Механічні властивості і способи визначення їх кількісних характе-ристик: твердість, в'язкість, втомна міцність. Технологічні та експлуатаційні властивості
Твердість - це опір матеріалу проникненню в його поверхню стандартного тіла (індентора), не деформується при випробуванні.
Широке поширення пояснюється тим, що не потрібні спеціальні зразки.
Це неруйнівний метод контролю. Основний метод оцінки якості термічній обробці вироби. Про твердості судять або по глибині проникнення індентора (метод Роквелла), або за величиною відбитка від вдавлення (методи Брінелля, Віккерса, мікротвердості).
У всіх випадках відбувається пластична деформація матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичної деформації, тим вище твердість.
Найбільшого поширення набули методи Брінелля, Роквелла, Віккерса і мікротвердості. Схеми випробувань представлені на рис. 7.1.
Мал. 7.1. Схеми визначення твердості:
а - по Брінеллю; б - по Роквеллу; в - за Віккерсом
Твердість по Брінеллю (ГОСТ 9012)
Випробування проводять на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)
Як індентора використовується сталевий загартований кульку діаметром D 2,5; 5; 10 мм, в залежності від товщини виробу.
Навантаження Р, в залежності від діаметра кульки і вимірюваної твердості: для термічно обробленої сталі і чавуну -. литої бронзи і латуні -. алюмінію та інших дуже м'яких металів -.
Тривалість витримки τ: для стали і чавуну - 10 с, для латуні і бронзи - 30 с.
Отриманий відбиток вимірюється в двох взаємно перпендикулярних напрямках за допомогою лупи Бринелля.
Твердість визначається як відношення прикладеного навантаження Р до сферичної поверхні відбитка F:
Стандартними умовами є: D ═ 10 мм; Р ═ 3000 кгс; τ ═ 10 с. В цьому випадку твердість по Бринеллю позначається НВ 250, в інших випадках вказуються умови. НВ D / P / τ, НВ 5/250/30 - 80.
Метод Роквелла (ГОСТ 9013)
Заснований на вдавливании в поверхню наконечника під певним навантаженням (рис. 7.1 б)
Индентор для м'яких матеріалів (до НВ 230) - сталева кулька діаметром 1/16 "(Ø1,6 мм), для більш твердих матеріалів - конус алмазний.
Навантаження здійснюється в два етапи. Спочатку прикладається попереднє навантаження (10 КТС) для щільного зіткнення наконечника зі зразком. Потім прикладається основне навантаження Р1. напротязі деякого часу діє спільна робоча навантаження Р. Після зняття основного навантаження визначають значення твердості по глибині залишкового вдавлення наконечника h під навантаженням.
Залежно від природи матеріалу використовують три шкали твердості А, В, С (табл. 7.1)
Таблиця 7.1. Шкали для визначення твердості по Роквеллу
Твердість визначається за величиною відбитка (рис.7.1 в).
Як індентора використовується алмазна чотиригранна піраміда.с кутом при вершині 136º.
Твердість розраховується як відношення прикладеного навантаження P до площі поверхні відбитка F:
Навантаження Р становить 5 ... 100 кгс. Діагональ відбитка d вимірюється за допомогою мікроскопа, встановленого на приладі.
Перевага даного способу в тому, що можна вимірювати твердість будь-яких матеріалів, тонкі вироби, поверхневі слоі.Високая точність і чутливість методу.
Спосіб мікротвердості застосовують для визначення твердості окремих структурних складових і фаз сплаву, дуже тонких поверхневих шарів (соті частки міліметра).
Аналогічний способу Віккерса. Индентор - піраміда менших розмірів, навантаження при вдавливании Р складають 5 ... 500 гс
Алмазним конусом, пірамідою або кулькою наноситься подряпина, яка є мірою. При нанесенні подряпин на інші матеріали і порівнянні їх з заходом судять про твердість матеріалу.
Можна нанести подряпину шириною 10 мм під дією певного навантаження. Спостерігають за величиною навантаження, яка дає цю ширину.
Динамічний метод (по Шору)
Шарик кидають на поверхню із заданою висоти, він відскакує на певну величину. Чим більше величина відскоку, тим твердіше матеріал.
В результаті проведення динамічних випробувань на ударний вигин спеціальних зразків з надрізом (ГОСТ 9454) оцінюється в'язкість матеріалів і встановлюється їх схильність до переходу з в'язкого стану в крихкий.
В'язкість - здатність матеріалу поглинати механічну енергію зовнішніх сил за рахунок пластичної деформації.
Є енергетичною характеристикою матеріалу, виражається в одиницях роботи. В'язкість металів і сплавів визначається їх хімічним складом, термічною обробкою і іншими внутрішніми факторами. Також в'язкість залежить від умов, в яких працює метал (температури, швидкості навантаження, наявності концентраторів напруги).
З підвищенням температури в'язкість збільшується (див. Рис. 7. 2).
Межа плинності Sт істотно змінюється зі зміною температури, а опір відриву Sот не залежить від температури. При температурі вище Тв межа плинності менша опору відриву. При навантаженні спочатку має місце пластична деформація, а потім - руйнування. Метал знаходиться в в'язкому стані.
Прт температурі нижче Тн опір відриву менше межі текучості. У цьому випадку метал руйнується без попередньої деформації, тобто знаходиться в крихкому стані. Перехід з в'язкого стану в крихкий здійснюється в інтервалі температур
Хладоломкості називається схильність металу до переходу в крихке стан зі зниженням температури.
Хладоломкості є залізо, вольфрам, цинк та інші метали, що мають об'ємно-центровану кубічну і гексагональними щільноупакованими кристалічну решітку.
Мал. 7.2. Вплив температури на пластичне і крихке стан
Способи оцінки в'язкості.
Ударна в'язкість характеризує надійність матеріалу, його здатність чинити опір крихкому руйнуванню
Випробування проводять на зразках з надрізами певної форми і розмірів. Зразок встановлюють на опорах копра надрізом в сторону, протилежну удару ножа маятника, який піднімають на певну висоту (рис. 7.3)
Рис.7.3. Схема випробування на ударну в'язкість:
а - схема маятникового копра; б - стандартний зразок з надрізом;
в - види концентраторів напружень; г - залежність в'язкості від температури
На руйнування зразка витрачається робота:
де: Р - вага маятника, Н - висота підйому маятника до удару, h - висота підйому маятника після удару.
Характеристикою в'язкості є ударна в'язкість (ан), - питома робота руйнування.
де: F0 - площа поперечного перерізу в місці надрізу.
У ГОСТ 9454 ударна в'язкість позначається KCV. KCU. KCT. KC - символ ударної в'язкості, третій символ показує вид надрізу: гострий (V), з радіусом заокруглення (U), тріщина (Т) (рис. 7.3 в)
Серійні випробування для оцінки схильності металу до хладоломкості і визначення критичних порогів хладоломкості.
Відчувають серію зразків при різних температурах і будують криві ударна в'язкість - температура (ан - Т) (рис. 7.3 г), визначаючи пороги хладоломкості.
Поріг хладоломкості - температурний інтервал зміни характеру руйнування, є важливим параметром конструкційної міцності. Чим нижче поріг хладоломкості, тим менш чутливий метал до концентраторів напружень (різкі переходи, отвори, ризики), до швидкості деформації.
Оцінка в'язкості по виду зламу.
При в'язкому стані металу в зламі більше 90% волокон, за верхній поріг хладоломкості Тв приймається температура, що забезпечує такий стан. При крихкому стані металу в зламі 10% волокон, за нижній поріг хладоломкості Тн приймається температура, що забезпечує такий стан. У техніці за поріг хладоломкості приймають температуру, при якій в зламі 50% в'язкої складової. Причому ця температура повинна бути нижче температури експлуатації виробів не менше ніж на 40ºС.
Випробування на виностівость (ГОСТ 2860) дають характеристики втомної міцності.
Втома - руйнування матеріалу при повторних знакозмінних напружених, величина яких не перевищує межі текучості.
Втомна міцність - здатність матеріалу чинити опір втоми.
Процес втоми складається з трьох етапів, відповідні цим етапам зони в зламі показані на рис.7.4.
Рис 7.4. Схема зародження і розвитку тріщини при змінному вигині
1 - утворення тріщини в найбільш навантаженої частини перетину, яка піддавалася мікродеформацій і отримала максимальне зміцнення
2 - поступове поширення тріщини, гладка притерта поверхню
3 - остаточне руйнування, зона "доломіт", живий перетин зменшується, а справжнє напруга збільшується, поки не відбувається руйнування, крихке або в'язке
Характеристики втомної міцності визначаються при циклічних випробуваннях "вигин при обертанні". Схема представлена на рис. 7.5.
Мал. 7.5. Випробування на втому (а), крива втоми (б)
Межа винослівпсті (σ -1 - при симетричному зміні навантаження, σR - при несиметричному зміні навантаження) - максимальна напруга, витримується матеріалом за довільно велике число циклів навантаження N.
Обмежений межа витривалості - максимальна напруга, витримується матеріалом за певне число циклів навантаження або час.
Живучість - різниця між числом циклів до повного руйнування і числом циклів до появи втомної трещінию.
технологічні властивості
Технологічні властивості характеризують здатність матеріалу піддаватися різним способам холодної та гарячої обробки.
1. Ливарні властивості.
Характеризують здатність матеріалу до отримання з нього якісних виливків.
Жидкотекучесть - здатність розплавленого металу заповнювати ливарну форму.
Усадка (лінійна і об'ємна) - характеризує здатність матеріалу змінювати свої лінійні розміри і обсяг в процесі затвердіння і охолодження. Для попередження лінійної усадки при створенні моделей використовують нестандартні метри з урахуванням усадки певного металу.
Ізоляція - неоднорідність хімічного складу за обсягом.
2. Здатність матеріалу до обробки тиском.
Це здатність матеріалу змінювати розміри і форму під впливом зовнішніх навантажень, не руйнуючись.
Вона контролюється в результаті технологічних випробувань, що проводяться в умовах, максимально наближених до виробничих.
Листовий матеріал відчувають на перегин і витяжку сферичної лунки. Дріт відчувають на перегин, скручування, на навивання. Труби відчувають на роздачу, сплющивание до певної висоти і вигин.
Критерієм придатності матеріалу є відсутність дефектів після випробування.
Це здатність матеріалу утворювати нероз'ємні з'єднання необхідної якості. Оцінюється за якістю зварного шва.
4. Здатність до обробки різанням.
Характеризує здатність матеріалу піддаватися обробці різних ріжучим інструментом. Оцінюється по стійкості інструмента і за якістю поверхневого шару.
Експлуатаційні властивості характеризують здатність матеріалу працювати в конкретних умовах.
Зносостійкість - здатність матеріалу чинити опір поверхневого руйнування під дією зовнішнього тертя.
Корозійна стійкість - здатність матеріалу чинити опір дії агресивних кислотних, лужних середовищ.
Жаростійкість - це здатність матеріалу чинити опір окисленню в газовому середовищі при високій температурі.
Жароміцність - це здатність матеріалу зберігати свої властивості при високих температурах.
Хладостойкость - здатність матеріалу зберігати пластичні властивості при негативних температурах.
Антіфрікционность - здатність матеріалу прірабативала до іншого матеріалу.
Ці властивості визначаються спеціальними випробуваннями в залежності від умов роботи виробів.
При виборі матеріалу для створення конструкції необхідно повністю враховувати механічні, технологічні та експлуатаційні властивості.