Какие есть технологические свойства материалов
Технологические свойства материалов определяют возможность получения заготовок и деталей выбранными методами и способами при условии обеспечения минимума затрат на конечный продукт — минимальной трудоемкости, материалоемкости, а также обеспечения экологии и эргономики.
В зависимости от способа производства заготовок и деталей определяющими являются следующие свойства.
Литейные свойства — способность жидких материалов заполнять литейные формы и образовывать плотные отливки.
Эти свойства характеризуются жидкотекучестыо материала, его усадкой и ликвацией.
Жидкотекучесть — способность материалов заполнять полости литейной формы и точно воспроизводить очертания этой формы. Жидкотекучесть определяется в соответствии с ГОСТ 16438—70 по спиральной пробе. Материал заливается в форму, имеющую вид спирального прутка, и жидкотекучесть оценивается длиной в сантиметрах части канала, залитого сплавом.
Усадка — свойство материалов уменьшаться в линейных размерах и в объеме при охлаждении от температуры заливки до комнатной. С усадкой связано появление в отливках усадочных раковин, пористости, рыхлости, коробления, трещин. Усадка определяется по ГОСТ 16817-71.
Ликвация — это неоднородность химического состава сплава, возникающая при кристаллизации. Различают зональную, внутрикри- сталлическую (дендритную) ликвацию и ликвацию по плотности. Зональная ликвация в отливках возникает из-за разности температур затвердевания отдельных составляющих и разной плотности этих составляющих сплавов. В чугуне и стали ликвируют сера, фосфор, углерод, располагаясь в верхней и центральной частях отливок. В сплавах, затвердевающих с мелкозернистой структурой, зональная ликвация уменьшается. Внутрикристаллическая ликвация образуется при ускоренном охлаждении отливок, она может быть уменьшена термической обработкой (отжигом) отливки. Ликвация по плотности возникает в сплавах, содержащих тяжелые металлы (например, в свинцовых бронзах); такая ликвация предотвращается перемешиванием сплава перед заливкой и ускоренным охлаждением при кристаллизации.
Деформируемость (ковкость, штампуемость) — способность материалов к значительным пластическим деформациям без разрушения и образования пороков.
Деформируемость проверяется технологическими пробами. Технологические пробы проводятся в соответствии с ГОСТ 8817—82 — на осадку в горячем состоянии; ГОСТ 10702—78 — на осадку в холодном состоянии; ГОСТ 1579—80, 13813—68 — на перегиб; ГОСТ 10447—80 — на навивку проволоки и др.
Свариваемость — способность материалов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам свариваемых материалов. Контроль свариваемости проводят по ГОСТ 23870—79, 3242— 79, 6996-66, 13585-68.
Обрабатываемость резанием — характеризуется качеством обработки (шероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров), стойкостью инструмента, сопротивлением резанию, видом стружкообразования. Практически обрабатываемость стали резанием определяют сравнительными испытаниями, путем обтачивания образцов испытуемой стали и стали 45 с определенными прочностными характеристиками (о„ 650 МПа, 170—180 НВ), принимаемой за эталон.
Закаливаемость — способность стали повышать твердость в результате термической обработай (закалки).
Прокаливаемость — способность стали получать при термической обработке (закалке) закаленный слой с определенной структурой на ту или иную глубину. Испытания на прокаливаемость проводят в соответствии с ГОСТ 5657—69.
Материалы обладают определенным набором свойств. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые предопределяют их применение в той или иной отрасли промышленности.
К основным физическим свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность, намагниченность, температура плавления, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения и др.
К механическим свойствам материала относятся прочность, пластичность, твердость, ползучесть, ударная вязкость, усталость, износостойкость.
Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок.
Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, не получающего остаточной деформации, тела.
Пластичность – способность материала получать остаточное (остающееся после удаления нагрузки) изменение формы и размеров без разрушения. Характеристикой пластичности являются относительное удлинение и сужение испытуемого образца.
Ударная вязкость – это прочность при динамических нагрузках, Дж/м2:
где А – работа, затраченная на разрушение образца; F – площадь образца в месте надреза.
Ползучесть – свойство материала медленно деформироваться под действием постоянно растягивающей нагрузки, которая создает напряжение ниже предела упругости данного материала.
Усталость материала – свойство постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство материалов сопротивляться усталости называется выносливость сопротивлением усталости). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости.
Предел выносливости это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без признаков разрушения после заданного числа нагружений знакопеременным изгибом или другим видом деформации при закреплении испытуемого образца одним концом.
Одним из показателей сопротивления усталости является живучесть под которой понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5-1,0 мм до окончательного разрушения.
Технологические свойства характеризуются способностью материала приобретать заданную форму под действием различных факторов (температуры, давления и др.), подвергаться механической обработке, соединяться различными методами (сваркой, склеиванием) и т.д. Отсюда следует, что они имеют важное значение при выборе способа изготовления деталей, так как должны обеспечить возможно меньшую трудоемкость конструкций.
К технологическим свойствам материалов относятся литейные свойства (жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации), деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.
Жидкотекучесть способность расплавленного мате- риала заполнять литейную форму.
Усадка – уменьшение линейных размеров (объема) залитого в форму материала в процессе остывания отливки.
Ликвация – сегрегация, неоднородность химического состава сплава, возникающая при его кристаллизации.
Текучесть – способность порошка заполнять пресс- форму.
Спекаемость – прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.
Прессуемость способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и обеспечивать высокую прочность сцепления частиц после прессования.
Свариваемость – способность материала давать прочное неразъемное соединение при нагреве свариваемых кромок до температуры плавления или белого каления и приложения определенного давления (ударов или сжатия).
Деформируемость (ковкость) – способность материала принимать необходимую форму под действием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении.
Прокаливаемость – способность металла воспринимать закалку на некоторую глубину от поверхности.
Обрабатываемость – способность материала поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.
К эксплуатационным относятся свойства материала, непосредственно влияющие на показатели, характеризующие целевое назначение изделия.
Коррозионная стойкость – сопротивление материала действию агрессивных сред (кислотных, щелочных и т.п.).
Хладостойкость – способность материала сохранять требуемые пластические свойства при низких рабочих температурах.
Жаропрочность – способность материала сохранять требуемые механические свойства при высоких рабочих температурах.
Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Антифрикционность способность материала прирабатываться по трущимся поверхностям к другому материалу.
Изнашиваемость – свойство материала изменять размеры, форму, разрушать поверхностный слой или изменять состояние его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок при трении сопрягаемых поверхностей.
Износоустойчивость – способность материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной обратной скорости изнашивания.
Свойства некоторых чистых металлов и цветных сплавов приведены в табл. 3.5 и 3.6. Свойства некоторых неметаллических материалов приведены в табл. 3.7.
Таблица 3.5
Свойства некоторых чистых металлов
Металл | Температура плавления (Тплав)°C | Прочность (σв), МПа | Относител ьное удлинение (δ), % | Модуль упругости (Е), ГПа | Твердость (НВ), МПа | Коррозионная стойкость | Деформи руемость |
Медь | 1084 | 225 | 60 | 132 | – | У | X |
Серебро | 962 | 157 | 65 | 74,4 | 25 | X | X |
Золото | 1064 | 130 | 50 | 77 | 18 | X | X |
Цинк | 419 | 46-216 | 84-50 | – | – | – | X |
Алюминий | 660 | 88-137 | 12-40 | 71 | 25 | — | X |
Олово | 232 | 27 | 40 | 55 | 7,6 | X | |
Свинец | 327 | 14 | 31 | 4 | X | ||
Магний | 650 | 107-235 | 5-16 | 44 | 40 | X | |
Титан | 1668 | 460 | 28 | 108 | 154 | X | У |
Хром | 1877 | 412 | 44 | 240 | X | ||
Вольфрам | 3387 | 853 | 12 | 394 | У | ||
Железо | 1530 | 176-314 | 25-50 | 220 | — | — | X |
Таблица 3.6
Свойства некоторых цветных сплавов
Сплав | Температура плавления (Тплав), °С | Прочность (σв), МПа | Относительное удлинение (δ), % | Модуль упругости (Е), ГПа | Твердость (НВ), МПа | Коррозионная стойкость | Литейные свойства | Деформи руемость |
Латунь Л90 | 1025 | 235-590 | 2-52 | 102 |
| в | – | в |
Бронза оловянная литейная Бр 010Ф | 934 | 195-295 | 3-10 | 100,9 |
| в | в | |
Дуралюмин Д16 | – | 450-480 | 10-19 | 72 | 1050 | У | – | в |
Высокопрочный алюминиевый сплав В95 | 520-600 | 8-14 | 72 | 1500 | у | в | ||
Ковочный алюминиевый сплав АК8 | 470-540 | 7-12 | 74 | 1350 | У | в | ||
Силумин АЛ9 | – | 170-230 | 2-4 | 70 |
| у | в | – |
Литейный магниевый сплав МЛ4 | 250-255 | 6-9 | Н | в | ||||
Титановый сплав ОТ4 | – | 700-900 | 12-20 | 115 | 1560 | в | – | У |
Бериллиевый сплав АБМ | – | – | – | – | 250 | – | в | X |
Баббит Б83 | 183– 400 | – | – | – | 250 | – | в | X |
Мельхиор МН19 | 1190 | 294-784 | 3-40 | 137,2 |
| в | – | в |
Таблица 3.7
Свойства некоторых неметаллических материалов
Материал | Плотность (р), г/см3 | Прочность (σв), МПа | Относительное удлинение (δ), % | Модуль упругости (Е), ‘ ГПа | Твердость (НВ), МПа |
Полиэтилен ПЭВД | 0,92 | 10-17 | 50-600 | – | – |
Полипропилен | 0,90 | 25-40 | 200-800 | — | — |
Полистирол | 1,05-1,08 | 37-48 | 1-4 | — | — |
Фторопласт-3 | 2,09-2,16 | 30-45 | 20-200 | 100-130 | |
Фторопласт-4 | 1,9-2,2 | 15-35 | 250-500 | — | — |
Органическое стекло | 1,2 | 63-100 | 2,5-20 | 2,0-4,1 | 10-300 |
Полиамид | 1,0-1,14 | 38-60 | 70-280 | 1,2-1,5 | 74-150 |
Поликарбонат (дифлон) | 1,2 | 70 | – | – | 80-160 |
Пенгапласт | 1.4 | 80-110 | 5-10 | — | – |
Карбоволокнит КМУ-1У | 1,47 | 1020 | 0,6 | 180 | – |
Бороволокнит КБМ-Зк | 2,0 | 1300 | 0,35 | 260 | – |
Органоволокнит | 1,2-1,4 | 700 | 2,5 | 35 | — |
Ситалл | 2,4-2,9 | >112 | 84-141 |
Примечание. х – материал обладает хорошими показателями, вполне удовлетворяющими современное машиностроение; у – материал обладает удовлетворительными показателями; в – материал обладает высокими литейными показателями; н – материал обладает неудовлетворительными показателями, не соответствующими условиям эксплуатации или производства.
Технологические свойства материалов – это качества, влияющие на пригодность металлов для различных технологических операций или процессов. Перечислим технологические свойства материалов.
1. Обрабатываемость
Это легкость, с которой данный материал может
быть разрезан, что позволяет удалять лишнее при более низких затратах. Хорошая
обрабатываемость связана с:
- Высокой скоростью
резки. - Низким
энергопотреблением. - Хорошей отделкой
поверхности. - Удалением материала
с умеренной силой. - Средней степенью
истирания инструмента (более длительный срок службы инструмента). - Формированием
мелких чипсов.
Обрабатываемость
зависит от следующих факторов:
- Химический состав
материала заготовки. - Микроструктура.
- Механические
свойства. - Физические
свойства. - Условия резки.
- Свойства
хладагента. - Подача и глубина
резки. - Вид и форма
режущего инструмента. - Размер и форма
разреза. - Коэффициент трения
между стружкой и материалом инструмента. - Материал
инструмента. - Тип используемой
машины. - Тип операции
обработки.
Для
оценки обрабатываемости основные факторы, которые будут выбраны, зависят от
типа операции и производственных требований.
При
оценке обрабатываемости могут учитываться следующие критерии:
- Соотношение сил
резки. - Срок службы
инструмента между двумя последовательными шлифовальными станками. - Качество отделки
поверхности. - Форма и размер
чипсов. - Температура чипсов.
- Скорость удаления
металла. - Скорость резки при
стандартной силе. - Усилие резки и
энергопотребление.
Следующие
факторы увеличивают обрабатываемость:
- Маленькие
неискаженные зерна. - Однородная
микроструктура. - Пластинчатая
структура в низко- и среднеуглеродистых сталях. - Меньшая твердость,
меньшая пластичность и меньшая прочность при разрыве. - Холодная обработка
низкоуглеродистой стали. - Операции отжига,
нормализации и отпуска. - Добавление
небольших количеств серы, свинца, фосфора и марганца.
Обрабатываемость
может быть улучшена путем добавления небольшого процента определенных
элементов, таких как свинец, селен, сера, марганец и т. д.
Индекс
обрабатываемости
Обрабатываемость
различных металлов, подлежащих обработке, можно сравнивать с использованием
индекса обрабатываемости каждого материала, который можно определить следующим
образом:
Стандартная
сталь имеет содержание углерода не более 0,13% и может быть сравнительно легко
обработана; ее индекс обрабатываемости произвольно фиксируется как 100%.
2. Свариваемость
Еще одним видом является свариваемость. Она определяется, как способность металла свариваться в производственных условиях, предъявляемых к конкретной конструкции. Настоящим критерием при определении свариваемости металла является качество сварного шва и легкость, с которой его можно получить.
На
свариваемость металла влияют следующие факторы:
- Состав металла.
- Хрупкость металла.
- Термические
свойства. - Сварочная техника.
- Наполнители.
- Прочность металла
при высокой температуре. - Стабильность
микрокомпонентов до температуры сварки. - Сродство кислорода
и других газов до и при температуре сварки. - Экранирующая
атмосфера. - Правильная
термическая обработка до и после осаждения металла.
Легирующие
элементы влияют на свариваемость следующими способами:
- Улучшение
механических свойств. - Увеличение или
уменьшение прокаливаемости в зоне термического влияния. - Обеспечение
измельчения зерна. - Обеспечение
раскисления расплавленного металла. - Формируют
возрастные осадки. - Контроль
температуры превращения пластичного материала в хрупкое.
3. Литье
К основным технологическим свойствам материалов относится и литье. Это легкость, с которой металл может быть отлит в форму, известна как литейная способность металла. Он основан на таких факторах, как скорость затвердевания, газовая пористость, сегрегация, усадка и т. д.
Следующие
факторы являются благоприятными для литейности металла:
- Текучесть металла.
- Низкая степень усадки (это уменьшение объема металла, когда он переходит из расплавленного в твердое состояние).
- Очень низкая или незначительная сегрегация.
- Низкая газовая пористость.
4. Формируемость
Формируемость
– способность металлов приобретать различные формы.
Различные
факторы, которые в значительной степени определяют текучесть или пластичность
материала:
- Металлическая
конструкция. - Размер зерна.
- Горячая и холодная
обработка. - Легирующие
элементы. - Смягчающие
термообработки (отжиг и нормализация).
Небольшой
размер зерна рекомендуется для мелкой вытяжки металлов, тогда как для тяжелой
вытяжки рекомендуется относительно крупное зерно.
Горячая и холодная обработка вызывает искажение зерна. Обычно обработанные холодом кристаллы более искажены, чем обработанные горячим способом. Поэтому обработанные холодом металлы обычно менее пластичны, чем обработанные горячим способом.
Большинство
легирующих элементов в чистом металле снижают его пластичность, например,
пластичность стали уменьшается с увеличением количества углерода в железе.
При
смягчающих термообработках, таких как отжиг и нормализация, пластичность
металла восстанавливается. Деформированный и искаженный кристалл реформируется,
и, следовательно, сила, необходимая для того, чтобы вызвать проскальзывание,
уменьшается.
5. Податливость
Подобная характеристика технологического свойства материала определяется как легкость, с которой металл претерпевает слишком сильное изменение формы при сжимающем напряжении без разрыва.
Такие
материалы, как мягкая сталь, кованое железо, медь и алюминий, обладают хорошей
пластичностью. Их можно забить или свернуть в нужную форму без разрыва.
Степень податливости измеряется толщиной листа или фольги, которая может быть изготовлена.
Вы можете обсудить технологические свойства материалов на нашем форуме, достаточно нажать на кнопку ниже.