Какие свойства металлов определяют испытаниями на износостойкость
Износостойкость металлов
Износ — это изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия при трении.
Износ деталей машин, элементов строительных конструкций и других зависит от условий трения и свойств материала изделия. Различают абразивный, кавитационный, контактно-усталостный и другие виды износа.
В табл. 5.1 приведены внешние условия службы для изнашивающихся деталей машин.
Механический износ проявляется в результате взаимодействия трущихся пар.
Силы трения возникают при зацеплении неровностей на движущихся поверхностях. В результате происходит срезывание микроскопических выступов и их дальнейшее измельчение. При этом следует различать хрупкое и вязкое состояние вещества. В хрупком состоянии работа сил трения расходуется на отрыв и измельчение частиц. В вязком состоянии добавляется еще работа пластической деформации отрываемых частиц.
Кроме того, при износе всегда происходит окисление отрываемых частиц, что заметно влияет на результаты износа.
Различают износ первого и второго рода в зависимости от вида трения. Износ первого рода (истирание) сопровождается отрывом частиц металла и потерей массы. Износ второго рода (смятие) сказывается на изменении формы и размеров металлического изделия. Оба эти явления при износе проявляются одновременно.
При трении сопряженных деталей различают следующие виды износа:
- • механический, характеризуемый в основном явлениями механическими (абразивный износ, износ вследствие пластического деформирования, износ вследствие усталостного разрушения в поверхностном слое при трении качения);
- • молекулярно-механический, характеризуемый проявлением молекулярных сил (износ, сопровождаемый схватыванием металлов);
Таблица 5.1
Внешние условия службы для изнашивающихся деталей машин
Тело, изнашивающее деталь | Вид трения | Наличие смазки | Пример изнашивающейся детали (или сопряжения деталей) |
Сопряжения деталей машины | Скольжение | Со смазкой | Вал—подшипник; поршень—цилиндр |
Без смазки | Тормозная колодка и колесо вагона | ||
Качение | Со смазкой | Подшипник качения | |
Без смазки | Опорный ролик по рельсу гусеницы трактора | ||
Твердое сплошное тело | Скольжение | — | Резец о стружку; измерительный калибр о деталь |
Качение | — | Автомобильная шина о твердую поверхность дороги | |
Твердые частицы, сцепленные в непрочную массу | Скольжение | — | Лемех плуга о почву |
Качение | — | Разламывающие бегуны о глину | |
Твердые частицы в потоке | Поток жидкости | Лопатки насоса, качающего воду, содержащую песок | |
Газовый поток | Лопатки дымососов | ||
Движущаяся жидкость | Удар капель воды | Лопатки паровой турбины ступени низкого давления | |
Кавитация | Лопатки центробежного насоса | ||
• коррозионно-механический, характеризуемый проявлением химических взаимодействий металлов со средой или смазкой (окислительный износ).
Каждому виду износа соответствует свое определенное развитие процесса и свои закономерности. В зависимости от вида износа выбирают конкретные меры его предупреждения.
При трении металла о металл следует различать сухой износ и износ со смазкой. При сухом процессе износ определяется свойствами истирающихся металлических поверхностей, при износе со смазкой — кроме того и свойствами самой смазки.
При абразивном износе от трения металла с абразивными телами (почвой, песком, наждаком и т. п.) большую роль играет процесс резания металла твердыми частицами.
Таким образом, износ является следствием механического разрушения зацепляющихся неровностей, усталостного разрушения, повторного механического воздействия неровностей или переменного давления смазки, отслаивания пленок окислов, образующихся при трении, и механического разрушения неровностей, оплавившихся вследствие высокой температуры.
В результате износа изменяются размеры деталей, увеличиваются зазоры между трущимися поверхностями, появляются биения и стук в машинах и механизмах.
Поверхности трения при работе деталей могут не только изнашиваться, но также повреждаться недопустимым образом. Например, в поверхностном слое стали вследствие выделения тепла при трении возможны структурные превращения, ведущие к резкому изменению первоначальных свойств материала или к образованию трещин; при недостатке смазки подшипника возможно расплавление материала подшипника и в связи с этим повреждение вала.
В процессе износа трущихся поверхностей различаются три периода (рис. 5.1): I — приработки, II — установившегося износа, III — усиленного износа, вызываемого изменениями зазоров в трущихся деталях.
Износостойкость (износоустойчивость) — это сопротивление материалов, деталей машин и других трущихся изделий изнашиванию в определенных условиях службы или испытания.
Рис. 5.1. Зависимость величины износа детали от длительности ее работы
Износостойкость оценивается при эксплуатации или во время испытаний на стенде по длительности работы материалов или изделий до заранее заданного или предельного значения износа.
Для увеличения службы деталей следует сократить износ в период приработки (участок I), увеличить время установившегося износа (участок II) и предупреждать наступление усиленного износа (участок III). Это достигается правильным выбором материала трущихся пар, а также всевозможными технологическими и эксплуатационными приемами.
Увеличению износоустойчивости изделий способствует их конструктивное и технологическое усовершенствование (компенсация износа, его равномерное распределение по поверхности, повышение твердости, поверхностная закалка, химико-термическая обработка и пр.), создание условий, снижающих трение деталей (применение специальной смазки, прилипающей тонким слоем к поверхности, в целях замены металлического контакта между деталями контактом по слою смазки, улучшение свойств смазочных материалов, защита от абразивного воздействия и пр.).
Источник
Износостойкость — способность материала оказывать сопротивление изнашиванию.
Изнашивание — процесс разрушения и отделения материала с поверхности твердого тела и (или) развитие деформации, проявляющейся в постепенном изменении размеров и (или) формы изделия при трении.
Износ — результат изнашивания, для его оценки используют следующие показатели:
- • линейный износ (мкм) — изменение размера поверхности тела в перпендикулярном ей направлении;
- • скорость изнашивания (мкм/ч) — отношение величины износа и времени, в течение которого он возник;
- • интенсивность изнашивания (безразмерная величина) — отношение величины линейного износа (потери массы, изменение объема) к пути трения.
Износостойкость оценивается величиной, обратной интенсивности изнашивания.
Условия работы деталей, а также свойства материалов, из которых они изготовлены, обусловливают различный характер износа:
- • абразивный износ возникает, если в зоне трения имеются твердые частицы, при этом происходит микрорезание;
- • окислительный износ — повторяющийся процесс образования на поверхности оксидных пленок и их последующее разрушение;
- • схватывание — образование металлических связей между участками поверхностей контактирующих тел, возникающее при сближении этих участков на расстояния, близкие к межатомным.
Процесс изнашивания протекает во времени неравномерно, отчетливо выявляются три стадии изнашивания (рис. 8.15): приработка 7; установившееся изнашивание 2; катастрофическое изнашивание 3.
Рис. 8.15. Зависимость величины износа Q от времени т:
1 — 3 стадии изнашивания
Период приработки 1 характеризуется повышенной скоростью изнашивания, которая постепенно снижается. Это связано с тем, что во время приработки преобладает пластическое деформирование материалов, при этом площадь фактического контакта деталей трущейся пары возрастает, а давление и температура в зоне контакта снижаются. Когда рельеф поверхности становятся оптимальными, скорость изнашивания снижается до минимума и наступает период установившегося износа.
Установившееся изнашивание 2 характеризуется постоянством условий трения и скорости изнашивания.
Период катастрофического изнашивания 3 наступает при нарушении оптимальных условий трения. При этом возрастают давление и температура в зоне контакта, ухудшаются условия смазки. Это может быть вызвано изменением режимов работы узла, увеличением зазоров в парс трения. При этом меняется характер износа, начинаются процессы микрорезания, а также схватывания из-за повышения температуры.
Изнашивание зависит от многих факторов, поэтому часто проводят специальные испытания, учитывающие и имитирующие конкретные условия работы изделия, а также эксплуатационные испытания машин, которые позволяют оценить надежность и долговечность механизма в целом.
Наряду со специальными испытаниями достаточно широко распространены стандартные испытания на машинах трения.
Рассмотрим для примера установку УМТ-1 (рис. 8.16). Испытания на ней можно выполнять в широком интервале скоростей скольжения и нагрузок.
Испытательная машина состоит из электродвигателя 7, привода 2, на валу которого закреплен образец 3, — один из трущейся пары. К поверхности образца 3 поджимается второй образец пары трения 4, закрепленный в держателе 5. Держатель расположен в узле нагружения 6, перемещаемом с помощью привода 7.
Рис. 8.16. Схема установки УМТ-1:
1 — электродвигатель; 2 — привод; 3 — образец; 4 — пара трения; 5 — держатель; 6 — узел нагружения; 7 — привод
Испытания позволяют определить линейный износ, скорость изнашивания, интенсивность изнашивания и вычислить износостойкость.
Источник
Лекция 1-2
Тема: СТРОЕНИЕ,СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ИСПЫТАНИЯ
1. Строение и свойства металлов
Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:
К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, цвет, блеск, непрозрачность, теплопроводность, электропроводность, тепловое расширение. По плотности металлы разделяют на легкие (до 3000 кг/м3) и тяжелые (от 6000 кг/м3 и выше); по температуре плавления — на легкоплавкие (до 973 К) и тугоплавкие (свыше 1173 К). Каждый металл или сплав обладает определенным, присущим ему цветом.
Прочность— способность металла в определенных условиях и пределах не разрушаясь воспринимать те или иные воздействия, нагрузки. Это свойство учитывается при изготовлении и проектировании изделий, выборе того или иного металла, сплава. Наибольшее напряжение, которое может выдержать металл, не разрушаясь, называют пределом прочности, или временным сопротивлением разрыву. Образцы для измерения прочности подвергают испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, с возрастающей силой растягивает образец до полного разрыва.
Упругость— свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию. Наибольшее напряжение, после которого металл возвращается к своей первоначальной форме, называют пределом упругости. Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, такое состояние называют остаточным удлинением. Далее наступает предел текучести, т.е. образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки.
Пластичность — свойство металла под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Данное свойство также определяется и измеряется на разрывной машине. Высокой пластичностью обладают золото, серебро, платина и их сплавы. Менее пластичны медь, алюминий, свинец. Это свойство металлов имеет большое значение в давильном и штамповочном производстве, волочении, прокатке.
Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки, что необходимо учитывать при выборе инструментов для обработки металлов резанием. Например, важно знать твердость обрабатываемого металла, чтобы подобрать соответствующую фрезу или сверло. Испытания металлов на твердость проводят на специальных приборах — твердометрах.
Выносливость — свойство металлов сопротивляться действию повторных нагрузок. Температурные условия значительно влияют на механические свойства металлов: при нагревании их прочность понижается, а пластичность увеличивается; при охлаждений некоторые металлы становятся хрупкими, например, сталь некоторых марок, цинк и его сплавы. Нехладноломкими являются алюминий и медь.
Хрупкость — некоторые металлы обладают хрупкостью и при нормальных условиях, примером является серый чугун. В производстве изделий учитывается способность металлов поддаваться обработке, т.е. такие их технологические свойства, как ковкость, жидкотекучесть, литейная усадка, свариваемость, спекаемость, обрабатываемость резанием и некоторые другие.
Ковкость — способность металлов подвергаться ковке и другим видам обработки давлением (прокатке, прессованию, волочению, штамповке). Металлы могут коваться в холодном состоянии (золото, серебро, медь), а также в горячем (сталь).
Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять литейную форму. Высокой жидкотекучестью обладают цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин (сплав алюминия с кремнием), латунь, некоторые магниевые сплавы. Низкой жидкотекучестью обладают сталь, красная медь, чистое серебро.
Литейная усадка—уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое. Это необходимо учитывать при изготовлении формы для отливки. Отливка получается всегда меньше модели, по которой сделана форма. Металлы с большой усадкой для литья почти не используют.
Свариваемость — способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. Сплавы свариваются труднее, чистые металлы — легче. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Плохо поддаются сварке чугун и высокоуглеродистые легированные стали.
Из химических свойств металлов и их сплавов наиболее важными в производстве художественных изделий являются растворение (взаимодействие с кислотами и щелочами) и окисление (антикоррозийная стойкость, т.е.стойкость к воздействию окружающей среды — газов, воды и т.д.).
Растворение (разъедание) — способность металлов растворяться в сильных кислотах и едких щелочах. Это свойство широко используется в различных областях производства художественных изделий. Растворение бывает частичное и полное. Частичное применяется для создания чистой поверхности изделия.
Окисление — способность металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов.
Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов.
Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определённым порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решётка.
Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.
Элементарная ячейка – элемент объёма из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:
размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов. В одном направлении выдерживаются строго определенными.
углы между осями ().
координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке.
базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки.
Рис. Схема кристаллической решетки
Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа;
примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;
базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;
объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;
гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней
В металлических материалах, как правило, формируются три типа кристаллических решеток: объемноцентрированная кубическая (ОЦК), гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП). Элементарные ячейки ОЦК, ГЦК и ГП решеток показаны на рис. 9.
Рис. Типы кристаллических решеток металлов.
а) Г.Ц.К, б) О.Ц.К., в) Г.П.У.
Основными типами кристаллических реш¨ток являются:
Объемно – центрированная кубическая (ОЦК), атомы располагаются в вершинах куба и в его центре
Гранецентрированная кубическая (ГЦК), атомы располагаются в вершинах куба и по центру каждой из 6 граней
Гексагональная, в основании которой лежит шестиугольник:
простая – атомы располагаются в вершинах ячейки и по центру 2 оснований (углерод в виде графита);
плотноупакованная (ГПУ) – имеется 3 дополнительных атома в средней плоскости (цинк).
ОЦК решетку имеют такие металлы, как вольфрам, молибден, ниобий, низкотемпературные модификации железа, титана, щелочные металлы и ряд других металлов. Серебро, медь, алюминий, никель, высокотемпературная модификация железа и ряд других металлов имеют ГЦК решетку. ГП решетка у магния, цинка, кадмия, высокотемпературной модификации титана.
2. Физическая природа деформации металлов
Деформацией называется изменение формы и размеров тела под действием напряжений.
Напряжение – сила, действующая на единицу площади сечения детали.
Напряжения и вызываемые ими деформации могут возникать при действии на тело внешних сил растяжения, сжатия и т.д.,
Деформация металла под действием напряжений может быть упругой и пластической.
Упругой называется деформация, полностью исчезающая после снятия вызывающих ее напряжений.
При упругом деформировании изменяются расстояния между атомами металла в кристаллической решетке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает.
Упругая деформация на диаграмме деформации характеризуется линией ОА (рис.).
Рис. Диаграмма зависимости деформации металла от действующих напряжений
Зависимость между упругой деформацией и напряжением выражается законом Гука
где: Е – модуль упругости.
Пластической или остаточной называется деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
В результате развития пластической деформации может произойти вязкое разрушение путем сдвига.
Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.
В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:
статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.
динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.
Прочность – способность материала сопротивляться деформациям и разрушению.
Испытания проводятся на специальных машинах, которые записывают диаграмму растяжения, выражающую зависимость удлинения образца (мм) от действующей нагрузки Р, т.е. .
Но для получения данных по механическим свойствам перестраивают: зависимость относительного удлинения от напряжения
Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора), не деформирующегося при испытании.
3. Методы определения твердости
О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).
Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.
Рис. Схемы определения твердости: а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу
3.1. Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)
Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)
В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.
Нагрузка Р, в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .
Продолжительность выдержки: для стали и чугуна – 10 с, для латуни и бронзы – 30 с.
Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля.
Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:
Стандартными условиями являются D = 10 мм; Р = 3000 кгс; = 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается НВ 250, в других случаях указываются условия: НВ D / P / , НВ 5/ 250 /30 – 80.
3.2. Метод Роквелла ГОСТ 9013
Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)
Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.
Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р1, втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой.
В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости (табл. 7.1)
Таблица
Шкалы для определения твердости по Роквеллу
3.3. Метод Виккерса
Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).
В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине 136o.
Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка F:
Нагрузка Р составляет 5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.
Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои. Высокая точность и чувствительность метода.
Способ микротвердости – для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).
Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании Р составляют 5…500 гс
3.4. Метод царапания.
Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая является мерой. При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.
Можно нанести царапину шириной 10 мм под действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.
3.5. Динамический метод (по Шору)
Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.
Источник