Тема 3. Механические свойства и классификация металлов и сплавов.

3.1. Технические требования и характеристики конструкционных металлов и сплавов.

Механические свойства металлов и сплавов выделены из физических свойств в отдельную группу, так как определяют работоспособность металлических изделий. Основными механическими свойствами являются: прочность, пластичность, твердость (3 из 9). Сравнительные ряды свойств – в таблицах 3.1-3.4.

Каждое из них имеет свои виды, критерии оценок, единицы измерения.

Прочность (Пр) – свойство воспринимать воздействие, не разрушаясь. Испытания – на растяжение. Виды прочности: теоретическая >техническая> констр-я >динамическая> длительная. Критерии оценки Пр: предел пропорциональности (упругая деформация), предел текучести (пластическая деформация), предел ползучести, предел прочности (на разрыв). Единицы измерения Пр: - максимальное удельное усиление до разрыва >σ< временное сопротивление на разрыв.

Предел прочности технической { Усиление кГ } = 0,1 от теоре-

Линейная плотн. мм²

тической (МКГС).

Удельная прочность проволок { Усиление Н } =Н М (СИ) (устар)

Линейная плотн. кг/м кг

Разрывная длина Lр [Усиление ] (в 1 км или м) (внесистемная единица)

Линейная плотн.

соответствует прочности в 10кНм/кг = 10 мН/текс, где текс – линейная плотность материала – отношение массы к длине 1 г/км = 1 млг/м. 1 текс характеризует толщину однородных материалов. Разрывная длина определяется как наибольшая длина свободно подвешенной за один конец нити, при которой она еще не разрывается под действием собственного веса.

Сравнительный ряд по Пр для сплавов (средняя, в кг/мм²). Таблица 3.1.

Техническое железо, бронза оловянистая	Чугун серый, латунь однор., сплавы Mg	Чугун высококач., сталь малоуглер., бронза алюм., латунь двухф.	Сталь средней твердости	Титановые сплавы, сталь твердая после закалки и отпуска
20	30	40	70	140

Пластичность (Пл)– свойтсво необратимо деформироваться под действием механических нагрузок (обратная хрупкости). Испытание материала на растяжение.

Виды Пл: удлинение при растяжении, отсутствие разрывов при скоростном нагружении и скачках температуры .

Единицы измерения Пл: % удлинения при длине L= 5диаметрамdпосле разрыва (кратность 5 и δ5 ).

Сравнительный ряд по пластичности. Таблица 3.2.

Сплавы	Пл (%)	Назначение
Чугун серый	до 0,25	Отливки фасонные
Сплавы AlсSi, сплавыTicцветными металлами	0,5 : 3	Детали в судо- и авиастроении
Чугун высококачествен-ный, бронза, сталь твер-дая	3 : 10	Отливки ответственные, инстру-мент, детали, работающие на исти-рание
Сталь, сплавы магния	10 : 15	Рельсы, детали авиастроения
Сталь малоуглеродистая	11 : 28	Трубы, котлы
Латунь	30 : 60	Детали, изготовленные горячей штамповкой

Твердость (Тв)– сопротивление материала местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела (идентора).

Виды Тв: Тв по Бринелю (швед. ученый); Тв по Роквеллу (амер. металлург) (статические испытания); Тв по «Виккерсу» (англ. Концерн VickersLimited).

Критерии оценки Тв: - по размерам оставшегося на поверхности отпечатку

(сечения или площади поверхности) идентора;

- по эталонному материалу, оставившему царапину на

поверхности

Ед. измерения Тв: число твердости, балл твердости.

Число Тв по Бриналю [HB] – отношение кг/мм² нагрузки Р к площади поверхностиS. Стальной закаленный шарик ø2,5мм =D(5 или 10 мм) вдавливается в испытуемую поверхность при заданной нагрузке (от 62,5 кг до 3 тонн). Стационарные твердомеры с плавным приложением нагрузки и постоянством ее в течение 30 сек.

Для твердых материалов НВ 130 P/D²=30

Для мягких материалов НВ 130:30 P/D²=10

НВ= P/M= 2Рn/(ПD[D-√(D² -d²)])

ЧислоTв. по РоквеллуHRCв условных единицах по одной (С) из 3-х шкал А,В и С. Алмазный конус с углом при вершине 120º или стальной шарикD= 1,588 мм вдавливается в поверхность. Р от 98 кг до 1500 кг. За условную единицу принята величина, соответствующая осевому перемещению наконечника на 0,002мм стационарного твердомера.

Число TbпоVickensLimHV– отношение нагрузки Р (кг) на наконечник (пирамида) к площадиSпирамидальной поверхности отпечатка [мм²]. Р от 5кг до 1000кг при разной твердости и толщине материала. ПримерHV= 650

Балл твердости – по минералгической шкале твердости Мооса. Шкала Мооса – набор стандартных минералов для определения относительной твердости определенного минерала методом царапания. Эталоны – 10 минералов в порядке возрастания твердости:

Тальк	гипс	кальций	флюорит	аппатит	ортоклаз	кварц	топаз	корунд	Алмаз
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10

Точность оценки по шкале Мооса 0,5 балла

Твердость для стального ножа 5,5 – 6баллов

медной иглы 3 балла

ногтя 1 ÷ 1,5 балла

Сравнительный ряд конструкционных сплавов по твердости. Таблица 3.3.

Сплавы	Tв.по Бринелю НВ	Применение
латунь	< 60	Детали горячей штамповки
Техническое железо бронза	70 ÷ 120	Мембраны
Чугун Сталь среднеуглеродист.	150 ÷ 250	Валы, рельсы Отв. Отливки
Сталь твердая после закалки и отпуска	500 ÷ 600	Инструмент ударный и режущий

Для неметаллов твердость оценивается способом Шора: по высоте отскакивания легкого бойка, падающего на испытуемый материал с определенной высоты. [ Метод Шора, 1906г., США]

Существует множество других характеристик, используемых конструкторами-механиками при расчетах проектируемых изделий и контроле готовых деталей и механизмов. Сводные таблицы технических характеристик металлов и сплавов – ниболее «читаемые» специалистами – страницы справочника.

Для неспециалистов-пользователей достаточно таблицы Т 3.4.

Механические свойства материалов. Металлы и сплавы. Таблица 3.4.

Наименование	Предел прочности при растяжении кг/мм²	Удлинение L= 5d в %	Твердость по Бринелю HВ	Примерное назначение
FeТехническое железо	23	30	90	Мембраны
FeF3CЧугун серый	12-38	До 0,25	143 - 220	Отливки фасонные
F÷CСталь малоулеродистая	32-70	11-28	100 – 130	Трубы, котлы
До 1 % Сталь среднеуглеродистая	50 - 70	12 - 16	170 - 200	Валы, рельсы
Сталь твердая после отпуска и закалки	110 - 140	6 -9	500 - 600	Инструмент ударный и режущий
CuМедь красная МО			Не твердая	Проводящие шины, лучшие механические свойства проводов
Cu+ZnЛатунь	25 - 35	30 - 60	42 - 60	Гильзы, штампован. Детали
Cu+SnБронза	15 - 50	3 - 10	70 - 120	Детали, работающие на истирание, антикорр.