Основные физические и механические свойства металлов

Свойства металлов (стр. 1 из 2)

1.Основные свойства металлов.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.

К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.

1. Физические и химические свойства.

Цвет . Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.

Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.

Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.

По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.

Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.

Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 273 0 С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +232 0 (олово) до 3370 0 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).

Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.

Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).

Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.

Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.

Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1 0 .

Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1 0 .

Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.

Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 1 0 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10 -6 , а свинец 29,5 ·10 -6 .

Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.

Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.

2. Механические свойства.

Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)

Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.

Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.

В табл. 1 приведены свойства технических металлов.

Какими свойствами обладают металлы и сплавы

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Признаки металлов

У металлов есть признаки, которые их характеризуют:

1. Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
2. Блеск на изломе.
3. Ковкость.
4. Кристаллическая структура.

Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

1. Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
2. Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
3. Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

1. Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
2. Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
3. Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

1. Устойчивость к низким температурам.
2. Электропроводность.
3. Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
4. Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

1. Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
2. Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
3. Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
4. Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
5. Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
6. Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

1. Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
2. Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
3. Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

• прочность;
• твердость;
• пластичность;
• вязкость;
• хрупкость;
• устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

1. Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
2. Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
3. Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
4. Обработка режущим инструментом.
5. Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ;

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Одним из основных факторов, обеспечивающих выпуск надежной и качественной продукции машиностроительных предприятий, является правильный выбор металлов для различных изделий и конструкций. Для этого надо хорошо знать условия работы деталей и конструкций и свойства предназначаемых, для них металлов.

Свойства металлов и сплавов делятся на несколько групп: физические, механические, химические, технологические, специальные.

Физические свойства металлов. Плотность (кг/м 3 ) — отношение массы металла к его объему. Металлы с малой плотностью применяют при изготовлении легких конструкций, например сплавы магния и алюминия в самолетостроении.

Температура плавления (°С) — температура, при которой металл переходит в жидкое состояние. Легкоплавкие сплавы — алюминий с Т_пл 660°С, олово с Т_пл 232°С, тугоплавкие — вольфрам с Т_пл 3416°С, железо с Т_пл 1539°С.

Тепловое расширение — равномерное увеличение объема (длины) тела при нагревании. Характеризуется коэффициентом расширения α (град -1 ). Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела при изменении температуры на один градус.

Обычно определяют средний коэффициент линейного расширения ее, характеризующий тепловое расширение в широком интервале температур: от 0° или 20°С до заданной.

Коэффициент объемного расширения в три раза больше коэффициента линейного расширения.

Тепловое расширение при выборе металлов учитывают для конструкций, работающих при переменных и повышенных температурах.

Коэффициент линейного расширения углеродистой стали при 20°С составляет 12 ×10 -6 , вольфрама — 4,3×10 -6 дуралюмина — 22×10 -6 град -1 .

Теплопроводность [Вт/(м×К)] — способность передавать теплоту от нагретых зон более холодным.

Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество теплоты может пройти перпендикулярно площади 1 м 2 на расстояние 1 м при разности температур 1К на противоположных сторонах куба.

Теплопроводность учитывается при конструировании узлов, в которых металл не должен перегреваться. Коэффициент теплопроводности стали 45,4, алюминия 209,3, серебра 418,7 Вт/(м×К).

Электропроводность — способность металла проводить электрический ток.

С повышением температуры электропроводность уменьшается, с понижением — повышается. Электропроводность учитывается при выборе материала для изготовления электрических проводов и различных датчиков.

Удельное электросопротивление алюминия 2,69×10 -6 , вольфрама — 5,5×10 -6 , меди — 1,67 ×10 -6 Ом/см при 20°С.

Магнитные свойства характеризуются магнитной восприимчивостью — способностью вещества намагничиваться в магнитном поле. Хорошо намагничивающиеся вещества называют ферромагнетиками. Это железо, никель, кобальт и ряд сплавов. Их применяют в электротехнике и приборостроении.

Химические свойства металлов. К этим свойствам относят способность металлов вступать в реакцию с рабочей средой. Распространенным явлением является коррозия — разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Из-за коррозии ежегодно теряется

1,5% всего эксплуатируемого металла. Поэтому применяют специальные методы защиты металлов от коррозии, а также коррозионно-стойкие в различных средах сплавы.

Технологические свойства металлов. Пригодность металла для изготовления различных конструкций и деталей не всегда можно оценить по физическим и механическим свойствам. Для более точной оценки качества металла проводят определение его технологических свойств. К ним относятся литейные свойства, свариваемость, способность обрабатываться давлением и резанием. Определение технологических свойств проводится с помощью специальных проб. Ниже рассматриваются некоторые из них. Известно, что сталь одной марки, но разных плавок может иметь различную пластичность. Для выбора способа горячей обработки давлением необходима предварительная оценка пластичности.

Определение ковкости проводят на пробах массой до 1 кг, отлитых по ходу плавки или разливки. Процесс определения ковкости заключается в том, что пробы в форме стаканчика проковывают на квадратный стержень сечением 15×15 мм. Затем стержень загибают молотком на 180° до соприкосновения сторон.

Ковкость считается хорошей при отсутствии на пробе надрывов, трещин и других дефектов, Ковкость считается удовлетворительной при появлении на наружных гранях пробы незначительных надрывов. Считают, что при разрушении пробы или появлении больших надрывов и трещин сталь непригодна для горячей обработки давлением.

Проба на свариваемость служит для определения способности стали принимать заданный по размерам и форме загиб по месту сварки.

Испытание заключается в загибе сваренного образца в месте сварки по одному из следующих вариантов: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон; загиб до соприкосновения сторон образца. Сталь считают выдержавшей пробу при отсутствии в образце после загиба трещин, надрывов, расслоений или излома. Такая сталь, имеющая сварные швы, может подвергаться пластической деформации.

Листовая сталь испытывается на загиб по такой же схеме, но без разрезки и сварки образца. Сохранение сплошности после испытания считается признаком того, что образец выдержал пробу.

Существует ряд других технологических проб, применяемых в различных производствах.

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов

Чтобы правильно выбрать материал для определённых целей, необходи­мо знать свойства металлов. Так, например, для изготовления режущих инструментов требуются прочные, твердые и износоустойчивые металлические мате­риалы.

Физические свойства металлов и сплавов определяются цве­том, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепло­вым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнит­ными свойствами.

Физические свойства металлов характеризуются определенными числовыми значениями, которые приведены в таблице 1.

Физические свойства некоторых металлов

Отношение массы тела к его объему является постоянной вели­чиной для данного вещества и называется плотностью.

Плотность и удельный вес имеют большое значение при вы­боре металлических материалов для изготовления различных из­делий. Так, детали и конструкции в приборостроении, в авиа- и вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малой плотностью. Из металлов, наиболее широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний и алюминий.

Все металлы как тела кристаллического строения переходят при определенной температуре из твердого состояния в жидкое и наоборот. Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.

Температура плавления является важным физическим свой­ством металлов. Знание температуры плавления металлов и спла­вов необходимо в металлургии, в литейном производстве, при горя­чей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических мате­риалов.

Способность металлов передавать тепло­ту от более нагретых частей тела к менее нагретым называется теплопроводностью.

Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Эти же металлы являются и лучшими проводниками электрического тока.

Теплопроводность металлов имеет большое практическое значе­ние. Из металлов и сплавов, обладающих высокой теплопроводно­стью, изготовляют детали машин, которые при работе поглощают или отдают теплоту.

Металлы и сплавы с низкой теплопроводностью для полного прогрева нуждаются в медленном и длительном нагревании. Быст­рый нагрев и быстрое охлаждение таких металлических материа­лов может вызвать образование трещин. Это необходимо учиты­вать при термической обработке, горячей обработке давлением, литье в металлические формы и т. д.

Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, при охлаждении — сжима­ются. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расшире­ния α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1°С. Единица измерения α — °С -1 .

Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изго­товлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инст­рументов, изготовлении литейных форм, горячей обработке метал­лов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением.

Детали точных приборов и измерительных инструментов изго­тавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают из мате­риалов с большим коэффициентом линейного расширения.

Электропроводностью называется способность металлов про­водить электрический ток.

Высокой электропроводностью обладают те металлы, которые хорошо, т. е. без потерь на тепло, проводят электрический ток.

Магнитные свойства. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают желе­зо, никель, кобальт и их сплавы. Перечисленные выше металличе­ские материалы называют ферромагнитными. У остальных металлов и сплавов магнитные свойства выражены крайне слабо, поэтому практически они считаются немагнитными.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Магнитной проницаемостью называют способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа — 768°С, у никеля — 360° С, у кобальта — 1130° С.). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками (слабомагнитными материалами).

К химическим свойствам металлов следует отнести их спо­собность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высо­ких температурах.

Рассмотренные выше физические свойства металлов обна­руживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением вещест­ва. Так, например, нагрев металлов или прохождение через метал­лы электрического тока не сопровождается химическими измене­ниями их. При химических же явлениях происходит превращение металлов в другие вещества с иными свойствами.

Многие металлы подвергаются химическому изменению под воз­действием внешней среды, т. е. разрушаются от коррозии. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распростране­ния коррозии металлов в данной среде и в данных условиях: чем эта скорость меньше, тем металл более коррозионностоек.

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы. Титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным ме­таллам.

Прочность — это способность материала сопротивляться дейст­вию внешних сил без разрушения.

Упругость — это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность — это способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохра­нять полученные деформации после прекращения действия внеш­них сил.

Механическими свойствами металлов называется совокуп­ность свойств, характеризующих способность металлических мате­риалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).

К механическим свойствам металлических материалов относят­ся: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хруп­кость, усталость, ползучесть и износостойкость.

Твердость — способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление).

Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстровозрастающим (ударным) нагрузкам.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризу­ют их способность поддаваться различным методам горячей и хо­лодной обработки. К технологическим свойствам металлов и спла­вов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обраба­тываемость режущими инструментами, прокаливаемость.

Обрабатываемость металлов характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

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

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию 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. Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Красноломкасть — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с повышением температуры.

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

Дата добавления: 2018-02-28 ; просмотров: 1861 ; ЗАКАЗАТЬ РАБОТУ

ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физические, технологические и эксплуатационные.

Механические и физические свойства материалов

К физическим свойствам материала относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, температурные коэффициенты линейного и объемного расширения, электросопротивление и т.п.

К механическим свойствам материала относятся: прочность, пластичность, твердость, ударная вязкость.

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

Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний стандартных образцов из исследуемого материала.

Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испытаний на ударную вязкость, на предел выносливости и ползучесть.

Пластичность — способность материала получать остаточное изменение формы и размера без разрушения. Пластичность определяется относительным удлинением 5 образца при разрыве:

где / — длина образца после разрыва, мм; / — первоначальная длина образца, мм.

Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела. Твердость и ее размерность для одного и того же материала обусловливаются применяемым методом измерения.

Для определения механических свойств металлов и сплавов испытывают стандартные образцы.

Механические испытания в зависимости от характера действия нагрузки могут быть статическими, при которых нагружение производится медленно и нагрузка возрастает плавно или остается постоянной длительное время; динамическими, при которых нагрузка на образец возрастает мгновенно, и переменными, при которых изменяются величина и направление действия нагрузки.

К статическим испытаниям относят испытания на растяжение, сжатие и твердость.

При испытании на растяжение определяют следующие характеристики прочности:

• • предел пропорциональности о_пц;
• • предел упругости о_уп;
• • предел текучести о_т;
• • временное сопротивление о_в.

Для испытаний на растяжение используют стандартные образцы (ГОСТ 1497—73). Машины для испытаний снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения. Диаграмма растяжения показывает зависимость между растягивающей нагрузкой, действующей на образец, и вызываемой деформацией.

По оси ординат откладывается нагрузка Р, по оси абсцисс — абсолютное удлинение образца AL (рис. 1.7).

Участок а на диаграмме растяжения свидетельствует о том, что удлинение пропорционально нагрузке. Следовательно, на этом участке диаграммы сохраняет силу закон прямой пропорциональности (закон Гука). Если нагрузку снять, то деформация растяжения исчезает, т.е. это область упругой деформации.

При достижении нагрузки Р_ПЦ появятся первые признаки отклонения линейной пропорциональной зависимости между нагрузкой и деформацией. Напряжение, соответствующее точке а, называют пределом пропорциональности, оно представляет напряжение, при котором нарушается пропорциональность между усилием и удлинением:

где F — сечение образца.

Рис. 1.7. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали (а) и схема определения условного предела текучести (б)

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к появлению остаточного удлинения, не исчезающего после снятия нагрузки, т.е. это область пластической деформации.

Предел текучести — это минимальное напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение без заметного увеличения нагрузки:

Большинство металлов не имеют ясно выраженной площадки текучести, поэтому за предел текучести принимают условное напряжение, при котором образец получит остаточную деформацию 0,2% первоначальной длины образца, т.е. предел текучести условный:

При дальнейшем увеличении нагрузки металл пластически деформируется и несколько упрочняется. Нагрузка возрастает до точки е, которой соответствует временное сопротивление о_в, т.е. напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_в, предшествующей разрушению образца:

Временное сопротивление для пластичных металлов получается меньше истинного сопротивления разрыву, так как у образца к концу растяжения фактическая площадь сечения F_K, меньше начальной площади F_Q.

Для построения диаграммы истинных напряжений по оси ординат откладывают истинное напряжение а_к, которое получают делением нагрузки Р_к на фактическую площадь сечения образца F_K.

По диаграмме растяжения можно судить и о пластичности металла, которая характеризуется относительным удлинением после разрыва 5 и относительным сужением площади сечения j/ образца.

Испытания на сжатие обычно применяют для определения механических свойств хрупких материалов.

где hnh_x — высота образца до и после осадки.

Рис. 1.8. Схема определения твердости по Бринеллю (а), по Виккерсу (б), по Роквеллу (в)

При испытании на твердость применяют различные методы вдавливания, царапание и т.д.

Наибольшее применение получил метод вдавливания (рис. 1.8).

При этом твердость определяют:

• 1) по диаметру отпечатка стального закаленного шарика (метод Бринелля)’,
• 2) по глубине вдавливания алмазного конуса или стального шарика (метод Роквелла);
• 3) по величине поверхности отпечатка четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса)’,
• 4) вдавливанием четырехгранной алмазной пирамиды под небольшими нагрузками (определение твердости металла в микрообъемах).

Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов с твердостью более 450 НВ, так как шарик может деформироваться, что исказит результаты испытания.

Метод Виккерса используют для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев.

Для определения микротвердости размеров и отдельных структурных составляющих сплавов пользуются прибором, состоящим из механизма для вдавливания алмазной пирамиды под небольшой нагрузкой и металлографического микроскопа.

Микротвердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:

где d — диагональ отпечатка.

При динамических испытаниях определяют ударную вязкость а_н,

которая определяется работой А_н, необходимой для излома образца, отнесенной к рабочей площади поперечного сечения F в месте надреза:

Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах.

Испытания при переменных (циклических) нагрузках, т.е. длительное действие на металлические изделия повторно переменных (циклических) напряжений, которое может вызвать образование трещин и разрушение, даже при напряжениях ниже а_т. Постепенное накопление повреждений в металле под действием циклических нагрузок, приводящее к образованию трещин и разрушению, называется усталостью, а свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

Предел выносливости — наибольшее значение максимального напряжения цикла, при действии которого не происходит усталостного разрушения образца после заданного числа циклов нагружения. Цикл напряжения — это совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения (рис. 1.9, а). Для определения предела выносливости по результатам испытаний строят кривую усталости (рис. 1.9, б). Горизонтальный участок на кривой усталости соответствует пределу выносливости. Наклонная часть кривой усталости характеризует ограниченную выносливость.

Многие цветные металлы не имеют горизонтального участка на кривой усталости. В этом случае определяют ограниченный предел выносливости — наибольшее напряжение, которое выдерживает металл или сплав в течение заданного числа циклов нагружения.

Рис. 1.9. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б), усталостный излом (в]

Основные механические свойства металлов. Технологические свойства металлов

В наше время для изготовления машин и приборов применяют преимущественно материалы, к которым относятся металлы, сплавы металлов с другими металлами и неметаллами. Поэтому очень важное значение приобретает определение механических свойств металлов. Не менее важно знание таких общих закономерностей, как периодичность изменения возможностей их элементов и их соединений, зависимость свойств от типов и особенностей химической связи в сплавах на их основе.

Основные механические свойства металлов

Металлы — это вещества, которые характеризуются теплопроводимостью, электропроводностью, пластичностью. Все они, за исключением ртути, при комнатной температуре — твердые вещества. Температура плавления находится в пределах от -38,78 до +3380 о С. Механические и технологические свойства металлов обладают высокой способностью поглощать свет, и поэтому даже в очень тонких слоях они непрозрачные. Однако гладкий и чистый слой поверхности хорошо отражает свет и придает характерный блеск. Большинство поверхностей имеет белый и серый цвет. Только медь и золото имеют желтый оттенок. Некоторые металлы имеют серый цвет со слабым синеватым, желтоватым или красноватым отливом. В твердом состоянии все они имеют кристаллическую форму. В парообразном состоянии металлы одноатомные. По удельному весу их делят на легкие и тяжелые. Существует еще одно деление — на черные металлы и цветные.

Металлы в природе и способы их добычи

В природе металлы находятся как в свободном состоянии (Си, Au, Ag, Hg, Pt), так и в виде различных соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов, хлоридов, нитратов и других соединений. При извлечении их из руд и минералов используют различные пути восстановления. На практике те соединения и минералы имеют ценность, из которых промышленность просто и без больших затрат может получить чистый металл. Для получения железа из железной руды используется углерод. Восстановителями могут быть водород, алюминий, кальций, натрий, которые имеют большую способность присоединять кислород. Из сульфидов получение железа проходит в два этапа: сначала получают сульфат, а потом выжигают и переводят в оксиды, затем полученный оксид восстанавливают по технологии получения из оксидов. Из карбонатов сначала раскладывают карбонат при нагревании. Аналогичными действиями могут быть получены различные виды железа из разных природных соединений. Методом электролиза добываются активные металлы, щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний и др. Последние производят при электролизе расплавов (расплавленных солей). При пропускании постоянного электрического тока ионы выделяются на катоде. Трудноплавкие технологические свойства металлов используют для получения их в виде порошка или губчатом состоянии с последующим прессованием при высокой температуре.

Строение металлов и их физические свойства

На механические свойства металлов влияют особенности их внутренней структуры в твердом состоянии. Металлическая решетка имеет такую особенность, что в ее узлах имеются молекулярные частицы, то есть существует равновесие. Валентные электроны находятся в относительно свободном состоянии и не закреплены строго к каждому атому, образуя так называемый электронный газ. То есть, кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, а промежутки между ионами заполняются электронами. При наличии разницы температур или под воздействием внешней разности потенциалов эти электроны легко перемещаются и проводят теплоту и электрический ток без смещения материальных частиц. В парообразном состоянии механические свойства металлов способствуют проведению электрического тока только в ионизированном виде. Характерно то, что при повышении температуры электропроводность снижается благодаря тому, что растет их объемное сопротивление. При нагревании или (даже при воздействии фотонов) энергия электронов возрастает, вследствие чего они могут даже легко излучаться (появление катодных лучей и фотоэлектронной эмиссии, используется в радиотехнике, в электронных трубках и измерении интенсивности света с помощью фотоэлементов). Таким образом, металлическая решетка — это фактически ионная решетка, в вершинах которой находятся одноименные положительные ионы, взаимное отталкивание которых компенсируется не противоположными заряженными анионами, а совместным усилиям свободных электронов.

Испытания механических свойств металлов

Растворение может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимых соединениях, то есть химическим путем. Некоторые могут разжижаться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Железо способно образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав. Для получения картины изменения свойств с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. Предварительно нагретому веществу дают остывать и каждый час замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, по оси ординат — температуру. Если в системе при охлаждении не изменяются технологические свойства металлов, сопровождающиеся выделением теплоты, то снижение температуры происходит постепенно. Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в остывании системы, вызванная фазовыми переходами. С помощью термического анализа по кривым охлаждения возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов.

Изменение характеристик сплавов в зависимости от состава

Вообще при переходе вещества из жидкого состояния в твердое происходит выделение вещества в виде более или менее крупных частиц — кристаллов, или бесформенной аморфной массы (клеи, каучук и другие). Наименьший возможный объем кристаллической решетки, которая воспроизводит особенности ее структуры, характеризуется элементарной ячейкой. Форма твердого вещества зависит от природы вещества и от условий, в которых проходит переход в твердое состояние. Если в вершинах находятся одинаковые атомы, то расстояние между ними в кристалле равна сумме их радиусов, то есть радиус атома равен половине этого расстояния. Заполнение кристаллических решеток молекулами и ионами происходит при максимально плотной упаковке, то есть ионы и молекулы заполняют пространство с минимальным объемом. Элементами симметрии кристаллов твердого вещества является его центр, плоскости и оси. Наиболее характерной их особенностью является анизотропия, то есть неодинаковость их характеристик (прочности, теплопроводности, скорости растворения и др.) в различных направлениях. Отсутствие строго направленных связей между атомами, механические свойства металлов дают возможность размещения в металлической решетке двух или более элементов, которые располагаются в определенном порядке, образуя интерметаллические структуры.

Сплавы

При смешивании различных металлов в расплавленном состоянии частицы основного компонента могут быть замещены частицами другого или нескольких элементов без изменения кристаллической решетки, образуя твердые растворы. Материалы, содержащие два или более видов атомов и имеют характерные свойства (блеск, теплопроводность, электропроводность), называют сплавами. В расплавленном состоянии металлы хорошо растворяются друг в друге и, как правило, без ограничений. Часто в этих растворах может образовываться целый ряд гетерогенных зон, свидетельствующий об их ограниченной растворимости. Механические свойства металлов, на основе которого образуется сплав, отличаются от физических и механических свойств сплавов. При растворении в ртути образуются так называемые амальгамы. На практике различают три вида сплавов: твердые растворы, те, которые имеют характер химических соединений металлов, и смесь кристаллов.

Формирование элементарной кристаллической решетки сплавов

Разнообразие способов получения сплавов дает возможность их производства с заданными свойствами. На практике широко используются соединения на основе железа, меди, никеля и др. Физические и механические свойства металлов, на основе которых получают сплав, существенно отличаются от свойств сплавов. Добавленные атомы могут образовывать более «жесткие» локализованные связи, и скольжение слоев атомов уменьшается. Это приводит к уменьшению ковкости и увеличению жесткости сплавов. Так, прочность железа увеличивается в 10 раз при добавлении 1% углерода, никеля или марганца. В латуни, которая содержит 65-70% хрома и 30- 5% цинка, прочность в 2 раза больше, чем в чистой меди, и в 4 раза больше, чем у чистого цинка. Промышленность производит очень много разновидностей сплавов различных металлов с заданными свойствами.

Строение металлов

Изучая строение атомов, можно наблюдать, что все они имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, и для них характерна способность только отдавать электроны при образовании соединений. В соединениях металлы всегда имеют положительную степень окисления. При образовании соединений частицы отдают электроны, проявляя свойства восстановителя. Способность отдавать электроны различна и зависит от строения атома. Чем легче он отдает электроны, тем он активнее. Количественная характеристика механических свойств металлов отдавать электрон есть потенциал ионизации. Под ним понимают то минимальное напряжение электрического поля (в вольтах), при котором электрон получает такое ускорение, что он способен вызвать ионизацию атома. Активность в водных растворах характеризуется стандартным электродным потенциалом и может быть определена количественно с использованием стандартного водородного электрода, потенциал которого принят за ± 0. Благородные металлы имеют положительный стандартный потенциал. По химическим свойствам они способны взаимодействовать с водой, кислотами, щелочами, солями, оксидами, органическими веществами.

Взаимодействие с неметаллами

Во всех случаях образования соединений с неметаллами происходит переход электронов от атомов металлов к атомам неметаллов. Гидриды — это соединения с водородом. Щелочные и щелочноземельные образуются при непосредственном взаимодействии с водородом. Галогениды — это соли галогеноводородных кислот, полярные молекулы, которые для металлов 1, 2 группы хорошо растворимы в воде. Они образуются при непосредственном взаимодействии железа с галогенами, галогеноводородных кислот с железом. В их среде металлы взаимодействуют с ним очень активно. Оксиды преимущественно имеют основополагающий характер, к ним относятся оксиды алюминия, цинка, свинца (II), хрома (III). Они могут быть получены из элементов при разложении солей гидроксидом, обжиге сульфидов. Основные механические свойства металлов на воздухе способствуют их покрытию пленкой оксида. Если она неплотно покрывает поверхность, то не защищает от разрушения, идет процесс химической коррозии. Некоторые металлы образуют очень плотную пленку оксида, которая не дает кислороду из воздуха и другим окислителям проникать через нее и защищает металл от коррозии.