Дәріс 2. Металдар мен қорытпалардың қасиеттері және оларды анықтау әдістері.

Машина жасау өндірісінің сенімді және сапалы өнімдерін шығаруды қамтамасыз ететін негізгі факторлардың бірі болып әр түрлі бұйымдар мен конструкциялар үшін металдарды дұрыс таңдау болып табылады. Ол үшін тетікбөлшектер мен конструкциялардың жұмыс жағдайларын және оларды жасауға қолданылатын металдардың қасиеттерін жақсы білу керек.

Металдар мен қорытпалар бірнеше топтарға бөлінеді: физикалық, механикалық, химиялық, технологиялық, арнайы (жұмыс істеу кезіндегі немесе эксплуатациялық).

Металдардың физикалық қасиеттері. Тығыздық (кг/м³) – металл массасының оның көлеміне қатынасы. Төмен тығыздықты металдарды жеңіл конструкцияларды дайындау үшін қолданады, мысалы, магний және алюминий қорытпалары самолет жасауда қолданылады. Балқу температурасы (°С) – металдың сұйық күйге өтетін температурасы. Жеңіл балқытын қорытпалар – алюминий Т_бал 660 °С бастап, қалайы Т_бал 232 °С, қиын балқитын – вольфрам Т_бал 3416 °С, темір Т_бал 1539 °С бастап балқиды. Жылулық кеңею – қыздыру кезіндегі дене көлемінің (ұзындығының) біртұтас ұлғаюы. Кеңею коэффициентімен сипатталады a (град -¹). Бұл коэффициент температура бір градусқа өзгерген кездегі дененің сызықты өлшемдерінің салыстырмалы өзгеруін көрсетеді. Әдетте ол температуралардың кең ауқымды аралығын сипаттайтын: 0 немесе 20 °С – тан берілген температураға дейінгі сызықты кеңеюдің a орташа коэффициентін анықтайды. Көлемдік кеңеюдің коэффициенті сызықты кеңеюдің коэффициентінен үш есе артық болады. Металды таңдау кезіндегі жылулық кеңеюді ауыспалы және жоғары температуралар кезінде жұмыс істейтін конструкциялар үшін есептеледі. Көміртекті болат үшін 20 °С кезіндегі сызықты кеңею коэффициенті 12 – 10 ^{– 6}, вольфрам үшін – 4,3 – 10 ^{– 6}, дуралюминий үшін – 22 – 10 ^{– 6} град ^{– 1} құрайды. Жылу өткізгіштік [Вт/(м^.К)] – қыздырылған аймақтан салқын аймаққа жылуды тасымалдау қабілеті. Жылу өткізгіштік коэффициенті l Коэффициент теплопроводности l показывает, какое количество теплоты может пройти перпендикулярно площади 1м² на расстояние 1м при разности температур 1К на противоположных сторонах куба. Жылу өткізгіштік тізбектерді құрастыру кезінде есептейді, бұл уақытта металл қызып кетпеуі керек. Болат үшін жылу өткізгіштік коэффициенті 45,4; алюминий үшін 209,3; күміс үшін 418,7 Вт/(м^.К) тең болады. Электр өткізгіштік – металдың электр тоғын өткізу қабілеті. Температура жоғарлаған сайын электр өткізгіштік төмендейді, ал төмендегенде – жоғарлайды. Электр өткізгіштік электр сымдарын және әр түрлі датчиктерді дайындауға арналған материалдарды таңдау кезінде ескеріледі. Алюминийдің 20°С температура кезіндегі салыстырмалы электр кедергісі 2,69 ∙ 10 ^{- 6}, вольфрам үшін – 5,5 ∙ 10 ^-6, мыс үшін – 1,67 ∙ 10 ^-6 Ом/см болады.

Магниттік қасиеттер магниттік қабылдау қабілетімен сипатталады – магниттік аймақтарда заттардың магниттелу қабілеті. Жақсы магниттелетін заттарды ферромагнетиктер деп атайды. Олар темір, никель, кобальт, неодим және электротехника мен аспап жасауда қолданылатын олардың бірқатар қорытпалары.

Металдар мен қорытпалардың механикалық қасиеттері. Металдардың негізгі механикалық қасиеттері беріктік, серпімділік, созымдылық, қаттылық және тұтқырлық болып табылады. Механикалық қасиеттер деп – Под механическими свойствами понимают совокупность свойств, характеризующих сопротивление металла действию приложенных к нему внешних механических сил (нагрузок). Күштер түсірілуіне байланысты статикалық (баяу жылдамдықпен бірқалыпты түсірілетін), динамикалық (кенет және үлкен жылдамдықпен түсірілетін) қайталанатын – ауыспалы (бірнеше рет түсірілетін, түсіру салмағы немесе салмағы және бағыты бойынша өзгеріп тұратын) болуы мүмкін. Жүктемелердің әсер ету уақыты және өзгеру сипатына байланысты механикалық сынаулар: статикалық сынаулар (созуға, сығуға, июге, бұрауға, қаттылыққа), динамикалық сынаулар (соққымен июге), шаршауға сынау (жүктемелерді қайталанатын – ауыспалы түсіру кезінде) деп бқлінеді.

Ұзақ уақыт жоғары температуралар кезіндегі механикалық сынаулар (ползучесть, ұзақ уақытқа беріктік және т.б.) жеке топты құрайды. Металдардың механикалық қасиеттерінің деңгейі арнайы үлгілерді сынаумен анықталады.

2.1 – сурет. Аз көміртекті болатардан жасалған үлгілерді созуға сынау кесте сызбасы (а) және салыстырмалы аққыштық шегін анықтау сұлбасы (б)

Созуға сынау кезінде: пропорционалдық шегін, серпімділік шегін, аққыштық шегін, уақытша кедергіні (беріктік шегін), үзілуге нақты кедергіні, үзілуден кейінгі салыстырмалы ұзаруды, үзілуден кейінгі салыстырмалы тарылуды анықтайды. Сынау машинасында үлгіні созу кезінде сызатын аспап созу кесте сызбасын сызады (2.1 – суретке сәйкес). Ол үлгі деформациясының созу жүктемесіне тәуелділігін көрсетеді. Бұл кесте сызбада ординат осьі бойынша жүктеме Р, ал абсцисса осьі бойынша үлгінің абсолютті ұзаруы ∆1 орналастырылады.

Егер Р_пц жүктемені алып тастаса, онда үлгі қабылдаған деформация жоғалады және үлгі өзінің бастапқы күйіне келеді. Егер де жүктемені жоғарлатсақ, онда 0А түзуінің түзу сызықты бағытынан ауытқуы байқалады. Сондықтан Р_пц жүктемесі шекті болып табылады, бұл кезде түсірілетін күш пен үлгі деформациясы арасындағы пропорционалдық сақталады. Тура пропорционалдық заңы Гук заңы деген атауға ие: салыстырмалы сызықты деформация е сәйкес қалыпты (ауданға перпендикуляр әсер ететін) кернеуге σ тура пропорционал, атап айтсақ e = σ /Е.

Е өлшемі металдың серпімді деформацияға қарсыластық қабілетін сипаттайды. Бұл өлшем бірінші текті серпімділік модулі немесе Юнг модулі деп аталады. Е өлшем бірлігі (Н/м²) күштің ауданға қатынасымен сипатталады. Әр түрлі металдар түрлі қатаңдыққа ие болады, атап айтсақ, әр түрлі серпімділік модулінің өлшемдеріне. Болаттарда серпімділік модулі Е (20 – 21)^.10⁴ аралығында, жездерде – (10 – 11)^.10⁴, алюминий қорытпаларында – (7 – 8)^.10⁴ Н/мм² аралығында болады. Пропорционалдық шегі σ_пц (Н/мм²) представляет напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца: σ _пц = Р_пц/F_о, где F_о — площадь поперечного сечения образца. А нүктесінен жоғары В нүктесі орналасады, үлгінің анықталған қалдық ұзаруын тудыратын жүктемеге сәйкес келеді: егер жүктемені алып тастайтын болсақ, онда үлгі ұзындығы бастапқы ұзындықтан артық болады. Тәжірибелік мақсаттар үшін қалдық ұзарудың өлшемдерін үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан 0,05 % тең деп алады.

Үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан қалдық ұзару 0,05 % дейін жететін кернеуді серпімділіктің шартты шегі деп атайды. Жүктемені одан әрі қарай Р_т (С нүктесі) арттырғанда, кесте сызбада қисық сызықты аймақ пайда болады, олар жұмсақ материалдарды сынау кезінде горизонталь ауданға өтуі мүмкін. Бұл шамалы жүктеменің өзі үлгінің деформациясын «аққыштығын» тудыратынын көрсетеді. Жүктемені алып тастағаннан кейін үлгі қалдық деформацияны сақтайды. Аққыштық шегі (физикалық) дегеніміз – жүктемені белгісіз ұлғайту нәтижесінде үлгінің деформацияланатын ең кіші кернеуі. Жүктеменің белгісіз ұлғаюының нәтижесінен үлгінің деформациялануынан туындайтын түсірілген күштің Р_т мөлшерін сынау машинасының күш өлшейтін қондырғысының тілшесінің тоқтауы бойынша анықтауға болады. Аққыштық шегі σ, Н/м² (физикалық) мына формула бойынша анықталады: σ =P_T/F₀. Көптеген металдарды сынау кезінде кесте сызбада горизонталь ауданы болмайды. Мұндай жағдайларда шартты аққыштық шегін σ_0,2 анықтайды: үлгінің есептелген бастапқы ұзындығынан қалдық ұзаруы 0,2 % құрайтын кернеу. Аққыштық шегін σ_0,2 (Н/м²) (кгс/мм²) мына формула бойынша анықтайды: σ_0,2 = Р_0,2/ F₀. Түсірілетін күшті Р_0,2 анықтау үшін О нүктесінен абсцисса өсінен оңға қарай сәйкес масштабта үлгінің бастапқы есептелген ұзындығынан 0,02 % тең болатын, созу кесте сызбасымен қиылысқанға дейін (С нүктесі) ОА – ға параллель түзу жүргізеді. С нүктесі Р_0,2 ординатаның биіктігін анықтайды, атап айтсақ аққыштық шегіне жауап беретін жүктемені анықтайды. Үлгінің қирауын тудыратын жоғары жүктеуге сәйкес келетін

Р_max кернеу – уақытша кедергі σ_в (Н/м²) (МПа) деп аталады және мына формуламен есептеледі: σ_max = Р _max/F_0. Морт металдар σ_в қирау қарсыластығымен, ал пластикалық металдар – пластикалық деформацияға жоғарғы қарсыластығымен сипатталады. Әрі қарай жүктеу азаяды. Бұл пластикалық металдың көлденең қимасында орынды тарылудың пайда болуымен байланысты болады (мойын түзіледі) және Е нүктесінде үлгі қирайды. Созу кезінде жақсы пластикалық деформацияланатын пластикалық материалдарда тағы бір сипаттама бар – созуға нақты қарсыласу S_K (Н/м²) (МПа). Бұл кернеу үзілу моментіндегі түсірілетін күштің Р_к үзілуден кейінгі F_K үлгінің көлденең қимасының минималды ауданына қатынасымен анықталады: S_K = P · K/F. Салыстырмалы ұзару мен салыстырмалы тарылу. Үзілуден кейінгі салыстырмалы ұзару δ (%) – үзілуден кейінгі үлгінің есептелген ұзындығының (l_к – l₀) ұзарудың бастапқы ұзындығына қатынасымен сипатталады: δ = (l_к – l₀)/l₀. Үзілу кезіндегі металдың пластикалығы екі сипаттама бойынша анықталады: Үлгінің салыстырмалы тарылуы – үлгінің көлденең қимасының ауданының азаюының бастапқы ауданына қатынасы пайыздық мөлшерде сипатталады. Салыстырмалы тарылу мына формула бойынша сипатталады:

y = [ (F₀ – Fк) / F₀] ∙ 100 %,

мұнда F_K – үзілуден кейінгі үлгінің көлденең қимасының ауданы.

Салыстырмалы тарылуды анықтау үшін үлгінің үзілуден кейінгі өзара перпендикуляр екі бағыттағы минималды диаметрін өлшейді. Алынған мәліметтердің орташа арифметикалығы бойынша көлденең қимасының ауданын F _к есептейді.

Қаттылыққа сынау. Қаттылық деп – материалдың одан қатты дененің енуіне қарсыластық көрсету қабілетін айтамыз. Кез – келген әдіспен қаттылықты өлшеу кезінде сыналатын үлгінің немесе тетікбөлшектің беті жалпақ тегіс бетті болуы керек, себебі цилиндрлі үлгілердің қаттылығын өлшеу кезінде, сол қаттылықтығы жалпақ бетті үлгіге қарағанда ұштықтың енуі тереңірек болады, сондықтан қаттылықтың мәні төмендеу болады. Үлгі немесе бұйым беті горизонталь және ешқандай күйік, ойық, кір, әртүрлі бүркемелер сияқты ақаулары болмауы керек. Беттік ақаулардың барлығы майда түйірлі зімпара шеңберімен, егеумен немесе зімпара қағазымен жойылады. Үлгіні өңдеу кезінде үлгі бетінің қыздырылуы немесе қақталуы нәтижесінде қаттылықтың өзгермеуін қамтамасыз ету қажет. Сыналатын бұйымға немесе үлгіге іздерді түсіру кезінде, түскен іздердің арасындағы және үлгінің шетіне дейінгі арақашықтығы 3 мм кем болмауы керек. Жүктемені одан әрі жоғарлатқан кезде Р_в (D нүктесі) пластикалығы жоғары металдарда үлгінің ұзындығы және көлденең қимасы бойынша біртекті деформация өтеді, ал морт металдарда мұндай жүктеулер кезінде қирау болады.

Қаттылықты анықтаудың көптеген әдістері бар, олар үштықтың әсер ету сипаты бойынша ажыратылады. Қаттылықты өлшеу ұштықты басып – батыру, бетті тырнау және шарикті ұштықтың соғылуы және секіруі арқылы жүргізіледі. Қаттылықты өлшеудің басып – батыру әдісі кеңінен қолданылады. Бұл әдіспен алынған металдың қаттылығының өлшемдері металдың (мыстың, дюралюминийдің, жасытылған болаттардың) беріктігін сипаттайды. Екіншіден, қаттылықты өлшеудің орындау техникасы бойынша, қаттылықты – микроқаттылықты, беріктікті, созымдылықты, тұтқырлықты анықтауға қарағанда айтарлықтай қарапайым болады. Үшіншіден, қаттылықты өлшеу нәтижесінде тексерілетін тетікбөлшектің қирау болмайды және төртіншіден, қаттылықты өлшемдері мен қалыңдығы кішкентай тетікбөлшектерде, сонымен қатар металдың өте жұқа қабаттарында өлшеуге болады.

Қаттылықтың мәні металдың құрылымы және оның химиялық құрамынан тәуелді болады. Соған байланысты қаттылықты өлшеу өндірістегі болаттардың қасиеттерін және термиялық өңдеу сапасын бағалау үшін кеңінен қолданылады. Қаттылықты басып – батыру арқылы анықтаудың негізгі түрлері: болат шарикті батыру арқылы қаттылықты анықтау (Бринелль әдісі бойынша); Роквелл әдісі бойынша қаттылықты анықтау (R– Rockwell – ағылшынша – бірінші әріп әдістің аталуы), үлгі немесе тетікбөлшекке төбесінің бұрышы 120° болатын алмазды конусты немесе диаметрі 1,588 мм (1/16 дюйм) болатын шынықтырылған болат шарикті ұштықтарды батыру арқылы жүргізіледі; Виккерс әдісі бойынша қаттылықты анықтауда төбесіндегі бұрышы 136° және негізі текше болатын төрт қырлы алмазды пирамиданы батыру арқылы жүргізіледі. Сыналатын материалға алмазды пирамида Р жүктемесінің әсерімен батырылады, ал 49 – дан 1176 Н – ға дейінгі аралықта таңдалады және микроқаттылықты өлшейді.

Қаттылықты өлшеудің басқа да әдістері. Қаттылықты өлшеудің жоғарыда қарастырылған әдістерінен басқа, кейбір себептерге байланысты (мысалы, массивті конструкция, бұйым бетінің күрделі конфигурациясы) бұл әдістер қолданылмайтын болса, өндірістік жағдайларда қаттылықты анықтаудың басқа да әдістері қолданылады. Олардың кейбіреулері стандартталған. Массивті тетікбөлшектер мен құрылымдардың қаттылығын анықтау үшін соққы ізінің әдісі қолданылады. Үлкен өлшемді және ауыр бұйымдардың қаттылығын (бойек) серпімді секіру әдісімен өлшеуге болады (Шор әдісі).

Сонымен қатар металдар мен қорытпалардың механикалық қасиеттерін анықтау үшін созуға сынау, соққылы июге сынау, шаршауға сынау жүргізіледі. Механикалық сынаудан басқа металдық материалдарға тетікбөлшекті дайындау процессі кезіндегі технологиялық операцияларға қасиеттерін анықтау мақсатында технологиялық сынаулар (ию, шөгу, перегиб, сығу) жүргізеді. Технологиялық сынаулар материалдардағы ақауларды анықтауға мүмкіндік береді (жарықтар, қабаттанулар, үзілулер). Негізінен оларды тетікбөлшектердің сапасын бақылау үшін қолданады.

Металдардың технологиялық қасиеттері. Әртүрлі құрылымдар мен тетікбөлшектерді дайындау үшін металдың жарамдылығын барлық уақытта физикалық және механикалық қасиеттері бойынша бағалауға болмайды. Металдың сапасын нақты бағалау үшін оның технологиялық қасиеттерін анықтауды жүргізеді. Оларға жататындар:

- құйылуға қабілеттілігі;

- металдар мен қорытпалардың қысыммен өңделуге қабілеттілігі;

- термиялық, химия – термиялық және термия – механикалық өңдеуге қабілеттілігі;

- кесумен өңдеуге қабілеттілігі;

- пісірілгіштік және дәнекерлік.

Арнайы (эксплуатациялық) қасиеттер. Қасиеттердің бұл тобына:

- тозуға төзімділік;

- жемілілуге тұрақтылық;

- ыстыққа тұрақтылық және ыстыққа беріктік;

- фрикциондық және антифрикциондық қасиеттер;

- магниттік қасиеттер және т.б. қасиеттер жатады.

Нег. 2[87 – 117]

Бақылау сұрақтары:

1. Созуға сынау кезінде металдардың қандай қасиеттерін анықтайды?

2. Беріктік шегі және аққыштық шегі нені сипаттайды (физикалық және шартты)?

3. Уақытша кедергі нені сипаттайды?

4. Үзілуге нақты қарсыластық дегеніміз не?

5. Салыстырмалы ұзару және салыстырмалы тарылу дегеніміз не және оларды қалай есептейді?

6. Созуға сынау қалай жүргізіледі?

7. Соғып ию сынауының мәні неде?

8. Беріктікке сынаудың мәні неде?

9. Бринелль әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?

10. Роквелл әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?

11. Виккерс әдісі бойынша қаттылықты анықтау қалай жүргізіледі?

12. Соғып із қалдыру әдісімен қаттылықты қалай есептейді?

Дата добавления: 2015-11-14