Требования к металлам
Для того чтобы оценить качество материалов и изготовленных из них деталей, поведение их в конкретных узлах, деталях и машинах в изменяющихся условиях эксплуатации, для прогнозирования использования, ремонта и технической эксплуатации машиностроительных и строительных конструкций необходимо знать их свойства.
Это люди давно поняли. И человек в своей практической деятельности сначала на глаз и на ощупь, с помощью простейшего инструмента, а далее с использованием сложных приборов и методик проверял качество предметов и продуктов труда.
Так, в 1722 г. царем Петром І был издан указ» О пробовании железа». Приборов в то время практически не было, поэтому испытания надо было проводить доступными и простыми средствами. Основным показателем было разрушение металла при изгибе и ударе. По этому указу железо сортировалось по трем сортам.
Первая проба. Пластину железа трижды огибали и разгибали вокруг столба, диаметром 6 вершков (1 вершок = 4,45 см), вкопанного в землю. Если нет излома и трещин, то железо является первосортным.
Вторая проба. Если железо не выдержало первой пробы (есть трещины или изломы) то проводились последующие испытания, естественно, нового образца, а не ранее разрушенного. Железные полосы били о наковальню сначала одним концом трижды, а потом другим концом — тоже трижды, и «которые выдержат, знака к перелому не будет, то ставить клеймо №2».
Третья проба. Если металл не выдержал этих двух испытаний, то ставят рядом с заводским клеймом клеймо №3.
М. В. Ломоносов впервые предложил испытывать материалы на трение и износ, и была изготовлена для этого специальная машина трения. В 1897 году были разработаны международные нормы по испытанию металлов. Основой расчета деталей до 20 30 годов ХΙХ- го столетия служили показатели статических испытаний: предел текучести, предел прочности и модуль упругости. В 20…30 годах ввели понятия усталостной прочности, предела усталости при знакопеременных нагрузках, при изгибе, кручении и растяжении – сжатии.
Качество металлов это комплексный показатель (рис.1.9). Нельзя по отдельному показателю оценить качество. Например, металл может быть очень твердым (хороший показатель), но хрупким и недолговечным (плохие показатели). Комплекс свойств металлов можно разделить на группы, дающие ответы на вопросы по их практическому использованию (табл. 1.1).
Таблица 1.1 Основные группы свойств металлов.
|
Свойства металлов и сплавов |
На какие вопросы отвечают |
|
Химический состав |
Что заложено? |
|
Структура металла |
Как заложено? |
|
Физические характеристики (электропроводность, плотность, твердость теплопроводность, цвет, температуры плавления и кристаллизации, …) |
Каков материал по физическим свойствам? |
|
Механические свойства (пластичность, прочность, вязкость, упругость,…) |
Каковы возможности использования материала? |
|
Технологические свойства (литейные, ковкость, свариваемость, обработка резанием,…) |
Как изготовить деталь? |
|
Износостойкость, усталостная прочность. коррозийная стойкость,… |
Какова долговечность детали, изготовленной из материала? |
Свойства металлов определяются различными методами: физическими, химическими и технологическими.
Твердость характеризует сопротивляемость материалов пластическим деформациям. Чем выше твердость, тем больше прочность и меньше износ детали. Особенно это имеет большое значение для рабочих органов (лапа, лемех, нож) строительных и дорожных машин, работающих в условиях абразивного (песок, щебень,…) изнашивания.
Твердость определяется по вдавливанию шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки в металл. Значение твердости характеризуется диаметром отпечатка или глубиной внедрения индентора (закаленного шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды). Естественно, чем тверже материал, тем меньше будет его деформация, соответственно, меньше диаметр и глубина отпечатка). Чаще всего используются три основных метода определения твердости: по Брюнеллю, Роквеллу и Виккерсу.
При определении твердости (рис. 1.10) по Бринеллю в испытываемую поверхность вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D= 2,5 ; 5 или 10 мм при нагрузках в пределах 0,625…30 кН. Далее замеряется диаметр отпечатка.
Число твердости по Брюнеллю представляет собой отношение нагрузки Р (в кгс) к площади F (в мм2) поверхности отпечатка:
НВ = Р/ F =2Р / pD[D — (D2-d2) 1/2] кгс / мм2.
По физической сущности твердость по Бринеллю является напряжением и выражает сопротивление пластической деформации.
Существует линейная связь между твердостью и прочностью материала:
для сталей и алюминиевых сплавов- sв= 0,35 НВ ;
для медных сплавов - sв= 0,45 НВ.
Диаметр шарика D выбирается в зависимости от толщины h детали: D = 2,5 мм — h < 3 мм;
D = 5 мм — h = 3 …6 мм;
D = 10 мм — h > 6 мм.
Значение нагрузки P (в кгс) зависит не только от диаметра шарика D, но и от материала детали. Для более твердых материалов необходима большая нагрузка, поэтому в нижеприведенных формулах коэффициент для стали (30) больше, чем для более мягких материалов (10- для бронзы и латуни; 2.5- для олова):
P = 30 D2 — сталь, чугун;
P = 10 D2 — бронза, латунь;
P = 2,5 D2 —олово, свинец и другие мягкие металлы.
Примеры обозначения твердости по Бринеллю: 185НВ, 200НВ, 86НВ. Чем больше цифра, тем больше твердость материала (200НВ > 86НВ).
Твердость металлов по Виккерсу (рис. 1.11) определяется аналогично как и по Бринеллю, но вместо шарика используется алмазная 4-х гранная пирамида:
HV = P / F = 1,8544 P / d 2 , кгс /мм2,
где F, d — поверхность и диагональ отпечатка;
Р- нагрузка на пирамидку, кгс.
Диагональ d определяется с помощью микроскопа, вмонтированного непосредственно в прибор. Этот способ используется для небольших деталей и при научных исследованиях. Значения твердости материалов, определенных по Брюнеллю (НВ) и Виккерсу (HV) совпадают. Примеры обозначения твердости по Виккерсу: HV180, HV 295.
При определении твердости по Роквеллу (рис. 1.12) в испытываемый металл вдавливается алмазный конус (угол конуса 120 °) или стальной закаленный шарик диаметром 1,6 мм под определенной нагрузкой: сначала предварительной Р = 10 кгс, далее основной — 60, 100 или 150 кгс. На приборе имеются три шкалы А, В и С для отчета соответствующей твердости HRА, HRВ и HRC. Число твердости по Роквеллу характеризует глубину внедрения индентора (шарика или конуса) под определенной нагрузкой (60, 100 или 150 кгс). Твердость HRC, HRА, HRВ определяется по формулам, соответствующим режимам ее определения (вид индентора и величина нагрузки):
HRC=100 –e (алмазный конус, Р= 150 кгс);
HRА=100 –e (алмазный конус, Р= 60 кгс);
HRВ=130 –e (шарик, Р= 100 кгс),
в которых e = 0,002 h2 » 0,002 (h1-h0).
Следовательно, твердость по Роквеллу это безразмерная величина, единица которой соответствует глубине перемещения индентора на 0,002 мм. Примеры обозначения твердости по Роквеллу: 47HRC, 23HRC, 30HRC, 80HRA, 30HRB.
В обозначении твердости показаны ее значение и режим определения (алмазный конус или шарик; нагрузка: 60,100. или 150 кгс). Для сравнения твердость шейки коленчатого вала дизельного двигателя (47…52HRC) значительно выше твердости поршневого пальца (30…32HRC).
Испытание образцов (рис. 1.13) на растяжение (рис.1.14) проводится на разрывных машинах при плавно возрастающей растягивающей нагрузке. Образцы изготовляются круглого или квадратного сечения. Величину силы, действующей в поперечном сечении образца, пересчитывают в значение напряжения, выражаемое в ньютонах (или килограммах) на квадратный миллиметр. При малых нагрузках (соответственно и малых напряжениях) остаточная деформация не возникает и образец после снятия нагрузки принимает начальную длину, т.е. он ведет себя упруго. В области 0…А упругой деформации последняя прямо пропорциональна напряжению, т. е. если напряжение возрастает вдвое, то и упругая деформация возрастает вдвое. Начальный участок диаграммы представляет собой прямую линию. Крутизна этого участка (отношение напряжения к деформации) является характеристикой металла- модулем упругости Юнга (модулем Е).
На участке (Б…В) текучести образец удлиняется при неизменной нагрузке Р. При снятии нагрузки в этом интервале (Б…В) образец не возвращается к начальной длине, а становится длиннее – в соответствии с той долей, какую составила пластическая деформация от общей. На участке Б…В происходит упрочнение материала и, как следствие этого, после точки В происходит увеличение длины образца с ростом растягивающей нагрузки. Далее нагрузка растет до максимальной Рв, после которой происходит местное сужение образца, образуется «шейка». Дальше размер шейки увеличивается, растягивающая нагрузка уменьшается, но и сечение тоже, и в точке К происходит разрыв образца.
Кривая растяжения позволяет определить несколько важнейших характеристик металла. В первую очередь это предел прочности на разрыв (растяжение) sв, т.е. максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки, относительное удлинение d.
Условным пределом текучести s0,2 называется напряжение, при котором удлинение образца составляет 0,2% расчетной длины.
Предел прочности при растяжении определяется из соотношения:
sв = Рв / Fo, кгс / мм2 ,
где Fo- начальная площадь поперечного сечения образца, мм2,
Рв — нагрузка предела прочности при растяжении, кгс.
Истинным сопротивлением разрыва sz называют напряжение, соответствующее отношению нагрузки в момент разрыва к площади сечения образца в месте разрыва:
sz = Pz / Fk ,
где Fk — конечная площадь поперечного сечения образца.
Пластичность — это изменение размеров образца без нарушения сплошности материала.
Относительное удлинение d находится по формуле (в %):
d= 100 (Lк — L0) / L0,
где L0, Lк — длина образца до и после разрыва.
Относительное сужение y (в %) представляет собой отношение:
y = 100 (Fo — Fk) / Fo.
Из первоначального участка кривой находится модуль упругости материала Е. По закону Гука
s = P / Fo = E ´ DL / L0
Значения модуля упругости можно определить геометрически как тангенс угла наклона a начального участка диаграммы растяжения:
Е = tga
Во многих случаях нас интересует не просто абсолютные значения прочности, а удельная прочность, т.е. отношение прочности к плотности g (удельному весу) материала (табл. 1.2).
Таблица 1.2 Сравнительные характеристики прочности и жесткости различных материалов.
|
Материал |
Прочность, sв, кгс / мм2 |
Удельная прочность, sв/g ´ 105 |
Удельная жесткость, (E / g) 1/3 |
|
Конструкционная сталь |
450…1100 |
6…15 |
- |
|
Легированная сталь |
1100…1400 |
15…19 |
3,3…3,5 |
|
Высокопрочная сталь |
1800…2000 |
22…25 |
- |
|
Алюминиевый сплав |
420…600 |
16…21 |
6,8…6,9 |
|
Титановые сплавы |
1200…1400 |
26…40 |
4,8…5,1 |
|
Стеклопластики |
> 700 |
38…50 |
7…7,2 |
Способность противостоять металла ударным нагрузкам определяется при испытаниях на удар (рис. 1.15). Для этого изготовляется специальный образец. В середине его делается надрез, необходимый для того, чтобы разрушение происходило в самом слабом месте, т.е. в месте надреза, установленном напротив ударного устройства маятникового копра.
Работа Ан на разрушение образца определяется как разность потенциальной энергии груза перед испытанием (Р´ Н) и оставшейся потециальной энергией (Р ´h) после разрушения образца:
Ан = Р (Н — h).
Ударная вязкость aн представляет собой удельную работу на разрушение единицы площади образца:
aн = Ан / Fo,
где Fo — площадь поперечного сечения образца в месте надреза.
Динамические испытания позволяют выявить склонность металлов к хрупкому разрушению (рис. 1.16). По количеству волокна в изломе (визуально по матовой волокнистой составляющей) оценивают вид излома: вязкий излом (90% волокон), хрупкий излом (только 10% волокон) и смешанный излом.
За порог хладноломкости (очень важная характеристика металла, особенно для природно-климатических условий Тюменской области) принимают температуру, при которой имеется около 50% волокна, что примерно соответствует значению ½aн. Для ответственных деталей критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой будет 90% волокон. Значение ударной вязкости aн не является постоянной величиной , а сильно зависит от его структуры, условий испытания, наличия концентраторов напряжений и др.
Усталостные испытания
В реальных условиях эксплуатации нагрузки на некоторые детали меняются как по величине, так и по направлению, вследствие этого возникают микротрещины в металле, далее они развиваются и при относительно небольших нагрузках происходит разрушение металла (поломка детали). Коленчатые валы, шатуны, шестерни, рессоры, пружины и многие другие детали выходят из строя чаще всего по этим причинам.
На рис. 1.17 показан консольный вал, при вращении которого на участках галтели нагрузка за один оборот будет изменяться от максимальной до нуля. В результате многократно повторяющихся циклов нагружения в самом опасном месте (галтели) сначала образуются отдельные микротрещины, далее они увеличиваются по размеру и сливаются друг с другом, образуя большего размера трещины, и при относительно небольших нагрузках (по сравнению с начальными условиями работы) происходит разрушение вала по галтели.
На рис. 1.18. показана кривая усталости. При испытаниях определяют число циклов нагружения до разрушения образца металла при различных напряжениях. Напряжение s-1 называется пределом усталости, т.е. это значение такого напряжения при котором нет усталостного разрушения. Обычно испытания не проводят до появления этого горизонтального участка, а завершают для стальных образцов при 5 ´ 106 циклов и для образцов из цветных сплавов при большем (20´ 106) числе циклов.
Пределом усталости в этом случае называют предельное напряжение при котором образец не разрушается при этом установленном количестве циклов.
Исследование структуры металлов проводят несколькими способами. Рентгеноструктурным методом исследуют внутреннее строение кристаллической решетки (фазовый состав, величину зерен и т. д). При просвечивании ультразвуком или рентгеновскими лучами определяют качество литья и сварки по наличию трещин, шлаковых включений и раковин.
Макроструктура металла (величина зерен, направление волокон в деформированных слоях металла, наличие усадочных и газовых трещин, характер излома детали) определяется невооруженным. глазом или при увеличении (лупа, микроскоп) до 30 раз. Поверхность сначала шлифуют наждачной бумагой, а потом проводят глубокое травление химическими растворами.
При микроскопическом исследовании используют микроскопы с увеличением в 50 …2000 раз. Шлифы металла готовятся в виде цилиндриков (диаметром и высотой по 10… 15 мм), или в виде кубиков 10´10 мм. Металл шлифуют, полируют и травят в слабых растворах кислот. На поверхности металла из — за неодинаковой травимости структурных составляющих, зерен и их границ появляется микрорельеф. Создается сочетание света и тени. Более протравленная структура будет более темной в микроскопе по сравнению с менее протравленной.
Технологические испытания — это простейшие виды испытания материалов на пластичность и разрушение, на возможность ковки, гибки, сварки и др.
Так, испытанием на выдавливание определяется способность листового материала подвергаться холодной штамповке. Пуансоном (шариком) выдавливаются лунки до появления первой трещины. Глубина лунки до разрушения характеризует пластичность материала.
Испытанием на изгиб листового материала в холодном и горячем состоянии определяется его способность принимать заданную форму. Испытанием на изгиб оценивается качество сварных швов. Характеристикой прочности является угол прогиба до разрушения сварного шва. Проба на двойной кровельный замок. проводится для листового металла толщиной менее 0,8 мм. Оценивается угол загиба, число загибов и разгибов.
Пробой на перегиб (повторный загиб и разгиб) оценивается качество проволоки. Пробы на изгиб и расплющивание проводятся для труб диаметром менее 115 мм; отверстие засыпается сухим песком, далее труба гнется на 90 градусов вокруг оправки.
Испытанием на осадку в холодном состоянии проверяются материалы для изготовления. болтов и заклеп.
Проба навиванием проволоки на оправку проводится для определения возможности получения заданного числа витков.