Магнитные свойства материалов

Материалы делятся на немагнитные и магнитные по величине магнитной проницаемости.

К немагнитным материалам относится большинство металлов и сплавов, полимеры, дерево, стекло и др.

Магнитными называются материалы способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. К ним относятся материалы на основе никеля, и их сплавов.

Магнитные материалы в зависимости от их свойств делятся на три группы:

1. Магнитомягкие материалы с высокой проницаемостью и низкой коэрцитивной силой. Это электрические стали, они используются для изготовления магнитопроводов электрических машин, трансформаторов, сердечников, катушек и т.д., т. е там, где требуется быстрое намагничивание с малыми потерями энергии.

2. Магнитотвердые материалы с высокой коэрцитивной силой. Эти материалы, будучи намагниченные, могут длительное время сохранять сообщенную им энергию, т. е служить источником постоянного магнитного поля. Используются для изготовления постоянных магнитов электрических машин, электроизмерительных приборов, магнитных муфт. К ним относятся легированные стали, сплавы на основе Fe – Ni - Al и Fe – Ni - Co, порошковые сплавы и ферриты.

3. Прецизионные материалы со специальными свойствами (коррозионностойкими, термомагнитными и др.).

2.3. Механические характеристики материалов

В зависимости от способа приложения нагрузки механические испытания могут быть 3-х видов:

Статические (определение твердости, испытания на растяжение и др.); нагрузка остается при испытаниях постоянной, или постепенно увеличивается.

Динамические (определение ударной вязкости); нагрузка носит характер удара.

Знакопеременное или повторное нагружение (определение усталостной прочности, ускоренные испытания и др.).

При испытаниях материалов, особенно при ускоренных, часто меняют температуру и среду. Например, определение морозостойкости строительных материалов выполняется повторяющими циклами замораживания и оттаивания; определение долговечности полимерных труб - циклами высоких давлений и изменения температур жидкой среды; определение коррозийной стойкости материалов - циклами выдержки материалов в смазочной среде и на воздухе.

Многие испытания, особенно, эксплуатационные (потребительские) связаны со временем (наработкой или количеством циклов) работы изделий (усталостные испытания, определение износостойкости и коррозийной стойкости, безотказности и долговечности).

На результаты некоторых испытаний влияет масштабный фактор (пластичность _т, прочность на растяжение _в, относительное удлинение  и другие показатели), что учитывается при нормировании показателей качества материалов (приложение 1).

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

П ри определении твердости (рис. 2.10) 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 Бринеллю представляет собой отношение нагрузки Р (в кГс) к площади F (в мм²) поверхности отпечатка :

НВ = Р/ F =2Р / D[D —(D²-d²) ^1/2] , кГс / мм^{2 .}

П о 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 - в= 0,35 НВ;

для медных сплавов –

в= 0,45 НВ.

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

Твердость металлов по Виккерсу (рис. 2.11) определяется аналогично, как и по Бринеллю, но вместо шарика используется алмазная 4-х гранная пирамида:

HV = P / F = 1,8544 P / d ² , кГс /мм² ,

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 Бринеллю (НВ) и Виккерсу (HV) совпадают. Примеры обозначения твердости по Виккерсу: HV180, HV 295, при этом HV 295 HV180.

При определении твердости по Роквеллу ( рис.2.12) 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, HRА, HRВ определяется по формулам, соответствующим режимам их определения (вид индентора и величина нагрузки Р):

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 = h / 0,002. 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 HRC …52 HRC) значительно выше твердости поршневого пальца (30 HRC …32 HRC).

И спытание образцов (рис.2.13) на растяжение (рис. 2.14) 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, так 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) _в, т.е. максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки и относительное удлинение .

Условным пределом текучести _0,2 называется напряжение, при котором удлинение образца составляет 0,2 % расчетной (начальной) длины L0.

Предел прочности при растяжении определяется из соотношения:

_в = Рв / Fo, кгс / мм² ,

где Fo - начальная площадь поперечного сечения образца, мм²,

Рв - нагрузка предела прочности при растяжении , кгс.

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

_z= Pz / Fk,

где Fk — конечная площадь поперечного сечения образца.

Пластичность — это изменение размеров образца без нарушения сплошности материала.

Относительное удлинение  находится по формуле (в %):

= 100 (Lк - L0) / L0,

где L0, Lк — длина образца до и после разрыва.

Относительное сужение  (в %) представляет собой отношение :

 = 100 (Fo - Fk) / Fo.

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

 = P / Fo = E  L / L0_.

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

Е = tg.

Способность металла противостоять ударным нагрузкам определяется при испытаниях на удар (рис. 2.15). 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.

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

Ан = Р ( Н - h ).

Ударная вязкость _н представляет собой удельную работу на разрушение образца:

_н = Ан / Fo,

где Fo - площадь поперечного сечения образца в месте надреза.

Динамические испытания позволяют выявить склонность металлов к хрупкому разрушению (рис. 2.16). 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 ½ _н. Для ответственных деталей критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой будет 90 % волокон. Значение ударной вязкости _н не является постоянной величиной, а сильно зависит от его структуры, условий испытания, наличия концентраторов напряжений и др.