Механические свойства металлов и их характеристика

Механические  свойства металлов и их характеристика

Механические  свойства характеризуют способность  металлов и сплавов сопротивляться действию приложенных к ним нагрузок, а механические характеристики выражают эти свойства количественно. Основными  свойствами металлических материалов являются; прочность, пластичность (или вязкость), твердость, ударная вязкость, износоустойчивость, ползучесть и др. 
Механические характеристики материалов определяются при механических испытаниях, которые в зависимости от характера действия нагрузки во времени делятся на статические, динамические и повторно-переменные. 
В зависимости от способа приложения внешних сил (нагрузок) различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударный изгиб и т. п. 
Основные механические характеристики металлов и сплавов. 
Временное сопротивление (предел прочности, предел прочности при растяжении— условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца. 
Истинное сопротивление разрыву (действительное напряжение) — напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва. 
Предел текучести (физический) — наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки. 
Предел текучести (условный) — напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики.

 
Предел пропорциональности (условный)—  напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации (в рассматриваемой точке), с осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке. Допускается увеличение тангенса угла наклона на 10 или 25%. 
Предел упругости— условное напряжение, соответствующее появлению остаточной деформации. Допускается определение предела упругости с допусками до 0,005%, тогда соответственно будет обозначаться. 
Относительное удлинение после разрыва— отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Различают относительные удлинения, полученные при испытании на образцах с пятикратным и десятикратным отношением длины к диаметру. Допускаются и другие отношения, например 2,5, при испытании отливок. 
Относительное сужение после разрыва — отношение площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения. 
Указанные характеристики механических свойств определяются при испытании материалов на растяжение по методам, изложенным в ГОСТ 1497—61, на цилиндрических и плоских образцах, формы и размеры которых установлены тем же стандартом. Испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200°С) установлены ГОСТ 9651—73, на дли-тельную прочность— ГОСТ 10145—62. 
Модуль нормальной упругости— отношение напряжения к соответствующему ему относительному удлинению при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций (закон Гука). 
Ударная вязкость— механическая характеристика вязкости металла — определяется работой, расходуемой для ударного излома на маятниковом копре образца данного типа и отнесенной к рабочей площади поперечного сечения образца в месте надреза. Испытания при нормальной температуре проводятся по ГОСТ 9454—60, при пониженных — по ГОСТ 9455—60 и при повышенных — по ГОСТ 9656—61. 
Предел выносливости (усталости) —максимальное напряжение, при котором материалы образца выдерживают без разрушения заданное количество симметричных циклов (от +Р до — Р), принимаемое за базу. Количество циклов задается техническими условиями и представляет большое число. Методы испытания металлов на выносливость регламентируются по ГОСТ 2860—65. 
Предел прочности при сжатии — отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания. 
Условный предел ползучести— напряжение, вызывающее заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) за установленный промежуток времени при заданной температуре.  
Твердость по Бринелю - определяется на твердомере ТШ путем вдавливания стального закаленного шарика р. испытуемый металл или сплав. 
Твердость по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется вдавливанием в металл стального шарика диаметром ~ 1,6мм или конуса.(алмазно или твердосплавного) с утлом при вершине 120° на твердомере ТК. В зависимости от условий определения, которые стандартизованы ГОСТ 9013—68, различают три значения HR: HRA — для очень твердых материалов (шкала А) — испытание производится вдавливанием алмазного конуса; HRB — для мягкой стали (шкала В) — стального шарика; HRC — для закаленной стали (шкала С) — твердосплавного или алмазного конуса. 
Глубина проникновения алмазного конуса при испытаниях в металле небольшая, что позволяет испытывать более тонкие изделия, чем при определении твердости по Бринелю, Твердость но Роквеллу является условной характеристикой, значение которой отсчитывается по шкале прибора. 
Твердость по Виккерсу HV определяется вдавливанием алмазной стандартной правильной четырехгранной пирамиды. Определение числа твердости производится путем измерения длины диагоналей (среднее арифметическое суммы двух диагоналей) и пересчета по формуле 
Стандартными нагрузками в зависимости от толщины образца приняты 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Выдержка времени под нагрузкой берется для черных металлов 10—15 секунд, для цветных — 28—32. Соответственно символ HV 10/30-500 означает: 500 — число твердости; 10 — нагрузку и 30 — время выдержки. 
Метод Виккерса применяется для измерений твердости деталей малых сечений и твердых тонких поверхностных слоев цементированных, азотированных или цианированных изделий. 

Технологические свойства металлов и сплавов часть 1

Под технологическими свойствами металлов и сплавов понимают способность металла подвергаться различным видам обработки. 
К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся: литейные, ковкость, или деформируемость, в горячем и холодном состоянии, свариваемость, прокаливаемость и об-рабатываемость резанием. 
Литейные свойства металла определяются температурой 
канала определенного сечения при заданных условиях гидростатического напора и температуры сплава и формы. При испытаниях жндкотекучести. стали производится одновременно отливка нескольких прутков с сечением в виде пирамиды высотой 8 мм и основаниями 5 и 8 мм и по среднеарифметическому определяется средняя длина. Жидкотекучесть выражается в миллиметрах длины отлитого прутка. 
Литейная усадка — отражение различия между плотностью металла или сплава в твердом и жидком состояниях.  
Для изготовления моделей при отливке важнейших сплавов применяют специальные «усадочные метры». 
Способность металла или сплава к ликвации и образованию пор определяется методами микроструктурного анализа. 
Ковкость металла — способность воспринимать пластическую деформацию в процессе изменения формы (без появления признаков разрушения) при гибке, ковке, штамповке, прокатке и прессовании. Ковкостью обладают металлы как в горячем, так и в холодном состоянии. 
Способность металлов воспринимать деформацию зависит от их химических, механических свойств, скорости деформации, температуры и величины обжатия на каждом переходе.

 
Известно, что стали с небольшим  содержанием углерода и легированные никелем и марганцем деформируются  лучше, чем высоколегированные, хромоникелевые, высокоуглеродистые, жаростойкие, быстрорежущие и другие. Точно так же материалы с высокими показателями удлинения, сужения и ударной вязкости обладают большой способностью к восприятию деформации. 
Деформируемость металлов определяется при технологических испытаниях. Некоторые методы технологических испытаний на деформируемость материалов (технологические пробы) стандартизованы.  
Температура плавления чистых металлов — температура превращения кристаллов в жидкий сплав является их физической константой. Она определяется по диаграмме состояния. 
Жидкотекучесть — способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму зависит от вязкости, поверхностного натяжения расплава и температуры заливки. Определяется жидкотекучесть металла по длине заполнения длиной, прямолинейной или спиралевидной формы 
данных, и поэтому оценка качества металла при испытаниях производится визуально по состоянию поверхности материала после испытания. 
Испытание на асадку (ГОСТ 8817—73) применяется для круглого и квадратного проката (диаметром или стороной квадрата до 30 мм при испытании в холодном состоянии и до 150 мм в горячем) из стали или алюминиевых сплавов с целью определения их способности принимать заданную по размерам И форме деформацию сжатия. Образец для пробы должен иметь диаметр (или сторону квадрата), равный диаметру испытуемого материала. Высота стального образца должна быть равной 2 диаметрам, алюминиевого 1,5, а торцовые плоскости перпендикулярны его оси. Проба состоит в осаживании образца под прессом или молотом до высоты, определяемой величиной деформации. Отсутствие после осадки на поверхности образца трещин, надрывов или излома является признаком того, что образец выдержал пробу. 
Проба на изгиб в холодном и нагретом состоянии (ГОСТ 14019—68) применяется для пластических металлов при толщине пруткового и листового материала а до 30 мм. Толщин) образца а должна быть равна толщине материала, а ширина его В=2а, но не менее 10 мм и длиной ^«5а+150 мм. Проба на изгиб материалов более 30 мм, а также поковок, отливок и труб производится на образцах методами, предусмотренными соответствующими технологическими условиями на поставку металлов. 
Различают загибы: на определенный угол а, до параллельности сторон вокруг оправки (угол а = 0) и до соприкосновения сторон образца. Степень нагрева образца должна быть оговорена в технических условиях. 
Образцы, выдержавшие испытания, не должны иметь трещин, надрывов, расслоений или изломов.

Проба на перегиб (ГОСТ 1579—63 и ГОСТ 13813—68) применяется  для круглой проволоки и прутков  диаметром от 0,8 до 7 мм, профилей фасонного сечения площадью до 120 мм2, а также листового и полосового металла толщиной до 5 мм, с 
длиной образцов 100—150 мм и шириной до 20 мм. Проба состоит из загиба и разгиба образца на 90° в обе стороны со скоростью не более 60 перегибов в минуту. Число перегибов определено техническими условиями. Проба на перегиб производится только в холодном состоянии. Образцы, выдержавшие испытание на перегиб, не должны иметь отслаиваний, надрывов, трещин, изломов. 
Испытание на расплющивание (ГОСТ 8818—73) применяется для полосового и листового проката и для заклепок. Образцы для пробы отрезают от концов полос, прутков и листов, не изменяя при этом их поперечного сечения. 
Образец полосового и листового материала расплющивают под молотом или прессом до получения полосы, ширина которой указывается в технических условиях, а длина должна равняться двойной ширине. При испытании пруткового материала на образование головки поступают следующим образом: расплющивают выступающий из матрицы конец стержня высотой 1,2 его сечения до получения головки диаметром 1,5—1,6 и высотой 0,4—0,5 диаметра исходного стержня. Проба на расплющивание головок заклепок основана на расплющивании головок до размеров, предусмотренных техническими условиями. 
Образец выдержал пробу, если в нем после расплющивания отсутствуют надрывы и трещины.

 
Проба на навивание проволоки (ГОСТ 10447—65) применяется исключительно  для проволоки диаметром до 10 мм с целью определения способности  металла принимать заданное навивание. Испытание состоит в навивании  проволоки плотно прилегающими витками (по винтовой линии) на оправку, диаметр которой задан техническими условиями. Напротив, если диаметр оправки не указан, то проволока навивается сама на себя с числом витков от 5 до 10. Проба навиванием производится только в холодном состоянии. Отсутствие в образце после навивания и развивания расслоений, трещин, надрывов и изломов является признаком того, что металл выдержал пробу. 
Проба на скручивание проволоки (ГОСТ 1545—63) применяется главным образом для проволоки диаметром до 10 ми. Цель данного испытания — определить способность, металла принимать заданное кручение. Образец пробы должен быть прямым, а длина его берется равной 100 диаметрам проволоки, по не менее 50 мм и не более 500 мм. Проба на скручивание производится до разрушения образца. По числу оборотов судят о пластичности металла, а по излому — о структуре металла. 
Проба на развертывание фасонного материала служит для определения способности фасонного материала подвергаться развертыванию и загибу. Проба производится в холодном и нагретом состоянии. Образец выдержал пробу в том случае, если после загиба не наблюдается излома, трещин и надрывов. 
Проба на двойной кровельный замок (ГОСТ 13814—68) применяется для листового материала толщиной до 0,8 мм. Размеры образцов для испытания берутся произвольные, но при этом линия замка должна быть не менее 150 мм. Испытание состоит в том, что соединяют два куска листа вплотную двойным замком, а потом производят загиб по линии, перпендику-лярной к линии замка, но не больше 45°, и разгиб в плоскость. Число загибов и разгибов указывается в технических условиях. Испытание проводится только в холодном состоянии. Материал образца и его покровный слой (оцинковка, полуда и т. п.) выдерживают пробу, если отсутствуют отслаивания, трещины, надрывы и изломы. 
Проба на выдавливание в холодном состоянии (ГОСТ 10510—63) применяется для определения способности тонкого листового материала (толщина не более 2 мм) подвергаться, холодной штамповке и вытяжке. Испытание производится па приборе ПТЛ (Эриксена). При испытании образцы в виде квадратных карточек 70x70 мм или круглые, зажатые по периферии, подвергаются продавливанию шаровым пуансоном до появления трещин. Глубина выдавленной лунки Я, выраженная в миллиметрах, соответствующая появлению первой трещины, называется числом Эриксена.  
Свариваемость —свойство металлов в определенных условиях технологического процесса образовывать сварное соединение, соответствующее качеству основного металла. Для этой цели производят пробную наплавку валика на листовой металл с последующим определением качества металла в валике и прилегающих зонах. Определение дефектов шва производится ми ГОСТ 3242—69, а стыкового соединения — в соответствии с ГОСТ 6996—66. 
Прокаливав мост — свойство стали закаливаться на определенную глубину. Прокаливаемость стали определяют на стандартных цилиндрических образцах методом торцовой закалки (ТОСТ 5657—69) в специальной закалочной установке с последующим замером твердости через определенные интеркалы расстояния от закаливаемого торца. За глубину закалки принимают расстояние от поверхности торца образца до слоя с полумартенситной структурой. 
Обрабатываемость металла резанием характеризуется качеством обработки (чистотой обработанной поверхности и точностью размеров), сопротивлением резанию (скоростью и силой резания), стойкостью инструмента и видом стружкообразования. Обрабатываемость стали в процентах практически определяют сравнительными испытаниями на продольное или торцовое точение образцов испытуемой стали и автоматной стали марки А12, принимаемой за эталон. Обточка производится при идентичных режимах обработки, на одном станке и одинаковыми резцами с оптимальной геометрией заточки. Результаты испытания определяются по соотношению стойкости резцов при обработке автоматной и испытуемой стали. Обра-батываемость автоматной стали марки А12 принимается за 100%, а обрабатываемость испытуемой соответственно обозначается 80, 50% и т. д.

Стали

1. Общие сведения, классификация и маркировка 
Сталями называются железоуглеродистые сплавы, содержащие до 2% углерода и поддающиеся ковке. Обычно в практике находят применение стали с содержанием углерода не свыше 1,5%. При выплавке стали наряду с углеродом попадают также и такие постоянные примеси, как марганец, кремний, сера, фосфор, азот, водород и др. Марганец и кремний спе-циально вводят в металл в процессе выплавки с целью улучшения качества стали — они являются полезными примесями. Напротив, фосфор и сера являются примесями, которые отрицательно влияют на качество стали, и удалить их невозможно. Сера делает сталь красноломкой, а фосфор — хладноломкой. Естественно, что чем меньше серы и фосфора, тем выше качество стали. Общее содержание фосфора и серы в высококачественных сталях не должно превышать 0,03%. В сталях обыкновенного качества содержание серы допускается не более 0,055—0,07% и фосфора — 0,045—0,09% (в зависимости от марки стали). 
Нежелательными скрытыми примесями являются также кислород, азот и водород, которые могут находиться в стали в виде химических соединений (оксиды и нитриды), в виде твердых растворов в феррите, а также в виде газов. В зависимости от способа изготовления стали предельное содержание кислорода допускается 0,1—0,01%, азота — 0,01—0,001% и водорода — 0,0007—0,0001 %. 
Для придания стали определенных свойств в ее состав вводят специальные легирующие добавки — никель, молибден, ванадий, титан и др., к ним также относятся углерод, марганец и кремний. При обозначениях марок стали указывается наличие легирующих элементов буквами русского алфавита- алюминий обозначается буквой Ю; бор — Р; ванадий Ф; вольфрам — В; 
i-обальт — К; медь — Д; кремний — С; никель — Н; ниобий — Б; селен — Е; титан — Т; хром — X; марганец — Г; цирко- Ц; барий — Ба; молибден — М; азот —А; фосфор — П.

 
Классификация сталей производится по химическому составу, по способу  производства, по методам придания формы исходным заготовкам, назначению и другим признакам. До химическому  составу стали делятся на углеродистые к легированные. Углеродистые в свою очередь подразделяются на сталь обыкновенного качества, качественную, повышенного качества и высококачественную. Качество стали определяется наличием в ней вредных и загрязняющих примесей, Сталь обыкновенного качества выплавляют в бессемеровских конверторах или в больших мартеновских печах, а качественную сталь изготавливают в мартеновских и электрических печах, в основных конверторах с продувкой кислорода сверху. Высококачественную сталь выплавляют в кислых и основных мартеновских печах и электрических печах; она содержит очень ограниченное количество серы и фосфора и имеет более узкие пределы содержания марганца и кремния. 
Легированные стали делят на низколегированные с общим содержанием легирующих элементов не свыше 3,0%, среднелегированные с общим содержанием легирующих элементов от 3,0 до 5,5% и высоколегированные — легирующих элементов свыше 5,5%. В тех случаях, когда суммарное количество легирующих компонентов превалирует над железной основой и содержание железа менее 50—55%, такие стали называют сплавами, например, сплавы с высоким омическим сопротивлением, жаропрочные сплавы и т. д. 
По способу производства стали разделяются на бессемеровскую, мартеновскую, конверторную и электросталь. Бессемеровская сталь в сравнении с мартеновской более прочная, но менее пластична, загрязнена неметаллическими включениями и склонна к старению. Мартеновская сталь содержит меньше вредных примесей (серы и фосфора) и неметаллических включений и поэтому она более качественная. Конверторная сталь по качеству приближается к мартеновской. Электростали — наиболее качественные и чистые, они успешно заменяют тигельные стали. 
По степени раскисления сталь изготовляют кипящую (кп), раскисленную только марганцем; полуспокойную (пс), раскисленную марганцем и алюминием и спокойную, полностью раскисленную марганцем, кремнием и алюминием. 
Кипящая сталь содержит больше кислорода, чем полуспокойная и спокойная, по качеству уступает им, но вместе с тем она обладает более высокой пластичностью, и поэтому ее применяют при изготовлении деталей холодной штамповкой. 
По методам придания формы исходным заготовкам сталь подразделяется на литую, кованую и катаную. Литая сталь (стальное литье) имеет несколько пониженные механические свойства по сравнению с катаной и кованой при одинаковом химическом составе. Кованая сталь (поковки и горячие штамповки) после отжига имеет механические свойства, наиболее характерные для данной марки стали. Следует учитывать, что прокат обладает различными механическими свойствами вдоль и поперек направления проката. 
По назначению стали разделяют на конструкционные, 'Инструментальные и стали с особыми физическими свойствами (специальные стали).

Сталь углеродистая качественная

Углеродистые  качественные стали с содержанием  углерода до 0,3% характеризуются сравнительно невысокой прочностью при большой пластичности и вязкости. Марки этих сталей частично используются для изготовления цементуемых деталей и широко применяются для изготовления деталей, не подвергающихся термообработке. Эти стали хорошо куются и свариваются. Углеродистые качественные стали с содержанием углерода 0,3—0,5% и свыше отмечаются повышенной прочностью, относительно меньшей вязкостью, а также хорошей свариваемостью при содержании углерода 0,3—0,4%, умеренной— при 0,4—0,5% и низкой при содержании углерода свыше 0,5%. Стали этих марок хорошо куются и для получения высоких механических свойств подвергаются обычно улучшению. 
Стали марганцовистых марок обладают повышенной прочностью и износоустойчивостью при одинаковом содержании штамповкой и пр. (детали кузова автомашины, тяги, вилки, трубки, прокладки, шайбы и пр.).

 
Стали марок 15, 20 и 25 находят применение при изготовлении деталей, не подвергающихся высоким напряжениям, но требующих  большой вязкости, а также для  цементируемых или цианируемых деталей, работающих на трение при невысоком напряжении. Так, например, из стали 15 изготовляются цементируемые или .планируемые болты, винты, гайки, вилки, ключи и пр.; из стали 20 — кованые, штампованные тяги, серьги, крюки, рычаги, втулки, зубчатые колеса и червяки при малых нагрузках; из. стали 25 — оси, валы, соединительные муфты, болты, гайки, винты и шайбы. 
Марки стали 15Г, 20Г используются как для цементируемых, так и для нецементируемых изделий (кулачковые валы, поршневые пальцы, зубчатые колеса, тяги рулевого управления, крылья вентиляторов и др.). 
Стали 30 и 35,обладают значительной прочностью и относительно высокой вязкостью и используются как для деталей, не подвергающихся термической обработке, так и для улучшенных (кованые и штампованные валы, оси, тяги, серьги, станины станков и пр.). 
Стали марок 40, 45, 40Г и 45Г являются лучшими углеродистыми конструкционными сталями, обладающими высокой прочностью и хорошей вязкостью. Из этих сталей изготовляют детали, воспринимающие ударные нагрузки (коленчатые валы, шатуны, зубчатые колеса, болты, шпильки, валы и др.). 
Стали 50, 55, 60 и 50Г обладают повышенной прочностью и упругостью. Из них изготовляют прокатные валки, эксцентрики, бандажи, шпиндели, пружины амортизаюров, диски главного сцепления автомобилей и др. Применяются они после закалки и отпуска, а также после нормализации. 
Стали 65, 70, 75, 80, 85, 60Г, 65Г и 70Г характеризуются высокой прочностью, твердостью и износоустойчивостью, применяются в основном для пружин, рессор, плужных лемехов, дисков посевных и почвообрабатывающих машин, лап культиваторов и т. п.