какие свойства относятся к эксплуатационным свойствам

Технологические и эксплуатационные свойства конструкционных материалов

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам.

Прокаливаемость — способность стали приобретать в результате закалки мартенситную или мартенситно-трооститную структуру с высокой твердостью в слое определенного размера. Количественно прокаливаемость характеризуется критическим диаметром dкр, представляющим собой максимальный диаметр заготовки, в которой в результате закалки получается мартенситная или полумартенситная (50 % мартенсита + 50 % троостита) структура.

Обрабатываемость — способность материалов подвергаться механической обработке резанием. Это технологическое свойство можно оценивать одним или несколькими показателями, к которым относят допустимую скорость резания, стойкость инструмента при стандартных режимах резания; шероховатость обработанной поверхности и т. п. Производительность и себестоимость обработки зависят главным образом от допустимой скорости резания, поэтому данный показатель обрабатываемости является основным. Это свойство материалов определяется их химическим составом, структурным состоянием, механическими и теплофизическими свойствами. Так, из всех конструкционных материалов, применяемых в машиностроении, магний обладает наиболее высокой обрабатываемостью. Однако он склонен к возгоранию в процессе механической обработки, поэтому при резании требуется соблюдение специальных мер техники безопасности.

Способность объемной заготовки принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузке оценивается деформируемостью. Это технологическое свойство определяется сопротивлением деформированию и пластичностью, которые, в свою очередь, зависят от строения атома, атомно-кристаллического строения, химического состава, макро- и микроструктуры материала, а также от условий деформирования. Наиболее широкое применение в процессах обработки давлением получили заготовки из стали, алюминиевых, магниевых, медных и титановых сплавов.

К литейным свойствам металлов относят такие технологические свойства, которые проявляются при заполнении литейной формы и кристаллизации отливок в форме. Наиболее важные литейные свойства — жидкотекучесть, усадка (объемная и линейная), склонность сплавов к ликвации, образованию трещин, усадочных раковин и пористости, поглощению газов и др. На литейные свойства влияют химический состав расплава, температура его заливки, скорость охлаждения сплава в форме, масса, конструкция отливки и литейной формы. Так, серый чугун обладает высокими литейными свойствами, и отливки из этого сплава могут быть получены как в песчаных, оболочковых, так и в металлических формах. Он имеет высокую жидкотекучесть, которая позволяет изготавливать отливки с минимальной толщиной стенки 3. 4 мм, и малую усадку (0,9. 1,3 %), обеспечивающую получение отливок без усадочных раковин, пористости и трещин.

Свариваемость — технологическое свойство материалов или их сочетаний при установленной технологии сварки образовывать соединения, отвечающие конструктивным требованиям и условиям эксплуатации изделия. Свариваемость зависит, с одной стороны, от материала, технологии сварки, конструктивного оформления соединения, а с другой — от требуемых эксплуатационных свойств сварной конструкции. Если требования к эксплуатационным свойствам сварных соединений выполняются, то свариваемость материала считается хорошей. При пониженной свариваемости образуются горячие и холодные трещины в шве и зоне термического влияния. К таким дефектам склонны высокоуглеродистые и легированные стали, магниевые и алюминиевые сплавы.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для изготовления конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Например, широкому внедрению композиционных материалов препятствуют их низкие технологические свойства.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях:

износостойкость — способность материала оказывать сопротивление изнашиванию в определенных условиях трения, оцениваемое величиной, обратной скорости изнашивания или интенсивности изнашивания;

коррозионная стойкость — способность материала сопротивляться воздействию 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 обеспечивать низкий коэффициент трения скольжения.

Эти и другие эксплуатационные свойства определяют в ходе специальных испытаний в зависимости от условий работы изделий. При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, физико-химические, технологические и эксплуатационные свойства.

Источник

Какие свойства относятся к эксплуатационным

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

1. Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2. Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

7. Герметичность – способность изделия (корпуса), отдельных её элементов и соединений препятствовать газовому или жидкостному обмену между средами, разделёнными этой оболочкой

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Эти свойства оп­ределяют в зависимости от условий работы ма­шины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепен­ному изменению размеров и формы тела вслед­ствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа об­разцов или деталей определяют различными спо­собами: измерением размеров, взвешиванием об­разцов и другими методами.

На герметичность или плотность испытывают емкости для хранения жидкостей, сосуды и трубопроводы, работающие при избыточном давлении, путем гидравли­ческого и пневматического нагружений, с помощью течеискателей и керо­сином.

При гидравлическом испытании емкости наполняют водой, а в сосу­дах и трубопроводах создают избыточное давление жидкости, превышаю­щее в 1,5-2 раза рабочее давление. В таком состоянии изделие выдержива­ют в течение 5-10 мин. Изделие осматривают в целях обнаружения течи, ка­пель и отпотеваний. При пневматическом испытании в сосуды нагнетают сжатый воздух под давлением, которое на 0,01-0,02 МПа превышает атмо­сферное. Соединение смачивают мыльным раствором или опускают в воду. Наличие неплотности в изделии определяют по мыльным или воздушным пу­зырькам.

При испытании с помощью течеискателей внутри сосуда создают ва­куум, а снаружи изделие обдувают смесью воздуха с гелием. При наличии неплотностей гелий проникает в сосуд, откуда отсасывается в течеискатель со специальной аппаратурой для его обнаружения.

При испытании керосином изделие с одной стороны смазывают керосином, а с другой – мелом. При наличии неплотности на поверхности изделия, окрашенного мелом, появляются темные пятна керосина. Благодаря высокой проникающей способности керосина, можно обнаружить поры диаметром в несколько микрометров.

5. НЕРАЗРУШАЮЩИЙ КОНТРОЛЬ

В зависимости от физических явлений, положенных в основу неразрушающего контроля подразделяет его на виды (ГОСТ 18353-79 “Контроль неразрушающий. Классификация видов и методов”):

Вид контроля – это условная группировка методов неразрушающего контроля, объединенная общностью физических принципов, на которых они основаны. Методы каждого вида неразрушающего контроля классифицируются по определенным признакам:

– характеру взаимодействия физических полей с объектом;

– первичным информативным параметрам;

– способам получения первичной информации.

5.1. Визуально-оптический контроль (ВОК)

Задачи ВОК

Глаз человека исторически являлся основным контрольным прибором в дефектоскопии (РД 03-606-03. ИНСТРУКЦИЯ ПО ВИЗУАЛЬНОМУ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОМУ КОНТРОЛЮ). Глазом контролируют исходные материалы, полуфабрикаты, готовую продукцию, обнаруживают отклонения формы и размеров, изъяны поверхности и другие дефекты в процессе производства и эксплуатации: остаточную деформацию, пористость поверхности, крупные трещины, подрезы, риски, надиры, следы наклёпа, раковины и т.д.

Однако возможности глаза ограничены, например, при осмотре быстро перемещающихся объектов или удалённых объектов, находящихся в условиях малой освещённости. Даже при осмотре предметов, находящихся в покое на расстоянии наилучшего зрения в условиях нормальной освещённости, человек может испытывать трудности из-за ограниченной разрешающей способности и контрастной чувствительности зрения.

Для расширения возможностей глаза используют оптические приборы. Они увеличивают угловой размер объекта, при этом острота зрения и разрешающая способность глаза увеличиваются примерно во столько же раз, во сколько увеличивает оптический прибор (ГОСТ 23479-79 Контроль неразрушающий. Методы оптического вида.). Это позволяет увидеть мелкие дефекты, невидимые невооружённым взглядом, или их детали. Однако при этом существенно сокращается поле зрения и глубина резкости, поэтому обычно используются оптические приборы с увеличением не более 20-30Х.

Оптические приборы эндоскопы позволяют осматривать детали и поверхности элементов конструкции, скрытые близлежащими деталями и недоступные прямому наблюдению (Рис.5.1.).

Рис.5.1. Внешний вид эндоскопа

Визуальный контроль с использованием оптических приборов называют визуально-оптическим.

Визуально-оптический контроль и визуальный осмотр – наиболее доступный и простой метод обнаружения поверхностных дефектов деталей.

Основные преимущества этого метода – простота контроля, несложное оборудование, сравнительно малая трудоёмкость.

К недостаткам следует отнести низкую достоверность и чувствительность, поэтому такой метод контроля применяют в следующих случаях: для поиска поверхностных дефектов (трещин, пор, открытых раковин и т.п.) при визуально-оптическом контроле деталей, доступных для непосредственного осмотра, а также более мелких трещин при цветном, капиллярном, люминесцентном, магнитопорошковом и рентгенографическом контроле; для обнаружения крупных трещин, мест разрушения конструкций, течей, загрязнений, посторонних предметов внутри закрытых конструкций; для анализа характера и определения типа поверхностных дефектов, обнаруженных при контроле каким-либо другим методом дефектоскопии (акустическим, токовихревым, и т.д.).

Следует помнить, что дефекты даже относительно больших размеров, невидимые невооружённым глазом из-за малого контраста с фоном, при использовании оптических приборов, как правило, не обнаруживаются.

Современные методы оптического контроля основаны на взаимодействии светового излучения с поверхностью контролируемого объекта. При этом рассматриваются такие спектральные характеристики, как:

– коэффициент спектрального излучения и поглощения;

Спектральный коэффициент поглощения α(λ) является отношением потока излучения, поглощенного внутри оптически прозрачной среды, к падающему потоку излучения.

– спектральный коэффициент пропускания;

Спектральный коэффициент пропускания τ(λ) представляет собой отношение потока излучения, прошедшего через среду, к потоку энергии, упавшему на ее поверхность.

Спектральный коэффициент отражения ρ(λ) определяют для составляющих светового потока с параллельными и перпендикулярными колебаниями по отношению к плоскости падения

и показатель преломления.

Показатель преломления является отношением скорости распространения монохроматического электромагнитного излучения в вакууме к зависимой от длины волны скорости распространения его в какой-либо среде.

Спектральный коэффициент отражения, спектральный коэффициент пропускания и спектральный коэффициент поглощения связаны соотношением:

Технологические свойства материалов характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

Литейные свойства характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок. К основным литейным свойствам относятся: жидкотекучесть, усадка и склонность к ликвации.

Жидкотекучесть — это способность жидких металлов и сплавов течь по каналам литейной формы, заполнять ее полости и четко воспроизводить рельеф отливки. Жидкотекучесть сплава зависит от его физико-химических свойств и технологических факторов, прежде всего — температуры заливки. Для сплавов, затвердевающих при постоянной температуре (чистые металлы) или в узком интервале температур (до 30 °С) характерно последовательное затвердевание с образованием сплошной твердой корки на поверхности канала формы. Внутри этой корки остается жидкая фаза, способная затекать в канал. Сплавы с широким интервалом температур кристаллизации затвердевают с образованием разветвленных дендритов по всему сечению потока. Эти расплавы теряют способность течь в канале формы при наличии твердой фазы 20…30% объема. С повышением температуры перегрева сплава жидкотекучесть увеличивается.

Усадка — это свойство литейных сплавов уменьшаться в объеме и линейных размерах при затвердевании и охлаждении. Усадочные процессы протекают с момента заливки расплавленного металла в форму вплоть до полного охлаждения отливки. На величину усадки влияют, прежде всего, химический состав сплава, температура заливки и свойства литейной формы. С повышением температуры заливаемого сплава усадка отливки увеличивается. Различают линейную и объемную усадку. Линейная усадка — это уменьшение линейных размеров отливки при ее охлаждении от температуры заливки до температуры окружающей среды:

где елин — линейная усадка, %; Ьф и Lm — размеры полости формы и отливки при температуре 20 °С, мм.

Объемная усадка — это уменьшение объема сплава при его охлаждении в литейной форме

Ликвация — это неоднородность химического состава по сечению отливки. Ликвация возникает в процессе затвердевания отливки вследствие различной растворимости отдельных компонентов сплава в его жидкой и в твердой фазах. Чем больше это различие, тем неоднороднее распределяются компоненты. Различают два основных вида ликвации: внутрикристаллическую (или дендритную), характеризующуюся неоднородностью зерна металла, и зональную, когда различные зоны отливки имеют различный химический состав. Простейший случай ликвации связан с большой разницей плотностей компонентов сплава. Так, при литье свинцовой бронзы в нижних частях отливки содержание свинца будет выше, чем в верхних частях. Концентрация меди (более легкого компонента), наоборот, увеличится в верхних частях отливки.

Способность материала к обработке давлением — способность материала, не разрушаясь, изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок. Эта способность материалов контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание и на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб. Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Свариваемость определяют по качеству сварного шва.

Обрабатываемость резанием характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства материала характеризуют способность материала «работать» в конкретных условиях. К ним относятся: износостойкость (способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения); коррозионная стойкость (способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред); жаростойкость (способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре); жаропрочность (способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах); хладостойкость — способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах; антифрикционность (способность материала прирабатываться к другому материалу). Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

Материалы обладают определенным набором свойств. Различают физические, химические, механические, технологические и эксплуатационные свойства материалов, которые предопределяют их применение в той или иной отрасли промышленности.

К основным физическим свойствам относятся плотность, электро- и теплопроводность, намагниченность, температура плавления, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения и др.

К механическим свойствам материала относятся прочность, пластичность, твердость, ползучесть, ударная вязкость, усталость, износостойкость.

Прочность – способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок.

Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него другого, не получающего остаточной деформации, тела.

Пластичность – способность материала получать остаточное (остающееся после удаления нагрузки) изменение формы и размеров без разрушения. Характеристикой пластичности являются относительное удлинение и сужение испытуемого образца.

Ударная вязкость – это прочность при динамических нагрузках, Дж/м2:

где А – работа, затраченная на разрушение образца; F – площадь образца в месте надреза.

Ползучесть – свойство материала медленно деформироваться под действием постоянно растягивающей нагрузки, которая создает напряжение ниже предела упругости данного материала.

Усталость материала – свойство постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящих к образованию трещин и разрушению. Свойство материалов сопротивляться усталости называется выносливость сопротивлением усталости). Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости.

Предел выносливости это наибольшее напряжение, которое материал может выдержать без признаков разрушения после заданного числа нагружений знакопеременным изгибом или другим видом деформации при закреплении испытуемого образца одним концом.

Одним из показателей сопротивления усталости является живучесть под которой понимают долговечность детали от момента зарождения первой макроскопической трещины усталости размером 0,5-1,0 мм до окончательного разрушения.

Технологические свойства характеризуются способностью материала приобретать заданную форму под действием различных факторов (температуры, давления и др.), подвергаться механической обработке, соединяться различными методами (сваркой, склеиванием) и т.д. Отсюда следует, что они имеют важное значение при выборе способа изготовления деталей, так как должны обеспечить возможно меньшую трудоемкость конструкций.

К технологическим свойствам материалов относятся литейные свойства (жидкотекучесть, усадка, склонность к ликвации), деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.

Жидкотекучесть способность расплавленного мате- риала заполнять литейную форму.

Усадка – уменьшение линейных размеров (объема) залитого в форму материала в процессе остывания отливки.

Ликвация – сегрегация, неоднородность химического состава сплава, возникающая при его кристаллизации.

Текучесть – способность порошка заполнять пресс- форму.

Спекаемость – прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

Прессуемость способность порошка уплотняться под действием внешней нагрузки и обеспечивать высокую прочность сцепления частиц после прессования.

Свариваемость – способность материала давать прочное неразъемное соединение при нагреве свариваемых кромок до температуры плавления или белого каления и приложения определенного давления (ударов или сжатия).

Деформируемость (ковкость) – способность материала принимать необходимую форму под действием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении.

Прокаливаемость – способность металла воспринимать закалку на некоторую глубину от поверхности.

Обрабатываемость – способность материала поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество поверхностного слоя.

К эксплуатационным относятся свойства материала, непосредственно влияющие на показатели, характеризующие целевое назначение изделия.

Коррозионная стойкость – сопротивление материала действию агрессивных сред (кислотных, щелочных и т.п.).

Хладостойкость – способность материала сохранять требуемые пластические свойства при низких рабочих температурах.

Жаропрочность – способность материала сохранять требуемые механические свойства при высоких рабочих температурах.

Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Антифрикционность способность материала прирабатываться по трущимся поверхностям к другому материалу.

Изнашиваемость – свойство материала изменять размеры, форму, разрушать поверхностный слой или изменять состояние его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок при трении сопрягаемых поверхностей.

Износоустойчивость – способность материала оказывать сопротивление изнашиванию, оцениваемое величиной обратной скорости изнашивания.

Свойства некоторых чистых металлов и цветных сплавов приведены в табл. 3.5 и 3.6. Свойства некоторых неметаллических материалов приведены в табл. 3.7.

Свойства некоторых чистых металлов

Источник

Эксплуатационные свойства

Выбор материала для какой-либо детали, обладающего заданными физическими, химическими, механическими и технологическими свойствами должен обеспечить и соответствующие эксплуатационные свойства, чтобы эта деталь работала в машине, механизме или конструкции надёжно и долговечно и не сломалась в самый неподходящий момент. К эксплуатационным свойствам относятся: износостойкость, жаростойкость, хладностойкость, жаропрочность и антифрикционность. Исходя из условий эксплуатации проводят испытания образцов из материала детали для измерения того или другого свойства. На специальных испытательных машинах – механических стендах создают условия работы для образца, близкие к реальным для детали и через определённые промежутки времени измеряют проверяемый параметр. По результатам испытаний рассчитывают срок службы детали.

Износостойкость – сопротивление изнашиванию, то есть изменению размеров и формы детали вследствие разрушения поверхностного слоя материала при трении. Процесс изнашивания приводит к поломке детали, так как её размер становится меньше и деталь не выдерживает нагрузки. Следует отметить, что износ – это величина изношенного слоя материала (мм). Чем ниже коэффициент трения (резина – 0,5; текстолит – 0,25; сталь – 0,15; бронза – 0,1; капрон – 0,055; алмаз – 0,02) и выше твёрдость материала детали (у закалённой стали выше, чем у незакалённой), тем выше износостойкость поверхности.

Хладностойкость – сохранение материаломдеталиработоспособности при низких температурах (качественная сталь – минус 30 °С, легированные стали – минус 150 °С, алюминиевые и медные сплавы – минус 200 °С. фторопласт-4 и полиэтилен – минус 70°С, специальные резины – минус 70 °С).

Жаропрочность –сохранение материаломпрочности на достаточном для эксплуатации уровне при высоких температурах (сплавы «нихром» – 700. 1000 °С, жаропрочные легированные стали – 500. 750 °С).

Антифрикционность – сохранение низкого сопротивления трению в заданных условиях эксплуатации. Это свойство взаимосвязано с износостойкостью, но оба они относятся к различным критериям работы поверхностей трущихся деталей: антифрикционность (баббиты, фторопласт-4) позволяет не снижать эксплуатационные характеристики машины в целом, а износостойкость предохраняет трущиеся поверхности деталей от разрушения истиранием (трением).

Источник