Реферат: Основные сведения о материалах

Твердость — способность материалов сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала. Твердость можно определять непосредственно на деталях без их разрушения. Измерение твердости металлов и сплавов используют как метод оценки их механических свойств.

По твердости материала судят о других его свойствах. Например, для многих сплавов чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, выше износостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием.

На практике твердость определяют преимущественно двумя способами. Если твердость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Бринеллю, если же твердость исследуемого материала больше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Роквеллу.

При измерении твердости по Бринеллю (ГОСТ 22761—77) шарик из термически обработанной стали или карбида вольфрама диаметром D 2,5 или 1 мм вдавливают в испытуемый металл под действием определенной нагрузки и выдерживают под этой нагрузкой в течение 10 с при испытании черных металлов и в течение 30 или 60 с при испытании цветных металлов (рис. 4). В результате вдавливания шарика на испытуемом металле получается отпечаток. Под микроскопом измеряют в двух взаимно перпендикулярных направлениях диаметр отпечатка d, по которому и определяют твердость металла или сплава по таблицам твердости.

Рис. 4. Схема опеделения твердости по Бринеллю

Рис. 5. Схема определения твердости по Роквеллу

Чем тверже металл, тем меньше получается диаметр отпечатка. Твердость по Бринеллю обозначают НВ и измеряют в МПа. Обозначение НВ дополняется индексами, указывающими условия измерения, в следующем порядке: первая цифра перед НВ указывает

При измерении твердости по Роквеллу (ГОСТ 22975—78) алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливают в испытуемый металл (рис. 5) сначала под действием предварительной нагрузки Рп, которую не снимают до конца испытания. Под нагрузкой Ра алмазный конус вдавливается на глубину й0. Затем к предварительной нагрузке Р<, добавляют основную Рь под действием которой алмазный конус вдавливается на глубину h. Через 1...3 с после того, как стрелка на шкале прибора остановится, основная нагрузка Pi автоматически снимается. Стрелка прибора показывает на шкале твердость метлла в условных единицах твердости. При использовании алмазного конуса отсчет твердости ведут по шкале N.

При измерении твердости по Роквеллу мягких материалов алмазный конус на приборе заменяют стальным шариком диаметром

1.6     мм и отсчет твердости ведут по шкале Т.

Твердость по Роквеллу обозначают индексами, указывающими условия измерения. Например, 65HRN15 указывает твердость 65 единиц по шкале N при нагрузке 147 Н (15 кгс); 49 HRT 30 — твердость 49 единиц по шкале Т при нагрузке 294 Н (30 кгс).

Ударная вязкость—характеристика материала, по которой оценивают его сопротивление хрупкому разрушению. При ударных нагрузках напряжения, возникающие в материале, действуют мгновенно, поэтому их трудно определить. Ударную вязкость определяют работой, затраченной на разрушение образца.

Многие детали машин и конструкции во время работы подвергаются ударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. Ударные нагрузки испытывают инструменты типа штампов, некоторые зубчатые передачи и т. д. При ударных нагрузках показатели механических свойств материалов могут существенно отличаться от аналогичных характеристик материала при статических нагрузках. Расчет деталей и конструкций на долговечность в работе при уда-рных нагрузках производят с учетом ударной вязкости.

Усталость — изменение механических и физических свойств материала под действием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций.

В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, которые приводят к полному разрушению деталей. Подобное разрушение опасно тем, что может происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести.

Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т. е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз.

Цель испытаний на усталость (ГОСТ 2860—65) — количественная оценка способности материала (образца) работать при циклически изменяющихся нагрузках без разрушения. Цикл напряжений — совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Заданное число циклов нагружения при испытании называют базой испытания. Обычно база испытания составляет 108 циклов нагружения. Если материал выдержал базовое число циклов без разрушения, то он хорошо противостоит усталости и деталь из этого материала будет работать надежно. Под действием циклически изменяющихся нагрузок работают коленчатые валы двигателей, многие детали машин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.

Ползучесть — способность материалов к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки или напряжения.

Изделия, работающие при повышенных или высоких температурах, обладают меньшей прочностью, чем изделия, работающие при нормальной температуре. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки (напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться с течением времени.

Испытания на ползучесть при растяжении (ГОСТ 3248—81) заключаются в том, что испытуемый образец в течение длительного времени подвергается действию постоянного растягивающего усилия при постоянной высокой температуре. В результате испытания определяют предел ползучести металла, т. е. наибольшее растягивающее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести за определенный промежуток времени не превышает заданной величины. Предел ползучести материала используют при расчете деталей на долговечность в работе при повышенных температурах.

4. Химические свойства

Химические свойства характеризуются способностью металлов и сплавов отдавать электроны при взаимодействии с другими веществами. При этом происходит окисление металлов. Следовательно, при всех химических взаимодействиях металлы являются восстановителями. По легкости отдачи электронов металлы располагаются в ряд активности: Mg, Al, Zn, Сг, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Sb, Bi, Ag, Pt, Аи и т. д. Чем левее в ряду активности находится металл, тем легче он окисляется и труднее восстанавливается из своих ионов. Каждый металл, находящийся в ряду активности левее, вытесняет любой последующий из растворов его солей. При этом менее активный металл восстанавливается. При повышении температуры все химические взаимодействия протекают более активно.

Металлы и сплавы взаимодействуют с неметаллами, при этом выделяется большое количество тепла.

Наиболее химически активные металлы и сплавы способны окисляться на воздухе при нормальных условиях и при нагревании. С повышением температуры особенно активно происходит окисление металлов.

Жаростойкость —способность металлов и сплавов противостоять химическому воздействию при высоких температурах. Детали, эксплуатируемые при высоких температурах (детали топок котлов, газовые горелки, клапаны двигателей внутреннего сгорания), изготовляют из специальных сплавов, содержащих Сг, Ni, W, Al и другие элементы, которые повышают их жаростойкость.

Кислотостойкость — способность металлов и сплавов противостоять действию растворов кислот. Металлы и их сплавы, находящиеся в ряду активности левее водорода, вытесняют его из воды и водных растворов кислот (HC1,H2SO4), при этом происходит окисление металлов.

Химические свойства металлов широко используют на практике. Санитарно-техническое оборудование, арматура, трубопроводы и детали машин при эксплуатации подвергаются действию различных агрессивных сред. Поэтому их изготовляют из металлов и сплавов, обладающих такими химическими свойствами, которые могут обеспечить надежность деталей в работе. Например, трубы и санитарно-техническую арматуру делают из алюминиевых, медных сплавов с добавками Sn, Co, Cr, Ti, образующих при окислении плотную пленку, которая предохраняет изделия от дальнейшего окисления. Листовое железо и стальные трубы покрывают цинком, хромом (хромируют), никелем (никелируют), увеличивая тем самым их химическую стойкость. Трубопроводы, арматуру, емкости, работающие в водных растворах кислот и щелочей, изготовляют из специальных кислотостойких сталей и сплавов с большим содержанием (выше 12%) Cr, Ni, Ti. Чтобы увеличить химическую стойкость трубопроводов в среде агрессивных газов, их внутреннюю поверхность покрывают пластмассами (полиэтиленом, фторопластом и др.).

5. Технологические испытания металлов и сплавов

Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам технологической обработки (обработке давлением, резанием, сварке) зависит от их технологических свойств. Для определения технологических свойств проводят испытания по технологическим пробам, используемым чаще всего в производственных условиях. К технологическим относятся пробы для испытания на изгиб, осадку, сплющивание, бортование, загиб труб и многие другие. Многие технологические пробы и методы испытаний стандартизованы.

По результатам технологических испытаний определяют возможность изготовления качественного изделия из данного материала в условиях, соответствующих принятому на данном производстве технологическому процессу.

Испытание на изгиб (ГОСТ 14019 — 80) служит для определения способности материалов выдерживать без разрушения заданные деформации изгиба. Образец / (Рис. 6, а) с помощью оправки 2 изгибается под действием усилия пресса между роликами 3 до заданного угла а. Способность материала выдерживать деформацию изгиба характеризуется заданным углом загиба а. При изгибе образца на 180° материал способен выдержать предельную деформацию изгиба. Образцы, выдержавшие испытание, не должны иметь трещин, надрывов, расслоений.

Испытанию на изгиб подвергают листы толщиной до 30 мм, сортовой прокат — прутки, швеллеры, уголки.

Рис. 6. Технологические испытания:

а — на изгиб, б — на осадку, в — на сплющивание труб, г на бортование труб, д — на загиб труб; 1 — образец, 2 — оправка, 3 — ролики,

4— образец до осадки, 5— образец после осадки, 6 — труба

Испытание на осадку (ГОСТ 8817—82) служит для определения способности металла выдерживать заданную пластическую деформацию. Образец 4 осаживается в горячем или холодном состоянии с помощью пресса или молота до определенной высоты h (Рис. 6,6). Испытание на осадку производят на круглых или квадратных образцах диаметром или стороной квадрата в холодном состоянии от 3 до 30 мм, в горячем состоянии — от 5 до 150 мм. Высота стальных образцов должна равняться двум диаметрам, а образцов из цветных сплавов — не менее 1,5 диаметра. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились трещины, надрывы или изломы.

Испытание на сплющивание труб (ГОСТ 8695 — 75) служит для определения способности труб сплющиваться до определенной высоты Н (Рис. 6, в) без трещин и надрывов. Конец трубы 6 или ее отрезок длиной 20...50 мм сплющивают между двумя параллельными плоскостями. Если труба сварная, то шов на трубе должен располагаться по горизонтальной оси, как показано на рисунке. Сплющивание труб производят плавно со скоростью не более 25 мм/мин. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились трещины или надрывы.

Испытание на бортование труб (ГОСТ 8693—80), используют для определения способности труб к отбортов-ке на угол 90°. Конец трубы 6 (Рис. 6, г) отбортовывает-ся с помощью оправки 2 усилием Р пресса до получения фланца заданного диаметра D. Рабочая поверхность оправки должна быть чисто обработанной и обладать высокой твердостью (HRC не менее 50). Радиус закругления оправки, которым формируется.борт, должен быть равен двукратной толщине стенки трубы (R=2s). Бортование считается качественным, если на фланце не обнаружено надрывов и трещин.

Испытание на загиб труб (ГОСТ 3728—78) служит для определения способности труб загибаться без трещин и надрывов на угол 90°. Перед испытанием трубу 6 (Рис. 6,(3) заполняют чистым, сухим речным песком или другим наполнителем. Испытание заключается в плавном загибе образца любым способом, позволяющим загнуть образец так, чтобы его наружный диаметр D ни в одном месте не стал меньше 85 % от начального. Для испытания труб наружным диаметром до 60 мм используют их отрезки, диаметром 60 мм и более — вырезанные из труб продольные ленты шириной 10 мм. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем не появились изломы, надрывы, расслоения.

Испытание на свариваемость производят для определения прочности сварного стыкового соединения. Сваренный образец подвергают изгибу (см. Рис. 6, а) на заданный угол а или испытывают на растяжение. Затем сравнивают прочности сваренного и несваренного образцов из испытуемого металла.

6. Строение металлов, сплавов и жидких расплавов

Металлы — простые вещества, обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов.

Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиеся от атомов, непрерывно хаотически перемешиваются по всему объему металла подобно молекулам в газах. Поэтому такие свободные электроны часто называют электронным газом. Свободные электроны, сталкиваясь во время движения с положительно заряженными ионами, могут на некоторое время снова соединяться с ними. В таких случаях положительно заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы. Таким образом, металлы состоят из упорядочение расположенных в пространстве положительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т. д.

Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, углеродистая сталь и чугун — сплавы железа с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза — сплав меди с оловом или другими элементами; латунь — сплав меди с цинком и другими элементами. В промышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих с последующей кристаллизацией из жидкого состояния. Значительно реже — сплавы, получаемые спеканием порошков металлов и неметаллов.

Положительно заряженные ионы и нейтральные атомы в процессе кристаллизации металла или сплава из расплавленного (жидкого) состояния группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки — правильное, упорядоченное расположение атомов в элементарной ячейке. Кристаллические решетки характеризуются типом и размерами.

Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различных типов. Объемно-центрированные кубические (ОЦК) (Рис. 7, а) образуют железо Fea, хром Сг, молибден Мо и др. Гранецентрированные кубические решетки (ГЦК) (Рис. 7,6) образуют железо Fev . медь Си, алюминий А1, свинец РЬ и др. Гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (Рис. 7, в) образуют цинк Zn, магний Mg, кобальт Со и др.

Рис. 7. Схемы кристаллических решеток:

а—объемно-центрированная кубическая (ОЦК). б гранецент-рированная кубическая (ГЦК). в — гексагональная плотноупа-кованная (ГПУ)

Размеры или периоды решетки — расстояния awe между центрами атомов или ионов, находящихся в узлах решетки, измеряются в ангстремах (1А=10~10 м).

С изменением температуры или давления тип и период решетки могут изменяться, что приводит к изменению физико-химических свойств металлов и сплавов.

Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. В процессе кристаллизации положительно заряженные ионы, располагаясь последовательно в виде элементарных кристаллических решеток, образуют кристаллы в виде зерен (Рис. 8, а) или дендритов1 (Рис. 8,б). Образующиеся кристаллы растут, кристаллизуются из жидкого расплава сначала свободно, не мешают один другому, потом они сталкиваются и рост кристаллов продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате первоначальная геометрически правильная форма кристаллов нарушается. В закристаллизовавшихся металлах и сплавах зерна и ден-дриты имеют неправильную, геометрически искаженную форму.

При нагревании поглощаемая металлами теплота расходуется на колебательные движения атомов и вследствие этого на тепловое расширение металла. При плавлении объем металлов увеличивается на 3...4%. С повышением температуры колебательные движения атомов или ионов возрастают, кристаллические зерна распадаются и сплав, проходя через твердо-жидкое состояние, превращается в расплав.

При переходе в расплав кристаллическая структура металла полностью не уничтожается. В расплаве всегда находятся мельчайшие участки, в которых сохраняется первоначальное, наследственное строение металла, близкое к кристаллическому. Кроме того, всегда присутствуют тугоплавкие частицы (остатки футеровки печи, при меси других элементов), которые могут образовывать дополнительные центры кристаллизации и вызывать на" чало кристаллизации. На искусственном создании центров кристаллизации в расплаве с одновременным изменением его скорости охлаждения основано управление кристаллизацией сплава с целью получения заданной структуры и свойств сплава в твердом состоянии.

Рис. 8. Схема кристаллизации сплава в виде зерен (а) и дендритов (б)

Список литературы

1) Геворкян В.Г. Основы сварочного дела - М.: Высш. школа, 1985. - 168 с., ил.

2) Материаловедение и технология металлов. - М.: Высшая школа, 2001. - 637 с

3) Курдюмов Г.В. Явление закалки и отпуска стали. - М.: Металлургиздат, 1960. - 64 с.

4) Лахтин Ю.М. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1993. - 448 с.

5) Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1986. - 544 с.

6) Зарембо Е.Г. Превращения в структуре и свойства стали. - М.: ВИИИТ, 1990

7) Стеклов О. И. Основы сварочного производства - М.: Высш. школа, 1986. - 224 с., ил.

8) Хренов К.К. Сварка, резка и пайка металлов - М.: Машиностроение, 1973. - 408 с.