Деталі машин, механізмів і споруд працюють під навантаженнями різного виду: постійно діючими в одному напрямку, ударними та змінними за величиною і напрямком.

Зовнішнє навантаження, що діє на метал, створює в ньому напругу, яка залежать від величини прикладеної сили Ρ та площі поперечного перерізу F тіла і визначається наступним співвідношенням:

. (2.1)

Слід зазначити, що прикладена сила (зовнішнє навантаження) не завжди перпендикулярна ділянці F, на яку вона діє. Тому напруга, що виникає, може бути як нормальною, так і дотичною.

Напруга завжди викликає деформацію в металі – пружну, яка зникає після припинення дії сили, або пластичну, яка залишається після зняття навантаження.

Поняття про пружну і пластичну деформацію

Як відомо, деформацією називають зміну розмірів і форми тіла під дією прикладених сил. Деформація може викликатися дією зовнішніх сил, прикладених до тіла, або різними фізико-механічними процесами, що відбуваються в самому тілі (наприклад, зміна об’єму окремих кристалів при фазових перетвореннях або внаслідок градієнта температур).

Деформацію, вплив якої на форму, структуру і властивості тіла повністю усувається після припинення дії зовнішніх сил, називають пружною. Пружна деформація не викликає помітних залишкових змін в структурі і властивостях металу.

Пластична деформація – деформація, що супроводжується незворотними змінами форми й розмірів тіла під навантаженням без порушення його суцільності. Пластична деформація приводить до зміни не тільки зовнішньої форми тіла, а й окремих зерен, що і є причиною зміни властивостей тіла. Зокрема, в процесі пластичної деформації відбувається зміцнення металу за рахунок збільшення числа дефектів. Це явище одержало назву наклепу (наклепання). Помітним це явище спостерігається при обробці металів тиском.

Визначення межі міцності металів випробуванням на розтяг

При надмірній пластичній деформації відбувається руйнування металу. Здатність металу опиратися появі пластичної деформації і руйнуванню характеризує його міцність.

Міцність металів визначають на спеціальних зразках (в більшості циліндричної форми – рисунок 2.1) шляхом їх розтягування, згинання, кручення. Найчастіше міцність металу характеризується межею міцності при розтягуванні (часовим опором розриву) σ_в, МПа:

σ_в = , (2.2)

де Р_в max – максимальне навантаження, яке витримує зразок перед руйнуванням, Н;

F₀ – початкова площа перерізу зразка перпендикулярна до Р_в, м².

Рисунок 2.1 – Зразки дослідження механічних властивостей

Разом з міцністю при розтягуванні визначають і пластичність матеріалу, що характеризується відносним видовженням δ:

(1.3.3)

де l_k – довжина зразка після розриву, м;

l₀ – початкова довжина зразка, м.

Оцінити пластичність металу можна і за відносним звуженням ψ площі поперечного перерізу циліндричного зразка в місці розриву:

, (1.3.4)

де F₀ – початкова площа поперечного перерізу зразка, м² ;

F₁ – площа поперечного перерізу зразка в місці розриву, м².

Особливості різних методів визначення твердості металів

Важливою характеристикою металів являється твердість. Твердість визначають різними статичними методами, зокрема, методом Бринелля, методом Роквелла, методом Віккерса, а також шляхом визначення мікротвердості.

За методом Бринелля у плоску поверхню металу під постійним навантаженням Р вдавлюється стальна загартована кулька (рисунок 2.2, а) діаметром D (10; 5; 2,5 мм). В результаті на поверхні зразка залишається відбиток у формі кульового сегмента діаметром d, мм.

То ж, твердість за Бринеллем визначають за діаметром відбитка:

(1.3.5)

За методом Роквелла твердість визначається за величиною переміщення наконечника індентора. Наконечником індентора служить алмазний конус (рисунок 2.2, б) з кутом при вершині 120^о або кулька з карбіду вольфраму (або загартованої сталі) діаметром D = 1,588 мм (1/16 дюйма). Стальну кульку (шкала В) використовують для матеріалів незначної твердості (до НВ 220) з навантаженням 981 Н (100 кГ). Особливістю метода Роквелла є створення попереднього навантаження на індентор, що становить 98 Н (10 кГ).

Рисунок 2.2 – Схеми визначення твердості:

а) за Бринеллем; б) за Роквеллом; в) за Віккерсом

Твердість за методом Роквелла HR являється величиною умовною, що характеризує різницю глибин відбитків повного і попереднього навантаження. Для дуже твердих і тонких матеріалів використовують алмазний конус при навантаженні на нього 588 Н (60 кГ). Позначають твердість за методом Роквелла з урахуванням індексу шкали: HRВ – з навантаженням на кульковий індентор 100 кГ, HRА і HRC – з навантаженням на конусний індентор відповідно 60 кГ і 150 кГ.

За методом Віккерса, де в якості індентора (рисунок 2.2, в) використовують алмазну чотиригранну піраміду з кутом при вершині 136^о, з навантаженням на неї від 1 до 100 кГ, можна визначати твердість як м’яких, так і дуже твердих металів і сплавів та, зокрема, мікротвердість, тобто твердість в межах одного зерна.

Заслуговують на увагу сучасні пересувні (мобільні) твердоміри, що працюють з ультразвуковими та динамічними датчиками, зокрема, твердомір NOVOTEST T-Д2 з динамічним датчиком. Зазначений універсальний твердомір дає змогу вимірювати твердість металів і сплавів за шкалами твердості Роквелла (HRC), Бринелля (HB) і Віккерса (HV), а також поверхневого шару металу, підданого наплавленню, напиленню, механічній, термічній і іншим видам обробки. Такий контроль твердості недоступний для стаціонарних твердомірів, які під дією навантажень наче «продавлюють» поверхневий шар.

Твердомір NOVOTEST T-Д2 з динамічним датчиком дозволяє проводити експрес-аналіз твердості виробів безпосередньо на місці експлуатації або виробництва виробів в цехових, лабораторних і польових умовах, наприклад, в машинобудуванні, енергетиці, суднобудуванні, на різних видах транспорту, при виконанні та оцінці якості ремонтних робіт тощо.

Прилад включає у свій склад електронний блок і приєднаний перетворювач. Кнопки управління знаходяться на передній панелі приладу, де розташований графічний індикатор.

Перетворювач динамічного принципу дії реалізує метод відскоку (по Лібу), заснований на визначенні твердості за відношенням швидкостей удару і відскоку бойка, що знаходиться всередині перетворювача. На кінці бойка розташована твердосплавна кулька, що безпосередньо контактує з контрольованою поверхнею в момент удару. Всередині бойка знаходиться постійний магніт.

Бойок, при натискуванні спускової кнопки за допомогою попередньо зведеної пружини, викидається на поверхню, що вимірюється. При цьому бойок переміщується всередині котушки індуктивності і своїм магнітним полем індукує в ній електрорушійну силу (ЕРС). Сигнал з виходу котушки подається на вхід електронного блока, де перетворюється в значення твердості вибраної шкали і виводиться на дисплей.

Поняття про способи визначення технологічних властивостей металів

Технологічні властивості металів і сплавів характеризують їхню здатність піддаватися різним способам гарячої і холодної обробки: ковкості, литтю, зварюванню, різанню та ін. Технологічні властивості визначають за технологічними пробами, що дозволяють одержати якісну оцінку придатності металів до різних видів обробки (наприклад, глибокої штамповки-витяжки та ін.). До таких випробувань (проб) належать випробування (проби) на: ковкість, видавлювання, утворення відливок, перегин, осідання, іскру, зварюваність, обробку тиском, різанням тощо.

Ковкість — здатність металів без руйнування піддаватись обробці тиском (кування, штампування, прокатування та ін.).

Ливарність — здатність металів забезпечувати рідкотекучість при заповненні форми для виготовлення виробу ливарним способом.

Зварюваність — здатність металу давати міцні з'єднання місцевим нагріванням їх до розплавленого стану з наступним охолодженням.

Оброблюваність різанням — здатність металів піддаватись обробці різальними інструментами (точіння, фрезерування, свердління та ін.).

Як зазначалося, щоб визначити придатність металів для різних видів обробки, застосовують різні проби. Найпоширенішими є проби на: загин; подвійний замок (листовий метал); осадку (метали для заклепок); глибину витискання листів (листовий метал для штампування) та ін.

Лекція 3 Загальні відомості про металеві сплави та їх будову.

Мета: Сформувати у курсантів компетентність з питань будови сплавів, умов і способів їх одержання, переваг над чистими металами.

1. Поняття про сплави, умови їх утворення та способи одержання.

2. Переваги сплавів, як конструкційних матеріалів, перед чистими металами.

3. Будова сплавів: механічні суміші та їх характеристики.

4. Будова сплавів: тверді розчини та їх характеристики.

5. Будова сплавів: хімічні сполуки та їх характеристики.