Трудове навчання (технічні види праці). 8 клас. Лебедєв

Цей підручник можна завантажити у PDF форматі на сайті тут.

§ 5. Властивості сталей та чавунів. Сортовий прокат та листовий метал

Ви дізнаєтесь

Про фізичні та хімічні властивості чавунів та сталей. Про їхні технологічні та механічні властивості. Про сортовий прокат та листовий метал як різновиди продукції металургійної промисловості.

Пригадайте

Які властивості металів належать до механічних? З якими технологічними властивостями металів ви ознайомилися під час обробки тонколистового металу та дроту?

Чому властивості конструкційних матеріалів, зокрема чавунів та сталей, мають велике значення? Ознайомившись із класифікацією чавунів і сталей, ви дізналися, що від їхніх властивостей залежить, яким чином і для виробництва яких деталей можна використати той чи інший метал.

Якісніша конструкційна сталь відрізняється від сталі звичайної якості кращими властивостями, навіть якщо середній вміст вуглецю в них майже однаковий. На практиці деталі одного типу й призначення (гайки, гвинти, болти, заклепки) виробляють із матеріалів з різними властивостями та якістю — залежно від умов їх експлуатації та їх надійності. Вибір матеріалу в кожному випадку визначається інженерними розрахунками. Адже гвинт чи гайка, які кріплять колесо автомобіля, не можуть мати такі самі властивості, як кріпильний гвинт м'ясорубки. Ці гвинти ззовні можуть бути абсолютно схожими, проте властивості матеріалів, із яких їх виготовляють, мають суттєві відмінності. Це відбувається тому, що суттєво відрізняються умови роботи цих деталей та вимоги до збереження цілісності всієї конструкції.

Окрім цього, такі деталі інколи виготовляють із легованих сталей, тому що вони міцніші, краще витримують ударні навантаження. Машини та конструкції з легованих сталей за умови однаковості всіх інших характеристик важать менше.

Розглянемо приклад. Інженер розрахував, що для скріплення деталей конструкції знадобиться болт із вуглецевої сталі діаметром 12 мм. Таку саму міцність з'єднання можна забезпечити, встановивши болт, виготовлений із легованої сталі діаметром 6-10 мм (мал. 26). Якщо використати болт із легованої сталі діаметром 12 мм, то з'єднання витримуватиме значно більші навантаження і буде стійким до високих та низьких температур.

Властивості металів і сплавів поділяють на фізичні, хімічні, технологічні й механічні.

Фізичні властивості металів і сплавів зумовлені їхнім складом і структурою.

До фізичних властивостей належать колір, густина (для заліза ρ = 7800 кг/м³), температура плавлення (для заліза 1535 °С), теплопровідність, теплове розширення, електрична провідність, здатність намагнічуватися тощо. Коли йде мова про виготовлення виробів, вага яких не впливає на їх споживчі якості (наприклад, елементи огорожі), якщо вони не зазнають впливу значної температури під час експлуатації, то у таких та подібних випадках фізичні властивості матеріалу можна не брати до уваги. Проте в деяких галузях виробництва ці властивості потрібно враховувати. Так, в авіабудівництві потрібні матеріали з невеликою густиною (вагою); у суднобудівництві для виготовлення суден спеціального призначення, наприклад, дослідницьких геофізичних суден або мінних тральщиків, обов'язково потрібно враховувати магнітні властивості матеріалів (вони мають бути немагнітними).

Означення

Міцність — здатність металу або сплаву опиратися деформації й руйнуванню під дією зовнішніх навантажень.

Означення

Пластичність — здатність металу або сплаву, не руйнуючись, змінювати свою форму й розміри під дією зовнішніх сил.

Означення

В'язкість — здатність металу або сплаву, пластично деформуючись, поглинати енергію зовнішніх сил.

Хімічні властивості металів і сплавів виявляються у здатності металів взаємодіяти з багатьма простими речовинами та хімічними сполуками. Під час перебування металів і сплавів на повітрі або в агресивному середовищі вони руйнуються: залізо іржавіє, мідь покривається зеленим нальотом, свинець тьмяніє тощо. Саме тому, вибираючи метал чи сплав для конструкції, слід ураховувати умови її використання.

Механічні властивості є дуже важливою характеристикою металів та сплавів як конструкційних матеріалів. Саме від міцності, пластичності, пружності, в'язкості, твердості, крихкості певного металу або сплаву залежить, наскільки виріб, виготовлений із нього, зможе опиратися впливу зовнішніх механічних навантажень.

Чим вища міцність, тим меншими можуть бути розміри деталі (споруди, конструкції), тим більша економія металу. Однак при цьому слід враховувати умови експлуатації виробу.

Мал. 26. Міцність з'єднання залежить від діаметра болта і марки сталі, з якої він виготовлений

Сплави з високою в'язкістю застосовують для виготовлення передньої частини легкових автомобілів, що найбільш деформується під час зіткнення. Це робить їх безпечнішими для водія та пасажирів.

Придатність матеріалу для виготовлення деталей, що несуть силові навантаження, зумовлюється переліченими механічними властивостями. Механічні властивості матеріалів — це сукупність показників, які характеризують опір матеріалу діючому на нього навантаженню, здатність деформуватися при цьому, а також особливості його поведінки в процесі руйнування. До механічних властивостей матеріалів належать опір деформації (міцність) та опір руйнуванню (пластичність, в'язкість, здатність металу не руйнуватися в разі наявності тріщин).

Означення

Пружність — властивість металу або сплаву відновлювати свою форму та об'єм після зняття навантаження, що його деформувало.

Під твердістю розуміють здатність металу або сплаву опиратися проникненню в нього іншого, твердішого тіла.

Означення

Крихкість — здатність металу або сплаву руйнуватися під дією зовнішніх сил практично без пластичної деформації (притаманна більшості чавунів).

Опір деформації, як правило, об'єднують у загальне поняття міцність, а опір руйнуванню — надійність. Якщо руйнування відбувається тільки після багаторазового впливу навантаження, то це характеризує довговічність матеріалу. Отже, високоякісний конструкційний матеріал має бути одночасно міцним, надійним і довговічним. Існуючі методики випробувань матеріалів дають змогу отримувати кількісні показники цих важливих характеристик.

Найважливіші механічні властивості сталі — твердість і міцність. На твердість сталь випробовують за допомогою спеціальних пристроїв — твердомірів. У них під час виміру в металевий зразок удавлюють спеціальний елемент, виготовлений з більш твердого матеріалу, наприклад, кульку з твердої сталі, алмазний конус або алмазну піраміду. Значення твердості визначають кількома методами. За методом Брінелля твердість визначають розподілом навантаження на площу поверхні лунки, що залишається в металі після вдавлювання твердої кульки (мал. 27).

Мал. 27. Вимірювання твердості металу за методом Брінелля (вимірюється площа відбитка)

За методом Роквелла вимірюють глибину проникнення в метал алмазного конуса (мал. 28).

Мал. 28. Вимірювання твердості металу за методом Роквелла

Показник міцності визначають під час проведення випробувань на розтяг. Зразок циліндричної форми має діаметр перерізу 10 або 15 мм і довжину, що дорівнює 10 діаметрам. При розтягуванні зразка машина записує діаграму розтягу, де вздовж вертикальної осі відкладають значення навантаження, а вздовж горизонтальної — збільшення довжини зразка (мал. 29).

Мал. 29. Діаграма розтягування зразка з пластичного металу (а) та чавуну (б)

Навантаження, під час якого виникає текучість сталі, тобто деформація, яка залишається після зняття навантаження, називається граничним навантаженням. На графіку (мал. 29, б) видно, що чавун не має стану текучості. У разі значного навантаження деформація зразка чавуну зростає несуттєво, і незабаром він руйнується.

Технологічні властивості чавунів та сталей

Технологічні властивості металів і сплавів характеризують їх здатність піддаватись обробці різними способами у холодному і гарячому станах.

Технологічні властивості матеріалу визначають шляхом технологічних випробувань, оцінюючи його придатність до певного способу обробки.

Оброблюваність матеріалу є основним визначником його технологічності. Вона зумовлює вибір найкращого технологічного методу виробництва заготовок деталей машин (литтям, обробкою тиском, зварюванням) і подальшу їх обробку для надання остаточних форм, розмірів, шорсткості, потрібних механічних характеристик. До основних технологічних властивостей належать:

оброблюваність тиском — здатність витримувати пластичну деформацію в холодному або гарячому стані;
зварюваність — здатність утворювати нероз'ємне зварне з'єднання потрібної якості;
придатність до обробки різанням — визначається опором матеріалу при утворенні стружки та якістю оброблюваної поверхні;
термічна оброблюваність — здатність матеріалу до покращення механічних властивостей шляхом теплової дії на матеріал. Така дія може поєднуватись також із хімічною (насичення поверхні деталі корисними хімічними елементами), деформаційною (ковальська обробка), магнітною тощо.

Технологічні властивості сталей та чавунів разом з механічними властивостями є основними чинниками, що визначають вибір матеріалу для деталей. Це стосується деталей, які сприймають великі та середні за значенням навантаження. Для деталей, які або зовсім не навантажені, або несуть незначні навантаження, вирішальними чинниками є лише технологічні властивості матеріалу, який вибирають із точки зору економічної доцільності.

Експлуатаційні властивості чавуну та сталі

Експлуатаційні властивості визначають поведінку матеріалу в конкретних умовах його експлуатації.

До основних експлуатаційних властивостей чавуну та сталі належать такі:

корозійна стійкість — здатність не реагувати з агресивним середовищем;
жароміцність і жаростійкість — відповідно міцність та корозійна стійкість до високих температур;
зносостійкість — опір матеріалу стиранню;
холодноламкість — втрата матеріалом механічних характеристик при низьких температурах.

Цікаво знати

Залізо можна кувати — змінювати форму заготовки за допомогою ударів молота. Для цього його розжарюють до червоного (850 °С), а потім багаторазово розплющують або здавлюють. Цей процес робить залізо міцнішим і зносостійкішим.

За кімнатної температури залізо легко намагнічується. Однак його важко намагнітити в нагрітому вигляді. Магнітні властивості заліза зникають за температури близько 800 °С.

Сортамент сталевих сплавів

Якби кожен із виробників був змушений самотужки виготовляти потрібний вид прокатної продукції, то кінцевий продукт виробництва був би занадто дорогим. Тому виробництво прокатної продукції беруть на себе спеціалізовані виробники за визначеним сортаментом.

Прокатну сталь поділяють на дві групи: листову і профільну. Її виготовляють за певним сортаментом (мал. 30).

Мал. 30. Сортамент прокатної продукції: а — простого профілю; б — фасонного (зліва направо: кутник, двотавр, швелер); в — спеціального; г — періодичного; д — трубного; е — листового; є — штабового

Прокат листової сталі поділяють на товстолистовий (S = 4-160 мм), тонколистовий (S = до 4 мм) та універсальний (S = 6-60 мм, ширина до 1050 мм).

Прокат кутовий рівнобічний та нерівнобічний має площу від 1,5 до 140 см². Мова йде про площу перерізу, зробленого під прямим кутом до поздовжньої осі сортового прокату. Швелери виготовляють від 10-го до 40-го номера.

Двотаври — основний балковий профіль. Звичайні двотаври мають номери від 10-го до 60-го; широкополичні — до номера 100. Їх доцільно використовувати у вигляді самостійних конструкцій.

Труби прокатують гарячекатані й електрозварні діаметром до 1620 мм.

Чи добре засвоїли?

1. Які поняття належать до хімічних властивостей металів?
2. Які поняття належать до фізичних властивостей металів?
3. Якими характеристиками можна описати високоякісні чавуни та сталі?

Поясніть

1. Чому кутовий профіль прокату є найбільш розповсюдженим на будівництві та в машинобудуванні?
2. Оберіть та обґрунтуйте свій вибір профілю сортового прокату для виготовлення кріпильних деталей (болти, гайки).

ПРАКТИЧНА РОБОТА 2

Визначення видів сортового прокату за їх механічними властивостями та зовнішніми ознаками

I. ІНСТРУКТАЖ ДО ВИКОНАННЯ ПРАКТИЧНОЇ РОБОТИ

Кожна група учнів отримує чотири зразки сортового прокату (кутник, труба, швелер, тавр) та інструкційну карту виконання роботи.

II. ІНСТРУКЦІЙНА КАРТА

1. Розглянути зразки сортового прокату.

2. Порівняти геометричну форму перерізів кожного зразка.

3. Порівняти зовнішні ознаки зразків сортового прокату.

4. Запропонувати варіанти застосування для кожного зразка.

5. Заповнити таблицю.

Зовнішні ознаки та геометричні параметри			Можливі варіанти застосування кожного з видів сортового прокату	Вид сортового прокату
Товщина стінок	Форма перерізу	Наявність осі симетрії		Вид сортового прокату