О некоторых характеристиках металлов и металлоконструкций.

Чтобы изготавливать металлоконструкции, а так же быть уверенным в их последующих эксплуатационных характеристиках в конкретных изменяющихся условиях необходимо знать свойства составляющих их материалов.

Уже во времен царя Петра І, автора указа «О пробовании железа», проводились испытания полученного металла и металлоконструкций доступными для того времени средствами. Основным из них были подвергнуть металлический лист или металлоконструкцию разрушению путем многократного изгибания и нанесения ударов. На современном языке это значит «испытания на изгиб» м «испытания на удар». И в зависимости от результатов изделия из металлов разделялись по трем сортам.

Позже по инициативе Михаила Ломоносова было предложено испытывать металлы на «трение» и «износ», и была изготовлена первая специальная машина трения. А первые международные нормы по испытанию металлов были разработаны в 1897 году. Основой расчета деталей из металлов стали служить показатели статических испытаний: предел текучести, предел прочности и модуль упругости, затем появились понятия усталостной прочности, предела усталости при знакопеременных нагрузках , при изгибе, кручении и растяжении – сжатии.

Сейчас качество металлов это комплексный показатель, так как отдельных показателей для этого недостаточно. Например, металлическая деталь может быть очень твердой, что хорошо, но хрупкой и служить не долго, что конечно плохой показатель.

Твердость металлов.

Твердость характеризует способность металлической детали противостоять пластическим деформациям. Чем выше твердость, тем больше прочность и меньше износ металлической детали. Это очень важный параметр для металлоконструкций работающих в условиях абразивного ( песок, щебень,…) изнашивания, например таких как рабочие органы добывающих и перегружающих машин, приемных бункеров, дробилок, грохотов и т.д.

Твердость определяется методом вдавливания специального инструмента в виде шарика, алмазного конуса или алмазной пирамидки в металл. Значение твердости характеризуется диаметром отпечатка или глубиной внедрения инструмента, чем тверже материал, тем меньше будут эти показатели.

Чаще всего используемые методы определения твердости металлов - по Брюнеллю , Роквеллу и Виккерсу. Число твердости по Брюнеллю представляет собой отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика. Твердость металлов по Виккерсу определяется аналогично, но вместо шарика используется алмазная четырехгранная пирамидка.

Примеры обозначения твердости по Бринеллю: 185НВ, 200НВ, 86НВ, чем больше цифра, тем больше твердость материала. Примеры обозначения твердости по Виккерсу: HV180, HV 295. Значения твердости материалов определенных по Брюнеллю (НВ) и Виккерсу (HV) совпадают.

При определении твердости металлов по Роквеллу в испытываемый образец металла вдавливается алмазный конус с углом 120 или стальной закаленный шарик диаметром 1,6 мм под определенной нагрузкой. Прибор для испытаний имеют три шкалы А , В и С для отсчета соответствующей твердости HRА, HRВ и HRC. Число твердости по Роквеллу характеризует глубину внедрения инструмента под определенной нагрузкой.

Растяжение, пластичность, разрыв металлов.

Испытание образцов металла на растяжение проводится при помощи специальных разрывных машин при плавно возрастающей растягивающей нагрузке. Образцы для испытаний на разрыв имеют круглое или квадратное сечение.

Главная характеристика этой операции - диаграмма изменения длины образца в зависимости от величины силы действующей на образец. Она позволяет наглядно определить несколько важных характеристик металла.

Начальный участок диаграммы представляет собой прямую линию, крутизна этого участка является характеристикой металла- модулем упругости Юнга. Здесь, при относительно малых нагрузках остаточная деформация образца не возникает и после снятия нагрузки его длина возвращается к первоначальной.

Предел прочности металла на растяжение это максимальное напряжение, которое выдерживает образец без образования шейки. Он определяется отношением нагрузки к первоначальной площади образца.

В конце процесса (конец диаграммы) происходит разрушение образца, характеризующееся сопротивлением металла на разрыва. Это отношению нагрузки в момент разрыва к площади сечения образца в месте разрыва.

Средняя часть диаграммы характеризует пластичность, т.е. способность металла изменять размеры образца без нарушения сплошности материала. Относительное удлинение рассчитывается как соотношение длин образца до и после разрыва. Так же (по соотношению площадей сечения) рассчитывается относительное сужение металла.

Чаще всего, при оценке качества металлов нас интересуют не абсолютные показания значений прочности, а его удельная прочность или отношение прочности к плотности материала.

В таблице приведены сравнительные характеристики прочности и жесткости различных материалов.

Испытания на удар.

Такая важная характеристика металлов как способность противостоять ударным нагрузкам определяется при проведении испытания образца на удар. Работа по разрушению образца определяется как разность потенциальной энергии груза перед испытанием и оставшейся потециальной энергией после разрушения образца.

Динамические испытания позволяют выявить склонность металлов к хрупкому разрушению. Это делается оценкой количества волокна в изломе - вязкий излом ( 90 % волокон), хрупкий излом (только 10 % волокон) и смешанный излом.

За порог хладноломкости, очень важная характеристика металлоконструкций эксплуатируемых в северных широтах принимают температуру, при которой в разломе присутствует около 50% волокна. Для ответственных деталей этот порог значительно повышается и критической температурой хладноломкости считают температуру, при которой остается 90 % волокон.

Усталостные испытания.

В реальных условиях эксплуатации нагрузки на металлоконструкции изменяются по величине и по направлению. В металлоконструкциях возникают микротрещины, которые в результате многократно повторяющихся циклов нагрузки увеличивают свои размеры, сливаясь друг с другом, образуя трещины большего размера, которые и приводят к разрушение металла и поломке конструкции.

Цель усталостных испытаний определение числа циклов нагружения, необходимых для разрушения образца металла при различных напряжениях. Пределом усталости называют предельное напряжение при котором образец не разрушается при заданном количестве циклов.

Другие виды определения характеристик металлов.

Исследование структуры металлов проводят при помощи рентгена и ультразвука, определяя качество литья и сварки, наличие микротрещин, шлаковых включений и раковин.

Макроструктуру металла (величина зерен, направление волокон в деформированных слоях металла, наличие усадочных и газовых трещин, характер излома детали) можно определить невооруженным глазом или используя микроскоп. Так же помогает в этом шлифование наждачной бумагой и глубокое травление химическими растворами.

Технологические испытания позволяют проверить металлы на пластичность, разрушение, возможность ковки, гибки , сварки и т.д. Испытанием на выдавливание определяется способность листов металла подвергаться холодной штамповке.

Испытанием на изгиб листов металла в холодном и горячем состоянии определяется его способность принимать заданную форму. Испытанием на изгиб так же можно оценить качество сварных швов. Многократным изгибанием оценивается качество проволоки и труб диаметром менее 115 мм.

В других статьях на тему металлов и металлоконструкций коснемся других особенностей, связанных с их производством.