Какие свойства конструкционных металлов
Федеральное агентство по образованию
ГОУ ВПО Уральский государственный экономический университет
Кафедра инженерных дисциплин
Контрольная работа
На тему:
«Свойства конструкционных материалов»
Исполнитель:
студентка I курса заочного факультета
специальности «ЭПП»
Добрынкина Л. В.
Екатеринбург 2009
Содержание
Понятие конструкционных материалов
Классификация свойств конструкционных материалов
Сталь
Процессы производства стали
Стеклокристаллические материалы (ситаллы)
Чугун. Классификация чугунов
Графитизация чугунов
Классификация серого чугуна
Маркировка чугуна
Библиографический список
КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Конструкционными материалами называют материалы, из которых изготовляются детали конструкций (машин и сооружений), воспринимающих силовую нагрузку. Определяющими параметрами Конструкционные материалы являются механические свойства, что отличает их от других технических материалов (оптических, изоляционных, смазочных, лакокрасочных, декоративных, абразивных и др.). К основным критериям качества Конструкционные материалы относятся параметры сопротивления внешним нагрузкам: прочность, вязкость, надежность, ресурс и др.
Конструкционные материалы подразделяются: по природе материалов — на металлические, неметаллические и композиционные материалы, сочетающие положительные свойства тех и других материалов; по технологическому исполнению — на деформированные (прокат, поковки, штамповки, прессованные профили и др.), литые, спекаемые, формуемые, склеиваемые, свариваемые (плавлением, взрывом, диффузионным сращиванием и т.п.); по условиям работы — на работающие при низких температурах, жаропрочные, коррозионно-, окалино-, износо-, топливо-, маслостойкие и т.д.; по критериям прочности — на материалы малой и средней прочности с большим запасом пластичности, высокопрочные с умеренным запасом пластичности.
Развитие техники предъявляет новые, более высокие требования к существующим Конструкционным материалам, стимулирует создание новых материалов. С целью уменьшения массы конструкций летательных аппаратов используются, например, многослойные конструкции, сочетающие в себе лёгкость, жёсткость и прочность. Внешнее армирование металлических замкнутых объёмов (шары, баллоны, цилиндры) стеклопластиком позволяет значительно снизить их массу в сравнении с металлическими конструкциями. Для многих областей техники необходимы Конструкционные материалы, сочетающие конструкционную прочность с высокими электрическими, теплозащитными, оптическими и другими свойствами.
В составе конструкционных материалов нашли своё применение почти все элементы таблицы Менделеева, а эффективность ставших уже классическими для металлических сплавов методов упрочнения путём сочетания специально подобранного легирования, высококачественной плавки и надлежащей термической обработки снижается, перспективы повышения свойств конструкционных материалов связаны с синтезированием материалов из элементов, имеющих предельные значения свойств.
Классификация свойств конструкционных материалов
1. Механические свойства характеризуются способностью материала сопротивляться деформированию и разрушаться под действием внешних воздействующих факторов.
· Прочность (способность материала сопротивляться разрушению и пластично деформироваться под воздействием внешних сил);
· Твердость (способность материалов сопротивляться деформированию в поверхностном слое при местном, контактном и силовом воздействии);
· Упругость (способность материала восстанавливать свою форму и размеры, под действием внешних сил без разрушения);
· Вязкость (способность материала поглощать механическую энергию и при этом испытывать значительную пластическую деформацию до разрушения);
· Хрупкость (способность материала разрушаться под действием внешних сил, сразу после упругой деформации).
2. Физические свойства характеризуют поверхность материала в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиоактивных полях.
· Свет (способность материала отражать световые лучи с определенной длиной световой волны);
· Плотность (масса единицы объема вещества);
· Температура плавления;
· Электропроводность (способность материала хорошо и без потерь проводить электрический ток);
· Теплопроводность (способность материала переносить Тепловую энергию от более нагретого участка к менее нагретому);
· Теплоёмктсть (способность материала поглощать определенное количество теплоты);
· Магнитные (способность материалахорошо намагничиваться);
· Коэффициент объемного и линейного расширения.
3. Технологические свойства характеризуются способностью материала подвергаться различным видам горячей и холодной обработки.
· Литейные свойства;
· Ковкость(важно при обработке давлением);
· Свариваемость (это показатель того, на сколько материал может показать свариваемые соединения);
· Обработка резанием;
· Прокаливаемость;
· Закаливаемость.
4. Эксплуатационные свойства, характеризуют способность материалов обеспечивает надежную и долговечную работу изделий в конкретных условиях и эксплуатации, базируются на механических, физических и химических свойствах.
5. Химическиесвойства характеризуют способность материала вступать в химическое взаимодействие с другими веществами.
· Растворимость (способность материала образовывать с одним или несколькими веществами однородные системы, называющихся растворами);
· Жаростойкость (способность материала противостоять химическому разрушению поверхности под действием воздуха или другой окислительной атмосферой при высоких температурах);
· Коррозионостойкость (способность металлических материалов противостоять разрушению в результате химического или электрохимического воздействия на их поверхности внешней агрессивной среды (аналогичное свойство для неметаллических материалов- химикостойкость));
· Окисление (способность материалов отдавать электроны, то есть окисляться при химическом взаимодействии с окружающей средой или другой материей).
СТАЛЬ
Сталь (польск.stal, от нем. Stahl) — деформируемый (ковкий) сплав железа с углеродом (и другими элементами), содержание углерода в котором не превышает 2,14 %, но не меньше 0,02 %. Углерод придаёт сплавам железа прочность и твёрдость, снижая пластичность и вязкость.
В древнерусских письменных источниках сталь именовалась специальными терминами: «Оцел», «Харолуг» и «Уклад».
Сталь — важнейший конструкционный материал для машиностроения, транспорта, строительства и прочих отраслей народного хозяйства.
Стали делятся на конструкционные и инструментальные.
По химическому составу стали делятся на углеродистые и легированные; в том числе по содержанию углерода — на малоуглеродистые, среднеуглеродистые и высокоуглеродистые; легированные стали по содержанию легирующих элементов делятся на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные.
Стали, в зависимости от способа их получения, содержат разное количество неметаллических включений. Содержание примесей лежит в основе классификации сталей по качеству: обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особо высококачественные.
По структуре сталь различается на аустенитную, ферритную, мартенситную, бейнитную или перлитную. Если в структуре преобладают две и более фаз, то сталь разделяют на двухфазную и многофазную.
Производство стали в кислородных конвертерах
Кислородно-конвертерный процесс представляет собой один из видов передела жидкого чугуна в сталь без затраты топлива путем продувки чугуна в конвертере технически чистым кислородом, подаваемым через фурму, которая вводится в металл сверху. Количество воздуха необходимого для переработки 1 т чугуна, составляет 350 кубометров.
Впервые кислородно-конвертерный процесс в промышленном масштабе был осуществлен в Австрии в 1952 — 1953 гг. на заводах в городах Линце и Донавице (за рубежом этот процесс получил название ЛД по первым буквам городов, в нашей стране — кислородно-конвертерного).
В настоящее время работают конвертеры емкостью от 20 до 450 т, продолжительность плавки в которых составляет 30 — 50 мин.
Кислородный конвертер (рис. 1) представляет собой сосуд 1 грушевидной формы из стального листа, футерованный внутри основным кирпичом 2. Рабочее положение конвертера вертикальное. Кислород подается в него под давлением 0,8…1 МПа с помощью водоохлаждаемой фурмы 3, вводимой в конвертер через горловину 4 и располагаемой над уровнем жидкого металла на расстоянии 0,3…0,8 м.
Конвертеры изготовляют емкостью 100…350 т жидкого чугуна. Общий расход технического кислорода на получение 1 т стали, составляет 50…60 м3.
Материалами для получения стали в кислородном конвертере служат жидкий передельный чугун и стальной лом. Для наводки шлака в конвертер добавляют железную руду и известь, а для его разжижения — боксит и плавиковый шпат.
Перед началом работы конвертер поворачивают на цапфах 5 вокруг горизонтальной оси и с помощью завалочной машины загружают до 30 % металлолома, затем заливают жидкий чугун при температуре 1250…1400 °С, возвращают конвертер в исходное вертикальное положение, вводят кислородную фурму, подают кислород и добавляют шлакообразующие материалы.
материал предоставил СИДОРОВ Александр Владимирович
Механические свойства определяются по результатам механических испытаний, при которых материалы подвергаются воздействию внешних (статических, динамических, циклических) сил, вызывающих напряжение и деформацию.
Напряжение – величина нагрузки, отнесённая к единице площади поперечного сечения испытуемого образца.
Деформация – изменение формы и размеров твёрдого тела под влиянием внешних сил. Различают деформации растяжения, сжатия, изгиба, кручения, среза.
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок. Оценивается пределом прочности и пределом текучести, а также пределом прочности материала, отнесённым к его плотности – удельной прочностью.
Предел прочности (временное сопротивление разрушению) – напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца (рисунок 1, точка Г).
Рисунок 1 – Диаграмма растяжения
Предел текучести – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки (рисунок 1, точка В).
Упругость – способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Оценивается пределом пропорциональности и пределом упругости.
Предел пропорциональности – напряжение, выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напряжением и деформацией образца (рисунок 1, точка А).
Предел упругости – напряжение, соответствующее нагрузке, при которой остаточная деформация достигает 0,05% от расчётной длины образца (рисунок 1, точка Б).
Пластичность – способность материала не разрушаясь принимать форму и размеры под действием внешних сил. Характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
Относительное удлинение – отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине, выраженное в процентах.
Относительное сужение – отношение разности начальной и минимальной площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.
Усталость – процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разрушению. Оценивается пределом выносливости.
Предел выносливости – максимальное напряжение, которое может выдержать материал без разрушения в течение заданного числа циклов нагружения.
Твёрдость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твёрдого тела. Твёрдость определяют следующими способами:
- Способ Бринелля (HB) – в поверхность образца вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закалённый шарик. За меру твёрдости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка.
- Способ Роквелла (HR) – в образец вдавливают алмазный конус или стальной закалённый шарик. Значение твёрдости определяют по глубине отпечатка в условных единицах. Измерения осуществляются по одной из шкал:
- HRA – алмазный конус, общая нагрузка 600 Н (при испытании очень твёрдых или тонких изделий);
- HRB – стальной шарик, общая нагрузка 1000 Н;
- HRC – алмазный конус, общая нагрузка 1500 Н (для материалов с высокой твёрдостью).
- Способ Виккерса (HV) – в образец вдавливают четырёхгранную алмазную пирамиду с нагрузкой от 50 до 1000 Н. Значение твёрдости HV определяют из таблицы по соответствующему значению среднего арифметического длины диагоналей отпечатка.
Ударная вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы к площади его поперечного сечения.
Хладоломкость – явление снижения ударной вязкости материалов при низких температурах.
Циклическая вязкость – способность материалов поглощать энергию при повторно-переменных нагрузках.
Технологические свойства характеризуют способность материалов подвергаться обработке в холодном и горячем состоянии.
Литейные свойства – способность материалов образовывать целостные бездефектные отливки:
- жидкотекучесть – способность расплавленного материала заполнять полость литейной формы;
- усадка – уменьшение объёма материала при переходе из жидкого состояния в твёрдое;
- ликвация – неоднородность химического состава сплавов, возникающая при кристаллизации.
Ковкость – способность материала обрабатываться давлением без признаков разрушения.
Свариваемость – способность материалов образовывать неразъёмное соединение, свойства которого близки к свойствам основного материала.
Обрабатываемость резанием – способность материала подвергаться механической обработкой до получения чистой и гладкой поверхности.
Эксплуатационные свойства определяются по характеру работы материала в тех или иных условиях (хладностойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.).
Износостойкость – свойство материала оказывать сопротивление постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении.
Физические свойства – цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоёмкость, электропроводность и электросопротивление, магнитные свойства и пр.
Химические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться вступлению в соединение с другими веществами (кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.).
Коррозия – химическое разрушение материалов под воздействием на их поверхность внешней агрессивной среды.
Жаростойкость (окалиностойкость) – стойкость к окислению при сильном нагреве.
Список литературы
- Сажин В.Б. Иллюстрации к началам курса “Основы материаловедения”. – М.: ТЕИС, 2005. – 156 с.
К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий — серебристо-белый.
Плотность р металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы подразделяют на легкие (менее 4500 кг/м) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето-и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления tпл называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам 3416 °С, тантал 2950 °C, титан 1725 °C и др.) и легкоплавкие (олово 232 °С, свинец 327 °С, цинк 419,5 °C, алюминий 660 °С) металлы. Температура плавления важна при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий.
Теплопроводностью Л называют способность металлов передавать теплоту от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминий обладают высокой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в 3 раза ниже, чем алюминий, и в 5 раз ниже, чем медь. Теплопроводность следует учитывать при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит теплоту, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) он склонен к образованию трещин. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью.
Тепловым расширением называют свойство металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться — при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения а. Тепловые расширения необходимо учитывать при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, валков прокатных станов, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.
Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество теплоты. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости с, которая равна отношению теплоемкости однородного тела к его массе.
Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками — электропроводностью g и электросопротивлением r. Хорошая электропроводность необходима, например, для токоведущих проводов, поэтому для их производства используют медь и алюминий. При изготовлении электронагревателей приборов и печей требуются сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением — увеличивается.
Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью ua — способностью металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства характеризуют способность материала к взаимодействию с внешней средой, в частности, способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем активнее металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием внешней агрессивной среды на их поверхность называют коррозией.
Окисляемость — способность материалов взаимодействовать с кислородом и образовывать оксиды, растворимость — способность вещества образовывать с другим веществом (или веществами) гомогенные смеси с дисперсным распределением компонентов. Сопротивление металлов коррозии, окислению и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металлов обязательно учитывают при изготовлении и работе изделий в условиях высоких температур и под воздействием химически агрессивных сред.