Свойства металлов и сплавов

Металлы и сплавы – поликристаллические вещества, обладают следующими основными свойствами:

• физическими:

• химическими;

• механическими;

• технологическими.

• эксплуатационными.

Физические свойства :

– плотность – масса единицы объема металла или сплава. Имеет размерность г/см³. Для стали эта величина составляетγ=7,85 г/см³, для алюминия – 2,7 г/см³, меди – 8,89 г/см³;

– температура плавления – температура, при которой металл или сплав переходит из твердого состояния в жидкое. Для железа эта величина составляетt_пл=1539˚С; для алюминия – 660˚С, для меди – 1083˚С;

– тепловое расширение металла или сплава – это приращение объема металла при нагреве вследствие увеличения подвижности атомов в узлах кристаллической решетки. Характеризуется тепловое расширение коэффициентом линейного расширения (α), под которым понимают увеличение единицы длины тела при нагреве на 1°С от 0°С. Для углеродистой стали при 20°Сα = 12·10^-6, для алюминия при 25˚С –α = 24,3·10^-6, для меди – 16,8·10^-6[⁰С^-1];

– теплопроводность– способность металла передавать тепло от более нагретых частей тела к менее нагретым.

Характеризуется коэффициентом теплопроводности (λ), показывающим сколько тепла может пройти в единицу времени через площадку 1м²на расстояние 1м перпендикулярно к ней при разности температур 1°С на двух противоположных сторонах куба. Размерность – Вт/(м·град). Для железа λ = 74,4 Вт/(м·град), для алюминия λ = 228 Вт/(м·град), для меди – λ = 390 Вт/(м·град);

– электропроводность – это способность металла проводить электрический ток.

За единицу электропроводности принимают величину (x), обратную удельному сопротивлению (ρ). Удельное сопротивление – сопротивление проводника сечением 1 мм² и длиной 1 м (Ом·мм²/м). Для железа ρ = 0,098 Ом·мм²/м; для алюминия ρ = 0,028 Ом·мм²/м; для меди ρ = 0,01724 Ом·мм²/м;

– магнитная проницаемость – способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля. Характеризуется коэффициентом магнитной проницаемости (μ), равным отношению магнитной индукции (В) к напряженности магнитного поля (Н).

Химические свойства: 

коррозионная стойкость на воздухе и в жидкой среде, при нормальной и повышенной температуре и т.п.

Механические свойства – свойства, которые характеризуют поведение металла при воздействии на него внешних сил.

Механические свойства стали зависят от химического состава, вида термической обработки и технологии изготовления.

Основные механические свойства:

– прочность – способность металлов сопротивляться деформациям, не разрушаясь;

– упругость – свойство металлов изменять форму и размеры под действием нагрузки и восстанавливать их после ее снятия;

– пластичность – свойство металлов изменять форму и размеры под действием нагрузки и сохранять их после ее снятия:

– вязкость – способность металлов и сплавов поглощать энергию;

– твердость – свойство металлов сопротивляться внедрению (вдавливанию) в его поверхность более твердого постороннего тела;

– ползучесть – свойство металла медленно деформироваться (удлиняться) при высокой температуре под действием постоянной растягивающей нагрузки, которая создает напряжение ниже предела упругости для данного металла (для стали t = 30…350˚С);

– усталость металла – явление разрушения металла (сплава) при многократном его нагружении;

– предел выносливости – наибольшее напряжение, которое металл может выдерживать без признаков разрушения после заданного количества нагружений знакопеременным изгибом или другим видом деформации при закреплении испытуемого образца одним концом.

Механические свойства определяют на основании статических или динамических испытаний.

 Технологические свойства – способность подвергаться различным видам технологической обработки (ковке, штамповке, сварке, резанию и т.д.).

Эти свойства определяют по технологическим пробам, которые дают качественную оценку пригодности металлов и сплавов к тем или иным способам обработки.

К основным технологическим свойствам относятся:

– обрабатываемость резанием – способность металла или сплава подвергаться обработке механическим резанием на металлорежущем оборудовании или иным способом. Она определяется стойкостью инструмента при заданном режиме резания и чистотой поверхности;

– свариваемость – свойство металла или сплава при установленной технологии сварки образовывать монолитное соединение, отвечающее конструкционным и эксплуатационным требованиям;

– жидкотекучесть – под ней понимают способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Эксплуатационные свойства – способность материала работать в конкретных условиях

Эксплуатационные свойства характеризуют:

1.Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2.Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3.Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4.Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5.Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6.Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий. При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Упругая и пластическая деформация. Наклеп. Рекристаллизация.

Деформация – изменение размеров и формы материала под действием приложенных сил, которые могут быть как внешними, приложенными к телу, так и внутренними, вследствие физико-механических процессов в самом теле.

Деформации подразделяют на:

– упругие, исчезающие после снятия нагрузки;

–пластические, которые остаются после окончания действия приложенных сил.

Способность металла пластически деформироваться называется пластичностью.

Пластичность обеспечивает конструкционную прочность деталей под нагрузкой и устраняет влияние концентраторов напряжений.

Механизм пластического деформирования заключается в том,

при возрастании касательных напряжений в металле выше определенной величины деформация становится необратимой и после снятия нагрузки устраняется лишь упругая составляющая деформации, а пластическая составляющая остается, т.е. происходит сдвиг одной части металла относительно другой.

Сдвиг может осуществляться скольжением и двойникованием.

При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой части вдоль плоскости, которая называется плоскостью скольжения или сдвига.

Двойникование сводится к переориентировке части кристалла в положение, зеркально симметричное к его недеформированной части. По сравнению со скольжением двойникование имеет второстепенное значение и возникает в случае, когда скольжение затруднено.

Скольжение в кристаллической решетке протекает по плоскостям и направлениям с наиболее плотной упаковкой атомов.

Металлы с кубической кристаллической решеткой обладают высокой пластичностью, так как скольжение в них может происходить по многим направлениям.

Металлы с гексагональной плотноупакованной решеткой менее пластичны и труднее поддаются деформации.

Скольжение осуществляется в результате перемещения в кристалле дислокаций. Повышение плотности дислокаций до 10¹¹…10¹² см^-2 вместо 10⁶…10⁸ см^-2 до деформации приводит к упрочнению металлов при деформации.

С ростом степени деформации в результате процессов скольжения зерна вытягиваются в направлении приложенных сил, образуя волокнистую или слоистую структуру, при этом внутри самих зерен происходит дробление блоков. При этом возникает преимущественная кристаллографическая ориентировка зерен – текстура деформации

При холодном пластическом деформировании происходит увеличение прочностных характеристик сплава и уменьшению его пластичности и ударной вязкости. Это явление получило название наклепа. Свойства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

В результате наклепа поверхностного слоя в нем возникают напряжения сжатия. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием мягких и пластичных сплавов.

Состояние деформированного (наклепанного) сплава термодинамически неустойчиво даже при комнатных температурах. При нагреве ускоряется перемещение точечных дефектов и создаются благоприятные условия для

перераспределения дислокаций и уменьшения их количества. В процессе нагрева деформированного металла в нем протекают процессы рекристаллизации и при этом происходит возвращение всех свойств сплава к их значениям до деформации.

Рекристаллизация – это процесс зарождения и роста новых равноосных зерен, которые поглощают деформированные.

В зависимости от температуры нагрева рекристаллизация бывает:

– первичная;

–вторичная;

– собирательная.

При первичной рекристаллизации старые зерна наклепанного металла не восстанавливаются, а образуются новые зерна округлой формы вместо ориентированной структуры деформации (рис. 3.1, а,б, в). В результате рекристаллизации практически полностью снимается наклеп, свойства рекристаллизованного металла становятся сопоставимыми со свойствами отожженного.

Рис. 3.1. Схема изменения микроструктуры наклепанного металла при нагреве:

а – наклепанный металл; б – начало первичной рекристаллизации; в - завершение первичной рекристаллизации; г – рост зерен; д – образование равновесной структуры.

Температура рекристаллизации, при которой происходит разупрочнение металла, называют температурным порогом рекристаллизации (Трек).

Трек = α Тплавления,

где:

α - безразмерный коэффициент, учитывающий чистоту металла и степень деформации металла .

Для технически чистых металлов коэффициент α составляет порядка 0,3…0,4. У сплавов на основе твердых растворов α=0,5…0,6, а для многокомпонентных сплавов, упрочненных тугоплавкими частицами второй фазы, значения коэффициента α может достигать 0,7…0,8.

Собирательная рекристаллизация – рост одних рекристаллизованных зерен за счет других после завершения первичной рекристаллизации в процессе последующего нагрева (рис. 3.1, г). Рост зерен происходит в результате перехода атомов от одного зерна к соседнему через границу раздела.

Вторичная рекристаллизация – неравномерный рост одних зерен за счет других , в результате чего структура представляет собой смесь очень мелких и крупных зерен. Возникшая разнозернистость структуры отрицательно сказывается на всех механических свойствах металла.

Размер рекристаллизованного зерна оказывает большое влияние на свойства металлов и сплавов. С уменьшением размера зерна повышаются характеристики прочности и пластичности, увеличивается вязкость металла.

Лекция 6. Стандартные механические свойства материалов

Все металлы и сплавы, применяемые в различных областях техники, обладают определенными механическими свойствами, характеризующими их поведение под действием внешних сил. Количественно механические свойства определяются при испытании образцов, вырезанных из исследуемого материала.

Основными видами механических испытаний металлов являются испытания на одноосное статическое растяжение, удар, твердость и др. 

Основными механическими свойствами являются прочность, упругость, вязкость, твердость. Зная механические свойства, конструктор обоснованно выбирает соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкций при их минимальной массе.

Механические свойства определяют поведение материала при деформации и разрушении от действия внешних нагрузок.

В зависимости от условий нагружения механические свойства могут определяться при:

1. статическом нагружении – нагрузка на образец возрастает медленно и плавно.

2. динамическом нагружении – нагрузка возрастает с большой скоростью, имеет ударный характер.

3. повторно переменном или циклическим нагружении – нагрузка в процессе испытания многократно изменяется по величине или по величине и направлению.

Для получения сопоставимых результатов образцы и методика проведения механических испытаний регламентированы ГОСТами. Основными видами испытания металлов являются одноосное статическое растяжение, на удар и на твердость.

Испытание на растяжение

При статическом испытании на растяжение: ГОСТ 1497 получают характеристики прочности и пластичности

Испытания на растяжение выполняют на образцах круглого или прямоугольного поперечного сечения (рис.3.1) (цилиндрические или плоские) в условиях медленно возрастающей нагрузки (статическая).

Рис 3.1. Образцы для испытания на растяжение:

I – плоские; II – круглые (а – до испытания,

б – после испытания)

Образцы имеют рабочую длину l , расчетную l_o и головки, предназначенные для закрепления образцов в захватах испытательной машины. Размеры рабочей и расчетной частей определяются стандартом. Рабочая длина l – часть образца между головками. Расчетная длина l_o – часть образца с постоянной площадью поперечного сечения F_o, на которой осуществляют измерения удлинения образца под нагрузкой. Расчетная длина образца ограничивается на рабочей длине неглубокими кернами или рисками.

Испытания на растяжение выполняются на специальных разрывных машинах (рис.3.2), которые имеют три основных узла: нагружения 1, измерения силы 2 и станину, на которой монтируются эти узлы. Большинство машин снабжено устройством для автоматической записи диаграммы растяжения – диаграммным аппаратом 3, записывающим кривую растяжения в координатах нагрузка – удлинение образца.

Рис.3.2. Внешний вид машины для испытания металлических образцов на растяжение: 1 – направляющие; 2 – линейка удлинений; 3 – круговая шкала; 4 –колонны; 5 – зажимные головки;6 – ручка; 7 – выключатель; 8 –ползун;

9 – маховик; 10 – шпиндель

На рис.3.3 приведена диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали. На оси ординат откладывается нагрузка Р (кгс) , на оси абсцисс – удлинение образца  l (мм). Эта кривая характеризует поведение металла при растяжении от момента начала нагружения до разрыва образца.

Рис. 3.3. Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

При испытании на растяжение определяют прочность, текучесть, упругость металла и его пластичность.

Прочность (временное сопротивление разрушению), оцениваемая пределом прочности – _в (кгc/мм² = 9,8 МПа).

Текучесть, оцениваемая условным пределом текучести _0,2 (кгc/мм² = 9,8 МПа) или _т (кгc/мм² = 9,8 МПа), характеризует напряжение, при котором металл деформируется без увеличения нагрузки («течет»).

Предел прочности и предел текучести необходимы при выборе материала для детали, работающей в условиях конкретных расчетных напряжений – _{экспл .}Их значения выбираются конструктором с учетом определенного запаса прочности – n, обеспечивающего надежность от возможного разрушения или деформации материала детали в процессе эксплуатации.

В зависимости от условий работы и ответственности конструкции ее расчет ведут по пределу прочности или пределу текучести, выбирая соответствующий запас прочности n или n₁:

n = _в/_экспл=1,5 - 3,0 ; n_{1 =} _т/_экспл = 1,2 - 2,5

Упругость, оцениваемая модулем упругости Е или пределом упругости – _е (кгc/мм² ≈ 9.8 МПа), характеризует свойства металла возвращаться к своей первоначальной форме после снятия нагрузки.

Условный предел упругости – напряжение, при котором остаточное удлинение достигает заданной величины (≤ 0,05% от первоначальной длины образца).

Предел упругости применяется при расчетах упругих звеньев машин (пружины, рессоры и т.д.).

Предел пропорциональности _пц (кгc/мм² ≈ 10 МПа) – напряжение, которое материал выдерживает без отклонения от закона Гука. Часто используется условный предел пропорциональности близкий к пределу упругости.

Пластичность, оцениваемая относительным удлинением  % и поперечным сужением  %, характеризует способность металла к пластической деформации без разрушения.

Рассмотрим диаграмму растяжения пластичного сплава.

До точки а идет прямая линия, это значит, что удлинение пропорционально нагрузкам, прилагаемым к испытываемому образцу. Если нагрузку удалить, то образец сократиться до первоначального размера. Способность металла восстанавливать свою форму называется упругостью, а деформация – упругой. Максимальное напряжение, при котором в образце наблюдаются только упругие деформации, называется пределом упругости _e. С пределом упругости близко совпадает предел пропорциональности _пц, при котором остаточное удлинение достигает некоторого определенного значения, устанавливаемого техническими условиями. Предел пропорциональности вычисляется по формуле:

При дальнейшем повышении нагрузки прямолинейность нарушается, так как нарушается пропорциональность между удлинением и нагрузкой, появляются остаточные удлинения. В точке l₀ кривая переходит в горизонтальную линию, длина образца увеличивается без возрастания растягивающих усилий.

После горизонтального участка пластическая деформация повышает плотность дефектов кристаллического строения и прочность. Напряжение начинает увеличиваться до точки в, где достигает максимума и соответствует нагрузке предела прочности. Предел прочности определяется по формуле:

При нагрузке Р, соответствующей точке к , происходит разрыв образца.

Нагрузка P_Т, соответствующая горизонтальному участку на кривой, называется нагрузкой предела текучести, а соответствующее напряжение – физическим пределом текучести. Если при растяжении образца не образуется горизонтальная площадка, то за нагрузку предела текучести принимают нагрузку, соответствующую остаточному удлинению 0,2% от расчетной длины образца и обозначают ее P_0,2. Соответствующие напряжения называют условным пределом текучести _0,2.

Предел текучести физический – _т и предел текучести условный – _0,2 определяют по формулам:

_{, МПа}

_{, МПа}

Показатели пластических свойств материалов

Относительное удлинение определяется по формуле:

где l _к – расчетная длина образца после разрыва, мм ;

l _о – расчетная длина образца до испытания, мм.

Относительное сужение определяется по формуле:



где F_o – начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F_к – площадь образца в месте разрыва, мм²

Значения относительного удлинения и поперечного сужения определяют способность металла противостоять хрупкому разрушению.

Испытания на ударную вязкость

Ударная вязкость – характеристика, оценивающая работу разрушения образца при ударном изгибе.

Ударную вязкость определяют при динамическом испытании на маятниковом копре (рис. 3.4,а) призматического образца квадратного поперечного сечения, имеющего надрез (рис. 3.4,б) одного из трёх видов: радиус 1,0 мм; радиус 0,25 мм; инициированная трещина.

Рис.3.4. Испытания на ударную вязкость:

а – маятниковый копер для испытания на ударную вязкость;

б – положение образца при испытании

Сущность испытания заключается в том, что образец с надрезом устанавливается на двух опорах маятникового копра (рис.3.4,б) и разрушается ударом, наносимом в центре образца.

Копер имеет маятник весом P , который перед испытанием поднимают на высоту H. Освобожденный от закрепления маятник, свободно падает, разрушает образец, установленный на опорах надрезом по ходу маятника.

Работа, затраченная на разрушение образца, определяется как разность запасов энергии маятника до и после удара:

A= P (H – H₁), Дж,

где P – вес маятника, Н;

H – высота подъема центра тяжести маятника до удара, м;

H ₁ – высота подъема центра тяжести маятника после удара, м.

Ударная вязкость определяется работой, расходуемой на разрушение образца, отнесенной к площади поперечного сечения рабочей части образца.

Ударная вязкость вычисляется по формуле:

, Дж / м²,

где A – работа удара, затраченная на разрушение образца, Дж;

F₀ – площадь поперечного сечения образца в месте надреза, м².

Ударная вязкость обозначают тремя буквами в зависимости от вида надреза (концентратора напряжения), при этом первые две буквы – работа удара, третья – символ концентратора напряжения.

KCU – радиус надреза 1,0мм (тип Менаже);

KCV– радиус надреза 0,25мм (тип Шарпи);

KCT – инициированная трещина.

Ударная вязкость имеет особо важное значение при выборе материала для деталей, работающих в условиях низких температур и испытывающих динамические нагрузки.