 |
Механические свойства материалов
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ №2
ТЕМА: КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ
ПЛАН
1.Общие сведения о металлах и сплавах
2.Механические свойства материалов.
3.Технология материалов и технологические свойства
4 Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.
Подтверждение этому: и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества: и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.
Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.
Железный век продолжается. Примерно 9/10 всех используемых человечеством металлов и сплавов – это сплавы на основе железа. Железа выплавляется в мире примерно в 50 раз больше, чем алюминия, не говоря уже о прочих металлах.
Было время, когда железо на земле ценилось значительно дороже золота. Советский историк Г. Арешян изучал влияние железа на древнюю культуру стран Средиземноморья. Он приводит такую пропорцию: 1: 160: 1280: 6400. Это соотношение стоимостей меди, серебра, золота и железа у древних хеттов.
До настоящего времени основной материальной базой машиностроения служит черная металлургия, производящая стали и чугуны. Эти материалы имеют много положительных качеств и в первую очередь обеспечивают высокую конструкционную прочность деталей машин. Однако эти классические материалы имеют такие недостатки как большая плотность, низкая коррозионная стойкость. Потери от коррозии составляют 20% годового производства стали и чугуна. Поэтому, по данным научных исследований, через 20…40 лет все развитые страны перестроятся на массовое использование металлических сплавов на базе титана, магния, алюминия. Эти легкие и прочные сплавы позволяют в 2-3 раза облегчить станки и машины, в 10 раз уменьшить расходы на ремонт.
|
|
|
Основными материалами, применяемыми в машиностроении при изготовлении деталей, узлов машин и различных металлических конструкций, являются металлы и сплавы.
Металлами называются химические элементы, обладающие следующими характерными признаками: непрозрачностью, хорошей проводимостью тепла и электрического тока, характерным «металлическим» блеском в изломе, а также способностью поддаваться ковке, прокатке, волочению, литью и обработке резанием.
Сплавами называются сложные по составу металлические тела, образовавшиеся в результате затвердевания жидкого раствора, состоящие из двух или нескольких металлов и металлоидов.
Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).
Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.
Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.
К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.
Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью.
|
|
|
Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10… 15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то что плотность стали (7850 кг/м) в 3 раза выше плотности конструкционного бетона (2400 + 50 кг/м), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.
Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.
Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ
Широкое применение в промышленности получило железо, которое в сплавах с углеродом и другими элементами образует группу черных металлов. В эту группу входят различные марки стали и чугуна. Из цветных металлов широко используются медь (обычно в виде сплавов), магний, алюминий, свинец, олово и др.
Металлы и сплавы имеют различные физические, механические, химические и технологические свойства.
Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивлятьсядействию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность,твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.
|
|
|
Прочность — это способность материала сопротивляться разрушающему
воздействию внешних сил.
Твердость — это способность материала сопротивляться внедрению в него
другого, более твердого тела под действием нагрузки.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под
действием динамических нагрузок.
Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и формупосле прекращения действия нагрузки.
Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры иформу под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.
Х рупкость — это свойство материаловразрушаться под действием внешних силбез остаточных деформаций.
Рисунок 2.1 Статические испытания на растяжение:а – схема испытания; б – диаграмма растяжения
При статических испытаниях на растяжение определяют величины,
характеризующие прочность, пластичность и упругость материала. Испытанияпроизводятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определеннымсоотношением между длиной l0 и диаметром d0. Образец растягивается поддействием приложенной силы Р (рис. 1,а) до разрушения. Внешняя нагрузкавызывает в образце напряжение и деформацию. Σ — это отношение силы Р кплощади поперечною сечения F, Мпа:
Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки,%:
где: l — длина растянутого образца.
Деформация может быть упругой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остающейся после снятия нагрузки).
Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.
Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуемый образец
твердого наконечника различной формы.
Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального
закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузкив образце остается отпечаток. Число твердости по Бринеллю НВ определяетсяотношением нагрузки, действующей на шарик, к площади поверхностиполученного отпечатка.
|
|
|
Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного
стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом привершине 120° (шкалы А и С). Вдавливание производится под действием двухнагрузок — предварительной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB иHRC определяется по разности глубин вдавливания.
В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырехгранной
пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV
определяется отношением приложенной нафузки к площади поверхности
отпечатка.
Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение
образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м2:
Испытания проводятся ударом специального маятникового копра. Для
испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый наопорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне
противоположной надрезу.
|
|
|
