Характеристика металлического состояния. Общая характеристика свойств металлов

«Характеристика металлического состояния. Общая характеристика свойств мета л лов» Введение Металловедение – наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов, закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнитных и радиоактивных. На металловедение опираются такие научные дисциплины, как общая металлургия, технология металлов, коррозия металлов, теория прочности, ОМД , пластическая деформация металлов, термическая обработка металлов и сплавов и др. Все металлы и сплавы принято делить на две группы: – железо и сплавы на его основе (сталь, чугун) называют черными м е таллами, а остальные металлы ( Be , Mg , Al , Ti , Ni , V , W , Co , Cu , Zn , Zr , Nb , Mo , Ag , Sn , Au , Hg , Pb , Cr и др.) и их сплавы – цветными. На основе железа изготавливают не менее 90% всех конструкционных и инструментальных материалов. Металлическое состояние. Металлы в твердом и, отчасти, в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств (наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние вещества): 1) высокой тепло- и электропроводностью; 2) положительным температурным коэффициентом электросопроти в ления; с повышением температуры электросопротивление чистых металлов возрастает ( Т ); большое число металлов ( 30) о б ладает сверхпроводимостью ( у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электросопротивление падает ска ч кообразно, практически до нуля (при Т 0 К 0); 3) термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электр о ны при нагреве; 4) хорошей отражательной способностью: металлы не прозрачны и о б ладают металлическим блеском; 5) повышенной способностью к пластической деформации. 1. Свойства металлов и с п лавов К основным свойствам металлов и сплавов относятся механические, физич е ские, химические, технологические и эксплуатационные. Физические свойства. К физическим свойствам металлов и сплавов относится температура плавления, плотность, температурный коэфициет линейного и обьёмного расширения, электросопротивление и теплопроводность. Эти свойства сплавов об у словлены их составом и структурой. Химические свойства. К химическим свойствам относятся способность металлов к химич е скому взаимодействию с агрессивными средами (коррозия). Технологические свойства. Определяют способность материала подвергатся различным методам горячей и холодной обработки. К ним относятся: литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инс т рументом. Эксплуатационные или служебные свойства. К ним относятся: коррозионная стойкость, холодостойкость, жар о прочность, жаростойкость, антифринционность. Механические свойства. К ним относят – прочность, пластичность, эластичность, вязкость ( ударн ая ) , твёрдость, выносливость, износостойкость, ползучесть. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – это нагрузка (сила – Р ), отнесённая к площади попере ч ного сечения образца ( F ) , Мпа: (P- нагрузка, М н ; F – площадь поперечного сечения, м 2 ) . Напряжение вызывает деформацию. Деформация – изменение формы и размеров тела под воздействием внешних сил или в результате физико-механических процессов, возника ю щих в самом теле. Деформация может быть упругая (изчезающая после снятия нагрузки) и пластическаяя (остающаяся после снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в пластическую; при дальнейшем п о вышении нагрузки происходит разрушение тела. Прочность – это способность твердого тела сопротивлятся деформации или разрушению под действием статистических или динамических н а грузок. Пластичность – это способность материала получать остаточное изм е нение формы и размеров без разрушения. Вязкость – свойство материала, которое определяет его способность к поглашению механической энергии при постепенном увеличении пластич е ской деформации вплоть до разрушения материала. Материал должен быть одн о временно прочным и пластичным. Твердость – это способность материала сопротивлятся внедрению в него др у гих тел. 2. Испытания М еханические свойства металлов определяют при испытании образц ов или готовых изделий на специальных машинах. В результате испытания образцов на специальн ых машин ах получают числовые значения механических свойств, то есть значение напряжений и деформации, при которых происходят изменения физического состояния матери а ла. В зависимости от условий нагружения образцов механические испыт а ния могут быть статистическими, при которых нагружение производится плавно, динамическими, при которых нагрузка на образец прикладывается мгнове н но. К статистическим испытаниям относят испытание на растяжение, сжатие, определение твёрдости; к динамическим – испытание на ударный и з гиб. Рассмотрим некоторые из этих видов испытаний. 3. Твёрдость В зависимости от применяемого метода твёрдость определяют по Бр и нелю (НВ), Роквеллу ( HRC , HRA , HRB ), Виккерсу ( HV ). Более подробно рассмотрим эти методы на лабораторной работе. 4. Испытание на растяжение (ГОСТ 1497) Для этого вида испытания изготавливаются стандартные образцы (круглого и прямоугольного сечения). Рисунок 1. Образцы для и с пытаний на растяжение: l – расчетная длина, мм; d 0 – диаметр, начальный, мм. При испытании образец растягивается на специальной машине до м о мента его разрыва. При этом вычерчивается диаграмма растяжения образца (P- н а грузка; Дl – абсолютное удлинение образца) (рис. 2) . На диаграмме отмечаются характерные участки и точки. Рисунок 2. Диаграмма растяжения образца Прочностные характеристики: На участке (О – А) удлинение образца увеличивается прямопропо р ционально нагрузке Р. В точке А (Р пц ) предел пропорциональности: [М П а] (Н/мм 2 ). F 0 – начальная площадь поперечного сечения образца, мм 2 . Предел упругости (определяется в точке В) называют такое напряжение, при котором остаточное удлинение получается равным 0,05% первоначал ь ной расчетной длины образца: (МПа). Выше точки В (Р уп ) кривая диаграммы переходит плавно в горизо н тальный участок, при этом образец удлиняется без увеличения нагрузки (металл т е чет). Пределом текучести Т ( 0,2 ) называют наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: (определ я ется в т. С) : (МПа). Т – физический предел текучести; условный предел текучести – напряжение, при котором остаточное у д линение образца равно 0,2% расчетной длины. За площадкой текучести нагрузка снова растет до некоторой мах вел и чины Рв, после которой на образце начинается местное сужение (образование ше й ки). Пределом прочности (временное сопротивление) называют напр я жение, соответствующее мах нагрузке Р В предшествующей разрушению о б разца: ( М П а ). Разрыв образца происходит в точке Е (Р к ). Истинное сопротивление разрыву: ( М П а ) . Характеристики пластичности: Относительное удлинение - отношение приращения длины образца после разрыва к его расчетной длине (%): Относительное сужение - отношение уменьшения площади попере ч ного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сеч е ния (%): F 0 – начальная площад ь поперечного сечения образца; F k – конечная площадь поперечного сечения образца . Модуль упругости. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала E = / ( – относительная деформация). Модуль упругости E определяет жесткость материала, интенсивность увеличения напряж е ния по мере упругой деформации. Физический смысл модуля упругости сводится к тому, что он характ е ризует сопротивляемость металла упругой деформации, то есть смещению ат о мов из положения равновесия в решетке. Модуль упругости лишь весьма незначительно зависит от структуры металла и определяется силами межатомной связи. Все другие механ и ческие свойства являются структурно чувствительными и изменяются в зависимости от стру к туры (обработки) в широких приделах. 5. Испытание на удар (ГОСТ 9454) Эти испытания позволяют определить способность металла против о действовать динамическим нагрузкам, выявить склонность металла к хрупкому ра з рушению при различных температурах. Применяются стандартные квадратные или прямоугольные образцы с надр е зом (концентратором) посередине (рис. 3) . Рисунок 3. Образцы для испытания на удар (с различными типами на д резов) Типы надрезов: 1) U – R 1; 11) V – R 0,25; T ) трещина Испытание проводится на маятниковом копре (рис. 4) . K 1 = Ph 1 – потенциальная энергия в исходном состоянии (Р – прив еденный вес м а ятника) K 2 = Ph 2 – потенциальная энергия (после разрушения) Работа удара К – разница между потенциальными энергиями в исходном и коне ч ном положениях: К = К 1 – К 2 Рисунок 4. Схема маятникового копра Ударная вязкость (КС (а н )) определяется работой (К (Ан)), необход и мой для излома образца, отнесенной к рабочей площади поперечного сечения о б разца F в месте надреза: при надрезе – U [Дж/м 2 ] или [кгс м/см 2 ] Для пластичных металлов: КС > 5 – 7 кгс м/см 2 ; для хрупких металлов: КС < 1 – 2 кгс м/см 2 . Испытывая образцы при разных температурах, определяют порог хладноломкости, что позволяет определить температурный интервал перех о да от пластического разрушения к хрупкому. Для чистых металлов характерен резкий переход от вязкого к хрупкому разрушению (рис. 5). Рисунок 5. У сплавов широкий интервал перехода от вязкого к хрупкому разруш е нию (рис. 6). Имеется верхний порог хладноломкости T П.Х. и нижний порог хла д ноломкости T П.Х. За порог хладноломкости обычно принимается температура, при кот о рой в изломе имеется 50 % волокна ( t 50 ). Порог хладноломкости сильно зависит от структуры, условий испыт а ний, наличия концентратов напряжений, размеров деталей и так далие. Рекомендуется не применять материалы при температурах ниже порога хладноломкости. Рисунок 6. 6. Другие свойства Живучесть – это способность металла работать в пвреждённом состо я нии после образования трещин. Выносливость * – свойство металлов сопротивляться усталости (уст а лость – образование трещин и разрушение, в результате действия циклич е ских нагрузок ) . ( *Выносливость – способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число п о вторно переменных нагрузок.) Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление изнашив а ию. Виды и з нашивания: механическое, коррозионо-механическое, эроз и онное (поток житкости, газа), кавитационное (гребни, венты, трубопроводы), уст а лостное. 7. Прочность конструкции О прочности конструкции нельзя судить только по результатам исп ы тания образцов, так как они не отражают того многообразия воздействий, к о торым подвергается металл в процессе изготовления деталей и их дальнейшей раб о ты в машинах. Критериями оценки прочности конструкции в целом являются стенд о вые, натурные и эксплутаационные испытания. При таких испытаниях внедряются влияние на прочность и долгове ч ность конструкции таких факторов, как распределение и величина остато ч ных напряжений, дефектов сварных швов и других дефектов технологии изготовл е ния и конструктирования металлоизделий.