производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 3.5. Технологические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства характеризуют поведение материалов в процессе изготовления деталей. Под технологичностью следует понимать легкость проведения технологических операций. Это означает, что уровень технологических свойств определяет возможность применения той или иной технологии. Низкая технологичность материала может являться причиной брака или вызывает снижение производительности обработки.

Основные технологические процессы, применяемые при изготовлении деталей: литье, обработка давлением, обработка резанием, сварка.

Технологичность в процессе литья оценивается жидкотекучестью материала и усадкой.

Жидкотекучестъ характеризует способность материала заполнять литейную форму. Представим себе трубку, в которую заливают жидкий металл. По мере прохождения по этой трубке металл остывает, и его перемещение прекращается, когда он затвердевает. Таким образом, жидкотекучесть лучше у того металла, который имеет более низкие температуры кристаллизации (плавления).

Анализ диаграмм состояния показывает, что наименьшую температуру затвердевания имеют сплавы эвтектического состава.

Так, система Аl — Si представляет собой сплав, содержащий 11,7% Si (рис. 3.24). Сплавы с близким содержанием кремния — по литейные сплавы, называемые силуминами.

Именно наличие эвтектики в структуре чугунов определяет их высокие литейные качества в отличие от сталей, в структуре которых эвтектики нет. Стали и чугуны — это сплавы железа и углерода (см. гл. 4).

При производстве фасонного литья, т.е. изделий сложной формы, материал должен обладать малой усадкой: его объем должен мало изменяться (уменьшаться) при затвердевании. В чугунах это достигается за счет наличия в структуре свободного углерода — графита. Поскольку его плотность значительно меньше плотности железа, он имеет больший удельный объем, что и определяет меньшую усадку. Малой усадкой обладают также бронзы, так как для бронзового литья характерна большая пористость. Коэффициент усадки бронз менее 1 %, чугуна — около 1,5 %, тогда как для сталей он превосходит 2 %.

Рис. 3.24. Диаграмма состояния системы А1 —Si

Обрабатываемость давлением (прокат, ковка и др.) зависит от пластичности металла. Напомним, что только для металлов возможна обработка давлением. Это связано с тем, что пластичность определяется металлическим, гибким и ненаправленным типом связи.

Высокая пластичность присуща однофазным сплавам; появление второй фазы, особенно если она обладает высокой твердостью или малой пластичностью, резко снижает пластичность металла.

Так, в системе Аl —Сu (рис. 3.25) деформируемыми являются сплавы с содержанием меди до 5,7 %, т.е. не содержащие эвтектики. Некоторые из этих сплавов являются однофазными (зона I) вплоть до начала плавления, другие (зона II) становятся однофазными при нагреве.

В сплавах системы Сu—Zn (рис. 3.26) высокая пластичность наблюдается при содержании цинка не более 38...39%, т.е. в однофазных сплавах, а затем она резко снижается.

Остановимся особо на обрабатываемости давлением сталей — основного конструкционного металла. Чугуны из-за высокой хрупкости и весьма малой пластичности не могут быть обработаны методами пластической деформации. Пластичность стали тем выше, чем меньше в ней содержание углерода и вредных примесей: серы и фосфора.

Рис. 3.25. Фрагмент состояния системы Аl — Сu

Рис. 3.26. Диаграмма состояния системы Сu —Zn (а) и влияние содержания цинка на свойства латуни (б)

Повышенное содержание серы вызывает в стали красноломкость — разрушение при горячей пластической деформации. Это связано с тем, что сульфиды образуют в системе FeS — Fe легкоплавкую эвтектику, следовательно, при нагреве под ковку в структуре образуется жидкость, что вызывает разрушение в процессе деформации. При малом содержании серы (менее 0,03 %) красноломкости не наблюдается, так как сера растворяется в железе, образуя твердый раствор, а не сульфид.

В промышленности при изготовлении деталей из стали широкое распространение получила технология холодной пластической деформации. Это операции листовой (вытяжка, гибка) и объемной (высадка) штамповки.

Для особо сложной штамповки с большими степенями деформации содержание углерода в сталях не должно превышать 0,08 %. При содержании углерода 0,2...0,3% можно производить гибку деталей и незначительную вытяжку, а при содержании 0,3 ...0,4 % только гибку с большим радиусом.

Для оценки возможности проведения операций с определенной степенью деформации применяют различные технологические испытания (пробы), имитирующие процесс холодной пластической деформации. В зависимости от сортамента металла используют следующие технологические пробы: на загиб, на перегиб, на скручивание, на вытяжку сферической лунки.

Испытания на загиб производят в специальном приспособлении и применяют для листового, полосового и фасонного материалов. Металл при этом может быть в холодном и нагретом состояниях. Цель — определение способности металла принимать заданный по форме и размерам загиб.

Толщина образца должна быть равна толщине материала, ширина — двойной толщине, но не менее 10 мм. Различают три вида загиба: загиб до определенного угла (рис. 3.27, а); загиб вокруг оправки до параллельности сторон (рис. 3.27, б), при этом толщина оправки регламентируется техническими условиями в зависимости от требований к пластичности; загиб вплотную до соприкосновения сторон образца («дублирование») (рис. 3.27, в).

Отсутствие в образце трещин, надрывов, расслоений или излома является свидетельством того, что металл выдержал испытания.

Испытания на перегиб служат для определения способности металла выдерживать повторный загиб и разгиб. Испытанию подвергают полосовой и листовой металл толщиной не более 5 мм и проволоку (прутки) диаметром 0,8…7 мм. Образец, зажатый од ним концом, подвергают попеременному загибу влево и вправо (рис. 3.28). За один перегиб считается загиб и разгиб на 90°. Испытания ведут до разрушения. Число перегибов до разрушения задается исходя из технических требований.

Рис. 3.27. Схема испытания металла на загиб:

а — загиб до определенного угла α; б — загиб вокруг оправки до параллельности сторон; в — загиб вплотную до соприкосновения сторон; d — диаметр оправки; а — толщина образца

Рис. 3.28. Схема испытаний на перегиб

Рис. 3.29. Схема испытаний на вытяжку сферической лунки

Испытание на скручивание проводят для проволоки диаметром до 10 мм. Создают определенное натяжение проволоки (2 % от разрывного усилия), скручивание проводят с равномерной скоростью до разрушения. Показателем пластичности является количество скручиваний (полных оборотов на 360°).

Испытания на вытяжку сферической лунки (метод Эриксена) проводят на листе и ленте толщиной 0,1... 2,0 мм для выяснения способности материала к холодной штамповке. Испытание заключается в вытяжке сферической лунки в образце, зажатом по контуру между матрицей и прижимным кольцом, путем вдавливания пуансона соответствующей формы (рис. 3.29). Испытание прекращается при появлении мелких трещин на стороне, противоположной вдавливанию, которые обнаруживают с помощью зеркала. Мерой способности металла к вытяжке является глубина h вытянутой лунки. Так, для сталей марок 05кп, 08кп, 08пс и 10кп при толщине листа 0,5 мм глубина вытяжки должна быть не менее: 9,0 мм для стали весьма глубокой вытяжки (ВГ); 8,4 мм для стали глубокой вытяжки (Г); 8,0 мм для стали нормальной вытяжки (Н).

Испытания на осадку характеризуют способность стали принимать холодную высадку, их проводят на образце, высота которого равна его удвоенному диаметру, а торцевые плоскости перпендикулярны оси. Испытания состоят в осаживании в холодном состоянии до определенной высоты, задаваемой техническими условиями (до 1/2 или 1/4 длины образца). На торцах и боковых поверхностях осаженного образца не должно быть трещин и надрывов.

Обрабатываемость резанием – это комплексная характеристика материала, которая оценивается рядом показателей: производительностью обработки, качеством обработанной поверхности, видом стружки. В зависимости от конкретных условий решающим может оказаться любой из критериев. Например, в условиях автоматизированного производства важнейшим является вопрос стружкообразования — стружка должна легко удаляться из зоны резания, т.е. быть элементной, а не сливной.

Наиболее распространенной является оценка обрабатываемости материала по производительности. Критерием является скорость резания, при которой достигается заранее заданная стойкость инструмента. Используют критерий v60, — это скорость резания, при которой достигается 60-минутная стойкость режущего инструмента до регламентируемого износа, м/мин. Критерий v60 является абсолютным показателем обрабатываемости. Используют также относительный показатель Kv:

Кv=v60i/v60эт,

где v60i иv60эт — обрабатываемость исследуемой и эталонной стали. За эталон часто принимается сталь 45 твердостью 160... 180 НВ.

Шероховатость обработанной поверхности определяют на специальных приборах: профилометрах и профилографах. Шероховатость зависит главным образом от твердости материала — более высокая твердость обеспечивает меньшую шероховатость, т.е. лучшее качество поверхности.

Лучшей обрабатываемостью по виду стружки обладают материалы с элементной, сыпучей, а не сплошной сливной стружкой. Сыпучая стружка образуется, если в структуре присутствует фаза, обладающая малой прочностью (например, графит в чугуне). Такая стружка легко удаляется из зоны резания, что особенно важно в условиях массового автоматизированного производства.

Свариваемость металлов включает в себя физическую и технологическую свариваемость.

Физическая свариваемость — это свойство металла образовывать монолитное соединение. Такой свариваемостью обладают практически все технические сплавы и чистые металлы, а также ряд неметаллов.

По технологической свариваемости оценивают поведение металла в процессе сварки, она характеризуется склонностью металла к окислению при сварочном нагреве, а также склонностью к образованию горячих и холодных трещин.

Склонность к окислению определяется химическими свойствами металла. Чем выше химическая активность металла, тем больше его склонность к окислению; следовательно, необходима более тщательная защита при сварке. К наиболее активным металлам относятся титан, цирконий, ниобий, тантал, вольфрам, молибден. Высокой химической активностью отличаются также цветные металлы: алюминий, магний, медь, никель, сплавы на их основе. Сварка должна выполняться в вакууме, среде инертных газов или с использованием специальных покрытий или флюсов (см. гл. 11). При сварке этих металлов необходимо защищать не только расплавленный металл, но и остывающий шов, а также прилегающий к сварочной ванне основной металл, нагретый до высоких температур.

Склонность к образованию горячих трещин — возникновение трещин в процессе кристаллизации, т.е. во время существования твердой и жидкой фаз, а также при высоких температурах в твердом состоянии. При высоких температурах прочность материала понижена, поэтому он может разрушаться вследствие воздействия напряжений, возникающих при усадке шва и уменьшении объема металла при охлаждении. Горячие трещины могут возникать как в самом шве, так и в околошовной зоне.

Для оценки материала на склонность к образованию горячих трещин выполняют два основных вида испытаний: сварку технологических проб и машинные способы испытаний. В первом случае сваривают образец заданной жесткости, для чего используют тавровые и кольцевые пробы (рис. 3.30). При проведении этих испытаний сначала сваривается шов 1, а затем шов 2, при этом в шве 2 не должны образовываться трещины. Во время испытаний машинным методом растягивают или изгибают образец в процессе сварки. Склонность к горячим трещинам характеризуется величиной деформации, вызывающей появление трещин.

Рис. 3.30. Технологические пробы для определения склонности к образованию горячих трещин таврового (а) и кольцевого (б) образцов: 1—2 — порядок сварки швов

Склонность к образованию холодных трещин — возникновение трещин вследствие закалки нагретого металла при быстром охлаждении, когда металл теряет пластичность, или под действием остаточных напряжений в сварных соединениях. В целях предотвращения холодных трещин осуществляют подогрев зоны металла, прилегающей к сварному шву, с целью снижения скорости охлаждения.

Для испытаний используют технологические пробы (рис. 3.31). В крестовой пробе цифрами указана последовательность наложения швов. В наиболее жестких условиях находится шов 4, где возможно образование трещин.

Рис. 3.31. Крестовая технологическая проба для определения склонности к образованию холодных трещин: 1—4 — порядок наложения швов

Рассмотрим свариваемость сталей — наиболее распространенного материала для производства сварных конструкций. Основная опасность — это образование холодных трещин из-за склонности к получению закаленной структуры. Чем больше в стали углерода, тем выше эта опасность. Аналогично влияние легирующих элементов. Их суммарное влияние на свариваемость Сэ оценивается следующей формулой:

Сэ = С + Мn/6 + (Сг + Mo + V)/5 + (Ni + Cu)/15.

К первой группе относятся стали, у которых СЭ< 0,25 %, они хорошо свариваются без образования трещин. При СЭ = 0,25... 0,35 % стали свариваются удовлетворительно, мало склонны к образованию трещин, но в ряде случаев требуется подогрев. При СЭ = = 0,36...0,45 % свариваемость сталей ограниченная, они склонны к трещинообразованию, их можно сваривать лишь при определенных режимах, требуется подогрев.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.