Строение свойства и способы испытания металлов
Обновлено: 16.05.2024
Металловедение –
это наука, изучающая
состав, строение и
свойства металлов
и сплавов и
зависимость между
Аносов
ними
Павел Петрович
1799 – 1851
Российский металлург, известен работами по высококачественной литой стали. Установил один из
важнейших законов металловедения — зависимость
свойств металла от его кристаллического строения
3. Чернов Дмитрий Константинович
Знаменитый металлург,
"отец металлографии", творец
современных методов
тепловой обработки стали.
1.Исследовал кристаллизацию и
строение стального слитка, дал
описание его структурных зон.
1839-1921
2.Заложил основы металловедения.
3. Дал теорию кристаллизации
стального слитка, указал причины
образования дефектов и меры борьбы с ними.
4. Металлы
• Металлы (в химии) – это элементы из
левой части Периодической системы
Д.И.Менделеева с небольшим числом
электронов на внешней электронной
оболочке; при взаимодействии отдают
электроны.
• Металлы (в технике) – это вещества,
обладающие металлическим блеском и
пластичностью.
5. Свойства металлов
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.
6. Строение металлов
1. В нормальных условиях (комнатная температура,
атмосферное давление) большинство металлов
находится в твердом агрегатном состоянии.
Исключения: ртуть (Hg), галлий (Ga)
2.Твердые металлы являются кристаллическими телами,
атомы (ионы) в них расположены в определенном
порядке, который периодически повторяется.
3. 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
7. Кристаллические решетки металлов
ОЦК – объемноцентрированная
кубическая, имеют металлы:
W, Mo, Cr, V, K, Na, Li, -Ti, -Fe
ГЦК – гранецентрированная
кубическая, имеют металлы:
Al, Cu, Ni, Ag, Au, Pb, -Fe, Ce
ГПУ – гексагональная плотноупакованная, имеют металлы:
Mg, Zn, -Ti, Cd, Be, -Zr, Os
8. Структура металлов
• Структура металлов – это их внутреннее
строение, т.е. форма, размер и взаимное
расположение отдельных составляющих,
называемых фазами.
• Фазами называют однородные составные части
металлов и сплавов, имеющие одинаковый
состав или одинаковое агрегатное состояние.
• Сплав – это материал, полученный сплавлением
двух или более компонентов (металлических и
неметаллических)
9. Макро- и микроструктура
Макроструктура – это строение металла или сплава,
видимое невооруженным глазом или при
небольшом увеличении (от 2 до 20 раз).
Микроструктура – это строение металла или сплава,
наблюдаемое с помощью микроскопа при больших
увеличениях ( от 100 до 1000 раз).
Макроструктура
Микроструктура х200
10. Методы исследования структуры
Макроструктуру исследуют:
- По излому (определяют размер зерна,
наличие металлургических дефектов,
характер разрушения)
- По макрошлифу (выявляют форму,
размер и расположение зёрен,
направление волокон в поковках и
штамповках, наличие металлургических
дефектов)
11. Методы исследования структуры
• Микроструктуру исследуют на микрошлифах,
для этого:
- Образец полируют до зеркального блеска,
подвергают травлению химическими реактивами специального состава;
- Изучают под оптическим микроскопом с
целью установления формы и размеров
отдельных составляющих структуры
(увеличение от 100 до 1000 раз);
- Изучают под электронным микроскопом для
установления состава фаз и структурных
составляющих (увеличение до 100 000 раз)
12. Микроструктура металлов и сплавов Примеры микроструктур различных сплавов
13. Микроструктура металлов и сплавов Примеры микроструктур различных сплавов
14. Упругая и пластическая деформация
Деформацией называется
изменение размеров и формы
тела под действием
приложенной нагрузки
Упругой является деформация,
которая исчезает после снятия
нагрузки, при этом тело
восстанавливает свои размеры
и форму
Пластическая деформация
остается после снятия нагрузки,
тело своей прежней формы не
восстанавливает
Схема упругой
деформации
Схема пластической
деформации
15. Механические свойства металлов и методы их испытаний
1. Испытания на
растяжение
σВ – временное сопротивление разрыву
или предел прочности – это
максимальное напряжение, достигнутое
при растяжении, при котором происходит
разрыв образца (кгс/мм2 или МПа)
σ0,2 – предел текучести – это напряжение,
вызывающее остаточную деформацию
образца (удлинение), равную 0,2% от
первоначальной длины образца (кгс/мм2
или МПа)
δ (ψ) – относительное удлинение
(сужение) – это величина пластической
деформации, предшествующей
разрушению образца, характеристика
пластичности материала (%)
16. Механические свойства металлов и методы их испытаний
2. Испытания на растяжение с
концентраторами (надрезами)
применяют для приближения к
реальным условиям эксплуатации
материала в изделии и получения
характеристик конструктивной
прочности.
Виды концентраторов
3. Испытания на сжатие
применяют для металлов, хрупких
при более жестком испытании на
растяжение, например, для чугуна.
4. Испытания на изгиб
используют для малопластичных
сплавов (чугун, литые алюминиевые
сплавы)
Схема испытаний на изгиб
17. Механические свойства металлов и методы их испытаний
Определение надежности:
Для оценки надежности материала проводят динамические
испытания (испытания при высокой скорости приложения
нагрузки)
Испытание на удар:
- определяют ударную
вязкость;
- оценивают склонность
металла к хрупкому
разрушению;
- не применяют для многих
литых сплавов и цветных
деформируемых сплавов
Испытанием на удар при
понижающейся температуре
определяют порог хладноломкости
18. Механические свойства металлов и методы их испытаний
Определение долговечности:
Испытания на усталость, ползучесть, износ.
Усталость металла – это его разрушение под действием
повторных или знакопеременных напряжений
Схема испытаний на изгиб
Определение предела
выносливости
19. Твердость металла и методы ее определения
Твердость материала
– это сопротивление
проникновению в
него другого, более
твердого тела
Метод Бринелля: используют для мягких материалов (цветные сплавы);
индентор – стальной шарик различного диаметра; число твердости НВ
находят по таблицам по диаметру отпечатка шарика.
Метод Роквелла: используют для всех материалов, индентор – алмазный
конус или стальной шарик малого диаметра ( 1,6 мм); число твердости (в
зависимости от шкалы) HRA, HRB, HRC – по глубине отпечатка.
Метод Виккерса: используется для тонких поверхностных слоёв, имеющих
высокую твердость (цементированных, азотированных), индентор –
алмазная пирамида, число твердости HV находят по таблицам по
диагонали отпечатка
20. Самостоятельная работа
1 Как можно изобразить кристаллическое
строение металла?
2 Что такое сплав?
3 Какие механические свойства металлов
Вы знаете?
4 Что такое макро- и микроструктура
металла?
5 Что такое твердость материала?
6 Какие методы определения твердости
металлов Вы знаете?
Свойства и методы испытания металлов
Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.
Механические свойства. Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.
Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.
Вязкость – способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение ударной вязкости.
Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.
Упругость – свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.
Пластичность – способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.
Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.
Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.
Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах ( l 0 = 5 d 0 или 10 d 0 , где l 0 – длина образца, а d 0 – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).
Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:
где P - приложенная нагрузка, F0- начальная площадь поперечного сечения образца.
Теоретический предел пропорциональности – максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:
Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:
где ε = Δl/l0∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l0 – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости.
Теоретический предел упругости – максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:
Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.
Физический предел текучести – напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:
На диаграмме пределу текучести соответствует участок « c – d », когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) - «течение» металла при постоянной нагрузке.
Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести – напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):
При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.
В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.
Предел прочности (временное сопротивление) при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:
За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Рк» происходит разрушение образца.
Истинный предел прочности (истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:
где Fк – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.
Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.
По методу Бринелля под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается НВ и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.
По методу Роквелла в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается НRС (конус) или НRВ (шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.
По методу Виккерса в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости HV определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.
Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers , B – Ball – (шар), C – Cone (конус)
При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к хладноломкости – резкому возрастанию хрупкости.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.
Химические свойства. К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.
Технологические свойства. Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.
Литейные свойства определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.
Деформируемость – способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.
Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.
Эксплуатационные или служебные свойства. В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.
Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).
Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.
Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.
Жаростойкость – способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Износостойкость – способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.
Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
Конспект урока "Методы испытания металлов"
Цель испытания материалов состоит в том, чтобы оценить качество материала, определить его механические и эксплуатационные характеристики и выявить причины потери прочности.
1. Химические методы.
Химические испытания обычно состоят в том, что стандартными методами качественного и количественного химического анализа определяется состав материала и устанавливается наличие или отсутствие нежелательных и легирующих примесей. Они нередко дополняются оценкой стойкости материалов, в частности с покрытиями, к коррозии под действием химических реагентов. При макротравлении поверхность металлических материалов, особенно легированных сталей, подвергают селективному воздействию химических растворов для выявления пористости, сегрегации, линий скольжения, включений, а также гросс-структуры. Присутствие серы и фосфора во многих сплавах удается обнаружить методом контактных отпечатков, при котором поверхность металла прижимается к сенсибилизированной фотобумаге. С помощью специальных химических растворов оценивается подверженность материалов сезонному растрескиванию. Проба на искру позволяет быстро определить тип исследуемой стали.
Методы спектроскопического анализа особенно ценны тем, что позволяют оперативно проводить качественное определение малых количеств примесей, которые невозможно обнаружить другими химическими методами. Такие многоканальные приборы с фотоэлектрической регистрацией, как квантометры, полихроматоры и квантоваки, автоматически анализируют спектр металлического образца, после чего индикаторное устройство указывает содержание каждого присутствующего металла.
2. Механические методы.
Механические испытания обычно проводят для выяснения поведения материала в определенном напряженном состоянии. Такие испытания дают важную информацию о прочности и пластичности металла. В дополнение к стандартным видам испытаний может применяться специально разработанное оборудование, воспроизводящее те или иные специфические условия эксплуатации изделия. Механические испытания могут проводиться в условиях либо постепенного приложения напряжений (статической нагрузки), либо ударного нагружения (динамической нагрузки).
Виды напряжений.
По характеру действия напряжения разделяются на:
Скручивающие моменты вызывают особый вид сдвиговых напряжений, а изгибающие моменты – сочетание растягивающих и сжимающих напряжений (обычно при наличии сдвиговых). Все эти различные виды напряжений могут быть созданы в образце с помощью стандартного оборудования, позволяющего определять предельно допустимые и разрушающие напряжения.
А. Испытания на растяжение.
Это – один из самых распространенных видов механических испытаний. Тщательно подготовленный образец помещают в захваты мощной машины, которая прикладывает к нему растягивающие усилия. Регистрируется удлинение, соответствующее каждому значению растягивающего напряжения. По этим данным может быть построена диаграмма напряжение – деформация. При малых напряжениях заданное увеличение напряжения вызывает лишь небольшое увеличение деформации, соответствующее упругому поведению металла. Наклон линии напряжение – деформация служит мерой модуля упругости, пока не будет достигнут предел упругости. Выше предела упругости начинается пластическое течение металла; удлинение быстро увеличивается до разрушения материала. Предел прочности при растяжении – это максимальное напряжение, которое металл выдерживает в ходе испытания.
Б. Испытания на ударную вязкость.
Один из самых важных видов динамических испытаний – испытания на ударную вязкость, которые проводятся на маятниковых копрах с образцами, имеющими надрез, или без надреза. По весу маятника, его начальной высоте и высоте подъема после разрушения образца вычисляют соответствующую работу удара (методы Шарпи и Изода).
В. Испытания на усталость.
Такие испытания имеют целью исследование поведения металла при циклическом приложении нагрузок и определение предела выносливости материала, т.е. напряжения, ниже которого материал не разрушается после заданного числа циклов нагружения. Чаще всего применяется машина для испытания на усталость при изгибе. При этом наружные волокна цилиндрического образца подвергаются действию циклически меняющихся напряжений – то растягивающих, то сжимающих.
Г. Испытания на глубокую вытяжку.
Образец листового металла зажимается между двумя кольцами, и в него вдавливается шаровой пуансон. Глубина вдавливания и время до разрушения являются показателями пластичности материала.
Д. Испытания на ползучесть.
В таких испытаниях оценивается совместное влияние длительного приложения нагрузки и повышенной температуры на пластическое поведение материалов при напряжениях, не превышающих предела текучести, определяемого в испытаниях малой длительности. Надежные результаты могут быть получены лишь на оборудовании, обеспечивающем точный контроль за температурой образца и точное измерение очень малых изменений размеров. Длительность испытаний на ползучесть обычно составляет несколько тысяч часов.
Е. Определение твердости.
Твердость чаще всего измеряют методами Роквелла и Бринелля, при которых мерой твердости служит глубина вдавливания «индентора» (наконечника) определенной формы под действием известной нагрузки. На склероскопе Шора твердость определяется по отскоку бойка с алмазным наконечником, падающего с определенной высоты на поверхность образца. Твердость – очень хороший показатель физического состояния металла. По твердости данного металла зачастую можно с уверенностью судить о его внутренней структуре. Испытания на твердость часто берут на вооружение отделы технического контроля на производствах. В тех случаях, когда одной из операций является термообработка, нередко предусматривается сплошной контроль на твердость всей продукции, выходящей с автоматической линии. Такой контроль качества невозможно осуществить другими описанными выше методами механических испытаний.
Твердость по Бринеллю.
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.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 – , 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 /При этом стандартном методе измерения твердости в поверхность образца вдавливают закаленный стальной шарик диаметром 10; 5 или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 Н до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d . Диаметр лунки измеряют лупой, на окуляре которой нанесена шкала с делениями.
На практике при измерении твердости расчет по указанной выше формуле не производят, а используют заранее составленные таблицы, указывающие значение НВ в зависимости от диаметра отпечатки и выбранной нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Способ измерения по Бринеллю не является универсальным. Его используют для материалов малой и средней твердости: сталей с твердостью < 450 НВ, цветных металлов с твердостью < 200 НВ и т.п.
Твердость по Роквеллу.
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 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. 1)
Таблица 1.Шкалы для определения твердости по Роквеллу
Этот метод измерения твердости наиболее универсален и наименее трудоемок. Здесь не нужно измерять размеры отпечатка, так как число твердости отсчитывают непосредственно по шкале твердомера. Число твердости зависит от глубины вдавливания наконечника, в качестве которого используют алмазный конус с углом при вершине 120 градусов или стальной шарик диаметром 1,588 мм. Нагрузку выбирают в зависимости от материала наконечника.
Рис. 1. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
Метод Виккерса.
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.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
Ж. Испытания на излом.
В таких испытаниях образец с шейкой разрушают резким ударом, а затем излом исследуют под микроскопом, выявляя поры, включения, волосовины, флокены и сегрегацию. Подобные испытания позволяют приблизительно оценить размер зерна, толщину закаленного слоя, глубину цементации или разуглероживания и другие элементы гросс-структуры в сталях.
3. Оптические и физические методы.
А. Микроскопическое исследование.
Металлургический и (в меньшей степени) поляризационный микроскопы часто позволяют надежно судить о качестве материала и его пригодности для рассматриваемого вида применения. При этом удается определить структурные характеристики, в частности размеры и форму зерен, фазовые соотношения, наличие и распределение диспергированных инородных материалов.
Б. Радиографический контроль.
Жесткое рентгеновское или гамма-излучение направляется на испытуемую деталь с одной стороны и регистрируется на фотопленке, расположенной по другую сторону. На полученной теневой рентгено- или гаммаграмме выявляются такие несовершенства, как поры, сегрегация и трещины. Произведя облучение в двух разных направлениях, можно определить точное расположение дефекта. Такой метод часто применяется для контроля качества сварных швов.
В. Магнитно-порошковый контроль.
Этот метод контроля пригоден лишь для ферромагнитных металлов – железа, никеля, кобальта – и их сплавов. Чаще всего он применяется для сталей: некоторые виды поверхностных и внутренних дефектов удается выявить нанесением магнитного порошка на предварительно намагниченный образец.
Г. Ультразвуковой контроль.
Если в металл послать короткий импульс ультразвука, то он частично отразится от внутреннего дефекта – трещины или включения. Отраженные ультразвуковые сигналы регистрируются приемным преобразователем, усиливаются и представляются на экране электронного осциллографа. По измеренному времени их прихода к поверхности можно вычислить глубину дефекта, от которого отразился сигнал, если известна скорость звука в данном металле. Контроль проводится весьма быстро и зачастую не требует выведения детали из эксплуатации.
Д. Специальные методы.
Существует ряд специализированных методов контроля, имеющих ограниченную применимость. К ним относится, например, метод прослушивания со стетоскопом, основанный на изменении вибрационных характеристик материала при наличии внутренних дефектов. Иногда проводят испытания на циклическую вязкость для определения демпфирующей способности материала, т.е. его способности поглощать вибрации. Она оценивается по работе, превращающейся в теплоту в единице объема материала за один полный цикл обращения напряжения. Инженеру, занимающемуся проектированием строений и машин, подверженных вибрациям, важно знать демпфирующую способность конструкционных материалов.
Е. Термический метод.
Он основан на явлении теплового эффекта. Фазовые превращения в сплавах сопровождаются тепловым эффектом, в результате на кривых охлаждения сплавов при температурах фазовых превращений наблюдаются точки перегиба или температурные остановки. Данный метод позволяет определить критические точки.
Ж. Дилатометрический метод.
При нагреве металлов и сплавов происходит изменение объема и линейных размеров – тепловое расширение. Если изменения обусловлены только увеличением энергииколебаний атомов, то при охлаждении размеры восстанавливаются. При фазовых превращениях изменения размеров – необратимы.
Метод позволяет определить критические точки сплавов, температурные интервалы существования фаз, а также изучать процессы распада твердых растворов.
З. Магнитный анализ.
Используется для исследования процессов, связанных с переходом из паромагнитного состояния в ферромагнитное (или наоборот), причем возможна количественная оценка этих процессов.
4. Вывод.
Основными показателями качества металла являются: химический состав; микро- и макроструктура; основные и технологические свойства; размеры, геометрия и качество поверхности металлопродукции. Требования к качеству металла и продукции из него оговорены в национальных стандартах, технических условиях фирм (предприятий) или отдельных соглашениях между потребителем и поставщиком. Качество металла и надежные методы определения его основных показателей являются главными в технологической цепи производства. Качество металлопродукции, поступающей на предприятие, определяется при входном контроле.
Строение металлов. Их свойства и методы испытания
Определение бережливого производства. Виды потерь. бережливого производства – концепция управления производственным предприятием, основанная на постоянном стремлении к устранению всех видов потерь. Виды потерь: - перепроизводство. Продукция производится в большом объеме или раньше, чем требуется заказчику. - излишние запасы. Хранение большого объема сырья, материалов, НЭП, и готовых компонентов - транспортировка. Любое перемещение материалов, деталей, запасных частей или готовых изделии. - перемещение. Любое перемещение персонала, в процессе производства: ходьба, поиск инструмента, тянутся за инструментом. - ожидание. Время бездействия оператора или оборудования, вызванная задержкой материала, задержка поставок. - излишняя обработка. Выполнения операций и процессов, повышающих стоимость продукта и не являющиеся требованием потребителя. • Основные инструменты и подходы управления, которые входят в состав инструмента бережливого производства. - Just in time (точно в срок). Подход к управлению производством на основе потребления спроса. - Кайдзен. Подход к управлению организаций на основе непрерывного улучшения качества. - 5С. Позволяет сократить потери, связанные с плохой организации рабочего места. - Канбан. Система регулирования потоков материалов и товаров внутри организации и за ее пределами. - SМЕD. (быстрая переналадка). Система позволяющая сократить потерю времени, связанную с установкой заготовок. - Poka-yokа. (Защита от дурака). Метод моделирования ошибок и их предупреждения в производственных процессах. - Стандартизация работы. Является элементом Кайдзен. Позволяет документировать процесс. • Защита от дурака (Poka-yoke) защита от дурака (Poka-yoke). Защита. Предотвращающая попадание дефектной продукции на следующий этап производства. • ТРМ. Основные этапы ТРМ. Цели ТРМ. ТРМ - всеобщий уход за оборудованием, в основном служит улучшению качества оборудования. Ориентирован на максимально эффективное использование благодаря всеобщей системе профилактического обслуживания. Основные этапы ТРМ - повышение производительности и срок службы оборудования за счет более качественного ухода к требованиям эксплуатации. Повышение производительности за счет обучений и мотивации рабочих. Коллективное выявление причин неисправности. Цели ТРМ - ноль дефектов, ноль поломок. Ноль аварий. Участие персонала всех уровней. Формирование команд по самостоятельному устранению дефектов. • Картирование потока создания ценности. Простая и наглядная графическая схема, изображающие материальные и информационные потоки, для предоставления услуг или продукта. Позволяет определить узкое место. • –just in time (точно в срок) Концепция управления производством, которая направлена на снижения количества запасов. • Этапы «5С». Цели «5С» Этапы «5С» - сортировка. Означает, что вы удаляете все предметы, которые не нужны для текущей производственной деятельности. - рациональное расположение. Предметы располагать так, чтобы их использовать, и маркированы таким образом, чтобы рабочий мог найти то, что ему нужно. - уборка. Содержание рабочей зоны в полной частоте. - стандартизация. Разработка контрольного листа, который всем понятен и прост в использовании. - совершенствование. Поддержание результатов достигнутых раннее. Цели «5С» - снижение числа несчастных случаев - повышения уровня качества продукции - стимулирование работников - унифицированние и стандартизация рабочих мест - повышение производительности труда • Дать определение Кайдзен. Унификация инструмента. Кайдзен - непрерывное улучшение, небольших, постепенных и последовательных изменений принимаемых постоянно и оказывающие положительные воздействия на общее состояние производства. Унификация инструмента - один из способов стандартизации. Выбор оптимального количества размеров. (ключ рожковый 17х19)) • Проблемы, которые помогает избежать сортировка - на предприятии накапливается слишком много хлама; на поиски запчастей и деталей уходит много времени; хранить не нужный инвентарь становится затратным; из-за избытка материалов, находящиеся под рукой, трудно выявить другие типы производственных проблем. • Проблемы, которые помогает избежать рациональное расположение Потери при передвижении, потери при поиске, потери сил и энергии, потери от излишних запасов. • Проблемы, которые помогает избежать уборка Окна в цехах загрязнены; пролитое машинное масло, СО могут привести к падению рабочих и травмам; станки реже подвергаются осмотру и чаще ломаются; грязь на рабочем месте ухудшает эмоциональное состояние рабочих. • Проблемы, которые помогает избежать стандартизация В конце дня среди производственного оборудования будет скапливаться ненужные предметы. • Дать определение быстрая переналадка. Типы действий по переналадке быстрая переналадка - набор теоретических практических методов, которые позволяют сократить время операции наладки и переналадки. Типы действий по переналадке - Внутренние - эти операции могут быть выполнены только при выключенном оборудовании; внешние - эти операции можно произвести при работающем станке. • Автономные малые группы. Их задачи и цели. Автономные малые группы - Это командная работа, направленная на быстрое применение методов бережливого производства и сокращения потерь в производства
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 (0.008)
Лекция по теме "СТРОЕНИЕ,СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЯ"
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, цвет, блеск, непрозрачность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение. По плотности металлы разделяют на легкие (до 3000 кг/м 3 ) и тяжелые (от 6000 кг/м 3 и выше); по температуре плавления — на легкоплавкие (до 973 К) и тугоплавкие (свыше 1173 К). Каждый металл или сплав обладает определенным, присущим ему цветом.
Прочность — способность металла в определенных условиях и пределах не разрушаясь воспринимать те или иные воздействия, нагрузки. Это свойство учитывается при изготовлении и проектировании изделий, выборе того или иного металла, сплава. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл, не разрушаясь, называют пределом прочности, или временным сопротивлением разрыву. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию. Наибольшее напряжение, после которого металл возвращается к своей первоначальной форме, называют пределом упругости. Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, такое состояние называют остаточным удлинением. Далее наступает предел текучести, т.е. образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки.
Пластичность — свойство металла под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил . Данное свойство также определяется и измеряется на разрывной машине. Высокой пластичностью обладают золото, серебро, платина и их сплавы. Менее пластичны медь, алюминий, свинец. Это свойство металлов имеет большое значение в давильном и штамповочном производстве, волочении, прокатке.
Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки, что необходимо учитывать при выборе инструментов для обработки металлов резанием. Например, важно знать твердость обрабатываемого металла, чтобы подобрать соответствующую фрезу или сверло. Испытания металлов на твердость проводят на специальных приборах — твердометрах.
Выносливость — свойство металлов сопротивляться действию повторных нагрузок . Температурные условия значительно влияют на механические свойства металлов: при нагревании их прочность понижается, а пластичность увеличивается; при охлаждений некоторые металлы становятся хрупкими, например, сталь некоторых марок, цинк и его сплавы. Нехладноломкими являются алюминий и медь.
Хрупкость — некоторые металлы обладают хрупкостью и при нормальных условиях, примером является серый чугун. В производстве изделий учитывается способность металлов поддаваться обработке, т.е. такие их технологические свойства, как ковкость, жидкотекучесть, литейная усадка, свариваемость, спекаемость, обрабатываемость резанием и некоторые другие.
Ковкость — способность металлов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, прессованию, волочению, штамповке). Металлы могут коваться в холодном состоянии (золото, серебро, медь), а также в горячем (сталь).
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять литейную форму. Высокой жидкотекучестью обладают цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин (сплав алюминия с кремнием), латунь, некоторые магниевые сплавы. Низкой жидкотекучестью обладают сталь, красная медь, чистое серебро.
Литейная усадка —уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Это необходимо учитывать при изготовлении формы для отливки. Отливка получается всегда меньше модели, по которой сделана форма. Металлы с большой усадкой для литья почти не используют.
Свариваемость — способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Сплавы свариваются труднее, чистые металлы — легче. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Плохо поддаются сварке чугун и высокоуглеродистые легированные стали.
Из химических свойств металлов и их сплавов наиболее важными в производстве художественных изделий являются растворение (взаимодействие с кислотами и щелочами) и окисление (антикоррозийная стойкость, т.е.стойкость к воздействию окружающей среды — газов, воды и т.д.).
Растворение (разъедание) — способность металлов растворяться в сильных кислотах и едких щелочах. Это свойство широко используется в различных областях производства художественных изделий. Растворение бывает частичное и полное. Частичное применяется для создания чистой поверхности изделия.
Окисление — способность металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов.
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов.
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
· размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.
· углы между осями ().
· координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
· базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
Рис. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
· примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
· базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
· объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
· гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГП решеток показаны на рис. 9.
Рис. Типы кристаллических решеток металлов.
а) Г.Ц.К, б) О.Ц.К., в) Г.П.У.
Основными типами кристаллических реш¨ток являются:
- Объемно - центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре
- Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней
- Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
- простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
- плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.
2. Физическая природа деформации металлов
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.
Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д.,
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.).
Рис. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений
Зависимость между упругой деформацией и напряжением выражается законом Гука
где: Е - модуль упругости.
Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:
статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.
Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .
Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
3. Методы определения твердости
О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.
Рис. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
3.1. Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)
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 – .
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.
3.2. Метод Роквелла ГОСТ 9013
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)
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)
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
3.3. 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:
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
3.4. 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.
3.5. Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.
Читайте также: