Свойства металлов и сплавов

При выборе материала для конст­рукции исходят из комплекса свойств, которые подразделяют на механичес­кие, физико-химические, технологичес­кие и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят

• твердость

• про­чность (предел прочности _в, предел текучести_т, выносливость, ползучесть)

• пластичность (относительное удлинение и относительное сужение)

• ударную вяз­кость а_н

• порог хладноломкости

Специальные свойства: износостойкость, кислотостойкость, жаропрочность.

Деформация– это изменение формы и размеров тела под влиянием воздействия внешних сил или в резуль­тате процессов, возникающих в самом теле (например, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упругая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация перехо­дит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит раз­рушение тела.

Твердость– это способность мате­риала препятствовать пластической деформации при внедрении в него более твердого тела.

Для определения твердости есть 3 метода:

• метод Бринелля НВ

• метод Роквелла НР

• метод Викерса НV

Метод Бринелля. Сущность метода заключается в вдавливании в испытываемую поверхность стального закаленного шарика при строго определенной нагрузке, а затем по размеру оставляемого отпечатка судят по величине твердости.

Рис. 4. Схема измерения твердости по Бри­неллю: D - диаметр шарика; d - диаметр отпечатка; h - глубина отпечатка

Размер шарика: 10 мм, 5 мм, 2,5 мм. Прибор имеет марку ТШ-2М.

Выбор размера шарика производится в зависимости от размера испытываемой площадки на изделии. При чем ее размер должен быть больше 3Dшарика. На практике рекомендуют выбирать максимальный размер шарика. Нагрузка, с которой шарик вдавливается в испытываемую поверхность, может быть от 6,5 кг до 3000 кг. Выбор ее зависит от свойств материала, а именно для изделий из чугуна должна бытьР=30D², для цветных сплавовР=10D², для мягких материалов (свинец, олово)Р=1D².

О величине твердости судят по величине оставленного отпечатка, который замеряют с помощью микроскопа с точностью до 0,05 мм. Твердость определяют по формуле:

где Р – нагрузка.

Недостаток метода:

1. невозможность определять твердость у твердых и сверхтвердых материалов, т.к. способ предназначен для материалов, у которых твердость 450 единиц, т.к. шарик имеет твердость порядка 500 единиц.

2. Невозможно определить твердость у тонколистового материала

3. Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий.

Метод Роквелла. Сущность метода заключается во внедрении в испытываемую поверхность специального индентора, и по глубине его вдавливания судят о величине твердости. Инденторы: 1. алмазный наконечник; 2. стальной шарикD=1,58 мм. Определение твердости производят на приборе ТК-2М. Значение твердости определяется по шкале прибора.

HRA, шкала А – алмаз, который вдавливается с Р=60 кг.

HRB, шкала В – шарик, Р=100 кг.

HRC, шкала С – алмаз, Р=150 кг.

Метод предназначен для определения твердости изделий в упрочненном состоянии, а также для изделий, имеющих небольшие геометрические размеры.

Недостатки: 1) Нельзя определить твердость у крупногабаритных изделий. 2) Невозможно определить твердость мелких частиц (песок, включения).

Метод Викерса. Этим методом можно определить твердость крупногабаритных изделий (макротвердость), а также различных включений и структурных составляющих металлов и сплавов (микротвердость). В конструкцию прибора входят оптическая и механическая системы. Для определения твердости в испытываемую поверхность вдавливается алмазная пирамида с углом при вершине 136. После снятия нагрузки на испытательной площадке остается отпечаток в виде ромба. При помощи оптической системы определяют размер диагоналей ромба и определят твердость по формуле:

где d– размер диагоналей.

Нагрузка: при определении макротвердости от 0,5 до 10 кг; при определении микротвердости от 5 до 500 гр.

HV1100 – твердость песчинок.

Испытание материалов на растяжение

При этом виде испытаний определяют прочностные и пластические свойства материалов.

Прочность– это способность тве­рдого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием ста­тических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью спе­циальных механических испытаний об­разцов, изготовленных из исследуемого материала строго определенных размеров и формы. Испытания проводят в соответствии со стандартной методикой в соответствии с ГОСТ 1497-61.

Рис.5 Плоский образец для испытания на прочность и пластичность при растяже­нии: l₀ – исходная длина образца до ис­пытания; l – длина образца после испытания

В процессе испытания проводится запись кривой растяжения в координатах: усилие растяжения – удлинение. Для большинства материалов изобразим характерный вид этой зависимости.

;,

где F₀– площадь поперечного сечения.

Пластичность— это способность материала получать остаточное измене­ние формы и размера без разрушения.

Для определения пластических свойств материалов в расчетах используют результаты полученные после завершения испытания (геометрические размеры испытанного образца)

;

(%), (%) – относятся к пластическим характеристикам и определение их значений является обязательным для металлов и сплавов используемых при изготовлении изделий холодным пластическим способом (холодная штамповка, холодное выдавливание). В нормативно-технической документации, а также в сертификатах на поставляемую продукции всегда указываются эти показатели.

Испытания на ударную вязкость (а_Н либо КСU, KCV, KCA)

Этот вид испытания позволяет установить минимально допустимую рабочую температуру материала. Испытания проводят стандартных образцах по методике в соответствии с ГОСТ 9454-61. Форма и размеры образца для испытания:

Испытания - разрушение уда­ром стандартного образца на копре. Падающий груз разрушает образец.

Р=15 кг илиР=30 кгН=1 м

В результате испытания на шкале установки регистрируется работа, затраченная на разрушение:

КС– вязкость разрушения.U,V,A– форма разреза.

КСU – ударная вязкость определяемая для материалов со средним значением этого показателя;

KCV –ударная вязкость определяемая для материалов с высокой вязкостью;

KCA – ударная вязкость для материала прошедшего механическое старение – этот показатель свойств является ответственным за надежную работу изделия подвергнутого пластической деформации и имеющего остаточную деформацию больше 10%. Пример: изогнутый участок трубопровода.

Для установления минимально допустимой рабочей температуры материала испытанию подвергают серию контрольных образцов на ударную вязкость при различных температурах. При каждой температуре должно быть испытано не менее 5 образцов с последующим определением среднего значения ударной вязкости. Для нагрева образцов применяют нагревательные лабораторные печи, для охлаждения используют низкотемпературные камеры. В качестве охладителя применяют: фреон и углекислоту Т=-80С и жидкий азот Т=-196С.

По полученным результатам строят зависимость в координатах ударная вязкость – температура испытаний.

Температура, при которой материал резко переходит из вязкого в хрупкое состояние называется температурным порогом хладноломкости (Т₅₀).

Для некоторых материалов по такой зависимости определить температуру порога хладноломкости невозможно, т.к. отсутствует резкий переход материала в хрупкое состояние. Для таких материалов дополнительно проводят фрактографические исследования, – сущность которых заключается в анализе поверхности излома.

%В – процент занимаемой вязкой составляющей в изломе

Испытание на длительную прочность (ползучесть)

Определение способности нагретого материала медленно и непрерывно деформироваться при постоянных нагруз­ках. Этот вид испытания позволяет установить предельнодопустимую верхнюю температуру. Для испытания изготавливают стандартные образцы и подвергают растяжению на установке предварительно нагретого образца. Для исключения процессов окисления поверхности образца, нагрев проводят в защитной атмосфере. В нормативно-технической документации предел ползучести записывается следующим образом:

48)

Эти свойства определяются на материалы из которых изготавливают изделия термическтх агрегатов и плавильных печей.

К физическимсвойствам металлов и сплавов относятся температура плав­ления, плотность, температурные ко­эффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и электропроводимость.

К химическимсвойствам относятся способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства.

К эксплуатационнымсвойствам в за­висимости от условия работы машины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростой­кость, антифрикционность материала и др.

Износостойкость - способность мате­риала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость - сопротив­ление сплава действию агрессивных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость - способность спла­ва сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С.

Жаропрочность - способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость - способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность - способность сплава прирабатываться к другому сплаву.