Свойства металлов и методы их испытаний кратко

Обновлено: 02.07.2024

Название работы Кол-во страниц Размер
1. Первопринципные методы расчета 3 279.62kb.
Лабораторная работа №3 определение механических свойств строительных. 1 56.91kb.
Лабораторная работа №2 определение гидрофизических и теплофизических. 1 151.93kb.
Методы испытаний на растяжение 7 562.06kb.
Лабораторная работа №6 Методы испытаний различных теплоизоляционных. 1 131.93kb.
Лекция 1 методы проекций п л а н: Предмет начертательной геометрии 1 245.83kb.
Строение и свойства металлических материалов 1 99.36kb.
Лекция 11 11 Виды термической обработки металлов 1 80.88kb.
Урока Наименование разделов и тем программы 4 429.94kb.
Урока Наименование разделов и тем программы 1 233.51kb.
Лекция методы прогнозирования и планирования план Система методов. 1 129.75kb.
Экзаменационные вопросы по материаловедению 1 83.58kb.
Направления изучения представлений о справедливости 1 202.17kb.

Свойства материалов и методы их испытаний.

Чтобы правильно выбрать материал для изготовления различных деталей машин и инструментов, необходимо знать свойства материалов.

Все свойства металлов и сплавов делятся на ф и з и ч е с к и е, х и м и ч е с к и е, м е х а н и ч е с к и е и т е х н о л о г и ч е с к и е.

К физическим относятся свойства такие как: металлический блеск, плотность, …. . К химическим: окисляемость, коррозионная стойкость, … Их вы изучали на других дисциплинах.(Повторите самостоятельно).
Механические свойства и способы определения их количественных характеристик: твердость, вязкость, усталостная прочность
Механическими свойствами называется совокупность свойств, характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок). К механическим свойствам можно отнести: прочность, твёрдость, пластичность, упругость, вязкость, хрупкость, усталость, ползучесть и износостойкость.
Механические свойства металлов являются основной характеристикой, поэтому на заводах созданы специальные лаборатории, где производятся различные испытания с целью определения этих свойств.

Механические испытания делят на

- статические, при которых нагрузка, действующая на образец, остаётся постоянной или возрастает крайне медленно;

- динамические (ударные);

- испытания при повторных или знакопеременных нагрузках.
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.


Рис. 7.1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу;

в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .


Продолжительность выдержки: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:




Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла ГОСТ 9013

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)


Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой .

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 7.1)

Таблица 7.1.Шкалы для определения твердости по Роквеллу


Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136 o .

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:


Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс


Метод царапания.

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических испытаний на ударный изгиб специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Влияние температуры.

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести Sт существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву Sот не зависит от температуры. При температуре выше Тв предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.


Прт температуре ниже Тн сопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.


Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)


Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость: а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом; в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:


где: Р – вес маятника, Н – высота подъема маятника до удара, h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан), - удельная работа разрушения.


где: F0 - площадь поперечного сечения в месте надреза.

ГОСТ 9454 – 78 ударную вязкость обозначает KCV. KCU. KCT. KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( ан – Т) (рис. 7.3 г), определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости - температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Оценка вязкости по виду излома.

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Тв принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Тн принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 o С.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость - разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.


Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.
Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2 – постепенное распространение трецины, гладкая притертая поверхность

3 – окончательное разрушение, зона “долома“, живое сечение уменьшается,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение хрупкое или вязкое

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе круглого образца

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“.

Схема представлена на рис. 7.5.


Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики:

Предел выносливпсти ( – при симметричном изменении нагрузки, – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Технологические и эксплуатационные свойства

Технологические свойства

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

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.

Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением.

Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.


  1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

  2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

  3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

  4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

  5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

  6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.


Примеры технологических проб и их назначение.

Технологические пробы - это вид испытаний для выявления способности материалов принимать определённые деформации, аналогичные тем, которые претерпевают при обработке или в условиях эксплуатации.

Рассмотрим некоторые технологические пробы.

Технологические испытания на изгиб лент, полос, листов, сортового проката, поковок и отливок применяются для определения способности металла выдержать заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба.

Проба на осадку служит для определения способности металла выдержать заданную пластическую деформацию сжатия и для выявления дефектов поверхности изделий.

Проба на искру позволяет приближённо судить о химическом составе стали. При обработке сталей на абразивных кругах получается мелкая стружка, которая, сгорая на воздухе, даёт сноп искр, отличающихся по форме и цвету. Углеродистые стали дают белый пучок искр; присутствие в стали вольфрама определяют по красному цвету искр, хрома -- по оранжевому… .

Контрольные вопросы.


  1. Какие свойства металлов относятся к физическим?

  2. Какие свойства металлов относятся к химическим?

  3. Какие свойства металлов относятся к механическим?

  4. Какие свойства металлов относятся к технологическим и что они характеризуют?

  5. Что называется твёрдостью металлов?

  6. Какая существует связь между твёрдостью металлических материалов и их обрабатываемостью на металлорежущих станках?

  7. На чём основан метод Бринелля?

  8. На чём основан метод Роквелла?

  9. На чём основан метод Виккерса?

  10. Что означает твёрдость HRC 70?

  11. Как устроен и работает маятниковый копёр?

  12. Приведите примеры технологических проб и укажите их назначение.

Когда мужчина достигает возраста, в котором уже нельзя служить чиновником, садовником или полицейским, считается, что он как раз созрел для того, чтобы вершить судьбы своей страны. Сомерсет Моэм
ещё >>

Испытания металлов – это перечень исследований, проводимых на специальном оборудовании, с целью определения комплекса физико-механических свойств металла.

Коррозионные испытания в этой статье рассматривать не будем, о них поговорим отдельно.

Методы испытания металлов можно разделить на две основные группы: механические, определяющие физические свойства, и аналитические, определяющие состав и структуру металла.

Из группы механических испытаний можно выделить три основных вида:

  • Испытания на растяжение или сжатие, определяют предел прочности, предел текучести при растяжении и при сжатии, кроме того, параллельно узнают данные пластических характеристик – относительное удлинение и сужение. Испытанию подвергают как специально изготовленные стандартные образцы (ГОСТ 1497-84), так и изделия в натурную величину – арматура, прутки или участки труб, если говорить об испытании на сплющивание.
  • Испытание на ударный изгиб или так называемые ударные (динамические) испытания. В результате таких испытаний определяют ударную вязкость металла, испытывают стандартные образцы по ГОСТ 9454-78.
  • Измерение твердости металлов и сплавов. Твердость можно определять и на специальных образцах, и на самом изделии, все зависит от метода измерения твердости. Для Роквелла не нужна особая подготовка поверхности, как и для Бриннеля. А вот для измерения твердости по Виккерсу, нужно готовить специальный шлиф.

Теперь, что касается аналитических испытаний металлов. Их два основных вида:

  • Химический анализ, с его помощью определяют состав и количество элементов, из которых состоит металл или сплав. В зависимости от задач используют различные методы определения содержания элементов. Подробнее можно почитать в других наших статьях.
  • При металлографическом анализе изучают структурное состояние металла. Ведь именно структура металла определяет все его механические свойства.

БИЛЕТ 1

Строение металлов. Их свойства и методы испытания.

В нормальных условиях, большинство металлов находятся в твёрдом агрегатном состоянии. Исключения: ртуть, галлий.

Твердые металлы являются кристаллическими телами, атомы в них расположены в определённом порядке, который периодически повторяется.

Кристаллическое строение металлов можно представить в виде пространственной решетки, в узлах которой находятся положительно заряженные ионы; электроны с наружных оболочек с ядром атома связаны слабо и способны| легко перемещаться внутри металла

Характерные свойства металлов

1. Высокая тепло- и электропроводность.

2. Способность испускать электроны при нагреве (термоэлектронная эмиссия).

3. Хорошая отражательная способность.

4. Повышенная способность к пластической деформации.

5. Непрозрачны, обладают специфическим металлическим блеском.

Методы испытания: испытание на растяжение, испытание на сжатие, испытания на изгиб, испытание на удар, определение долговечности

2.Главные и вспомогательные движения при обработке резанием.Главное движение - определяет скорость отделения стружки. Часто за главное движение принимают скорость резания V. Главное движение (на рис.4 обозначено буквой Dr) может быть вращательным, поступательным, возвратно-поступательным, непрерывным или прерывистым и др.

Вспомогательныедвижения, не имеют непосредственного отношения к процессу резания (транспортировка и закрепление заготовки и инструмента, быстрые перемещения рабочих органов, переключения скоростей резания и подачи и т.п.).

Главное движение резания Dr– поступательное или вращательное движение заготовки или режущего инструмента, происходящее в процессе резания с наибольшей скоростьюu

3.Точность обработки деталей и факторы, влияющие на неё. На точность обработки на металлорежущих станках влияют следующие основные факторы.

1. Неточность станков

2. Степень точности изготовления режущего, вспомогательного инструмента и приспособлений.

3. Погрешности, вызываемые размерным износом инструмента.

4. Неточность установки инструмента и настройки станка на размер.

5. Погрешности базирования и установки обрабатываемой детали на станке или в приспособлении (например, неправильное положение детали относительно оси шпинделя и т.п.).

6. Деформации деталей станка, обрабатываемой детали и инструмента во время обработки под влиянием силы резания вследствие недостаточной жесткости их и упругой системы станок — приспособление — инструмент — деталь (СПИД).

7. Деформация детали, возникающая при её закреплении для обработки.

8. Тепловые деформации обрабатываемой детали, деталей станка и режущего инструмента в процессе обработки и деформации, возникающие под влиянием внутренних напряжений в материале детали.

9. Такое качество поверхности детали после обработки, которое может дать неправильные показания при измерениях.

10. Ошибки в измерениях вследствие неточности измерительного инструмента, неправильного пользования им, влияния температуры и т.п.

11. Ошибки исполнителя работы.

Точность детали, полученная в результате обработки, зависит от многих факторов и определяется: а) отклонениями от геометрической формы детали или ее отдельных элементов;

б) отклонениями действительных размеров детали от номинальных;

в) отклонениями поверхностей и осей детали от точного взаимного расположения (например, отклонениями от параллельности, перпендикулярности, концентричности).

© 2014-2022 — Студопедия.Нет — Информационный студенческий ресурс. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав (0.004)

Механические свойства металлов.При эксплуатации на кон­струкции, детали или инструменты действуют различные внешние усилия (нагрузки). Все действующие нагрузки можно разделить на три группы:

а) постоянно плавно возрастающие и плавно уменьша­ющиеся;

Под действием сил металл способен изменять свою форму и раз­меры, т. е. деформироваться.


Рис. 2. Виды деформаций стержня: а — растяжение;

б — сжатие; в — изгиб; г — кручение; д — срез

Деформации могут быть упругими и пластическими (остаточными). Упру­гие деформации исчезают после сня­тия нагрузки, а пластические остают­ся.

Величины деформаций зависят от значения действующих сил, а виды — от направления приложения сил. Наи­более часто встречаются следующие

основные виды деформаций: растяжение, сжатие, изгиб, кручение и срез. На практике металл подвер­гается одному или нескольким видам деформаций в зависимости от прила­гаемых сил.

При выборе металла для изготовле­ния конструкций, деталей, инструментов исходят из его механических свойств. Механическими свойствами называется совокупность качеств, характеризующих способность металлов противостоять деформации при приложении сил. К механическим свойствам относятся прочность, упругость, плас­тичность, твердость, вязкость, усталостная прочность (выносли­вость) и др. Чтобы определить механические свойства металла, его испытывают в лабораториях на специальных машинах.

Испытание металлов на растяжение.Испытание металлов на растяжение позволяет определить наиболее важ­ные механические свойства металлов: прочность, упругость и плас­тичность (рис.3).


Рис. 3. Диаграмма растяжения металлов:

а - пластичных; б - хрупких

Прочность — способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок. Упругость — способность метал­лов восстанавливать первоначальную форму и размеры после пре­кращения действия нагрузок, вызвавших их изменение. Пластич­ность— способность металлов необратимо изменять свою форму и размеры, не разрушаясь под действием нагрузок. Противоположным свойством пластичности является хрупкость.

Известно, что груз приложенный к металлическому стержню, вызывает в нем растягивающие напряжения, которые определяют как отношение нагрузки к площади поперечного сечения стержня

σ = P/F,

где σ — напряжение, Па;

Р — нагрузка, Н;

F— площадь попереч­ного сечения, м 2 .

Сравнение прочности и упругости металлов проводят по величи­не предельных напряжений.

Прочность обычно определяется пределом прочности, который равен отношению максимальной (наибольшей) нагрузки, вызвав­шей разрушение стержня, к площади его первоначального попереч­ного сечения:

σ В= Рmах / Fо

где Рmах — максимальная нагрузка, Н;

Fо — площадь первоначаль­ного поперечного сечения стержня, м 2 .

Предел прочности, называемый также временным сопротивлени­ем, — важнейшая характеристика. Если напряжения в изделии, кон­струкции или инструменте превзойдут предел прочности, то они раз­рушаются.

Упругость оценивается пределом упругости, который равен от­ношению наибольшей нагрузки, не вызывающей остаточных дефор­маций стержня, к площади его первоначального поперечного се­чения

где Руп — наибольшая нагрузка, не вызывающая остаточных де­формаций, Н.

Если напряжения в деталях превзойдут предел упругости, то они изменят свою форму и размеры, что может иметь катастрофические последствия.

Пластичность металлов характеризуется относительным удлине­нием и относительным поперечным сужением.

Относительным удлинением называется отношение приращения длины стержня после разрыва к его первоначальной длине:

δ = ──────100

где ι0 — первоначальная длина образца, мм;

ι— длина образца после разрыва, мм;

ι — ι0=۵ι — абсолютное удлинение, мм.

Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения стержня после разрыва к первона­чальной площади его поперечного сечения:

где Fо — первоначальная площадь поперечного сечения стержня;

F— площадь поперечного сечения стержня после разрыва, мм 2 ;

Fо—F = ۵F — абсолютное сужение, мм 2 .

Чем больше значение относительного удлинения и сужения, тем пластичнее металл. У хрупких металлов эти величины незначитель­ны или равны нулю. Хрупкость металла является отрицательным свойством, а пластичность положительным.

Испытание металлов на растяжение проводят на разрывных ма­шинах, которые обеспечивают приложение к образцам статических, т.е. постоянных или плавно возрастающих нагрузок.

Хрупкие металлы (чугун, закаленная сталь и др.), работающие на изгиб, испытывают не только на растяжение, но и на изгиб. При этом определяют предел прочности на изгиб (σИЗГ) по соответствующим формулам. Испытания проводят на разрывных машинах, имеющих для этого специальные приспособления в виде двух опор, на которые укладывают образец. Посредине образ­ца создают равномерно повышающуюся нагрузку до его разру­шения.

Предел прочности на изгиб — важнейшая характеристика ме­таллов конструкций, работающих на изгиб. Испытанию на изгиб подвергают большинство судостроительных металлов.

Испытание металлов на твердость. Твердостью называется спо­собность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого более твердого материала.

В настоящее время применяют разнообразные методы испытания металлов на твердость. Наиболее распространены методы, при ко­торых в металл под действием статической нагрузки вдавливают специальный наконечник-индентор (шарик, конус или пирамиду). Эти методы называют по фамилии их авторов: Бринелля, Роквелла и Виккерса. Твердость определяют также ударным вдавливанием шарика (метод Польди) и методом упругой отдачи бойка (метод Шора).

Приближенно твердость можно оценить и по углублениям, ос­тавляемым чертилкой, кернером, зубилом и другими режущими ин­струментами. О твердости судят по глубине отпечатка, оставленно­го на металле наконечником или режущими инструментами. Чем больше глубина отпечатка при одинаковой нагрузке на внедряе­мый материал одинакового размера, тем меньше твердость и нао­борот.

Испытывая металл на твердость, можно просто и быстро опре­делить его механические свойства, причем не только в лаборатори­ях, но и на производстве. По величине твердости можно приближенно судить и о других механических свойствах металлов: прочности, износостойкости и т.п., а также обрабатываемости. Чем металл тверже, тем его труднее обрабатывать.

В зависимости от твердости выбирают металлы для изготовления тех или иных деталей, конструкций, инструментов. Рассмотрим наиболее распространенные методы испытания металлов на твердость.

Метод Бринелля заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого образца стального шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм.

Твердость по методу Бринелля выражается в числах твердости НВ (Н — твердость, В — Бринелля).

Испытание на твердость по методу Бринелля проводится на при­борах с применением плоских или круглых образцов и деталей. Для получения точных результатов на поверхности образцов не должно быть ржавчины, окалины, вмя­тин и т. п.

Метод Роквелла заключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого ме­талла алмазного конуса или стального закаленного шарика диамет­ром 1,59 мм.

В приборах (твердомерах) Роквелла в отличие от при­боров Бринелля число твердости определяют непосредственно по шкале индикатора.

Числа твердости по Роквеллу не имеют размерности и обозначаются символом HR (Н — твердость, R — Роквелл). К символу до­бавляется обозначение шкалы индикатора (А, В или С), по которой измерялась твердость, и соответствующее числовое значение твер­дости.

По методу Роквелла можно испытывать мягкие и твердые ме­таллы, а также готовые изделия, так как отпечатки от наконечника незначительны. Испытание занимает мало времени (не более 50 с), не требует никаких измерений; показания читаются непосредствен­но по шкале индикатора.

Метод Виккерсазаключается во вдавливании под действием статической нагрузки в поверхность испытуемого металла четырех­гранной алмазной пирамиды.

Метод Польдизаключается во вдавливании стального шарика под действием динамической (ударной) нагрузки в поверхность испытуемого металла и эталонного образца.

По соотношению площадей или диаметров отпечатков расчетным путем по таблицам определяют твердость металла. Она будет тем меньше, чем больше отпечаток на испытуемом металле по сравнению с отпечатком на эталонном образце, и наоборот.

Испытание металлов на ударную вязкость. Ударной вязкостью (динамической прочностью) называется способность металлов оказывать сопротивление действию ударных (динамических) нагрузок.

Многие детали машин, конструкции и инструменты испытывают при эксплуатации ударные нагрузки. Например, судовые конструкции подвергаются ударам волн, льда и т. п. Поэтому при их изго­товлении необходимо учитывать эту важнейшую характеристику.

Металлы, легко разрушающиеся под действием ударной нагруз­ки, называются хрупкими. Они непригодны для изготовления дета­лей, работающих в условиях ударных нагрузок. Вязкими называ­ются металлы, разрушающиеся при значительных ударных нагруз­ках и значительных пластических деформациях.

Испытание металлов на ударную вязкость проводят на механиз­мах, называемых маятниковыми копрами. Оно заключа­ется в ударном изломе (изгибе) маятником копра образца и в под­счете израсходованной работы на разрушение образца.

Маятник поднимают на некоторую высоту Н. С этой высоты он свободно падает разрушает образец и снова поднимается на неко­торую высоту h. Работа, затраченная на разрушение образца,

А = P(H — h) или А =Pι(cosβ — cosα),

где Р — сила тяжести (вес) маятника, Н;

Н — высота подъема маятника до удара, м;

h — высота подъема маятника после удара, м;

l- длина маятника, м.

Ударную вязкость металла определяют по величине удельной ударной вязкости аH, равной отношению работы, затраченной на разрушение образца, к площади его поперечного сечения в месте разрушения:

где А — работа, затраченная на разрушение образца, Дж;

F — пло­щадь поперечного сечения образца в месте разрушения, м 2 .

Современный маятниковый копер имеет шкалу, градуированную непосредственно в единицах работы. Если поднять маятник на не­которую высоту Н, то стрелка покажет запас энергии маятника до удара РН вджоулях. После разрушения образца маятник поднимается на некоторую высоту h, в это время стрелка покажет запас энергии-маятника Ph после удара. Таким образом, ударная вязкость

Ударная вязкость зависит не только от рода металла, но и от его температуры, химического состава, структуры и т. д. Например, две марки стали, с разной структурой могут иметь совершенно, различ­ные значения ударной вязкости, но почти одинаковые другие меха­нические свойства.

Испытание металлов на усталостную прочность (выносли­вость).Многие детали машин и механизмов, некоторые конструк­ции и инструменты при эксплуатации подвергаются действию пере­менных нагрузок, т. е. меняющихся по значению, направлению или по значению и направлению одновременно. Таким нагрузкам под­вергаются, например, корпуса судов детали машин (валы, оси, ша­туны, коленчатые валы).

В результате длительного воздействия переменных нагрузок прочность металла уменьшается и деталь, конструкция или инстру­мент разрушается. Разрушение металла часто наступает при напря­жениях, которые значительно меньше, чем предел прочности, а иногда даже меньше, чем предел текучести.

Способность металлов сопротивляться усталостному разруше­нию называется усталостной прочностью (выносливостью). Пока­зателем ее является предел усталости (выносливости), который определяют в ходе испытания на специальных машинах. Испытания проводят на переменный изгиб, растяжение-сжатие и кручение.

Чаще всего применяют способ испытания изгибом при вращении (рис. 4). В этом случае один конец образца закрепляют в патроне, а к другому через шарикоподшипник подвешивают груз. При вра­щении наружные волокна образца попеременно будут испытывать растягивающие и сжимающие усилия. При достижении некоторого числа перемен (циклов) образец разрушается. Число циклов опре­деляют по установленному на станке счетчику.


Рис. 4. Схема испытания образца на усталост­ную прочность: 1 — патрон станка; 2 — образец;

Подшипник качения

Пределом усталости металлов называется максимальное напря­жение, при котором образец еще выдерживает неограниченное чис­ло циклов, не разрушаясь. Пределы усталости обозначают:

Между пределом усталости и пределом прочности существует следующая приблизительная зависимость:

Усталостная прочность зависит от значения переменных напря­жений, состояния поверхностей деталей и других факторов. Ее сле­дует учитывать при создании, например, быстроходных судов, сверх­звуковых самолетов, космических кораблей, мощных турбин, испы­тывающих при эксплуатации переменные нагрузки.

Металлы, работающие в сложных условиях, испытывают при повышенных и пониженных температурах, в условиях коррозии, при истирании и т. д.

Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться технологической обработке, целью которой является придание металлам определенных форм, размеров и свойств. К ним относятся: литейные свойства, ковкость, свариваемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием и др. Поведение металла при технологической обработке определяют по технологическим пробам.

Технологические пробы применяют главным образом для опре­деления пригодности материала к тому или иному способу обра­ботки. О результатах технологических испытаний судят по состоя­нию поверхности после испытания (отсутствие трещин, надрывов, изломов). Наиболее распространены следующие технологические пробы: на изгиб в холодном и нагретом состоянии; на перегиб и выдавливание; на осадку; на раздачу и обжатие труб; искро­вая.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: плот­ность, температура плавления, теплопроводность, электро-провод­ность, тепловое расширение, удельная теплоемкость и способность намагничиваться (табл. 1).

Химические свойства — способность металлов и сплавов сопро­тивляться воздействию окружающей среды, которое проявляется в различных формах. Под влиянием кислорода воздуха и влаги ме­таллы подвергаются коррозии: чугун и сталь ржавеют; бронза покрывается зеленым слоем оксида меди; сталь при нагреве в печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в окалину, а в серной кислоте растворяется.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при высокой тем­пературе нагрева, называются жаростойкими или окалиностойкими. Из них изготовляют такие детали, как клапаны двигателей внутрен­него сгорания и др. Золото, серебро и нержавеющие стали слабо поддаются коррозии.

Читайте также: