Механические испытания, определяемые при динамическом нагружении:
Ударная вязкость. При эксплуатации различные детали часто подвергаются ударным нагрузкам, например, переезд автомобиля через выбоину на дороге, взлет и посадка самолета, обработка металлов давлением и др. Для оценки способности материалов переносить ударные нагрузки и выявления склонности к хрупкому разрушению проводят испытания на ударную вязкость. Для испытаний применяют призматические образцы с надрезами различных видов: U-образными, V-образными, Т-образными (рис. 19).
Рисунок 19 – Схема надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а) U-образный;
б) V-образный;
в) Т-образный.
Испытания проводятся на маятниковом копре. Удар наносится со стороны, противоположной надрезу. Работа, затраченная на разрушение образца, определяется по формуле (36)
(36)
где Р – вес маятника, Н и h – высоты подъема и взлета маятника. Ударная вязкость обозначается КС и равна работе, отнесенной к площади поперечного сечения образца в месте надреза. Если образец с U-образным надрезом, то к обозначению добавляют букву U (КСU), с V-образным – КСV, с Т-образным – КСТ.
Испытывая на ударную вязкость серию одинаковых образцов, изготовленных из одного материала, при постепенном снижении температуры от комнатной до отрицательной по шкале Цельсия, выявляют хладостойкость материала. Температура, при которой происходит определенное падение ударной вязкости, называется критической температурой хрупкости.
Испытания на усталость. Под действием циклических напряжений в металлах и сплавах зарождаются и постепенно развиваются трещины, вызывающие разрушение детали. Это разрушение опасно тем, что протекает при напряжениях, намного меньших пределов прочности и текучести материалов.
Процесс постепенного накопления повреждений в материале под действием циклического нагружения называют усталостью, а свойство противостоять усталости – выносливостью.
Во время испытаний на образец действуют циклические напряжения, непрерывно изменяющиеся по величине и часто по знаку. Цикл напряжений – это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Сопротивление усталости называют пределом выносливости, под которым понимают максимальное значение напряжения, которое не вызывает разрушения образца при любом числе циклов.
Технологические свойства. Они описывают способность материалов подвергаться различным методам горячей и холодной обработки с целью изготовления из них заготовок, деталей, конструкций.
К технологическим свойствам относят литейные свойства, деформируемость, свариваемость, паяемость, обрабатываемость резанием; для порошкообразных материалов, применяемых в порошковой металлургии – прессуемость и спекаемость порошков.
Литейные свойства. Они позволяют получить заготовку или деталь методами литейного производства, в основе которого лежит способность жидкого сплава заполнять заранее изготовленную литейную форму, кристаллизоваться в ней и образовывать отливку.
Деформируемость. Это способность материала к необратимой пластической деформации, т.е способность принимать необходимую форму и размеры в результате пластического деформирования материала при наименьшей внешней нагрузке.
Свариваемость. Она обеспечивает возможность материалов подвергаться сварке и характеризует способность материалов образовывать неразъемное сварное соединение.
Паяемость. Это способность материала подвергаться пайке и образовывать неразъемные паяные соединения посредством промежуточного материала – припоя, имеющего температуру плавления значительно более низкую, чем у соединяемых материалов.
Обрабатываемость резанием. Основана на способности материала к стружкообразованию посредством режущего инструмента.
Прессуемость. Способность порошков уплотняться в прессформе под действием внешнего давления и формоваться в изделие, называемое прессовкой.
Спекаемость. – способность прессовок при нагреве повышать прочность и твердость.
Эксплуатационные или служебные свойства. Эти свойства относят к готовой детали. Они обеспечивают надежную работу узлов и машин, собранных из этих деталей.
Надежность. Это свойство готовой детали в процессе ее эксплуатации сохранять свои свойства в заданных пределах в течение определенного срока службы. Надежность определяет срок службы готовой продукции.
Жаропрочность. Способность сохранять механические свойства при высокой температуре. Этим свойством должны обладать материалы деталей двигателей автомобилей.
Теплостойкость. Теплостойкость – способность сохранять высокую твердость и режущие свойства при высоких температурах. Это свойство является важным для всех металлообрабатывающих инструментов.
Антифрикционные свойства. Антифрикционные свойства – способность трущихся пар работать в условиях малого коэффициента трения. Этим свойством обладают сплавы, предназначенные для изготовления деталей подшипника: шарикоподшипниковые стали, антифрикционные цветные сплавы, пластмассы и др.
Фрикционные свойства. Фрикционные свойства – способность трущихся пар работать в условиях большого коэффициента трения. Такие материалы идут на изготовление дисков сцепления, тормозных колодок, барабанов. Этими свойствами обладают некоторые чугуны, пластмассы и др.
Черные металлы и сплавы
К черным металлам и сплавам относится железо и сплавы на его основе. Чистое железо практически не применяется в строительстве. Основными конструкционными материалами для строительства являются железные сплавы. Наиболее распространенными из них являются чугун и сталь.
Чугун – сплав железа с углеродом (от 2 до 6,67%), содержащий примеси кремния, марганца, фосфора, серы и др. Он является как конструкционным материалом, так и промежуточным продуктом при производстве стали. По составу и применению чугуны подразделяются на передельные (белые), литейные (серые), специальные (ферросплавы).
Белые чугуны имеют ограниченное применение, так как они очень твердые и плохо поддаются обработке. Серые чугуны обладают пластинчатой формой графита, что дает неплохую прочность при сжатии, но очень низкую пластичность. Высокопрочные чугуны характеризуются шаровидным строением графитовых включений и обладают повышенной прочностью. Ковкие чугуны обладают хлопьевидным строением графита и занимают промежуточное значение между серыми и высокопрочными чугунами по свойствам.
Белые чугуны маркировки не имеют, а остальные чугуны маркируются следующим образом. Первые буквы означают тип чугуна: СЧ – серый чугун, ВЧ – высокопрочные чугун, КЧ – ковкий чугун. За буквами следуют одна или две цифры, характеризующие механические свойства чугуна (первая - значение сопротивления при растяжении в кгс/мм2, вторая – минимальное относительное удлинение в %).
Сталь – ковкий сплав железа с углеродом (до 2,14 %). От хрупкого чугуна она отличается пластичностью и упругостью. По химическому составу стали делят на углеродистые и легированные. В состав углеродистых сталей входят марганец и кремний. Легированные стали обычно называют по преобладающему в ней легирующему элементу – вольфрамовая, хромовая, молибденовая и т.д. По назначению стали делят на конструкционные (машиностроительные), инструментальные и стали с особыми свойствами (нержавеющие, кислотостойкие, жаропрочные и др.).
Стали углеродистые обыкновенного качества выплавляются 3 групп: А, Б, В. Стали группы А поставляются только по механическим свойствам. Маркируются двумя буквами “ст” и числом из одной цифры: ст 0, ст 1,…ст 6. Эти стали используют для неответственных деталей, получаемых холодной обработкой (резанием, холодной штамповкой) т.к. они имеют высокую деформируемость и обрабатываемость резанием.
стали группы Б поставляются по химическому составу. Они маркируются следующим образом: Б ст 1, Б ст 2, Б ст 3 …Б ст 6. Используют эти стали для неответственых деталей, изготовляемых методами горячей обработки давлением. Обладают хорошей деформируемостью и обрабатываемостью резанием.
стали группы В поставляют на заводы с указанием и механических свойств и химического состава. Они маркируются следующим образом: В ст 1, В ст 2, В ст 3 …В ст 6.Они идут на изготовление мало- и средненагруженных деталей, изготавливаемых сваркой, обработкой давлением, резанием. Обладают хорошей деформируемостью, свариваемостью, обрабатываемостью резанием.
Конструкционные углеродистые стали качественные применяют для ответственных деталей машиностроения. Маркируется словом “сталь” и двухзначным числом, указывающим содержание углерода в сотых долях процента: сталь 08, сталь 10, сталь 45, сталь 65. В этих марках содержание углерода соответственно: 0,08%, 0,1%, 0,45%, 0,65%. С увеличением содержания углерода в таких сталях прочность и твердость возрастают, а пластичность и ударная вязкость снижаются. Малоуглеродистые стали используют для металлических строительных конструкций и арматуры железобетонных конструкций.
Углеродистые инструментальные стали по качеству могут быть качественными и высококачественными. Качественные маркируются буквой У и числом, указывающими содержание углерода в десятых долях процента. Например, У7, У8, У10, У11, У12, У13. (содержание углерода от 0,7 до1,3%). Стали с большим содержанием очень твердые и хрупкие и их применение нецелесообразно.
Углеродистые инструментальные стали высококачественные в конце марки имеют букву А : У7А, У8А, У13А.
Легированные стали – это сплавы железа с углеродом и легирующими элементами. Легирующие элементы оказывают разностороннее влияние на свойства стали. Хром повышает твердость, никель – прочность и пластичность, вольфрам – твердость, ванадий - прочность, сопротивление истиранию.
В нашей стране принята следующая маркировка легированных сталей. В начале марки приводится двухзначная цифра, указывающая среднее содержание углерода в сотых долях процента. Далее следуют заглавные буквы русского алфавита, обозначающие легирующие элементы: А- азот, Б – ниобий, В – вольфрам, Г – марганец, Д – медь, Е – селен, К – кобальт, М- молибден, Н –никель, П – фосфор, Р- бор, С – кремний, Т – титан, Ф – ванадий, Х –хром, Ц – цирконий, Ю- алюминий. Цифры, стоящие после букв, указывают примерное содержание легирующих элементов в процентах. Если цифра после буквы не указана, то количество данного элемента составляет менее 1,5%. Например, легированная сталь марки 12ХН2 содержит 0,12% углерода, менее 1,5% хрома и 2% никеля.
У некоторых легированных сталей в конце может стоять буква А (высококачественная) или Ш (особовысококачественная).
Для производства строительных конструкций используют низколегированные стали.
Цветные металлы и сплавы
В чистом виде цветные металлы в строительстве применяются редко, чаще в виде сплавов. Большое распространение получили медные и алюминиевые сплавы.
Медные сплавы. К медным сплавам относятся латуни и бронзы.
Латунь – это сплав меди с цинком, маркируется буквой Л и числом, указывающим содержание меди, а цинк – остальное. Например, Л 96, Л 68. Латуни обладают хорошей теплопроводностью, электропроводностью, коррозионной стойкостью. С целью улучшения физико-механических свойств их легируют другими элементами – оловом, марганцем, никелем, алюминием. После буквы Л добавляются буквы, указывающие названия легирующих элементов: С – свинец, О – олово, Ж – железо, А – алюминий, К – кремний, Мц - марганец, Н- никель. Цифры, стоящие после букв, показывают содержание легирующих элементов. Из латуней изготавливаются трубы и другие санитарно-технические изделия, проволока и др.
Бронзы – сплавы меди с оловом, марганцем, алюминием и другими элементами. Бронза маркируется буквами Бр, а далее следуют буквы и цифры, показывающие содержание легирующих элементов. Содержание меди определяется по разности между 100% и общим процентным содержанием остальных элементов. Например, бронза марки БрОЦС 8-4-3 содержит 8% олова, 4% цинка, 3% свинца и 85 % меди. Различают бронзы оловянистую (устойчива против действия атмосферы, морской воды, растворов солей и кислот), алюминиевую (очень прочна, химически стойкая, обладает антифрикционными свойствами., кремнистую (хорошо работает в условиях трения и высокой температуры) и бериллиевую (искробезопасная). В строительстве бронзы чаще всего используют для изготовления оконной и дверной фурнитуры, декоративных деталей и др.
Алюминиевые сплавы. Достаточно широко в строительстве применяется алюминий и сплавы на его основе. Применение алюминия и его сплавов наиболее эффективно при возведении легких конструкций зданий и сооружений, конструкций, подверженных действию агрессивной внешней среды, а также конструкций, к внешнему виду которых предъявляются повышенные требования – элементы выставочных павильонов, рамы и переплеты окон. Предел прочности чистого алюминия ~`10МПа, а некоторых сплавов до 60 МПа, причем алюминий легче стали почти в три раза. На воздухе поверхность алюминия быстро теряет металлический блеск, покрываясь тонкой и прочной защитной пленкой, состоящей из оксида алюминия., которая предохраняет его от дальнейшего окисления и обладает хорошей коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах.
К основным сплавам на основе алюминия относят силумины (сплавы алюминия с кремнием) и сплавы алюминия с небольшим количеством меди (до 4%) и магния (до 1%), называемые дюралюминами или дюралями. Силумины маркируются АЛ1, АЛ2, АЛ3. А – алюминиевый сплав, Л – литейный, число указывает порядковый номер в ГОСТе. Они используются для изготовления цилиндров, ступиц колес и др. деталей.
Дюрали маркируются буквой Д и числом, обозначающим порядковый номер в ГОСТе. Например, Д16, Д20 , из которых изготовляют легкие конструкции, элементы обшивки кузовов машин и механизмов и т.д.
Алюминиевые сплавы при низких температурах сохраняют свои основные механические свойства.