Механичка својства металних материјала односе се на понашање металних материјала под дејством спољашњег оптерећења или комбинованим дејством оптерећења и фактора средине (температура, медијум и брзина оптерећења).
Уобичајена механичка својства метала су приказана у табели испод:
Механичка својства метала
Обично коришћени индекс механичких својстава метала
снага
Јачина течења, затезна чврстоћа, чврстоћа на ломљење
Пластичност
Издужење, смањење површине, индекс деформацијског очвршћавања
еластичност
Модул еластичности (крутост), граница еластичности, пропорционална граница
тврдоћа
Тврдоћа по Бринелу, тврдоћа по Викерсу, тврдоћа по Роквелу
жилавост
Статичка жилавост, ударна жилавост, жилавост лома
умор
Снага замора, век трајања замора, осетљивост на зарезе замора
стрес корозије
Фактор интензитета критичног поља напонске корозије, стопа раста прслине због корозије напона
Крива затезног напрезања-деформације нискоугљичног челика под једноосним статичким оптерећењем
слика
Крива затезне силе-издужења благог челика
1. Пресек оа: еластична деформација
2. Пресек аб: еластична деформација плус пластична деформација
3. Бцд пресек: очигледна пластична деформација, феномен попуштања и континуирано издужење узорка под условом да сила остане у основи непромењена
4. крива сегмента дБ: еластична деформација плус једнолична пластична деформација
5. Тачка Б: јавља се феномен грлића, локални пресек узорка је очигледно смањен, носивост узорка је смањена, сила затезања достиже максималну вредност, а узорак се спрема да се сломи.
индекс снаге
Чврстоћа се односи на способност материјала да се одупре пластичној деформацији и лому.
1. Граница течења
σс {{0}} Фс/С0
Фс: сила затезања (Н) коју узорак носи када попусти; С0: првобитна површина попречног пресека узорка (мм).
2. Затезна чврстоћа
Максимални затезни напон који узорак носи пре лома одражава максималну уједначену отпорност материјала на деформацију.
σб {{0}} Фб/С0
σб се често користи као основа за избор материјала и дизајн крхких материјала.
Пластични индекс
Пластичност је способност материјала да се подвргне пластичној деформацији под статичким оптерећењем без квара.
1. Издужење након прекида
Проценат издужења мерне дужине након што је узорак прекинут на оригиналну дужину мерача.
δ{{0}}(Л1-Л0)/Л*100 процената
Л0: дужина мерача; Л1: мерач дужине испитног комада након ломљења.
2. Смањење површине
Проценат максималног смањења површине попречног пресека на повученом предмету узорка на првобитну површину попречног пресека.
Ψ{{0}}(А0-А1)/А0 *100 процената
А0: Оригинална површина попречног пресека узорка; А1: Површина попречног пресека врата након прелома.
индекс снаге
Чврстоћа се односи на способност материјала да се одупре пластичној деформацији и лому.
1. Граница течења
σс {{0}} Фс/С0
Фс: сила затезања (Н) коју узорак носи када попусти; С0: првобитна површина попречног пресека узорка (мм).
2. Затезна чврстоћа
Максимални затезни напон који узорак носи пре лома одражава максималну уједначену отпорност материјала на деформацију.
σб {{0}} Фб/С0
σб се често користи као основа за избор материјала и дизајн крхких материјала.
Пластични индекс
Пластичност је способност материјала да се подвргне пластичној деформацији под статичким оптерећењем без квара.
1. Издужење након прекида
Проценат издужења мерне дужине након што је узорак прекинут на оригиналну дужину мерача.
δ{{0}}(Л1-Л0)/Л*100 процената
Л0: дужина мерача; Л1: мерач дужине испитног комада након ломљења.
слика
2. Смањење површине
Проценат максималног смањења површине попречног пресека на повученом предмету узорка на првобитну површину попречног пресека.
Ψ{{0}}(А0-А1)/А0*100 процената
А0: Оригинална површина попречног пресека узорка; А1: Површина попречног пресека врата након прелома.
Индекс еластичности
Крутост: Способност материјала да се одупре еластичној деформацији када је напрегнут.
E=σ/ε
σ: затезни напон; ε: затезна деформација
Микроструктура није осетљива на индекс механичких перформанси, а легирање, топлотна обрада и хладна пластична деформација имају мали утицај на њу.
Важни индикатори механичких перформанси за избор материјала механизама и компоненти:
►Други сноп треба да има довољну крутост, иначе ће изазвати вибрације услед превеликог угиба при подизању тешких предмета.
►Машински алат и вретено пресе, лежај и радни сто имају захтеве за крутост да би се обезбедила тачност обраде.
►Главне компоненте као што су мотори са унутрашњим сагоревањем, центрифуге и компресори морају имати довољну крутост да спрече вибрације.
тврдоћа
Способност локалне површине материјала да се одупре пластичној деформацији и квару.
То је индекс за мерење мекоће и тврдоће материјала, а његово физичко значење је повезано са методом испитивања.
Методе испитивања тврдоће: тврдоћа по Бринелу, тврдоћа по Роквелу, тврдоћа по Викерсу, тврдоћа по Шору, тврдоћа по Леебу, тврдоћа по Мохсу
(1) Тврдоћа по Бринелу
Просечан напон по јединици површине, односно количник испитне силе п и сферне површине удубљења.
слика
< 450HB: The test indenter is a quenched steel ball, the hardness symbol is HBS;
<650HB: The test indenter is cemented carbide, and the hardness symbol is HBW.
Емпиријска формула:
Челик са ниским садржајем угљеника: σб≈3.6ХБС;
Високоугљенични челик: σб≈3.4ХБС.
Обим примене: користи се за мерење сивог ливеног гвожђа, конструкцијског челика, обојених метала и неметалних материјала итд.
Предности и мане:
Измерена вредност је тачнија и поновљива;
Нехомогени материјали мерљивог ткива;
Није погодно за испитивање готових производа и танких делова;
Мерење је дуготрајно и неефикасно.
(2) Роцквелл тврдоћа
Вредност тврдоће материјала се изражава мерењем дубине удубљења, а сваки 0.002 мм је еквивалентан 1 јединици тврдоће по Роквелу.
Постоје две врсте индентера:
1. Дијамантски конус са углом конуса =120 степени,
2. Мала каљена челична кугла пречника Φ1.588мм.
Формула за израчунавање Роцквелл тврдоће:
ХР{{0}}(кх)/0,002
Индентер 1: к=0.2мм; Индентер 2: к=0.26мм.
лењир
симбол тврдоће
Тип главе
Укупна испитна сила Ф/Н
Опсег мерења тврдоће
Примери примене
C
ХРЦ
Дијамантски конус
1471
20-70
Каљени челик, ливено гвожђе високе тврдоће, перлитно ковно гвожђе
B
ХРБ
Φ1.588мм челична кугла
980.7
20-100
Меки челик, легура бакра, феритно ковно гвожђе
A
ХРА
Дијамантски конус
588.4
20-88
Карбид, каљени челични лим, каљени челик
Предности и мане:
Тест је једноставан, згодан и брз;
Удубљење је мало, а готов производ и танки делови се могу мерити;
Подаци нису довољно тачни, треба измерити три тачке да би се узела просечна вредност;
Нехомогене материјале као што је ливено гвожђе не треба тестирати.
(3) Викерсова тврдоћа
Вредност тврдоће се израчунава према испитној сили по јединици површине удубљења.
Индентер је дијамантска четвороугаона пирамида са укљученим углом од 136 степени између две супротне површине.
Опсег мерења :
Често се користи за мерење танких делова, премаза, површинских слојева након хемијске топлотне обраде итд.
Предности и мане:
Прецизно мерење и широк спектар примене (тврдоћа од изузетно меке до екстремно тврде);
Мерљиви готови производи и танки делови;
Површински захтеви узорка су високи и радно интензивни.
Ударна жилавост
Способност материјала да се одупре оштећењу под ударним оптерећењима.
Енергија удара Ак потрошена када се узорак разбије је:
Ак=мгХ – мгх (Ј)
Вредност ударне жилавости ак је енергија удара потрошена по јединици површине попречног пресека на зарезу узорка.
ак {{0}} Ак / С0 (Ј/цм²)
Ниска ак вредност - крхки материјал:
Нема очигледне деформације када се сломи, метални сјај, кристалан.
Висока ак вредност - чврст материјал:
Очигледна пластична промена, прелом је сив и влакнаст, досадан.
слика
Чврстоћа лома
Механика лома: Полазећи од премисе признавања постојања макроскопских пукотина у машинским деловима, установљени су различити нови механички параметри ширења прслине и предложени су критеријуми лома и жилавост материјала на лом напуклих тела.
слика
умор
Феномен умора:
Феномен лома узрокован кумулативним оштећењем металних делова или компоненти под дуготрајним дејством флуктуирајућих напона и деформација.
Карактеристике умора:
(1) Замор је лом са временским закашњењем циклуса ниског напрезања, а напон лома је често нижи од затезне чврстоће материјала, или чак од границе течења;
(2) Замор је крт и изненадни прелом, а пре лома неће бити очигледних знакова деформације, што је веома опасно;
(3) Замор је веома осетљив на зарезе, пукотине и структурне дефекте и веома је селективан.
Граница замора σ-1:
Највећа вредност напрезања при којој материјал пролази кроз бројне циклусе напрезања без лома услед замора.
Граница замора стања:
Максимална вредност напрезања која може да издржи 107 циклуса напрезања без прекида.
Емпиријска формула чврстоће челика на замор:
σ-1= (0.45-0.55)σb
или σ-1= 0.27(σс плус σб)
σ-1п= 0.23(σс плус σб)
02
процес топлотне обраде
Дефиниција: Процес промене унутрашње структуре чврстог метала или легуре загревањем, очувањем топлоте и хлађењем да би се добила потребна својства.
слика
Сврха: Један је побољшати перформансе процеса материјала и осигурати несметан напредак накнадне обраде. Ова топлотна обрада се назива третманом пре топлоте; други је побољшање перформанси материјала и продужење радног века делова. Ова топлотна обрада се назива финална топлотна обрада.
Класификација топлотног третмана:
Обична топлотна обрада (четири ватре: жарење, нормализација, каљење, каљење)
Површинска топлотна обрада (површинско гашење, хемијска топлотна обрада)
Друга топлотна обрада (вакумска топлотна обрада, деформациона топлотна обрада, итд.)
Микроструктурна трансформација еутектоидног челика током загревања
Четири корака у процесу трансформације перлита у аустенит:
(1) нуклеација аустенита;
(2) раст аустенита;
(3) Преостали Фе3Ц се раствара;
(4) Хомогенизација аустенита.
слика
слика
Структурна трансформација челика током хлађења
Расхладна трансформација аустенита: Аустенит је стабилна фаза изнад критичне тачке А1, а постаје нестабилна фаза када се охлади испод А1 и доћи ће до трансформације структуре.
Значај: Одређује структуру и својства челика након термичке обраде. За исти челик, температура грејања и време држања су исти, али је начин хлађења другачији, а својства након топлотне обраде су потпуно другачија.
слика
Механичка својства челика 45 загрејаног на 840 степени и хлађеног у различитим условима хлађења
начин хлађења
σб/Мпа
σс/Мпа
δ/ проценат
ψ/ проценат
ХРЦ
Хлађење помоћу пећи
519
272
32.5
49
15~18
ваздушно хлађење
657~706
333
15~18
45~50
18~24
хлађење у уљу
882
608
18~20
48
40~50
хлађење воде
1078
706
7~8
12~14
52~60
Утврђивање криве изотермне трансформације прехлађеног аустенита у еутектоидном челику (метода металографске тврдоће)
Такође позната као "ТТТ крива" (Тиме-Температуре-Трансформатион Цурве), јер је облик сличан "Ц", често се назива "Ц крива".
слика
Уз помоћ "Ц криве" могуће је разумети у какву се структуру аустенит трансформише под различитим условима хлађења и особинама трансформисаних производа, пружајући теоријску основу за исправну формулацију и избор процеса термичке обраде.
Ц крива еутектоидног челика и производи трансформације
слика
1) Трансформација типа перлита (позната и као трансформација високе температуре)
Температура трансформације: А1 ~ 550 степени; производ трансформације: перлит
А1 ~ 6500 степени: перлитни лист је дебљи, П (перлит-перлит)
6500 степени ~ 6000 степени: перлитни слој је тањи, С (сорбит-сорбит)
6000 степени ~5500 степени: бисерни слој је веома фин, Т (троолстите)
слика
Дебљина феритних и цементитних ламеларних слојева перлита повезана је са температуром трансформације. Што је температура нижа, то су перлитне ламеле финије. Слојеви постају тањи, чврстоћа и тврдоћа се повећавају, а пластична жилавост се повећава.
2) Баинитска трансформација (позната и као трансформација средње температуре)
Прелазна температура: 550-Мс (230 степени)
Производ трансформације: Баинит Б (баинит) - мешавина презасићеног Ф и цементита.
слика
550~350 степени: горњи баинитни (горњи Б) перната структура, ниска чврстоћа и пластичност, висока крхкост.
350 степени ~ Мс: доњи баинит (доњи Б) игличаста структура, добре свеобухватне перформансе.
слика
3) Мартензитна трансформација (позната и као трансформација на ниским температурама)
Прелазна температура: Мс (230 степени) ~ Мф
Производ трансформације: мартензит (мартензит) плус А' (заостали аустенит)
Мартензит: Презасићени чврсти раствор угљеника формиран у -Фе, представљен са М.
Класификација:
Мартензит са ниским садржајем угљеника (мартензит са ниским садржајем угљеника): налик на летву, високе чврстоће и дуктилности. Такође познат као летва М (мартензит летве).
Високоугљенични мартензит (високоугљенични мартензит): лентикуларан, плочаст, са избочинама у средини. Има високу чврстоћу, али лошу дуктилност и високу крхкост.
Слика] [слика
Ц крива хипоеутектоидног челика
слика
Ц крива хипереутектоидног челика
слика
Суперохлађени аустенит континуирана трансформација хлађења крива (ЦЦТ крива) (континуирана трансформација хлађења)
слика
жарење
Дефиниција: Загревање метала на одређену температуру, одржавање довољно времена, а затим хлађење одговарајућом брзином
сврха:
рафинирати житарице;
Смањите тврдоћу и побољшајте перформансе обликовања и резања челика;
Уклоните унутрашњи стрес.
Класификација: Према намени и процесним карактеристикама жарења, може се поделити на потпуно жарење, непотпуно жарење, изотермно жарење, сфероидизирајуће жарење, жарење за ублажавање напона итд.
потпуно жарење
л Обим примене: хипоеутектоидни челик
л Температура грејања: Ац3 плус 30-50 степен
л Сврха: побољшати структуру, смањити тврдоћу, побољшати обрадивост,
Уклоните унутрашњи стрес
л Ткиво на собној температури: Ф плус П
слика
Сфероидизирајуће жарење
Обим примене: еутектоидни челик и хипереутектоидни челик
Температура грејања: Ац1 плус 20~30 степени
Намена: за сфероидизацију ретикуларног или љуспичастог Фе3ЦⅡ
Организација: сферни перлит
слика
изотермно жарење
Процес: Загревање на Ац1 плус 30 ~ 50 степени или Ац3 плус 30 ~ 50 степени, након одржавања топлоте, брзо хлађење на температуру испод Ар1, када се А претвори у ткиво П типа, извадите га из пећи и охладите на ваздуху .
Организација: класа П
Предности: кратко време жарења, уједначена структура
слика
Рељефно жарење
Сврха: уклањање заосталог напрезања
грејање
Температура: Т грејање < АЦ1 (500 ~ 600 степени)
Примена: Елиминишите заостало унутрашње напрезање одливака, отковака, заварених елемената итд.
слика
Хомогенизационо жарење (дифузионо жарење)
Сврха: Елиминисати сегрегацију; уједначен састав, организација
Температура грејања: АЦ3＋150-250 степен
Организација: хипоеутектоидни челик је П плус Ф.
Примена: Углавном се користи за инготе, одливке и отковке од легираног челика са високим захтевима квалитета.
Рекристализационо жарење
Процес: Загревање до 50-150 степена испод Ац1, или Т плус 30-50 степена, одржавање топлоте и споро хлађење.
Сврха: Елиминисати радно очвршћавање и вратити пластичност и жилавост челика.
Примена: Елиминисати радно очвршћавање радних предмета након хладног рада. Као што је жарење усред процеса извлачења челичне жице.
Нормализација
Дефиниција: Процес термичке обраде у коме се радни предмет загрева до 30-50 степена изнад Ац3 или Аццм, извади се из пећи након очувања топлоте и охлади на ваздуху.
сврха:
Челик са ниским садржајем угљеника: повећајте тврдоћу и олакшајте сечење.
Хипереутектоидни челик: Елиминишите ретикуларни секундарни цементит, који је користан за П сфероидизацију.
Челик са средњим угљеником и нисколегирани челик средњег угљеника: напон није велики, а захтеви за перформансе нису високи, што се може користити као завршни топлотни третман.
слика
Гашење
слика
Сврха: Добити структуру под М или Б, и побољшати тврдоћу и отпорност на хабање челика.
Избор температуре гашења
Хипоеутектоидни челик: АЦ3 плус 30-50 степен;
Еутектоидни челик и хипереутектоидни челик: АЦ1 плус 30-50 степен .
слика
Хлађење гашењем је кључ за одређивање квалитета гашења, а идеална брзина хлађења треба да буде као што је приказано на слици.
Изнад 650 степени, споро, смањите термички стрес
650-400 степен, брзо, избегавајте Ц криву
Испод 400 степени, споро, смањите напон фазног прелаза
слика
Обично коришћени медијум за гашење
Тренутно, расхладни медији који се најчешће користе у производњи су уље, вода и раствор соли, а њихов капацитет хлађења се узастопно повећава.
Вода: јака способност гашења, али на површини радног предмета постоје мекане тачке које се лако деформишу и пуцају.
Слана вода: способност гашења је јача, површина радног предмета је глатка и чиста, без меких тачака, али се лакше деформише и пуца;
Уље: Способност гашења је слаба, али радни предмет није лако деформисати и пуцати
Уобичајени метод хлађења гашењем (метода хлађења гашењем)
слика
Нарав
Дефиниција: слика
Главна сврха каљења
Уклоните унутрашњи стрес и смањите ломљивост
Стабилне димензије ткива и обрадака
Смањите тврдоћу, побољшајте пластичност
Промене у структури и особинама каљења
Структурна трансформација каљеног челика током каљења се углавном дешава у фази загревања. Како температура загревања расте, структура каљеног челика пролази кроз четири фазе промене.
1. Разлагање мартензита
Фаза каљења: Приликом каљења на<100°C, the structure does not change; when heating at 100~200°C, martensite will decompose.
Добијена организација: каљени мартензит М пута (презасићени чврсти раствор).
Перформансе се мењају: унутрашњи стрес се постепено смањује, а перформансе у основи остају исте.
2. Распадање задржаног аустенита
Фаза каљења: 200-300 степен . А' се разлаже и трансформише у Б.
Добијена организација: М (Каљени мартензит) указује
Промене перформанси: Напрезање је додатно смањено, а снага и тврдоћа су благо смањене.
3. Завршено је распадање мартензита и формирање цементита
Фаза каљења: 300-400 степен . ε карбиди се претварају у стабилан цементит.
Добијена организација: Темперед Троостите, коју представља Т (Темперед Троостите).
Перформансе се мењају: унутрашњи напон је у основи елиминисан, тврдоћа се смањује, а пластична жилавост се повећава.
4. Раст и опоравак Фе3Ц агрегата и рекристализација чврстог раствора
Фаза каљења: изнад 400 степени. Фаза почиње да се опоравља, а рекристализација се дешава изнад 500 степени;
Добијена организација: Темперед Сорбите, коју представља С (Темперед Сорбите).
Промене у перформансама: постигнуте су добре укупне перформансе.
Микроструктура и механичка својства каљеног челика
занатство
температура каљења
(степен)
Ткиво након каљења
Тврдоћа након каљења (ХРЦ)
Карактеристике
користити
каљење на ниској температури
150-250
М назад
58-64
Висока тврдоћа, висока отпорност на хабање; крхкост, смањен унутрашњи стрес
алатни челик,
Котрљајни лежајеви, карбурисани делови итд.
Каљење на средњим температурама
250-500
Т назад
35-50
Виша граница еластичности и граница попуштања, уз одређену пластичност и жилавост
челик за опруге,
Топли радни калуп
каљење на високој температури
500-600
С назад
25-35
добре укупне перформансе
важних конструктивних делова
Општи тренд механичких својстава се мења током каљења: Са повећањем температуре каљења, чврстоћа и тврдоћа челика се смањују, а пластичност и жилавост повећавају.
Површинска топлотна обрада (површинска топлотна обрада)
Површинска топлотна обрада: процес топлотне обраде који само загрева површину радног предмета да би се променила његова структура и својства.
Класификација: површинско гашење и хемијска термичка обрада.
У производњи постоји много делова који захтевају да површина и језгро имају различита својства. Генерално, површина има високу тврдоћу, високу отпорност на хабање и чврстоћу на замор; док језгро захтева бољу пластичност и жилавост.
У овом случају, почевши од самог избора материјала или коришћењем обичних метода топлотне обраде, не може испунити његове захтеве. Начин решавања овог проблема је површинска топлотна обрада.
површинско гашење
Дефиниција: Процес термичке обраде који само гаси ( плус темперира) површину радног комада
Намена: Учинити површину радног предмета тврдом и чврстом.
Челик за површинско каљење: средње угљенични конструкциони челик (0.4% -0.5% садржај угљеника)
Методе: површинско очвршћавање индукционим загревањем и површинско очвршћавање пламеном.
Индукционо површинско гашење
Основни принцип: Индукциони калем се напаја наизменичном струјом → ствара вртложну струју (скин ефекат) → добија А на површини → добија М воденим хлађењем.
Класификација:
Високофреквентно индукционо грејање:
200~300кХз, 0,5~2,5мм;
Индукционо грејање средње фреквенције:
0.5~10кХз, 2~10мм;
Индукционо грејање са фреквенцијом струје:
50Хз, 10-20мм.
Правило: Што је струјна фреквенција већа, дубина очврслог слоја је мања.
гашење површине загревања пламена
Дефиниција: Гашење површине загревања пламеном је примена пламена кисеоника-ацетилена (или другог запаљивог гаса) за загревање површине делова, а затим њихово брзо гашење. Дубина очврслог слоја је углавном 2 до 6 мм.
Примена: погодно за једноделну и малу серијску производњу.
Хемијска термичка обрада челика
Дефиниција: Процес топлотне обраде у коме се челични део држи у активном медијуму на одређеној температури да би се омогућило да један или више елемената продре у његову површину како би променили његов хемијски састав, структуру и перформансе.
Класификација: Према различитим инфилтрираним елементима, хемијска топлотна обрада се може поделити на карбуризацију, нитрирање, карбонитрирање, боронизацију, алуминијумизацију итд.
Основни процес:
① Разградња: Учините да хемијски медијум разложи активне атоме који продиру у елементе током процеса загревања и очувања топлоте;
② Апсорпција: Активни атоми се адсорбују на површини радног предмета и формирају чврсте растворе или специјална једињења;
③ Дифузија: Инфилтрирани атоми дифундују према унутра са површине радног предмета да би формирали дифузиони слој са одређеном дубином, односно инфилтрирани слој
Карбуризација челика (Царбуризе оф стеел)
слика
Сврха: Побољшати тврдоћу и отпорност на хабање површине радног предмета
Челик за карбуризацију: челик са ниским садржајем угљеника или легирани челик са ниским садржајем угљеника
Средњи: најчешће коришћени гасови (керозин, бензол итд.), са атомима активног угљеника.
Температура: у зони аустенита, 900-950 степен
Време: У зависности од дубине процедног слоја, око 10 сати.
Друге методе хемијске термичке обраде
Нитрирање: Процес топлотне обраде који инфилтрира активне атоме азота у површину радног предмета на одређеној температури. Побољшајте површинску тврдоћу, отпорност на хабање, чврстоћу на замор, термичку тврдоћу и отпорност делова на корозију.
Карбонитрирање (карбонитрирање): Угљеник и азот продиру у површину радног предмета у исто време. Побољшајте површинску тврдоћу, отпорност на замор и отпорност на хабање и комбинујте предности карбуризације и нитрирања.
Хромирање: Има добру отпорност на корозију и одличну отпорност на оксидацију, тврдоћу и отпорност на хабање, и може заменити нерђајући челик и челик отпоран на топлоту за производњу алата.
Боронизација: веома одлична отпорност на хабање, отпорност на корозију и отпорност на хабање блата, отпорност на хабање је очигледно боља од слојева нитрирања, угљеника и карбонитрирања, али није отпорна на атмосферску и водену корозију. Углавном се користи за делове пумпе за блато, матрице за вруће радове и прибор за рад.
