Механические химические физические технологические свойства металлов – , , —

3.1 Технологические свойства металлов

Технологические свойства характеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Технологические свойства определяют при технологических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. 

Образец, подвергнутый технологической пробе, осматривают. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства. [9]

Обрабатываемость резанием — одна из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а так же деталей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатываемость, например, стали можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.

Свариваемость – способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.

Ковкость – способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состоянии без признаков разрушения. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то и такой образец считается выдержавшим пробу; а испытуемый металл — пригодным для обработки давлением.

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки, без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются, жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — способность расплава изгиб на определенный угол.

Усадка при кристаллизации — это уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является, причиной образования усадочных раковин и усадочной пористости в слитках и отливках.

Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод). [6]

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обладая богатой ресурсной базой и возможностями ее переработки, Россия всегда была в числе ключевых поставщиков металлов и металлоизделий. Менялись времена, технологии производства, ассортимент производимых изделий и многое другое, но неизменным осталось только то важное значение, которое придается металлургической промышленности во всем мире. В настоящее время невозможно представить жизнь без изделий из металла, однако, каждый металл, каждый сплав имеет свои свойства, которые необходимо знать, чтобы максимально долго и в полной мере пользоваться их возможностями. Такие свойства, как физические, химические, механические и технологические, несомненно, влияют на выбор того или иного металла для своих областей применения, которые, в свою очередь, не ограничиваются лишь металлургией. Например, медные сплавы широко применяются в электротехнике, так как хорошо проводят электрический ток, легко поддаются пайке.

В строительстве железо применяется очень широко, гораздо чаще других металлов благодаря удачному сочетанию свойств: высокой прочности, однород-ности и непроницаемости дляжидкостей и доступности по цене. Также в строительстве широко применяются всевозможные сплавы металлов. Комбинируя металлы сплава в определённой пропорции добиваются получения сплава с новыми свойствами, необходимыми для народного хозяйства. В результате появляются конструкции с более высокими потребительскими качествами.

Наибольшее применение в технике и промышленности получили сплавы железа с углеродом: сталь, чугун. Причина широкого использования этих сплавов связана с рядом факторов: низкой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространен-ностью железной руды в природе. Сталь хорошо обрабатывается на металлоре-жущих станках, поддаётся ковке, пригодна для сварки. Чем меньше в железном сплаве углерода, тем более пластичен сплав. Это отражается на сфере применения материала.

Так, сопоставив свойства и области применений, можно убедиться в том, что у каждого металла и сплава есть свои преимущества и недостатки, которые необходимо заранее учитывать для более долговечного использования.

БИБЛИОГРАФЕЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Металлические конструкции. [Электронный ресурс]: «Металлические конструкции в Новокузнецке – ООО Алтех». Режим доступа: http://4geo.ru/novokuzneck/alteh—ooo—proizvodstvenno—torgovaya—kompaniya/news/show/533544423

2. Применение металлов и сплавов. [Электронный ресурс]: «Химическая энциклопедия». Режим доступа: http://abouthist.net/metally-2/

   primenenie—metallov—i—splavov.html

3. Физические, химические, механические и технологические свойства металлов. [Электронный ресурс]: «Библиотека технической литературы». Режим доступа: http://delta-grup.ru/bibliot/13/120.htm

4. Применение металлов и сплавов. [Электронный ресурс]: «Химия». Режим доступа: http://djht.ru/8metally/2.html

5. Механические и технологические свойства сплавов. [Электронный ресурс]: «Слесарные работы». Режим доступа: http://energomasters.ru/articles.php?st=1&ar=12

6. Технологические свойства металлов и сплавов. [Электронный ресурс]: «Мега слесарь». Режим доступа: http://megaslesar.ru/stati-i-materialyi/vvodnyie-stati/2.-tehnologicheskie-svoystva-metallov-i-splavov-chast-1.html

7. Металлы.

   [Электронный ресурс]: «Википедия». Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Metal

8. Область применения металлических конструкций. [Электронный ресурс]: «Uvina.ru лом черных металлов». Режим доступа: http://www.uvina.ru/services/lom-chern-met/oblast

9. Технологические и эксплуатационные свойства металлов. [Электронный ресурс]: «О сварке». Режим доступа:  http://yaruse.ru/posts/show/id/992

10. Металлы для медицинского назначения и их упругие свойства. [Электронный ресурс]: «Научный журнал». Режим доступа: http://www.rae.ru/snt/?section=content&op=show_article&article_id=2529

12

studfiles.net

Свойства металлов » Привет Студент!

Свойства металлов обусловливаются характером элементарных частиц, из которых состоит тот или другой металл, расположением этих частиц в пространстве и их взаимодействием. Таким образом, при одном и том же химическом составе всякое изменение в структуре металла должно сопровождаться изменением его физических свойств. Если подвергается изменению и химический состав вещества, обладающего характерными для металла признаками, то изменения в свойствах могут быть еще значительнее. Например, полоса стали с содержанием углерода 0,5% будет иметь один и тот же химический состав до и после закалки, между тем ее структура и свойства после закалки изменятся. Если произвести закалку подобной же стальной полосы, но с содержанием углерода 0,7%, то результат закалки будет уже иной.

Доказательством того, что изменение свойств металла или сплава связано с изменением его структуры, может служить различие характера излома металлов или сплавов, обладающих при одинаковом химическом составе различными свойствами. Это различие становится еще более очевидным при рассмотрении шлифованной и травленой поверхности испытываемого материала под микроскопом. Исследование структуры металла при помощи рентгеновских лучей также подтверждает, что металлы или сплавы, при одинаковом химическом составе обладающие различными свойствами, имеют обычно различное строение. Если, например, чистый металл — медь или железо — подвергнуть сильной деформации на холоде, то в структуре металла произойдут существенные изменения. Под микроскопом мы заметим, что зерна металла сильно вытягиваются в направлении деформации, а рентгеновский анализ покажет, что правильность расположения атомов в кристаллической решетке несколько

нарушится; эти искажения кристаллической решетки обусловливаются сильными внутренними напряжениями. В соответствии с этими изменениями зернистой и атомной структуры свойства металла также сильно изменятся: изменятся химические свойства (например, понизится коррозионная стойкость), физические свойства (магнитные и другие), возрастет твердость, пластичность, наоборот, уменьшится.

Свойства металлов принято разделять на физические, механические, химические и технологические.

Физические свойства

Физическими называют свойства материала, определяющие его отношение к физическим процессам, происходящим в природе, например, отношение к действию света, силе тяжести, к температурным переменам, воздействию электрического и магнитного поля и т. д.

К физическим свойствам металлов относятся, например, плотность, плавкость, изменение объема при нагреве, электропроводность, магнитные свойства и способность светиться при нагреве.

Плотностью называют массу 1 см³ данного вещества; она измеряется в г/см³.

Значение плотностей для отдельных металлов дано в табл. 1.

Плавкостью называют способность металлов переходить из твердого состояния в жидкое при постоянной для каждого металла температуре; эта температура называется температурой плавления.

Температура плавления железа равна + 1539^о, олова + 232^о, ртути — 39^о, свинца + 327^оС и т.д.

Температура плавления металлов является одновременно и температурой их затвердевания (при не слишком быстром охлаждении).

Для измерения высоких температур, с которыми приходится иметь дело как при изучении свойств металлов, так и при их термической обработке, применяют особые приборы, называемые пирометрами.

Пирометры бывают различного устройства; наиболее распространены термоэлектрические и оптические пирометры.

Термоэлектрический пирометр состоит из двух частей — термопары и гальванометра (фиг. 44).

Термопара (фиг. 44, а) представляет собой две спаянные проволоки из различных металлов. Для измерения температуры трубка, внутри которой находится спай термопары, вводится в среду, температуру которой желают определить. При нагреве одного спая возникает термоэлектродвижущая сила, величина которой будет тем выше, чем выше разность температур горячего и холодного спаев термопары. Проходя через обмотку подвижной катушки соединенного с термопарой гальванометра (фиг. 44, б), ток отклоняет его подвижную катушку: чем больше термоэлектродвижущая сила, тем больше сила тока в катушке гальванометра, и, следовательно, больше угол поворота катушки. Соединенная с катушкой стрелка перемещается своим концом по циферблату, на котором нанесены деления, соответствующие электродвижущей силе (мв) и температурам (°С).

Такие пирометры можно снабжать устройством для автоматической записи измеряемых температур.

Действие оптического пирометра основано на сравнении силы света, испускаемого телом, температура которого измеряется, с силой света, испускаемого волоском электрической лампочки, помещенной в приборе.

Наблюдая волосок лампочки на светлом фоне, образованном свечением тела, температуру которого определяют, и регулируя накал волоска, можно достигнуть полного слияния волоска с фоном, на котором он наблюдается; в этом случае температура наблюдаемого тела будет равна температуре волоска.

Зная температуру волоска при различных степенях накала, можно таким образом определить и температуру наблюдаемого тела.

На фиг. 45 представлена картина, наблюдаемая в оптическом пирометре; фиг. 45, A соответствует случаю, когда накал волоска больше накала наблюдаемого тела, фиг. 45, В соответствует случаю, когда тело нагрето больше, чем волосок, и фиг. 45, Б соответствует случаю надлежащего накала волоска.

Температуры волоска градуируют по силе тока, накаливающего волосок.

Изменение объема при нагреве. Для технических целей важно знать величину приращения длины того или иного металла при нагреве его до определенной температуры; эта величина может быть найдена, если известен линейный коэфициент расширения металла.

Линейный коэфициент расширения металла определяют по формуле

Для железа в = 0,000012, для меди—0,000017, для олова — 0,000012

Коэфициент расширения имеет особенно важное значение в измерительной технике, требующей или постоянства размеров отдельных частей (например, калибров), или изменения их объема на определенную величину (например, материал оправы оптических приборов или проволок, подводящих электрический ток в лампы накаливания и катодные лампы, должен иметь тот же коэфициент расширения, что и стекло).

Способность светиться при нагреве¹ (цвета накала). Испускаемый различными телами при нагреве их свет имеет особый оттенок при каждой температуре. Температуры, соответствующие различной интенсивности свечения тел, приблизительно таковы:

До изобретения приборов для измерения высоких температур различие оттенков испускаемого нагретым металлом света было единственным признаком при суждении о степени нагрева металла.

Электропроводность. Основной величиной, характеризующей электрические свойства металла, является его удельное сопротивление р. Чаще всего удельное сопротивление металлов определяют как сопротивление в омах проводника сечением 1 мм² и длиной 1 м; тогда р выражается в ом • мм²/м. Удельной проводимостью (электропроводностью) называют величину, обратную удельному сопротивлению

 

 

 

 

 

Металлы обладают высокой электропроводностью. Из всех металлов наилучшим проводником тока является серебро, за ним следует медь; минимальную электропроводность имеет висмут. Чем чище металлы, чем меньше в них примесей, тем выше их электропроводность.

В расплавленном металле и в металлических кристаллах часть валентных электронов (наименее прочно связанных с ядрами атомов) в результате между-атомного взаимодействия как бы обобществляется атомами (точнее сказать — ионами, образовавшимися после отделения от атомов некоторого количества электронов). Такие электроны, не связанные с определенными атомами, способны перемещаться по всему объему металла, почему их называют часто свободными.

Наличие свободных электронов является одной из наиболее характерных особенностей металлов в твердом и жидком состоянии и обусловливает их высокую электропроводность и теплопроводность.

Электропроводность металлов зависит от температуры: с повышением температуры она падает, с понижением — растет. Многие металлы при очень низких температурах обладают свойством сверхпроводимости, т. е. уменьшением электросопротивления до нуля. Металлы и сплавы, способные переходить в сверхпроводящее состояние, называются сверхпроводниками. Переход к сверхпроводимости происходит в чистых металлах скачкообразно. В сверхпроводнике после отключения источника электродвижущей силы ток может циркулировать сколь угодно долго. Среди практически существенных металлов сверхпроводниками являются Al, Zn, Sn, Pb, Нg, Ti, Th, Та, Nb, Zr, V (несомненно, число сверхпроводников будет увеличиваться по мере усовершенствования техники получения низких температур и все большего приближения к абсолютному нулю).

Теплопроводностью называют способность материала передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым без перемещения самих частиц; она характеризуется удельной теплопроводностью — количеством тепла в малых

калориях, которое материал способен передать в 1 сек. через сечение 1 см³ на длине 1 см при разности температур по обеим сторонам проводника тепла в 1°С.

Все металлы обладают высокой теплопроводностью; наивысшей теплопроводностью среди металлов обладают серебро и медь. С изменением температуры теплопроводность металлов почти не меняется. Чем чище металл, тем выше его теплопроводность.

Магнитная проницаемость материала определяется через

где В — магнитная индукция и

Н — напряженность магнитного поля.

Таким образом, величина р. характеризует способность материала намагничиваться под действием поля; при одной и той же напряженности поля магнитная индукция, возникающая в материале, будет тем больше, чем больше р:

 

 

Максимальная магнитная проницаемость свойственна железу; следующее место принадлежит кобальту и затем никелю; эти металлы называют ферромагнитными; все остальные практически используемые чистые металлы не обладают ферромагнитными свойствами. Ферромагнитные свойства металлов при нагреве до определенной температуры скачкообразно исчезают. Температура, выше которой металл становится немагнитным, называется температурой Кюри.

Механические свойства

Механическими называют свойства, определяющие отношение твердого тела к воздействию внешних сил; к этим свойствам относят прочность, истираемость, упругость, твердость и пластичность.

Прочность. Пределом прочности называют сопротивление тела внешним силам в момент разрушения. Таким образом, прочность определяет способность тела сопротивляться внешним силам, -стремящимся нарушить связь между элементарными частицами, из которых построено тело. Предел прочности может быть различным в зависимости от характера действия внешних сил, которые могут сжимать, растягивать, скручивать или изгибать тело.

Предел прочности при статической нагрузке измеряют напряжением материала при максимальной нагрузке, которую способен выдерживать материал, отнесенным к начальной площади сечения образца.

При растяжении предел прочности определяют по формуле

Предел прочности при растяжении для чистого железа достигает приблизительно 30 кг/мм², для меди — 22 кг/мм².

На фиг. 46 показано устройство машины ГЗИП, служащей для испытания металлов на растяжение и сжатие. Деформирование испытываемого образца 1 производят перемещением нижнего захвата 4, получающего движение от вращения рукоятки 3 или от электродвигателя 8 через редуктор 2. При растяжении или сжатии образца 1 получает отклонение маятник 7, связанный с верхним захватом 4 и тягами 6. Маятник связан со стрелкой шкалы 9, показывающей величину действующей на образец 1 нагрузки. Машина снабжена самопишущим прибором 5, чертящим диаграмму зависимости между величинами нагрузки и получаемой испытываемым образцом деформации.

Прочность при динамической нагрузке определяют сопротивлением удару; ее измеряют работой, поглощаемой образцом при его разрушении под действием удара, и выражают в кгм/см².

Испытание ка удар производят на вертикальных или маятниковых копрах (фиг. 47). Баба 2 копра, весящая G кг, отклоняется на высоту Н м; при ударе часть работы затрачивается на разрушение образца 1, а неиспользованная часть поднимает бабу на высоту hм. Работа, израсходованная на разрушение образца, отнесенная к единице, будет равна

где F — сечение образца в см².

Прочность вибрационную определяют как сопротивление материала при знакопеременной нагрузке; пределом усталости (или выносливости) называется то наибольшее напряжение, подсчитанное по формулам механики, которое выдерживает материал, не разрушаясь при сколь угодно большом числе перемен нагрузок (практически, например, для стали испытание заканчивают после 10⁷ циклов).

На фиг. 48 приведена диаграмма зависимости разрушающего напряжения от числа циклов знакопеременной нагрузки для стали.

Причиной усталости металла являются сдвиги, возникающие в кристаллических зернах и образующие в них трещины.

При разрушении материала под влиянием усталости наблюдаются две ясно различимые зоны: зашлифованная, камневидного строения часть излома, представляющая прогрессивно развивающуюся трещину, и кристаллическая часть излома мгновенного (хрупкого) разрушения.

Типичный излом усталости представлен на фиг. 49: правая, более крупнозернистая часть излома получилась в момент окончательного (хрупкого) разрушения, а левая часть излома представляет прогрессивно развивающуюся трещину усталости.

Причиной быстрого возникновения трещины усталости являются местные перенапряжения материала во время работы детали. Чем чище металл и однороднее его структура, тем больше его стойкость при знакопеременных нагрузках.

Истираемостью называют способность материала изнашиваться под влиянием усилий, отрывающих частицы материала от поверхности его и таким образом постепенно уменьшающих вес истираемого материала.

Истираемость определяют потерей веса образца в единицу времени, отнесенной к единице трущейся поверхности при данных усло-

виях работы. Такого рода испытания дают результат лишь сравнительного характера для разных материалов.

Твердостью называют способность тела сопротивляться проникновению в него другого тела.

Наиболее распространенным способом испытания металлов на твердость является способ Бринеля, заключающийся в том, что в испытываемый металл вдавливается под действием определенной силы шарик, диаметр которого известен; по диаметру полученного отпечатка судят о твердости испытываемого

металла. Твердость по Бринелю вычисляют по формуле

где Р — нагрузка на шарик в кг;

F — площадь поверхности отпечатка в мм².

Твердость по Бринелю, как видно из формулы, равна силе в кг, отнесенной к величине площади поверхности отпечатка в мм².

На фиг. 50 представлена схема устройства пресса Бринеля: винт 1 поднимает к шарику 2 испытываемый материал; в цилиндр 3 нагнетают масло; меняя грузы 4 и 5 поршня 6, можно регулировать давление на поршень 7 и шарик 2.

На фиг. 51 дан внешний вид пресса Бринеля.

Опытом установлена зависимость между пределом прочности при растяжении и твердостью по Бринелю; для стали эта зависимость выражается формулой

где о_в — предел прочности при разрыве в кг/мм²;

Н_в — твердость по Бринелю.

Кроме метода Бринеля, имеет также широкое применение способ Роквелла. Этим способом пользуются при измерении твердости более твердых материа

лов (например, закаленной стали). Твердость по способу Роквелла определяют глубиной проникновения в материал стального шарика небольшого размера или алмазного конуса; чем меньше глубина проникновения, тем тверже материал.

Из числа имеющих применение в технике чистых металлов максимальной твердостью обладает вольфрам.

Для измерения твердости, кроме методов Бринеля и Роквелла, существует ряд других методов.

Соотношения цифр твердостей, определяемых различными способами, можно найти в специальных таблицах.

Упругость. Упругостью называют способность деформированного внешней силой тела принимать прежнюю форму по прекращении действия этой силы.

На фиг. 52 дана диаграмма зависимости между величиной нагрузки на стержень при растяжении и получающимися при различных нагрузках удлинениями; здесь по горизонтальной оси отложены получаемые стержнем удлинения, а по вертикальной — величины нагрузок или напряжений (нагрузка, отнесенная к единице площади поперечного сечения стержня). Из диаграммы видно, что в начале опыта деформации пропорциональны нагрузкам; такая пропорциональность сохраняется до тех пор, пока напряжение материала не достигнет величины а_р, после чего линия зависимости между напряжением и удлинением начнет отклоняться от прямой. Максимальное напряжение о , при котором еще сохраняется пропорциональность удлинений напряжениям, называется пределом пропорциональности.

Если стержень будет разгружен ранее достижения напряжения а_рУ то длина его уменьшится до первоначальной; если же продолжать увеличивать нагрузку, стержень останется растянутым; поэтому предел пропорциональности практически совпадает с пределом упругости (т. е. с тем напряжением, при котором упругая деформация переходит в так называемую пластическую деформацию, описываемую ниже).

Когда нагрузка достигнет величины Рмах, начинается удлинение материала при уменьшающейся нагрузке. С этого момента начинается местное сужение материала, продолжающееся до момента разрыва стержня. Сужение сечения стержня перед разрывом дано на фиг. 53.

Из диаграммы фиг. 52 видно, что нагрузка на стержень перед его разрушением начинает уменьшаться, но в это время начинает уменьшаться и сечение стержня, и если подсчитать истинное напряжение (на единицу площади сечения в суживающейся части стержня), то окажется, что напряжение продолжает увеличиваться до момента разрыва.

При растяжении металла расстояние между его атомами возрастает в направлении действия растягивающей силы и уменьшается в перпендикулярном к ней направлении. Эти изменения расстояний могут иметь место только в том случае, если растягивающая сила достаточно велика для преодоления реакции со стороны сил, действующих между элементарными частицами металла. Если растягивающая сила не нарушает взаимного расположения атомов к междуатомных связей, то по прекращении действия силы элементарные частицы металла возвращаются в первоначальное положение — в этом случае мы имеем дело с упругой деформацией металла; если же внешняя сила способна изменить взаимное положение атомов, нарушая междуатомную связь, то подвергаемый действию растягивающей силы образец металла после прекращения действия внешней силы не примет прежней формы, и будет иметь место остаточная деформация.

То же самое можно сказать и относительно явлений, происходящих при воздействии на металл сжимающих, скручивающих и изгибающих сил.

Пластичностью называют способность тела получать остаточную деформацию под действием внешней силы.

Состояние металла, при котором он получает возрастающие деформации под действием постоянной силы, называют пластичным, а самую деформацию — истечением. Пластичность металла играет исключительно важную роль при обработке металлов посредством давления, так как все виды такой обработки (ковка, прокатка, волочение) возможны лишь при пластичном состоянии металла.

Металлы, не обладающие способностью переходить в пластичное состояние, называют хрупкими, и обрабатывать их посредством давления нельзя.

Явление пластичности объясняется способностью кристаллических зерен давать под влиянием внешних сил сдвиги вдоль определенных, характерных для каждого металла атомных плоскостей (плоскостей скольжения). В результате таких сдвигов части зерна оказываются смещенными относительно друг друга подобно тому, как это изображено на фиг. 54, где Р — направление производящих сдвиги сил и а — части зерна, отделяющиеся друг от друга плоскостями скольжения.

Тело только в том случае будет обладать пластичностью, если будут пластичны его кристаллы. Условие пластичности кристалла заключается, очевидно, в том, чтобы сопротивление кристалла разрушению было больше напряжения, способного вызвать скольжения в нем. При соблюдении этого условия материал может деформироваться без разрушения, и, когда деформирующая сила достигает соответствующей обусловливаемой родом материала величины, начнется истечение материала.

Кристаллы данного материала тем пластичнее, чем больше систем плоскостей скольжения они могут образовать.

Способность к образованию плоскостей скольжения и, следовательно, пластичность материала меняется с температурой, при которой внешние силы действуют на материал, и с изменением величины этих сил. Пластичность материала возрастает с увеличением температуры и давления.

Пластичный материал под действием даже относительно небольшой, но длительно действующей нагрузки может с течением времени деформироваться, следствием чего является уменьшение сечения испытываемого образца. Результатом же уменьшения сечения является увеличение внутренних напряжений в материале и ускорение процесса деформации, ведущее к разрушению. Такое явление называют «ползучестью» материала. Так, например, латунь, имеющая предел прочности на растяжение 51,5 кг/мм², может быть разрушена в течение суток под действием нагрузки 40 кг/мм², через 25 суток — 30 кг/мм^2, и через 110 суток — 16 кг/мм².

Ползучесть материала возрастает с его нагревом.

Установлено, что при сравнительно небольших напряжениях явление ползучести имеет затухающий характер (фиг. 55).

 

Нагрузка на единицу площади поперечного сечения металла, которая вызывает допускаемую скорость деформации при данной температуре (например, 1% относительного удлинения через 10⁷ час.), называется пределом ползучести.

Величина предела ползучести может изменяться в зависимости от требований, предъявляемых к данному изделию.

Современные представления о строении металла позволяют судить о тех возможностях, которые могут быть достигнуты при пользовании металлом, если его строение будет удовлетворять идеальным требованиям в отношении чистоты и однородности.

Приближенный подсчет, основанный на электронной теории строения металлов, дает теоретический предел прочности при разрыве порядка 10⁴ кг/мм². Это показывает, как велики возможности в отношении повышения прочности металлов и сплавов, применяемых в технике, так как предел прочности при разрыве наиболее прочных сталей не превышает пока 200—300 кг/мм².

Химические и технологические свойства

 

Химическими свойствами металла называются свойства, определяющие его отношение к химическим воздействиям на него других веществ. Наиболее важным в смысле использования металла для технических целей является его стойкость против «коррозии» — разъедающего действия окружающей среды.

Не все металлы и сплавы одинаково способны подвергаться разрушающему действию кислот, щелочей, пресной и морской воды, влажного воздуха. Степень устойчивости того или другого металла по отношению к различным химически действующим на металл веществам определяет выбор материала, предназначаемого для работы в близком соприкосновении с разъедающей средой.

Технологическими свойствами называют совокупность физических, химических и механических свойств металла, определяющую его отношение к процессам обработки, например, к ковке; к технологическим свойствам относятся ковкость, способность свариваться и усадка.

Ковкостью называется способность металлов изменять под действием внешних сил свою форму, сохраняя ее по прекращении действий этих сил. Орудием ковки является молот или пресс.

Для получения на металле следа от удара молотом или от воздействия пресса необходимо, чтобы сила удара или усилие, развиваемое прессом, была больше силы, соответствующей пределу упругости деформируемого металла;

 

 

Скачать реферат: У вас нет доступа к скачиванию файлов с нашего сервера. КАК ТУТ СКАЧИВАТЬ

 

Пароль на архив: privetstudent.com

 

 

privetstudent.com

2. Механические, физические и технологические свойства материалов

2.1. Свойства материалов

Способность металла сопротивляться воздействию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе металла для изготовления деталей машин необходимо знать его механические свойства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механических испытаний, при которых металлы подвергаются воздействию внешних сил (нагрузок). Внешние силы могут быть статическими, динамическими или циклическими (знакопеременными).

В зависимости от вида нагружения (растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза) и условий воздействия (температуры, скорости, периодичности и времени приложения) материалы принято характеризовать различными мерами сопротивления их деформации и разрушению – характеристиками механических свойств.

Механические свойства могут быть разделены на три основные группы. Первая группа содержит комплекс характеристик, определяемых при однократном кратковременном нагружении. К ним относятся упругие свойства: модуль нормальной упругости Е, модуль сдвига и коэффициент Пуассона µ.

Сопротивление малым упругопластическим деформациям определяется пределами упругости – σ_УПР, пропорциональности – σ_пц и текучести – σ_0,2.

Предел прочности – σ_В, сопротивление срезу – τ_ср и сдвигу – τ_сдв, твердость вдавливанием (по Бринеллю) НВ и царапанием (по шкале Мооса), а также разрывная длина L_Р являются характеристиками материала в области больших деформаций вплоть до разрушения.

Пластичность характеризуется относительным удлинением δ и относительном сужением ψ после разрыва, а способность к деформации ряда неметаллических материалов – удлинением при разрыве δ_Р.

Кроме того, при ударном изгибе определяется ударная вязкость образца с надрезом КСU (KCV, KCT).

Вторая группа включает параметры, оценивающие сопротивление материалов переменным и длительным статическим нагрузкам. При повторном нагружении в области многоцикловой усталости определяется предел выносливости на базе 10⁷–2·10⁷ циклов. Малоцикловая усталость определяется от многоцикловой условно выбранной базой испытания (N ≥ 5·10⁴ циклов) и отличается пониженной частотой нагружения (f = 0,1–5 Гц). Сопротивление малоцикловой усталости оценивается по долговечности при заданном уровне повторных напряжений или пределом малоцикловой усталости на выбранной базе испытаний. Сопротивление длительным статическим нагрузкам определяется, как правило, при температуре выше 20 °С.

Критериями сопротивления материалов длительному воздействию постоянных напряжений и температуры являются пределы ползучести и длительной прочности. Предел длительной прочности определяется при заданной базе испытаний (обычно 100 и 1000 часов), предел ползучести – по заданному допуску на остаточную (обычно 0,2 %) или общую деформацию при установленной базе испытаний.

Третью группу составляют характеристики разрушения. В инженерной практике эти характеристики используются сравнительно недавно.

Характеристики разрушения определяются на образцах с заранее выращенными начальными трещинами и оцениваются следующими основными параметрами: вязкостью разрушения, критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плоской деформации К_1С, условным критическим коэффициентом интенсивности напряжений при плосконапряженном состоянии К_С, удельной работой образца с трещиной КСТ и скоростью роста трещины усталости СРТУ при заданном размахе интенсивности напряжений ΔК.

Практически все механические свойства (кроме упругих) в большей или меньшей степени структурно чувствительны и анизотропны. Резкая анизотропия упругих и других механических характеристик присуща многим неметаллическим материалам, что определяется их ориентированным строением. Некоторая анизотропия свойственна и большинству металлических материалов. Уровень прочности, пластичности, выносливости и характеристик разрушения в продольном направлении относительно оси деформации зерен материала обычно выше, чем в поперечном. Однако для некоторых, например титановых, сплавов характерна «обратная» анизотропия. Наблюдается значительная разница в пределах текучести при растяжении и сжатии у большинства магниевых деформируемых сплавов (σ_{0,2 СЖ}<< σ_0,2).

К основным физико-химическим свойствам материалов относятся: температура плавления, плотность, электро- и теплопроводность, коэффициенты линейного и объемного расширения и др. Температура характеризует интенсивность теплового движения элементарных частиц – степень нагретости тела. При нагреве твердого тела при температурах меньших, чем температура плавления, т.е. при поступлении определенного количества тепла ΔQ, повышаются теплосодержание (или энтальпия) ΔS и температура на некоторую величину ΔТ.

Отношение количества тепла, сообщенного телу, к соответствующему изменению температуры при бесконечно малых изменениях температуры называют теплоемкостью тела С (Дж/К):

.

Отношение теплоемкости тела С к массе М называют удельной теплоемкостью С_У (Дж/(кг·К).

Отношение теплоемкости тела С к молярной массе вещества μ называют молярной теплоемкостью С_μ (Дж/(моль·К).

Отношение теплоемкости тела к единице объема называют удельной объемной теплоемкостью С_v (Дж/(м³·К), характеризующей изменение объемной концентрации тепла при нагреве (или охлаждении) на 1 ºС.

Некоторые технологические способы (литье, некоторые виды сварки) связаны с изменением агрегатного состояния вещества. Для того чтобы расплавить металл, нагретый до температуры плавления, необходимо затратить определенное количество тепловой энергии. Для кристаллизации жидкого металла при температуре кристаллизации необходимо отвести такое же количество тепла.

Количество тепла, необходимое для расплавления единицы массы металла при температуре плавления, называют удельной теплотой плавления L (Дж/кг).

Еще одной характеристикой теплопроводности сплава или металла является коэффициент теплопроводности, который равен количеству теплоты, протекающему за единицу времени через единицу поверхности при перепаде температур в 1 ºС на единицу длины λ (Вт/(м·К)).

Коэффициент теплопроводности зависит от температуры. Для сталей, как правило, с увеличением температуры он уменьшается, но могут быть и другие зависимости: сначала рост, затем уменьшение. Однако при тепловых расчетах и удельную теплоемкость, и коэффициент теплопроводности считают постоянными, не зависящими от температуры.

С изменением температуры твердых и жидких тел изменяются их размеры и объем. Величина этих изменений характеризуется коэффициентом линейного расширения: α=(1/t)(l_t — l₀)/l₀, и коэффициентом объемного расширения: β=(1/t)(v_t — v₀)/v₀.

При нагревании тел происходит изменение их плотности, которая зависит от величины коэффициента объемного расширения.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным видам горячей и холодной обработки. Технологические свойства часто определяют выбор материала для конструкции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необходимым требованиям. Показатели технологических свойств определяют специальными испытаниями на ковкость, обрабатываемость, свариваемость, а также литейными пробами.

Литейные свойства характеризуют способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

Ковкость – способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под действием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит от многих внешних факторов, в частности от температуры нагревания и схемы напряженного состояния.

Свариваемостью называют способность материала образовывать неразъемные соединения с комплексом свойств, обеспечивающих работоспособность конструкции. По степени свариваемости материалы подразделяют на хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит как от материала свариваемых заготовок, так и от выбранного технологического процесса сварки.

Обрабатываемостью называют свойство металла поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются параметры режимов резания и качество поверхностного слоя.

Работоспособность конструкции определяется эксплуатационными или служебными характеристиками материалов, применяемых для ее изготовления. В зависимости от условий эксплуатации и рабочей среды кроме высокой прочности к машиностроительным материалам могут предъявляться и другие требования: жаропрочность, т. е. сохранение высоких механических характеристик при высоких температурах; коррозионная стойкость при работе в различных агрессивных средах; повышенная износостойкость, необходимая, если детали в процессе работы подвергаются истиранию, и т. п. В некоторых случаях материалы должны обладать способностью образовывать неразъемные соединения с помощью сварки либо пайки с другими материалами, в частности с керамикой, графитом и др.

Следовательно, при выборе материала для создания технологичной конструкции необходимо комплексно учитывать его прочностные, технологические и эксплуатационные характеристики.

studfiles.net

Свойства металлов

Свойства металлов подразделяются на механические, химические, физические, технологические и эксплуатационные

Механические свойства имеют свою классификацию, которая представлена ниже. В общем случае все свойства металлов можно изобразить в виде схемы

1. Механические свойства металлов

Характеризуют механическое поведение металлов в определенных условиях. Подразделяются на статические, динамические и усталостные (циклические) свойства

1.1 Статические — определяемые в условиях медленного нагружения

1.1.1 Прочностные — способность сопротивляться пластической деформации (НВ, HRC, σ_в, σ_т)

1.1.2 Пластические — способность воспринимать деформацию (δ, ψ)

1.2 Усталостные — сопротивление материала знакопеременным нагрузкам (предел усталости σ_-1)

1.3 Динамические — способность сопротивляться ударным нагрузкам (KCU, KCV, KCT)

Методы определения основных механических свойств металлов смотрим здесь

2. Химические свойства

Характеризуют взаимодействие и/или сопротивление металла различным химически активными средам.

2.1 Антикоррозионные свойства

2.2 Окалиностойкость

3. Физические свойства

3.1 Магнитные

3.2 Тепловые

3.3 Объемные

3.4 Электрические

4. Технологические свойства металлов

Определяют возможность изготовления изделия тем или иным способом К технологическим свойствам относятся жидкотекучесть, деформируемость, свариваемость, закаливаемость, прокаливаемость, обрабатываемость резанием

5. Эксплуатационные свойства

Обеспечивают долговечную работу в определенных условиях. К ним относятся износостойкость, теплостойкость, жаропрочность

 

heattreatment.ru