Основные свойства материалов. Определение механических, технологических, химических свойств. Основные показатели свойств. Оборудование и методы определения осн характеристик материалов.
Основные свойства материалов являются механические, технологические и химические свойства.
К механическим св-вам относятся: 1) прочность – способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. 2) твердость – сопротивление тел деформации в поверхностном слое при местном, силовом и контактном воздействии. 3) упругость – св-во материала восстанавливать свою форму после прекращения действия сил вызвавших ее изменение. 4) пластичность – св-во металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять свою форму после прекращения их действия. 5) хрупкость – св-во металла разрушаться под действием внешних сил.
К технологическим св-вам относятся: 1) обрабатываемость резанием – способность металла подвергаться обработке резаньем; 2) свариваемость – способность материала при сварке образовывать прочный сварочный шов. 3) ковкость – способность подвергаться обработке давлением без разрушения. 4) антифрикционность – св-во материала оказывать сопротивление истиранию при трении. 5) литейные свойства материалов: а) жидкотекучесть – способность жид металла заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания; б) усадка – уменьшение объема жид металла при затвердевании; в) склонность ликвации. Ликвация – неоднородность хим св-ва в различных частях затвердевшего металла.
К хим св-вам относятся: окисляемость, растворимость, хим активность, коррозионная стойкость – способность металла противостоять действию агрессивной среды. Хим активность – способность металла вступать в взаимодействие с др веществами.
Способы испытания мех св-в: 1) статические – испытания происходят при постепенном увеличении нагрузки. Испытание на растяжение проводят с целью определения прочности, пластичности и упругости материала. 2) динамические – нагрузка возрастает с большой скоростью. Испытание на ударный изгиб. Работа поглощаемая при разрушении образца наз. ударной вязкостью.3) циклические нагрузки – нагрузка многократно изменяется по величине и направлению действия. Св-во металла выдерживать большое кол-во циклов нагрузки наз сопротивление усталости. Усталость – процесс накопления повреждений в материале под действием периодически изменяющихся нагрузок, кот приводят к образованию трещин, а затем к разрушению материала.
Испытание Твердости: 1) метод Бринелля – в поверхность образца вдавливается стальной закаленный шарик диаметром 2,5; 5; 10мм и по размерам отпечатка определяет твердость. Применяют для металлов невысокой и средней твердости.2) метод Роквелла – разность глубин отпечатков при предварительной и окончательной нагрузке, полученных от вдавливания алмазного конуса или стального закаленного шарика диаметром 1,599мм. Алмазный конус с углом 120 градусов применяют для определения твердости закаленной стали при нагрузке 150кг, и твердость сверхтвердых материалов, твердых сплавов тонких поверхностных слоев с нагрузкой 60кг. А шариком определяют твердость цветных металлов и незакаленных сталей с нагрузкой 100кг.3) метод Виккерса – индентором служит 4-хгранная алмазная пирамида с углом 136градусов. Применяют для измерения твердости поверхностных слоев после ХТО с нагрузкой от 1-100кг и для определения твердости фольги, проволоки с нагрузкой от 5-500гр.
Стали. Состав, строение, свойства. Классификация сталей
Сталь — сплав железа с углеродом. Содержание углерода в стали от 0,1 до 2,14 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
По химическому составу углеродистые стали делят в зависимости от содержания углерода на следующие группы: малоуглеродистые - менее 0,3% С; среднеуглеродистые - 0,3...0,7% С; высокоуглеродистые - более 0,7 %С.
Для улучшения технологических свойств стали легируют. Легированной называется сталь, в которой, кроме обычных примесей, содержатся специально вводимые в определенных сочетаниях легирующие элементы (Сr, Ni, Мо, Wo, V, Аl, В, Тl и др.), а также Mn и Si в количествах, превышающих их обычное содержание как технологических примесей (1% и выше). Как правило, лучшие свойства обеспечивает комплексное легирование.
В легированных сталях их классификация по химическому составу определяется суммарным процентом содержания легирующих элементов:
· низколегированные - менее 2,5%;
· среднелегированные - 2,5...10%;
· высоколегированные - более 10%.
По качеству, то есть по способу производства и содержанию примесей, стали и сплавы делятся на четыре группы:
1. Обыкновенного качества – S – 0,04…0,06%; Р – 0,035…0,07%;
2. Качественные - S – 0,025…0,04%; Р – 0,025…0,035%;
3. Высококачественные - S – 0,015…0,025%; Р – менее 0,025%;
4. Особовысококачественные - S – менее 0,015%; Р – менее 0,025%;
Стали обыкновенного качества (рядовые) по химическому составу -углеродистые стали, содержащие до 0,6% С. Эти стали выплавляются в конвертерах с применением кислорода или в больших мартеновских печах. Стали обыкновенного качества, являясь наиболее дешевыми, уступают по механическим свойствам сталям других классов.
Стали качественные по химическому составу бывают углеродистые или легированные. Они также выплавляются в конвертерах или в основных мартеновских печах, но с соблюдением более строгих требований к составу шихты, процессам плавки и разливки.
Стали высококачественные выплавляются преимущественно в электропечах, а особо высококачественные - в электропечах с электрошлаковым переплавом или другими совершенными методами, что гарантирует повышенную чистоту по неметаллическим включениям (содержание серы и фосфора менее 0,03%) и содержанию газов, а следовательно, улучшение механических свойств. Это такие стали как 20А, 15Х2МА.
Особовысококачественные стали подвергаются электрошлаковому переплаву, обеспечивающему эффективную очистку от сульфидов и оксидов. Данные стали выплавляются только легированными. Их производят в электропечах и методами специальной электрометаллургии. Содержат не более 0,01% серы и 0,025% фосфора.
Классификация стали по назначению
По назначению стали и сплавы классифицируются на конструкционные, инструментальные и стали с особыми физическими и химическими свойствами.
Конструкционные стали принято делить на строительные, для холодной штамповки, цементируемые, улучшаемые, высокопрочные, рессорно-пружинные, шарикоподшипниковые, автоматные, коррозионно-стойкие, жаростойкие, жаропрочные, износостойкие стали.
Для холодной штамповки применяют листовой прокат из низкоуглеродистых качественных марок стали 08пс и 08кп.
Цементируемые стали применяют для изготовления деталей, работающих в условиях поверхностного износа и испытывающих при этом динамические нагрузки. К цементируемым относятся малоуглеродистые стали, содержащие 0,1-0,3% углерода (такие, как 15, 20, 25), а также некоторые легированные стали (15Х, 20Х, 15ХФ, 20ХН, 18ХГТ).
К улучшаемым сталям относят стали, которые подвергают улучшению - термообработке, заключающейся в закалке и высоком отпуске. К ним относятся среднеуглеродистые стали (35, 40, 45, 50), хромистые стали (40Х, 45Х, 50Х), хромистые стали с бором, хромоникелевые и др.
Высокопрочные стали - это стали, у которых подбором химического состава и термической обработкой достигается предел прочности примерно вдвое больший, чем у обычных конструкционных сталей.
Пружинные (рессорно-пружинные) стали сохраняют в течение длительного времени упругие свойства, поскольку имеют высокий предел упругости, высокое сопротивление разрушению и усталости. К пружинным относятся углеродистые стали (65, 70) и стали, легированные элементами, которые повышают предел упругости - кремнием, марганцем, хромом, вольфрамом, ванадием, бором (50ХГС, 55ХГР).
Подшипниковые (шарикоподшипниковые) стали имеют высокую прочность, износоустойчивость, выносливость. Обычно шарикоподшипниковые стали характеризуются высоким содержанием углерода (около 1%) и наличием хрома (ШХ9, ШХ15).
Автоматные стали используют для изготовления неответственных деталей массового производства (винты, болты, гайки и др.) обрабатываемых на станках-автоматах. повышения обрабатываемости резанием за счет повышенного содержания серы и фосфора. К автоматным сталям относятся такие стали, как А12, А20.
Износостойкие стали применяют для деталей, работающих в условиях абразивного трения, высокого давления и ударов (крестовины железнодорожных путей, ковши экскаваторов и др.)
Коррозионно-стойкие (нержавеющие) стали - легированные стали с большим содержанием хрома (не менее 12%) и никеля. Хром образует на поверхности изделия защитную (пассивную) оксидную пленку. Углерод в нержавеющих сталях - нежелательный элемент, а чем больше хрома, тем выше коррозионная стойкость. (12X13, 20X13, 20Х17Н2, 30X13, 40X13, 95X18,15X28)
Инструментальные стали по назначению делят на стали для режущих, измерительных инструментов, штамповые стали.
Стали для режущих инструментов должны быть способными сохранять высокую твердость и режущую способность продолжительное время, том числе и при нагреве. В качестве сталей для режущих инструментов применяют углеродистые, легированные инструментальные, быстрорежущие стали.
Углеродистые инструментальные стали содержат 0,65-1,32% углерода. Например, стали марок У7, У7А, У13, У13А. К данной группе, помимо нелегированных углеродистых инструментальных сталей, условно относят также стали с небольшим содержанием легирующих элементов, которые не сильно отличаются от углеродистых.
Легированные инструментальные стали, содержащие легирующие элементы в количестве 1-3%. Легированные инструментальные стали имеют повышенную (по сравнению с углеродистыми инструментальными сталями) теплостойкость - до +300°С. Наиболее широко используют стали 9ХС (сверла, фрезы, зенкеры), ХВГ (протяжки, развертки), ХВГС (фрезы, зенкеры, сверла больших диаметров).
Быстрорежущие стали применяют для изготовления различного режущего инструмента, работающего на высоких скоростях резания, так как они обладают высокой теплостойкостью - до +650°С. Наибольшее распространение получили быстрорежущие стали марок Р9, Р18, Р6М5, Р6М5К5.
Инструментальные стали для измерительных инструментов (плиток, калибров, шаблонов) помимо твердости и износостойкости должны сохранять постоянство размеров и хорошо шлифоваться. Обычно применяют стали У8...У12, X, 12X1, Х12Ф1. Измерительные скобы, шкалы, линейки и другие плоские и длинные инструменты изготовляют из листовых сталей 15, 15Х. Для получения рабочей поверхности с высокой твердостью и износостойкостью инструменты подвергают цементации и закалке.
Штамповые стали обладают высокой твердостью и износостойкостью, прокаливаемостью и теплостойкостью.
Стали для штампов холодного деформирования должны обладать высокой твердостью, износостойкостью и прочностью, сочетающейся с достаточной вязкостью, также должны быть теплостойкими.(Х12Ф1, Х12М, Х6ВФ, 6Х5ВЗМФС, 7ХГ2ВМ, быстрорежущие стали).
Стали для штампов горячего деформирования должны иметь высокие механические свойства (прочность и вязкость) при повышенных температурах и обладать износостойкостью, окалиностойкостью, разгаростойкостью и высокой теплопроводностью. Примером таких сталей могут служить стали 5ХНМ, 5ХНВ, 4ХЗВМФ, 4Х5В2ФС.