Какие свойства материала определяют способ обработки изделия

Разновидности свойств материалов

Конструкционные материалы, в том числе и металлы, обладают определенными свойствами (табл. 1.7-1.9). Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые предопределяют их применение в той или иной отрасли промышленности.

Таблица 1.7

Свойства некоторых чистых металлов

Примечание. Для характеристики эксплуатационных и технологических свойств материалов в учебных целях в табл. 1.7-1.8 принята качественная оценка этих свойств применительно к «обычным» условиям производства и эксплуатации машин: X, В — материал обладает хорошими показателями, вполне удовлетворяющими современное машиностроение; У — материал обладает удовлетворительными показателями; Н — материал обладает неудовлетворительными показателями, не соответствующими условиям эксплуатации или производства.

Таблица 1.8

Свойства некоторых цветных сплавов

Таблица 1.9

Свойства некоторых неметаллических материалов

Для исследования строения металлов и сплавов и их свойств используют макро- и микроскопический, рентгеновский, ультразвуковой и другие виды анализа.

Макроскопический анализ (макроанализ) представляет собой метод изучения строения металлов и сплавов невооруженным глазом или при небольших увеличениях до 10 раз с помощью лупы. Макроанализ позволяет выявлять неметаллические включения, пористость, усадочную раковину, трещины, а также определять расположение волокон при прокатке, ковке, штамповке и т.д. На основании этих наблюдений делают качественную оценку исследуемого металла.

Микроскопический анализ (микроанализ) — метод изучения строения металлов и сплавов с помощью специального металлографического микроскопа при больших увеличениях (до 2000 раз). С помощью микроанализа определяют величину и форму кристаллов и структурных составляющих сплавов, наличие в них неметаллических включений и т.д.

1.4. Свойства материалов, методы их исследования и контроля

Наряду с обычными оптическими микроскопами широко применяют электронные микроскопы, в которых вместо световых лучей используются электронные. Электронный микроскоп позволяет получить увеличение до 20 000 раз и более.

Термический анализ применяют для определения критических точек при нагревании и охлаждении металлов и сплавов с последующим построением диаграмм состояния.

Кривые нагревания и охлаждения металлов позволяют определить температуры превращений и выбрать рациональный температурный интервал обработки металлов или сплавов.

Неразрушающий контроль качества металлов и сплавов выполняют с использованием магнитной, ультразвуковой и рентгеновской дефектоскопии, а также других методов контроля.

При помощи ультразвуковой дефектоскопии кроме выявления макро- и микродефектов в металлических телах измеряют толщину слоя, закаленно-насыщенного другим компонентом, определяют внутренние напряжения, модуль упругости, плотность металла и т.п. Метод наиболее распространен на производстве.

К физическим свойствам материала относятся плотность, температура плавления, теплопроводность, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и т.п.

К механическим свойствам материала причисляют прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость, усталость (выносливость). Эти свойства представляют особый интерес, поскольку обеспечиваются при обработке материалов и заготовок деталей и контролируются в производственных условиях с использованием соответствующих оборудования и образцов.

Прочность — способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. При динамических нагрузках определяют ударную вязкость и усталость (предел выносливости).

Пластичность — способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него другого более твердого тела. Значение и размерность твердости для одного и того же материала обусловливаются применяемым методом измерения.

При статических испытаниях нагружение производится медленно и нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время; при динамических — нагрузка на образец возрастает мгновенно или осуществляется с переменными по величине и направлению действиями.

Технологические свойства материалов имеют важное значение при выборе способа изготовления деталей машин, так как характеризуют способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки.

Разновидностью технологических являются литейные свойства — жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации и т.д.

Жидкотекуч есть — способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка — уменьшение линейных размеров (объема) залитого в форму металла в процессе остывания отливки.

Свариваемость — способность металла давать прочное неразъемное соединение при нагреве свариваемых кромок до температуры плавления или белого каления и приложении определенного давления (ударов или сжатия).

Деформируемость (ковкость) — способность материала принимать необходимую форму под действием внешней нагрузки без разрушения материала.

II р о к а л и в а е м о с т ь — способность металла воспринимать закалку на некоторую глубину от поверхности.

К технологическим свойствам относятся также обрабатываемость материалов резанием и ППД.

Эксплуатационными называются свойства металлов, непосредственно влияющие на показатели, характеризующие служебное назначение и работоспособность детали, соединения, машины. К ним относятся:

• ? 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 работать в подвижных соединениях с наименьшими коэффициентом трения и износом;

• ? коррозионная стойкость — сопротивление материала воздействию агрессивных сред;
• ? износостойкость — способность материала сопротивляться изнашиванию при эксплуатации деталей в условиях трения- скольжения;
• ? ирирабатываемость — способность материала деталей быстро и с малым износом достигать оптимальной микрогеометрии рабочих поверхностей и обеспечивать длительное равномерное изнашивание и увеличенный ресурс эксплуатации подвижных соединений;
• ? сопротивление задирам и схватыванию — способность материалов сопротивляться задирам и схватыванию подповерхностных слоев деталей в узлах трения, приводящих к аварийному выходу из строя подвижных соединений изделий.

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

Таблица 3.6

Свойства некоторых цветных сплавов

Таблица 3.7

Свойства некоторых неметаллических материалов

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.