книги из ГПНТБ / Макиенко, Н. И. Слесарное дело с основами материаловедения учебник

Схема образования кристаллических зерен изображена на рис. 4. При определенной для каждого металла температуре в

жидком металле или сплаве появляются центры кристаллизации

(рис. 4, а).

По мере охлаждения появляются новые центры и происходит рост старых (рис. 4, б, в, г, д). На этой стадии в жидком метал­ ле могут образоваться кристаллы правильной геометрической фор-

Рис. 4. Схема образования кристаллических зерен:

Перед полным затвердеванием свободный рост кристаллов прекращается и форма их искажается вследствие взаимного дав­

зерен.

Процесс образования зерен имеет большое практическое зна­ чение, так как от их расположения, формы и особенно от величи­ ны зависят свойства металла. Это впервые обнаружил Д. К. Чер­ нов. Он установил, что в местах разрыва стволов артиллерийских орудий сталь имеет крупнозернистое строение и отличается мень­ шей прочностью по сравнению с мелкозернистой сталью.

О величине зерен, или зернистости, по излому металлов можно судить только приблизительно. Правильное представление о зер­ нах дает металлографическое исследование шлифа металлов *.

* Исследование с помощью металлографического или электронного микро­ скопа.

10

Шл и ф о м называется тщательно отполированная и протравлен­ ная особым составом поверхность металла. Величина зерен выра­ жается их числом на 1 см2 поверхности шлифа.

Металлы и сплавы, имеющие мелкозернистое строение, обла-

ским воздействием, например ков­ кой, штамповкой, прокаткой, волочением, вызывающим в металле пластическую деформацию металла.

П л а с т и ч е с к а я д е ф о р м а ц и я протекает путем смещения (сдвигов) тонких слоев металла (пачек) в кристалле относитель­ но друг друга по плоскостям скольжения под влиянием механиче­ ских усилий. Металл в результате пластической деформации ста­ новится более прочным (упрочняется).

Упрочнение металла в процессе пластической деформации на­ зывают н а к л е п о м . Этим явлением часто пользуются для повы­ шения прочности деталей (обдувка дробью, обкатка роликом

ит. д.).

Врезультате пластического деформирования зерна размельча­

ются, принимают вытянутую форму, напоминающую по виду во­ локна (рис. 5). Такое строение металла обеспечивает различные свойства в разных направлениях и не является устойчивым. При нагреве пластически деформированного металла строение его вос­ станавливается. Возникают новые зерна с недеформированной кристаллической решеткой. Этот процесс называется р е к р и с тал- л из а ц II е й.

Температуру, при которой начинают возникать новые зерна с

11

Г л а в а II

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ

Бзависимости от назначения изготовляемых изделий металлы

исплавы должны обладать определенными свойствами.

Эти свойства разделяются на четыре группы: физические, хими­ ческие, механические и технологические.

§4. ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Кфизическим свойствам металлов и сплавов относятся: удель­ ный вес, плотность, температура плавления, теплопроводность, теп­ ловое расширение, удельная теплоемкость, электропроводность и способность намагничиваться.

весом, т. е. весом единицы объема данного вещества. Поэтому для определения плотности данного металла находят его удельный вес. Единицей измерения удельного веса является Г/см?. Так как 1 см3 воды весит 1 Г. то за единицу удельного веса принимается удель­ ный вес воды. Металлы имеют различную плотность (табл. 1).

Зная удельный вес сі металла, можно найти вес Р любого изде­ лия, если известен объем V изделия, а также можно определить объем изделия, зная его вес. Удельный вес, объем и вес находятся в такой зависимости:

рой металл полностью переходит из твердого состояния в жидкое. Каждый металл имеет свою определенную температуру плавления. В-табл. 1 приведены значения температур плавления металлов.

Путем сплавления различных металлов можно получить сплазы, имеющие очень низкую температуру плавления. Известны сплавы, расплавляемые при 60—70’ С, а образующие их металлы

12

(элементы) в отдельности имеют температуру плавления не ниже

или иной скоростью тепло при нагревании. Чем лучше металл про­ водит тепло, тем быстрее и равномернее он нагревается и отдает тепло при охлаждении.

Для полного прогрева металла, обладающего низкой тепло­ проводностью, требуется больше времени, чем для металла с высо­ кой теплопроводностью, а при быстром охлаждении в первом мо­ гут образоваться трещины, что учитывают при термической обра­ ботке. Единицей измерения теплопроводности служит количество тепла (кал), распространяющегося по единице длины металла через единицу площади его поперечного сечения в единицу вре­ мени (кал!см-с-град или ккал/м-ч-град).

Теплопроводность всякого металла уменьшается при повыше­ нии температуры и возрастает при ее понижении.

Т е п л о в о е р а с ш и р е н и е — свойство металлов расширять­ ся при нагревании. При охлаждении происходит обратное явление. Изменение объема и линейных размеров металлов в зависимости от температуры учитывают в строительстве (мостовые фермы, рельсы и пр.), при горячей ковке (уменьшение размеров заготовки при охлаждении), при точных измерениях (показания измеритель­ ных инструментов в зависимости от температуры могут быть раз­ личны) .

Изменение длины стального стержня при изменении темпера­ туры на 1° С называется к о э ф ф и ц и е н т о м л и н е й н о г о р а с- ш и р е и и я.

Коэффициенты линейного расширения некоторых металлов при­ ведены в табл. 1.

Т а б л н и а- 1

Физические свойства металлов

13

У д е л ь н а я т е п л о е м к о с т ь — это количество тепла, кото­ рое необходимо для повышения температуры 1 г вещества на 1°С. Металлы по сравнению с другими веществами обладают меньшей

Важным электрическим свойством металлов является удельное электрическое сопротивление д(ро), под которым понимают элек­ трическое сопротивление, приходящееся на единицу длины провод­ ника при площади поперечного сечения проводника, равной еди­ нице. Удельное электрическое сопротивление широко используемых металлов приведено в табл. 1.

М а г н и т н ы е с в о й с т в а — это способность металла созда­ вать собственное магнитное поле либо самостоятельно, либо под действием внешнего магнитного поля.

Особенно высокими магнитными свойствами отличаются неко­ торые стали. Из таких сталей изготовляют электромагниты, слу­ жащие для поднятия и переноски заготовок, изделий и лома из стали и чугуна (рис. 6), для отделения железной руды от веществ, не содержащих железа. Электромагниты также применяют в каче­ стве деталей электрических генераторов и двигателей, радио-теле- фонной и телеграфной аппаратуры и т. д. Они приводят в действие

14

автоматические рубильники, пусковые механизмы, железнодорож­ ные стрелки и т. п.

Х и м и ч е с к и е с в о й с т в а — это свойства металлов и метал­ лических сплавов, определяющие отношение к химическим воздей­ ствиям различных активных сред (окисляемость, растворимость, кор­ розионная стойкость). Каждый металл или сплав обладает опре­ деленной способностью сопротивляться воздействию этих сред.

Химические воздействия среды проявляются в различных фор­ мах; под влиянием химического воздействия кислорода воздуха и влаги металлы подвергаются коррозии: чугун ржавеет, брон-га по­ крывается зеленым слоем окиси, сталь при нагреве в закалочных печах без защитной атмосферы окисляется, превращаясь в ока­ лину, а в серной кислоте растворяется. Поэтому для практического использования металлов и сплавов необходимо знать их химиче­ ские свойства.

Металлы и сплавы, стойкие против окисления при сильном на­ греве, называются жаростойкими или окалиностойкими. Такие ме­ таллы применяются для изготовления различных деталей топок, труб паровых котлов, сильно нагревающихся деталей автомоби­ лей и др.

§ 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Знание только физических и химических свойств не дает воз­ можности судить о поведении металлов под действием усилий, ко­ торым они подвергаются при обработке или эксплуатации. Необ­ ходимо знать механические свойства, т. е. способность металла со­ противляться деформации и разрушению при воздействии на него внешних сил, которые принято называть нагрузками. По характеру

ния и далее остающуюся постоянной или меняющейся незначи­ тельно.

Д и н а м и ч е с к о й н а г р у з к о й называют нагрузку, возни­ кающую в результате удара, когда действие нагрузки исчисляется малыми долями секунды.

Виды деформации

Изменение формы твердого тела под действием приложенных к нему внешних сил (нагрузок) называется д е ф о р м а ц и е й т е л а .

Деформации, исчезающие после снятия нагрузки (т. е. мате­

15

Различают следующие основные виды деформации: сжатие, растяжение, кручение, сдвиг (срез), изгиб (рис. 7).

С ж а т и е — это деформация, характеризуемая уменьшением объема тела под действием сдавливающих его сил. Сжатие испы­ тывают колонны, на которые опираются своды, фундаменты машин, котлов и др.

Деформация, предшествовавшая срезу и заключающаяся в пе­ рекашивании прямых углов элементарных параллелепипедов, на­

внешних сил, сопровождающаяся изменением кривизны деформи­ руемого тела.

.Изгиб испытывают балки, на которых подвешены тали для подъема груза, стрелы подъемных кранов, рельсы под тяжестью поезда, валы машин и т. д.

.Длинные и сравнительно тонкие детали (валы, трубы, брусья, балки), находящиеся на двух опорах, подвергаются также дефор­ мации изгиба только от собственного веса, если расстояние между спорами больше допустимых пределов для данного сечения детали.

16

Машина имеет механизм, который автоматически за­ писывает на бумажной ленте диаграмму растяжения, по­ зволяющую установить зави­ симость между приложенной к образцу нагрузкой и его удлинением. Машина ИМ12А рассчитана на усилие 12 Т.

Эта диаграмма характе­ ризует поведение материала при разных нагрузках. Ус­ ловная диаграмма растяже­ ния для мягкой углеродистой стали изображена на рис. 10.

По вертикальной оси от точки О, т. е. снизу вверх, па диаграмме отложены вели­ чина нагрузки, приложенной к образцу. На горизонталь­ ной оси отложены величины удлинения образца в каждый момент испытания. Любая точка на кривой диаграммы показывает напряжение об­ разца, характеризуемое от­ ношением величины нагруз­ ки в данной точке к перво­ начальной площади его поперечного сечения.

Отрезок прямой ОРѵ на диаграмме от точки О до Рр показыва­ ет, что между нагрузкой, прилагаемой к образцу, него удлинением существует пропорциональная зависимость, т. е. во сколько раз увеличилась нагрузка, во столько же раз возросло удлинение об­ разца. Такая зависимость сохраняется до нагрузки, соответствую-

чем нагрузка. Напряжение

18

ризонтальном участке в точке Ps происходит удлинение без прира­ щения нагрузки. Если металл обладает достаточной пластично­ стью, он как бы «течет», т. е. образец удлиняется при достигнутой постоянной величине нагрузки.

Предел текучести и предел прочности являются важнейшими характеристиками при расчете прочности детали.

При нагрузке выше точки Ps происходит непрерывное удлине­ ние образца. В точке Рн, т. е. при наибольшей нагрузке, предшест­ вующей разрыву, образец начинает уменьшаться в поперечном сечении. Затем образец разрушается, что сопровождается некото­ рым падением нагрузки. По положению точки Р определяют вели­ чину нагрузки, соответствующую пределу прочности при растяже­ нии.

Пластичность металла характеризуется длиной участка ОА на горизонтальной оси. Чем больше длина участка, тем пластичнее металл.

Пластичность

П л а с т и ч н о с т ь ю называют способность металла, не разру­ шаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять изме­ ненную форму после того, как нагрузка будет снята.

Пластичность металлов определяют также при испытании на растяжение. Под действием нагрузки образцы разных металлов удлиняются, а их поперечное сечение становится меньше. По вели­ чине удлинения образца и величине уменьшения его поперечного сечения судят о пластичности. Чем больше удлиняется образец, тем более пластичен металл. Пластичные металлы и сплавы хорошо поддаются обработке давлением.

В противоположность пластичным хрупкие металлы при испы­ тании на разрыв под действием нагрузки разрушаются без изме­ нения формы, т. е. они не получают удлинения или оно незначи­ тельно.

Характеристикой пластичности металлов являются относитель­ ное удлинение и относительное сужение,