Какие есть механические свойства металлов и сплавов

03.07.2020
0
Главная › Какие свойства › Какие есть механические свойства металлов и сплавов
Какие есть механические свойства металлов и сплавов thumbnail

На чтение 5 мин.

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.

Свойства металлов и сплавов

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.

Производство стали

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.

Двигатель внутреннего сгорания

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.
Читайте также:  Какие свойства металлов определяют испытаниями на износостойкость

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.

Источник

К основным механическим
свойствам
металлов относятся прочность,
вязкость, пластичность,
твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они
являются главными характеристиками металла или
сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических
свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием
внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,—
деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не
исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением  называется величина внутренних сил,
возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться
деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О
прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при
механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся
растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся
испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью
называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью —
способность пластически деформироваться без разрушения.

Вязкость — это свойство материала, которое определяет его
способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении
пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть
одновременно прочными и пластичными.

Твердость — это способность материала сопротивляться
проникновению в него других тел.

Выносливость — это способность материала выдерживать, не
разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

Износостойкость — это способность материала сопротивляться
поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно
пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при
высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на
растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала
развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом
незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения
напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором
продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют
пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в
металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение,
предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при
растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на
растяжение.

Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под
действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его
частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после
прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и
охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела
происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в
температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти
температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние
напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они
превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на
разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения
стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения образца в
мм2.

    

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на
изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением
образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного
по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ
при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Читайте также:  Какими свойствами обладает магнитомягкие материалы

Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах,
испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют
между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют
удлинение

δ = l-lo / lo · 100%

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины,
указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4,
б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах
(рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в
сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного
сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности
образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или
10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d
образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в
мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл.
1.

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Техническое железо

23

30

90

Мембраны

Чугун серый

12—38

до 0,25

143—220

Отливки фасонные

Чугун высокопрочный

30—60

0,5—10

170—262

Ответственные отливки

Сталь малоуглеродистая (мягкая)

32 — 70

11 — 28

100—130

Котельное железо трубы, котлы

Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)

50—70

12 — 16

170 — 200

Оси, шатуны, валы, рельсы

Сталь твердая после закалки и отпуска

110—140

до 9

400—600

Инструмент ударный и режущий

Бронза оловянистая

15 — 25

3—10

70—80

Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии

Бронза алюминиевая

40—50

10

120

То же

Латунь однофазная

25 — 35

30-60

42—60

Патронно-гильзовое производство

Латунь двухфазная

35—45

30—40

_

Детали, изготовленные горячей штамповкой

Силумин

21—23

1 — 3

65—100

Детали в авиастроении и автостроении

Сплавы магния

24 — 32

10—16

60—70

То же

Источник

К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость). Зная механические свойства, можно правильно и обоснованно выбирать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкции при ее минимальной массе.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам.

Статические испытания — на растяжение, сжатие, изгиб, твердость, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки прикладываются постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания — на растяжение (ГОСТ 1497—84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности (ав, а0д) и пластичности (5, ц/) материала.

Динамические испытания — на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка — ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе — маятниковом копре (ГОСТ 9454—78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. При этом определяется ударная вязкость КС.

Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) нагружении. Знакопеременные нагрузки — многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При этом развивается явление, которое носит название усталости металла — постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при вращении (ГОСТ 25.502—79).

Другие виды испытаний:

  • • испытания на жаропрочность;
  • • технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, выдавливание (для определения способности металла к пластическому деформированию).

Прочность — способность металла сопротивляться деформациям и разрушению под воздействием внешних сил.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву, ав) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец металла до разрушения. Предел прочности характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластичной деформации (рис. 1.1).

Предел прочности рассчитывается по формуле

*ъ = Ръ/Р0, (1—4)

где Pq — величина нагрузки, при которой на образце начинает образовываться шейка при его растяжении; Fq — площадь поперечного сечения образца до испытаний.

Диаграмма деформирования материала при его нагружении

Рис. 1.1. Диаграмма деформирования материала при его нагружении

Предел упругости — характеризует сопротивление металла малой пластической деформации. Так как практически невозможно установить точку перехода металла в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Принято считать напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005…0,05 %). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например ао;о5-

Условный предел текучести (а0 2) характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Условный предел текучести рассчитывают по формуле

Читайте также:  Какие физические свойства имеют оксиды

Какие есть механические свойства металлов и сплавов

Предел пропорциональности (аПц) — максимальные напряжения, при которых выполняется закон Гука.

Разрушение наступит в точке С (рис. 1.1) при резком уменьшении поперечного сечения образца. Истинное сопротивление разрыву Sk (напряжения при разрушении образца) определяется по формуле
Какие есть механические свойства металлов и сплавов

где Рк — величина нагрузки, при которой образец разрушается; Fk — площадь поперечного сечения образца после испытаний.

Пластичность — способность материала к пластической деформации, т. е. его способность, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением 5, которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

Твердость — характеризует способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого стандартного тела (индентора), не получающего остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое.

О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля и Виккерса) под воздействием заданной силы Р. На рис. 1.2 приведены схемы определения твердости по Виккерсу, Бринеллю (ГОСТ 9012—59) и Роквеллу (ГОСТ 9013—59).

Определение твердости по методу Бринелля применяется для сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Бринеллю обозначается как НВ, например НВ 250.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности пластичных материалов существует следующая зависимость:
Схемы определения твердости

Какие есть механические свойства металлов и сплавов

Рис. 1.2. Схемы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу где к — коэффициент пропорциональности; для стали с твердостью до НВ 175 А: = 0,34; для стали с твердостью выше НВ 175 к = 0,35; для отожженной меди, бронзы и латуни к = 0,55; для алюминиевых сплавов к = 0,36…0,38.

Твердость по методу Виккерса рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и обозначают как HV150. Преимущество метода Виккерса в том, что им можно измерять твердость любых материалов, в том числе тонких изделий и поверхностных слоев. Метод имеет высокую чувствительность и точность.

Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Вязкость является энергетической характеристикой материала и выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов зависит от их химического состава, термической обработки и других внутренних факторов. Кроме этого, вязкость зависит и от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (ан) — удельная работа разрушения. Испытание металла на ударную вязкость проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. По ГОСТ 9454—78 ударную вязкость обозначают как KCV, KCU и КСТ, где КС — символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.

Хладноломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. С повышением температуры вязкость металла увеличивается (рис. 1.3). При изменении температуры предел текучести сто 2 также существенно изменяется, а сопротивление отрыву ctqt не зависит от температуры. При температуре выше Гв предел текучести меньше сопротивления отрыву. При увеличении нагрузки сначала происходит пластическое деформирование, а затем разрушение. Металл при этом находится в вязком состоянии.

В технике за порог хладноломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 °С.

Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Рис. 1.3. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Испытания на выносливость (ГОСТ 25.502—79) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность — способность материала сопротивляться усталости. Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях «изгиб при вращении». Основные характеристики усталостной прочности:

  • • предел выносливости — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за произвольно большое число циклов нагружения;
  • • ограниченный предел выносливости — максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за определенное число циклов нагружения или время;
  • • живучесть — разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.

Источник

Предыдущая статья
Какие продукты вызывают брожение у новорожденного
Следующая статья
Какие свойства материала улучшаются с повышением пористости
© Какой продукт?