Основные свойства металлов механические – Основные механические свойства металлов. Технологические свойства металлов :: ashanet.ru

Основные свойства металлов

Металлы обладают механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании и фазовых превращениях;

к химическим — окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность;

к механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;

к технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прочность — способность металла сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Удельная прочность— отношение предела прочности к плотности.

Твердостью— называется способность тела противостоять проникновению в него другого тела.

Упругость— свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы (деформацию).

Вязкость— способность металла оказывать сопротивление ударным внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.

Пластичность— свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, — это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяют инструментальные стали и сплавы, а для рессор и пружин — специальные стали, обладающие высокой упругостью.

Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, штамповать).

Физические свойства. В авиа-, авто-, приборо-, и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.

Плавкостьиспользуется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки топографических матриц, предохранителей в приборах пожарной безопасности.

Металлы с высокой электропроводностью(медь, алюминий) используют в электромашиностроении, в линиях электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением — для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойстваметаллов используются в электромашиностроении при производстве электродвигателей, трансформаторов в приборостроении (телефонные и телеграфные аппараты).

Теплопроводностьметаллов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки, кроме того, она обеспечивает возможность пайки и сварки металлов.

Некоторые металлы имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие металлы применяют для изготовления точных приборов при сооружении мостов, путепроводов и др.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (детали машин в химической промышленности). Для таких изделий используют сплавы с высокой коррозионной стойкостью — нержавеющие, кислотостойкие и жароупорные стали.

studfiles.net

Основные механические свойства металлов.

Под механическими свойствамипонимают характеристики, определяющие поведение металла под действием приложенных внешних сил. В результате механических испытаний получают количественные значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения механического состояния материала. Напряжение определяется из отношения величины приложенной нагрузки к единице первоначальной площади сечения. Деформация- это изменение формы и размеров тела под влиянием приложенных сил или в результате физико-механических процессов в самом теле \ структурные превращения, усадка и т.д. \.

Прочность-способность твердого тела сопротивляться разрушению и необратимому изменению формы при воздействии статических и динамических нагрузок. Испытания образцов на растяжение, сжатие, изгиб, кручение проводят с целью определения прочности при статических и динамических нагрузках.Условный предел упругости— такое напряжение, при котором величина остаточной деформации составляет 0,002% первоначальной длины образца. В процессе дальнейшего повышения нагрузки при некоторой силе наблюдается значительная деформация материала без заметного повышения нагрузки. Напряжение, соответствующее этой силе называется пределом текучести, при котором возникает пластическая деформация за счет остаточного искажения кристаллической решетки.

Пластичность- способность материала получать остаточное изменение формы и размеров без разрушения. Характеристиками пластических свойств металла являются относительное удлинение и относительное сужение.

Механические свойства при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая к образцу нагрузка возрастает медленно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить несколько важных механических характеристик металла или сплава. Хрупкое разрушение обычно происходит при напряжениях лежащих в области упругих деформаций без макропластической деформации. Очагом хрупкого разрушения являются имеющиеся в металле микротрещины или дефекты, возникающие в процессе эксплуатации. Потому надежность конструкции определяется в основном сопротивлением металла распространению уже имеющихся трещин.

Твёрдость металлов. Твердостью называют свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при контактном воздействии в поверхностном слое. Измерение твердости очень широко применяется ввиду простоты и быстроты способа, причем без разрушения изделия.

Определение твердости производится в основном тремя способами — по Бринелю, по Роквеллу, по Виккерсу. Метод определения по Бринелю основан на том, что в плоскую поверхность металла вдавливается твердый стальной шарик. После снятия нагрузки измеряют диаметр образовавшейся лунки, по которому судят о твердости металла, сопоставляя данный диаметр с табличными данными. Методы определения по Роквеллу и Виккерсу основаны на измерении глубины отпечатка вдавливаемого алмаза. Все три метода обеспечивают измерениями весь диапазон твердостей всех металлов и сплавов.

Механические свойства при динамических испытаниях. Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому разрушению. Метод основан на разрушении образца с концентратором напряжения в средней части путем удара маятникового копра. По шкале определяют, полню работу затраченную при ударе. Металлы, имеющие различную кристаллическую решетку \параметры которой регулируются температурными режимами получения металла или специальной термической обработки могут разрушаться вязким или хрупким способом. Определяя вязкое и хрупкое разрушение можно определить температуру перехода, которая получила название критической температуры хрупкости или порога хладноломкости.

Механические свойства при переменных \циклических\ нагрузках. Данные испытания необходимы для выявления характеристик металлоконструкций, работающих при длительных нагружениях в динамическом режиме. По зоне усталости и зоны излома устанавливают предел выносливости.

Комплекс механических испытаний позволяет объективно выявлять возможности металлоконструкций различного нагружения в процессе эксплуатации. Все испытания стандартизованы в плане методов, машин и других характеристик.

studfiles.net

Основные свойства металлов — Металлы

Основные свойства металлов

Категория:

Металлы

Основные свойства металлов

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

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

К химическим — окнсляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

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

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Дадим краткие определения механическим свойствам.

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

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

Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

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

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

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить доброкачественность готовых изделий.

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности.

Детали машин, механизмов и сооружений работают под нагрузками. Нагрузки на детали бывают различных видов: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению. Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных температурах, при действии коррозии и т. п.; такие детали работают ,3 сложных условиях.

В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний металлов, с помощью которых определяют механические свойства.

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающей весьма быстро,

Кроме того, в ряде случаев, производятся испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию,—это достаточная прочность.

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью.

Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными. Удельная прочность (отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых сплавов выше, чем для мягкой стали.

Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (например, свинец) применяются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров, и т. п.

Металлы с высокой электропроводностью используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением— для ламп накаливания электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, электродвигатели, трансформаторы), в электроприборостроении (телефонные и телеграфные аппараты) и т. д.

Теплопроводность металлов дает возможность производить их равномерный нагрев для обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает также возможность пайки металлов, их сварки и т. п.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп и пр. Расширение металлов должно приниматься во внимание при постройке длинных сооружений, например мостов. Нужно также учитывать, что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окисленных средах (колосниковые решетки, детали машин химической промышленности). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные стали, а также применяют защитные покрытия для изделий.

Технологические свойства. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций.

—

Все материалы обладают рядом свойств, которые различаются как физические, механические, химические и технологические.

К физическим свойствам металлов относят удельный вес, температуру плавления, цвет,.электропроводность, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании, магнитные свойства и некоторые другие. В зависимости от условий работы или эксплуатации деталей некоторые из этих свойств приобретают решающее значение и служат основанием для выбора материала при изготовлении и использовании детали. Например, удельный вес и прочность — важные качества для материала в самолетостроении, где нужны легкие и прочные детали. Температура плавления имеет большое значение для деталей, работающих при высоких температурах, например нити накаливания в электрических лампах, футеровка плавильных печей и т. п. Поэтому детали самолета изготовляют из сплавов алюминия и магния, а для изготовления нитей накаливания употребляется вольфрам и т. д.

Из химических свойств металлов главным образом важна коррозионная стойкость, а также окисляемость и растворимость.

Очень важную роль в определении пригодности металла как материала для деталей машин и механизмов играют его механические свойства.

Механические свойства: прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость.

Прочность — способность материала сопротивляться воздействию сил, не разрушаясь и не изменяя допустимой формы.

Примером прочного материала служит сталь. Стальные изделия с трудом разрушаются и изменяют форму. В противоположность стали ртуть не обладает прочностью. При обычной температуре она находится в жидком состоянии и не сохраняет формы.

Твердость — способность материала противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Самым твердым из известных нам веществ является алмаз. Высокой твердостью обладают различные сорта стали и так называемые твердые сплавы. Твердость — главнейшее свойство материалов, из которых изготовляют режущие инструменты.

Упругость — способность тела восстанавливать свою первоначальную форму после прекращения действия сил, вызвавших это изменение. Примером упругого тела может служить стальная пружина, которая после прекращения сил воздействия восстанавливает свою прежнюю форму.

Пластичность — способность материала изменять свою форму под воздействием сил не разрушаясь и не восстанавливать прежней формы после прекращения действия сил. Примером пластичного металла может служить свинец. Это качество по своей сущности противоположно упругости.

Вязкость — способность материала выдерживать механические воздействия (удары) не разрушаясь. Очень вязка, например, малоуглеродистая сталь, употребляемая для неответственных деталей.

Хрупкость — качество, противоположное вязкости, способность тела легко разрушаться при механических воздействиях (ударах). Примером хрупкого металла является чугун.

Технологические свойства металлов и сплавов представляют собой сочетание различных механических и физических свойств, проявляющихся в процессах изготовления деталей машин.

К технологическим свойствам металла относятся возможность обработки резанием, литьем, прокаткой, ковкой, волочением, способность свариваться и подвергаться термообработке.

Для определения свойств металлов и сплавов пользуются:
а) механическими испытаниями, которыми устанавливают их прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость и хрупкость;
б) физическими измерениями удельного веса, температуры плавления, тепла и электропроводности;
в) химическим анализом, который определяет качественный и количественный состав сплава;
г) металлографическим- анализом, позволяющим получить данные о структуре и свойствах металла с помощью микроскопа и рентгеновского аппарата;
д) технологическими пробами, дающими возможность определить пригодность металла для данного вида обработки.

Читать далее:

Испытания на растяжение

Статьи по теме:

pereosnastka.ru

Механические свойства металлов

Количество просмотров публикации Механические свойства металлов — 348

Лекция

Отклонение частоты

∆f = f – f_ноом [ Гц ]

∆f = ± 0,1 Гц – допускаемое значение

∆f = ± 0,2 Гц – предельно допускаемое значение

∆f = ± 0,4 Гц – аварийно допускаемое значение

Изменение нагрузки потребителœей в сети должна быть различным . При малом изменении нагрузки требуется небольшой резерв мощности. В этих случаях автоматическое регулирование частоты одной так называемой частотно-регулируемой станцией.

При больших изменениях нагрузки, автоматическое регулирование частоты должно быть предусмотрено на значительном числе станций. Для этого составляются графики изменения нагрузок электростанций.

При отключении мощных линий электропередач в послеаварийных режимах, система может оказаться разделœенной на отдельно не синхронно работающие части.

На электростанциях, на которых мощности может оказаться не достаточно, произойдет снижение производительности оборудования собственных нужд (питательных и циркуляционных насосов), следовательно вызовет значительное снижение мощности станции , вплоть до выхода ее из строя.

В подобных случаях для предотвращения аварий предусматриваются устройства АЧР, отключающие в таких случаях часть менее ответственных потребителœей, а после включения резервных источников питания, устройства ЧАПВ включают отключенных потребителœей.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации (упругой и пластической) и разрушению. Для металлов и сплавов, работающих как конструкционные материалы, эти свойства являются определяющими. Выявляют их испытаниями при воздействии внешних нагрузок.

Количественные характеристики механических свойств: упругость, пластичность, прочность, твердость, вязкость, усталость, трещиностойкость, хладостойкость, жаропрочность. Эти характеристики необходимы для выбора материалов и режимов их технологической обработки, расчетов на прочность деталей и конструкций, контроля и диагностики их прочностного состояния в процессе эксплуатации.

Под действием внешней нагрузки в твердом телœе возникают напряжение и деформация.

Напряжение — это нагрузка (сила) P, отнесенная к первоначальной площади поперечного сечения F₀ образца:

Деформация — это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в телœе при фазовых превращениях, усадке и т.п. Деформация должна быть упругая (исходные размеры образца восстанавливаются после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки).

Напряжение s измеряют в паскалях (Па), деформацию e — в процентах (%) относительного удлинœения (Dl/l)×100 или сужения площади сечения (DS/S)×100.

При всœе возрастающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пластическую, и далее образец разрушается (рис.1). Учитывая зависимость отспособа приложения нагрузки методы испытания механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Прочность — способность металлов оказывать сопротивление деформации или разрушению статическим, динамическим или знакопеременным нагрузкам. Прочность металлов при статических нагрузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при динамических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках — усталостной прочностью.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующими характеристиками (рис.1).

Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) s_в — это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке Р_max, предшествующей разрушению образца:

.

Эта характеристика является обязательной для металлов.

Предел пропорциональности s_пц — это условное напряжение Р_пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависимости между деформацией и нагрузкой:

.

Предел текучести s_т — это наименьшее напряжение Р_т, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

.

Условный предел текучести s_0,2 — напряжение, после снятия которого остаточная деформация достигает величины 0,2 %.

В случае если же на кривой напряжение — деформация за пределом упругости образуется площадка текучести (рис.1), то за предел текучести s_т принимают напряжение, отвечающее площадке текучести.

В случае если после того, как напряжение превысило s_т, его снять, то деформация уменьшится по пунктирной линии. Отрезок ОО^¢показывает остаточную пластическую деформацию.

Величина s_т чрезвычайно чувствительна к скорости деформации (продолжительности действия нагрузки) и к температуре. В случае если прикладывать к материалу напряжение меньше s_т в течение длительного времени, то оно может вызвать пластическую (остаточную) деформацию. Это медленное и непрерывное пластическое деформирование воздействием постоянной нагрузки называют ползучестью (криппом).

Пластичность — свойство металлов деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Пластичность — одно из важных механических свойств металла, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ в сочетании с высокой прочностью делает его основным конструкционным материалом. Ее характеристиками являются относительное удлинœение перед разрывом d и относительное сужение перед разрывом y. Эти характеристики определяют при испытании металлов на растяжение, а их численные значения вычисляют по формулам (в процентах):

,

,

где l₀ и l_р — длина образца до и после разрушения соответственно;

F₀ и F_р — площадь поперечного сечения образца до и после разрушения.

Упругость — свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упругость — свойство, обратное пластичности.

Твердость — способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Испытания на твердость — самый доступный и распространенный вид механических испытаний. Наибольшее применение в технике получили статические методы испытания на твердость при вдавливании индентора: метод Бринœелля, метод Виккерса и метод Роквелла. Твердость, согласно этим методам, определяют следующим образом.

По Бринœеллю — в испытуемый образец с определœенной силой вдавливается закаленный стальной шарик диаметром D под действием нагрузки P, и после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка d (рис.2,а). Число твердости по Бринœеллю — НВ, характеризуется отношением нагрузки P, действующей на шарик, к площади поверхности сферического отпечатка M:

.

Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку P выбирают исходя из материала и толщины образца. Метод Бринœелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 HB, так как стальной шарик может заметно деформироваться, что внесет погрешность в результаты испытаний.

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершинœе a = 136° (рис.2,б). После снятия нагрузки вдавливания измеряется диагональ отпечатка d₁. Число твердости по Виккерсу HV подсчитывается как отношение нагрузки Р к площади поверхности пирамидального отпечатка М:

.

Число твердости по Виккерсу обозначается символом HV с указанием нагрузки Р и времени выдержки под нагрузкой, причем размерность числа твердости (кгс/мм²) не ставится. Продолжительность выдержки индентора под нагрузкой принимают для сталей 10-15 с, а для цветных металлов — 30 с. К примеру, 450 HV_10/15 означает, что число твердости по Виккерсу 450 получено при Р = 10 кгс (98,1 Н), приложенной к алмазной пирамиде в течение 15 с.

Преимущество метода Виккерса по сравнению с методом Бринœелля состоит по сути в том, что методом Виккерса можно испытывать материалы более высокой твердости из-за применения алмазной пирамиды.

При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус с углом при вершинœе 120° или стальной шарик диаметром 1,588 мм. При этом, согласно этому методу, за условную меру твердости принимается глубина отпечатка. Схема испытания по методу Роквелла показана на рис.2,в. Вначале прикладывается предварительная нагрузка Р₀, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₀. Далее прикладывается основная нагрузка Р₁, под действием которой индентор вдавливается на глубину h₁. После этого снимают нагрузку Р₁, но оставляют предварительную нагрузку Р₀. При этом под действием упругой деформации индентор поднимается вверх, но не достигает уровня h₀. Разность (h – h₀) зависит от твердости материала; чем тверже материал, тем меньше эта разность. Глубина отпечатка измеряется индикатором часового типа с ценой делœения 0,002 мм. При испытании мягких металлов методом Роквелла в качестве индентора применяется стальной шарик. Последовательность операций такая же, как и при испытании алмазным конусом. Число твердости, определœенное методом Роквелла, обозначается символом HR. При этом исходя из формы индентора и значений нагрузок вдавливания к этому символу добавляется буква А, С, или В, обозначающая соответствующую шкалу измерений.

Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

;

,

где 100 и 130 — предельно заданное число делœений индикатора часового типа с ценой делœения 0,002 мм.

Трещиностойкость — свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях.

Трещины в материалах бывают металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций крайне важно количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов.

Количественной характеристикой трещиностойкости материала является критический коэффициент интенсивности напряжений в условиях плоской деформации в вершинœе трещины K_Iс.

Многие конструкции при эксплуатации испытывают ударные нагрузки. Для решения вопроса об их долговечности и надежности в этих условиях очень важными являются результаты динамических испытаний (нагрузка прилагается ударом с большой силой).

Переход от статических нагружений к динамическим вызывает изменение всœех свойств металлов и сплавов, связанных с пластической деформацией.

Для оценки склонности материала к хрупкому разрушению применяют испытания на ударный изгиб образцов с надрезом, в результате которых определяют ударную вязкость.

Ударная вязкость — работа͵ затраченная при динамическом разрушении надрезанного образца, отнесенная к площади поперечного сечения в месте надреза.

Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Ударная вязкость ответственных деталей должна быть высокой.

Кроме числовых значений, получаемых при испытании на удар, важным критерием является характер излома. Волокнистый матовый излом без характерного металлического блеска свидетельствует о вязком разрушении. Хрупкое разрушение дает кристаллический блестящий излом.

Ударная вязкость зависит от многих факторов. Наличие в изделиях резких переходов в сечении, надрезов, вырезов и т. п. вызывает неравномерное распределœение напряжений по сечению и их концентрацию. Ударная вязкость зависит также и от состояния поверхности образца. Риски, царапины, следы механической обработки и другие дефекты снижают ударную вязкость.

Динамическое нагружение вызывает повышение предела упругости и предела текучести, не переводя материал в хрупкое состояние. Но при понижении температуры, сопротивление удару резко уменьшается. Это явление принято называть хладоломкостью.

К хладоломким металлам относятся металлы с объёмноцентрированной кубической решеткой (к примеру, a-Fe, Mo, Cr). Для этой группы металлов при определœенной минусовой температуре наблюдается резкое снижение ударной вязкости. К нехладоломким металлам можно отнести металлы с гранецентрированной кубической решеткой (g-Fe, Al, Ni и др.). Хладоломкость у крупнозернистого материала наступает при более высокой температуре, чем у мелкозернистого.

Характер падения ударной вязкости напоминает порог, что привело к выражению ʼʼпорог хладоломкостиʼʼ.

Температура, при которой происходит определœенное падение ударной вязкости, принято называть критической температурой хрупкости T_кр.

Большинство разрушений деталей и конструкций при эксплуатации происходит в результате циклического нагружения. Причем в ряде случаев разрушение происходит при напряжениях, лежащих ниже предела упругости.

Усталость — процесс постепенного накопления повреждений в материале при действии циклических нагрузок, приводящий к образованию трещин и разрушению.

Термин ʼʼусталостьʼʼ часто заменяют термином ʼʼвыносливостьʼʼ, который показывает сколько перемен нагрузок может выдержать металл или сплав без разрушения. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости s_-1. Число циклов условно принято для сталей равным 10⁷, для цветных металлов — 10^-8.

Явление усталости наблюдается при изгибе, кручении, растяжении-сжатии и при других способах нагружения.

Большое влияние на выносливость оказывают микроскопическая неоднородность, неметаллические включения, газовые пузыри, химические соединœения, а также надрезы, риски, царапины, наличие обезуглероженного слоя и следов коррозии на поверхности изделий, которые приводят к неравномерному распределœению напряжений и снижают сопротивление материала повторно-переменным нагрузкам.

Износостойкость — сопротивление металлов изнашиванию вследствие процессов трения. Износ состоит в отрыве с трущейся поверхности отдельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а ударная вязкость и трещиностойкость характеризует надежность этих деталей.

Жаропрочность — способность металлов и сплавов длительно сопротивляться началу и развитию пластической деформации и разрушению под действием постоянных нагрузок при высоких температурах. Предел кратковременной прочности, предел ползучести и предел длительной прочности — численные характеристики жаропрочности.

referatwork.ru

Основные механические свойства металлов. Технологические свойства металлов :: ashanet.ru

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^оС. 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.

ashanet.ru