МАТЕРІАЛОЗНАВСТВО(судноперевізники)

Відомо, що вантаж, прикладений до металевого стержня, викликає в ньому розтягуючі напруження, які визначають як відношення навантаження до площі поперечного перерізу стержня:

σ = Р / F 0

де σ – напруження, Па; Р – навантаження, Н; F 0 – площа початкового поперечного перерізу, м2.

Порівняння міцності та пружності металів проводять за величиною граничних напружень.

Міцність визначається межею міцності σ В , яка дорівнює відношенню максимального (найбільшого) навантаження, яке викликає руйнування стержня, до площі його початкового поперечного перерізу:

σ В = Р max/ F 0

( 1 )

де Р max – максимальне навантаження, Н; F 0 – площа початкового поперечного перерізу стержня, м2 .

Границя міцності, що називається також тимчасовим опіром, – найважливіша характеристика. Якщо напруження у виробі, конструкції або інструменті перевищать границю міцності, то вони руйнуються.

Пружність оцінюється межею пружності σ пр, яка дорівнює відношенню найбільшого навантаження, яке не викликає залишкових деформацій стержня, до площі його початкового поперечного перерізу

σ п р = Р пр/ F 0	( 2 )
де Р пр – найбільше навантаження, що	не викликає залишкових
деформацій, Н.

Якщо напруження в деталях перевершать межу пружності, то вони змінять свою форму і розміри, що може мати катастрофічні наслідки. Пластичність металів характеризується відносним подовженням та відносним поперечним звуженням.

Відносним подовженням називається відношення приросту довжини стержня після розриву до його початкової довжини:

	(3)
де – l0	початкова довжина зразка, мм; l1 – довжина зразка після розриву,
мм; l1 – l0 =	l – абсолютне подовження, мм.

Відносним звуженням називається ψ відношення зменшення площі поперечного перерізу стержня після розриву до початкової площі його поперечного перерізу:

(4)

де F0 – початкова площа поперечного перерізу стержня, мм2; F1 – площа поперечного перерізу стержня після розриву у мм2; F0 – F1= F абсолютне звуження, мм2.

Чим більше значення відносного подовження і звуження, тим пластичніше метал. У крихких металів ці величини незначні або дорівнюють нулю. Крихкість металу є негативною властивістю, а пластичність позитивною.

Випробування металів на розтягування проводять на розривних машинах, які забезпечують прикладання до зразків статичних, тобто постійних або плавно зростаючих навантажень, для випробування застосовують зразки певних розмірів і форм (рис. 10). Від форми і способу виготовлення залежить точність результатів випробувань. Доказано, що порівнянні результати одержуються лише при подібності форм зразків, способів обробки і точок прикладення діючих сил.

Як правило, випробування на розтягування виконують в слідуючому порядку. На випробуваний зразок наносять дві точки, які обмежують розрахункову довжину, діаметр чи ширину і товщину зразка. Зразок закріплюють в захватах розривної машини і створюють навантаження. За шкалою приладу розривної машини визначають найбільше навантаження Р max, яке витримує зразок до зруйнування. Знаючи початкову площу поперечного перерізу зразка, можна обчислити межу міцності за формулою (1).

Щоб визначити пластичність, половинки зразка складають разом і виміряють лінійкою або штангенциркулем довжину розрахункової частини, а значення абсолютного або відносного подовжень обчислюють за формулою (3). Абсолютне подовження можна знайти по спеціальній масштабній лінійці на розривній машині.

Для визначення відносного звуження штангенциркулем або мікрометром виміряють діаметр, або ширину і товщину зразка в місці розриву. Потім обчислюють площі поперечного перерізу зразка до і після розриву і розраховують відносне звуження за формулою (4). На практиці пластичність визначається величиною відносного подовження.

Крихкі метали (чавун, гартована сталь і ін.), які працюють на вигин, випробовують не лише на розтягування, але і на вигин (рис. 11). При цьому визначають межу міцності на вигин (σвиг) за відповідними формулами. Випробування проводять на розривних машинах, які мають для цього спеціальні пристосування у вигляді двох опор, на які кладуть зразок.

а)

б)
Рисунок 10 – Зразки для випробувань	Рисунок 11 – Схема
на розтягування: а) плоский, б) крутий;	випробування зразка на вигін:
1 – головка; 2 – робоча частина	1 – зразок; 2 – опори

Посередині зразка створюють рівномірно зростаюче навантаження до його руйнування.

Межа міцності на вигин – найважливіша характеристика металів конструкцій, що працюють на вигин. Випробуванню на вигин піддають більшість суднобудівних металів.

Більш точні результати випробувань металів на розтягування одержують за допомогою розривної машини. Самописний прилад автоматично викреслює на міліметровому папері діаграми розтягу, які показують залежність подовження зразка від розтягуючого навантаження.

На діаграмах (рис. 12) видно, що спочатку при збільшенні навантаження зростає пропорціонально йому подовження зразка (відрізок Оа). Точка а на діаграмах відповідає навантаженню границі пропорціональності Рn і практично відповідає навантаженню межі пружності Рy. При більших навантаженнях подовження зразка не буде підлягати закону пропорціональності, що викличе залишкові деформації.

Збільшимо навантаження до так званого навантаження границі текучості . При цьому довжина зразка буде збільшуватися без збільшення навантаження (відрізок бб рис. 12, а).

Відношення навантаження Р Т , до площі поперечного перерізу зразка F

називається границею текучості:

σТ = РТ / F

для металів, які не мають при випробуваннях участка текучості, визначають умовну границю текучості при залишковому подовженні, яке дорівнює 0,2 % розрахункової довжини зразка, (рис. 12, б).

Умовною границею текучості називається напруження, при якому зразок одержує залишкове подовження, яке дорівнює 0,2 % своєї розрахункової довжини

σ0,2 = Р0,2 / F

де P0,2 – умовне навантаження границі текучості, Н.

а)

б)

Рисунок 12 – Діаграма розтягування металів: а – пластичних; б – крихких

Величини σ0,2 і σТ характеризують міцність металів. Якщо напруження в деталі досягли величин σТ і σ0,2, то вона не відновить свою форму і розміри після припинення дії навантаження.

При навантаженні вище Pmax довжина зразка збільшується інтенсивніше (відрізок бв рис. 12, а). Точка в відповідає максимальному навантаженню, яке називається навантаження границі міцності при розтягуванні Pmax.

Після прикладення навантаження Pmax на зразку з пластичних матеріалів утворюється «шийка», тобто зменшується переріз зразка. Довжина зразка буде збільшуватися навіть при зменшенні навантаження (відрізок вг), і при навантаженні розриву Pp (точка г) зразок розривається.

Випробування металів на твердість. Твердістю називається здатність металу чинити опір проникненню в нього другого більш твердо матеріалу.

Застосовують різноманітні методи випробувань металів на твердість. Найпоширеніші методи, за яких в метал під дією статичного навантаження вдавлюють спеціальний наконечник-індентор (кулька-конус або піраміда). Ці методи називають за прізвищами їх авторів Брінеля, Роквела і Віккерса. Твердість визначають також ударним вдавлюванням кульки (метод Польді) та методом пружної віддачі бойка (метод Шора).

Приблизно твердість можна оцінити і по заглибленням, які залишають рисувалка, кернер, зубило та інші ріжучі інструменти. Про твердість судять по глибині відбитку, залишеного на металі наконечником або ріжучим інструментом. Чим більша глибина відбитку при однаковому навантаженні на впроваджуваний матеріал однакового розміру, тим менша твердість і навпаки.

Випробовуючи метал на твердість, можна просто і швидко визначити його механічні властивості, причому не лише в лабораторіях, але і на виробництві. По величині твердості можна приблизно судити і про інші механічні властивості металів: міцність, зносостійкість і ін., а також оброблюваність. Чим метал твердіше, тим важче його обробляти.

В залежності від твердості вибирають метали для виготовлення тих чи інших деталей, конструкцій, інструментів. Розглянемо найбільш поширені методи випробувань металів на твердість.

Метод Брінеля полягає у вдавлюванні під дією статичного навантаження в поверхню випробуваного зразка сталевої кульки діаметром 2,5; 5 чи 10 мм.

Твердість за методом Брінеля виражається в числах твердості НВ (Н – твердість, В – Брінеля ).

Випробування на твердість за методом Брінеля проводяться на приладах твердомірах Брінеля (рис.13) з застосуванням плоских або круглих зразків і деталей. Для одержання точних результатів на поверхні зразка не повинно бути іржі, окалини, вм'ятин тощо.

Метод Роквела полягає у вдавлюванні під дією статичного навантаження в поверхню випробуваного металу алмазного конуса або сталевої загартованої кульки діаметром 1,59 мм.

В приладах (твердомірах) Роквела (рис. 14) на відміну від приладів Брінеля число твердості визначають безпосередньо по шкалі індикатора. При випробуванні спочатку прикладають попереднє навантаження 0,1 кН, а потім додаткове з таким розрахунком, щоб повне навантаження складало 0,6; 1,0 та 1,5 кН Стрілка індикатора при повному навантаженні зразка показує різницю глибин проникнення наконечника у випробуваний метал під дією повного та попереднього навантаження.

Індикатор має всього 100 поділок і дві шкали: чорну і червону. Чера шкала застосовується для вимірювання твердості при випробуванні левою кулькою під навантаженням 1 кН, чорна – при випробуванні алмазним конусом під навантаженням 1,5 або 0,6 кН. Червона шкала позначається літерою В, а чорна – літерою С , якщо випробування ппроводиться під навантаженням 1,5 кН, або літерою А, якщо випробування проводиться під навантаженням 0,6 кН.

Числа твердості за Роквепом не мають розмірності і позначаються символом НР (Н – твердість, Р – Роквел). До символу додається позначення шкали індикатора (А, В або С), за якою вимірювалася твердість, та відповідне числове значення твердості.

Методом Роквела можна випробувати м'які та тверді метали, а також готові вироби, тому що відбитки від наконечника незначні. Випробування займає мало часу (не більше 50 с), не вимагає ніяких вимірювань, покази читаються безпосередньо на шкалі індикатора.

Метод Віккерса полягає у вдавлюванні під дією статичного навантаження у поверхню випробуваного металу чотиригранної алмазної піраміди. Вдавлювання виконують одним із таких навантажень: 50, 100, 200, 300, 500, 1000 або 1200 Н.

Величину навантаження вибирають в залежності від товщини випробуваного металу. Чим тонше метал, тим менше навантаження. Випробування на твердість за Віккерсом проводять на приладах Віккерса, виміряють одержаний відбиток за допомогою мікроскопа і знаходять значення твердості Н\/ (Н – твердість,V – Віккерс) за спеціальною формулою.

Практично число твердості за Віккерсом знаходять із розроблених для цього методу таблиць (по середньоарифметичній довжині діагоналей відбитка). Метод Віккерса дає результати підвищеної точності. Його можна застосовувати для випробувань будь-яких матеріалів, в тому числі завтовшки 0,5 мм і тонше, а також тонких шарів поверхонь металів після термічної обробки.

Метод Польді полягає у вдавлюванні сталевої кульки під дією динамічного (ударного) навантаження у поверхню випробуваного металу і еталонного зразка.

Рисунок 13 – Прибор Брінеля	Рисунок 14 – Прибор Роквелла
ТШ – 2:1 – станина: 2 – маховик; 3 –	ТК – 2: 1 – станина; 2 – клавіша
гвинт; 4 – кнопка включення; 5 –	включення; 3 – маховик; 4 –
стілець; 6 – обмежувач; 7 – сигнальна	підйомний гвинт; 5 – стілець; 6 –
лампочка; 8 – підвіс з гирями; 9 –	оправка з наконечником; 7 –
механізм часу навантаження.	індикатор.

По співвідношенню площ або діаметрів відбитків розрахунковим шляхом за таблицями визначають твердість металу. Вона буде тим менша, чим більший відбиток на випробуваному металі у порівнянні з відбитком на еталонному зразку, і навпаки.

При випробуванні методом Польді твердість виражається в числах твердості по Брінелю (НВ). Метод Польді простий. Його застосовують для вимірювання твердості масивних виробів з наближеною точністю. Наприклад, в суднобудуванні за допомогою переносного приладу Польді (рис. 15) випробовують великі суднові поковки і виливки на місці, не перевозячи їх в лабораторію.

Випробування металів на ударну в'язкість. Ударною в'язкістю

(динамічною міцністю) називається здатність металів чинити опір дії ударних (динамічних) навантажень.

Багато деталей машин, конструкції і інструменти зазнають в експлуатації ударні навантаження. Наприклад, суднові конструкції піддаються ударам хвиль, криги тощо. Тому при їх виготовленні необхідно враховувати цю найважливішу характеристику.

Метали, які легко руйнуються під дією ударного навантаження, називаються крихкими. Вони не придатні для виготовлення деталей, що працюють в умовах ударних навантажень. В'язкими називаються метали, які руйнуються при значних ударних навантаженнях і значних пластичних деформаціях.

Випробування металів на ударну в'язкість проводять на механізмах, які називаються маятниковими копрами (рис. 16). Воно полягає в ударному зломі (вигині) маятником копра зразка та в підрахунку витраченої роботи на руйнування зразка.

Рисунок 15 – Прибор Польді:	Рисунок 16 – Схема маятникового
1 – кулька; 2 – пружина; 3 – бойок;	копра:
4– корпус; 5 – еталонний зразок; 6 –	1 – станина; 2 – шкала; 3 – стріла; 4 –
випробуваний метал	маятник; 5 – опори для зразка; 6 –
	зразок.

Маятник піднімають на деяку висоту Н. З цієї висоти він вільно падає, руйнує зразок і знову піднімається на деяку висоту b. Робота, витрачена на руйнування зразка,

A = P(H – h)

або A = Pl(cosβ – cosα)

де P – сила ваги (вага) маятника, Н; Н – висота підйому маятника до удару, м; h – висота підйому маятника після удару, м; l – довжина маятника, м.

Ударну в'язкість металу визначають за величиною питомої ударної в’язкості αН, яка дорівнює відношенню роботи, що витрачена на руйнування зразка, до площі його поперечного перерізу в місці руйнування,

αн = А / Р

де А – робота, витрачена на руйнування зразка, Дж; Г – площа поперечного перерізу зразка в місці руйнування, м2.

Сучасний маятниковий копер має шкалу, градуйовану безпосередньо в одиницях роботи. Якщо підняти маятник на деяку висоту Н , то стрілка покаже запас енергії маятника до удару РН в джоулях. Після руйнування зразка маятник піднімається на деяку висоту h , в цей час стрілка покаже запас енергії маятника Рh після удару.

Таким чином, ударна в'язкість

αН = (PH – Ph) / F

Ударна в'язкість залежить не лише від роду металу, але і від його температури, хімічного складу, структури тощо. Наприклад, дві марки сталі з різною структурою можуть мати зовсім різні значення ударної в'язкості, але майже однакові інші механічні властивості.

Зразки для випробування металу на маятниковому копрі виготовляють квадратного перерізу 10x10 мм за. Щоб полегшити злом, в середній частині зразка на одній з граней роблять надріз глибиною 2 мм і радіусом закруглення 1 мм. Такий зразок встановлюють на дві опори надрізом в сторону, протилежну удару маятника. По виду руйнування зразка можна визначити крихкість або пластичність металу.

Випробування металів на міцність від втомленості (витривалість).

Багато деталей машин і механізмів, деякі конструкції і інструменти під час експлуатації зазнають дії змінних навантажень, тобто мінливих за значенням, напрямком або за значенням і напрямком одночасно. Таких навантажень зазнають, наприклад, корпуси суден, деталі машин (вали, осі, шатуни, колінчасті вали).

В результаті тривалого впливу змінних навантажень міцність металу зменшується і деталь, конструкція або інструмент руйнуються. Руйнування металу часто відбувається при навантаженнях, які значно менше, ніж межа міцності, а іноді навіть менше, ніж межа текучості.

Тріщини утворюються на поверхні деталі і при подальшій дії змінних навантажень поширюються в середину її. Причинами виникнення поверхневих тріщин можуть бути гострі дряпини, риски, вирізи, шпоночні канавки тощо, а на суднах також корозійні руйнування поверхні металу внаслідок взаємодії їх з прісною або морською водою.

Здатність металів чинити опір руйнуванню від втомленості називається втомленою міцністю (витривалістю). Показником її є границя втомленості (витривалості), яку визначають в ході випробувань на спеціальних машинах. Випробування проводять на змінний вигин, розтягування-стискування та кручення.

Частіше застосовують спосіб випробування вигином при обертанні (рис. 17). В цьому випадку один кінець зразка закріплюють у патроні, а до другого через шарикопідшипник підвішують вантаж При обертанні зовнішні волокна зразка будуть поперемінне зазнавати розтягуючи та стискуючи зусилля. При досягненні деякого числа змін (циклів) зразок руйнується. Число циклів визначають по встановленому на верстаті лічильнику.

Рисунок 17 – Схема випробування зразка на втомлену міцність. 1 – патрон верстата; 2 – зразок; 3 – шарикопідшипник.

Границею втомленості металів називається максимальне напруження, при якому зразок ще витримує необмежене число циклів, не руйнуючись. Межу втомленості позначають: при вигині – σ-1 ; при розтягуванні-стискуванні – σ-1Р; при крученні – τ-1.

Між границею втомленості і границею міцності існує така приблизна залежність:

σ-1 = 0,47σв; σ-1Р = 0,32 σв; τ-1 = 0,22 σв

Міцність від втомленості залежить від значення змінних напружень, поверхні деталей і інших факторів. її слід враховувати при створюванні, наприклад, швидкохідних суден, надзвукових літаків, космічних кораблів з потужних турбін, які зазнають при експлуатації змінних навантажень.

Метали, які працюють в складних умовах, випробовують при підвищених та знижених температурах, в умовах корозії, при стиранні тощо.

Механічні властивості деяких металів і сплавів, що застосовуються новому машинобудуванні, подані в табл. 5.1

Таблиця 5.1

Механічні властивості металів і сплавів

Матеріал	σв , МПа		δ, %	НВ, МПа
Сталь	245	– 2450	4 – 44	588 – 7350
Чавун	117	– 558	0,25 – 18	980 – 2646
Мідь	245	– 490	4 – 60	343 – 1274
Сплави міді	245	– 1374	1 –70	398 – 3430
Алюміній	49	– 98	5 – 49	166 – 264
Сплави алюмінію	78	– 588	5 – 35	294 – 1470

Технологічні властивості характеризують здатність металів піддаватися технологічній обробці, метою якої є надання металам певних форм, розмірів та властивостей, до них відносяться: ливарні властивості, ковкість, зварюваність, прожарюваність, оброблюваність різанням тощо.

Поведінку металів при технологічній обробці визначають технологічними пробами.

Технологічні проби застосовують головним чином для визначення придатності матеріалу до того чи іншого способу обробки. Результати технологічних випробувань оцінюють за станом поверхні після випробування

(відсутність тріщин, надривів, зломів). Найбільш поширені такі технологічні проби: на вигин в холодному та нагрітому стані; на перегин та видавлювання; на осадку; на роздавання та обтиснення труб; іскрова.

До фізичних властивостей металів та сплавів відносяться: густина, температура плавлення, теплопровідність, електропровідність, теплове розширення, питома теплоємність і здатність намагнічуватися. Фізичні властивості деяких металів подані в табл.5.2.

Таблиця 5.2

Фізичні властивості металів і сплавів

				Темпера-	Питома
				турний кое-			Питомий
			Темпера-		масова	Коефіцієнт
	Метал	Густина,	тура	фіцієнт	тепло-	теплопро-	електрич-
				лінійного			ний опір
		кг/м3	плавлен-		ємкість,	відності,
			ня,°С	розширен-	кДж	Вт/(м °С)	при 20°С
				ня,			Ом м
					(кг °С)
				мм/мм°С
	Алюміній	2700	660	23,9	0,21	0,48	0,029
	Вольфрам	19300	3377	4,4	0,032	0,38	0,060
	Залізо	7860	1539	11,9	0,11	0,14	0,100
	Кобальт	8900	1480	12,7	0,10	0,16	0,104
	Магній	1740	651	26,0	0,25	0,37	0,044
	Мідь	8920	1083	16,4	0,09	0,98	0,017
	Нікель	8900	1455	13,7	0,11	0,198	0,130
	Олово	7310	232	22,4	0,055	0,16	0,124
	Свинець	11300	327	29,4	0,031	0,084	0,208
	Титан	4500	1160	7,1	0,11	0,36	0,900
	Хром	7100	1800	8,4	0,111	0,07	0,026
	Цинк	7140	420	39,5	0,093	0,27	0,061

Хімічні властивості – здатність металів і сплавів чинити опір впливу оточуючого середовища, який проявляється в різних формах. Під впливом кисню повітря і вологи метали зазнають корозії: чавун і сталь іржавіють; бронза покривається зеленим шаром оксиду міді; сталь при нагріванні в печах без захисної атмосфери окислюється, перетворюючись в окалину, а в сірчаній кислоті розчиняється.

Метали і сплави, стійкі проти окислення при високій температурі нагрівання, називаються жаростійкими або окалиностійкими. З них виготовляють такі деталі, як клапани двигунів внутрішнього згоряння і ін. Золото, срібло та нержавіючі сталі мало піддаються корозії.