Пермский военный институт внутренних войск

МВД России

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕХНОЛОГИЯ

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Часть 2. Технология

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Краткий курс лекций

Пермь, 2010

УДК 621.791

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Г.А.Береснев

(Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук, проф. И.Л.Синани

(Пермский государственный технический университет)

Беленький, В.Я., Косолапов, О.А., Сопегин, Д.В., Цимберов Д.М., Щицын Ю.Д.

Технология конструкционных материалов. Краткий курс лекций. – Пермь: ПВИ ВВ МВД России, 2010. – 156 с.

Описаны способы обработки конструкционных материалов в холодном и горячем состоянии материалов. Приведены сущность, достоинства и недостатки способов, области их применения.

Курс лекций предназначен для курсантов, изучающих дисциплины «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

УДК 621.791

I. Основные свойства конструкционных материалов

1. Свойства металлов

Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов.

Физические свойства характеризуют температуру плавления металлов, их плотность, коэффициент теплового расширения, тепло- и электропроводность, упругие и магнитные свойства и т.п.

Химические свойства металлов определяются их химической активностью, способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими агрессивными средами, расплавленными металлами, коррозионной стойкостью.

Механические свойства характеризуют состояние металлов при воздействии внешней нагрузки. Внешняя нагрузка создает в металле напряжения, равные отношению нагрузки к площади сечения испытуемого образца.

МПа

Напряжения вызывают деформацию  изменение формы и размеров металлического образца  упругую, исчезающую после снятия нагрузки, или пластическую, остающуюся после снятия нагрузки. При чрезмерной пластической деформации происходит разрушение металла. Способность металла сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность.

Прочность металлов определяют на специальных образцах их растяжением, сжатием, изгибом, кручением. Чаще прочность металла характеризуют пределом прочности при растяжении, или временным сопротивлением разрыву , МПа:

,

где  максимальная нагрузка, которую выдержал образец перед разрушением, Н;

 начальная площадь поперечного сечения образца, м².

Одновременно с прочностью при растяжении определяют и пластичность  способность металла получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Пластичность обычно оценивают относительным удлинением  или относительным сужением :

,

где  длина образца после разрыва, мм;

 первоначальная длина образца, мм.

100 %,

где  начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

 конечная площадь поперечного сечения образца в шейке после разрыва, мм².

Прочность при ударных нагрузках определяют разрушением образцов ударом массивного маятника и характеризуют ударной вязкостью KCU, KCV или КСТ (в зависимости от формы надреза образца: U, V, T) (МДж/м²):

,

где А  работа, затраченная на излом образца;

F_о  площадь поперечного сечения образца

Твердость  способность материала сопротивляться внедрению в него другого более твердого тела. Испытание твердости материалов используют как неразрушающий метод, позволяющий судить о прочности, так как твердость и прочность взаимосвязаны. Существует ряд методов определения твердости металлов. Чаще для определения твердости применяют метод Бринелля. По этому методу в испытуемый металл вдавливают стальной закаленный шарик при заданной нагрузке и определяют числа твердости НВ из отношения приложенной нагрузки Р, Н, к поверхности полученного отпечатка F_о, мм²:

.

Метод Бринелля используют для материалов с твердостью ниже 450 НВ.

Для испытания материалов с твердостью более 450 НВ и закаленных сталей используют метод Роквелла, сущность которого заключается в статическом вдавливании в образец наконечника под определенной нагрузкой. Наконечником для материалов до 230 НВ служит стальной закаленный шарик D = 1,59 мм, а для материалов более высокой твердости  алмазный конус с углом при вершине 120. Значение твердости определяют по глубине (мм) остаточного вдавливания наконечника и измеряют в условных единицах. В соответствии с условиями испытаний (тип наконечника, нагрузка) и шкалой прибора (В, С, А) измерения числа твердости обозначают 30 HRB, 60 HRC, 80 HRA и т.д.

Твердость по Виккерсу определяют путем статического вдавливания в поверхность образца алмазной четырехгранной пирамидки с углом  = 136 между противоположными гранями. Число твердости определяют так же, как и в способе Бринелля: отношением нагрузки Р к площади поверхности отпечатка F_о:

где d  величина диагонали отпечатка.

Р = 50…1000 Н (5…100 кГс).

Методом Виккерса измеряют твердость очень тонких изделий и твердость поверхностных слоев.

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.

К ним относят: литейные свойства  способность материала образовывать отливки; ковкость  способность материала подвергаться обработке давлением; свариваемость  способность образовывать качественные неразъемные соединения (швы); обрабатываемость резанием  способность материала подвергаться обработке режущим инструментом.

Литейные свойства металлов характеризуются: жидкотекучестью  способностью заполнять литейную форму; усадкой  сокращением размеров и объема отливки при затвердевании; склонностью к ликвации  неоднородности химического состава по сечению отливки, вызванной условиями затвердевания; газонасыщением  за счет азота и водорода воздуха, а также образования газов в процессе взаимодействия расплава с литейной формой.

Ковкость  способность материала изменять свою форму и размеры под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем усилии.

Свариваемость  способность материалов образовывать неразъемные соединения с заданными свойствами.

Обрабатываемость резанием  способность материала подвергаться снятию с него определенного слоя, называемого припуском, с целью получения готовой детали с заданной конфигурацией, точностью размеров и шероховатости поверхности.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в заданных условиях, не изменяя своих свойств. К ним относятся:

• коррозионная стойкость  сопротивление материала действию агрессивных кислотных и щелочных сред;

• хладостойкость  способность материала сохранять пластические свойства при температурах ниже 0 С;

• жаропрочность  способность сохранять механические свойства при высоких температурах;

• жаростойкость  способность сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах;

• антифрикционность  способность материала работать в условиях трения без схватывания.

Свойства металлов и сплавов определяются их внутренним строением  структурой и могут быть изменены термической, химико-термичес-кой, термомеханической обработкой и др.