Основные механические свойства материалов. Механические свойства
Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию приложенных к ним нагрузок, а механические характеристики выражают эти свойства количественно. Основными свойствами металлических материалов являются; прочность, пластичность (или вязкость), твердость, ударная вязкость, износоустойчивость, ползучесть и др.
Механические характеристики материалов определяются при механических испытаниях, которые в зависимости от характера действия нагрузки во времени делятся на статические, динамические и повторно-переменные.
В зависимости от способа приложения внешних сил (нагрузок) различают испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ударный изгиб и т. п.
Основные механические характеристики металлов и сплавов.
Временное сопротивление (предел прочности, предел прочности при растяжении- условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.
Истинное сопротивление разрыву (действительное напряжение) - напряжение, определяемое отношением нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения образца в месте разрыва.
Предел текучести (физический) - наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения растягивающей нагрузки.
Предел текучести (условный) - напряжение, при котором остаточное удлинение достигает 0,2% длины участка образца, удлинение которого принимается в расчет при определении указанной характеристики. Предел пропорциональности (условный)- напряжение, при котором отклонение от линейной зависимости между нагрузкой и удлинением достигает такой величины, что тангенс угла наклона, образованного касательной к кривой деформации (в рассматриваемой точке), с осью нагрузок увеличивается на 50% своего значения на линейном упругом участке. Допускается увеличение тангенса угла наклона на 10 или 25%.
Предел упругости- условное напряжение, соответствующее появлению остаточной деформации. Допускается определение предела упругости с допусками до 0,005%, тогда соответственно будет обозначаться.
Относительное удлинение после разрыва- отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине. Различают относительные удлинения, полученные при испытании на образцах с пятикратным и десятикратным отношением длины к диаметру. Допускаются и другие отношения, например 2,5, при испытании отливок.
Относительное сужение после разрыва - отношение площади поперечного сечения образца в месте разрыва к начальной площади его поперечного сечения.
Указанные характеристики механических свойств определяются при испытании материалов на растяжение по методам, изложенным в ГОСТ 1497-61, на цилиндрических и плоских образцах, формы и размеры которых установлены тем же стандартом. Испытания на растяжение при повышенных температурах (до 1200°С) установлены ГОСТ 9651-73, на дли-тельную прочность- ГОСТ 10145-62.
Модуль нормальной упругости- отношение напряжения к соответствующему ему относительному удлинению при растяжении (сжатии) в пределах упругих деформаций (закон Гука).
Ударная вязкость- механическая характеристика вязкости металла - определяется работой, расходуемой для ударного излома на маятниковом копре образца данного типа и отнесенной к рабочей площади поперечного сечения образца в месте надреза. Испытания при нормальной температуре проводятся по ГОСТ 9454-60, при пониженных - по ГОСТ 9455-60 и при повышенных - по ГОСТ 9656-61.
Предел выносливости (усталости) -максимальное напряжение, при котором материалы образца выдерживают без разрушения заданное количество симметричных циклов (от +Р до - Р), принимаемое за базу. Количество циклов задается техническими условиями и представляет большое число. Методы испытания металлов на выносливость регламентируются по ГОСТ 2860-65.
Предел прочности при сжатии - отношение разрушающей нагрузки к площади поперечного сечения образца до испытания.
Условный предел ползучести- напряжение, вызывающее заданное удлинение образца (суммарное или остаточное) за установленный промежуток времени при заданной температуре.
Твердость по Бринелю - определяется на твердомере ТШ путем вдавливания стального закаленного шарика р. испытуемый металл или сплав.
Твердость по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется вдавливанием в металл стального шарика диаметром ~ 1,6мм или конуса.(алмазно или твердосплавного) с утлом при вершине 120° на твердомере ТК. В зависимости от условий определения, которые стандартизованы ГОСТ 9013-68, различают три значения HR: HRA - для очень твердых материалов (шкала А) - испытание производится вдавливанием алмазного конуса; HRB - для мягкой стали (шкала В) - стального шарика; HRC - для закаленной стали (шкала С) - твердосплавного или алмазного конуса.
Глубина проникновения алмазного конуса при испытаниях в металле небольшая, что позволяет испытывать более тонкие изделия, чем при определении твердости по Бринелю, Твердость но Роквеллу является условной характеристикой, значение которой отсчитывается по шкале прибора.
Твердость по Виккерсу HV определяется вдавливанием алмазной стандартной правильной четырехгранной пирамиды. Определение числа твердости производится путем измерения длины диагоналей (среднее арифметическое суммы двух диагоналей) и пересчета по формуле
Стандартными нагрузками в зависимости от толщины образца приняты 5, 10, 20, 30, 50 и 100 кгс. Выдержка времени под нагрузкой берется для черных металлов 10-15 секунд, для цветных - 28-32. Соответственно символ HV 10/30-500 означает: 500 - число твердости; 10 - нагрузку и 30 - время выдержки.
Метод Виккерса применяется для измерений твердости деталей малых сечений и твердых тонких поверхностных слоев цементированных, азотированных или цианированных изделий.
49.Вторичная кристаллизация металлов Вторичная кристаллизация имеет большое практическое значение и служит основой для ряда процессов термической обработки, старения и т. д., значительно изменяющих и улучшающих свойства сплавов. Большинство процессов вторичной кристаллизации связано с диффузией. Диффузия в твердых сплавах возможна по ряду причин. В частности, в растворах замещения она протекает бла-годаря наличию незаполненных узлов (вакансий) в решетках. Перемещаться могут как атомы растворителя, так и атомы растворенного вещества. При образовании растворов внедрения перемещение растворенных атомов происходит через междоузлия решеток.Диффузия протекает тем быстрее, чем больше разность концентр;.в п выше температура.I (од к о а г у л я ц и е й понимают рост крупных кристаллов за счет мелких; под с ф е р о и д и з а ц и е й - превращение вытянутых кристаллов в округленные. Оба процесса протекают вследствие стремления системы к уменьшению свободной энергии. В данном случае ЭТО достигается потому, что отношения суммы
поверхностей зерен к их объемам становятся меньше. Коагуляция и сфероидизация протекают тем легче, чем выше температура. На рис. 41 представлена диаграмма состояния сплава, в котором растворимость второго компонента в твердом растворе уменьшается. На этой диаграмме (в отличие от диаграммы рис. 39) появляется линия EQ, характеризующая выделение избыточных кристаллов компонента В, которые называются вторичными (В2), в отличие от первичных кристаллов (В\), которые выделяются по линии CD. Для примера рассмотрим ход образования вторичных кристаллов при охлаждении твердых растворов а с концентрацией К. При температуре t\ структура однофазна, при достижении линии EQ раствор становится насыщенным и по мере дальнейшего охлаждения из него выделяется избыточная фаза В2, последняя может выделяться по границам кристаллов а и принимать вид сетки. Здесь также сначала происходит образование зародышей и затем их рост Однако место появления зародышей и их рост заранее определено поверхностями первичных зерен. Иногда расположение вторичной фазы в виде сетки нежелательно, тогда или предупреждают ее образован не, или устраняют. Устраняют сетку по-разному, например, сфероидизирую-щим отжигом. Кристаллизация по диаграмме (рис. 41) дает возможность значительно изменять свойства сплава путем закалки и отпуска или путем старения.
50.ДС сплавов с неограниченной растворимостью компонентов Оба компонента неограниченно растворимы в жидком и твердом состояниях ине образуют химических соединений.
Компоненты: А, В.
Фазы: L, α.
Если два компонента неограниченно растворяются в жидком и твердом состояниях, то возможно существование только двух фаз - жидкого раствора Lи твердого раствора α. Следовательно, трех фаз быть не может, кристаллизация при постоянной температуре не наблюдается и горизонтальной линии на диаграмме нет.
Диаграмма, изображенная на рис. 1, состоит из трех областей: жидкость, жидкость + твердый раствор и твердый раствор.
Линия АmВ является линией ликвидус, а линия АnВ - линией солидус. Процесскристаллизации изображается кривой охлаждениясплава (рис. 2).
Точка 1 соответствует началу кристаллизации , точка 2 - концу. Между точками 1 и 2 (т. е. между линиямиликвидус и солидус) сплав находится в двухфазном состоянии. При двух компонентах и двух фазах система моновариантна (с = k-f+1 = 2 - 2 + 1 = 1), т. е. если изменяется температура, то изменяется и концентрациякомпонентов в фазах; каждой температуре соответствуют строго определенные составы фаз. концентрация и количество фаз у сплава , лежащего между линиямисолидус и ликвидус, определяются правилом отрезков. Так, сплав К в точке а состоит из жидкой и твердой фаз. Состав жидкой фазы определится проекцией точки b, лежащей на линии ликвидус, а Состав твердой фазы - проекцией точки с, лежащей на линии солидус. Количество жидкой и твердой фаз определяется из следующих соотношений: количество жидкой фазы ac/bc, количество твердой фазы ba/bc.
Во всем интервалекристаллизации (от точки 1до точки 2) из жидкого сплава ,
имеющего исходную концентрацию К,выделяются кристаллы, более богатые тугоплавким компонентом. Состав первых кристаллов определится проекцией s. Закончиться кристаллизациясплава К должна в точке 2, когда последняя капля жидкости, имеющая Состав l, затвердеет. Отрезок, показывающий количество твердой фазы, равнялся нулю в точке /, когда только началась кристаллизация , и количеству всего сплава в точке 2, когда кристаллизация закончилась. Состав жидкости изменяется по кривой 1 - l, а Составкристаллов - по кривой s - 2, и в момент окончания кристаллизацииСоставкристаллов такой же, как и Состав исходной жидкости.
51.Температурные свойства материалов Для материалов вводят несколько характерных температурных точек, указывающих работоспособность и поведение материалов при изменении температуры. Нагревостойкость - максимальная температура, при которой не уменьшается срок службы материала. По этому параметру все материалы разделены на классы нагревостойкости.
Теплостойкость
- температура, при которой происходит ухудшение характеристик при кратковременном ее достижении.
Термостойкость
- температура, при которой происходят химические изменения материала.
Морозостойкость
- способность работать при пониженных температурах (этот параметр важен для резин).
Горючесть
- способность к воспламенению, поддержанию огня, самовоспламенению Это различные степени горючести. Все эти понятия определяют характерные температуры, при которых меняется какое-либо свойство материала. Есть некоторые температуры, характерные для всех материалов, есть температуры, специфичные для некоторых электротехнических материалов. при которых резко меняются какие-либо характеристики. Большинству материалов присущи точки плавления, кипения. Точка плавления - температура, при которой происходит переход из твердого состояния в жидкое.
Не обладает точкой плавления жидкий гелий, он даже при нуле Кельвина остается жидким. К наиболее тугоплавким можно отнести вольфрам - 3387 °С, молибден 2622 °С, рений - 3180 °С, тантал - 3000°С. Есть тугоплавкие вещества среди керамик: карбид гафния HfC и карбид тантала TaC имеют точки плавления 2880 °С., нитрид и карбид титана - более 3000 °С. Есть материалы, в основном это термопластичные полимеры, которые обладают точкой размягчения, но до плавления дело не доходит, т.к. начинается разрушение полимерных молекул при повышенных температурах. У термореактивных полимеров даже до размягчения дело не доходит, материал раньше начинает разлагаться. Есть сплавы и другие сложные вещества у которых сложный процесс плавления: при некоторой температуре, называемой «солидус» происходит частичное расплавление, т.е. переход части вещества в жидкое состояние. Остальное вещество находится в твердом состоянии. Получается что-то типа кашицы. По мере повышения температуры все большая часть переходит в жидкое состояние, наконец при некоторой температуре, называемой «ликвидус» произойдет полное расплавление вещества. Например сплав олова и свинца для пайки, называемый попросту «припой», начинает плавиться примерно при 180 °С (точка солидус), а расплавляется примерно при 230 °С (точка ликвидус).
В любых процессах плавления, достижение определенной точки является необходимым, но недостаточным условием плавления. Для того, чтобы расплавить вещество нужно сообщить ему энергию, которая называется теплотой плавления. Она рассчитывается на один грамм (или на одну молекулу). Точка кипения - температура, при которой происходит переход из жидкого состояния в парообразное. Кипят практически все простые вещества, не кипят сложные органические соединения, они разлагаются при более низких температурах, не доходя до кипения. На точку кипения оказывает значительное влияние давление. Так, например для воды можно сдвинуть точку кипения от 100 °С до 373°С приложением давления в 225 атм. Кипение растворов, т.е. взаимно растворимых друг в друге веществ происходит сложным образом, кипят сразу два компонента, только в паре одного вещества больше, чем другого. Например слабый раствор спирта в воде выкипает так, что в паре спирта больше чем в воде. За счет этого работает перегонка и после конденсации пара получается спирт, но обогащенный водой. Есть смеси выкипающие одновременно, например 96% спирт. Здесь при кипении состав жидкости и состав пара одинаковы. После конденсации пара получается спирт точно такого же состава. Такие смеси называются азеотропными . Есть температуры специфичные для электротехнических материалов. Например для сегнетоэлектриков вводят т.н. точку Кюри . Оказывается, что сегнетоэлектрическое состояние вещества возникает только при пониженных температурах. Существует такая температура для каждого сегнетоэлектрика, выше которой домены не могут существовать и он превращается в параэлектрик. Такая температура называется точкой Кюри. Диэлектрическая проницаемость ниже точки Кюри велика, она слабо нарастает по мере подхода к точке Кюри. После достижения этой точки диэлектрическая проницаемость резко падает. Например, для наиболее распространенного сегнетоэлектрика: титаната бария, точка Кюри 120 °С, для цирконат-титаната свинца 270 °С, для некоторых органических сегнетоэлектриков температура Кюри отрицательна. Аналогичная температура (и тоже называется точка Кюри) имеется для ферромагнетиков. Поведение магнитной проницаемости подобно поведению диэлектрической проницаемости по мере повышения температуры и подхода к точке Кюри. Единственное отличие - падение магнитной проницаемости с ростом температуры происходит более резко после достижения точки Кюри. Значения точки Кюри для некоторых материалов: железо 770 °С, кобальт 1330°С, эрбий и гольмий (-253°С), керамика - в широком диапазоне температур. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется точкой Нееля .
Похожая информация.
123. Способность материалов сопротивляться деформации в поверхностных слоях при местном контактном воздействии. твердость.
124. Способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок относят к твердость
125. Процесс постепенного накопления в металле повреждений под воздействием длительных переменных напряжений. Усталость.
126. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, плавно нарастают и относительно долго выдерживаются, называют статистические.
127. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, являются кратковременными, называют динамические.
128. Механические испытания, в которых нагрузки, подаваемые на образец, носят продолжительный характер и могут изменяться со временем по некоторому закону, называют циклические.
129. Какие из перечисленных свойств материалов относят к механическим? Прочность, высокая пластичность, вязкость, относительно высокая твердость.
130. Какие из перечисленных свойств материалов относят к технологическим? Деформируемость, свариваемость, жидкотекучесть.
131. Какие из перечисленных свойств материалов относят к эксплуатационным? Износостойкость, жаропрочность.
132 . Какие из перечисленных свойств материалов определяют в статических механических испытаниях? Одноосное растяжение, твердость.
133. Какие из перечисленных свойств материалов определяют в динамических механических испытаниях? Ударная вязкость.
134. Какие из перечисленных свойств материалов определяют в циклических механических испытаниях? Испытания на усталость и ползучесть металлов.
135. Температура, при охлаждении до которой у материала резко уменьшается величина ударной вязкости. Порог хладноломкости.
136. Отношение работы разрушения стандартного образца материала к площади его поперечного сечения. Ударная вязкость материала.
137. Явление, заключающееся в том, что металл пластически деформируется при небольших (ниже предела текучести), но продолжительных напряжениях. Ползучесть.
138. Процесс постепенного накопления в металле повреждений (микротрещин) под воздействием длительных переменных напряжений. Усталость.
139. Свойство, определяемое путём разрушения стандартного образца материала одним ударом маятникового копра. Ударная вязкость.
140. Изменение размера и формы образца (без его разрушения) под воздействием внешней нагрузки. Деформация.
141. Свойство, определяемое путём внедрения в поверхность испытуемого материала того или иного наконечника (индентора). твердость.
142. Деформация материала может быть упругой и пластической.
143. Если после снятия внешней нагрузки деформация исчезает, её считают упругой.
144. Если после снятия внешней нагрузки деформация остаётся, её считают пластической.
145. В методе определения твёрдости по Бринеллю в качестве наконечника (индентора) используется стальной шарик.
146. В методе определения твёрдости по Роквеллу в качестве наконечника (индентора) используется алмазный конус (120 0) или стальной шарик.
147. В методе определения твёрдости по Виккерсу в качестве наконечника (индентора) используется четырехгранная алмазная пирамида (136 0)
148. Когда определяют микротвёрдость материала в качестве наконечника (индентора) используют правильная алмазная пирамида (136 0)
149. Какой диаметр может иметь стальной закалённый шарик, используемый в качестве индентора при определении твёрдости материалов?1,5;2,5;5;10 мм.
150. От чего зависит диаметр стального закалённого шарика, используемого в качестве индентора при определении твёрдости материалов? От материала, твердости и толщины.
151. Что используют в качестве критерия, когда выбирают тип наконечника (индентора) при определении твёрдости по методу Роквелла? Толщина, твердость.
152 . Критерием для оценки величины твёрдости по Бринеллю является величина поверхности отпечатка.
153. Число твёрдости по Бринеллю определяют как отношение нагрузки к поверхности отпечатка.
154. Величина твёрдости по Бринеллю имеет размерность HB.
155. Величина твёрдости по Роквеллу имеет размерность HRA, YRB, HRC.
156. Величина твёрдости по Виккерсу имеет размерность HV.
157. Критерием для оценки величины твёрдости по Роквеллу является глубина отпечатка.
158. Какие из перечисленных единиц измерения могут быть использованы для характеристики твёрдости материала? Па
160. Какая предельная величина твёрдости материала допустима при определении её методом Бринелля? 250 НВ.
161. При определении твёрдости методом Роквелла по шкале В величина нагрузки, подаваемой на индентор, равна 100 кгс.
162. При определении твёрдости методом Роквелла по шкале С величина нагрузки, подаваемой на индентор, равна 150 кгс.
163. Величина твёрдости по Роквеллу обратно пропорциональна глубине отпечатка.
164. Как обозначают величину твердости, если она определена методом Роквелла при вдавливании в образец алмазного конуса под нагрузкой 150 кгс? НRC.
165. Как обозначают величину твердости, измеренную методом Виккерса? HV.
166. Способность материалов испытывать значительную пластическую деформацию перед разрушением называютвязкость.
167. Испытания материалов на одноосное растяжение относятся к статистическим испытаниям.
168. В каких единицах измеряют механическое напряжение, возникающее в образце при его растяжении? МПа
169. При испытании материалов на одноосное растяжение, в каких единицах измеряют удлинение образца? %
170. График зависимости напряжения, возникающего в образце, от его относительного удлинения при испытаниях материалов на одноосное растяжение. Диаграмма растяжения материала.
171. Напряжение, при котором наряду с упругой деформацией материала появляется пластическая деформация. Предел текучести.
172. Напряжение, при котором остаточная пластическая деформация образца составляет 0,2%. Условный предел текучести.
173. Максимальное напряжение в образце, измеряемое при испытаниях материалов на одноосное растяжение. Предел прочности материала.
174. Коэффициент пропорциональности между напряжением, возникающем в образце, и его относительным удлинением. Модуль упругости.
175. Пластичность материала оценивают по максимальному удлинению.
176 . Прочность материала оценивают по пределу прочности материала.
177. Вязкость материала оценивают по площади диаграммы .
177. Жёсткость материала оценивают по углу наклона линейного участка.
178. Смещение атомов на сравнительно небольшое расстояние относительно своего положения равновесия наблюдается при упругой деформации.
179. Сдвиг атомных слоёв относительно друг друга наблюдается при пластической деформации.
180. Какие из дефектов структуры играют наиболее заметную роль в механизме сдвига атомных слоёв относительно друг друга? Дислокации.
181. Переход пластически деформированного металла в более равновесное состояние при нагреве. Возврат (отдых).
182. Явление, состоящее в том, что металл при пластической деформации становится более прочным, но менее пластичным. наклеп
183. Движение дислокаций под воздействием внутренних напряжений в материале приводит к поэтапному сдвигу атомных плоскостей.
184. Процесс, приводящий к тому, что твёрдость и прочность пластически деформированного металла уменьшаются, а пластичность возрастает и приобретает значение близкое к значению до деформации. Рекристаллизация.
185. Какие из перечисленных величин при увеличении степени пластической деформации возрастают? Предел текучести, предел прочности, плотность дислокаций.
186. Какие из перечисленных величин при увеличении степени пластической деформации уменьшаются? Пластичность.
187. В деформированных металлах и сплавах величина плотности дислокаций достигает значений порядка 10 12
188. Какому виду разрушения свойственна большая работа разрушения материала? вязкому
189. Вид разрушения материала можно определить по работе разрушения, виде трещины, скорости распространения, характеру поверхностного излома.
190. Матовая поверхность излома, обнаруживающая под микроскопом волокнистую структуру, свидетельствует о вязком разрушении материала
191. Блестящая поверхность излома, обнаруживающая под микроскопом платообразную структуру, свидетельствует о хрупком разрушении материала
192. Хрупкому разрушению материала соответствует меньшая работа и угол, самопроизвольная скорость, платообразная структура, блестящая поверхность.
193. Вязкому разрушению материала соответствует большая работа и угол, скорость зависит от скорости действия, волокнистая структура, матовая поверхность.
Тема 5. Стали и чугуны
194. Однородная часть сплава, обладающая собственной структурой, свойствами и отделённая от других аналогичных частей сплава поверхностью раздела или иначе границей. Фаза сплава.
195. Каждая точка диаграммы состояния сплава отражает его фазовый состав.
196. Совокупность точек, отражающих температуры начала процесса кристаллизации (завершения плавления) для сплавов различного состава образует на диаграмме состояния линию ликвидус.
197. График зависимости температуры остывающего сплава от времени. Кривая охлаждения.
198. Диаграмма состояния сплава это график зависимости фазового состава от температуры, давления и химического состава.
199. Основным условием неограниченной растворимости компонентов друг в друге в твёрдом состоянии является один тип кристаллической структуры, близкий атомный радиус, близкие химические свойства.
200. Совокупность точек, отражающих температуры начала процесса плавления (завершения кристаллизации) для сплавов различного состава образует на диаграмме состояния линию солидус.
201. Стали отличаются от чугунов содержанием углерода.
202. Стали получают в сталеплавильных агрегатах из белого заэвтектического чугуна.
203. Какие из перечисленных примесей не являются вредными в сталях? Углерод, медь, хром, кремний, марганец, никель
204. Какие из перечисленных элементов относятся к числу постоянных вредных примесей в сталях и чугунах? Сера, фосфор, азот, водород, кислород.
205 . Механическая смесь двух или более твёрдых фаз, которая образуется при постоянной температуре из жидкой фазы.Эвтектика.
206. Химическое соединение железа с углеродом. Цементит.
207. Твёрдый раствор внедрения углерода в α – Fe. феррит
208. Твёрдый раствор внедрения углерода в γ – Fe. Аустенит.
209. Механическая смесь аустенита с цементитом. Лидабурит.
210. Механическая смесь феррита с цементитом. Перлит.
211. Содержание углерода в доэвтектоидной стали составляет 0,02-0,8%
212. Содержание углерода в заэвтектоидной стали составляет 0,8-2,14%
213. Эвтектоид отличается от эвтектики только тем, что образуется из твердой фазы.
214. Содержание углерода в перлите составляет 0,8%
215. Максимальное содержание углерода в феррите наблюдается при температуре 727°С и составляет 0,02%
216. Максимальное содержание углерода в аустените достигает 2,14% и наблюдается при температуре 1147 0 С.
217. Содержание углерода в аустените при температуре 727°С составляет 0,8%
218. Цементит представляет собой химическое соединение железа с углеродом
219. Аустенит представляет собой твердый раствор внедрения углерода в γ – Fe
220. Перлит представляет собой механическая смесь феррита с цементитом
221. Ледебурит представляет собой механическая смесь аустенита с цементитом
222. Цементит, образующийся из аустенита в результате снижения растворимости в нём углерода с понижением температуры, называют вторичным.
223. Цементит, образующийся из феррита в результате снижения растворимости в нём углерода с понижением температуры, называют третичным.
224. Цементит, образующийся из жидкого расплава в процессе его кристаллизации, называют первичным.
225. Структурными составляющими доэвтектоидных сталей являются феррит и перлит.
226. Структурными составляющими заэвтектоидных сталей являются перлит и вторичный цементит.
227. Структурными составляющими эвтектоидных сталей являются перлит
228. Качество сталей определяется содержанием вредных примесей.
229. Операцию раскисления сталей проводят с целью удаление из стали лишнего кислорода.
230. Для раскисления сталей в жидкий расплав подают марганец, кремний, алюминий.
231. Буквы «кп», «пс» в конце марки углеродистой стали обозначают степень раскисления сталей.
232. Цифры в начале марки качественной углеродистой стали указывают среднее содержание углерода в десятых долях процента.
233. Если вначале марки стали стоит буква «У», это означает, что сталь углеродистая.
234. Наличие буквы «Г» в марке углеродистой стали означает, что сталь содержит марганец.
235. Буква «А» в конце марки сталей означает, что сталь высококачественная.
236. Графитные включения хлопьевидной формы наблюдаются в ковких чугунах.
237. Какую форму имеют графитные включения в ковких чугунах? Хлопьевидную.
238. Какую форму имеют графитные включения в серых чугунах? Пластинчатую.
239. Какую форму имеют графитные включения в высокопрочных чугунах? Шаровидную.
240. Если углерод в чугуне находится в связанном состоянии (в виде цементита), то такой чугун считается метастабильным.
241 . Какие из названных чугунов имеют наибольшую твёрдость? Белые чугуны.
242. Повышенная скорость охлаждения жидкого расплава приводит к формированию белых доэвтектических чугунов.
243. Какие из перечисленных примесей способствуют образованию графитных включений в чугунах?углерод
244. Сталь 40Х является хромистой сталью.
245. Сталь 40Х содержит 0,4% углерода и хром.
246. Буква «Н» в марке легированной стали означает никель.
247. Буква «С» в марке легированной стали означает наличие в сплаве кремний.
248. Буква «М» в марке легированной стали означает наличие в сплаве молибден.
249. Сталь ХВГ является легированной сталью повышенной прокаливаемости, не обладающей теплостойкостью.
250. Содержание углерода в стали ХВГ составляет 0,95-1%
Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.
Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.
Основные механические свойства металлов
Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:
Прочность - означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.
Твердость (часто путают с прочностью) - характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.
Упругость - означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.
Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) - также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.
Стойкость к трещинам - под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.
Вязкость или ударная вязкость - антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.
Износостойкость - способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.
Жаростойкость - длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.
Усталость - время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.
Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.
Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.
Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства - те что проявляется в покое, механические - только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла "прочность" может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют "закалку" и "старение"). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.
Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.
В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?
Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий (не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.
Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя "шов" под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.
Как определить механические свойства?
Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:
Испытания на растяжение;
Метод вдавливания по Бринеллю;
Определение твердости металла по Роквеллу;
Оценка твердости по Виккерсу;
Определение вязкости с помощью маятникового копра;
Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.
Методы определения механических свойств металлов разделяют на:
- статические, когда нагрузка растет медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
- динамические, когда нагрузка растет с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
- циклические, когда нагрузка многократно изменяется по величине и направлению (испытания на усталость).
Испытание на растяжение
При испытании на растяжение определяют предел прочности (σ
в), предел текучести (σ
т),
относительное удлинение (δ
) и относительное сужение (ψ
). Испытания проводят на разрывных
машинах c использованием стандартных образцов с площадью поперечного сечения Fo и рабочей
(расчетной) длиной lo. В результате проведения испытаний получают диаграмму растяжения
(рис. 1). На оси абсцисс указывается значение деформации, на оси ординат – значение нагрузки,
которая прилагается к образцу.
Предел прочности (σ
в) – это максимальная нагрузка, которую выдерживает материал без разрушения,
отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Pmax/Fo).
Рис. 1. Диаграмма растяжения
Необходимо отметить, что при растяжении образец удлиняется, а его поперечное сечение непрерывно уменьшается. Истинное напряжение определяется делением действующей в определенный момент нагрузки на площадь, которую образец имеет в этот момент. Истинные напряжения в повседневной практике не определяют, а пользуются условными напряжениями, считая, что поперечное сечение Fо образца остается неизменным.
Предел текучести (σ т) – это нагрузка, при которой происходит пластическая деформация, отнесенная к начальной площади поперечного сечения образца (Рт / Fo). Однако при испытаниях на растяжение у большинства сплавов площадки текучести на диаграммах нет. Поэтому определяется условный предел текучести (σ 0.2) - напряжение, которому соответствует пластическая деформация 0,2%. Выбранное значение 0,2% достаточно точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим.
К характеристикам материала относят также предел упругости (σ пр), под которым подразумевают напряжение, при котором пластическая деформация достигает заданного значения. Обычно используют значения остаточной деформации 0,005; 0,02; 0,05%. Таким образом, σ 0,05 = Рпр / Fo (Рпр – нагрузка, при которой остаточное удлинение составляет 0,05%).
Предел пропорциональности σ пц = Рпц / Fo (Рпц – максимальная нагрузка, при действии которой еще выполняется закон Гука).
Пластичность характеризуется относительным удлинением (δ ) и относительным сужением (ψ ):
δ = [(lk - lo)/lo]∙100% ψ = [(Fo – Fk)/Fo]∙100%,
где lk - конечная длина образца; lo и Fo - начальные длина и площадь поперечного сечения образца; Fk - площадь поперечного сечения в месте разрыва.
Для малопластичных материалов испытания на растяжение вызывают затруднения, поскольку незначительные перекосы при установке образца вносят существенную погрешность в определение разрушающей нагрузки. Такие материалы, как правило, подвергают испытанию на изгиб.
Испытание на твердость
Нормативные документы:
Твердость – способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела – индентора. Твердость материала определяют методами Бринелля, Роквелла, Виккерса, Шора (рис.2).
 |
 |
 |
| а | б | в |
Рис. 2. Схемы определения твердости по Бринеллю(а), Роквеллу(б) и Виккерсу(в)
Твердость металла по Бринеллю указывается буквами НВ и числом. Для перевода числа твердости в систему СИ пользуются коэффициентом К = 9,8 106, на который умножают значение твердости по Бринеллю: НВ = НВ К, Па.
Метод определения твердости по Бринеллю не рекомендуется применять для сталей с твердостью свыше НВ 450 и цветных металлов с твердостью более 200 НВ.
Для различных материалов установлена корреляционная связь между пределом прочности (в МПа) и числом твердости НВ: σ в ≈ 3,4 НВ - для горячекатаных углеродистых сталей; σ в ≈ 4,5 НВ - для медных сплавов, σ в ≈ 3,5НВ - для алюминиевых сплавов.
Определение твердости методом Роквелла осуществляют путем вдавливания в металл алмазного конуса или стального шарика. Прибор Роквелла имеет три шкалы – А,В,С. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы А и С), а шарик – для испытания мягких материалов (шкала В). В зависимости от шкалы твердость обозначается буквами HRB, HRC, HRA и выражается в специальных единицах.
При измерении твердости по методу Виккерса производят вдавливание в поверхность металла (шлифуемую или полируемую) четырехгранной алмазной пирамиды. Этот метод применяют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, которые имеют высокую твердость (например, после азотирования). Твердость по Виккерсу обозначают HV. Перевод числа твердости HV в систему СИ производится аналогично переводу числа твердости НВ.
При измерении твердости по методу Шора шарик с индентором падает на образец, перпендикулярно его поверхности, а твердость определяется по высоте отскока шарика и обозначается HS.
Метод Кузнецова - Герберта - Ребиндера - твёрдость определяется временем затухания колебаний маятника, опорой которого является исследуемый металл.
Испытание на ударную вязкость
Ударная вязкость характеризует способность материала оказывать сопротивление динамическим нагрузкам и проявляющейся при этом склонности к хрупкому разрушению. Для испытания на удар изготовляют специальные образцы с надрезом, которые потом разрушают на маятниковом копре (рис.3). По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают основную характеристику, получаемую в результате этих испытаний – ударную вязкость. Она определяется отношением работы разрушения образца к площади его поперечного сечения и измеряется в МДж/м 2 .
Для обозначения ударной вязкости применяют буквы КС и добавляют третью, которая указывает на вид надреза на образце: U, V, T. Запись KCU означает ударную вязкость образца с U-подобным надрезом, KCV - с V-подобным надрезом, а KCT - с трещиной, созданной в основании надреза. Работа разрушения образца при проведении ударных испытаний содержит две составляющие: работу зарождения трещины (Аз) и работу распространения трещины (Ар).
Определение ударной вязкости особенно важно для металлов, которые работают при низких температурах и выявляют склонность к хладноломкости, то есть к снижению ударной вязкости при понижении температуры эксплуатации.
Рис. 3. Схема маятникового копра и ударного образца
При проведении ударных испытаний образцов с надрезом при низких температурах определяют порог хладноломкости, который характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. При переходе от вязкого к хрупкому разрушению наблюдается резкое снижение ударной вязкости в интервале температур, который имеет название температурный порог хладноломкости. При этом изменяется строение излома от волокнистого матового (вязкое разрушение) к кристаллическому блестящему (хрупкое разрушение). Порог хладноломкости обозначают интервалом температур (tв.– tхр.) или одной температурой t50, при которой в изломе образца наблюдается 50% волокнистой составляющей или же величина ударной вязкости снижается в два раза.
О пригодности материала к работе при заданной температуре судят по температурному запасу вязкости, который определяется по разнице между температурой эксплуатации и переходной температурой хладноломкости, и чем он больше, тем надежнее материал.
Испытание на усталость
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, которые приводят к образованию трещин и разрушений. Усталость металла вызывается концентрацией напряжений в отдельных его объемах (в местах скопления неметаллических и газовых включений, структурных дефектов). Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.
Испытания на усталость проводят на машинах для повторно-переменного изгибания вращающегося образца, закрепленного одним или обоими концами, или на машинах для испытаний на растяжение-сжатие, или на повторно-переменное скручивание. В результате испытаний определяют предел выносливости, который характеризует сопротивление материала усталости.
Предел выносливости – максимальное напряжение, при действии которого не происходит усталостного разрушения после базового количества циклов нагружения.
Предел выносливости обозначается σ R , где R - коэффициент асимметрии цикла.
Для определения предела выносливости проводят испытания не менее десяти образцов. Каждый образец испытывают только при одном напряжении до разрушения или при базовом числе циклов. Базовое число циклов должно быть не ниже 107 нагружений (для стали) и 108 (для цветных металлов).
Важной характеристикой конструкционной прочности является живучесть при циклическом нагружении, под которой понимают продолжительность эксплуатации детали от момента зарождения первой макроскопической усталостной трещины размером 0,5…1 мм до окончательного разрушения. Живучесть имеет особое значение для надежности эксплуатации изделий, безаварийная работа которых поддерживается путем раннего обнаружения и предотвращения дальнейшего развития усталостных трещин.
Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться всем видам внешних воздействий с приложением силы. По совокупности признаков различают прочность материала при сжатии, изгибе, ударе, кручении и т. д., твердость, пластичность, упругость, истираемость.
Прочность - свойство материала сопротивляться разрушению под действием напряжений, возникающих от нагрузки. Изучением этого свойства материалов занимается специальная наука - сопротивление материалов. Ниже излагаются общие понятия о прочности материалов, необходимые для изучения основных свойств строительных материалов.
Материалы, находясь в сооружении, могут испытывать различные нагрузки. Наиболее характерными для строительных конструкций являются сжатие, растяжение, изгиб и удар. Каменные материалы (гранит, бетон) хорошо сопротивляются сжатию и намного хуже (в 5...50 раз) - растяжению, изгибу, удару, поэтому каменные материалы используют главным образом в конструкциях, работающих на сжатие. Такие материалы, как металл и древесина, хорошо работают на сжатие, изгиб и растяжение, поэтому их используют в конструкциях, испытывающих эти нагрузки.
Прочность строительных материалов характеризуется пределом прочности.
Пределом прочности (Па) называют напряжение, соответствующее нагрузке, вызывающей разрушение образца материала. Предел прочности при сжатии различных материалов 0,5... 1000 МПа и более. Прочность на сжатие определяют испытанием образцов на механических или гидравлических прессах. Для этой цели применяют специально изготовленные образцы, формы куба со стороной 2...30 см. Из более однородных материалов образцы делают меньших размеров, а из менее однородных - больших размеров. Иногда на сжатие испытывают образцы, имеющие форму цилиндров или призм. При испытании на растяжение металлов применяют образцы в виде круглых стержней или полос; при испытании на растяжение вяжущих веществ используют образцы в виде восьмерок.
Для определения предела прочности образцы изготовляют в соответствии с указаниями ГОСТов. Размеры и форму образцов строго выдерживают, так как они существенно влияют на результат испытания. Так, призмы и цилиндры меньше сопротивляются сжатию, чем кубы того же поперечного сечения; наоборот, низкие призмы (высота меньше стороны) больше сопротивляются сжатию, чем кубы. Это объясняется тем, что при сжатии образца плиты пресса плотно прижимаются к опорным плоскостям его и возникающие силы трения удерживают от расширения прилегающие поверхности образца, а боковые центральные части образца испытывают поперечное расширение, которое удерживается только силами сцепления между частицами. Поэтому чем дальше находится сечение образца от плит пресса, тем легче происходит разрушение в этом сечении и образца в целом. По этой же причине при испытании хрупких материалов (камня, бетона, кирпича и т. п.) образуется характерная форма разрушения - образец превращается в две усеченные пирамиды, сложенные вершинами.
На прочность материала оказывают влияние не только форма и размер образца, но и характер его поверхности и скорость приложения нагрузки. Поэтому для получения сравнимых результатов нужно придерживаться стандартных методов испытания, установленных для данного материала. Прочность зависит также от структуры материала, его плотности (пористости), влажности, направления приложения нагрузки. На изгиб испытывают образцы в виде балочек, расположенных на двух опорах и нагруженных одним или двумя сосредоточенными грузами, увеличиваемыми до тех пор, пока балочки не разрушатся.
В материалах конструкций допускаются напряжения, составляющие только часть предела прочности, таким образом, создается запас прочности. При установлении величины запаса прочности учитывают неоднородность материала - чем менее однороден материал, тем выше должен быть запас прочности.
При установлении коэффициента запаса прочности важными являются агрессивность эксплуатационной среды и характер приложения нагрузки. Агрессивная среда и знакопеременные нагрузки, вызывающие усталость материала, требуют более высокого коэффициента запаса прочности. Запас прочности, обеспечивающий сохранность и долговечность конструкций зданий и сооружений, устанавливают нормами проектирования и определяют видом и качеством материала, условиями работы и классом здания по долговечности, а также специальными технико-экономическими расчетами.
За последние годы в практику строительства внедряются новые методы контроля прочности, позволяющие испытывать без разрушения образцы или отдельные элементы конструкций. Этими методами можно испытывать изделия и конструкции при их изготовлении на заводах и строительных объектах, а также после установки их в зданиях и сооружениях.
Известны акустические методы, из которых наибольшее распространение получили импульсный и резонансный. Указанным методам присуще общее основное положение, а именно: физические свойства материала или изделия оцениваются по косвенным показателям - скорости распространения ультразвука или времени распространения волны удара, а также частотой собственных колебаний материала и характеристикой их затухания.
Твердость - способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Твердость не всегда соответствует прочности материала. Для определения твердости существует несколько методов.
Твердость каменных материалов оценивают по шкале Мооса, состоящей из десяти минералов, расположенных по степени возрастания их твердости. Показатель твердости испытуемого материала находится между показателями твердости двух соседних минералов, из которых один чертит, а другой чертится этим материалом. Твердость металлов и пластмасс определяют вдавливанием стального шарика. От твердости материалов зависит их истираемость. Это свойство материала важно при обработке, а также при использовании его для полов, дорожных покрытий.
Истираемость материала характеризуется потерей первоначальной массы, отнесенной к 1 м 2 площади истирания. Сопротивление истиранию определяют для материалов, предназначенных для полов, дорожных покрытий, лестничных ступеней и др.
Износом называют разрушение материала при совместном действии истирания и удара. Прочность при износе оценивается потерей в массе, выраженной в процентах. Износу подвергают материалы для дорожных покрытий и балласта железных дорог.
Сопротивление удару имеет большое значение для материалов, применяемых в полах и дорожных покрытиях. Предел прочности материала при ударе (Дж/м 3) характеризуется количеством работы, затраченной на разрушение образца, отнесенной к единице объема материала. Испытание материалов на удар производят на специальном приборе - копре.
Деформация - изменение размеров и формы материалов под нагрузкой. Если после снятия нагрузки образец материала восстанавливает свои размеры и форму, то деформацию называют упругой, если же он частично или полностью сохраняет изменение формы после снятия нагрузки, то такую деформацию называют пластической.
Упругость - свойство материала восстанавливать после снятия нагрузки свою первоначальную форму и размеры. Пределом упругости считают напряжение, при котором остаточные деформации впервые достигают некоторой очень малой величины (устанавливаемой техническими условиями на данный материал).
Пластичность - свойство материала изменять свою форму под нагрузкой без появления трещин (без нарушения сплошности) и сохранять эту форму после снятия нагрузки. Все материалы делятся на пластичные и хрупкие. К пластичным материалам относят сталь, медь, глиняное тесто, нагретый битум и т. п. Хрупкие материалы разрушаются внезапно без значительной деформации. К ним относят каменные материалы. Хрупкие материалы хорошо сопротивляются только сжатию и плохо - растяжению, изгибу, удару.
