Главная страница
Навигация по странице:

  • «понимать» металлы и знать

  • 1.1. Кристаллическое строение металлов.

  • 1.2. Требования к металлам.

  • Храмцов Н.В. - Металлы и сварка (лекционный курс). Н. В. Храмцов Металлы и сварка


    Скачать 8.32 Mb.
    НазваниеН. В. Храмцов Металлы и сварка
    АнкорХрамцов Н.В. - Металлы и сварка (лекционный курс).doc
    Дата19.09.2017
    Размер8.32 Mb.
    Формат файлаdoc
    Имя файлаХрамцов Н.В. - Металлы и сварка (лекционный курс).doc
    ТипДокументы
    #8734
    КатегорияПромышленность. Энергетика
    страница1 из 10

    Подборка по базе: ДЗ Металлы.docx, Цветные металлы и сплавы. Классификация,групповая хар-ка ассорти, курсовая Храмцов.docx, Лаба металлы.doc, Тяжелые металлы.docx
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


    Тюменская государственная


    архитектурно-строительная академия


    Н.В. Храмцов




    Металлы и сварка


    (лекционный курс)





    Храмцов Н.В. Металлы и сварка (лекционный курс): Учебное пособие. Тюмень: Издательство Тюменского государственного университета, 2001.-138 с.

    В учебном пособии, представляющем собой лекционный курс для студентов специальностей ПГС, ПСК и ТГВ, даны основы теории и практического использования металлов, сплавов и сварки в строительстве.
    Табл. 18 , Ил.111, Библиогр.:10 назв.
    Рецензент: генеральный директор института «Нефтегазпроект, заслуженный строитель России, д-р техн. наук, проф. Малюшин Н. А.
    Рекомендовано Учебно-методическим объединением ВУЗов РФ по строительному образованию в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению «Строительство».


    Введение


    Человечество с древних времен знакомо с металлами. Орудия труда , хозяйственная утварь и украшения в основном изготовлялись из металла. Освоение материалов шло в последовательности : камень, золото , серебро , медь ( бронза ) и железо, поэтому по материалу орудий труда и оружия исторические периоды развития человечества делятся на каменный , бронзовый и железный века. Следовательно, в настоящее время мы живем в веке железа. Огромны природные ресурсы металлов, так доля железа ( по весу ) составляет 1/3 части всего земного шара ,а в поверхностном слое его ( до 1 км ) находятся 5 % железа , 8 % алюминия , 28 % кремния, 47 % кислорода и только 0, 0000005 % золота и 0, 00001 % серебра . Запасов только разведанных месторождений железа хватит для человечества более чем на два последующих столетия.

    На человека в мире приходится в среднем около 4 тонн железа, из которого изготовлены строительные конструкции, трубопроводы, машины, трактора, грузовые и легковые автомобили, бытовые приборы, инструмент и пр. В машинах и строительных конструкциях преобладают детали , изготовленные из стали и чугуна. Более редкие и чаще всего дорогие металлы и сплавы в основном используются в радиоэлектронике и для украшений .

    В связи со столь широким использованием металлов в нашей практической деятельности чрезвычайно велика роль знаний о металлах, о технологии изготовления и ремонта деталей и конструкций. Человек, знающий металлы и умеющий их обрабатывать, всегда пользовался уважением и почетом у всех народов мира. Так единственным «рабочим» богом во многих религиях были кузнецы: Гефест у греков, Сварог у славян, Вулкан у римлян. В Англии многие удачные кузнецы даже становились лордами.

    Старинная легенда рассказывает, что царь Соломон по окончании строительства Иерусалимского храма ( XI век до новой эры) задумал прославить лучших строителей и пригласить их во дворец, а на время пира уступить свой царский трон лучшему из лучших- тому, кто особенно много сделал для строительства храма. Когда приглашенные явились во дворец, то один из них быстро взошел по ступеням золотого трона и сел на него. Его поступок вызвал изумление у присутствующих.

    -Кто ты и по какому праву занял трон? - грозно спросил разгневанный царь.

    Незнакомец обратился к каменщику и спросил его : Кто сделал твои инструменты?

    -Кузнец, - ответил тот.

    Сидящий на троне обратился к плотнику, столяру: -Кто вам сделал инструменты?

    -Кузнец, -ответили те.

    И все ,к кому обращался незнакомец, отвечали :

    -Да ,кузнец выковал наши инструменты , которыми и был построен храм.

    И царь согласился с доводами кузнеца, что никто из присутствующих строителей не смог бы выполнить свою работу без сделанных кузнецом инструментов , а сам кузнец заслуживает наибольшего почета среди строителей.

    В настоящее время без автомобиля и водителя, без экскаватора и экскаваторщика, без крана и крановщика, без слесаря, токаря, сварщика и других работников, связанных с изготовлением, эксплуатацией и ремонтом машин и металлоконструкций нельзя представить современную стройку.

    Инженер-строитель в своей практической деятельности непрерывно связан с использованием металлов в строительных конструкциях, с организацией труда рабочих и технологией рационального использования машин. Чтобы эффективно руководить производством надо «понимать» металлы и знать основы технологии их обработки, конструкторские особенности машин, особенности эксплуатации и ремонта их.

    1. Металлы и сплавы.

    Большая часть (3/4) всех химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева – металлы. По своим свойствам они отличаются от неметаллов: сочетают высокую прочность и твердость с хорошей пластичностью, обладают литейными свойствами и возможностью механической обработки, хорошо проводят тепло и электричество, но плохо пропускают рентгеновские лучи и отражают световые волны. Эти свойства обуславливаются особенностями внутриатомного строения металлов..

    1.1. Кристаллическое строение металлов.

    У металлов электроны на внешних оболочках имеют слабую связь с ядром, легко отрываются и могут свободно перемещаться между положительно заряженными ядрами. Следовательно, в металле положительно заряженные ионы окружены коллективизированными электронами. Так как эти электроны подвижны аналогично частицам газа, то используется термин «электронный газ».

    Металлургический тип связи характерен тем, что нет непосредственного соединения атомов друг с другом, нет между ними прямой связи. Атомы в металлах размещаются закономерно, образуя кристаллическую решетку.

    Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие ближайшие атомы и проходящие через их центры, о
    тносительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы - кристаллическая решетка (рис. 1.1).

    Р
    асстояния (а,b,с) между атомами , т.е. параметры кристаллической решетки, находятся в пределах 2… 6 A (1 A=10-8 см). Каждый атом принадлежит 8 кристаллическим решеткам. В аморфных телах с хаотическим расположением атомов в пространстве, свойства в различных направлениях одинаковы, а в кристаллических телах расстояния между атомами в различных направлениях неодинаковы, поэтому различны и свойства. Тип кристаллической решетки (рис. 1.2) зависит от металла, температуры и давления. Это используется при термообработке металлов для упрочнения их.

    Реальные металлы состоят из большого количества кристаллов, различно ориентированных в пространстве относительно друг друга. На границах зерен атомы кристаллов не имеют правильного расположения, здесь скапливаются примеси, дефекты и включения. Экспериментально установлено , что внутреннее кристаллическое строение зерен не является правильным. В решетках имеются различные дефекты ( несовершенства ), которые нарушают связь между атомами и оказывают влияние на свойства металлов .

    Имеются следующие несовершенства в кристаллических решетках :

    1. Точечные (рис. 1.3):

    а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.

    б
    ) Дислоцированные атомы, т. е. атомы вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

    в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными- атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

    1. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

    3. Линейные несовершенства ( цепочки вакансий, дислокаций и т. д.). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

    Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 1.4) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке ,поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 10 см и диаметром 0,5 … 1 мкм , имеющие относительно высокую прочность на растяжение (бb = 1200 …1300 кгс / мм2). Для сравнения, высокопрочная сталь имеет прочность всего 150 …200 кгс / мм2 , т.е. на порядок ниже, а прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше , чем у обычного железа (минимум на кривой) .

    П
    овышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем , что имеются не только параллельные , но и взаимопересекающиеся ( объемные ) дислокации . Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

    Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) – это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле , составляет около 1/3 от теоретически возможной (идеальной) прочности.

    Кристаллизация металлов.

    П
    ри нагреве и охлаждении (рис. 1.5) аморфных тел ( смола, стекло, пластмассы,…) при переходе из жидкого в твердое состояние качественных изменений не происходит. В твердом состоянии атомы в аморфном теле расположены так же хаотично, как и в жидком, имеют только меньшую степень перемещения. Из рис 1. 5 видим, что температура плавления Тпл равняется температуре кристаллизации Ткр, а переход из одного состояния в другое ( из твердого в жидкое- точка Тпл ,и из жидкого в твердое- точка Ткр ) происходит скачкообразно.

    По другому ведут себя металлы ( рис. 1.6). На участке 1 - 2 происходит нагрев металла ; кристаллическая решетка сохраняется, но атомы увеличивают амплитуду колебаний за счет поглощенной тепловой энергии. На горизонтальном участке 2 - 3 также подводится тепло, но температура Тпл не повышается, т.к. подводимое тепло целиком расходуется на разрушение кристаллической решетки. Атомы переходят в неупорядоченное (жидкое) состояние . После разрушения последнего участка кристаллов, после точки 3 начинается повышение температуры жидкого металла по линии 3 - 4.

    П
    ри охлаждении (4- 5) на горизонтальном участке 5 - 6 происходит кристаллизация, при которой выделяется тепло, поэтому процесс проходит при постоянной температуре Ткр. Кристаллизация металла происходит не при температуре плавления Тпл , а при некотором переохлаждении t, величина которая зависит от природы металла, наличия примесей и от скорости охлаждения.

    Кристаллизация начинается с того , что при понижении температуры до значения Ткр начинают образовываться мелкие кристаллики, называемые центрами кристаллизации ( зародышами ). При дальнейшем уменьшении энергии металла происходит рост кристаллов и в то же время в жидкости возникают новые центры кристаллизации, т.е. процесс кристаллизации состоит из двух одновременно происходящих процессов :зарождение новых центров кристаллов и роста кристаллов из ранее образованных центров.

    С
    корости кристаллизации и числа центров в зависимости от t изменяются по закону нормального распределения (рис.1.7).

    П
    ри переохлаждении (б) образуется мелкое зерно, т. к кристаллы быстро образуются, но медленно растут ,а при меньших (а) значениях t возникает крупное зерно. Мелкокристаллический металл более твердый и прочный, чем крупнокристаллический. Следовательно, подбором температуры переохлаждения t можно регулировать механические характеристики металла. Многое зависит от количества нерастворимых примесей, которые являются центрами кристаллизации. Чем больше этих частиц, тем меньше зерна металла.
    Влияние степени переохлаждения t на процесс кристаллизации хорошо видно в структуре слитка (рис. 1.8). Полученная в конверторе или в мартене, сталь (0,5…3 тн) заливается в изложницу . Большой перепад температур (свыше 1500 С) будет между расплавленным металлом и атмосферой по высоте и ширине слитка. В результате на поверхности слитка, т. е. там, где имеется наибольший перепад температур, будет мелкозернистая структура, а в центре слитка при минимальном перепаде температур возникнут при кристаллизации крупные , а между ними –столбчатые кристаллы .

    Российские ученые и практики сделали много открытий в металловедении и технологии обработки металлов. Так, основы научной металлургии и геологии заложил еще Михаил Васильевич Ломоносов ,об этом свидетельствует написанный им в 1763 году труд «Первые основания металлургии или рудных дел».

    Дмитрий Иванович Менделеев систематизировал в периодической таблице химические элементы, что способствовало развитию многих вопросов металловедения ( из известных в то время 63 химических элемента 50 были металлами). Родоначальником металлургии является и русский горный инженер Павел Петрович Аносов (1797…1851 г.), работающий в городе Златоусте на Урале. Он впервые применил световой микроскоп для изучения микроструктур металлов и нашел секрет булатной стали, заложил основы легирования стали (исследовал добавки золота, платины, хрома, марганца и других элементов к стали).

    Дмитрий Константинович Чернов (1839…1921 г.) - основоположник теории и строения стального слитка. Работал на Обуховском заводе г. Санкт-Петербурга.

    1.2. 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 / D[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- в= 0,35 НВ ;

    для медных сплавов - в= 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.

    П
    Р

    римеры 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 т
    вердости 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).

    Н
    а 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) в, т.е. максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки , относительное удлинение .

    Условным пределом текучести 0,2 называется напряжение, при котором удлинение образца составляет 0,2 % расчетной длины.

    Предел прочности при растяжении определяется из соотношения:

    в = Рв / Fo, кгс / мм2 ,

    где Fo- начальная площадь поперечного сечения образца, мм2,

    Рв — нагрузка предела прочности при растяжении , кгс.

    Истинным сопротивлением разрыва z называют напряжение , соответствующее отношению нагрузки в момент разрыва к площади сечения образца в месте разрыва:

    z = Pz / Fk ,

    где Fk — конечная площадь поперечного сечения образца.

    Пластичность — это изменение размеров образца без нарушения сплошности материала.

    Относительное удлинение  находится по формуле (в %) :

    = 100 ( Lк - L0) / L0,

    где L0, Lк — длина образца до и после разрыва.

    Относительное сужение  (в % ) представляет собой отношение :

     = 100 ( Fo - Fk ) / Fo .

    Из первоначального участка кривой находится модуль упругости материала Е. По закону Гука

     = P / Fo = E  L / L0.

    Значения модуля упругости можно определить геометрически как тангенс угла наклона  начального участка диаграммы растяжения :

    Е = tg

    Во многих случаях нас интересует не просто абсолютные значения прочности, а удельная прочность, т.е. отношение прочности к плотности  ( удельному весу ) материала (табл. 1.2).

    Таблица 1.2

    Сравнительные характеристики прочности и жесткости различных материалов.

    Материал

    Прочность, в,

    кгс / мм2

    Удельная прочность, в/  105

    Удельная жесткость, ( / ) 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 н представляет собой удельную работу на разрушение единицы площади образца :

    н = Ан / Fo,

    где Fo - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

    Д
    инамические 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 ½н. Для ответственных деталей критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой будет 90 % волокон .Значение ударной вязкости н 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.

    Н
    а 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 -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.
      1   2   3   4   5   6   7   8   9   10


    написать администратору сайта