Предыдущая     |         Содержание     |    следующая

Сварка металла

Требования к металлам.

Для того чтобы оценить качество материалов и изготовленных из них деталей, поведение их в конкретных узлах, деталях и машинах в изменяющихся условиях эксплуатации, для прогнозирования использования, ремонта и технической эксплуатации машиностроительных и строительных конструкций необходимо знать их свойства.

Это люди давно поняли. И человек в своей практической деятельности сначала на глаз и на ощупь, с помощью простейшего инструмента, а далее с использованием сложных приборов и методик проверял качество предметов и продуктов труда.

Так, в 1722 г. царем Петром І был издан указ О пробовании железа. Приборов в то время практически не было, поэтому испытания надо было проводить доступными и простыми средствами. Основным показателем было разрушение металла при изгибе и ударе. По этому указу железо сортировалось по трем сортам.

Первая проба. Пластину железа трижды огибали и разгибали вокруг столба, диаметром 6 вершков (1 вершок = 4,45 см), вкопанного в землю. Если нет излома и трещин, то железо является первосортным.

Вторая проба. Если железо не выдержало первой пробы (есть трещины или изломы) то проводились последующие испытания, естественно, нового образца, а не ранее разрушенного. Железные полосы били о наковальню сначала одним концом трижды, а потом другим концом - тоже трижды, и которые выдержат, знака к перелому не будет, то ставить клеймо №2 .

Третья проба. Если металл не выдержал этих двух испытаний, то ставят рядом с заводским клеймом клеймо №3.

М. В. Ломоносов впервые предложил испытывать материалы на трение и износ, и была изготовлена для этого специальная машина трения. В 1897 году были разработаны международные нормы по испытанию металлов. Основой расчета деталей до 20 30 годов ХΙХ - го столетия служили показатели статических испытаний: предел текучести, предел прочности и модуль упругости. В 20…30 годах ввели понятия усталостной прочности, предела усталости при знакопеременных нагрузках, при изгибе, кручении и растяжении – сжатии.

Качество металлов это комплексный показатель (рис.1.9). Нельзя по отдельному показателю оценить качество. Например, металл может быть очень твердым (хороший показатель), но хрупким и недолговечным (плохие показатели). Комплекс свойств металлов можно разделить на группы, дающие ответы на вопросы по их практическому использованию (табл. 1.1).

Свойства металлов определяются различными методами: физическими, химическими и технологическими.

Твердость характеризует сопротивляемость материалов пластическим деформациям. Чем выше твердость, тем больше прочность и меньше износ детали. Особенно это имеет большое значение для рабочих органов (лапа, лемех, нож) строительных и дорожных машин, работающих в условиях абразивного (песок, щебень) изнашивания.

Твердость определяется по вдавливанию шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки в металл. Значение твердости характеризуется диаметром отпечатка или глубиной внедрения индентора (закаленного шарика, алмазного конуса или алмазной пирамиды). Естественно, чем тверже материал, тем меньше будет его деформация, соответственно, меньше диаметр и глубина отпечатка). Чаще всего используются три основных метода определения твердости: по Брюнеллю, Роквеллу и Виккерсу.

При определении твердости (рис. 1.10) по Бринеллю в испытываемую поверхность вдавливается стальной закаленный шарик диаметром D= 2,5; 5 или 10 мм при нагрузках в пределах 0,625…30 кН. Далее замеряется диаметр отпечатка.

Число твердости по Брюнеллю представляет собой отношение нагрузки Р (в кгс) к площади F (в мм2) поверхности отпечатка:

НВ = Р / F =2Р / p D[D —(D2-d2) 1/2] кгс / мм2.

По физической сущности твердость по Бринеллю является напряжением и выражает сопротивление пластической деформации.

Существует линейная связь между твердостью и прочностью материала:

для сталей и алюминиевых сплавов - s в= 0,35 НВ;

для медных сплавов - s в= 0,45 НВ.

Диаметр шарика D выбирается в зависимости от толщины h детали: D = 2,5 мм - h < 3 мм;

D = 5 мм - h = 3 …6 мм;

D = 10 мм - h > 6 мм.

Значение нагрузки P (в кгс) зависит не только от диаметра шарика D, но и от материала детали. Для более твердых материалов необходима большая нагрузка, поэтому в нижеприведенных формулах коэффициент для стали (30) больше, чем для более мягких материалов (10 - для бронзы и латуни; 2.5 - для олова):

P = 30 D2 — сталь, чугун;

P = 10 D2 — бронза, латунь;

P = 2,5 D2 —олово, свинец и другие мягкие металлы.

Примеры обозначения твердости по Бринеллю: 185НВ, 200НВ, 86НВ. Чем больше цифра, тем больше твердость материала (200НВ > 86НВ).

Твердость металлов по Виккерсу (рис. 1.11) определяется аналогично как и по Бринеллю, но вместо шарика используется алмазная 4-х гранная пирамида:

HV = P / F = 1,8544 P / d 2, кгс /мм 2 ,

  где F, d — поверхность и диагональ отпечатка;

Р - нагрузка на пирамидку, кгс.

Диагональ d определяется с помощью микроскопа, вмонтированного непосредственно в прибор. Этот способ используется для небольших деталей и при научных исследованиях. Значения твердости материалов, определенных по Брюнеллю (НВ) и Виккерсу (HV) совпадают. Примеры обозначения твердости по Виккерсу: HV180, HV 295.

При определении твердости по Роквеллу (рис. 1.12) в испытываемый металл вдавливается алмазный конус (угол конуса 120 ° ) или стальной закаленный шарик диаметром 1,6 мм под определенной нагрузкой: сначала предварительной Р = 10 кгс, далее основной - 60, 100 или 150 кгс. На приборе имеются три шкалы А , В и С для отчета соответствующей твердости HRА, HRВ и HRC. Число твердости по Роквеллу характеризует глубину внедрения индентора (шарика или конуса) под определенной нагрузкой (60, 100 или 150 кгс). Твердость HRC, HR А , HRВ определяется по формулам, соответствующим режимам ее определения (вид индентора и величина нагрузки):

HRC=100 –e (алмазный конус, Р = 150 кгс);

HRА=100 –e (алмазный конус, Р = 60 кгс);

  HRВ=130 –e (шарик, Р = 100 кгс),

в которых e = 0,002 h2 0,002 (h1-h0).

Следовательно, твердость по Роквеллу это безразмерная величина, единица которой соответствует глубине перемещения индентора на 0,002 мм. Примеры обозначения твердости по Роквеллу: 47HRC, 23HRC, 30HRC, 80HRA, 30HRB.

  В обозначении твердости показаны ее значение и режим определения (алмазный конус или шарик; нагрузка: 60,100. или 150 кгс). Для сравнения твердость шейки коленчатого вала дизельного двигателя (47…52HRC) значительно выше твердости поршневого пальца (30…32HRC).

Испытание образцов (рис. 1.13) на растяжение (рис.1.14) проводится на разрывных машинах при плавно возрастающей растягивающей нагрузке. Образцы изготовляются круглого или квадратного сечения.

Величину силы, действующей в поперечном сечении образца, пересчитывают в значение напряжения, выражаемое в ньютонах (или килограммах) на квадратный миллиметр. При малых нагрузках (соответственно и малых напряжениях) остаточная деформация не возникает и образец после снятия нагрузки принимает начальную длину, т.е. он ведет себя упруго. В области 0…А упругой деформации последняя прямо пропорциональна напряжению, т. е. если напряжение возрастает вдвое, то и упругая деформация возрастает вдвое. Начальный участок диаграммы представляет собой прямую линию. Крутизна этого участка (отношение напряжения к деформации) является характеристикой металла - модулем упругости Юнга (модулем Е).

На участке (Б…В) текучести образец удлиняется при неизменной нагрузке Р. При снятии нагрузки в этом интервале (Б…В) образец не возвращается к начальной длине, а становится длиннее – в соответствии с той долей, какую составила пластическая деформация от общей. На участке Б …В происходит упрочнение материала и, как следствие этого, после точки В происходит увеличение длины образца с ростом растягивающей нагрузки. Далее нагрузка растет до максимальной Рв, после которой происходит местное сужение образца, образуется шейка. Дальше размер шейки увеличивается, растягивающая нагрузка уменьшается, но и сечение тоже, и в точке К происходит разрыв образца.

Кривая растяжения позволяет определить несколько важнейших характеристик металла. В первую очередь это предел прочности на разрыв (растяжение) s в, т.е. максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки, относительное удлинение d .

Условным пределом текучести s 0,2 называется напряжение, при котором удлинение образца составляет 0,2 % расчетной длины.

Предел прочности при растяжении определяется из соотношения:

s в = Рв / Fo, кгс / мм 2 ,

  где Fo - начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 ,

Рв — нагрузка предела прочности при растяжении, кгс.

Истинным сопротивлением разрыва s z называют напряжение, соответствующее отношению нагрузки в момент разрыва к площади сечения образца в месте разрыва:

s z = Pz / Fk,

  где Fk — конечная площадь поперечного сечения образца.

Пластичность — это изменение размеров образца без нарушения сплошности материала.

Относительное удлинение d находится по формуле (в %):

d = 100 (L к - L0) / L0,

где L0, L к — длина образца до и после разрыва.

Относительное сужение y (в %) представляет собой отношение:

y = 100 (Fo - Fk) / Fo.

Из первоначального участка кривой находится модуль упругости материала Е. По закону Гука

s = P / Fo = E ´ D L / L0.

Значения модуля упругости можно определить геометрически как тангенс угла наклона a начального участка диаграммы растяжения :

Е = tg a

Во многих случаях нас интересует не просто абсолютные значения прочности, а удельная прочность, т.е. отношение прочности к плотности g (удельному весу) материала (табл. 1.2).

Способность противостоять металла ударным нагрузкам определяется при испытаниях на удар (рис. 1.15). Для этого изготовляется специальный образец. В середине его делается надрез, необходимый для того, чтобы разрушение происходило в самом слабом месте, т.е. в месте надреза, установленном напротив ударного устройства маятникового копра.

Работа Ан на разрушение образца определяется как разность потенциальной энергии груза перед испытанием (Р ´ Н) и оставшейся потециальной энергией (Р ´ h) после разрушения образца:

Ан = Р (Н - h).

Ударная вязкость a н представляет собой удельную работу на разрушение единицы площади образца:

a н = А н / Fo,

где Fo - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Динамические испытания позволяют выявить склонность металлов к хрупкому разрушению (рис. 1.16). По количеству волокна в изломе (визуально по матовой волокнистой составляющей) оценивают вид излома: вязкий излом (90 % волокон), хрупкий излом (только 10 % волокон) и смешанный излом.

За порог хладноломкости (очень важная характеристика металла, особенно для природно-климатических условий Тюменской области) принимают температуру, при которой имеется около 50% волокна, что примерно соответствует значению ½a н. Для ответственных деталей критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой будет 90 % волокон. Значение ударной вязкости a н не является постоянной величиной, а сильно зависит от его структуры, условий испытания, наличия концентраторов напряжений и др.