1. Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качества определяется соответствующими показателями, представляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям изготовления и использования.
Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали).
Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами продукции. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценка химического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами
2. При предварительном контроле оценивается качество исходного сырья, при промежуточном — соблюдение установленного технологического процесса. Окон чательный контроль определяет качество готовой продукции, ее годность и соответствие стандартам. Годной считается продукция, полностью отвечающая требованиям стандартов и технических условий. Продукция, имеющая дефекты и отклонения от стандартов, считается браком.
3. Поэтому при оценке качества могут определяться свойства, состав и оцениваться структура материала.
Химический состав может определяться химическим анализом или спектральным анализом.
Макроанализ позволяет выявить различные особенности строения и дефекты (трещины, пористость, раковины и др.).
Микроанализом называется изучение структуры с помощью оптического микроскопа при увеличении до 3000 раз.
Электронный микроскоп позволяет изучать структуру при увеличении до 25000 раз.
Рентгеновский анализ применяют для выявления внутренних дефектов. Он основан на том, что рентгеновские лучи, проходящие через материал и через дефекты, ослабляются в разной степени. Глубина проникновения рентгеновских лучей в сталь составляет 80 мм. Эту же физическую основу имеет просвечивание гамма-лучами, но они способны проникать на большую глубину (для стали — до 300 мм). Просвечивание радиолучами сантиметрового и миллиметрового диапазона позволяет обнаружить дефекты в поверхностном слое неметаллических материалов, так как проникающая способность радиоволн в металлических материалах невелика. Магнитная дефектоскопия позволяет выявить дефекты в поверхностном слое (до 2 мм) металлических материалов, обладающих магнитными свойствами и основана на искажении магнитного поля в местах дефектов.
Ультразвуковая дефектоскопия позволяет осуществлять эффективный контроль качества на большой глубине. Она основана на том, что при наличии дефекта интенсивность проходящего через материал ультразвука меняется.
Капиллярная дефектоскопия служит для выявления невидимых глазом тонких трещин. Она использует эффект заполнения этих трещин легко смачивающими материал жидкостями.
4. Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.
Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.
Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.
Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.
5. При статических испытаниях на растяжение определяют величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала (Рисунок 1).
а б
Рисунок 1. График «напряжение-деформация» при испытаниях упругого тела (а) и тела с внутренними потерями на гистерезис (б)
Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l 0 и диаметром d 0. Образец растягивается под действием приложенной силы Р до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию.
Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F 0, МПа: σ = P / F 0. Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %: ε =[(l 1- l 0)/ l 0]·100, где l 1 — длина растянутого образца. Секущий и касательный модули упругости определяются методами, указанными на Рисунке 2.
Рисунок 2. Определение секущего и касательного модулей упругости по графику «напряжение-деформация»
6. Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).
При испытаниях образца (Рисунок 3.а) стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На Рисунке 3.б приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали.
Рисунок 3. Образец (а) и диаграмма растяжения (б) для низкоуглеродистой стали
После проведения испытаний определяются следующие характеристики механических свойств.
Предел упругости σу— это максимальное напряжение при котором в образце не возникают пластические деформации.
Предел текучести σт— это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести(что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ0,2— напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.
Предел прочности (или временное сопротивление) σв— это напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.
Относительное удлинение после разрыва δ— отношение приращения длины образца при растяжении к начальной длине l 0, %: δ =[(l k- l 0)/ l 0]·100, где l к — длина образца после разрыва.
Относительным сужением после разрыва ψ называется уменьшение площади поперечного сечения образца, отнесенное к начальному сечению образца, %: ψ =[(F 0- F k)/ F 0]·100, где F к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва.
7. Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образен твердого наконечника различной формы
Рисунок 4. Методы измерения твёрдости материала
Метод Бринелля (Рисунок 4.а) основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.
Метод Роквелла (Рисунок 4.б) основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двух нагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.
В методе Виккерса (Рисунок 4.в) применяют вдавливание алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.
8. Отрасль промышленности, занимающаяся производством металлов и сплавов, называется металлургией. Полимеры (пластмассы, резина, синтетические волокна) изготовляются чаще всего с помощью процессов органического синтеза. Исходным сырьем при этом служат нефть, газ, каменный уголь.
9. Литейное производство занимается изготовлением изделий путем заливки расплавленного металла в специальную форму, Обработкой металлов давлением называют изменение формы заготовки под воздействием внешних сил.
Изделия из пластмасс получают путем прессования, литья или выдавливания. Резиновые изделия получают обработкой между валами (каландрированием), выдавливанием, прессованием или литьем с последующей вулканизацией (см. раздел, 7.2.).
10. Изделия из керамических материалов получают путем формования и обжига или прессования и спекания. Сваркой называется технологический процесс получения неразъемных соединений материалов путем установления межатомных связей между свариваемыми частями при их нагреве или пластическом деформировании или совместном действии того и другого Заключительной стадией изготовления изделий часто является обработка резанием, заключающаяся в снятии с заготовки режущим инструментом слоя материала в виде стружки. В результате этого заготовка приобретает правильную форму, точные размеры, необходимое качество поверхности. Литейные свойства характеризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестъю), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.
Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения.
Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения.
Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.
11. Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными. Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.
Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.
12. Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.
Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.
Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д.
13. Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ.
Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.
14. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.
Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.
Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.
Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.
Контрольные вопросы
1. Чем регламентируются комплексные показатели качества?
2. Назовите методы контроля качества материала.
3. Какие стадии определения качества материала существуют? Чем они характеризуются?
4. Назовите отличие пластичного материала от хрупкого.
5. Что означает «предел текучести материала»?
6. Назовите методы определения твёрдости материала.
7. Опишите этапы определения числа твердости по Роквеллу HRB.
8. Назовите методы изготовления изделий из пластмасс.
9. В чём отличие жаростойкости и жаропрочности?