Хрупкие и пластичные металлы

Обновлено: 01.05.2024

Пластичностью называется способность металла принимать под действием нагрузки новую форму не разрушаясь.

Пластичность металлов определяется также при испытании на растяжение. Это свойство обнаруживается в том, что под действием нагрузки образцы разных металлов в различной степени удлиняются, а их поперечное сечение уменьшается. Чем больше способен образец удлиняться, а его пеперечное сечение сужаться, тем пластичнее металл образца.

Необходимость определения пластичности металлов вызывается тем, что пластичные металлы можно подвергать обработке давлением, т. е. ковать, штамповать или на прокатных станах превращать слитки металлов в полосы, листы, прутки, рельсы и многие другие изделия и заготовки.

В противоположность пластичным хрупкие металлы под действием нагрузки разрушаются без изменения формы. При испытании хрупкие образцы разрушаются без удлинения, внезапно. Хрупкость является отрицательным свойством. Вполне пригодным для изготовления деталей машин будет не только прочный, но и в определенной мере пластичный металл.

Хрупкость- свойство материала разрушаться при небольшой (преимущественно упругой) деформации под действием напряжений, средний уровень которых ниже предела текучести. Образование хрупкой трещины и развитие процесса хрупкого разрушения связано с образованием малых зон пластической деформации . Относительная доля упругой и пластической деформации при хрупком разрушении зависит от свойств материала (характера межатомных или межмолекулярных связей, микро- и кристаллической структуры) и от условий его работы. Приложение растягивающих напряжений по трём главным осям (трёхосное напряжённое состояние), концентрация напряжений в местах резкого изменения сечения детали, понижение температуры и увеличение скорости нагружения, а также повышение запаса упругой энергии нагруженной конструкции способствуют переходу материала в хрупкое состояние. Например, существенно упругий материал — мрамор, хрупко разрушающийся при растяжении, в условиях несимметричного по трём главным осям сжатия ведёт себя как пластичный материал; чем выше концентрация напряжений, тем сильнее проявляется Х. материала, и т.д. Поэтому Х. следует рассматривать в связи с условиями работы материала.

Вязкость – способность поглощать работу внешних сил при разрушении.

8.Способы определения твердости металла.

Твёрдостью материала называют способность оказывать сопротивление механическому проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела. Твёрдость определяется как величина нагрузки необходимой для начала разрушения материала. Различают относительную и абсолютную твёрдость. Относительная — твёрдость одного материала относительно другого. Является важнейшим диагностическим свойством. Абсолютная, она же инструментальная — измеряется методами вдавливания.

Твёрдость зависит от:

· Координационного числа — чем выше число, тем выше твёрдость.

· Природы химической связи

· От направления (например минерал дистен — его твёрдость вдоль кристалла 4, а поперёк — 7)

· Хрупкости и ковкости

· Гибкости — минерал легко гнётся, изгиб не выпрямляется (например, тальк)

· Упругости — минерал сгибается, но выпрямляется (например, слюды)

· Вязкости — минерал трудно сломать (например, жадеит)

· Спайности
Наиболее твёрдыми из существующих на сегодняшний день материалов являются две аллотропные модификации углерода — лонсдейлит, на 58 % превосходящий по твёрдости алмаз и фуллерит (примерно в 2 раза твёрже алмаза). Однако практическое применение этих веществ пока малораспостранено. Самым твёрдым из распространённых веществ является алмаз.

Для измерения твёрдости существует несколько шкал (методов измерения):

Метод Бринелля — твёрдость определяется по диаметру отпечатка, оставляемому металлическим шариком, вдавливаемым в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к шарику, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части сферы, а не как площадь круга); размерность единиц твердости по Бринеллю кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HB, где H = hardness (твёрдость, англ.), B — Бринелль;

Метод Роквелла — твёрдость определяется по относительной глубине вдавливания металлического или алмазного конуса в поверхность тестируемого материала. Твёрдость, определённая по этому методу, является безразмерной и обозначается HR, HRB, HRC и HRA; твёрдость вычисляется по формуле HR = 100 − kd, где d — глубина вдавливания наконечника после снятия основной нагрузки, а k — коэффициент. Таким образом, максимальная твёрдость по Роквеллу соответствует HR 100.

Метод Виккерса — твёрдость определяется по площади отпечатка, оставляемого четырёхгранной алмазной пирамидкой, вдавливаемой в поверхность. Твёрдость вычисляется как отношение усилия, приложенного к пирамидке, к площади отпечатка (причём площадь отпечатка берётся как площадь части поверхности пирамиды, а не как площадь ромба); размерность единиц твёрдости по Виккерсу кгс/мм². Твёрдость, определённая по этому методу, обозначается HV;

Хрупкие металлы – перечень, особенности обработки и использования

Металл ассоциируется с надежностью, прочностью, твердостью. Хрупкость – это атрибут стекла и подобных материалов. Однако и в металлическом сегменте есть «стекло».

Хрупкими могут стать изначально пластичные элементы.

Что представляют собой

Хрупкость – антипод пластичности. Это свойство вещества разрушаться без визуально различимых деформаций. То есть на изломе, например, цинковой проволоки цвет, блеск, структура не изменятся.

Хрупкие металлы подразделяются на две группы:

Наделенные этим свойством от природы.
Ставшие таковыми в результате обработки.

Ко второй группе причисляются также сплавы.

Причины уязвимости

Склонность к разрушению у металлов, других простых веществ, сплавов обусловлена следующими причинами:

Переход металла в хрупкое состояние происходит при разных температурах.

Скорость нагрузки. Чем быстрее возрастает нагрузка на материал, тем быстрее он разрушится. Резкие удары способны погубить даже пластичные структуры (малоуглеродистую сталь).

Сплавы становятся хрупкими из-за примесей:

Самый «вредный» химический элемент – углерод. Он делает сплавы железа (чугун, сталь) хрупче в разы.
Сталь с фосфором обретает хладноломкость.
При малейшем «загрязнении» пластичный хром становится неподатливым к обработке.

«Стеклянными» сплавы делают фосфор, сера, мышьяк, сурьма, вольфрам.

Этот изъян не устранили даже создатели материалов поколения 2.0. Например, «супервещества» алюминид титана. Этот титаново-алюминиевый серебристый конгломерат термо-, коррозиестоек, но перед кувалдой бессилен.

Список

К металлам с изначальной хрупкостью относятся природные и технологичные материалы.

Щелочноземельные – бериллий.
Легкоплавкие – олово, висмут.
Тяжелые элементы – цинк, марганец, хром, сурьма, кобальт.

В списке присутствуют уникумы:

Вольфрам. Самый прочный на растяжение среди металлов. . Твердый хрупкий платиноид голубовато-серебристого цвета, второй по плотности среди простых веществ, тугоплавкий. . Мягкий хрупкий белый металл.

Самый хрупкий металл – сурьма. Ее легко сделать порошком вручную.

Материалы, полученные в результате технологических процессов: бронза, белый чугун, сталь с высоким содержанием углерода.

Особенности обработки

Материалы, наделенные хрупкостью, разрушаются при попытке их удлинить даже на пару процентов.

Поэтому их обработка специфична:

Перед работой материал подогревают, чтобы нейтрализовать хладноломкость.
Исключено воздействие давлением. Например, чугун (нагретый либо холодный) после такой операции сохранит форму, но внутренне разрушится.
Болванки из хрупких сплавов (чугунные, бронзовые) рубят от края к центру.

Неоднозначно воздействие закалки. В отличие от подогрева, при такой обработке кратно увеличивается прочность стали, других материалов, но в ущерб пластичности. То есть порог хрупкости понижается.

Хрупкие металлы легче разрушить растяжением, чем сжатием.

Где используются

Малопластичные вещества используют там, где исключено резкое механическое воздействие:

Производство катализаторов.
Электроника.
Лаки, краски.
Аптечные препараты.
Косметические средства.

Алюминид титана задействуют в космических технологиях и медицине.

Какими бывают металлы?

Когда мы слышим слово «металл», то представляем себе: твердый, крепкий, холодный, проводит электричество. Все металлы проводят электричество и теплопроводны, а потому кажутся холодными, если их потрогать рукой (при комнатной температуре). А вот остальное…

Не будем разбираться в тонкостях науки, просто отметим, что металлы и их сплавы бывают очень и очень разными.

Мы считаем металлы твердыми, но ртуть плавится при -39 о С, галлий — при 30 о С, цезий — при 28 о С (правда, заметить это сложно, т.к. он на воздухе мгновенно воспламеняется). А еще несколько металлов, хотя и твердые в комфортном для нас температурном диапазоне, но плавятся при температуре до +500 о С. Это цинк (419 о С), свинец (327 о С), кадмий (321 о С), таллий (303 о С), висмут (271 о С), олово (232 о С), литий (170 о С) (хотя он очень чувствителен к влажности воздуха), индий (157 о С). И это при том, что вольфрам плавится при 3380 о С!

Мы считаем, что металлы тяжелые (т.е. имеют высокую плотность). А у лития плотность (0.531 г/см 3 ) почти вдвое меньше, чем плотность воды, что позволяло бы ему плавать в воде — если бы он не реагировал так активно с водой, начиная с ней реагировать при малейшей влажности воздуха. При этом осмий в 22.5 раза тяжелее воды.

Мы считаем, что металлы прочные, понимая под прочностью способность сопротивляться разрушению, притом что по шкале прочности металлы делятся на:

— непрочные (свинец, олово, висмут и несколько других), прутки из таких металлов без труда гнутся руками, их сопротивление не выше 50 МПа;

— прочные, чье сопротивление от 50 до 500 МПа, это титан, железо, медь, алюминий… руками их не погнуть, но хороший инструмент позволит… заставить их поменять форму.

— высокопрочные, такие как молибден, вольфрам, ниобий, чья прочность превышает 500 МПа; их крайне сложно обработать — как можно заточить победитовый наконечник?

А еще металлы распределяют по пластичности. Это способность твердых тел при снятии нагрузок сохранять часть деформации, вызванной нагрузками. По этому свойству металлы разделяют на:

- хрупкие (относительное удлинение меньше 3%), это сурьма, кобальт, марганец, хром… (приложи к ним силу — и они растрескаются).

- пластичные (относительное удлинение от 3% до 40%), это вольфрам, молибден, висмут, магний и др.

- высокопластичные — это металлы, из которых делают большинство современных конструкционных сплавов (медь, железо, титан, алюминий, свинец, олово…).

И рекордсмен по пластичности тут, несомненно, золото. Один грамм золота можно вытянуть в проволоку длиной 2500 метров. А сусальное золото, которое и в наше время широко применяют для декоративного золочения, состоит из листочков золота толщиной примерно 100 нм. Сто нанометров, или 0.0001 мм! Сусальное золото продают обычно книжками. При этом книжка в 60 листов 91.5×91.5 см (общая площадь листочков сусального золота — почти 60 кв. м) содержит 1.1 грамм золота.

Все металлы электропроводны, но их сопротивление варьируется в очень широких пределах — от 0,015 Ом·мм 2 /м у серебра, до 1,40 Ом·мм 2 /м у нихрома.

…Впрочем, нихром — сплав никеля, хрома, с добавками железа, марганца и других металлов, обладающий высокой жаропрочностью, стойкостью к коррозии и высоким электрическим сопротивлением — изначально и был придуман для изготовления электрических нагревательных элементов.

Вот так и выходит, что металлы — и пластичные, и хрупкие, и твердые, и жидкие… Совершенно разные!

Лекция 9. Влияние различных факторов на пластичность металла. Влияние ОМД на структуру и свойства металлов. Основные законы теории пластических деформаций. Нагрев заготовок при ОМД

Пластичность характеризует способность материала деформироваться, или растягиваться, под воздействием нагрузки и не разрушаться при этом. Чем более пластичен металл, тем больше он может растягиваться, прежде чем наступит разрушение. Пластичность – это важное свойство металла, поскольку от нее зависит характер разрушения металла под воздействием нагрузки, которое может происходить постепенно или внезапно. Если металл обладает высокой степенью пластичность, он, как правило, разрушается и разрывается постепенно. Прежде чем наступит разрыв, пластичный металл изгибается, и это надежный признак происходящего превышения предела текучести. Металлы с низкой пластичностью хрупки, они разрушаются внезапно, с образованием излома и без предупреждающих признаков.

Пластичность металла прямо связана с его температурой. С ростом температуры пластичность материала возрастает, а по мере снижения температуры она снижается. Металлы, проявляющие свойства пластичности при комнатной температуре, могут становиться хрупкими и разрушаться внезапно при температуре ниже нуля.

Металлы с высоким уровнем пластичности называются пластичными, а металлы с низким уровнем пластичности называются хрупкими. Перед разрушением хрупкие материалы не претерпевают заметной или вообще какой-либо деформации. Удачным примером хрупкого материала может служить стекло. Хрупким металлом, имеющим широкое распространение, можно назвать чугун, в особенности белый чугун.

Пластичность – это свойство, которое позволяет нагружать несколько элементов, имеющих некоторый разброс по длине, не перегружая ни один из них до предела разрушения. Если один из элементов несколько короче, но пластичен, его деформация может быть достаточной для равномерного распределения нагрузки по всем элементам. Практическим примером этого может служить индивидуальное натяжение стальных тросов, из которых состоят канаты подвесных мостов. Поскольку этого нельзя сделать с достаточной точностью, тросы изготовляют из пластичного металла. Когда мости нагружен, те тросы, которые кратковременно оказываются под нагрузкой, превышающей их долю, могут растянуться и, следовательно, переложить часть груза на другие тросы.

Пластичность становится еще более важным свойством для металла, который должен подвергаться дополнительным операциям формоизменения. Например, металлы, которые используются для изготовления кузова автомобиля, должны иметь достаточную пластичность, позволяющую придавать материалу нужную форму.

Особенность, которая важна в связи с характеристиками пластичности и прочности, заключается в их зависимости от соотношения между направлением приложения силы и направлением прокатки материала в процессе его производства. Прокатанные металлы обладают ярко выраженными свойствами направленности. Прокатка удлиняет кристаллы или зерна в направлении прокатки гораздо больше, чем в поперечном ей направлении. В результате прочность и пластичность прокатанного металла, например, листовой стали, наиболее велики в направлении прокатки. В поперечном направлении прочность материала может снижаться даже на 30%, а пластичность – на 50%, по сравнению с параметрами в направлении прокатки. По толщине листа прочность и пластичность еще меньше. У некоторых сталей пластичность в этом направлении очень низкая. Каждому из трех указанных выше направлений присвоено буквенное обозначение. Направление прокатки обозначается буквой «X», поперечное направление – «Y», а направление по толщине – буквой «Z».

Возможно, Вам приходилось видеть испытание на загиб стального листа во время аттестации сварщиков, когда у контрольного образца появлялся излом в основном металле. Наиболее частая причина такого разрушения – параллельность направления прокатки листа и оси шва. Хотя металл может обладать отличными характеристиками в направлении прокатки, воздействие нагрузки в любом из двух других направлений может привести к преждевременному разрушению.

Пластичность металла обычно определяется при помощи испытания на растяжение, которое проводится во время измерения предела прочности металла. Пластичность обычно выражается двумя способами: в виде относительного удлинения и относительного сужения площади сечения.
Поделитесь этим материалом:

Физические свойства металлов

9. Физические свойства металлов

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

Металлическая связь основана на обобществлении электронов, входящих в состав атомов металла. Все электроны на внешних энергетических уровнях атомов металлов обобществленные,

т.е. принадлежат всем атомам вещества. И эти электроны легко отрываются и попадают на энергетические уровни таких же атомов металлов. Постоянно перемещаясь по кристаллической решетке, электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительно заряженными ионами и тем самым связывают их в устойчивую металлическую решетку.

Металлическая связь
– это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществленных электронов.
Разобраться в том, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно, так как все оторвавшиеся электроны становятся общими, соединяясь с ионами. Эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются с другим ионом. Этот процесс продолжается бесконечно. Таким образом, в металлических соединениях атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.

Именно строением металлической связи обусловлены физические свойства металлов.

К физическим свойствам металлов относятся:

Металлический блеск.
Электропроводность и теплопроводность.
Пластичность.
Твердость.
Высокая плотность и температура плавления.

Рассмотрим каждое из свойств более подробно.

Металлический блеск.

Металлический блеск обусловлен металлической связью между атомами, для которой свойственны обобществленные электроны. Они как раз и испускают под воздействием света свои, вторичные волны излучения, которые мы воспринимаем как металлический блеск.

В порошкообразном состоянии большинство металлов теряют металлический блеск и приобретают серую или черную окраску.

Металлический блеск в порошкообразном состоянии сохраняют алюминий и магний.

Прекрасно отражают свет палладий Pd

, ртуть
Hg
, серебро
Ag
, медь
Cu
.

Из алюминия, серебра и палладия, основываясь на их отражательной способности, изготавливают зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Электропроводность и теплопроводность.

Все металлы хорошо проводят электрический ток и имеют высокую теплопроводность, также благодаря наличию металлической связи. При нагревании металла, увеличивается скорость движения электронов. Быстро движущиеся по кристаллической решетке электроны выравнивают температуру по всей поверхности металла, проводя тепло. Высокая теплопроводность металлов используется для изготовления из них посуды.

Высокая электропроводность металлов обусловлена направленным движением электронов в кристаллической решетке при воздействии электрического тока. Серебро Ag

, медь
Cu
, золото
Au
и алюминий
Al
обладают наибольшей электропроводностью, поэтому медь
Cu
и алюминий
Al
используют в качестве материала для изготовления электрических проводов.

Наименьшей электропроводностью обладают марганец Mn

, свинец
Pb
, ртуть
Hg
и вольфрам
W
.

Пластичность.

Пластичность – это физической свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.

Большинство металлов пластично, так как слои атом-ионов металлов легко смещаются относительно друг друга и между ними не происходит разрыва связи.

Наиболее пластичные металлы – золото Au

, серебро
Ag
, медь
Cu
. Из золота
Au
можно изготовить тонкую фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.

Именно на пластичности металлов основано кузнечное дело и возможность изготавливать различные предметы с помощью механического воздействия на металл.

Все металлы (кроме ртути) при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Твердость металлов различна. Наиболее твердыми являются металлы побочной подгруппы шестой группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Наименее твердыми являются щелочные металлы.

По плотности металлы классифицируют на легкие (их плотность от 0,53 до 5 г/см3) и тяжелые (плотность этих металлов от 5 до 22,6 г/см3). Самым легким металлом является литий Li

, плотность которого 0,53 г/см3. Самыми тяжелыми металлами в настоящее время считают осмий
Os
и иридий
Ir
(плотность около 22,6 г/см3).

Температура плавления.

Температура плавления металлов находится в диапазоне от 39 (ртуть Hg

) до 3410оС (вольфрам
W
). Температура плавления большинства металлов высока, однако некоторые металлы, например, олово
Sn
и свинец
Pl
, можно расплавить на электрической плите.

Физические свойства металлов и в настоящее время широко используются в промышленности и электронике

В технике все металлы делятся на черные

, к ним относятся железо и его сплавы, и
цветные
.

Изделия из различных видов металлов используются повсеместно благодаря их пластичности, но чаще всего в сплавах.

К драгоценным металлам

относят золото, серебро, платину и некоторые другие редко встречающиеся металлы.

Свойства и методы испытания металлов

1.1. Свойства и методы испытания металлов

Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства.

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться действию внешних сил. К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность и др.

– способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

– способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.

– способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение
ударной вязкости
.

– способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.

– свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.

Пластичность

– способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.

Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.

Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.

Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах (l0 = 5d0 или 10d0, где l0 – длина образца, а d0 – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).

Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:

где P — приложенная нагрузка, F0- начальная площадь поперечного сечения образца.

Теоретический предел пропорциональности

– максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

где ε = Δl/l0∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l0 – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости

Теоретический предел упругости

– максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.

Физический предел текучести

– напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

На диаграмме пределу текучести соответствует участок «c –d», когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) — «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести

– напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление)

при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Рк» происходит разрушение образца.

Истинный предел прочности

(истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:

где Fк – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.

По методу Бринелля

под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается
НВ
и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.

По методу Роквелла

в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120°или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается
НRС
(конус) или
НRВ
(шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.

По методу Виккерса

в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости
HV
определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.

Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers, B – Ball – (шар), C – Cone (конус)

При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость

. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к
хладноломкости
– резкому возрастанию хрупкости.

Химические свойства.

К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.

Технологические свойства.

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства

определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.

Деформируемость

– способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.

Свариваемость

– способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные или служебные свойства.

В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.

Коррозионная стойкость –

сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).

Хладостойкость –

способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.

Жаропрочность –

способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость –

способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Износостойкость

– способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.

Конспект урока «Физические, химические, технологические свойства металлов»

Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Механические свойства металлов

Прочность металлов

— свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу.

По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные металлы

— (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы.

прочные металлы

— (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов

высокопрочные металлы

— (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.

Таблица 10. Прочность металлов

Металл	Временное сопротивление, МПа	Металл	Временное сопротивление, МПа
Титан	580	Цинк	120-140
Железо	200-300	Алюминий	80-120
Медь	200-250	Золото	120
Магний	120-200	Олово	27
Серебро	150	Свинец	18

Пластичность металлов

— свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

высокопластичные металлы

— (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.)

пластичные металлы

— (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа)

хрупкие металлы

— (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.

Таблица 11. Пластичность металлов

Металл	Относительное удлинение, %	Металл	Относительное удлинение, %
Золото	65	Титан	50
Серебро	65	Олово	40
Свинец	65	Алюминий	30-40
Медь	50-60	Цинк	30
Железо	40-50	Магний	10-22

Твердость

— характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2).

Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.

Таблица 12. Твердость металлов

Металл	НВ	Металл	НВ
Титан	160	Алюминий	16-25
Железо	70-80	Серебро	25
Магний	30-40	Золото	18
Медь	40	Олово	5
Цинк	33	Свинец	4

Модуль продольной упругости

Модуль продольной упругости, модуль Юнга, Е

— определяет жесткость металла, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации.

Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС

Металл	Е * 10-5, МПа	Металл	Е * 10-5, МПа
Железо	2,17	Золото	0,83
Цинк	1,30	Алюминий	0,72
Медь	1,25	Олово	0,55
Титан	1,08	Магний	0,45
Серебро	0,83	Свинец	0,18

Литература по прочности

Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978;
Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973;
Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ

Знаете ли Вы,

что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

Устойчивость к низким температурам.
Электропроводность.
Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

прочность;
твердость;
пластичность;
вязкость;
хрупкость;
устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
Обработка режущим инструментом.
Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.

Технологические и химические свойства твердых металлов

К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.

Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках. В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки. На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.

Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.

Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.

Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.

Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств. Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей. Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.

Читайте также: