РЕФЕРАТ
ТЕМА:ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МАТЕРИАЛАХ
План
1. Общие сведения
2. Физические свойства
3. Механические свойства
4. Химические свойства
5. Технологическиеиспытания металлов и сплавов
6. Строение металлов,сплавов и жидких расплавов
Список литературы
1. Общие сведения
Мир по своей природе материален. Все, что нас окружает, называетсяматерией. Атом, живая клетка, организм и т. п.— все это различные виды материи.Наблюдаемое многообразие явлений в природе представляет собой различные формыдвижущейся материи. Материя обладает разнообразными формами движения: жизненныепроцессы, химические превращения, электрический ток, нагревание и охлаждение и т.д. Материя не исчезает и не создается вновь, она только меняет свои формы. Одниформы движения материи могут переходить в другие. Например, механическоедвижение может переходить в тепловое, тепловое — в химическое, химическое — вэлектрическое, электрическое — в механическое и т. д.
Каждый отдельный вид материи, обладающий определенными составом исвойствами, называется веществом. Признаки, по которым различные веществаотличаются одно от другого, называются свойствами. Вещества различаются поцвету, агрегатному состоянию (твердое, жидкое или газообразное), плотности,температуре плавления и кипения и т. д. Чтобы охарактеризовать вещество,необходимо знать определенное количество — совокупность признаков — свойств,которыми оно обладает. Например, вещество, плотность которого равна 1000 кг/м3,температура кипения 100 °С и температура плавления 0°С,— вода Н2О.Свойства материалов определяются преимущественно в лабораторных условиях поспециальным методикам, предусмотренным Государственными стандартами и техническимиусловиями.
Вещества могут быть простыми и сложными. Простые вещества (железо,медь, кислород, углерод и др.) состоят из атомов или ионов одного элемента. Сложныевещества (вода, углекислый газ, серная кислота, сталь и др.) состоят измолекул, образованных атомами или ионами разных элементов.
Вещества могут быть чистыми или находиться в виде смесей. Чистыевещества (простые и сложные) состоят из однородных молекул, атомов и ионов. Смеси состоятиз различных простых и сложных веществ. Примером смеси является воздух, которыйсостоит из молекул различных газов (азота, кислорода, углекислого газа и т.п.). Гранит — смесь, состоящая из кварца, слюды и полевого шпата.
Свойства материалов, применяемых в промышленном производстве,условно разделяют на физические, механические, химические, технологические идр.
2. Физические свойства
К физическим свойствам, зависящим от внутреннего строенияматериалов, относятся: плотность, пористость, теплопроводность, теплоемкость,электропроводность, тепловое (термическое) расширение, морозостойкость,огнеупорность, температура плавления и др.
Плотность — величина, равная отношению массы вещества кзанимаемому им объему. По плотности металлы и сплавы делятся на две группы:легкие, плотность которых меньше 5000 кг/м3, и тяжелые, плотностькоторых больше 5000 кг/м3. К легким металлам относятся алюминий,магний, титан и сплавы на их основе, к тяжелым — медь, никель, цинк и сплавы наих основе. При производстве машин и механизмов, чтобы уменьшить их массу,используют металлы и сплавы меньшей плотности.
Пористость — степень заполнения объема материала порами.
Теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, водопоглощениезависят от пористости материалов.
Теплопроводность—способность материала передавать через свою толщу тепловойпоток, возникающий вследствие разности температур на противоположныхповерхностях. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящейв течение 1 ч через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, приразности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в одинградус. Теплопроводность зависит от внутреннего строения материала.
Высокая теплопроводность металлов и сплавов по сравнению с другимиматериалами объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносятсвободные электроны, находящиеся в постоянном движении. Свободные электронысталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебанияионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, приэтом температура быстро выравнивается по всей массе металла. Чем большетеплопроводность металла, тем быстрее теплота при нагревании распространяетсяпо всему объему. Это свойство учитывают при изготовлении нагревательныхприборов, двигателей, которые нагреваются во время работы, при газовой резкеметаллов и сплавов, при обработке металлов режущим инструментом.
Теплопроводность имеет большое значение при выборе материалов длятеплоограждающих конструкций, теплообменных аппаратов, изоляции труб.
Электропроводность — способность металлов и сплавов проводитьэлектрический ток под действием внешнего электрического поля. Переносятэлектрический ток свободные электроны, поэтому тепло- и электропроводность учистых металлов пропорциональны одна другой. Электропроводность металлов сповышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагреванииколебания ионов в металле усиливаются, а это мешает движению электронов. Принизких температурах, когда колебания ионов уменьшаются, электропроводностьрезко увеличивается.
Высокой электропроводностью обладают серебро, алюминий, медь исплавы на их основе, низкой — вольфрам, хром. Из металлов, хорошо проводящихэлектрический ток, делают электрические провода, токопроводящие деталиэлектрических машин, а из металлов и сплавов, плохо проводящих электрическийток (обладающих большим электросопротивлением), изготовляют электронагревательныеприборы, реостаты.
Теплоемкость — СВОЙСТВО материалов поглощать при нагревании определенное количествотеплоты. Показанном теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количествутеплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг материала на одинградус. Удельная теплоемкость используется при расчете процессов нагрева илиохлаждения материалов.
Водопоглощение—способность материала впитывать и удерживать в своих порахводу. Водоиоглощение материала зависит от его пористости; чем большепористость, тем больше водопоглощение.
Насыщение материалов водой изменяет их свойства: увеличиваетсятеплопроводность, снижается морозостойкость.
Влажность материала определяется отношением влаги, содержащейся в образце, кмассе этого образца в сухом состоянии.
Водопроницаемость—способность материала пропускать через себя водупод давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшейчерез образец площадью 1 м2 в течение 1 ч при постоянном давлении 1Н и определенной толщине образца. Водопроницаемость зависит от пористости,плотности материала, формы и размеров пор.
Паро-, газопроницаемость — свойства, которые характеризуются количествомпара или газа (воздуха),прошедшегочерез образец определенных размеров при заданном давлении.
Морозостойкость— способность материала в насыщенном водойсостоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания иоттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного пониженияпрочности. Плотные материалы, а также материалы, обладающие малым водопоглощением,как правило, морозостойки. По числу выдерживаемых циклов попеременногозамораживания и оттаивания (степени морозостойкости).
Тепловое (термическое) расширение— способность материаловизменять свои размеры в процессе нагревания при постоянном давлении. Этосвойство учитывают при прокладке трубопроводов, рельсов железнодорожных путей.Длинные трубо- и паропроводы в нагретом состоянии значительно увеличивают своиразмеры. Поэтому, чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясьневредимыми, делают специальные устройства — компенсаторы, которые воспринимаютудлинение трубопроводов при тепловом расширении. На мостах устанавливают подвижныеопоры. У зданий и сооружений большой протяженности предусматривают термическиешвы. Рельсы на крановых и железнодорожных путях укладывают с небольшимипромежутками для свободного термического расширения.
Температура плавления — постоянная температура, при которой твердыйматериал переходит в жидкий расплав при нормальном давлении. Для отсчетатемпе-ратуры применяют две шкалы: термодинамическую, где единицейизмерения температуры служит кельвин (обозначается К), и международнуюпрактическую, где единицей измерения служит градус Цельсия (обозначается°С).
Температура плавления материалов зависит от прочности связи междумолекулами, ионами и изменяется в очень широких пределах: например, температураплавления ртути—39°С, вольфрама+3410°С. Чистые металлы плавятся приопределенных температурах, а большинство материалов в интервале температур.
3. Механические свойства
Механическими свойствами материалов называют их способностьсопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению поддействием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся прочность,пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.
/>
Рис. 1. Виды деформаций металла в зависимости от направления действующей нагрузки:
а — сжатия, б — растяжения, в —изгиба,
г — сдвига (среза), д — кручения
Деформации, которые исчезают после снятия нагрузки (при этом материалпринимает первоначальную форму), называют упругими. Деформации, которыеостаются после снятия нагрузки, называют остаточными.
В зависимости от характера действия приложенных к образцу илиизделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига(среза), кручения (рис. 1).
Для определения механических свойств материалов специальныеобразцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов.Испытания образцов могут быть статическими, когда на образец действуетпостоянная или медленно возрастающая нагрузка, динамическими, когда на образецдействует мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повторно-переменными(усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется повеличине и направлению.
Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.
Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влияниемвнешних воздействий (сил, нагрузок). Напряжение служит для оценки нагрузки, независящей от размеров деформируемого тела.
Напряжения, действующие вдоль оси образца, на*1 зывают нормальнымии обозначают а (сигма). Нормальные напряжения в паскаляхопределяются отношением сил Р в ньютонах, действующих вдоль оси деталиили образца, к площади их поперечного сечения Sв квадратных метрах: а = P/S.
Нормальные напряжения в зависимости от направления действующихнагрузок бывают сжимающими (рис. 1, а) и растягивающими (рис. 1, б).
Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательнымии обозначают т (тау). Под действием касательных напряжений происходитдеформация среза (рис. 1, г).
Напряжения, определяемые при механических испытаниях образцов наспециальных машинах, используют при расчетах деталей машин на прочность.
Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают в них напряжения,которые в свою очередь вызывают деформации деталей. Например, канат автомобильногокрана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытываетнапряжение растяжения, поэтому и подвергается деформации растяжения. Поддействием сжимающих напряжений деформацию сжатия испытывают станины ифундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стрелеавтомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напряженияизгиба (рис. 1, в), которые вызывают деформацию изгиба стрелы. Деформации изгибаиспытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда,башенного или козлового крана. На срез работают заклепочные соединения,стопорные болты.
Напряжения кручения вызывают деформацию кручения (рис. 1, д), например, когда у стяжныхболтов затягивают гайки.
Прочность — способность материалов воспринимать, не разрушаясь,различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации. Взависимости от характера действия внешних сил различают прочность нарастяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.
Определение прочности на растяжение — наиболее важный ираспространенный вид механических испытаний материалов (ГОСТ 1497—73). Образцыопределенном формы м размеров испытывают на специальных разрывных машинах.Стандартный образец (рис. 2) закрепляют головками диаметром Dв машине и медленно нагружаютс постоянной скоростью. В результате возрастающей нагрузки происходитрастяжение образца вплоть до разрушения по диаметру d. При испытаниипроизводится автоматическая запись диаграммы растяжения (рис. 3),представляющей собой графикизменения длины образца А в зависимости отприложенной нагрузки Р. Определенные точки на диаграмме растяжения р,с, s, Ъ отражают наиболее важные характеристики прочности: пределпропорциональности, условные пределы упругости, текучести и прочности.
/>
Рис. 2. Образец для испытания на растяжение
Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали
Предел пропорциональности (точка р на диаграмме растяжения)— это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Рпц, докоторого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом вобразце возникают только упругие деформации. При дальнейшем увеличении нагрузкидеформации образца будут остаточными.
Условный предел упругости (точка с на диаграмме растяжения)—этонапряжение, возникающее под действием нагрузки. при котором образец получаетостаточное удлинение, равное 0,05 % первоначальной длины образца. Практическипредел упругости очень близок пределу пропорциональности.
Условный предел текучести ат (точка s на диаграмме растяжения)— это напряжение, возникающее под действием нагрузки Рт, прикотором остаточное удлинение достигает заданного значения, обычно 0,2 %, но иногда 0,1 или 0,3 % и более. Следовательно,условный предел текучести отличается от условного предела упругости толькозаданным значением остаточного удлинения. Условный предел текучестисоответствует напряжению, при котором происходит наиболее полный переход кпластической деформации металла.
Условный предел прочности ав(точка Ь надиаграмме растяжения) — условное наибольшее напряжение, возникающее поддействием нагрузки Рв, при котором происходит наибольшаяравномерная по всей длине деформация образца. После точки s на участке sbдиаграммы растяжения придальнейшем увеличении нагрузки в образце развивается интенсивная пластическаядеформация. До точки bобразец удлиняется равномерно по всей длине. Вточке Ъ начинается резкое уменьшение поперечного сечения образца накоротком участке с образованием так называемой шейки.
Характеристиками прочности пользуются при расчетах на прочностьдеталей машин. Практическое значение пределов пропорциональности, упругости итекучести сводится к тому, чтобыопределить численное значение напряжений, под действием которых могут работатьдетали в машинах, не подвергаясь остаточной деформации сгпр или подвергаясьдеформации на небольшую допустимую величину.
Пластичность — способность материалов под действием внешних силизменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные(пластические) деформации после устранения этих сил. Пластические свойстваиспытываемого образца определяют при испытаниях на растяжение. Под действиемнагрузки образцы удлиняются, при этом поперечное сечение их соответственноуменьшается. Чем больше удлиняется образец при испытании, тем более пластиченматериал. Характеристиками пластичности материалов служат относительныеудлинение и сужение образцов.
Относительным удлинением называется отношение приращения длины образцапосле разрыва к его первоначальной длине.
Относительным сужением называется отношение уменьшения площадипоперечного сечения образца после разрыва к площади поперечного сечения образцадо начала испытания.
Твердость — способность материалов сопротивляться пластическойдеформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактныхсиловых воздействиях. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию вповерхность металла индикатора из более твердого материала. Твердость можноопределять непосредственно на деталях без их разрушения. Измерение твердостиметаллов и сплавов используют как метод оценки их механических свойств.
По твердости материала судят о других его свойствах. Например, длямногих сплавов чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, вышеизносостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываютсярезанием.
На практике твердость определяют преимущественно двумя способами.Если твердость исследуемого материала меньше, чем твердость закаленной стали,то твердость измеряют по Бринеллю, если же твердость исследуемого материалабольше, чем твердость закаленной стали, то твердость измеряют по Роквеллу.
При измерении твердости по Бринеллю (ГОСТ 22761—77) шарикиз термически обработанной стали или карбида вольфрама диаметром D2,5 или 1 мм вдавливают виспытуемый металл под действием определенной нагрузки и выдерживают под этойнагрузкой в течение 10 с при испытании черных металлов и в течение 30 или 60 спри испытании цветных металлов (рис. 4). В результате вдавливания шарика наиспытуемом металле получается отпечаток. Под микроскопом измеряют в двух взаимно перпендикулярныхнаправлениях диаметр отпечатка d, по которому и определяют твердость металла илисплава по таблицам твердости.
/>
Рис. 4. Схема опеделения твердости по Бринеллю
Рис. 5. Схема определения твердости по Роквеллу
Чем тверже металл, тем меньше получается диаметр отпечатка.Твердость по Бринеллю обозначают НВ и измеряют в МПа. Обозначение НВдополняется индексами, указывающими условия измерения, в следующем порядке:первая цифра перед НВ указывает
При измерении твердости по Роквеллу (ГОСТ 22975—78)алмазный конус с углом при вершине 120° вдавливают в испытуемый металл (рис. 5)сначала под действием предварительной нагрузки Рп, которую не снимают доконца испытания. Под нагрузкой Ра алмазный конус вдавливается на глубинуй0. Затем к предварительной нагрузке Рдобавляютосновную Рь под действием которой алмазный конус вдавливается на глубинуh. Через 1...3 с после того,как стрелка на шкале прибора остановится, основная нагрузка Piавтоматически снимается.Стрелка прибора показывает на шкале твердость метлла в условных единицахтвердости. При использовании алмазного конуса отсчет твердости ведут по шкалеN.
При измерении твердости по Роквеллу мягких материалов алмазныйконус на приборе заменяют стальным шариком диаметром
1.6 мм и отсчет твердости ведут по шкале Т.
Твердость по Роквеллу обозначают индексами, указывающими условияизмерения. Например, 65HRN15 указывает твердость 65 единиц по шкале N принагрузке 147 Н (15 кгс); 49 HRT 30 — твердость 49 единиц по шкале Т при нагрузке294 Н (30 кгс).
Ударная вязкость—характеристика материала, по которой оценивают егосопротивление хрупкому разрушению. При ударных нагрузках напряжения,возникающие в материале, действуют мгновенно, поэтому их трудно определить.Ударную вязкость определяют работой, затраченной на разрушение образца.
Многие детали машин и конструкции во время работы подвергаютсяударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. Ударныенагрузки испытывают инструменты типа штампов, некоторые зубчатые передачи и т.д. При ударных нагрузках показатели механических свойств материалов могутсущественно отличаться от аналогичных характеристик материала при статическихнагрузках. Расчет деталей и конструкций на долговечность в работе при уда-рныхнагрузках производят с учетом ударной вязкости.
Усталость — изменение механических и физических свойств материала поддействием циклически изменяющихся во времени напряжений и деформаций.
В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, которыеприводят к полному разрушению деталей. Подобное разрушение опасно тем, чтоможет происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочностии текучести.
Свойство противостоять усталости называется выносливостью.Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т. е.наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданноечисло раз.
Цель испытаний на усталость (ГОСТ 2860—65) — количественная оценкаспособности материала (образца) работать при циклически изменяющихся нагрузкахбез разрушения. Цикл напряжений — совокупность переменных значений напряженийза один период их изменения. Заданное число циклов нагружения при испытанииназывают базой испытания. Обычно база испытания составляет 108циклов нагружения. Если материал выдержал базовое число циклов без разрушения,то он хорошо противостоит усталости и деталь из этого материала будет работатьнадежно. Под действием циклически изменяющихся нагрузок работают коленчатыевалы двигателей, многие детали машин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.
Ползучесть — способность материалов к медленной и непрерывной пластическойдеформации при действии постоянной нагрузки или напряжения.
Изделия, работающие при повышенных или высоких температурах,обладают меньшей прочностью, чем изделия, работающие при нормальнойтемпературе. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки(напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться стечением времени.
Испытания на ползучесть при растяжении (ГОСТ 3248—81) заключаютсяв том, что испытуемый образец в течение длительного времени подвергается действиюпостоянного растягивающего усилия при постоянной высокой температуре. Врезультате испытания определяют предел ползучести металла, т. е. наибольшеерастягивающее напряжение, при котором скорость или деформация ползучести заопределенный промежуток времени не превышает заданной величины. Пределползучести материала используют при расчете деталей на долговечность в работепри повышенных температурах.
4. Химические свойства
Химические свойства характеризуются способностью металлов исплавов отдавать электроны при взаимодействии с другими веществами. При этомпроисходит окисление металлов. Следовательно, при всех химическихвзаимодействиях металлы являются восстановителями. По легкости отдачиэлектронов металлы располагаются в ряд активности: Mg, Al, Zn, Сг, Fe, Co, Ni, Sn, Pb, H, Cu, Sb, Bi, Ag, Pt, Аи и т. д. Чем левее вряду активности находится металл, тем легче он окисляется и труднеевосстанавливается из своих ионов. Каждый металл, находящийся в ряду активностилевее, вытесняет любой последующий из растворов его солей. При этом менееактивный металл восстанавливается. При повышении температуры все химическиевзаимодействия протекают более активно.
Металлы и сплавы взаимодействуют с неметаллами, при этомвыделяется большое количество тепла.
Наиболее химически активные металлы и сплавы способны окислятьсяна воздухе при нормальных условиях и при нагревании. С повышением температурыособенно активно происходит окисление металлов.
Жаростойкость —способность металлов и сплавов противостоятьхимическому воздействию при высоких температурах. Детали, эксплуатируемые привысоких температурах (детали топок котлов, газовые горелки, клапаны двигателейвнутреннего сгорания), изготовляют из специальных сплавов, содержащих Сг, Ni, W, Al и другие элементы,которые повышают их жаростойкость.
Кислотостойкость — способность металлов и сплавов противостоятьдействию растворов кислот. Металлы и их сплавы, находящиеся в ряду активностилевее водорода, вытесняют его из воды и водных растворов кислот (HC1,H2SO4), при этом происходитокисление металлов.
Химические свойства металлов широко используют на практике.Санитарно-техническое оборудование, арматура, трубопроводы и детали машин приэксплуатации подвергаются действию различных агрессивных сред. Поэтому ихизготовляют из металлов и сплавов, обладающих такими химическими свойствами,которые могут обеспечить надежность деталей в работе. Например, трубы исанитарно-техническую арматуру делают из алюминиевых, медных сплавов сдобавками Sn, Co, Cr, Ti, образующих при окислении плотную пленку, которая предохраняетизделия от дальнейшего окисления. Листовое железо и стальные трубы покрываютцинком, хромом (хромируют), никелем (никелируют), увеличивая тем самым иххимическую стойкость. Трубопроводы, арматуру, емкости, работающие в водныхрастворах кислот и щелочей, изготовляют из специальных кислотостойких сталей исплавов с большим содержанием (выше 12%) Cr, Ni, Ti. Чтобы увеличитьхимическую стойкость трубопроводов в среде агрессивных газов, их внутреннююповерхность покрывают пластмассами (полиэтиленом, фторопластом и др.).
5. Технологические испытания металлов и сплавов
Способность металлов и сплавов подвергаться различным видамтехнологической обработки (обработке давлением, резанием, сварке) зависит от ихтехнологических свойств. Для определения технологических свойств проводятиспытания по технологическим пробам, используемым чаще всего в производственныхусловиях. К технологическим относятся пробы для испытания на изгиб, осадку,сплющивание, бортование, загиб труб и многие другие. Многие технологическиепробы и методы испытаний стандартизованы.
По результатам технологических испытаний определяют возможностьизготовления качественного изделия из данного материала в условиях,соответствующих принятому на данном производстве технологическому процессу.
Испытание на изгиб (ГОСТ 14019 — 80) служит для определенияспособности материалов выдерживать без разрушения заданные деформации изгиба.Образец / (Рис. 6, а) с помощью оправки 2 изгибается поддействием усилия пресса между роликами 3 до заданного угла а. Способностьматериала выдерживать деформацию изгиба характеризуется заданным углом загибаа. При изгибе образца на 180° материал способен выдержать предельную деформациюизгиба. Образцы, выдержавшие испытание, не должны иметь трещин, надрывов,расслоений.
Испытанию на изгиб подвергают листы толщиной до 30 мм, сортовойпрокат — прутки, швеллеры, уголки.
/>
Рис. 6. Технологические испытания:
а — на изгиб, б — на осадку, в — на сплющивание труб, г —на бортование труб, д — на загиб труб; 1 — образец, 2 — оправка,3 — ролики,
4— образец до осадки, 5— образец после осадки, 6 — труба
Испытание на осадку (ГОСТ 8817—82) служит для определения способностиметалла выдерживать заданную пластическую деформацию. Образец 4 осаживаетсяв горячем или холодном состоянии с помощью пресса или молота до определеннойвысоты h(Рис. 6,6). Испытание на осадку производятна круглых или квадратных образцах диаметром или стороной квадрата в холодномсостоянии от 3 до 30 мм, в горячем состоянии — от 5 до 150 мм. Высота стальныхобразцов должна равняться двум диаметрам, а образцов из цветных сплавов — неменее 1,5 диаметра. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем непоявились трещины, надрывы или изломы.
Испытание на сплющивание труб (ГОСТ 8695 — 75) служит для определенияспособности труб сплющиваться до определенной высоты Н (Рис. 6, в) безтрещин и надрывов. Конец трубы 6 или ее отрезок длиной 20...50 ммсплющивают между двумя параллельными плоскостями. Если труба сварная, то шов натрубе должен располагаться по горизонтальной оси, как показано на рисунке.Сплющивание труб производят плавно со скоростью не более 25 мм/мин. Образецсчитается выдержавшим испытание, если на нем не появились трещины или надрывы.
Испытание на бортование труб (ГОСТ 8693—80), используют для определенияспособности труб к отбортов-ке на угол 90°. Конец трубы 6 (Рис. 6, г)отбортовывает-ся с помощью оправки 2 усилием Р пресса дополучения фланца заданного диаметра D. Рабочая поверхностьоправки должна быть чисто обработанной и обладать высокой твердостью (HRC не менее 50). Радиусзакругления оправки, которым формируется.борт, должен быть равен двукратнойтолщине стенки трубы (R=2s). Бортование считаетсякачественным, если на фланце не обнаружено надрывов и трещин.
Испытание на загиб труб (ГОСТ 3728—78) служит для определения способноститруб загибаться без трещин и надрывов на угол 90°. Перед испытанием трубу 6 (Рис.6,(3) заполняют чистым, сухим речным песком или другим наполнителем. Испытаниезаключается в плавном загибе образца любым способом, позволяющим загнутьобразец так, чтобы его наружный диаметр Dни в одном месте не сталменьше 85 % от начального. Для испытания труб наружным диаметром до 60 ммиспользуют их отрезки, диаметром 60 мм и более — вырезанные из труб продольныеленты шириной 10 мм. Образец считается выдержавшим испытание, если на нем непоявились изломы, надрывы, расслоения.
Испытание на свариваемость производят для определения прочности сварногостыкового соединения. Сваренный образец подвергают изгибу (см. Рис. 6, а) назаданный угол а или испытывают на растяжение. Затем сравнивают прочности сваренногои несваренного образцов из испытуемого металла.
6. Строение металлов, сплавов и жидких расплавов
Металлы — простые вещества, обладающие свободными, не связанными сопределенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всемуобъему тела. Эта особенностьсостояния металлического вещества определяет собой свойства металлов.
Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) электроны,превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Электроны, освободившиесяот атомов, непрерывно хаотически перемешиваются по всему объему металла подобномолекулам в газах. Поэтому такие свободные электроны часто называют электроннымгазом. Свободные электроны, сталкиваясь во время движения с положительнозаряженными ионами, могут на некоторое время снова соединяться с ними. В такихслучаях положительно заряженные ионы превращаются в нейтральные атомы. Такимобразом, металлы состоят из упорядочение расположенных в пространствеположительно заряженных ионов, перемещающихся среди них электронов и небольшогоколичества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь,никель, хром и т. д.
Сплавы представляют собой системы, состоящие из двух или несколькихметаллов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характернымисвойствами металлов. Например, углеродистая сталь и чугун — сплавы железа суглеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза — сплав меди с оловомили другими элементами; латунь — сплав меди с цинком и другими элементами. Впромышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих споследующей кристаллизацией из жидкого состояния. Значительно реже — сплавы, получаемыеспеканием порошков металлов и неметаллов.
Положительно заряженные ионы и нейтральные атомы в процессекристаллизации металла или сплава из расплавленного (жидкого) состояниягруппируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллическиерешетки — правильное, упорядоченное расположение атомов в элементарной ячейке.Кристаллические решетки характеризуются типом и размерами.
Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различныхтипов. Объемно-центрированные кубические (ОЦК) (Рис. 7, а) образуютжелезо Fea, хром Сг, молибден Мо и др. Гранецентрированныекубические решетки (ГЦК) (Рис. 7,6) образуют железо Fev. медь Си, алюминий А1,свинец РЬ и др. Гексагональную плотноупакованную (ГПУ) (Рис. 7, в) образуютцинк Zn, магний Mg, кобальт Со и др.
/>
Рис. 7. Схемы кристаллических решеток:
а—объемно-центрированная кубическая (ОЦК). б —гранецент-рированная кубическая (ГЦК). в — гексагональнаяплотноупа-кованная (ГПУ)
Размеры или периоды решетки — расстояния aweмежду центрами атомов илиионов, находящихся в узлах решетки,— измеряются в ангстремах (1А=10~10 м).
С изменением температуры или давления тип и период решетки могут изменяться,что приводит к изменению физико-химических свойств металлов и сплавов.
Все металлы и сплавы имеют кристаллическое строение. В процессе кристаллизацииположительно заряженные ионы, располагаясь последовательно в виде элементарных кристаллическихрешеток, образуют кристаллы в виде зерен (Рис. 8, а) или дендритов1(Рис. 8, б).Образующиеся кристаллы растут, кристаллизуются из жидкого расплава сначаласвободно, не мешают один другому, потом они сталкиваются и рост кристалловпродолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкогометалла. В результате первоначальная геометрически правильная форма кристалловнарушается. В закристаллизовавшихся металлах и сплавах зерна и ден-дриты имеютнеправильную, геометрически искаженную форму.
При нагревании поглощаемая металлами теплота расходуется наколебательные движения атомов и вследствие этого на тепловое расширениеметалла. При плавлении объем металлов увеличивается на 3...4%. С повышениемтемпературы колебательные движения атомов или ионов возрастают, кристаллическиезерна распадаются и сплав, проходя через твердо-жидкое состояние, превращаетсяв расплав.
При переходе в расплав кристаллическая структура металла полностьюне уничтожается. В расплаве всегда находятся мельчайшие участки, в которыхсохраняется первоначальное, наследственное строение металла, близкое ккристаллическому. Кроме того, всегда присутствуют тугоплавкие частицы (остаткифутеровки печи, при меси других элементов), которые могут образовыватьдополнительные центры кристаллизации и вызывать на" чало кристаллизации.На искусственном создании центров кристаллизации в расплаве с одновременнымизменением его скорости охлаждения основано управление кристаллизацией сплава сцелью получения заданной структуры и свойств сплава в твердом состоянии.
/>
Рис. 8. Схема кристаллизации сплава в виде зерен (а) и дендритов(б)
Список литературы
1) Геворкян В.Г. Основы сварочногодела — М.: Высш. школа, 1985. — 168 с., ил.
2) Материаловедение и технологияметаллов. — М.: Высшая школа, 2001. — 637 с
3) Курдюмов Г.В. Явление закалки иотпуска стали. — М.: Металлургиздат, 1960. — 64 с.
4) Лахтин Ю.М. Материаловедение. — М.: Машиностроение, 1993. — 448 с.
5) Гуляев А.П. Металловедение. — М.:Металлургия, 1986. — 544 с.
6) Зарембо Е.Г. Превращения вструктуре и свойства стали. — М.: ВИИИТ, 1990
7) Стеклов О. И. Основы сварочногопроизводства — М.: Высш. школа, 1986. — 224 с., ил.
8) Хренов К.К. Сварка, резка и пайкаметаллов — М.: Машиностроение, 1973. — 408 с.