Определение механических свойств металлов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Петербургский государственный университет путей сообщения

Императора Александра I»

(ФГБОУ ВО ПГУПС)

Брянский филиал ПГУПС

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

Краткий курс в виде планов – конспектов занятий для студентов среднего профессионального образования по специальности:

23.02.06 Техническая эксплуатация подвижного состава железных дорог

Брянск – 2019г

Введение

Материаловедение – изучает происхождение материалов, их свойства и технологию получения, а также методы определения свойств материалов и способы их изменения.

Изучаемые материалы классифицируют по группам в зависимости от происхождения, свойств и назначения.

Различают материалы: конструкционные и электротехнические (т.е. обладающие специфическими свойствами: электропроводностью, магнитными и другие свойства).

ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛОВ

Основы металловедения

Общие сведения

Металловедение – изучает состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также закономерности изменения их свойств при воздействии различных факторов: механических, тепловых, химических.

Более 80 химических элементов проявляют металлические свойства.

 Fe, Cu, Al, Mg, Ti, Ni, Pb, Zn, Sn - называют техническими металлами, остальные – редкими.

Все металлы имеют кристаллическое строение. Кристаллы объединены в зёрна – кристаллиты.

Классификация металлов:

- черные - __________________________________________________________

- цветные -__________________________________________________________

- тугоплавкие - _______________________________________________________

- легкоплавкие -______________________________________________________

- благородные -_______________________________________________________

другие

Свойства металлов

Физические свойства:

Химические свойства:

1. Коррозионная стойкость

2. Окисляемость

3.  Растворимость в сплавах

Технологические свойства:

1. Ковкость   - способность к обработке давлением,

2. Обрабатываемость режущим инструментом,

3. Свариваемость,

4. Литейные свойства - жидкотекучесть, усадка при твердении

5. Механические свойства:

1.   Прочность – способность сопротивляться внешним нагрузкам без разрушения.

2. Упругость – способность восстанавливать форму после снятия нагрузки.

3. Пластичность – способность деформироваться без разрушения и сохранять деформацию.

4. Твердость – способность сопротивляться контактному воздействию в поверхностном слое 

5. Ударная вязкость – способность оказывать сопротивление ударным нагрузкам.

Методы анализа металлов

1. Металлографический анализ (металлография) – изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металлов.

  1.1 Макроанализ – проводят на подготовленных образцах – макрошлифах, или изломах деталей, обычно при помощи лупы или не вооруженным глазом.

  1.2 Микроанализ – проводят на микрошлифах (отполированных и протравленных образцах) с помощью металлографического микроскопа.

2. Термический анализ – обычно сводится к выявлению критических точек при нагреве и охлаждении, т.е. температур, при которых в металле происходят какие-либо превращения.

3. Производят также рентгено-структурный, ультразвуковой и спектральный анализ.

Определение твёрдости

а) По методу Бринелля

С помощью рычажного пресса в подготовленный образец вдавливают стальной закалённый шарик d = 10; 5 или 2,5 мм.

Сила вдавливания регулируется противовесом и принимается: F = 30d² – для стали и чугуна (кГс); F = 10d² – для меди, алюминия и их сплавов; F = 2,5d² – для мягких сплавов на основе олова и свинца.

  Твёрдость (НВ) определяют согласно диаметра отпечатка по таблицам, прилагаемым к прибору или по формуле НВ = F / S.

   Диаметр отпечатка замеряется при помощи мерной лупы.

б) По методу Роквелла

С помощью пресса в подготовленный образец вдавливают стальной закалённый шарик d= 1,58 мм или алмазный конус (α = 120⁰). Нагрузка F = 100 кГс – для шарика и 150 кГс - для алмазного конуса. Твёрдость HRB или HRC определяют по шкалам прибора в зависимости от глубины вдавливания (единица твердости – перемещение наконечника на 0,002 мм (2 мкм)).

Испытание на усталость

Длительное действие на металлические изделия повторно-переменных (циклических) нагрузок приводит к образованию микротрещин и может вызвать разрушение металла при нагрузках значительно ниже предела прочности. Это явление называют усталостью.

  Усталостная прочность характеризуется пределом выносливости, т.е. наибольшим механическим напряжением, при котором образец без разрушения выдерживает заданное число циклов изменения нагрузки (обычно 5…10 млн. циклов). Испытания выполняют переменной нагрузкой на специальных установках.

Основы теории сплавов

В практике применение чистых металлов ограничено из-за сравнительно низких механических параметров. Для конструкционных изделий в основном применяют сплавы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов, при сохранении металлических свойств.

Получают сплавы обычно сплавлением компонентов, реже методом металлокерамики (т.е. спеканием порошков входящих в сплав компонентов).

Различают три вида сплавов:

1) Механическая смесь – представляет собой смесь кристаллов входящих в сплав компонентов, причём возможно любое их процентное соотношение.

2) Твёрдый раствор – один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента.

Различают твёрдый раствор:

a) замещения – обычно это сплавы металлов с близкими размерами атомов;

б ) внедрения – обычно это сплавы металлов с неметаллами (например сплавы Fe-C).

3) Химические соединения – возможны при определённом соотношении компонентов. возможны при определённом соотношении компонентов. В результате химической реакции образуется сплав новой структуры с новыми свойствами (например цементит Fe₃С при 6,67 % углерода)

Сплавы кристаллизуются в определённом интервале температур, зависящем от концентрации компонентов, поэтому кривые охлаждения сплавов разной концентрации имеют разный вид.

 Д иаграммы состояния сплавов дают наглядное представление о протекающих в сплавах превращениях в зависимости от их химического состава и температуры.

Для построения диаграммы состояния сплавов совмещают кривые охлаждения, построенные с определённым интервалом концентрации, на общем графике и соединяют плавными кривыми аналогичные критические точки.

Диаграмма I типа (механическая смесь) на примере Свинец – Сурьма (Pb - Sb)

ABC – линия ликвидуса (жидкий) – выше температур этой линии все сплавы - в жидком состоянии.

DBE – линия солидуса (твёрдый) - ниже температур этой линии все сплавы- в твёрдом состоянии.

Между этими линиями происходит процесс первичной кристаллизации. В точке B, при строго определённой концентрации и самой низкой температуре, компоненты кристаллизуются одновременно образуя мелкую равномерную смесь зёрен входящих компонентов – эвтектику (хорошо построенный сплав).

Диаграмма II типа (твёрдый раствор).

Медь – Никель (Cu - Ni)

Сплавы кристаллизуются между линиями ликвидуса и солидуса. При охлаждении, в кристаллы более тугоплавкого никеля проникает медь, образуя твёрдый раствор меди в никеле.

Аллотропные формы железа

α- железо – кристаллическая решётка – центрированный куб, растворяет до 0,025 % углерода, магнитно.

β – имеет увеличенный параметр (размер) кристаллической решётки, теряет магнитные свойства.

γ – кристаллическая решётка гранецен-трированный куб, немагнитно, способно растворять до 2,14 % углерода.

δ – кристаллическая решётка – центрированный куб с увеличенным параметром.

Основные формы - α и γ - железо. На α → γ, и  γ → α превращениях основаны процессы термообработки стали.

Углеродистые стали

Стали содержат железо, углерод и примеси Si, Mn, P, S.

По содержанию углерода различают стали:

1) Низкоуглеродистые (до 0,25 % С) – пластичны, малопрочны. Применяют для деталей не несущих больших нагрузок.

2) Среднеуглеродистые (0,25…0,6 % С) – прочные и вязкие – основной конструкционный материал.

3) Высокоуглеродистые (0,6…1,3 % С) - имеют высокую твёрдость, прочность и хрупкость. Применяют в основном как инструментальные.

По степени раскисления различают:

КП – кипящие стали – неполностью раскислённые, сравнительно дешёвые и наименее качественные.

СП – спокойные стали – полностью раскислённые, наиболее однородные и качественные.

ПС – полуспокойные, имеют промежуточные свойства и стоимость.

Раскисление стали это – удаление кислорода из стали в жидком состоянии.

По назначению стали различают:

I.  УГЛЕРОДИСТЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТАЛИ (содержат до 0,7% С):

1) Углеродистые конструкционные обыкновенного качества.

Выпускают в виде листового и сортового проката. Разделяют на три группы:

А – с гарантией по механическим свойствам.

Б – по химическому составу.

В – по механическим свойствам и химическому составу.

Маркируют Ст и цифрой от 0 до 6, указывающей на № пункта в стандарте. С увеличением номера увеличивается содержание углерода. (Например: Ст3 – содержит 0,14…0,22 % С, Ст6 – 0,38…0,49 % С).

Примеры маркировки: ВСт3СП – сталь углеродистая конструкционная, обыкновенного качества, группы В, № пункта в стандарте 3, спокойная. (Группа А в маркировке не указывается).

Примеры маркировки:

2) Качественные углеродистые стали.

 Имеют пониженное содержание вредных примесей (P и S - до 0,03 %). Выпускают с гарантией по химическому составу и механическим свойствам.

Маркируют цифрой по содержанию углерода в сотых долях процента.

Например: Сталь10КП – углеродистая конструкционная сталь, качественная, содержит 0,10 % С, кипящая;

Примеры маркировки: 

Чугуны

Хрупкие сплавы содержащие 2,14…6,67 % С. Чугуны содержащие углерод в форме цементита называют – белыми. Они не поддаются механической обработке и применяются в основном для переделки в сталь.

Серые чугуны (машиностроительные) содержат углерод в форме графита. Обрабатываются резанием и имеют хорошие литейные качества (усадка до 1 %).

По структуре их разделяют на три группы:

1. Серый чугун – содержит пластинчатый графит по границам зёрен металла. Маркируют: СЧ 10, СЧ 15…СЧ 45. Цифра показывает предел прочности при растяжении (кГс/мм2). Механические характеристики СЧ улучшают модифицированием (т.е. введением в металл силикокальция, способствующего измельчению пластинок графита). Применяют СЧ для массивных отливок (станины станков, картеры двигателей. тормозные колодки и т.п.) Примеры маркировки:

2 Высокопрочный чугун – получают модификацией серого чугуна магнием и церием в жидком состоянии перед разливкой. В результате образуется шаровидный графит, что обеспечивает металлу высокую прочность и достаточную пластичность. Маркируют буквами ВЧ и двумя числами - предел прочности и остаточное удлинение при разрыве образца, например ВЧ 40-5. Применяют для отливки ответственных деталей (коленчатых валов, муфт, шестерён и т.п.)  Примеры маркировки:

3. Ковкий чугун – получают длительным отжигом (до 80 часов) отливок из белого чугуна специального состава. При отжиге (нагрев 970…740 0С) происходит распад цементита и выделение хлопьевидного графита, что позволяет получить достаточно высокую прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость. Предназначены КЧ для изготовления деталей сложной формы, а также подверженных динамическим нагрузкам (рычаги, кожухи, крышки букс, соединительные части трубопроводов и т.п.). Маркируют КЧ аналогично ВЧ.

Легированные стали

Содержат железо, углерод, примеси Si, Mn, Р и S, а также легирующие добавки Cr, Ni, Co, Mb, Mn, и др. – улучшающие свойства металлов в нужном направлении.

Обозначение легирующих добавок:

Х – хром, Н – никель, В – вольфрам, Т – титан, К – кобальт, М – молибден, Ф – ванадий, Г – марганец, С – кремний, Д – медь, Ю – алюминий.

По назначению различают:

III. Специальные стали

Обладают специфическими свойствами. Различают:

1) нержавеющие стали:

        30Х13, 40Х13 – хирургические инструменты, карбюраторные иглы,

        12Х17 – для пищевой промышленности,

         12Х18Н9 – устойчивы к кислотам,

2) жаростойкие стали

       12ХМФ – котельное оборудование

       40Х10С2М – клапаны ДВС

      12Х18Н10Т – выхлопные трубы

3) износостойкие стали

        110Г13 – крестовины стрелочных переводов

            Г13 – траки танков, тракторов

4) рессорно-пружинные стали

        Сталь 65Г, 55С2, 60С2 – пружины, рессоры подвижного состава

       60С2ХФ, 50ХФА – клапанные пружины

Шарикоподшипниковые – ШХ12, электротехнические и др. виды сталей.

Сплавы цветных металлов

Сплавы на основе меди

Бронзы – это сплав меди с оловом, Al, Si, Be, Pb и др.

Выпускают оловянные и безоловянные (специальные):

а) оловянные - содержат до 12 % олова, различают:

- оловянные деформируемые- содержат до 6% олова, имеют высокую пластичность.

Маркируют: БрОЦС4-4-2 – содержат Sn – 4%, Zn – 4%, Pb – 2%, остальное - медь - антифрикционные детали, пружины,мембраны.

- оловянные литейные – содержат до12% олова, имеют низкую усадку, дополнительно легируют свинцом, фосфором, цинком

Типичные механические свойства оловянных бронз

Марка бронзы