Механические свойства металлов

Механические свойства металлов

К основными механическим свойствам металлов относятся: твёрдость, прочность, пластичность, вязкость.

Твердость является одной из важнейших характеристик. Твёрдость - это свойство металла оказывать сопротивление пластической деформации при проникновении в него другого более твердого тела (индентора) на поверхностные слои материала. Измерение твёрдости имеет широкое применение для контроля качества изделий. В зависимости от методов испытания различают значение твердости по Бринеллю, Виккерсу, Роквеллу. Твердость по Бринеллю обозначают символом HB (твердостью менее 450 единиц) и HBW (твердостью более 450 единиц). Твердость по Виккерсу обозначают буквами HV. Твердость по Роквеллу обозначают символом HR с указанием шкалы твердости A, B или C.

Под деформацией металла понимают изменение формы и размеров тела под действием внешних воздействий или внутренних сил. Деформация в твердых телах может быть упругой и пластической. Упругой называется деформация, полностью исчезающая после прекращения действующих на неё нагрузок, и пластической если она после снятия нагрузок не исчезает.

Прочность - способность металла сопротивляться деформациям и разрушению. Под разрушением понимают процесс развития в металле трещин, приводящий к разделению его на части. Прочность определяют в результате статического испытания на растяжение.

Пластичность – способность металла к пластической деформации (т.е. получению остаточных изменений формы и размеров без нарушения сплошности). Пластичность используют при обработке металлов давлением.

Вязкость – это способность металла поглощать механическую энергию внешних сил за счёт пластической деформации.

Усталость - разрушение металлов под действием повторных или знакопеременных нагрузок (например, у пружин автоматики).

При трении сопряжённых поверхностей происходит изменение размеров тела (износ) вследствие отделения с поверхности трения металла. Свойство металла оказывать сопротивление износу называется износостойкостью.

К технологическим свойстам металлов относится обрабатываемость резанием – это свойство металла обрабатываться режущим инструментом. Критериями обрабатываемости служат: скорость резания, допускаемая режущим инструментом; мощность, расходуемая на резание; шероховатость обработанной поверхности.

К основным физическим свойствам металлов относятся: плотность, коэффициент теплопроводности, коэффициенты теплового расширения, электрическая проводимость и др.

Стали

Сталь - сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащий менее 2,14% углерода. Сталь классифицируется по следующим признакам: способу получения (мартеновская, бессемеровская, конверторная и электросталь); химическому составу (углеродистая и легированная); качеству (обыкновенного качества, качественная, высококачественная и особо высококачественная); методу придания формы и размеров (литая, кованая, катаная); назначению (конструкционная, инструментальная и специального назначения); способу раскисления (спокойная, полуспокойная и кипящая); структуре и свойствам.

В маркировку углеродистой стали обыкновенного качества входят буквы Ст (сталь) и цифра - условный номер. При увеличении цифры от 1 до 6 возрастает содержание углерода от 0,07 до 0,6%. Если сталь кипящая или полуспокойная, то добавляют индекс кп (Ст1кп) или пс (Ст2пс). Для спокойных сталей индекс сп (Ст3сп), для углеродистых качественных сталей индекс сп не указывается. В обозначениях сталей может быть указан способ их производства: мартеновский (МСт1), конверторный (КСт2), бессемеровский (БСт3).

Углеродистые качественные стали обозначают двузначным числом. Цифры показывают среднее содержание углерода в стали в сотых долях процента, например, сталь 25 содержит в среднем 0,25% углерода, сталь 65 - 0,65% и т.д.

Углеродистую инструментальную качественную сталь маркируют буквой У и следующей за ней цифрой, указывающей среднее содержание углерода в десятых долях процента (У7, У10, У13), например, в стали У7 содержится в среднем 0,7% углерода.

Маркировка легированных сталей осуществляется так, что условное обозначение показывает примерный химический состав стали. Легирующие элементы обозначают следующими буквами: Ю - алюминий (повышает жаростойкость стали); Р - бор (увеличивает прокаливаемость); Ф - ванадий (повышает плотность, прочность и твердость); К - кобальт (увеличивает вязкость, жаропрочность и магнитные свойства); С - кремний (сильно повышает предел текучести); Г - марганец (повышает прочность, предел текучести); Д - медь (усиливает коррозийную стойкость); М - молибден (повышает упругость, красностойкость, коррозийную стойкость); Н - никель (повышает прочность, вязкость, коррозийную стойкость, прокаливаемость); Т - титан (увеличивает твердость и прочность); Х - хром (повышает прочность, твердость, коррозийную стойкость). Первые две цифры марки легированной стали обозначают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Цифры стоящие после букв указывают целое значение легирующего элемента в процентах. При содержании легирующего элемента до 1,5% цифру не ставят. Например, З0Х содержит примерно 0,30% углерода и 1% хрома, 12Х18Н10Т содержит примерно 0,12% углерода, 18% хрома, 10% никеля и 1% титана и т.д. Особо высококачественные стали в конце маркировки могут содержать букву Ш (30ХГС-Ш).

Некоторые стали содержат дополнительные обозначения: марки шарикоподшипниковых сталей начинаются с буквы Ш (ШХ15СГ), быстрорежущих - с буквы Р (Р6М5), автоматных - с буквы А (А40Г). Буква А в конце марки любой стали указывает, что сталь относится к категории высококачественной (У8А, 30ХГСА), буквы ПП обозначают сталь пониженной прокаливаемости, Л - литейная и др.

Чугуны

Чугун — железоуглеродистый сплав, содержащий свыше 2,14% углерода и некоторые примеси в зависимости от способа получения чугуна. Чугун обладает высокими литейными свойствами. Из имеющихся разновидностей чугуна наиболее широко применяются:

Белый чугун обладает высокой твердостью, что обусловливает хорошую сопротивляемость износу, хрупок и плохо поддается обработке резанием;

Серый чугун обладает высоким пределом прочности, хорошо обрабатывается и служит основным материалом для литья. Серый чугун обозначается буквами С (серый) и Ч (чугун). Далее следуют цифры указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении в МПа·10–1 (СЧ 10, СЧ 25, СЧ 45);

Высокопрочный чугун имеет высокие механические свойства, износостойкость, хорошие литейные свойства, хорошо обрабатывается. Высокопрочный чугун маркируется буквами В (высокопрочный) и Ч (чугун). Затем следуют цифры указывающие среднее значение временного сопротивления при растяжении в МПа·10–1 (ВЧ 50, ВЧ 80, ВЧ 120);

Ковкий чугун обладает более высокой прочностью, пластичностью, вязкостью, чем серый чугун. Ковкий чугун обозначается буквами КЧ, далее первые цифры указывающие предел прочности при растяжении в МПа·10–1, а вторые - относительное удлинение в % (КЧ30-6, КЧ37-12, КЧ63-2);

Антифрикционный чугун обеспечивает низкое трение, используется для подшипников скольжения, поршневых колец, втулок и т.п. Стандартные марки антифрикционного чугуна маркируются буквами АЧ и С (серый), В (высокопрочный), К (ковкий), например АЧВ-1, АЧВ-2, АЧС-5;

Легированный чугун (в состав которого входят хром, никель, медь, титан, молибден и др.) применяется для изготовления жаропрочных, жаростойких, износостойких, коррозионностойких и маломагнитных отливок. Маркировка легированных чугунов начинается с буквы Ч (чугун). Следующие буквы показывают содержание легирующих элементов, а цифры обозначют содержание элементов в процентах. Буква Ш означает, что графит в чугуне имеет шаровидную форму (ЧХ16М2, ЧЮ22Ш, ЧН3ХМДШ).

Цветные металлы и сплавы

Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью, легко обрабатываються давлением и резанием. Подразделяются на деформируемые и литейные. Деформируемые алюминиевые сплавы предназначены для получения полуфабрикатов (плит, листов, прутков, поковок, штамповок и др.) методом холодной и горячей деформации. Обозначаются буквами Д, АК, АМ, В, ВД, после которых указывается номер сплава (например, Д16). Литейные алюминиевые сплавы предназначены для фасонного литья. Они подразделяются на группы: алюминий-кремний или силумины (например АК12 - 12% кремния, остальное алюминий); алюминий-кремний-медь (например АК6М2 - 6% кремния, 2% медь, остальное алюминий); алюминий-медь (например АМ5 - 5% меди, остальное алюминий); алюминий-магний (например АМг10- 10% магния, остальное алюминий); алюминий-прочие компоненты. Сплавы алюминий-медь-марганец называются дюралюминами.

Медные сплавы обладают хорошими механическими, технологическими и антифрикционными свойствами. Подразделяются на деформируемые и литейные. По химическому составу медные сплавы деляться на латуни и бронзы. Латунями называются сплавы меди с цинком и другими компонентами. Деформируемые латуни обозначаются буквой Л и цифрой, указывающей содержание меди в сплаве в процентах (Л63, Л96). Литейные латуни маркируються буквой Л, далее идут обозначения легирующих элементов с процентным содержанием (ЛЦ38Мц2С2). Бронзами называются сплавы на основе меди, в которых в качестве легирующих добавок используются олово, алюминий, кремний, берилий, свинец и другие элементы. Бронзы обозначаются буквами Бр, затем указываются легирующие элементы в процентном содержании (Бр А11Ж6Н6, Бр О5Ц5С5).

Титановые сплавы обладают высокой прочностью, жаростойкостью, коррозионной стойкостью и малой плотностью. По характеру обработки титановые сплавы подразделяются на деформируемые (ВТ5, ОТ4-1, ВТ15, ПТ-7М, АТ3 и др.) и литейные (ВТ6Л, Тг-100 и др.). По механическим свойствам подразделяются на сплавы нормальной прочности, высокопрочные, жаропрочные, повышенной пластичности. По способности упрочняться с помощью термообработки делятся на упрочняемые и не упрочняемые термообработкой.

Магниевые сплавы отличаются низкой плотностью, хорошей обрабатываемостью резанием, способностью воспринимать ударные нагрузки и низкой коррозийной и химической стойкостью. В зависимости от характера обработки и химического состава магниевые сплавы выпускаются следующих марок: ММ2, МА10Ц1, МЛ3, МЛ19, МА1, Ма20 и др.

Легирующие элементы в цветных сплавах обозначают следующими буквами: А - алюминий, Ж - железо, Кр - кремний, Зл - золото, К - кобальт, Мц(Мр) - марганец, М - медь, Н - никель, О - олово, С - свинец, Ср - серебро, Х(Хр) - хром.  

Детали машин: понятие и их характеристика

Основные определения и понятия детали, сборочной единицы, машины и механизма. Характеристика и классификация механических передач. Понятие и описание неразъёмных соединений: заклёпочных, сварных, паяных и клеевых. Виды и типы резьбовых поверхностей.

Деталь - это изделие, полученное из однородного по марке материала без сборочных операций.

 Сборочная единица - изделие, полученное  с помощью сборочных операций.

 Механизм - комплекс деталей и сборочных единиц, созданных с целью выполнения определённого вида движения ведомого звена с заранее заданным движением ведущего звена.

 Машина - это комплекс механизмов, созданный с целью превращения одного вида энергии в другой, либо для совершения полезной работы, с целью облегчения человеческого труда.

Механические передачи.

Передачи - это механизмы, предназначенные для передачи движения.

1. По способу передачи движения:

 а) зацеплением (зубчатая, червячная, цепная);

 б) трением (фрикционная);

2. По способу соприкосновения:

 а) непосредственным касанием (зубч., червяч., фрикц.);

 б) с помощью передаточного  звена.

Зубчатая - состоит из шестерни и зубчатого колеса и предназначена для передачи вращения.

Достоинства: надёжность и прочность, компактность.

Недостатки: шум, высокие требования к точности изготовления и монтажа, впадины - концентраторы напряжений.

Классификация.

1.Цилинрические (оси 11), конические (оси  пересек.), винтовые (оси скрещиваются).

2. По профилю зуба:

 а) эвольвентные;

 б) циклоидальные;

 в) с зацеплением Новикова.

3. По способу зацепления:

 а) внутреннее;

 б) внешнее.

4. По расположению зубьев:

 а) прямозубая;

 б) косозубая;

 в) мевронная.

5. По конструкции:

 а) открытые;

 б) закрытые.

Применяются в станках автомобилях, часах.

Червячная передача состоит из червяка и червячного колеса, оси которых скрещиваются. Служит для передачи колесом вращения.

Достоинства: надёжность и прочность, возможность создания самоторможения передачи, компактность, плавность и бесшумность работы, возможность создания больших придаточных чисел.

Недостатки: тихоходность, большой нагрев передачи, применение дорогостоящих антифрикционных материалов.

Классификация.

1. По виду червяка:

 а) цилиндрические;

 б) глобоидальные.

2. По профилю зуба червяка:

 а) эвольвентные;

 б) коволютные;

 в) архимедов.

3. По числу заходов:

 а) однозаходные;

 б) Многозаходные.

4. По отношению червяка к червячному  колесу:

 а) с нижним;

 б) с верхним;

 в) с боковым.

Применяются в станках, подъёмных устройствах.

Ременная передача состоит из шкивов и ремня. Служит для передачи вращения на расстояние до 15 метров.

Достоинства: плавность и бесшумность работы, простота конструкции, возможность плавного регулирования предаточного числа.

Недостатки: проскальзывание ремня, ограниченный срок службы ремня, необходимость натяжных устройств, невозможность применения во взрывоопасных средах.

Применяется в конвеерах, приводах станков, в текстильной промышленности, в швейных машинах.

Приборостроение.

Ремни - кожа, резина.

Шкивы - чугун, алюминий, сталь.

Цепная передача состоит из цепи и шестерён. Служит для передачи вращательного момента на расстояние до 8 метров.

Достоинства: надёжность и прочность, отсутствие проскальзывания, меньшее давление на валы и подшипники.

Недостатки: шум, большой износ, провисание, затруднён подвод смазки.

Материал - сталь.

Классификация.

1. По назначению:

 а) грузовые,

 б) натяжные,

 в) тяговые.

2. По конструкции:

 а) роликовые,

 б) втулочные,

 в) зубчатые.

Применяются в велосипедах, приводах станков и автомобилей, конвейерах.

Валы и оси.

Вал - это деталь, предназначенная для поддержания других деталей с целью передачи вращательного момента.

 В процессе эксплуатации  вал испытывает изгиб и кручение.

Ось - это деталь предназначенная только для поддержания на неё насаженных других деталей, в процессе работы ось испытывает только изгиб.

Классификация валов.

1. По назначению:

 а) прямые,

 б) коленчатые,

 в) гибкие.

2. По форме:

 а) гладкие,

 б) ступенчатые.

3. По сечению:

 а) сплошные,

 б) полые.

Элементы вала. Валы часто изготавливают из стали-20, стали 20х.

Расчёт валов: кр=|Mmax|\W<=[ кр] и=|Mmax|W<=[ и] Оси только на изгиб. W - момент сопротивления сечения [м3].