1.1.Основные свойства металлов и сплавов

Для изготовления поковок широко применяют, стали – сплавы на основе железа и в меньшей степени сплавы цветных металлов на основе меди, алюминия, магния, титана и других металлов.

В обычных условиях все металлы, за исключением ртути, и сплавы являются твердыми телами, имеющими кристаллическое (зернистое) строение. Особенностями металлов являются их высокие прочность, электро- и теплопроводность.

Физические свойства металлов.

Плотность (density) – количество вещества, содержащееся в единице объема: . Единица плотности (в СИ) – кг/м³. Плотность вещества, как правило, убывает с ростом температуры. При плавлении металла или сплава плотность скачкообразно уменьшается (исключение составляет чугун и вода, плотность которых при плавлении увеличивается).

Рис. 1. Зависимость плотности стали от температуры.

Температура плавления – температура, при которой нагреваемый металл или сплав переходит из твердого состояния в жидкое.

Удельная теплоемкость (Heat Capacity) – количество тепла, которое необходимо для повышения температуры единицы массы металла на 1ºС. Единица удельной теплоемкости (в СИ) – Дж/(кг∙К). Теплоемкость большинства материалов зависит от температуры нагрева, но не прямо пропорционально. При более точных расчетах следует делать различие между усредненной удельной теплоемкостью, обычно приводимой в справочниках, и истинной удельной теплоемкостью. Первая определяется при нагреве до заданного значения температуры, другая – при данной температуре (рис. ).

Теплопроводность (Thermal Conductivity) – свойство металла проводить тепло, определяемое коэффициентом теплопроводности. Единица теплопроводности (в СИ) – Вт/(м∙К). Теплопроводность оказывает влияние на скорость выравнивания температуры по поперечному сечению заготовки. Чем больше теплопроводность, тем больше скорость выравнивания и меньше перепад температуры по сечению. Теплопроводность изменяется в процессе нагрева в зависимости от температуры детали.

Рис. 3. График изменения теплопроводности от температуры

Тепловое расширение (Thermal Expansion) – способность металла увеличивать линейные размеры и объем при нагревании, характеризуемая коэффициентами объемного - β и линейного - α расширения, град^-1. β=3α

Рис. 4. График изменения коэффициента линейного расширения стали 20 от температуры

Электропроводность – способность металла проводить электрический ток. Величина обратная электрическому сопротивлению. В СИ – сименс (См).

Удельное электросопротивление, (ρ, Ом∙м) – величина сопротивления прохождение электрического тока по металлическому проводнику, имеющему единицу длины и единицу площади поперечного сечения. Электросопротивление очень резко изменяется в зависимости от температуры. У почти всех отечественных сталей оно быстро растет до температур 950-1000°С, после которых повышение сопротивления прекращается, а у некоторых сталей после достижения максимального значения при 1000°С начинает медленно падать. Удельное электросопротивление углеродистых сталей меняется в 8-10 раз.

Механические свойства металлов.

Эти свойства характеризуют сопротивление металла или сплава воздействию механических нагрузок, которые приложены к заготовке при обработке или к изделию при эксплуатации.

Для определения механических характеристик металла образец может быть подвергнут растяжению, сжатию, сдвигу, кручению, изгибу или их совместному действию. Если нагрузка на металл возрастает медленно, то она называется статической. Динамическая нагрузка прикладывается к металлу с большой скоростью. Вид назначаемого механического испытания определяется условиями службы детали. В зависимости от этих условий, испытания металла проводят при пониженной, комнатной или высокой температурах.

Основными характеристиками механических свойств металла являются следующие.

Модуль Юнга модуль упругости(Young module), E [МПа]

Модуль сдвига G МПа

Коэффициент Пуассона (Poisson’s Ratio)

Некоторые механические характеристики используют в качестве инженерных характеристик пластичности.

Пластичность – способность металла деформироваться без разрушения. В инженерных расчетах, как правило, пластичность определяют по первому и второму условиям прочности (или соответственно условия предельного напряжения и предельной деформации).

Первое

Предел прочности при растяжении, σ_в – условное наибольшее напряжение, выдерживаемое образцом при испытании на разрыв. Оно, получается, от деления максимальной нагрузки, предшествующей разрушению образца на его начальную площадь поперечного сечения.

Но так как в процесс растяжения поперечного образца уменьшается, то в действительности истинное напряжение, возникающее образцов момент его разрыва, значительно больше условного, так как представляет собой частное от деления разрывающей нагрузки на площадь поперечного сечения образца в момент разрыва.

Второе

При растяжении пластические свойства металла характеризуют относительные удлинение и сужение образца. Эти величины взаимосвязаны, так как удлинение образца сопровождается уменьшением площади его поперечного сечения с образованием шейки.

Относительное удлинение, δ – отношение приращения длины образца после разрыва к его начальной длине, выраженное в процентах.

Относительное сужение, ψ – отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах.

Предел текучести, σ_т – наименьшее напряжение, при котором деформация образца при растяжении происходит без заметного увеличения нагрузки. Предел текучести характеризует начало пластического течения металла.

Ударная вязкость, α_н – способность материала выдержать ударные (динамические) нагрузки. Она характеризуется отношение работы излома к площади образца в месте надреза.

Твердость – сопротивление металла вдавливанию в него других твердых тел. Твердость по Бринеллю НВ – отношение усилия вдавливания в металл стального закаленного шарика диаметром 2,5-10 мм к площади поверхности образовавшееся лунки. Твердость по Роквеллу НRC определяется вдавливанием алмазного конуса в испытываемый металл.