Метали і їх сплави є одним з найпоширеніших матеріалів для виготовлення виробів різних видів. Але так як кожен з типів має певні властивості - перед застосуванням їх слід детально вивчити.
Навіщо потрібно знати механічні властивості металів Метали відносяться до хімічних елементів і речовин, які характеризуються високим показником теплопровідності, в більшості своїй мають жорсткість. Під впливом високих температур підвищується пластичність, мають ковкістю. Ці характеристики матеріалів дозволяють здійснювати їх обробку різними способами.
Металеві матеріали та їх сплави характеризуються рядом показників: хімічними, механічними, фізичними і експлуатаційними. У сукупності вони дають можливість визначити фактичні характеристики в повному обсязі. Виділити найбільш важливі з них неможливо. Але для вирішення певних завдань більша увага приділяється конкретній групі властивостей.
Механічні властивості металів необхідно знати для вирішення наступних питань: • виробництво вироби з певними якостями; • вибір оптимального процесу обробки заготовки; • вплив механічних характеристик металевих матеріалів на експлуатаційні властивості продукту.
Для визначення конкретних механічних властивостей застосовуються різні методи. Випробування металів і сплавів проводяться за допомогою спеціальних приладів. Це робиться в лабораторних умовах. Для досягнення точних результатів рекомендується використовувати результати досліджень державних метрологічних організацій. Механічні властивості визначають показник опірності того або іншого матеріалу на зовнішні силові впливи. Для кожного параметра існує певні числові показники.
твердість При впливі зовнішніх факторів на металеві вироби відбувається їх деформація - пластична або пружна. Твердість описує опір цим факторам, характеризує ступінь збереження початкової форми і властивостей матеріалу, вироби.
Залежно від бажаних результатів перевірка матеріалу на твердість здійснюється трьома методами: • статичний. На спеціальний індикатор, розташований на поверхні металу, прикладають механічну силу. Це робиться поступово і одночасно з цим фіксується ступінь деформації; • динамічний. Вплив відбувається для фіксації пружною віддачі або формування відбитка з певною конфігурацією; • кінетичний. Схожий зі статичним. Різниця полягає в безперервному впливі для побудови діаграми зміни характеристик зразка.
Вимірювання твердості залежить від обраного методу - Бринелля (НВ), Роквелла (шкали А, В і С) або Віккерса (НV). Все залежить від ступеня впливу на матеріал, з допомогою яких можна визначити поверхневу, проекційну або об'ємну твердість. Шкала Мосса застосовується для обчислення показника твердості рідко. Її суть полягає в обчисленні характеристиках об'єкта методом дряпання його поверхні.
В'язкість і крихкість Ці характеристики вказують на можливість металу чинити опір при впливі ударних навантажень. Показником є швидкість деформації, тобто зміна початкової конфігурації заготовки при зовнішньому впливі. Знання показника в'язкості і крихкості необхідно для розрахунку енергії, що поглинається впливу, яка призводить до деформації металевого зразка. Залежно від необхідних даних розрізняють наступні методи вимірювання та види в'язкості металів:
• статична. Відбувається повільне вплив на матеріал до моменту його руйнування; • циклічна. Зразок піддають багаторазовим навантаженням з однаковим або постійно змінюваних показником сили. При цьому основною величиною циклічної в'язкості є кількість роботи, необхідної для руйнування зразка; • ударна. Для її розрахунку застосовують маятниковий копер. Заготівлю кріплять на нижньому підставі, маятник з стинають конусом знаходиться у верхній точці. Після його опускання відбувається взаємодія металу і рубає частини. Ступінь деформації характеризується в'язкістю зразка.
Залежно від системи вимірювання існують різні показники в'язкості: • СІ - м² / с; • СГС - стокс (СТ) або сантістокс (сСт) Крім методу випробування необхідно враховувати інші механічні властивості металів - температура на його поверхні і в структурі, вологість в приміщенні і т.д. Крихкість є зворотним показником в'язкості. Вона визначає, наскільки швидко метал або сплав буде руйнуватися під впливом зовнішньої сили.
напруга Напругою називається виникнення внутрішніх сил з різними векторами спрямованості при зовнішньому впливі. Ця величина може бути внутрішня або поверхнева. Є обов'язковим для розрахунку при виготовленні несучих сталевих конструкцій або елементів обладнання, що піддаються постійним навантаженням. Головною умовою для вимірювання цього показника є рівномірне навантаження, що діє в певному напрямку. При цьому виникає напружений стан зразка, який піддається впливу врівноважених сил. Крім цього, вплив може бути односекторним або багато векторних.
Існують наступні види напруги матеріалів і їх сплавів: • залишкове. Формується вже після закінчення впливу зовнішніх факторів. До них відносяться не тільки механічні сили, а й швидке нагрівання або охолодження зразка; • тимчасові. Виникають тільки при зовнішніх навантаженнях. Після їх припинення виріб набуває початкові характеристики; • внутрішнє. Найчастіше відбувається в результаті нерівномірного нагрівання заготовок.
Напруга є відношенням сили впливу на площу, на яку вона додається. Крім прямого тиску на поверхню може спостерігатися дотичне. Розрахунок цього параметра вимагає більш складних методик.
Витривалість і втома При тривалому застосуванні зовнішніх сил в структурі зразка виявляються деформації і дефекти. Вони призводять до втрати міцності зразка і як наслідок - до його руйнування. Це називається втомою металу. Витривалість є зворотною характеристикою. Таке явище настає в результаті появи послідовних напруг (внутрішніх або поверхневих) за певний проміжок часу. Якщо структура не піддається зміні - говорять про гарний показник витривалості. В іншому випадку відбувається деформація.
Залежно від точності розрахунку виконують такі випробування зразка на витривалість для того, щоб дізнатися механічні властивості металів: • чистий вигин. Деталь закріплюється на кінцях і відбувається її обертання, в результаті чого вона деформується; • поперечний вигин. Додатково виконується обертання зразка; • вигин в одній площині; • поперечний і поздовжній вигин в одній площині; • нерівномірне кручення з повторенням циклу.
Ці випробування дозволяють визначити показник витривалості і розрахувати час настання втоми деталі. Для проведення випробувань необхідно керуватися прийнятими методиками, які викладені в ГОСТ-1497-84. Особлива увага приділяється відхилення властивостей металу від норми.
повзучість Цей показник визначає ступінь безперервної пластичної деформації при постійному впливі зовнішніх і внутрішніх факторів. Обчислення цього параметра необхідні для визначення жароміцності металів та їх сплавів. Для визначення повзучості зразок нагрівають до певної температури. Після цього спостерігають ступінь зміни його конфігурації з урахуванням прикладеної напруги. Залежно від термічної дії розрізняють два види випробувань на повзучість: • низькотемпературне. Ступінь нагрівання зразка не перевищує 0,4 від температури його плавлення; • високотемпературна. Коефіцієнт нагрівання більше 0,4 температури нагріву.
Для проведення випробувань використовують стандартні зразки прямокутної або циліндричної форми. При цьому ступінь похибки вимірювання не повинна перевищувати 0,002 мм. В результаті випробувань формується крива, яка характеризує процес повзучості.
