Свойства металлов и сплавов

ЛЕКЦИЯ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Свойства металлов и сплавов Свойства металлов и сплавов Механические Физические Технологические и Химические Магнитные эксплуатационные Нагрузка, сила Физические законы Технологическая Воздействие Намагничивание явления обработка химически активных веществ прочность, теплопроводность, жидкотекучесть, кислотостойкость, ферромагнетик, твердость, электропроводность усадка, коррозионностойкость, парамагнетик, упругость, теплоемкость, свариваемость, щелочностойкость, диамагнетик пластичность, тепловое обрабатываемость окисляемость на выносливость, расширение, резанием, воздухе и др. усталость, температура износостойкость ударная плавления, вязкость цвет Физические свойства Физические свойства: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость. 1. Цвет – способность металла и сплавов отражать излучение с определенной длинной волны света. 2. Плотность – характеризует массу, заключенную в единицу объема. По плотности выделяют: - легкие металлы – плотность до 4300 кг/м3; - тяжелые металлы – плотность более 4300 кг/м3. 3. Температура плавления – температура, при которой металл из твердого состояния переходит в жидкое (легкоплавкие до 1000 °С, тугоплавкие от 1000°С). 4. Теплопроводность – способность металлов и сплавов переносить тепловую энергию при неравномерном нагревании. Тепловое расширение – способность металла увеличиваться в размерах и уменьшаться при охлаждении. 5. Теплоемкость – способность металла поглощать определенное количество тепла при нагревании. Магнитные свойства Магнитные свойства металлов характеризуют способность металлов и сплавов подвергаться намагничиванию. Основные величины: остаточной индукция, коэрцетивная сила и магнитная проницаемость. Остаточной индукцией (Вr) называют магнитную индукцию, сохраняющуюся в образце после его намагничивания и снятия магнитного поля. Остаточную индукцию измеряют в гауссах. Коэрцетивной силой (Нс) называют напряженность магнитного поля, которая должна быть приложена к образцу, чтобы свести к нулю остаточную индукцию, т. е. размагнитить образец. Коэрцетивную силу измеряют в эрстедах. 1 Магнитная проницаемость µ характеризует способность металла намагничиваться Способность металлов и сплавов подвергаться намагничиванию. Вещество Ферромагнетик Парамагнетик Диамагнетик Свойство Намагничиваются при любых условиях (железо, кобальт) Намагничиваются при определенных условиях (цинк, магний) Намагнитить невозможно (серебро, золото) Механические свойства Механические свойства определяют поведение металла под нагрузкой. Характеристики механических свойств получают при механических испытаниях. Виды деформации: - упругие – исчезают после снятия нагрузки, материал возвращается в исходное состояние; - пластические – после снятия нагрузки, возникшие в материале изменения сохраняются. Виды механических испытаний: - статические – действуют постоянно в течении длинного времени; - динамические – действуют мгновенно, носят характер удара; - испытания при повторно переменных нагрузках, которые меняются по величине и направлению в течении определенного промежутки времени. 1. Твердость - способность материала сопротивляться внедрениюв него более твердого тела. Для определения твердости применяют методы вдавливания: - Метод Бринелля - основан на использовании в качестве индентора стального закаленного шарика, который вдавливается в испытуемый образец на специальном прессе. В результате на поверхности образца образуется отпечаток в виде сферической лунки (рис. 1). Диаметр d отпечатка измеряется в двух взаимно-перпендикулярных направлениях с помощью микроскопа Бринелля в виде лупы со шкалой. Рисунок 1. Метод Бринелля 2 Твердость обозначается латинскими буквами «НВ», например 200 НВ. Значения твердости определяются как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка. В практике для определения твердости используют таблицу, в которой значения твердости указаны в зависимости от диаметра отпечатка. Диаметр шарика D и нагрузку выбирают такими, чтобы соблюдалось соотношение d = (0,25... 0,50)D, т. е. для разных материалов эти параметры различаются. При определении твердости сталей и чугунов диаметр шарика (индентора) 10 мм, нагрузка 3 000 кгс (29430 Н) и длительность выдержки под нагрузкой 10 с, при этом в обозначении) твердости указываются только цифры единиц твердости, напри мер, 200 НВ. При изменении условий испытаний помимо значений твердости необходимо указывать диаметр шарика, усилие и длительность выдержки под нагрузкой, например, 185 НВ/5/750/20 (здесь 5 — диаметр шарика, мм; 750 — нагрузка, кгс; 20 — длительность выдержки под нагрузкой, с). Метод Бринелля не является универсальным. Он не применяется для испытания материалов с твердостью более 450 НВ, так как при этом может деформироваться индентор (шарик), а также для образцов толщиной менее 1... 2 мм, так как под усилием шарика они продавливаются. Между твердостью по Бринеллю и прочностью разных материалов соблюдаются следующие примерные соотношения: для стали σв = НВ/3, σт - НВ/6; для алюминиевых сплавов σв = 0,362 НВ; для медных сплавов σв = 0,26 НВ. - Метод Роквелла - принципиально отличается от метода Бринелля тем, что твердость определяется не по площади поверхности отпечатка, а по глубине проникновения индентора в исследуемый образец (рис. 2). В качестве индентора используют алмазный конус (при испытаниях твердых материалов) и стальной закаленный шарик (при испытаниях мягких материалов). Рисунок 2. Метод Роквелла При использовании алмазного конуса устанавливается нагрузка 150 или 60 кгс в зависимости от твердости материала — большая для менее твердых материалов (например, закаленные стали) и меньшая для материалов с очень высокой твердостью (твердые сплавы, режущая керамика), чтобы избежать скола алмазного конуса. Стальной шарик вдавливают с нагрузкой 100 кгс. Испытания выполняются на специальном приборе, имеющем две шкалы — черную и красную, с которых непосредственно считываются значения твердости. Черная шкала используется при испытаниях алмазным конусом, красная — стальным закаленным шариком. В данном методе твердость обозначается HRC для алмазного конуса и нагрузки 150 кгс (например, 64 HRC), HRA для алмазного 3 конуса и нагрузки 60 кгс (90 HRA) и HRB для шарика и нагрузки 100 кгс (120 HRB). Значения твердости в зависимости от глубины проникновения индентора определяются из следующих соотношений: 100 - (h – h 0 )/0,02 и 130 - (h – h 0 )/0,02, для шкал «А» и «В» соответственно (здесь h и h0 — глубина проникновения индентора, мм, под действием предварительной (10 кгс) и окончательной нагрузок). Значения твердости в единицах HRC примерно в 10 раз меньше, чем в единицах НВ, т.е., например, 30 HRC приблизительно соответствует 300 НВ. Между значениями твердости по шкалам «С» и «А» имеется следующая зависимость: HRC = 2 HRA - 102. - Метод Виккерса - основан на вдавливании четырехгранной алмазной пирамидки с углом 136° между противоположными гранями (рис.3). Рисунок 3. Метод Виккерса Твердость обозначается HV (например, 1000 HV) и определяется отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка. Значения твердости вычисляются по формуле HV - 1,854 P/d2, где d — среднее значение длины диагонали отпечатка. Нагрузку можно изменять в пределах от 1 до 100 кгс. Длину диагонали определяют с помощью специального микроскопа, встроенного в прибор. Значения твердости по Бринеллю и Виккерсу практически равны между собой. - Метод Шора - в отличие от рассмотренных основывается на определении высоты отскока индентора от исследуемой поверхности образца. Индентором является боек, который не деформируется, так как оснащен алмазным наконечником. Чем выше твердость образца, тем больше высота отскока бойка. Этот метод часто используют для определения твердости непосредственно на деталях, особенно крупногабаритных. 2) Прочность – это способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних и внутренних напряжений. Государственные стандарты предусматривают получение характеристик прочности при испытаниях на растяжение, сжатие, изгиб, кручение. Все это – статические испытания, с постепенным, плавным возрастанием нагрузки. Наиболее информативно испытание на растяжение на разрывной машине; его и проводят в большинстве случаев для получения стандартных характеристик прочности (рис. 4). 4 Рисунок 4. Испытания на разрывной машине По результатам испытаний выстраивают диаграмму растяжения – графика зависимости между приложенной нагрузкой P и удлинением образца Δl (рис. 5). Рисунок 5. Диаграмма растяжения Характеристики прочности: 𝑷 - предел упругости 𝝈у = 𝑭 у ,[МПа] – это наибольшее напряжение, после 𝟎 которого образец возвращается к прежней форме и размерам; 𝑷 - предел текучести 𝝈т = 𝑭 т , [МПа] – это напряжение пластического 𝟎 течения металла без увеличения нагрузки; 𝑷 - предел прочности 𝝈в = 𝑭мах , [МПа] – это наибольшее напряжение, 𝟎 которое металл выдерживает, не разрушаясь. Истинный, или физический предел текучести 𝝈т определить трудно, не у всех металлов образуется «площадка текучести». Поэтому чаще всего определяют условный предел текучести 𝝈𝟎,𝟐 , который вызывает остаточную деформацию 0,2 %: 𝝈т − 𝝈𝟎,𝟐 . 5 Прочностные расчеты чаще ведут по пределу текучести, так как значительная пластическая деформация большинства деталей и конструкций недопустима. Но и предел прочности знать необходимо, так как он показывает, при каком напряжении начнется разрушение. 3. Пластичность – это способность металла деформироваться без разрушения. Характеристики пластичности определяют из того же испытания на растяжение: 𝒍𝒌!𝒍𝒐 - относительное удлинение 𝜹 = 𝒍𝒐 𝟏𝟎𝟎 [%] 𝑭𝒌!𝑭𝒐 - относительное сужение 𝝍 = 𝟏𝟎𝟎 [%], где l0 и lК, мм – длина 𝑭𝒐 образца до и после испытания; F0 и FК, мм2 – начальная и конечная площадь поперечного сечения образца. 4. Упругость способность материала восстанавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки. 5. Вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению при ударных, динамических нагрузках. Характеристика вязкости определяется при испытании на ударный изгиб. Это динамическое испытание, при котором нагрузка прилагается к образцу с очень большой скоростью, за тысячные доли секунды. Ударная вязкость – способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Ударная вязкость – это работа разрушения образца, отнесенная к площади поперечного сечения: A KC = Р [Дж/м2], где F AР – работа разрушения, F – площадь поперечного сечения образца. Обозначение ударной вязкости зависит от вида надреза (рис. 34). Для одного и того же материала KCU > KCV > KCT, т. е. чем острее надрез, тем легче разрушается материал. Ударная вязкость тоже является критерием надежности материала, гарантией, что он не будет разрушаться хрупко, внезапно. Рис. 34. Образцы для испытаний на ударную вязкость 6 6. Выносливость – это способность металла противостоять усталости, сопротивляться разрушению при знакопеременных нагрузках. Характеристики выносливости определяются из испытаний на специальных машинах циклического действия. Нагрузка, действующая на каждую точку поперечного сечения образца, непрерывно меняется по 7. Усталость - процесс постепенного накопления повреждений металла под действием повторно переменных нагрузок. Пределом выносливости, или пределом усталости σ −1 называется наибольшее напряжение, которое не вызывает разрушения образца после заданного числа циклов нагружения. Химические свойства Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др. 1) Кислотостойкость – способность металлов и сплавов противостоять действию кислот 2) Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами). 3) Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах (является и эксплуатационным свойством). 4) Растворимость – способность материала растворяться в каком-либо растворителе (как правило, сильные кислоты и едкие щелочи). 5) Окисляемость – способность металла образовывать оксиды (соединяться с кислородом). Технологические свойства Технологические свойства определяют пригодность материала для изготовления из него детали тем или иным способом. 1) Обработка резанием – процесс разделение металлов и сплавов по заданным размером при помощи режущего инструмента. 2) Свариваемость – способность материалов образовывать неразъемное соединение за счет межатомных связей. 3) Ковкость – способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состоянии без признаков разрушения. Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки, без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются, жидкотекучесть, усадка и ликвация. 4) Усадка – способность материала уменьшаться в объеме при кристаллизации в результате чего может образовываться усадочная раковина. 7 5) Жидкотекучесть – способность материалов заполнять литейную форму, образуя при кристаллизации качественные отливки. 6) Ликвация - неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Эксплуатационные свойства Эксплуатационные свойств - характеризуют способность материала работать в конкретных В зависимости от условий работы выделяют: 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 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. Виды технологических проб При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства. 8