Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я.

Классификация металлических конструкционных

Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я.

Утверждаю

Ректор университета

____________О.Н. Федонин

«___»___________ 2017 г.

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ,

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИХ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

Методические указания

К выполнению лабораторной работы № 1

Для студентов очной и заочной формы обучения

Всех направлений подготовки

Издание 3-е, исправленное и дополненное

Брянск 2017

УДК 621.914.04

Технология конструкционных материалов. Металлические конструкцион­ные материал, определение их механических свойств: методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 для студентов очной и заочной формы обучения всех направлений подготовки. — 3-е изд. испр. и доп. — Брянск: БГТУ, 2017. — 21 с. Методические указания публикуются в авторской редакции.

Разработал: Е.В. Ковалева

канд. техн. наук, доц.

Рекомендовано кафедрой «Триботехническое материаловедение и технологии материалов» БГТУ (протокол № 2 от 28.04.17г.)

Печатается по изданию: Технологические процессы машиностроительного производства. Технология конструкционных материалов. Металлические конструкцион­ные материал, определение их механических свойств: методические указания к выполнению лабораторной работы № 1 для студентов всех форм обучения и специальностей. — Брянск: БГТУ, 2008.

Методические указания публикуются в авторской редакции.

ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы — изучение классификаций металлических конструкционных материалов, обозначения марок конструкционных материалов, нашедших наибольшее применение в машиностроении, их основ­ных свойств.

Задачами работы являются:

1. Освоение основных понятий и определений, относящихся к кон­струкционным материалам.

2. Изучение видов классификаций по разным признакам.

3. Изучение особенностей в обозначении марок сплавов одинако­вого химического состава, отличающихся по технологическому испол­нению и качеству.

4. Получение практических навыков определения твердости основ­ных видов металлических конструкционных материалов, их прочностных и пластических свойств.

Лабораторная работа является практической частью раздела «Конструк­ционные материалы, их классификация и свойства» дисциплин «Технология конструкционных материалов» и «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

Лабораторная работа предусматривает самостоятельное выполне­ние каждым студентом индивидуального задания.

Продолжительность работы — 2 часа.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ

Конструкционные материалы — это металлические, неметаллические и композиционные материалы, обладающие комплексом свойств, позволя­ющих использовать их для изготовления деталей машин, механизмов и сооружений.

Основные свойства металлических конструкционных

Материалов

При выборе материалов для деталей машин конструктор прежде всего учитывает условия их эксплуатации, заданный ресурс времени безотказной работы, технологичность материала и экономическую целе­сообразность применения. В зависимости от этого конструктор подби­рает материал с учетом его механических, физических, химических, тех­нологических и эксплуатационных свойств.

К основным механическим свойствам относятся прочность, плас­тичность, вязкость, упругость, твердость, хрупкость.

Прочность — способность материала сопротивляться пластической де­формации и разрушению под действием внешних нагрузок.

Пластичность способность материала необратимо изме­нять форму и размеры без разрушения в следствии пластической деформа­ции.

Деформация— изменение формы и размеров тела под дей­ствием внешних сил или в результате процессов, протекающих в самом теле.

Вязкость— способность материала, пластически деформиру­ясь, необратимо поглощать энергию внешних сил. Кроме понятия вязкос­ти в технике и науке используют понятие вязкость разрушения.

Упругость— способность материала восстанавливать фор­му и размеры тела после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. От упругости зависит жесткость конструкции — способность сопротивлять­ся деформации.

Твердость— способность материала сопротивляться внед­рению в него другого более твердого тела, не получающего остаточной деформации при местном контактном воздействии.

Хрупкость— способность материала разрушаться под воз­действием внешних сил без видимой пластической деформации.

Физические свойства — это свойства материа­ла, зависящие от внутреннего строения вещества, его атомно-электронной структуры. К физическим свойствам относятся плотность, тепло и электропроводность, коэффициент линейного разрушения, теплоемкость, температура плавления.

Химические свойства материала зависят от химического состава вещества и атомно-электронного строения.

Они про­являются в его способности к химическому взаимодействию с окружаю­щей средой, в возможности образования химических соединений, хими­ческих превращений в зоне контакта сочлененных пар или на поверх­ности изделия при взаимодействии с агрессивной средой. В результа­те такого взаимодействия происходит поверхностное окисление металла, насыщение его газами, образование ржавчины и т.п.

Технологические свойства — это свойства материала поддаваться различным способам горячей и холодной обработки. К технологическим свойствам относят деформируемость (ковкость), свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом, склонность к термической обработке, литейные свойства.

Эти свойства материала позволяют производить формоизменяющую обработку, получать заготовки, а из заготовок — детали машин.

Технологические свойства определяются способностью материала заготовки воспринимать воздействие различных методов горячей и холодной обработки с целью формоизменения заготовки или достижения требуемого комплекса свойств.

Ковкость– технологическое свойство металла подвергаться деформированию в горячем или холодном состоянии при наименьшем сопротивлении и принимать требуемую форму, под внешним воздействием не разрушаясь.

Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемное соединение (сварочный шов) с другими сплавами и материалами, обладающее требуемым уровнем прочностных и эксплуатационных свойств.

Обработка резанием – способность металлов и сплавов в отделении поверхностных слоев материала в виде стружки под воздействием режущего инструмента. Критериями обрабатываемости являются ре­жимы резания и качество (шероховатость) обработанной поверхности.

Термическая обработка – способность сплавов изменять свою структуру под влиянием различных воздействий (тепло, давление, излучения и поля различной природы) с приобретением требуемого комплекса свойств.

Литейные свойства – определяются способностью материала:

– обладать в расплавленном состоянии технологической жидкотекучестью или способностью заполнять литейную форму и воспроизводить требуемую геометрию и форму литой заготовки (отливки);

– обладать минимальной склонности к ликвации (неоднородное химическое и структурное состояние сплава) в процессе кристаллизации;

– обладать минимальной объемной и (или) линейной усадкой при затвердевании отливки (слитка).

Полная объемная усад­ка εv включает объемную усадку в жидком состоянии εvж, объемную усадку при затвердевании εvз, и объемную усадку в твердом состоя­нии εvт

εv = εvж + εvз+ εvт. (1)

Эксплуатационные (служебные) свойства — это свойс­тва материала, которые проявляются при эксплуатации изделия в раз­личных условиях работы. К эксплуатационным свойствам относят износостойкость, коррозионную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и т.п.

Классификация металлических конструкционных

Материалов

Классифицируют металлические конструкционные материалы по различным признакам: по технологическому исполнению, по основным эксплуатационным характеристикам и назначению, по виду сплава и т.п. На первом этапе изучения металлов и сплавов важно уметь определить по марке, к какой группе сплавов они относятся и в каком виде поступают и используются (прокат, отливки и т.п.).

Потехнологическому исполнению металлические конструкционные материалы подразделяют на деформируемые, литейные и спеченные, что находит отражение в обозначении их марок.

По виду сплава различают черные металлы и спла­вы цветных металлов. Черные металлы — стали и чугуны.

.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Источник: https://studopedia.ru/19_385914_klassifikatsiya-metallicheskih-konstruktsionnih.html

Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я

Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я.

Технология ручной дуговой сварки. Харченков В.С

Харченков В.С., Давыдов С.В.

Технология конструкционных материалов. Технология ручной дуговой сварки: Методические указания по выполнению лабораторной работы N5 для студентов дневной и вечерней форм обучения всех специальностей. 2-е изд., испр. и перераб. / Разраб.: В.С. Харченков, С.В. Давыдов. — Брянск: БГТУ, 2002. — 7 с.

Производство заготовок холодной листовой штамповкой. Шатов А.Я

Технология конструкционных материалов. Производство заготовок холодной листовой штамповкой. Методические указания по выполнению лабораторной работы N4 для студентов дневной и вечерней форм обучения всех специальностей. — 3-е изд. доп. / Разраб.: Шатов А.Я., Давыдов С.В. — Брянск БГТУ, 2002. — 10 с.

Обработка заготовок на фрезерных станках. Шатов А.Я

Технологические процессы машиностроительного производства. Технология конструкционных материалов.

Обработка заготовок на фрезерных станках: методические указания к выполнению лабораторной работы N11 для студентов всех форм обучения и специальностей. — 2-е изд., доп., перераб. / Разраб.: Шатов А.Я., Давыдов С.В. — Брянск: БГТУ, 2006. — 20 с.

Материаловедение. Мельников В.П.

Материаловедение. Рабочая программа, задания на контрольную работу, лабораторный практикум и методические указания для студентов-заочников всех технических специальностей / Разраб. В.П. Мельников. — Брянск: БГТУ, 1998. — 22 с.

Обработка заготовок на токарных станках. Шатов А.Я.

Технология конструкционных материалов. Обработка заготовок на токарных станках. Методические указания к выполнению лабораторной работы N9 для студентов 1-го курса дневной формы обучения и 2-го курса вечерней формы обучения всех специальностей, 2-е изд., доп. / Разраб. А.Я. Шатов. — Брянск: БГТУ, 2001. — 12 с.

Разработка технологического процесса изготовления отливки. Давыдов С.В

Технологические процессы машиностроительного производства. Технология конструкционных материалов.

Разработка технологического процесса изготовления отливки: методические указания к выполнению контрольной работы N1 для студентов заочной формы обучения специальностей 120100 — «Технология машиностроения»- 120300 — «Машины и технология литейного производства» и контрольной работы N2 для студентов специальности 101200 — «Двигатели внутреннего сгорания». Изд. 2-е доп. и испр. / Разраб. С.В. Давыдов, А.Я. Шатов. — Брянск: БГТУ, 2009. — 17 с.

Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса. Шатов А.Я.

Технологические процессы машиностроительного производства. Автоматическая дуговая сварка под слоем флюса: Методические указания по выполнению лабораторной работы N6 для студентов 1-го курса дневной и 2-го курса вечерней форм обучения всех спеиальностей. — 3-е изд., перераб. и доп. / Разраб. А.Я. Шатов. — Брянск: БГТУ, 2003. -10 с.

Материаловедение. Мельников В.П

Мельников В.П., Давыдов С.В.

Материаловедение: методические указания к изучению дисциплины для студентов заочной формы обучения специальности 060800 — «Экономика и управление на предприятиях в машиностроении» / Разраб.: В.П. Мельников, С.В. Давыдов. — Брянск: БГТУ, 2009. — 19 с.

Микроанализ металлов и сплавов. Жарков В.Я

Жарков В.Я., Мельников В.П.

Материаловедение. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Микроанализ металлов и сплавов: методические указания к выполнению и оформлению лабораторной работы N1 для студентов всех специальностей и форм обучения. — Изд. третье перераб. и доп. / Разраб.: В.Я. Жарков, В.П. Мельников. — Брянск: БГТУ, 2007. — 15 с.

Технология контактной сварки. Давыдов С.В

Давыдов С.В., Ковалева Е.В.

Технология конструкционных материалов. Технология контактной сварки: Методические указания по выполнению лабораторной работы N7 для студентов 1-го курса дневной и вечерней форм обучения всех специальностей. — 2-е изд., испр. и перераб. / Разраб.: С.В. Давыдов, Е.В. Ковалева. — Брянск: ЕГТУ, 2007. — 8 с.

Пластическая деформация, возврат и рекристаллизация. Мельников В.П

Мельников В.П., Жарков В.Я.

Материаловедение, материаловедение и технологии конструкционных материалов и другие совмещенные дисциплины. Пластическая деформация, возврат и рекристаллизация. Методические указания к выполнению лабораторной работы N2 для студентов всех специальностей и форм обучения / Разраб. В.П. Мельников, В.Я.Жарков. — Брянск: БГТУ, 2007.- 14 с.

Режущий инструмент и его основные элементы и геометрия. Харченков В.С

Харченков В.С., Давыдов С.В.

Технология конструкционных материалов. Режущий инструмент и его основные элементы и геометрия: Методические указания к выполнению лабораторной работы N8 для студентов 1-го курса дневной и 2-го курса вечерней форм обучения всех специальностей, 2-е изд., перераб. и доп. / Разраб.: В.С. Харченков, С.В. Давыдов. — Брянск, БГТУ, 2001. — 12 с.

Источник: https://zzapomni.com/bgtu-bryansk/shatov-metallicheskie-konstrukcio-2001-304

Лабораторная работа Определение физико-механических свойств конструкционных материалов

Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я.

1. Цель работы

Приобрести практические навыки анализа результатов испытания материалов и определения основных показателей их механических свойств.

2. Программа работы

2.1. Изучить теоретические сведения о свойствах материалов, методах их испытания для получения показателей, определяющих их механические свойства.

2.2. Изучить устройство и работу разрывной машины и маятникового копра для испытания образцов материалов.

2.3. Проанализировать таблицу свойств сплавов.

2.4. Составить отчет по работе и сделать выводы.

3. Указания к работе

Свойства конструкционных материалов. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов.

К физическим свойствам относятся плотность, температура плавления, коэффициент теплового расширения, тепло — и электропроводность, магнитная проницаемость и др.

Химические свойства определяются химической активностью материала, его способностью к химическому взаимодействию с газовыми и жидкими средами, со шлаками и расплавленными металлами и т. д.

К числу основных химических свойств относятся: растворимость в жидких средах; коррозионная стойкость (определяемая скоростью потери или увеличения массы) на воздухе, в растворах солей, кислот и щелочей; жаростойкость — сопротивление окислению при высоких температурах.

Основными показателями механических свойств являются: прочность, пластичность, вязкость, твердость, выносливость. Более подробно механические свойства будут рассмотрены ниже.

Технологические свойства характеризуют способность материалов свариваться, обрабатываться резанием и давлением и т. д.

В целом, от технологических свойств зависят затраты труда, машинного времени и инструмента на то, чтобы получить единицу продукции.

Показателями технологических свойств являются: свариваемость, штампуемость, допустимые скорость и глубина резания (обрабатываемость резанием), литейные характеристики сплавов (жидкотекучесть, величина линейной и объемной усадки, трещиностойкость) и др.

Эксплуатационные или служебные свойства характеризуют способность материала работать в различных условиях. Важнейшими среди них являются: надежность, долговечность, износостойкость, фрикционные свойства (коэффициент трения, склонность к задирам на трущихся поверхностях), хладостойкость, повреждаемость в условиях радиации и др.

Механические свойства относятся к числу основных характеристик, определяющих надежность и долговечность деталей механизмов и машин. В процессе работы детали машин подвержены различным видам нагрузок.

Для того, чтобы определить работоспособность сплавов в различных условиях нагружения проводят их испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение и т. д.

При этом под действием приложенных к испытуемому образцу нагрузок в металле возникают напряжения s, равные отношению нагрузки к площади поперечного сечения детали или испытуемого образца. Напряжения вызывают упругую (исчезающую после снятия нагрузки) и пластическую (остаточную) деформации.

Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима. Способность сплава сопротивляться деформации и разрушению характеризует его прочность, способность деформироваться без разрушения — его пластичность.

Испытания на растяжение являются основным видом механических испытаний, позволяющих определить показатели прочности: пределы пропорциональности, упругости, текучести, прочности (временное сопротивление) и истинное напряжение разрыва, а также показатели пластичности (относительное удлинение и относительное сужение).

Для испытаний на растяжение применяют цилиндрические или плоские образцы с расчетной длиной 50 мм и диаметром (шириной) 10 мм. Могут применяться образцы других размеров.

При растяжении образца в испытательной машине (рис. 2) записывающий прибор вычерчивает диаграмму растяжения, показывающую зависимость деформации образца от растягивающей нагрузки Р (рис. 3).

Рис. 2 Криостаты для испытания на растяжение

На диаграмме имеются характерные точки, по которым определяются показатели механических свойств. От начала деформации (точка О) до точки, соответствующей Р=Рпц образец деформируется пропорционально приложенной нагрузке. Эта точка является предельной (до нее сохраняется прямолинейная зависимость между прилагаемой нагрузкой и деформацией образца) и соответствует пределу пропорциональности.

Предел пропорциональности определяется по формуле:

, МПа (1.1)

где F0 — площадь поперечного сечения образца до деформации — расчетная.

При нагрузках выше Рпц нарушается пропорциональность между прилагаемой нагрузкой и деформацией образца, но образец по-прежнему деформируется упруго, т. е. при снятии нагрузки он принимает первоначальные размеры. Нагрузка, вызывающая остаточную деформацию образца, равную 0,05% его первоначальной длины l0 (рис. 3б), обозначается Ру. По ней определяется предел упругости:

, МПа (1.2)

Рис. 3 Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести s0,2 (б).

При дальнейшем увеличении нагрузки криволинейный участок кривой «усилие-удлинение» может при испытаниях пластических материалов перейти в горизонтальный (металл «течет» без увеличения нагрузки). По нагрузке Рт, соответствующий этому участку, определяют физический предел текучести (см. рис. 3):

, МПа (1.3)

При испытаниях сравнительно хрупких материалов площадка текучести на диаграмме отсутствует. В этом случае по нагрузке Р0,2, при которой остаточное удлинение образца составляет 0,2% его первоначальной длины l0, определяют условный предел текучести (см. рис. 3);

, МПа (1.4)

Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке Рв, называется пределом прочности или временным сопротивлением и определяется по формуле:

, МПа (1.5)

Уменьшение нагрузки при дальнейшем растяжении связано с образованием местного сужения поперечного сечения (шейки) у пластичных металлов. При этом нагрузка Р падает, а напряжение s в поперечном сечении образца увеличивается. Максимальное напряжение перед разрушением образца — истинное сопротивление разрыву, которое определяется по формуле:

, МПа (1.6)

где Fk — площадь минимального поперечного сечения образца после разрыва.

По результатам обмеров разрывных образцов до испытаний и после них определяют показатели пластичности:

— относительное удлинение

, % (1.7)

— относительное сужение

, % (1.8)

где l0 u lk — соответственно длина образца до и после испытаний, мм;

F0 и Fk — площади поперечного сечения образца до и после испытаний, мм2;

d0 и dk — диаметр образца до и после испытаний, мм.

Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого более твердого тела. Подробно это свойство изучается в следующей лабораторной работе.

Ударная вязкость. В условиях эксплуатации многие детали и конструкции могут хрупко разрушаться под действием ударных нагрузок.

Поскольку статические испытания на растяжение не отражают полностью сопротивления материалов разрушению при ударных нагрузках, применяют динамические испытания на ударный изгиб. Испытания проводятся на маятниковых копрах.

Образцы для испытаний представляют собой квадратные бруски сечением 10 ´ 10 мм и длиной 55 мм. В середине образца может создаваться концентратор напряжений в виде канавки с радиусом закругления 1,0 мм или 0,25 мм или же в виде усталостной трещины.

Рис. 4 Схема испытания на ударную вязкость.

а – стандартный образец с надрезом, тип 1; б – схема маятникового копра; в – зависимость вязкости от температуры; г – образец с трещиной.

Схема испытаний показана на рис. 4. Маятник копра устанавливают в исходное положение на высоту Н (запас энергии А0) и удерживают защелкой.

В нижней точке траектории маятника на опорах устанавливают образец так, чтобы надрез располагался с противоположной стороны ножа маятника (груза).

Освобожденный от защелки груз падает вниз по траектории маятника, разрушает образец и поднимается вверх на определенную высоту h, что соответствует запасу энергии А1.

Величины энергии маятника А0 и А1 автоматически регистрируются указателями индикатора.

Ударная вязкость вычисляется по формуле:

, Дж/см2 (МДж/м2) (1.9)

В зависимости от формы надреза (U, V-образный, в виде трещины) при обозначении ударной вязкости вводится третий индекс: KCU, KCV, КСТ. Обозначение КС применяется для образцов без надреза (этот тип образцов используется для хрупких материалов).

Выносливость материалов и сплавов

Выше отмечалось, что при испытаниях на растяжение (см. рис. 1) напряжения, не превышающие предела упругости sу, не приводят после снятия нагрузки к изменению размеров и формы образца (детали). Казалось бы, и свойства материала при этом не меняются.

Однако, опыт эксплуатации механизмов и машин, детали которых подвергались многократным (десятки миллионов циклов) повторно-переменным нагрузкам, выявил склонность этих деталей к внезапным, на первый взгляд, разрушениям.

Это явление, по аналогии с живыми организмами, назвали усталостью металлов, а свойство сопротивляться усталости — выносливостью.

В настоящее время механизмы усталостного разрушения хорошо изучены. Установлено, что структура металлов имеет дефекты в виде микропор, неметаллических включений и пр. Эти дефекты являются концентраторами напряжений.

Это значит, что при общей нагрузке на образец или деталь s < sу, величина локальных напряжений у дефектов превышает предел текучести материала, что, в свою очередь, вызывает сначала зарождение, а затем и рост микротрещин.

Зародившиеся возле дефектов микротрещины сливаются в макротрещину, сечение образца (детали) уменьшается и наступает разрушение.

Предел выносливости — максимальное напряжение, которое выдерживает образец при заданном числе циклов нагружения: обычно 107 циклов для стали и 108 циклов для цветных металлов. Наиболее часто предел выносливости определяют при испытании образца на изгиб с вращением со знакопеременным симметричным циклом нагружений. На рис.

5 представлен вращающийся образец. Груз Р создает максимальные напряжения в левой части образца и минимальные в правой (вертикальная штриховка). При этом верхние точки образца подвержены растяжению, нижние — сжатию.

В процессе вращения напряжения в каждой точке поверхности образца изменяются от растяжения к сжатию по синусоидальному закону.

Рис. 5 Испытания на усталость (а), кривая усталости (б) и усталостный излом (в).

Испытание проводят на серии образцов при разной нагрузке с определением разрушающего напряжения цикла и соответствующего ему числа циклов нагружения. По полученным данным строят кривую, на которой определяют пределы выносливости, на базе заданного числа циклов нагружения (рис. 5б). Предел выносливости рассчитываемый для стандартных условий, например, для стали при N = 107, обозначают s-1.

Усталостная трещина, как правило, зарождается на поверхности образца, то есть в месте максимальных напряжений. В усталостном изломе (рис. 5в) наблюдаются 2 зоны: первая (1 на рис. 5в), имеющая гладкую поверхность и возникшая в результате зарождения и медленного роста усталостной трещины; и вторая (2 на рис. 5в) — зона долома, зона быстрого разрушения.

Количество марок и типов конструкционных материалов, используемых в настоящее время, составляет десятки тысяч (таблица 7). Их классификация чаще всего производится по химическому составу.

В соответствии с этой классификацией все конструкционные материалы делятся на две большие группы: металлы и неметаллы.

При этом под понятием “металлы” подразумеваются, как чистые металлы, например, алюминий, медь, серебро, золото, применяемые в качестве проводников электрического тока, так и их сплавы, представляющие собой материалы, образовавшиеся в результате затвердевания расплавов, состоящих из двух и более химических элементов. Так сплавы железа с углеродом образуют стали (до 2,14% углерода) и чугуны (от 2,14% до 6,67% углерода), сплавы алюминия с кремнием – силумины, меди с цинком – латуни и т. д.

К сплавам черных металлов относятся сплавы на основе железа (стали и чугуны), марганца и хрома (ферросплавы, применяемые для легирования железо-углеродистых сплавов). Все остальные металлы и их сплавы относятся к цветным (точнее к не железным).

По физическим и химическим свойствам цветные металлы делятся на легкие (алюминий, магний, титан, бериллий, литий, натрий и др.), тяжелые (медь, никель, кобальт, свинец, олово и др.), тугоплавкие, имеющие температуру плавления более 1600°С (вольфрам, рений, молибден и др.), благородные или драгоценные (золото, серебро, платина, палладий, родий и др.

), радиоактивные (уран, торий, технеций и др) и т. д. Самую высокую температуру плавления имеет вольфрам — 3410°С, самую низкую – ртуть (-39°С);

Таблица 7

Свойства сплавов (средние данные)

Материалsв, МПаg×10-3, кг/м3sв/gЭнергозатраты на производство МДж/тСтоимость, у.е./т
из рудыиз вторичных ресурсов
Сталь углеродистая5507,87,125,21,98180
Сталь низколегированная6507,89,325,72,00290
Сталь низколегированная термоупрочненная10007,812,826,42,05320
Сталь мартенситостареющая25007,832++520
Чугун доменный1507,22,1+120
Чугуг ваграночный серый2007,22,83626200
Чугун высокопрочный5007,26,936,226,2260
Алюминиевые сплавы3502,713,027016,61200
Алюминиевые композиционные материалы11002,642,3++2600
Магниевые сплавы3001,7317,3++2700
Магниевые композиционные материалы12002,254,5++6100
Титановые сплавы15004,533,3++2100
Стеклопластики типа СВАМ7001,838,8500

Наиболее низким электрическим сопротивлением, Ом×м×10-8 обладают: серебро – 1,6; медь – 1,7; золото – 2,3; алюминий – 2,6. Самый пластичный химический элемент – золото.

Из одного грамма золота можно вытянуть проволоку длиной 2,4 км, ее диаметр при этом составит 0,0045 мм, что в 20 раз тоньше человеческого волоса. Самый дешевый металлический конструкционный материал – серый чугун – около 200 долл.

/т, самый дорогой химический элемент – калифорний, который продавался в 1970 г. по цене 10 долл. за микрограмм, или 10 млн. долл. за грамм (стоимость 1 г. золота – 12 долл.).

Кроме металлических материалов все более широкое применение в технике находят неметаллические конструкционные материалы, лидирующее положение среди которых занимают пластические массы (пластмассы, пластики).

Особую группу конструкционных материалов представляют композиционные материалы, в металлической или неметаллической основе которых имеются усиливающие элементы в виде нитей, волокон или дисперсных частиц другого более прочного (или более твердого, более износостойкого, более электропроводного и т. д.) материала. Комбинируя объемное содержание компонентов, получают композиционные материалы с требуемыми значениями твердости, жаропрочности и других специальных свойств.

4. Указания к проведению работы и составлению отчета

4.1. Изучить теоретические сведения о свойствах материалов, методах их испытания для получения показателей, определяющих их механические свойства.

4.2. Изучить устройство и работу разрывной машины и маятникового копра для испытания образцов материалов, используя макеты и плакаты.

4.3. Изобразить диаграмму результатов испытания конкретного материала на растяжение, проставить нагрузки и величину удлинения (в масштабе).

4.4. Проанализировав таблицу свойств сплавов, указать в отчете материалы с максимальными и минимальными величинами прочности, удельного веса, удельной прочности, энергозатрат на производство и стоимости.

5. Вопросы для самопроверки

5.1. Какие показатели механических свойств материалов, характеризующие их прочность, определяются при испытании образцов на растяжение?

5.2. Какие показатели механических свойств материалов, характеризующие их пластичность, определяются при испытании образцов на растяжение?

5.3. Какие показатели механических свойств материалов, можно определить по диаграмме, полученной при испытании образцов на растяжение?

5.4. Какие показатели характеризуют ударную вязкость материала, при каких испытаниях они определяются?

5.5. Каковы признаки усталостной поломки детали при осмотре места излома?

Источник: https://mehanik-ua.ru/laboratornye-raboty/1576-opredelenie-fiziko-mekhanicheskikh-svojstv-konstruktsionnykh-materialov.html

6. Конструкционные материалы

Металлические конструкционные материалы, определение их механических свойств. Шатов А.Я.

Все конструкционные материалы можноусловно разделить на однородные икомпозиционные,металлические и неметаллические(Рисунок6.1).

Рисунок 6.1– Классификация конструкционных материалов

Металлы – химические элементы,образующие в свободном состоянии простыевещества с металлической связью междуатомами.

Сплавы– твердые вещества,образованные сплавлением двух или болеекомпонентов. Сплав образуется врезультате как чисто физических процессов(растворение, перемешивание), так и врезультате химического взаимодействиямежду элементами.

 Разнообразиесостава типов межатомной связи икристаллических структур сплавовобуславливает значительное различиеих физико-химических, электрических,магнитных, механических, оптических идругих свойств.

 Сплавы на основежелеза называютсячерными, наоснове других металловцветными.

Неметаллические материалы–неорганические и органические материалы,композиционные материалы на неметаллическойоснове, клеи, герметики, лакокрасочныепокрытия, графит, стекло, керамика ит.д.

Полимеры– вещества, макромолекулыкоторых состоят из многочисленныхэлементарных звеньев (мономеров)одинаковой структуры.

Композиционные материалы–гетерофазные (состоящие из различныхпо физическим и химическим свойствамфаз) системы, полученные из двух и болеекомпонентов с сохранением индивидуальностикаждого отдельного компонента.

При этом:

    • материал является однородным в макромасштабе и неоднородным в микромасштабе (компоненты различаются по свойствам, между ними существует явная граница раздела);

    • один из компонентов, обладающий непрерывностью по всему объему, является матрицей; компонент прерывистый, разделенный в объеме композиции, считается усиливающим или армирующим.

В приборостроении большое применениенаходят различные неметаллическиематериалы, такие как пластмассы,резина, стекло, керамика, лакокрасочныеиклеевые материалы, причем сразвитием химии и новых технологий долянеметаллических материалов вприборостроении постоянно увеличивается.

Выбор пластмасс определяется назначениемдетали и характерной особенностью ееполучения (прессование, литье и другиеспособы), причем особенности строения,механические и физические свойствапластмасс существенно влияют наконструкцию детали и способ ееизготовления.

Применение порошковых материаловопределяется необходимостью изготовленияизделий с особыми свойствами и структурой,которые недостижимы другими методамипроизводства, либо изделий с обычнымсоставом, структурой и свойствами, нопри значительно более выгодныхэкономических показателях производства.

Свойства конструкционных материаловподразделяются на:

    • механические;

    • технологические;

    • эксплуатационные.

К механическим свойствам относятся:

    • прочность;

    • упругость;

    • пластичность;

    • твердость;

    • ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность идолговечность конструкции.

Прочность– это способностьматериала  сопротивляться деформациии разрушению.

Деформациейназывается изменениеразмеров и формы тела под действиемвнешних сил. Деформации подразделяютсяна упругие и пластические. Упругиедеформации исчезают после окончаниядействия сил, а пластические остаются.

Пластичность– способностьматериала деформироваться. Пластичностьобеспечивает конструктивную прочностьдеталей под нагрузкой и нейтрализуетвлияние концентраторов напряжений –отверстий, вырезов и т.п. При пластическомдеформировании металла одновременнос изменением формы изменяется рядсвойств, в частности при холодномдеформировании повышается прочность,но снижается пластичность.

Большинство механических характеристикматериалов определяют в результатеиспытания образцов на растяжение (ГОСТ1497-84).

При растяжении образцов с площадьюпоперечного сечения S0 и рабочей (расчетной) длинойlо строят диаграмму растяженияв координатах: нагрузкаP–удлинение  ∆lобразца(рисунок 6.2).

Рисунок 6.2 – Диаграмма растяжения

Диаграмма растяженияхарактеризуетповедение металла при деформированииот момента начала нагружения до разрушенияобразца. На диаграмме выделяют триучастка:

    • упругой деформации – до нагрузки Рупр;

    • равномерной пластической деформации от Рупр до Рмах;

    • и сосредоточенной пластической деформации от Рмахдо Рк.

Если образец нагрузить в пределах Рупр,а затем полностью разгрузить и замеритьего длину, то никаких последствийнагружения не обнаружится.

Закон Гука для линейного участкадиаграммы: σ = Е ε, где Е – называетсямодулем упругости или модулем Юнга. Еимеет размерность кг/см2и являетсяодной из физических констант материала.Модуль упругости при растяжении численноравен тангенсу угла наклона диаграммынапряжений к оси абсцисс.

Между относительной поперечнойдеформацией и относительной продольнойдеформацией при простом растяжении исжатии в пределах применимости законаГука существует постоянное соотношение,абсолютная величина которого называетсякоэффициентом Пуассонаμ = ε1/ε– безразмерная величина и для всехизотропных материалов лежит в пределах0 – 0,5 ( 0 для пробки, 0,5 для каучука, длястали 0,3 ).

При нагружении образцаболее Рупрпоявляетсяостаточная(пластическая) деформация.Пластическоедеформирование идет при возрастающейнагрузке, так как металл упрочняется впроцессе деформирования. Упрочнениеметалла при деформированииназываетсянаклепом.

При дальнейшем нагружении пластическаядеформация, а вместе с ней и наклеп всеболее увеличиваются, равномернораспределяясь по всему объемуобразца.

 После достижениямаксимального значения нагрузки Рмахвнаиболее слабом месте появляется местноеутонение образца – шейка, в которой восновном и протекает дальнейшеепластическое деформирование.

В связис развитием шейки, несмотря напродолжающееся упрочнение металла,нагрузка уменьшается отРмахдо Рк, ипри нагрузке Ркпроисходитразрушение образца. При этом упругаядеформация образца  исчезает, апластическая ∆lостостается.

При деформировании твердого тела внутринего возникают внутренние силы. Величинусил, приходящуюся на единицу площадипоперечного сечения образца, называютнапряжением.Размерностьнапряжения МПа.

Пользуясь указанными характеристиками,и зная площадь сечения образца S0,определяют основные характеристикипрочности материала:

σпц= Рпц/S0- предел пропорциональности; σуп= Руп/S0- пределупругости; σт= Рт/S0- предел текучести; σв= Рмах/S0- предел прочности или временнойсопротивление; σк= Рк/S0- напряжение в момент разрыва.

Поскольку диаграмма растяжения металлов характеризует не только свойстваметаллов, но и размеры образца, то еепринято перестраивать в относительныхкоординатах σ – ε, такая диаграмманазывается диаграммой напряжений.

Пластичностьхарактеризуетсяотносительным удлинениеми относительным сужением:

где l0,S0- начальные длина и площадь поперечногосечения образца;lk,Sk — конечная длина и площадь в местеразрыва.

Допустимые значения напряжений врасчетах выбирают меньше в 1,5 — 2,5 раза.

Твердость– это сопротивлениематериала проникновению в его поверхностьстандартного тела (индентора). О твердостисудят либо по глубине проникновенияиндентора, либо по величине отпечаткаот вдавливания. Во всех случаях происходитпластическая деформация материала. Чембольше сопротивление материалапластической деформации, тем вышетвердость.

Наибольшее распространение получилиметодыопределения твердости Бринелля,Роквелла, Виккерса и микротвердости.Схемы испытаний представлены на Рисунке3.4.

Рисунок 6.3 – Схема определения твердостиматериала по Бринеллю (а), по Роквеллу(б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют натвердомере Бринелля.В качествеиндентора используется стальнойзакаленный шарик диаметром  Д = 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщиныизделия.

Полученный отпечаток измеряется в двухнаправлениях при помощи лупы Бринелля.Твердость определяется как отношениеприложенной нагрузки Р  к сферическойповерхности отпечатка.

Метод Роквелла основан навдавливании в поверхность под определеннойнагрузкой наконечника в виде шарикаили алмазного конуса. Для мягкихматериалов (до НВ 230) используется стальной шарик диаметром 1/16” ( 1,6мм), для более твердых материалов –конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа.Сначала прикладывается предварительнаянагрузка Р0(100 н) для плотногосоприкосновения наконечника с образцом.Затем прикладывается основная нагрузка Р1,в течение некоторого времени действуетобщая рабочая нагрузка Р. После снятияосновной нагрузки определяют значениетвердости по глубине остаточноговдавливания наконечникаhподнагрузкойP.

Твердость по Виккерсуопределяетсяпо величине отпечатка индентора: алмазнаячетырехгранная пирамида с углом привершине 136o.

Твердость рассчитывается как отношениеприложенной нагрузки  Р  кплощади поверхности отпечатка.

Нагрузка Р  составляет 50…1000 н.Диагональ отпечатка  dизмеряется при помощи микроскопа,установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, чтоможно измерять твердость любых материалов,тонких изделий, поверхностных слоёв.Метод обеспечивает высокую точностьпри высокой чувствительности.

Способ микротвердости–используется для определения твердостиотдельных структурных составляющих ифаз сплава, очень тонких поверхностныхслоев (сотые доли миллиметра). Методаналогичен способу Виккерса. Индентор– пирамида меньших размеров, нагрузкипри вдавливанииPсоставляют5…500 н.

Ударная вязкостьхарактеризуетнадежность материала, его способностьсопротивляться хрупкому разрушению.Испытания на ударную вязкость производятна маятниковых копрах. Испытуемыеобразцы имеют надрезы определеннойформы и размеров.

Образец устанавливаютна опорах копра надрезом в сторону,противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определеннуювысоту.

Ее определяют по ГОСТ как удельнуюработу разрушения призматическогообразца с концентратором (надрезом)посередине одним ударом маятниковогокопра: КС = К/S, где К — работаразрушения;S- площадьпоперечного сечения образца в местеконцентратора. Измеряется в МДж/м2.ОбозначаютKCU,KCV,KCT,U,V,T- вид концентратора (U,V- образный; Т — трещинаусталости).

Технологические свойства конструкционных материалов.

Технологические свойства характеризуютспособность материала подвергатьсяразличным способам холодной и горячейобработки.

К технологическим свойствам металлови сплавов относятся:

    • литейные свойства;

    • деформируемость;

    • свариваемость;

    • обрабатываемость режущим инструментом.

Эти свойства позволяют производитьформоизменяющую обработку и получатьзаготовки и детали машин.

Литейные свойствахарактеризуютспособность материала к получению изнего качественных отливок.

Литейные свойства определяютсяспособностью расплавленного металлаили сплава к заполнению литейной формы(жидкотекучесть), степенью химическойнеоднородности по сечению полученнойотливки (ликвация), а также величинойусадки – сокращением линейных размеровпри кристаллизации и дальнейшемохлаждении.

Способность материала к обработкедавлением– это способностьматериала изменять размеры и форму подвлиянием внешних нагрузок не разрушаясь(обработка без снятия стружки).

Онаконтролируется в результате технологическихиспытаний, проводимых в условиях,максимально приближенных к производственным.Листовой материал испытывают на перегиби вытяжку сферической лунки. Проволокуиспытывают на перегиб, скручивание, нанавивание.

Трубы испытывают на раздачу,сплющивание до определенной высоты иизгиб. Критерием годности материалаявляется отсутствие дефектов послеиспытания.

Свариваемость– это способностьматериала образовывать неразъемныесоединения требуемого качества присварке. Свойство оценивается по качествусварного шва.

Обрабатываемость резанием–характеризует способность материалаподдаваться обработке режущиминструментом. Оценивается по стойкостиинструмента и по качеству обработаннойповерхности.

Технологические свойства часто определяютвыбор материала для конструкции.Разрабатываемые материалы могут бытьвнедрены в производство только в томслучае, если их технологические свойстваудовлетворяют необходимым требованиям.

Современное автоматизированноепроизводство, предъявляет к технологическимсвойствам материала особые требования:проведение сварки на больших скоростях,ускоренное охлаждение отливок, обработкарезанием на повышенных режимах и т. п.при обеспечении необходимого условия– высокого качества получаемой продукции.

Эксплуатационные свойствахарактеризуютспособность материала работать вконкретных условиях:

    • износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения;

    • коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных и щелочных сред;

    • жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре;

    • жаропрочность – это способность материала сохранять прочность и твердость  при высоких температурах;

    • хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах;

    • антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальнымииспытаниями в зависимости от условийработы изделий. При выборе материаладля создания конструкции необходимоучитывать конструкционные, технологическиеи эксплуатационные свойства.

Источник: https://studfile.net/preview/5880223/

Biz-books
Добавить комментарий