книги из ГПНТБ / Ростовцев Г.Г. Выбор конструкционных материалов
.pdfнапряжение скалывания выступа сечением 2X3 см спе циального образца.
Основные характеристики пластмасс те же, что для
металлов, |
но определяются по образцам стандартных |
|
размеров. |
Рабочая часть |
образца для испытаний н а |
р а с т я ж е н и е : 2,5X0,6X1 |
см— для прессовочно-литье |
|
вых пластмасс, IX 1X5,5 см —для листовых пластмасс
Рис. |
2. Образцы для механических испытаний |
резины: |
||||
|
|
а — на растяжение; б — на раздир. |
|
|||
толще |
1 |
см и |
1,5 |
х£х5,5 см — для листовых пластмасс |
||
тоньше |
|
1 см, где В — толщина |
листа. На |
с т а т и ч е |
||
ский |
из г иб |
и |
у д а р н у ю |
в я з к о с т ь |
испытыва |
|
ют образцы без надреза размером 1,5X1X12 см, уста навливаемые на опоры с расстоянием 7 см и нагружае мые посередине грани 1,5x12 см.
Т в е р д о с т ь п л а с т м а с с определяют по Бринелю при нагрузках 50—250 кг на шарик диаметром 5 мм.
Основные характеристики резины — предел проч ности при растяжении, относительное удлинение при
разрыве, остаточное удлинение после разрыва |
(со |
временем исчезающее) и модуль эластичности |
(на-- |
Ю |
|
пряжение при растяжении на 300 или на 100%) опре деляют при растяжении стандартных образцов (рис. 2, а), а сопротивление раздиру представляет собой отношение нагрузки при разрыве кривого надрезанного образца (рис. 2,6) к ширине его до начала растяжения. Твер-. дость резины на приборе ТШМ-2 определяют как отно шение нагрузки Р= 1—3 кг, вдавливающей шарик диа метром 5 мм в резину на глубину Н, к площади контакта шарика с резиной по формуле:
^ТШ М -2= T.DH к г 1 м м 2.
Твердость резины на приборе ТМ-2 отсчитывают по шкале, вдавливая его в резину до упора. У идеально мяг кой резины Ятм 2 = 0, а у идеально твердой Н Ш 2= 100.
Жесткость резины часто характеризуют касательным модулем упругости G, определяемым из условия:
G= — кг!мм2,
т
где х — касательное напряжение, а у — угол сдвига.
2. Физические характеристики материалов
Физические характеристики материалов определяют их отношение к различным физическим воздействиям. Для конструкционных материалов особенно важны тем пературные и весовые характеристики.
Максимальные температуры тесно связаны с допу скаемыми напряжениями и деформациями. Приближен но можно считать максимальной рабочей температурой данного материала ту температуру, при которой твер дость его уменьшается вдвое по сравнению с первона
11
чальной или когда обнаруживается заметная ползучесть под допускаемым напряжением.
Минимальные рабочие температуры соответствуют переходу материалов при охлаждении в хрупкое состоя ние (углеродистая сталь, термопластичные пластмассы, резины и др.).
У материалов, подвергаемых замораживанию во влажном состоянии, морозостойкость характеризуют чис лом циклов замораживания — оттаивания во влажной среде, выдерживаемых материалом без заметного разру шения и снижения прочности.
Ниже приводятся важнейшие физические характери
стики конструкционных материалов. |
(мас |
Удельный вес (плотность) у — отношение веса |
|
сы) плотного вещества в материале к его объему. |
Опре |
деляется взвешиванием и измерением абсолютного объе ма Va порошка материала (по объему вытесняемой жид кости) :
G |
М . |
о |
у= ,7— или |
-гг г/см6. |
|
* а |
у а |
у0 — отношение ве |
Объемный вес (объемная |
масса) |
|
са (массы) куска материала к его объему (вместе с по рами) :
о |
м |
. , |
7 о = - у |
ИЛИ 7 * = -^ |
г/сд*3. |
Насыпной объемный вес (масса) сыпучего материа |
||
ла у„ — отношение веса |
(массы) |
сыпучего материала, |
заполнившего при насыпании сосуд, к объему этого со
суда. |
объема пор в материале |
Пористость /7 — отношение |
|
к объему материала вместе с порами: |
|
Я - |
100Го. |
12
Влажность W — отношение веса (массы) влаги, со держащейся в материале, к весу (массе) полностью вы сушенного материала:
w== авл- а с , 1QQ%>
и с
Водо(бензо-, масло-)поглощение по весу 8В:— отно шение веса (массы) поглощенной материалом воды (бен зина, масла) после выдерживания материала в воде (бензине, масле) до прекращения возрастания его веса к весу (массе) сухого материала. Водопоглощение по объему В0 — отношение объема поглощенной воды к объему сухого материала:
D _ ^ПЛ |
|
— • 100%; |
5 0= |
° вл_° с •100%, |
|
в |
Gc |
|
|
v v e |
|
где у — удельный вес воды |
(бензина, масла). |
||||
Набухание |
|
материала |
в жидкости Н — отношение |
||
приращения объема образца после выдерживания его в жидкости до прекращения возрастания объема к перво начальному объему сухого образца:
н = |
. 100%. |
Усадка при высыхании (спекании, охлаждении) ма териала после литья или горячего прессования У — отно шение уменьшения длины после высыхания (спекания, охлаждения) к первоначальной длине:
/.— К
У— —~ •100%. 'С
Для древесины определяют усушку в тангентальном, радиальном и продольном направлениях; наибольшая усуш ка--в тангентальном направлении.
13
Температура плавления tn„ — температура превраще ния кристаллов в жидкий сплав. Температура плавления кристаллов в полимерном материале — температура перехода кристаллов в аморфное высокоэластичное или жидкотекучее состояние.
Температура стеклования аморфного полимера tg ~. температура, ниже которой аморфное тело ведет себя как твердое, а выше — как высокоэластичное (вязко пластичное) тело.
Температура текучести аморфного полимера tf — тем пература, выше которой полимер становится вязкотеку чим.
Теплостойкость пластмасс по Мартенсу — температу ра, при которой пластмассовый брусочек 120Х 15Х 10 мм, изгибаемый постоянным изгибающим моментом, создаю щим наибольшее напряжение изгиба на гранях 120Х Х15 мм, равное 50 кг/см2, разрушится или изогнется так, что укрепленный на конце образца рычаг длиной 240 мм переместится на 6 мм.
Теплостойкость пластмасс по |
Вика — температура, |
при которой цилиндрический |
стержень диаметром |
1,13 мм (площадь поперечного сечения 1 мм2) под дав лением груза 5 кг (для мягких пластмасс — 1 кг) углу бится в пластмассу на 1 мм.
Температура хрупкости tr — температура, при кото рой пластичный или эластичный материал при ударе может разрушиться хрупко.
Удельная теплоемкость с — количество тепла, отдан ного или полученного единицей массы материала при изменении efo температуры на 1°С.
Коэффициент линейного расширения а — линейная деформация материала при изменении температуры на
ГС.
Коэффициент теплопроводности Я — отношение про
14
изведения количества тепла Q, проходящего через пла стинку материала, иа толщину пластинки I к площади пластинки F, умноженной на разность температур на ее сторонах (t\—i2) и на время т:
X= |
кал/см■сек• °С. |
Термостойкость материала — максимальная разность температур при быстром охлаждении образцов материа ла, не вызывающая их растрескивания.
Морозостойкость резин и мягких пластмасс соответ ствует их температуре хрупкости, а о морозостойкости ка менных материалов уже говорилось выше.
3. Химические и физико-химические характеристики материалов
Химические и физико-химические характеристики ма териалов оценивают их взаимодействие с окружающими жидкими или газообразными средами. Активное взаимо действие приводит к порче как материала, так и среды, и возможность его должна исключаться при выборе кон струкционного материала.
С нагреванием и с повышением давления взаимодей ствие ускоряется. Грубо можно считать, что при нагре вании на 10° или при увеличении давления в два раза скорость взаимодействия также возрастает вдвое. Нагре вание или увеличение давления выше некоторых критиче ских значений может резко изменить характер взаимо действия в худшую сторону. Так, стойкий в нефтепродук тах при обычных температурах полиэтилен начинает растворяться в них при t> 70° С, а стойкие к воде и водя ному пару алюминий, титан, цирконий и другие быстро разрушаются горячим водяным паром под давлением
15
в автоклавах. При понижении температуры или давл< ния стойкость материала, как правило, возрастает.
Стойкость металлов обусловлена или их малой хи мической активностью, или стойкостью пленок хими ческих соединений, чаще окислов, образующихся на поверхности металлов при взаимодействии с внешней средой.
Малоактивные металлы разрушаются в окислитель ных средах (серебро — в азотной кислоте, золото — в смеси азотной и соляной кислот и др.), а металлы со стойкими окисными пленками нерастворимы в окисляю щих средах и растворяются в средах, растворяющих
окислы: хромистая |
сталь — в плавиковой, соляной |
и |
фосфорной кислотах, |
а алюминий и титан — в тех |
же |
кислотах и в щелочах. |
|
|
Состоящие из окислов минеральные материалы не окисляются, но взаимодействуют с другими окислами, в частности с водой. Наиболее стойки среди них природ ные каменные и керамические материалы. Стекло не сколько уступает по стойкости кристаллическим мате риалам, а наименее стойки материалы на основе мине ральных вяжущих. При этом материалы на основе порт ланд-цемента и других гидравлических вяжущих стойки в пресной воде, но разрушаются кислотами и другими электролитами, а материалы на основе извести и других воздушных вяжущих стойки только на воздухе. Почти все минеральные материалы разрушаются плавиковой кислотой, фтором и расплавленными щелочами.
Органические,, материалы уступают минеральным по стойкости к окислителям, но в большинстве своем стойки в водных растворах кислот, щелочей и других электроли тов. Важнейший недостаток органических материалов — их химическое разрушение при нагревании выше
150—350°.
Характеристиками стойкости материалов в разных средах служат потеря веса на единицу площади поверх ности материала в единицу времени, изменение механи ческих свойств после пребывания в активной среде за данное время, величина набухания по весу или по объ ему и температура, выше которой материал перестает быть стойким в проверяемой среде.
4. Эксплуатационные характеристики материалов
Стойкость конструкции в эксплуатации определяется особенностями конструкции, качеством изготовления, ин тенсивностью и характером эксплуатации и эксплуата ционными характеристиками материалов.
Стойкость к износу при трении скольжения возра стает с увеличением твердости и коррозионной стойкости трущихся материалов и характеризуется при заданных условиях трения отношением толщины или веса истер того слоя к суммарному пути трения.
В точных конструкциях (станки, измерительные устройства и др.) важна стабильность размеров. Де формация со временем вызывается внутренними напря жениями и нестабильностью характеристик материала и уменьшается при увеличении времени выдержки мате риала перед изготовлением конструкции.
Стойкость к циклически повторяющейся нагрузке связана с образованием и углублением трещин уста лости в местах концентрации деформаций. Напряжение, при котором такие трещины образуются и растут, назы вается п р е д е л о м в ы н о с л и в о с т и и составляет 0,2—0,8 предела прочности. Предел выносливости воз растает с увеличением асимметрии цикла нагрузок и с уменьшением активности внешней среды. Его определяют
2 Г. Г. Ростовцев |
17 |
(C'v. 1 тц(АЯ
НАУЧИ-’■' -Л5ОЧ2СКАЯ
БИ5 .С |ЬТ. Ч Л oft ОР
специальными механическими испытаниями серии образ цов. Трещины усталости могут возникать и при цикличе ской температурной деформации (термическая уста лость), а у гигроскопичных материалов— и при цикли ческом изменении влажности.
Стойкость материалов к усталостному разрушению увеличивается при создании в поверхностном слое де талей напряжений сжатия, препятствующих раскрытию и углублению поверхностных трещин, и резко снижается при наличии внутренних острых углов, резких изменений сечения и других мест концентрации деформаций, а так
же структурной неоднородности материала. |
т е р |
Срок службы р е з и н и у д а р о п р о ч н ы х |
|
м о п л а с т о в ограничивается процессом старения, |
при |
водящим к утрате эластичности из-за окисления и фото деструкции 1 макромолекул. Для торможения процесса старения применяются противостарители и вещества, не пропускающие света: сажа, алюминиевая пудра и др. Склонность материалов к старению оценивают сравни тельными испытаниями образцов нормальных и искус ственно состаренных в кислороде под давлением или ультрафиолетовым облучением.
У м е т а л л и ч е с к и х м а т е р и а л о в старение связано с распадом неустойчивых структур твердых рас творов и сопровождается уменьшением пластичности и ударной вязкости. Старение предупреждается созданием равновесных отожженных структур, а для закаленной стали — обработкой холодом. Склонность металла к ста рению проверяют сравнением ударной вязкости нормаль ных и состаренных после пластической деформации и не большого нагрева образцов материалов.
1 Фотодеструкция —■разрушение междуатомных связей под дей ствием светового излучения.
18
5. Технологические характеристики материалов
Технологическими характеристиками оценивают по датливость материала различным видам обработки. Чем важнее-конструкционный материал, тем шире опыт его обработки, тем разнообразнее технологические характе ристики. Так, металлы можно лить, ковать, прокатывать, штамповать, прессовать в горячем состоянии, гнуть, плю щить, волочить, вытягивать в холодном состоянии, под вергать термической и химико-термической обработке, наносить покрытия, резать газом, плазмой, режущими инструментами, склеивать, сваривать и соединять кре пежными деталями. Для других материалов разнообра зие способов обработки значительно меньше.
Литейные характеристики металлов оценивают воз можность и сложность получения отливок и включают в себя температуры литья, начала и конца кристаллиза ции, жидкотекучесть — длину затекания в узкий канал специальнрй формы, усадку, склонность к образованию усадочной раковины, меры по защите жидкого металла от окисления и др.
Обрабатываемость металла давлением в горячем и холодном состоянии оценивают разнообразными техноло гическими пробами (на осадку, на загиб, на вытяжку сферической лунки), характеристиками пластичности, упрочнения и твердости металла при температуре обра ботки.
Свариваемость металлов оценивают пробами на сва риваемость, например пробной наплавкой валика на ли стовой металл с определением качества металла в вали ке и прилегающих зонах.
Возможность термической и химико-термической об-. работки определяют при специальных испытаниях. Прокаливаемость стали характеризуют высотой от охлаждае-
2* |
19 |