишущих ре­гистрирующих приборов и пр.).

Часто процесс термической обработки автоматизирован и осу­ществляется поточным методом, так что на долю персонала, обслуживающего агрегат для термической обработки, остается только контроль за работой оборудования и аппаратуры.

Контрольные вопросы и задачи

1. Для каких целей применяют чугун?

2. Какие существуют виды сталей?

3. Какие цветные металлы и сплавы применяют в машино­строении?

4. Какие преимущества по сравнению с металлами имеют пластмассы?

5. Каковы основные механические свойства материалов?

6. Какие деформации испытывают детали машин? .

7. Какие существуют виды предельных напряжений?

8. Что такое предел прочности?

9. От каких условий зависит выбор запаса-.прочности?

10. Какими способами определяют твердость материала?

11. Для чего применяют разрывную машину?

12. Как определить ударную вязкость материала?

13. Для чего применяют отжиг и нормализацию?

14. Что дает закалка стали?

15. В чем сущность поверхностной закалки Деталей?

16. Для чего применяется цементация?

17. Измерьте диаметр болта на указанном учителем объекте и рассчитайте напряжение в нем, если он растягивается с силой 300 кГ. Определите запас прочности этого болта, если твердость ИВ стали, из которой он изготовлен, равна 200.;

18. Заклепки в заклепочном соединении испытывают напря­жение сдвига (τ). Определить напряжение в каждой из шести заклепок соединения внахлестку, если листы толщиной 3 мм растягиваются с силой 500 кГ и все заклепки диаметром 2 мм нагружены одинаково.