книги из ГПНТБ / Лачинов, Н. В. Клепка и чеканка стальных конструкций учеб. пособие

Для правильного выбора металла или сплава надо не только исследовать их свойства, но еще и знать усло­ вия, при которых эти свойства изменяются.

Исследования позволили установить, что изменения свойств металлов и сплавов происходят в результате из­ менения их внутреннего строения или, как говорят, в ре­ зультате изменения структуры.

Свойства металлов разделяются на четыре группы: физические, химические, механические, технологические.

Ф и з и ч е с к и е с в о й с т в а м е т а л л о в

К физическим свойствам металлов относятся: цвет (блеск), плотность, плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, способность намагничиваться.

Перечисленные свойства называются физическими, потому что они обнаруживаются в явлениях, не сопро­ вождающихся изменением химического состава вещест­ ва; металлы остаются неизменными по составу при на­ гревании, прохождении через них тока или тепла, при их намагничивании и плавлении.

Цв е т . Металлы непрозрачны. Даже тонкие листоч­ ки металлов не пропускают световых лучей. Однако ме­ таллы имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов отличается своим особым оттенком этого блеска, или, как говорят, цветом. Медь имеет крас­ ный цвет, олово — блестяще-белый, цинк — серый и т. д.

металла расплавляться, т. е. при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое; характеризуется тем­ пературой плавления. В литейном деле, когда произво­ дится расплавление металла и заполнение им специаль­ ных форм, а также во время паяния, плавления и нагре­ вания металлических деталей qt трения необходимо знать температуру плавления этих металлов. Без знания температуры плавления нельзя успешно вести названные и многие другие работы, сопровождающиеся нагревом металла.

Т е п л о в о е р а с ш и р е н и е . Все металлы при на­ гревании расширяются, т. е. увеличивают свои размеры.

10

Способность металлов расширяться при нагревании ха­ рактеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения — степенью увеличения первоначальной дли­ ны (объема) при изменении температуры на 1°С.

В строительстве учитывается изменение при различ­ ной температуре длины мостовых ферм, рельсов и пр.; при горячей ^овке учитывается уменьшение заготовки при охлаждении (чтобы она не оказалась меньше тре­ буемых размеров); при точных измерениях учитывается, что показания измерительных приборов при разной тем­ пературе окружающей среды не являются одинаковыми, и т. д.

Величина теплового расширения у различных метал­ лов неодинакова.

Т е п л о п р о в о д н о с т ь . Теплопроводностью назы­ вается свойство металлов проводить тепло при нагрева­ нии (охлаждении); это свойство характеризуется интен­ сивностью перехода тепла от одной частицы тела к дру­ гой, т. е. коэффициентом теплопроводности — количест­ вом теплоты, проходящим за 1 с через площадку в 1 см2 при разности температур 1° С на 1 см, и выражается в кал/см • с-град.

Э л е к т р о п р о в о д н о с т ь и э л е к т р о с о п р о ­ т и в л е н и е — способность металлов хорошо проводить электрический ток или, наоборот, противодействовать прохождению тока. Электросопротивление характери­ зуется удельным сопротивлением, т. е. сопротивлением проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 м. Электропровод­

намагничиваться или притягиваться магнитом называет­ ся магнитностью. Наиболее заметно магнитные свойства выражены у железа, никеля, кобальта и их сплавов, называемых ферромагнитными сплавами. Особенно вы­ сокими магнитными свойствами отличаются некоторые стали. Из таких сталей изготовляют элементы трансфор­ маторов, электромагниты и детали электрических ма­ шин.

Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а м е т а л л о в

Химические явления, в отличие от физических, сопро- /вождаются всегда изменением вещества. В повседнев­ ной жизни химические свойства меди проявляются ее

11

способностью поглощать кислород воздуха и покрывать­ ся зеленым слоем окиси. Железо, поглощая влагу, ржа­ веет, а свинец на открытом воздухе тускнеет, так как его поверхность окисляется. Эти явления химических соеди­ нений поверхностного слоя металла с кислородом, вла­ гой и др. называются к о р р о з и е й.

Знание химических свойств металлов и сплавов поз­

граммах, действующую на образец (растягивающую его), разделить на площадь поперечного сечення образца в квадратных миллиметрах, то получим нагрузку, прихо­ дящуюся на единицу площади — на один квадратный миллиметр (на 1 мм2); такая нагрузка называется на­ пряжением растяжения и измеряется в кГ/мм2.

Отношение наибольшей нагрузки Р, предшествующей разрыву образца, к площади первоначального попереч­

Р — кГ; Р 0— мм2; ов — кГ/мм2.

12

Твердость является одним из важнейших механичес­ ких свойств металлов. От степени твердости зависит возможность использования металла для изготовления, различных деталей или инструментов. Твердость также влияет на обрабатываемость металла: чем тверже ме­ талл, тем больше усилий требуется для его обработки.

Испытание на твердость производятся вдавливанием в тело испытуемого образца шарика из твердой стали, вершины алмазного конуса или острия алмазной пира­ миды.

Если при этих способах испытания вдавливание про­ изводить одним и тем же усилием, то о твердости метал­ лов можно судить по величине поверхности отпечатка, оставляемого шариком на металле, или по глубине по­ гружения в металл алмазного острия.

У п р у г о с т ь — способность металла восстанавли­ вать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы (деформацию).

При растяжении на разрывной машине образца ме­ талла наблюдаются три этапа поведения его под на­ грузкой.

Первый этап — сначала образец удлиняется пропор­ ционально нагрузке, т. е. при определенной нагрузке образец увеличивается на определенную длину; если увеличить нагрузку вдвое, то и удлинение образца уве­ личится в два раза. Если растяжение прекратить, то образец примет прежнюю длину, т. е. под нагрузкой он

чальной длины.

Деформации, проявляющиеся под нагрузкой и исче­ зающие полностью после ее снятия, называются упруги­ ми. Этим характеризуется первый этап поведения образца.

Упругие деформации низкоуглеродистых сталей про­ являются при напряжениях до 18—20 кГ/мм2.

Второй этап поведения образца характеризуется тем, что при некоторой определенной нагрузке образец вдруг

13

начинает увеличиваться в длине, несмотря на to, что на­ грузка не возрастает.

■Такое явление для гшзкоуглеродистых сталей наблю­ дается, когда напряжение достигнет 19—21 кГ/мм2; в это время образец начинает удлиняться при постоянной на­ грузке, как говорят, он «течет». Удлинение без увеличе­ ния нагрузки продолжается до того, как прирост длины достигнет 3—3,5%. Далее образец не изменяет своей длины, если не увеличивать нагрузку. Если же нагрузку снять полностью, то удлинение образца не исчезнет и он не примет свою исходную длину, как это было в иачаль-

• ном этапе испытания; оставшееся удлинение 3—3,5% на­

19—21 кГ/мм2), называют началом текучести или, как принято, пределом текучести. Это напряжение прини­ мается в расчет при изготовлении всех изделий с тем, чтобы не допустить в конструкции остаточных деформа­ ций, которые нарушат их нормальную работу.

Третий этап поведения образца под нагрузкой харак­ теризуется тем, что удлинившись пластически, он, при дальнейшем увеличении нагрузки, будет давать прирост длины не пропорционально, как это было в первом этапе, а значительно больше: например, при увеличении нагруз­ ки на 10% удлинение увеличится на 15 или 20%.

В дальнейшем образец будет уменьшаться в диамет­ ре в одном каком-либо месте (рис. 2,6), т. е. на нем бу­ дет появляться шейка, а затем в этом месте произойдет разрыв образца. Для низкоуглеродистых сталей разрыв происходит, когда напряжение достигнет 38—47 кГ/мм2; это напряжение, как указывалось выше, называется пре­

эти измененные (деформированные) размеры после сня­ тия нагрузки.

Пластичность весьма важное свойство, так как позво­ ляет металлу выдерживать, не разрушаясь, случайные перегрузки конструкций и без особых затруднений об­ наружить следы таких перегрузок в виде остаточных

14

П р о б а на о б р а б а т ы в а е м о с т ь производит­ ся сверлением. Чем глубже проникнет сверло в металл при одинаковых условиях испытаний (диаметр сверла, нагрузка, скорость сверления и продолжительность оди­ наковые), тем лучше обрабатываемость металла. Такое испытание показывает, что серый чугун обрабатывается

сплава пластически деформироваться, т. е. изменять свою форму под действием давления или ударов и сохранять эту измененную форму, не разрушаясь и не теряя своих первоначальных механических свойств.

Чем меньше сплав содержит углерода и легирующих элементов, тем лучше куется.

С в а р и в а е м о с т ь различных металлов и сплавов не одинакова и зависит от химического состава, тепло­ проводности, величины усадки, коэффициента расшире­ ния. Чем меньше углерода в сплаве, тем легче он свари­ вается.

на загиб или на растяжение и сравнивается по прочности с цельным, несваренным образцом из того же металла.

стоянии. Образец устанавливают на две опоры и посре­ дине к нему прилагают усилие при помощи пресса и оправки с целью определения способности образца при­ нимать загиб до определенного угла, до параллельности сторон или до совпадения сторон без надрывов и трещин.

Существуют специальные пробы для труб: на бортование, загиб, раздачу.

Вопросы для повторения

1.Что такое свойство металлов, как оно проявляется?

2.Какие известны свойства металлов?

3.Перечислите физические свойства металлов, расскажите, ка­ кое они имеют практическое значение.

4.В чем проявляются химические свойства металлов и приносят ли эти свойства пользу?

5..Какие известны механические свойства металлов и для чего нужно их знать?

6. Что такое прочность, как ее определить?

18

7. Какова роль удлинения металлов, как определяется удлинение, для каких практических целен нужно знание способности удли­ няться?

8.Что такое предел текучести металла и что дает знание этой величины?

9.Какая разница между упругой и пластической деформациями?

10.Что такое ударная вязкость металла?

11.Что такое технологические свойства металла?

12.Каково влияние углерода в составе сплава на технологические свойства?

§3. Поведение стали при ударной обработке

Впроцессе изготовления стальных строительных и котельных конструкций приходится осаживать и раскле­ пывать металл в холодном или в горячем состоянии.

Поэтому необходимо знать поведение стали при ударной обработке в области различных температур.

Исследования и опыты показывают, что холодное осаживание и расклепывание ударами хорошо перено­ сят, т. е. ие разрушаются и не теряют прочности, стали с высокой прочностью, например сталь 10 кп (Ст2 и 20кп*), из которой изготовляют заклепки для стальных конструкций и котельных изделий. Относительное удли­ нение стали Ст2 составляет 26%. Еще большую пластич­ ность имеют алюминиевые заклепки (40%) или заклеп­ ки из специальных металлов и сплавов; такие заклепки применяют в самолетостроении и приборостроении.

Фосфор способствует хрупкости стали в холодном состоянии, поэтому в заклепочной стали присутствие фосфора ограничивают величиной не более 0,05%.

С повышением температуры стали ее пластичность повышается. Именно поэтому операции ковки, прокатки, штамповки, клепки стремятся выполнять в горячем со­ стоянии.

При этом нужно отметить следующее.. Углеродистая заклепочная сталь в интервале температур 200—300°С снижает свои пластичность и вязкость и при обработке давлением или ударами в ней возникают трещины; это явление принято называть синеломкостью, так как при температуре 295°С чисто обработанная поверхность стали приобретает синий цвет и сталь становится хруп­ кой (ломкой).

* ГОСТ 10304—70 * на заклептнр^маушншйj ^ hhocth общего на-

значения.

' 11V'■ г.-.блячная-

НО у-1НО-ГЧ-JX!!Я Че Од. я

биОяиствма С ( С Р

Дальнейшее повышение температуры низкоуглеро­ дистой стали до 500—600° С вызывает снижение ударной вязкости, а если содержание серы в ней превышает 0,05%, то металл будет хрупким и может не выдержать обработки давлением пли ударами.

тервале этих температур создаются наиболее благопри­ ятные условия для обработки стали давлением и уда­ рами.

Нагрев выше температуры 1150° С является опасным для стали, так как становится возможным ее пережог, при котором прочность и пластичность остывшего метал­ ла резко снижаются и он становится непригодным.

В области температур 600—1100°С низкоуглеродпстая сталь удовлетворительно переносит пластические деформации, не требует особо сильных ударов пли боль­ ших усилий давления и при этом в процессе обработки ударами или давлением в металле не возникают дефек­ ты; по окончании обработки прочность и пластичность остывшей стали не снижаются и остаются на уровне ис­ ходных.

Таким образом, из условий прочности заклепок из иизкоуглеродпстой стали горячую клепку необходимо выполнять в интервале 1100—600° С, не допуская нагре­ ва заклепок выше температуры 1100° С, чтобы не пере­ жечь металл, и заканчивая процесс клепки при темпе­ ратуре не ниже 600° С.

Вопросы для повторения

1. Какие марки сталей хорошо переносят холодное осаживание и расклепывание, т. е. пригодны для заклепок?

2.Что такое синеломкость, как она проявляется и при каких ус­ ловиях?

3.Какой интервал температур является оптимальным для удар­ ной обработки низкоуглеродистой стали?

4.Какое влияние оказывают фосфор и сера на сталь?

§ 4. Наклеп

Пластинка из мягкой иизкоуглеродпстой стали обыч­ но имеет высокую пластичность и ее не удается перело­ мить при нескольких загибах в противоположные стороны. Но если эту мягкую стальную пластинку по­ ложить на наковальню и обстучать молотком по поверх-

18

сталь после остукивания молотком изменилась п стала хрупкой. Что же произошло?

Дело в том, что металлы с-остоят из мельчайших час­ тиц, нормально занимающих строго определенное поло­ жение по отношению друг к другу, т. е. имеющих в нор­ мальном состоянии, строго определенное внутреннее строение; между собой частицы связаны силами внутрен­ него сцепления; при сильном остукиванип молотком ка­ кого-либо места пластинки происходит внутреннее смещение частиц на этом участке, т. е. искажается внут­ реннее строение; при этом внутренняя связь между частицами становится напряженной; такое состояние на­ зывается состоянием н а к л е п а .

После остукивания пластинки этот участок находится в состоянии наклепа или, как принято говорить, получил наклеп, в результате чего твердость его увеличилась, а пластичность снизилась или, как говорят, материал на этом участке упрочнился.

При очень сильном наклепе искажение внутреннего строения металла может оказаться столь значительным, что нарушится внутренняя связь между частицами ме­ талла, в нем появятся мельчайшие трещинки и он ока­ жется негодным к применению. Именно поэтому опера­ ции холодной правки, осаживания, расклепывания металла должны производиться осторожными и умерен­ ными по силе ударами, по разным местам, чтобы не вы­ зывать чрезмерный наклеп.

Наклеп появляется не только после ударов, но и при сильном давлении; например, в процессе прокатки на вальцах холодные или недостаточно нагретые стальные листы также теряют пластичность. Холодная клепка давлением на машинах, пробивка отверстий, резка нож­ ницами также сопровождаются наклепом.

Наклепа не получится, если металл обрабатывать давлением в нагретом выше определенной температуры состоянии; для низкоуглеродистой стали такая темпера­ тура составляет около 860° С. Полученный наклеп можно устранить нагреванием выше определенной температуры (для низкоуглеродистой стали выше 860° С), выдержкой при этой температуре и последующим медленным ох­ лаждением металла; в результате сталь восстанавливает свое первоначальное строение и первоначальные свойст­

19