Основы материаловедения

Металловедение — наука, изучающая состав, внутреннее строение и свойства металлов и сплавов в их взаимосвязи, а также закономер­ности их изменения при тепловом, химическом и механическом воз­действии. Эта наука не только объясняет внутреннее строение и свойст­ва металлов и сплавов, но и устанавливает закономерную зависимость между внутренним строением сплава и его свойствами, а также опре­деляет наилучший состав, метод изготовления и обработки сплава для получения требуемых свойств.

Сведения о металлах и их сплавах были известны в глубокой древ­ности и накапливались веками. Они сыграли огромную роль в разви­тии материальной культуры общества, так как легли в основу развития всех отраслей народного хозяйства. Однако эти сведения не были систематизированы, не носили научного характера. Подлинное раз­витие науки о металлах (металловедение) началось в XIX в. в связи с развитием физики, химии и других наук. В наше время металловеде­ние тесно связано с физикой и химией. Применение точной физической и химической аппаратуры и внедрение различных методов испытаний (механических, рентгеновских, оптических) дали возможность в тече­ние нескольких десятилетий исследовать природу металлов и их сплавов.

Знание металловедения позволяет правильно выбрать металлы и сплавы для изготовления различных по назначению деталей. На при­мере тракторного двигателя (рис. 1) можно видеть, сколь многочислен­ны металлы и сплавы, необходимые для изготовления его деталей. Эти металлы и сплавы должны быть подобраны в соответствии со свойст­вами, обеспечивающими надежную и долговечную работу двигателя.

Устройство тракторного двигателя

Устройство тракторного двигателя

 

Сведения о металлах и сплавах

Все окружающие нас тела — твердые, жидкие и газообразные (природные и полученные искусственно) — состоят из различных веществ, которые разделяются на простые и сложные. Все они состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами, а каждая молекула состоит из еще более мелких частиц, называемых атомами. В том слу­чае, когда молекулы состоят из неодинаковых атомов, вещество назы­вается сложным. Если молекулы состоят из одних и тех же ато­мов, вещество называется простым. Содержание элементов в земной коре показано на рис. 2. Как видно из рисунка, основную массу зем­ной коры составляют девять элементов: кислород, кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, магний и водород. Эти вещества составляют более 98% (по массе).

Самыми распространенными металлами в земной коре являются алюминий (7% по массе) и железо (5%). Химические элементы разде­ляют на две группы: металлы и неметаллы (металлоиды).

Распространенность элементов в земной коре

Распространенность элементов в земной коре

Характерным признаком металлов является прежде всего металли­ческий блеск в изломе. Большинство металлов характеризуется ков­костью. Исходя из этих приз­наков, М. В. Ломоносов бо­лее 200 лет назад дал такое определение металла: «Метал­лом называется светлое тело, которое ковать можно».

Позднее были обнаружены и другие признаки, характер­ные для металлов: хорошая проводимость тепла и элект­рического тока, способность свариваться, поддаваться про­катке, волочению. При ком­натной температуре все ме­таллы, кроме ртути, являются твердыми телами.

Следовательно, металлами называются химические элементы, ха­рактерными признаками которых являются непрозрачность, блеск, хорошая проводимость тепла и электрического тока, а для многих металлов также ковкость и способность свариваться.

Благодаря развитию химического производства, наряду с металлами большое значение приобрели неметаллы.

Неметаллы — это простые вещества, не обладающие свойствами, характерными для металлов: не имеют «металлического» блеска, плохо проводят тепло и электрический ток. Некоторые из неметаллических веществ при обыч­ных условиях газообразны, например кислород, водород, азот и др.

В зависимости от назначения изготовляемых изделий металлы и сплавы должны обладать определенными физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами.

Физические и химические свойства металлов и сплавов

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, удельная теплоемкость, электропроводность и способность намагничи­ваться.

Плотностью d называется количество вещества, содержаще­еся в единице объема V.

Единицей измерения плотности является г/см3. Так как 1 см3 воды содержит массы 1 г, то за единицу плотности принимается плотность воды. Металлы имеют различную плотность (табл. 1).

Физические свойства металлов

Физические свойства металлов

Зная плотность d металла, можно найти массу любого изделия, если известен объем V изделия, а также можно определить объем из­делия, зная его массу. Плотность, объем и масса находятся в такой зависимости:

d = m/V,

где m — масса изделия, г; V — объем изделия, см3; d — плотность, г/см3.

Отсюда

m = dV,  V = m/d,

Пример: Определить массу медного листа длиной 120 см, шириной 80 см, толщиной 4 мм.

Находим объем медного листа: V = 120 X 80 X 0,4 = 3840 см3. Плотность меди 8,9 г/см3, определяем массу листа:

m = dV = 8,9 X 3840 = 34 кг 176 г.

Температура плавления — это температура, при которой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое. Каждый металл имеет свою определенную температуру плавления. В табл. 1 приведены значения температур плавления металлов.

Путем сплавления различных металлов можно получить сплавы, имеющие очень низкую температуру плавления. Известны сплавы, расплавляемые при 60—70°С, а образующие их металлы (элементы) в отдельности имеют температуру плавления не ниже 200°С. Сплавле­нием получают тугоплавкие сплавы.

Теплопроводность — это свойство тел проводить в той или иной.скоростью тепло при нагревании. Чем лучше металл проводит тепло, тем быстрее и равномернее он нагревается и отдает тепло при охлаждении.

Для полного прогрева металла, обладающего низкой теплопровод­ностью, требуется больше времени, чем для металла с высокой тепло­проводностью, а при быстром охлаждении в первом могут образоваться трещины, что учитывают при термической обработке. Единицей измере­ния теплопроводности служит количество тепла (кал), распространяю­щегося по единице длины металла через единицу площади его попереч­ного сечения в единицу времени (кал/см • с • град или ккал/м • ч х град).

Теплопроводность всякого металла уменьшается при повышении температуры и возрастает при ее понижении.

Тепловое расширение — свойство металлов расши­ряться при нагревании. При охлаждении происходит обратное явле­ние. Изменение объема и линейных размеров металлов в зависимости от температуры учитывают в строительстве (мостовые фермы, рельсы и пр.), при горячей ковке (уменьшение размеров заготовки при охлаж­дении), при точных измерениях (показания измерительных инстру­ментов в зависимости от температуры могут быть различны).

Изменение длины стального стержня при.изменении температуры на 1 °С называется коэффициентом линейного рас­ширения.

Коэффициенты линейного расширения некоторых металлов при­ведены в табл. 1.

Удельная теплоемкость — это количество тепла, которое необходимо для повышения температуры 1 г вещества на 1° С. Металлы по сравнению с другими веществами обладают меньшей теплоемкостью, поэтому их нагревают без больших затрат тепла.

Электропроводность — это способность металлов про­водить электрический ток.

Важным электрическим свойством металлов является удельное электрическое сопротивление, под которым понимают электриче­ское сопротивление, приходящееся на единицу длины проводника при площади поперечного сечения проводника, равной единице. Удельное электрическое сопротивление широко используемых металлов приве­дено в табл. 1.

Магнитные свойства — это способность металла соз­давать собственное магнитное поле либо самостоятельно, либо под действием внешнего магнитного поля.

Особенно высокими магнитными свойствами отличаются некоторые стали. Из таких сталей изготовляют электромагниты, служащие для поднятия и переноски заготовок, изделий и лома из стали и чугуна (рис. 3), для отделения железной руды от веществ, не содержащих железа. Электромагниты также применяют в качестве деталей электри­ческих генераторов и двигателей, радио-телефонной и телеграфной аппаратуры и т. д. Они приводят в действие автоматические рубиль­ники, пусковые механизмы, железнодорожные стрелки и т. п.

Химические свойства — это свойства металлов и ме­таллических сплавов, определяющие отношение к химическим воз­действиям различных активных сред (окисляемость, раство­римость, коррозионная стойкость). Каждый металл или сплав обла­дает определенной способностью сопротивляться воздействию этих сред.

Электромагнит для поднятия тяжести

Электромагнит для поднятия тяжести

Химические воздействия среды проявляются в различных формах; под влиянием химического воздействия кислорода воздуха и влаги металлы подвергаются коррозии: чугун ржавеет, бронза покрывается зеленым слоем окиси, сталь при нагреве в закалочных печах без защит­ной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется. Поэтому для практического использования металлов и сплавов необходимо знать их химические свойства.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при сильном нагреве, называются жаростойкими или окалиностойкими. Такие металлы применяются для изготовления различных деталей топок, труб паро­вых котлов, сильно нагревающихся деталей автомобилей и др.

Механические свойства металлов

Знание только физических и химических свойств не дает возмож­ности судить о поведении металлов под действием усилий, которым они подвергаются при обработке или эксплуатации. Необходимо знать механические свойства, т. е. способность металла сопротивляться деформации и разрушению при воздействии на него внешних сил, кото­рые принято называть нагрузками. По характеру действия нагрузки делятся на статические и динамические.

Статической нагрузкой называют нагрузку, возрас­тающую медленно от нуля до некоторого предельного значения и далее остающуюся постоянной или изменяющейся незначительно.

Динамической нагрузкой называют нагрузку, воз­никающую в результате удара, когда действие нагрузки исчисляется малыми долями секунды.

Виды деформации

Изменение формы твердого тела под действием приложенных к нему внешних сил (нагрузок) называется деформацией тела.

Деформации, исчезающие после снятия нагрузки (т.е. материал принимает первоначальные размеры и форму), называют упругими; деформации, не исчезающие после снятия нагрузки (т. е. материал сохраняет полученное уд­линение), называют ос­таточными, или пластическими.

Различают следующие, основные виды деформации:

  • сжатие;
  • растяжение;
  • кручение;
  • сдвиг (срез);
  • из­гиб (рис. 4).
Основные виды деформации

Основные виды деформации

Сжатие — это де­формация, характеризуе­мая уменьшением объема тела под действием- сдавли­вающих его сил. Сжатие испытывают колонны, на которые опираются своды, фундаменты машин, котлов и др.

Растяжение — это деформация, характери­зуемая увеличением длины тела (стержня), когда к обоим его концам приложены силы, рав­нодействующие которых направлены вдоль оси тела (стержня). Растяжение испытывают тросы, к которым подвешены грузы, болты, крепящие детали и механизмы, приводные ремни и др.

Кручение — это деформация тела (стержня, бруска) с одним закрепленным концом под действием пары сил (две равные противопо­ложно направленные силы), плоскость которых перпендикулярна к оси тела (например, валы станков, двигателей и т. п.).

Произведение силы, вызывающей скручивание, на расстояние между обеими силами называется крутящим моментом.

Сдвиг (срез). Если две силы направлены друг другу навстречу и направление сил лежит не на одной прямой, но близко друг к другу, то при достаточной величине сил происходит срез. На срез работают заклепки, стяжные болты и др.

Деформация, предшествовавшая срезу и заключающаяся в перека­шивании прямых углов элементарных параллелепипедов, называется сдвигом. При сдвиге соседние сечения детали сдвигаются одно относительно другого, оставаясь параллельными.

Изгиб — это деформация тела (бруса, балки) под действием внешних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформируе­мого тела.

Изгиб испытывают балки, на которых подвешены тали для подъема груза, стрелы подъемных кранов, рельсы под тяжестью поезда, валы машин и т. д.

Длинные и сравнительно тонкие детали (валы, трубы, брусья, бал­ки), находящиеся на двух опорах, подвергаются также деформации изгиба только от собственного веса, если расстояние между опорами больше допустимых пределов для данного сечения детали.

Основными показателями, характеризующими механические свой­ства металлических материалов, являются прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

Прочность металла

Под прочностью металла или сплава понимают его свойст­во сопротивляться разрушению под действием внешних сил (нагрузок). В зависимости от характера действия этих сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, усталость и ползучесть.

Для испытания на растяжение из данного металла изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены государственным стандартом (рис. 5).

Образцы для испытания на растяжение

Образцы для испытания на растяжение

Расчетная длина образцов равна десятикратному или пятикратному диаметру, образец диаметром 20 мм принято называть нормальным.

Головки образцов, помещаемые в захваты разрывных машин, а также закругления переходной части, не участвующие в испытании, имеют также установленные размеры.

Если профиль металла не позволяет изготовить образцы круглого сечения (например, из листового металла), для испытания берут плос­кие образцы. Испытание прочности труб, тонких прутков и проволоки производится в натуральном виде, т. е. без изготовления образцов.

Испытание на растяжение производится на разрывных машинах (рис. 6). Наиболее распространенной является разрывная машина ИМ12А. Основной ее частью является станина, захваты 3 и 5 служат для закрепления испытуемого об­разца 4. Верхний захват 5 связан с устройством для измерения си­лы, а нижний 3 при помощи особо­го механизма во время испытания перемещается с постоянной ско­ростью 2 мм/мин, растягивая об­разец.

Машина ИМ-12А для испытания металлов на растяжение

Машина ИМ-12А для испытания металлов на растяжение

При увеличении силы, растягивающей образец, верхний захват несколько смещается вниз и поворачивает верхний рычаг 6. Второй конец этого рычага соединен с маятником 1. Чем больше сила, растя­гивающая образец, тем дальше отклоняется маятник от положения равновесия. На оси маятника закреплена стрелка, указывающая на шкале силу, приложенную к образцу, в любой момент испытания.

Машина имеет механизм, который автоматически записывает на бумажной ленте диаграмму растяжения, позволяющую установить зависимость между приложенной к образцу нагрузкой и его удлине­нием. Машина ИМ12А рассчитана на усилие 12 Т.

Эта диаграмма характеризует поведение материала при разных нагрузках. Условная диаграмма растяжения для мягкой углеродистой стали изображена на рис. 7.

Диаграмма растяжения для мягкой углеродистой стали

Диаграмма растяжения для мягкой углеродистой стали

По вертикальной оси от точки О, т. е. снизу вверх, на диаграмме отложены величины нагрузки, приложенной к образцу. На горизон­тальной оси отложены величины удлинения образцов каждый момент испытания. Любая точка на кривой диаграммы показывает напряже­ние образца, характе­ризуемое отношением величины нагрузки в данной точке к пер­воначальной площади его поперечного сече­ния.

Отрезок прямой ОРр на диаграмме от точки О до Рр показывает, что между нагрузкой, прилагаемой к образ­цу, и его удлинением существует пропор­циональная зависи­мость, т. е. во сколько

раз увеличилась нагрузка, во столько же раз возросло удлинение об­разца. Такая зависимость сохраняется до нагрузки, соответствующей точке РР, при которой напряжение образца достигает предела пропорциональности. При более высокой нагрузке про­порциональная зависимость между нагрузкой и удлинением образца нарушается: удлинение растет быстрее, чем нагрузка.

Напряжение в точке Рр может приближенно характеризовать и предел упругости данного металла, т. е. условное напряже­ние, при котором остаточное удлинение впервые достигает некоторой малой величины.

При дальнейшем увеличении нагрузки (выше точки Рр) на гори­зонтальном участке в точке Рs происходит удлинение без приращения нагрузки. Если металл обладает достаточной пластичностью, он как бы «течет», т. е. образец удлиняется при достигнутой постоянной вели­чине нагрузки.

Нагрузка Рr вызывает напряжение, называемое пределом текучести металла σт.

Следовательно, предел текучести

σт = Рr/Fкг/мм2,

где Рr — наибольшая нагрузка, при которой образец разрушает­ся, кГ;

Fo — площадь поперечного сечения образца до разрыва, мм2.

Предел текучести и предел прочности являются важнейшими харак­теристиками при расчете прочности детали.

При нагрузке выше точки Рs происходит непрерывное удлинение образца. В точке Рн, т. е. при наибольшей нагрузке, предшествующей разрыву, образец начинает уменьшаться в поперечном сечении. Затем образец разрушается, что сопровождается некоторым падением на­грузки. По положению точки Р определяют величину нагрузки, соот­ветствующую пределу прочности при растяжении.

Пластичность металла характеризуется длиной участка ОА на горизонтальной оси. Чем больше длина участка, тем пластичнее ме­талл.

Пластичность металла

Пластичностью называют способность металла, не разру­шаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять изменен­ную форму после того, как нагрузка будет снята.

Пластичность металлов определяют также при испытании на растя­жение. Под действием нагрузки образцы разных металлов удлиняются, а их поперечное сечение становится меньше. По величине удлинения образца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности. Чем больше удлиняется образец, тем более пластичен металл. Пластичные металлы и сплавы хорошо поддаются обработке давлением.

В противоположность пластичным хрупкие металлы при испы­тании на разрыв под действием нагрузки разрушаются без изме­нения формы, т. е. они не получают удлинения или оно незначи­тельно.

Характеристикой пластичности металлов являются относительное удлинение и относительное сужение.

Относительным удлинением δ (дельта) называется отношение величины приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах. Таким образом, общее выражение для расчета величины относительного удлинения имеет следующий вид:

 δ = l1 — l0 / l0 · 100%,

где l1— длина после разрыва, мм;

l — первоначальная длина расчетной части образца, мм.

Относительное сужение Ψ (пси) — отношение умень­шения площади поперечного сечения образца после испытания к пер­воначальной площади его поперечного сечения, выраженное в про­центах:

Ψ = F0 — F1 / F • 100%,

где F — площадь поперечного сечения образца до начала испытания, мм2;

F1 — площадь поперечного сечения в месте разрыва образца после испытания, мм2.

 Ударная вязкость

Ударной вязкостью называется способность металлов и сплавов оказывать сопротивление действию ударных нагрузок.

Вяз­кость — свойство, противоположное хрупкости.

Ударная вязкость является важной характеристикой материала деталей, которые в процессе работы машины испытывают кратковременную ударную нагрузку (Например, коленчатые валы, оси колес и др.).

Для испытаний материала на ударную вязкость изготовляют стан­дартные образцы с надрезом в виде брусков с квадратным сечением и определенных размеров. Испытание производят на машинах, имею­щих различное устройство и называемых маятниковыми копрами. Один из таких копров показан на рис. 8. Маятник 1 весом 10, 15 или 30 кГ, укрепленный на станине 2, поднимают на высоту Н и закрепля­ют в этом положении защелкой. После освобождения защелки маятник падает и производит удар по образцу 3 со стороны, противоположной надрезу.

Маятниковый копер

Маятниковый копер

Разрушение образцов имеет различный характер. У хрупких ме­таллов образцы разрушаются без изменения формы, у вязких металлов они подвергаются значительному изгибу в месте излома.

Чтобы измерить ударную вязкость металла, сначала вычисляют, какая работа А затрачена грузом маятника на разрушение образца. Эта работа определяется по формуле

А = Р (Н — h) кГ · м,

где Р — вес маятника, кГ;

Н — высота подъема центра тяжести маятника до удара, м;

h — высота подъема центра тяжести маятника после удара, м.

Мерой ударной вязкости служит отношение величины указанной работы А к площади поперечного сечения образца F в месте надреза. Полученная таким путем величина ударной вязкости обозначается буквой ан:

ан = A / F  кГ · м/см2.

Величина ударной вязкости ан (кГ · м/см2) для металлов: чугун 0,1—0,4, стальные заготовки 2—7, медь 5—5,5, никель 18—18,5, цинк 0,6—0,7.

При испытании на маятниковом копре следует выполнять прави­ла техники безопасности, указанные в соответствующей инструк­ции.

Твердость

Твердостью называется свойство металла оказывать сопро­тивление проникновению в него другого, более твердого тела, не полу­чающего остаточных деформаций.

Твердость тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износоустойчивость, и является важной характеристикой металла для выбора режущих инструментов (напильников, резцов, метчиков, сверл и др.). Часто по измеренной твердости металла судят о его способности сопротивляться износу, например, чем тверже сталь, тем меньше она изнашивается, и наобо­рот.

Имеется несколько методов определения твердости, особенно широ­кое распространение получили следующие из них:

  • вдавливание шарика из твердой стали (метод Бринелля) (ГОСТ 9012-59);
  • вдавливание вершины алмазного конуса (метод Роквелла) (ГОСТ 9013-59);
  • вдавливание вершины алмазной пирамиды (метод Виккерса) (ГОСТ 2999—59).

Для измерения твердости применяют стационарные и переносные приборы.

Метод Бринелля заключается в том, что шарик из закален­ной стали под действием нагрузки Р (рис. 9) вдавливается в зачищенную поверхность металла. Диаметр шарика В, нагрузку Р и время выдержки при этой нагрузке выбирают в зависимости от твердости и толщины испытуемого металла по соответствующим справочникам. Например, для черных металлов твердостью НВ 140—450 и толщиной испытуемого образца от 6 до 3 мм используют шарик диаметром 10 мм, нагрузку 3000 кГ и время выдержки 10 с; образцы толщиной менее 2 мм испытывают шариком диаметром 2,5 мм; для цветных металлов твердостью НВ 35—130 и толщиной образца от 6 до 3 мм используют шарик диаметром 5 мм, нагрузку 250 кГ и время выдержки 30 с. Методом Бринелля нельзя определять твердость металлов более НВ 450, так как под значительной нагрузкой стальной шарик изменяет форму и дает неправильный отпечаток.

Определение твердости металла по Бринеллю

Определение твердости металла по Бринеллю

Испытание на твердость металла по методу Бринелля вдавливанием стального шарика производят на приборе ТБ (рис, 9, а). Стальной шарик крепят в шпинделе 1 прибора. Испытуемый образец 2 ставят на предметный столик Зу который подводят к шарику вращением махо­вика 4. При включении электродвигателя 5 груз 6 опускается и сталь­ной шарик с помощью рычажной системы вдавливается в образец (рис. 9, в, г). Сначала вдавливание про­изводится медленно, затем постепенно нагрузка увеличивается и выдерживает­ся для получения точных границ отпе­чатка (рис. 9, б).

Исследуемый образец снимают со сто­лика и измеряют диаметр полученного отпечатка (лунки) при помощи специаль­ной лупы с ценой деления шкалы 0,1 мм (рис. 9, д);

Твердость по Бринеллю обозначается буквами НВ и определяется как отно­шение нагрузки Р (кГ), приходящейся на 1 мм2 сферической поверхности от­печатка F, по формуле

НВ= P / F кГ/мм2,

где Р — величина нагрузки, кГ;

F — площадь сферической поверх­ности отпечатка, мм2.

Поверхность испытуемого образца обрабатывается в виде плоскости так, чтобы края отпечатка были достаточно отчетливы для измерения его диаметра с требуемой точностью. Поверхность ис­пытуемого образца должна быть свобод­на от окалины и других включений.

Определение твердости металла по Роквеллу

Определение твердости металла по Роквеллу

Метод Роквелла отличается от метода Бринелля тем, что измеряется не диаметр отпечатка (лунки), а его глу­бина. Чем больше глубина вдавливания, тем меньше твердость испытуемого об­разца. Алмазный конус с углом верши­ны 120° (рис. 10, б) и радиусом при вершине 0,2 мм (или стальной шарик диаметром 1,59 мм) вдавливается в ис­пытуемый образец под действием двух последовательно прилагаемых нагру­зок — предварительной нагрузки, рав­ной 10 кГ, а затем полной (предвари­тельная плюс основная) нагрузки 60 кГ (шкала А) или 150 кГ (шкала С). Ис­пытание производится на приборе ТР. Алмазный конус (или сталь­ной шарик) 3 крепят в шпинделе 4 прибора (рис. 10, а). Испы­туемый образец 5 устанавливают на предметный столик 2 и под­нимают при помощи подъемногр винта 9 вращением маховика 1. Ручкой 7 освобождают груз 5, который создает усилие для вдав­ливания алмазного конуса (или стального шарика) 3 в металл. Величину вдавливания определяют непосредственно по шкалам А, В и С циферблата индикатора 6 (без измерения отпечатка и расче­тов).

При измерении твердости стандартной нагрузки 150 кГ значение твердости НR отсчитывается по наружной черной шкале С индикатора, причем к обозначению твердости добавляется индекс шкалы С, т. е. HRC.

При измерении твердости тонкого образца и поверхностного слоя металла со стандартной нагрузкой 60 кГ, отсчет ведется по черной шкале А; к обозначению твердости добавляется индекс шкалы A, т.е. HRA.

При измерении твердости мягких металлов (цветных металлов, отожженной стали) стальным шариком со стандартной нагрузкой 100 кГ отсчет ведется по внутренней красной шкале В к обозначению твердости добавляется индекс шкалы В т. е. HRВ.

 

Метод Виккерса применяется для испытания черных и цветных металлов и твердых сплавов, мелких деталей и твердых тон­ких поверхностных слоев — цементированных, азотированных и др.

При испытании твердости методом Виккерса на стационарном при­боре ТВ в образец под нагрузкой до 100 кГ вдавливается вершина алмазной четырехгранной пирамиды с углом между гранями 136°, затем при помощи микроскопа, присоединенного к прибору, определя­ется размер диагонали отпечатка квадратной формы.

На рис. 11 изображены прибор ТВ для испытания твердости вдав­ливанием вершины алмазной пирамиды, наконечник четырехгранной алмазной пирамиды и схема измерения диагонали отпечатка квадрат­ной формы, оставленного вершиной алмазной пирамиды на поверх­ности испытуемого металла.

Прибор и схема определения твердости металла по Виккерсу

Прибор и схема определения твердости металла по Виккерсу

Этот метод дает очень тонкие показатели и применим к металлам любой твердости. Преимуществом метода Виккерса является возмож­ность испытания тонкого слоя поверхности металла после различных видов обработки.

Твердость металла определяется отношением нагрузки Р в кГ, создаваемой-прибором, к площади отпечатка F в мм2, вычисленной по его диагонали, и обозначается HV:

HV = P / F кГ/мм2.

Обычно твердость по Виккерсу определяется по специальным таб­лицам по значению длины диагонали отпечатка.

Нашей промышленностью выпускаются также твердомеры ТК-3, широко используемые в заводской практике (рис. 12). Твердомер ТК-3 предназначен для определения твердости металлов методом вдав­ливания алмазного конуса или стального шарика. Глубина, на ко­торую проникает алмазный конус или стальной шарик под действи­ем двух последовательно прило­женных нагрузок, характеризует твердость испытуемого металла.

Твердомер ТК-3

Твердомер ТК-3

На испытуемой и опорной по­верхностях не должно быть тре­щин, грубых следов обработки, ца­рапин, выбоин, грязи, смазки или каких-либо покрытий.

На приборе рекомендуется про­изводить испытания твердости ме­таллов в следующих пределах: по шкале С от 20 до 70, по шкале В от 25 до 100.

Прибор имеет основание 1 и кор­пус 13, скрепленные между собой двумя стойками. На основании смонтирована втулка 2, в которой с помощью маховика 3 перемеща­ется подъемный винт 4. На винт устанавливается предметный сто­лик 5 для испытуемых деталей. В корпусе 13 монтируется ры­чажная система 12 прибора, узел шпинделя 8 и индикатор 10. В шпиндель вставляется алмазный конус 6 или оправка со стальным шариком диаметром 1,588 мм. Предвари­тельная нагрузка создается винтом 4У который поджимает испытуемый образец к наконечнику. Полная нагрузка передается на наконечник от груза 15.

Приложение нагрузки осуществляется поворотом рукоятки 11 от себя, а плавность приложения нагрузки обеспечивается масляным амортизатором 9. Величину нагрузки определяют по индикатору 10. Цена деления шкалы индикатора соответствует углублению наконеч­ника (конуса, шарика) на 0,002 мм.

По выбранной шкале подбирают грузы, устанавливают и закреп­ляют винтом 7 соответствующий наконечник. На стол помещают ис­пытуемый образец и вращением маховика 3 по часовой стрелке поджи­мают его к наконечнику до тех пор, пока малая стрелка индикатора не станет против красной точки, а большая — в пределах пяти деле­ний от вертикальной оси.

Вращая шкалу индикатора, нужно установить нуль шкалы С (чер­ной шкалы) против конца большой стрелки индикатора.

Каждую деталь рекомендуется подвергать испытанию не менее трех раз. Первые два испытания после смены шарика или алмаза в расчет не принимаются. При более высокой твердости испытание шариком становится недостаточно точным ввиду малой глубины про­никновения шарика в металл (меньше 0,06 мм).

Усталость металлов

Усталостью металлов называют явление разрушения при многократном действии нагрузки. Повторение нагрузок значи­тельно уменьшает прочность металла или сплава. Поэтому в технике для характеристики усталости металлов принято понятие выносливости.

Под пределом Выносливости подразумевается то наибольшее напря­жение, которое выдерживает металл, не разрушаясь после заданного числа перемен нагрузок (циклов).

Причиной разрушения металлов от усталости является хрупкое состояние, которое объясняется появлением в слабых местах металла постепенно увеличивающихся микротрещин. В результате разрушение наступает при напряжениях, меньших предела упругости.

Данное явление учитывают в сильно нагруженных и быстроходных машинах, в которых усталостному разрушению под действием часто повторяющихся переменных нагрузок подвержены шатуны двигателей, коленчатые валы, пальцы, поршни и другие детали. Для сталей число перемен нагрузок (циклов) установлено 10 млн., а для цветных метал­лов 20—100 млн. Испытание на усталость проводят на специальных машинах (типа Шенк), создающих в металле напряжения переменного изгиба при вращении стального образца, заложенного в машину. Число циклов (оборотов) испытуемых образцов до разрушения регист­рируется специальным счетчиком.

Технологические свойства металлов

При выборе металлов и сплавов для изготовления деталей, машин и конструкций большое значение имеют технологические свойства, под которыми понимают способность металла подвергаться различным видам обработки.

Из технологических свойств наибольшее значение имеют обрабаты­ваемость, свариваемость, ковкость, прокаливаемость, жидкотекучесть.

Обрабатываемость — комплексное свойство материала, в частности металла, характеризующее способность его подвергаться обработке резанием. Обычно обрабатываемость определяется по ско­рости резания, по усилию резания и качеству обработки.

Испытание по скорости и усилию резания производится путем, сравнения показателей, полученных при обработке данного металла, с показателями обрабатываемости определенной марки стали (автомат­ная сталь марки А12 — серы 0,8—0,20%).

Показатель качества обработанной поверхности определяют из­мерением высоты неровностей, образующихся на поверхности металла после снятия стружки режущим инструментом.

Свариваемость — свойство металла давать доброкачест­венное соединение при сварке,характеризующееся отсутствием тре­щин и других пороков металла в швах и прилегающих к шву зонах. Хорошей свариваемостью обладает низко углеродистая сталь, значи­тельно худшей свариваемостью обладают чугун, медные и алюминие­вые сплавы.

Свариваемость специальных сталей (за исключением хромистых), цветных металлов и сплавов при определенных технологических усло­виях удовлетворительная.

Ковкость — способность металлов и сплавов без разрушения изменять свою форму при обработке давлением. Железо, меда, никель, алюминий, цинк, олово, свинец, сталь, латунь и многие другие метал­лические материалы обладают достаточно хорошей ковкостью, что позволяет подвергать их прессованию, прокатке, протяжке, ковке и штамповке.

Хорошей ковкостью обладает сталь в нагретом состоянии, а в хо­лодном состоянии — латунь и алюминиевые сплавы; пониженной ковкостью характеризуется бронза.

Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности. Прокаливаемость стали Зависит от присутствия легирующих элементов в стали и разме­ров зерен стали. Прокаливаемость стали определяется эксперимен­тально, путем измерения твердости в сечении закаленного образца, а также рядом других методов, например при помощи торцовой за­калки образцов.

Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму. Определение жидкотекучести металла производится при помощи специальных отливок виде стержней, спиралей, решеток, клиньев и подобных проб. Для повышения жидкотекучести металлов и сплавов к ним до­бавляют легирующие компоненты, например фосфор — к медным сплавам и чугуну, кремний — к алюминию.

Усадкой называется уменьшение объема или линейных размеров расплавленного металла или сплава при его охлаждении до ком­натной температуры. Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.

На степень усадки влияют многие факторы: химический состав металла, скорость охлаждения и др.

 Технологические пробы

Технологическими пробами называются испытания металлов, выполняемые несложными способами и без тщательного измерения наблюдаемых свойств.

Такие испытания имеют целью выявить способность металла к тем или иным деформациям, которым он подвергается при работе или при обработке в холодном или горячем состоянии.

Качество металла по технологическим пробам определяется по внешнему виду после испытания (отсутствие надрывов, трещин, рас­слоения или излома свидетельствует о том, что металл выдержал пробу).

Некоторые технологические пробы стандартизированы, т. е. ис­пытания производятся по определенным-правилам. Этими правилами установлены размеры и формы образцов испытуемых металлов, ин­струментов и приспособлений для выполнения пробы.

Проба на загиб служит для определения способности ме­талла (листов, прутков, различных профилей и т. д.) принимать задан­ный по размерам и форме загиб без надрывов и трещин.

Проба на загиб применяется для пластических металлов при тол­щине не более 30 мм и производится в нагретом или холодном сос­тоянии.

Различают загиб на определенный угол, до параллельности загнутых сторон или до соприкосновения сторон (рис. 13, а). Вид загиба должен быть оговорен в технических условиях.

Технологические пробы

Технологические пробы

Для проведения пробы на загиб применяют специальные машины, прессы, тиски с закругленными губками. Образцы, выдержавшие пробу, не должны иметь после загиба надлома, надрывов или трещин.

Проба на перегиб служит для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб и применяется при испытании качества полосового и листового материала длиной 100— 150 мм, шириной до 20 мм и толщиной до 5 мм, а также проволоки и прутков диаметром от 0,8 до 7 мм.

Проба проводится только в холодном состоянии. Проба состоит в загибе и разгибе образца в плоскости, перпендикулярной линии вза­имного касания губок прибора, в котором образец зажимается в вертикальном положении. Загиб образца производится попеременно в правую и левую сторону на 90° с равномерной скоростью не более 60 перегибов в минуту до определенного числа перегибов, указанного в технических условиях.

Проба на перегиб имеет важное значение для оценки способности к деформированию проволоки, при испытании которой на разрыв не­возможно определить это свойство.

Проба на навивание проволоки позволяет определить способность проволоки диаметром до 6 мм принимать заданную форму. Кусок проволоки (рис. 13, б) навивают на круглый стержень (оправку) 5—10 витками. Качество проволоки определяется способностью вы­держивать без повреждений навивание плотно прилегающими витками на стержень и развивание в холодном состоянии. Чем пластичнее про­волока, тем плотнее будет ее прилегание к стержню.

Проба труб на сплющивание (рис. 13, в) произво­дится для определения качества труб по их свойству сплющиваться без повреждений под давлением пресса, молота или от ударов молотка до предела, установленного техническими условиями. Длина образца выбирается равной диаметру трубы. В зависимости от технических условий испытание может производиться в холодном и горячем состоя­нии. Признаком того, что образец выдержал ис­пытание, служит отсутствие в нем после сплю­щивания трещин или надрывов.

Проба труб на загиб применяется для определения способности образца трубы за­гибаться без повреждений. Испытание состоит в том, что заполненную сухим чистым речным песком трубу изгибают вокруг оправки на угол 90°. После загиба (рис. 13, г) труба не должна иметь надрывов, трещин, отслоений и других де­фектов. Диаметр оправки определяется техниче­скими требованиями.

Проба труб на бортование (рис. 14) имеет целью установить способность их подвергаться деформациям.

Проба на бортование труб

Проба на бортование труб

Определение марки стали по искре. В производственных условиях можно приблизи­тельно определить марку стали путем искровой пробы. Основана эта проба на том, что при обработке стали абразивными кругами образуется Мелкая стружка, которая, сгорая в воздухе, дает сноп искр, отличающихся друг от друга по форме и цвету. Чем больше в стали содержится углерода, тем больше в ее искрах светлых звездочек. Присутствие в стали вольф­рама можно установить по красному цвету искр, наличие хрома — по оранжевому и т. д. Таким образом, при известном навыке проба на искру позволяет приблизительно судить о химическом составе стали. Более точно химический состав стали определяют в специ­альных заводских лабораториях.

Метод определения стали по искре применяется при наличии стан­ков с соответствующими абразивными кругами и специальных этало­нов, используемых для сравнения характера искр. При возможности следует пользоваться заводскими лабораториями.