Матеріалознавство та основи технології виробництва споживчих товарів

 

 

Якщо Р = 3000 кгс, D = 10 мм і витримка під навантаженням становить 10...15 с, тоді ці умови випробувань поряд зі значенням НВ не вказують. Будь-які інші умови випробувань повинні бути вказані. Наприклад, 185 НВ 5/650/20 означає твердість у 185 одиниць Бринелля при використанні кульки з D = 5 мм при Р = 650 кгс і тривалості витримки під навантаженням 20 с.

Між границею міцності при розриві  і твердістю за Бринеллем різних матеріалів існує залежність:

                       s_В = К ´ НВ кгс/мм²,               (2)

де сталь твердістю НВ:

<175............................s_В » 0,343 НВ;

>175............................s_В » 0,361 НВ;

мідь, латунь, бронза:

          відпалена.................................s_В » 0,55 НВ;

          наклепана................................s_В » 0,40 НВ;

алюміній та його сплави:

з твердістю НВ 20-45..............s_В » (0,33 ¸ 0,36 НВ);

дюралюмін..............................……….....s_В » 3,6 НВ.

Залежність часового опору розриву  деяких вуглецевих і легованих сталей від чисел твердості за Бринеллем  репрезентована в таблиці (див. додаток 2).

Визначення твердості за формулою (1) не практикується. Користуються готовими таблицями, у яких наведені числа твердості  залежно від діаметрів відбитка (див. додаток 3).

 

2. Визначення твердості  за Роквеллом

Принципова відмінність методу вимірювання твердості за Роквеллом (S.P. Rockwell (1861-1918) – американський металург) від методу Бринелля полягає в тому, що твердість визначають за глибиною відбитка, який отримують завдяки вдовбуванню алмазного конуса або стальної кульки, а не за площею відбитка (лунки).

Визначення твердості проводять  на приладі Роквелла (рис. 3). Встановлений на столику 2 зразок обертанням маховика 1 доводять до стискання його зі стальною кулькою чи алмазним конусом 3. Потім продовжують обертання маховика до тих пір, поки мала стрілка на циферблаті 4 дійде до червоної точки, а велика стрілка зупиниться у вертикальному положенні. Цим створюється попереднє навантаження 100Н. Далі за допомогою рукоятки 5 на зразок застосовується основне навантаження. Потім (вдовбування триває 5-6 с) знімається основне навантаження зворотним обертанням рукоятки 5 і за показами великої стрілки циферблата визначають твердість, яка є умовною величиною, що характеризує різницю глибин відбитків.

Рис. 3. Прес Роквелла

Індентором слугує алмазний конус  з кутом при вершині 120° і  радіусом закруглення 0,2 мм або кулька із загартованої сталі діаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм). Величину твердості оцінюють за глибиною вдовбування індентора (рис. 4). Щоб зафіксувати первинне положення індентора, його підтискують до досліджуваної поверхні під попереднім навантаженням Р₀ = 10 кгс, після чого стрілку індикатора глибини вдовбування виводять на нуль. Потім прикладають основне навантаження P₁ = 140 кгс при використанні алмазного конуса і P₁ = 90 кгс при використанні кулькового індентора. Таким чином, загальне навантаження Р = P₀ = P₁ у першому випадку дорівнює 150 кгс, а у другому - 100 кгс. Після зняття основного навантаження P₁ (навантаження Р₀ залишається) індикатор глибини вдовбування прямо показує число твердості за Роквеллом. Число твердості за Роквеллом при використанні алмазного конуса позначають символом HRC (С от англ. Cone - конус), а при використанні кулькового індентора - символом HRB (В від англ. Ball - куля).

Чим менша твердість, тим більша глибина вдовбування індентора е, а різниця між умовно вибраним числом і глибиною вдовбування:

HRC = 100 - е

і

HRB = 130 - е,

де е вимірюється в одиницях, що дорівнюють ціні однієї поділки індикатора (0,002 мм). Таким чином, числа твердості за Роквеллом є безрозмірними величинами.

За шкалою В вимірюють твердість  порівняно м’яких об’єктів, а за шкалою С - більш твердих. Для вимірювання тонкості твердих шарів чи виробів використовують алмазний конус, Р₀ = 10 кгс і P₁ = 50 кгс, тобто зменшене загальне навантаження на конус: 60 кгс замість 150 кгс. У цьому випадку число твердості позначають символом HRA (HRA = 100 - е).

Важливою перевагою методу Роквелла є те, що не треба виміряти відбиток і знаходити за таблицями число  твердості. Це число зчитується одразу після зняття основного навантаження зі шкали індикатора приладу. Простота, висока продуктивність, можливість автоматизації вимірювань, пристосованість до м’яких і твердих об’єктів зробили метод Роквелла найбільш поширеним засобом контролю твердості у виробничих умовах.

 

а

б

Рис. 4. Вимірювання твердості за Роквеллом:

а - схема випробування; б - індикатор.

 

 

 

 

3. Визначення твердості  за Віккерсом

Випробування вдовбуванням алмазної піраміди методом Віккерса (“Віккерс” – назва британського концерну “Vickers Ltd”) використовують для визначення твердості деталей малої товщини і тонких поверхневих шарів, що мають високу твердість. При випробуванні у метал вдовбують чотиригранні піраміди (з кутом при вершині a = 136°) під навантаженням від 50 Н до 1000 Н. Діагональ відбитка вимірюють за допомогою мікроскопа, укріпленого на приладі, і за отриманими показами визначають число твердості, що позначається HV, як питомий тиск на одиницю поверхні відбитка:

,

де Р – навантаження на піраміду, Н; d - середнє арифметичне двох діагональних відбитків, виміряних післе зняття навантаження.

 

4. Метод пружного відскоку  бійка

Твердість великогабаритних і важких виробів можна також виміряти  методом пружного  бійка  (методом  Шора, ГОСТ 23273 - 78). Для вимірювання твердості використовують переносний прилад, обладнаний трубкою, всередині якої може вільно падати бойок певної маси з алмазним наконечником у вигляді конуса. Твердість оцінюється в умовних одиницях, пропорційних висоті відскоку бійка. Чим м’якший випробовуваний матеріал, тим менша висота відскоку, через те що енергія удару буде витрачається на остаточну деформацію матеріалу деталі. Твердість, що виражається в умовних одиницях, позначається HSD. Переваги методу: простота, висока продуктивність, можливість перевірки шліфованих деталей без помітного погіршення якості поверхні. Недоліки методу: висота відскоку залежить від модуля пружності Е випробовуваного матеріалу (матеріали з різними значеннями модуля пружності Е дають незіставні результати); на покази приладу впливають розміри й стан поверхні дослідної деталі; числа твердості  умовні, їх можна лише порівнювати між собою.

 

 

7. НЕМЕТАЛЕВІ ТА КОМПОЗИЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

 

До неметалевих матеріалів належать пластмаси, гума та ебоніт, графіт та абразив, лакофарбові та клеючі матеріали, шкіра, азбест, скло, кераміка, фарфор, мармур, повсть, текстильні та паперові матеріали. Широкого застосування набули композиційні матеріали, особливо волокнисті, що складаються з коротких або безперервних волокон як наповнювачів, і середовища, що заповнює простір між ними, чим забезпечується монолітність композиції.

Пластичні маси

Пластмаси — велика група  штучних матеріалів, одержаних на основі синтетичних або природних високомоле-кулярних сполук (смоли). Пластмаси поділяють на прості та складні (композиційні). Прості пластмаси складаються з чистих смол, а складні — із зв'язуючої речовини, наповнювача, пластифікаторів, барвників, мастильних речовин, каталізаторів та інших добавок. Зв'язуючою речовиною є природні та синтетичні смоли, бітум, асфальт, цемент. Як наповнювачі використовують деревне борошно, бавовняні та лляні волокна, деревний шпон, скловолокно, дрібно порізану тканину та папір, крейду, гіпс, графіт, каолін, віск, гліцерин, мило тощо. Для збільшення пластичності та текучості пластмаси застосовують пластифікатори. Пластмаси містять 1...2 % мастильних речовин, основне призначення яких — усунути прилипання зв'язуючих речовин до прес-форми. Як мастильні речовини застосовують віск, стеарин, трансформаторне масло тощо. Для забарвлення пластмаси в потрібний колір застосовують охру, додалін, нігрозин, зелений бриліант тощо.

Пластмаси залежно від  компонентів, що входять до неї, поділяють  на прес-порошки, волокніти, шаруваті та відлиті пластики та листові термопластмаси. Прес-порошками називають пластмаси, одержані з порошкоподібних вихідних матеріалів (деревне борошно, молотий кварц, молота слюда). Волокнітами називають пластмаси, одержані з волокнистих вихідних матеріалів (бавовняних, скляних та ін.). Шаруватими пластмасами називають такі, які одержані з вихідних матеріалів у вигляді тканини або паперу (текстоліт, склотекстоліт, гетинакс).

Ливарні пластики — пластмаси, що складаються лише з одного компонента — смоли, за типом якої вони й  класифікуються. Листові пластики —  пластмаси, до складу яких, крім смоли, входять також у невеликій кількості пластифікатори та стабілізатори (органічне скло, вініпласт).

Залежно від зв'язуючої  речовини розрізняють фенопласти, амінопласти  та епоксипласти. Від того, як виявляє  себе зв'язуюча речовина під час  нагрівання, пластмаси поділяють  на термопластичні та термореактивні. Термопластичні, або термооборотні, пластмаси мають властивості за нагрівання розм'якшуватись і плавитись, а після пресування охолоджуватися, твердіти, не втрачаючи цієї властивості до розчинності та повторної переробки. Термореактивні, або термонеоборотні, пластмаси мають властивість під час нагрівання до певної температури вступати в хімічні реакції. Вони є необоротними й повторному формуванню не піддаються, тому браковані деталі після подрібнення використовують як наповнювачі для виробництва прес-порошків.

Полістирол — прозорий безбарвний полімер з високою водостійкістю, стійкістю до агресивних середовищ, радіоактивного випромінювання, має високі електроізоляційні властивості, добру оброблюваність пресуванням, литтям під тиском та відливанням у форми. Поряд з добрими механічними властивостями полістирол вдало поєднує в собі низьку густину, твердість та інші якості, в результаті чого його застосовують у високочастотних установках, в радіотехніці, в хімічному апаратобудуванні. Недоліки полістиролу — крихкість, невелика теплостійкість (80°С) тощо.

Поліетилен — найбільш легка термопластична пластмаса, одержана полімеризацією газоподібного етилену. Поліетилен має високу кислотостійкість, діелектричність, міцність, достатню твердість і еластичність, яка зберігається й до температури -60°С. Поліетилен застосовують в основному як ізоляційний матеріал для високочастотних кабелів, деталей радіоапаратури у вигляді тонких плівок (до 0,04...0,05 мм), ізоляційних прокладок, пакувального та захисного матеріалу, виготовлення водопровідних і нафтопровідних труб, ємкостей, що працюють у агресивних середовищах. З нього виготовляють зубчасті колеса для приладів і верстатів, що мають невеликі навантаження. Добра твердість, напівпрозорість, нетоксичність та інертність дають змогу застосовувати поліетилен для виробництва посуду, що не розбивається.

Політетрофторетилен — матеріал з високими діелектричними властивостями, цілком не змочується водою та не набухає, має високу термічну та хімічну стійкість до агресивних середовищ, яка перевершує стійкість золота та платини. Твердість політетрофторетилену невисока. Він текучий на холоді й тому його використовують для виготовлення деталей методом холодного пресування з наступним спіканням. Політетрофторетилен використовують як ізоляційний матеріал у техніці надвисоких частот і для виготовлення хімічно стійких деталей. Тонкі плівки (0,02...0,04 мм) використовують для пазової ізоляції електричних машин і для виготовлення плівкових конденсаторів.

Політрифторхлоретилен під час нагрівання розм'якшується та плавиться, на холоді текучості не має; має високі механічні характеристики у порівнянні з політетрофторетиленом. Політрифторхлоретилен переробляють у деталі методом гарячого пресування, прес-лиття, шприцюванням; він використовується в техніці для виготовлення особливо відповідальних деталей як зв'язуючий матеріал і для виготовлення складних деталей (каркасів, котушок індуктивності тощо).

Поліамід — стійкий  до спрацювання матеріал, густина  якого 1,13 г/см³, температура розм'якшення 240...260 °С. Цей матеріал має високу стійкість до кислот, лугів, вуглеводнів і масел; використовується для виготовлення зубчастих коліс, деталей лічильних машин та інших деталей, що піддаються тертю. Наприклад, підшипники, які в сильно абразивному середовищі порівняно з бронзовими працюють у 4...5, а вали в 3...10 разів довше, ніж у парі з бронзовими. Деталі з поліаміду в 2...З рази легші та дешевші, ніж деталі з олов'яного сплаву.

Капрон — тверда речовина білого чи світло-жовтого кольору, одержана в'результаті поліконденсації капролактаму. Капронові деталі мають високу поверхневу твердість і міцність на згин та удар, малий коефіцієнт тертя ковзання й мале спрацювання, стійкі проти жирів, мастил і лугів. Недоліки капрону — значна усадка (до 2 %) і схильність до старіння за підвищених температур. Капрон застосовують для виготовлення деталей, стійких до спрацювання, і використовують як ізоляційний матеріал для виготовлення арматури, каркасів тощо.

Вініпласт — продукт, одержаний  з поліхлорвінілової смоли, жорсткий, стійкий до води, спирту, мінеральних масел, майже всіх лугів і кислот, добрий діелектрик. Світлочутливість і схильність до повзучості в нормальних умовах є його недоліком. Вініпласт застосовують для виготовлення деталей, які піддаються дії агресивних речовин. Листи та труби з вініпласту використовують як футеровку ванн і резервуарів, а також для виготовлення друкарського шрифту, кліше та ін. Спеціальною обробкою пластифікаторами та речовинами, які полегшують розчинність смол, одержують еластичний матеріал — полівінілхлоридовий пластикат. З нього виготовляють прокла-дочні та підстилкові матеріали. Вініпласт і пластикат можна зварювати.

Поліметилметакрилат (плексиглас, або органічне скло) є продуктом переробки складних органічних сполук поліметакрилових смол. Це прозорий ізоляційний матеріал, добре протидіючий ударам, в два рази легший за звичайне силікатне скло, має достатню твердість і міцність, антикорозійні властивості та стійкість до багатьох мінеральних і органічних розчинників. До його недоліків належить низька теплостійкість. Поліметилметакрилат застосовують для засклення приладів, апаратури, виготовлення друкованих схем та ін.

Волокніти — пластмаси, одержані обробкою волокнистих наповнювачів і термореактивної смоли. Деталі з волокніту пресують гарячим способом на основі таких наповнювачів, як бавовняні та скляні волокна з фенол-формальдегідними, аніліноформальдегідними, меламіно-формальдегідними, полісилоксановими та іншими смолами — зв'язуючими речовинами. Волокніти мають підвищену ударну в'язкість.

Залежно від наповнювача  розрізняють волокніт (бавовняні очіси) і скловолокніт (скляне волокно). Волокніти застосовують для виготовлення деталей машин, які працюють на удар. Деталі з скловолокніту корозієстійкі до багатьох агресивних середовищ, водо- і теплостійкі (350 °С), мають високі електроізоляційні властивості. Зі скловолокніту виготовляють деталі, що працюють як діелектрики, корозієстійкі та високоміцні труби, масло-відсіки, човни, вагони.

Шаруваті пластмаси —  матеріали, виготовлені пресуванням термореактивної смоли з листовим наповнювачем. Залежно від наповнювача розрізняють текстоліти, гетинакси, склотекстоліти та деревошарові пластики.