 |
Свойства металлов и сплавов.
|
|
|
|
МАТЕРИАЛЫ
Классификация материалов
Еще на заре развития человеческого общества люди научились получать и обрабатывать материалы. Материалы разделяются на три группы:
1. Металлы
1.1. черные металлы
1.2. цветные металлы
2. Неметаллические материалы
3. Композиционные материалы
Материалы, применяемые в МС и ПС должны иметь высокие прочностные характеристики, повышенную коррозионную стойкость, жаропрочность, тепло и электропроводность. А также сохранять эти свойства при высоких и низких температурах и под давлением.
Сплав и его основные компоненты.
Сплав – это соединение двух или более элементов, полученное путем их совместного расплавления и дальнейшей кристаллизации. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплаве, кроме основных элементов, бывают и примеси. Примеси бывают полезны е, улучшающие свойства сплава, и вредные, ухудшающие его свойства. Примеси могут быть случайные, попадающие в сплав при его приготовлении, и специальные, которые вводят в сплав для придания ему требуемых свойств.
В зависимости от соотношений компонентов в сплавах могут образовываться 3 вида соединений:
Твердый раствор, химическое соединение, механическая смесь
Твердый раствор образуется в сплавах, когда компоненты сплава полностью или частично растворяются друг в друге. При этом сохраняется тип решетки основного компонента, а остальные элементы, входящие в сплав, изменяют параметры своей решетки.
Существует 2 вида твердых растворов:
Ø Твердый раствор замещения
Ø Твердый раствор внедрения
Химическое соединение: компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, при этом образуется новое вещество, имеющее тип кристаллической решетки, отличный от исходных.
|
|
|
Механическая смесь: компоненты абсолютно не растворяются друг в друге, а соединения получаются путем механического перемешивания компонентов. Каждый из компонентов сохраняет свой тип и параметры решетки.
МЕТАЛЛЫ
Кристаллическое строение металлов
Большинство металлов в твердом виде имеют кристаллическое строение – кристаллическую решетку, представляющую из себя куб. Различают 3 вида кр. решеток:
1. Кубическая объемно-центрированная (ОЦК) – это параллелепипед, в котором атомы расположены в вершинах и один в центре. (W, Mo, V, Fe -, Cr, K, Na и др)
2. Кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК), в которой атомы расположены по вершинам и в центре граней.
(Cu, Ni, Fe -? Ag, Al и др.)
3. Гексагональная плотноупакованная (ГПУ), где элементарной ячейкой является шестигранная призма, в которой атомы расположены в 3 слоя. (На середине боковых сторон строится треугольник и в середине сторон треугольника располагаются атомы). (Mg, Tu и др)
Расстояние между центрами ближайших атомов называется периодом или параметром решетки и измеряется в нанометрах (10 -9) и определяет свойства металла.
С изменением температуры и давления параметры решетки изменяются, поэтому меняются и физико-химические свойства металлов. Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах называется полиморфизмом или аллотропией. Полиморфные модификации обозначаются греческими буквами. Неравномерность свойств по направлениям, (различные расстояния между атомами в решетке) называется анизотропией.
Технически чистые металлы характеризуются низкими прочностными свойствами, поэтому чаще применяют их сплавы.
Свойства металлов и сплавов.
Ø Физические
Ø Химические
Ø Механические
Ø Технологические
|
|
|
Ø Эксплуатационные.
К физическим свойствам относятся:
ü Магнитные свойства
ü Электро- и теплопроводность
ü Плотность (удельный вес)
ü Температура плавления
ü Коэффициенты линейного и объемного расширения.
Физические свойства сплавов обусловливаются их составом и структурой.
К химическим свойствам относятся:
ü Химическая активность
ü Способность к химическому взаимодействию с агрессивными средами
ü Антикоррозионные свойства.
Основными механическими свойствами являются:
ü Прочность
ü Пластичность
ü Твердость
ü Вязкость
Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию. Напряжение – величина нагрузки (силы), отнесенная к единице площади сечения, в МПа.
где Р – нагрузка, МН; F0 – начальная площадь, м2.
Напряжение, приложенное к материалу, всегда вызывает деформацию. Деформация – изменение формы и размеров тела под влиянием приложенных внешних сил. Деформация может быть упругая, исчезающая после снятия нагрузки и пластическая, остающаяся после снятия нагрузки. Упругая деформация при увеличении нагрузки переходит в пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение тела.
Рис.1 Диаграмма деформации металла при действие нагрузки
На участке (0 - Рпц) сохраняется пропорциональность между удлинением и нагрузкой. Выше точки Рпц нарушается пропорциональность между напряжением и деформацией, напряжения вызывают не упругую, а пластическую деформацию. Далее наступает предел текучести Рт, при достижении которого удлинение происходит при постоянной нагрузке. При достижении предела прочности Рв происходит разрушение образца.
Прочность – это способность твердого тела сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Прочность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов, полученных из исследуемой детали или материала, из которого ее изготавливают.
Различают статическое и динамическое приложение нагрузок. Для определения прочности при статических нагрузках образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение.
Для испытаний на растяжение берут образец квадратного или круглого сечения, прилагают к нему усилия и по полученным данным строят диаграмму растяжения, из которой определяют ОРпц, Рт и Рв.
|
|
|
Кроме прочностных показателей, из этих же испытаний можно определить показатели пластичности:
Относительное удлинение показывает, на сколько процентов удлинился образец
относительное сужение показывает, на сколько процентов уменьшилась площадь поперечного сечения образца
Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него другого тела. Существует три способа определения твердости:
§ По Бринеллю
§ По Роквеллу
§ По Виккерсу
При определении твердости по Бринеллю в образец вдавливается
стальной шарик диаметром 10мм под действием определенной нагрузки. после снятия нагрузки измеряется диаметр отпечатка и по отношению нагрузки Р, приложенной к шарику, к поверхности полученного отпечатка шарика определяют твердость:
[МПа]
Применяется для определения твердости достаточно мягких материалов.
Определение твердости по Роквеллу.
Существует 3 основных разновидности способа Роквелла:
- HRA. В испытуемый образец вдавливается алмазный конус под действием нагрузки Р=60кГ. Твердость определяется по черной шкале прибора. Здесь единицы условные, размерности нет. Этот способ применяется для определения твердости тонколистовых материалов, а также наплавленных слоёв.
- HRВ. В образец вдавливается стальной шарик диаметром 1,5мм под действием нагрузки Р=100кГ. Твердость определяется по красной шкале прибора. Применяется эта разновидность для контроля материалов, имеющих не очень высокую твердость.
- HRС. В образец вдавливается алмазный конус под действием нагрузки Р=150кГ. Твердость определяется по черной шкале прибора. Применяется для определения твердости твердых сталей и закаленных сплавов.
Определение твердости по Виккерсу. В образец вдавливается алмазная четырехгранная пирамида.
Твердость HV определяется по длине диагоналей отпечатка в [МПа]. Данный способ применяется для определения твердости тонколистовых материалов, а также наплавленных слоев.
|
|
|
Испытания на ударную вязкость проводят при динамических нагрузках. Для этого на образце 10´10мм делают надрез глубиной 2мм и в месте
надреза прилагают усилие Р в течение короткого промежутка времени. По шкале прибора определяют работу, затрачиваемую на разрушение образца А. Ударную вязкость находят как отношение работы А к площади образца в месте надреза F.
[МПа].
Технологические свойства металлов и сплавов – это свойства, которые проявляет металл при обработке (литье, обработка давлением, сварка, обработка резанием).
Литейные свойства – это свойства, которые проявляет металл при изготовлении фасонных отливок. К таким свойствам относятся:
§ Жидкотекучесть (способность сплава заполнять литейную форму);
§ Усадка (сокращение объема и размеров отливки при затвердевании);
§ Склонность к образованию трещин;
§ Склонность к поглощению газов;
§ Химическая ликвация (неоднородность химического состава твердого сплава по сечению слитка).
Ковкостью металла называется его способность деформироваться при наименьшем сопротивлении и принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения.
Свариваемостью называется способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с требуемыми свойствами.
Эксплуатационные или служебные свойства. К этим свойствам относятся хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность, способность прирабатываться к другому материалу. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины или конструкции специальными испытаниями.
|
|
|
