Общие сведения о металлах и сплавах кратко
Обновлено: 05.05.2024
Применение металлов и сплавов для различных производственных нужд определяется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью, ударной вязкостью и т. д.
Твердость характеризуется способностью металла противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Испытание на твердость производится большей частью путем вдавливания твердого тела в испытуемый материал. Наиболее распространенными методами измерения твердости являются
следующие: измерение твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.
При измерении твердости металла по Бринеллю под действием плавно увеличивающейся нагрузки в испытуемый металл вдавливают стальной шарик и после снятия нагрузки измеряют диаметр отпечатка, оставшегося на поверхности образца. Деление величины нагрузки (в килограммах) на площадь поверхности сферического отпечатка (в квадратных миллиметрах) дает число твердости НВ.
Замер твердости по Роквеллу производится алмазным конусом
стандартного типа или стальным закаленным шариком диаметром
1,588 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах.
Замер твердости по Виккерсу производят при помощи алмазного наконечника, имеющего правильную форму четырехгранной пирамиды, который под действием нагрузки вдавливается в испытуемый образец. После снятия нагрузки измеряют диагонали полученного на образце отпечатка. Число твердости определяют путем деления нагрузки на площадь боковой поверхности полученного пирамидального отпечатка.
Пределом прочности при растяжении называют величину, численно равную наибольшей нагрузке, отмеченной во время испытания образца на растяжение, разделенной на площадь первоначального поперечного сечения образца. Предел прочности при растяжении сгв выражается в кгс/мм2.
Испытанием на растяжение определяют прочность металлов, работающих на растяжение. Для этой цели отливают образец и устанавливают его на разрывную машину. При возрастании нагрузки (разрывного усилия) наблюдается удлинение образца. Результаты испытания удобно изображать в виде диаграммы (рис. 1). По вертикальной оси откладывают нагрузку Р, которую постепенно увеличивают, а по горизонтальной оси откладывают величину удлинения образца ΔI.
Из диаграммы видно, что сначала образец удлиняется пропорционально нагрузке; начиная от точки А, удлинение растет быстрее и от точки С образец удлиняется без увеличения наг-рузки. При дальнейшем увеличении нагрузки образец удлиняется более интенсивно и при определенной растягивающей силе Рмах удлинение увеличивается даже при последующем уменьшении нагрузки.
Относительным удлинением при разрыве б называют остающееся приращение длины образца, отнесенное к первоначальной расчетной длине; оно определяется в процентах.
Относительным сужением при разрыве я]) называется уменьшение поперечного сечения образца в месте разрыва, выраженное в процентах от первоначального сечения.
Пределом текучести (физический) сТ называется напряжение, при котором, несмотря на деформацию образца, указатель нагрузки на разрывной машине остается неподвижным или указывает ее падение. В случае отсутствия явно выраженной текучести применяется понятие условного предела текучести при пластической деформации 0,2% — при котором впервые появляется остаточное удлинение 0,2%; выражают его в кгс/мм2.
Пределом пропорциональности (условный) называется напряжение, при котором впервые получается нарушение пропорциональности между напряжением и удлинением на определенную, заранее обусловленную величину; выражается к кгс/мм2.
Ударной вязкостью называется работа, затраченная на разрушение образца ударом, отнесенная к 1 см2 площади образца в месте излома; выражается в кгс/см2.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ, СПЛАВАХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВАХ
Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, об-условленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.
В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные).
Свойства металлов объясняются особенностями их строения:
— расположением и характером движения электронов в атомах;
— расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;
— размерами, формой и характером кристаллических образований.
Особенности атомного строения определяют характер взаимодействия металлов, способность их давать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы с неметаллами и т. д.
При разных температурах некоторые химические элементы имеют 2 и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного строения в другое — полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита α, β, γ, δ.
К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Со), олово (Sn), марганец (Мп), железо (Fe). В свою очередь изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств — механических, химических и магнитных свойств, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др.
К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (А1), медь (Си), никель (Ni), хром (Сг), ванадий (W) и др.
Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов получают при использовании комплекса методов исследований:
— структурных (основаны на непосредственном наблюдении строения металла или сплава: макроскопический анализ, микроскопический анализ и пр.);
— физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и пр.).
Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями [Hani H. et al., 1989].
Металлические сплавы — это макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называются любые однородные системы, получаемые сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ.
Структура и свойства чистых металлов существенно отличаются от структуры и свойств сплавов , состоящих из двух и более металлов.
По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы.
Образование новых однородных веществ при взаимном проникновении атомов называют фазами сплава.
В расплавленном состоянии все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердевании расплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав.
Существуют три типа взаимоотношений компонентов сплава:
1) образование механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, при этом свойства сплава будут усредненными свойствами элементов, которые его образуют;
2) образование твердого раствора, когда атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов, являющегося растворителем, при этом тип решетки основного металла сохраняется;
3) образование химических соединений, когда при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции с образованием нового типа решетки, отличающейся от решеток металлов сплава. Образование химического соединения — сложный процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами, а решетка при этом имеет более сложное строение. Соединение теряет основное свойство металла — способность к пластической деформации, становится хрупким.
Соответственно этому, свойства сплавов будут зависеть от того, какие фазы в них образуются: твердые растворы, химические соединения или смеси чистых металлов. Если атомные объемы двух металлов и их температуры плавления резко отличаются, то в жидком состоянии такие элементы обладают, как правило, ограниченной растворимостью.
В то же время неограниченную растворимость, т.е. способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от друга в таблице Менделеева (Си29 и Ni2S; Fe26 и Ni2s; Fe26 и Cr24; Fe26 и Со27; Со27 и Ni2s) или расположенные в одной группе (As33 и Sb5I; Au79 и Ag47; Au79 и Cu29; Bi83 и; Sb51), имеют неограниченную растворимость.
Таким образом, взаимодействие элементов в сплавах и характер образующейся структуры определяются положением элементов в; таблице Менделеева, типом кристаллической решетки, размерами атомов, т. е. физической природой элементов.
Зависимость свойств от состава сплавов:
1) в сплавах, имеющих структуру механических смесей, свойства изменяются в основном прямолинейно. Некоторые свойства механических смесей, в первую очередь твердость и прочность, зависят от размеров частиц (т. е. от степени дисперсности) — значительно, повышаются при измельчении;
2) в сплавах — твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости;
3) при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.
Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие, как литейные (т. е. способность обеспечить хорошее качество i отливки) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких температурных условиях проходило затвердевание сплавов.
Так, например, стоматологические сплавы золота, отлитые в форму и быстро охлажденные в воде, будут иметь вид твердого раствора, отличающегося характерной мягкостью, ковкостью и меньшей прочностью, чем сплавы с упорядоченным расположением атомов [Копейкин В. Н., 1995]. Однако если ту же отливку охлаждать медленно до комнатной температуры, то твердый раствор, превалирующий при температуре больше 424° С, полностью переходит в фазу AuCu путем перераспределения атомов в пространственной кристаллической решетке в более упорядоченную структуру. Это приводит к повышению прочности и твердости при потере ковкости сплава. Сплавы с высоким содержанием золота (выше 88%) не образуют упорядоченной фазы.
Поэтому о зависимости механических и физических свойств однофазных сплавов (а и b) говорят следующие положения, известные из курса металловедения:
— твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов выше, чем у чистых металлов;
— электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов;
— электрохимический потенциал при этом изменяется по плавной кривой.
Помимо свойств металлической матрицы, имеющей определенную кристаллическую решетку и тем самым определяющую основные параметры механических свойств, на последние могут оказывать влияние дополнительное легирование такими элементами, как молибден, вольфрам, ниобий, углерод, азот и др. Присутствие их в сплавах даже в небольших количествах значительно повышает прочность, износостойкость, жаропрочность и другие свойства, необходимые при эксплуатации конструкций.
Добавка небольших количеств (0,005%) иридия и рутения превращает грубую зернистую структуру сплавов золота в мелкозернистую, что дает возможность улучшить на 30% прочность на растяжение и предел прочности при удлинении, не влияя при этом на твердость и предел текучести. Особенно эффективно увеличивается прочность при легировании кобальтохромовых сплавов 4-6% молибденом и дополнительно 1-2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения как между двумя или несколькими металлами (их называют интерметаллидами), так и между металлом и неметаллом (карбиды, оксиды и т. д.).
Наличие неметаллических включений в структуре сплава ведет к образованию усталости, трещин, внутренних пор и полостей, коррозионному растрескиванию отливок, что приводит в конечном счете к разрушению. Неметаллические включения играют существенную роль в процессе вязкого и усталостного разрушения.
Основу неметаллических включений в сплаве Виталлиум составляет марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты.
В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в провесе циклического нагружения увеличивают свои размеры, образуя магистральную трещину, приводящую к разрушению металла.
Основной характеристикой, определяемой при испытании на усталость материала, является предел выносливости — наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при произвольно большом числе перемен (циклов) нагрузки. Максимальное напряжение, не вызывающее разрушения, соответствует пределу выносливости.
Кроме механических испытаний, металлические материалы подвергаются технологическим испытаниям (изгиб, перегиб и др.) с целью определения их пригодности к различным технологическим операциям в процессе использования.
Справочник строителя | Общие сведения о металлах
Металлами называют вещества, характерными свойствами которых являются высокая прочность, пластичность, тепло- и электропроводность, особый блеск, называемый металлическим. Металлы - простые вещества, обладающие в обычных условиях характерными .
Углеродистая качественная конструкционная сталь
Сталь углеродистая качественная изготовляется в основных конверторах с продувкой кислородом сверху, в мартеновских и электрических печах спокойная, полуспокойная и кипящая, по содержанию марганца делится на I и II группы (с нормальным содержанием и повышенным). .
Легированная конструкционная сталь
В зависимости от химического состава и свойств легированная конструкционная сталь бывает: качественной; высококачественной — А; особо высококачественной — Ш. Марки стали: 15Х, 20Х, 30Х, 35Х, 38ХА, 40Х, 45Х, 50Г, 12ХН, .
Коррозионностойкие стали и сплавы
Коррозионностойкие (нержавеющие) стали и сплавы - стали и сплавы обладающие стойкостью против электрохимической и химической коррозии (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной коррозии, коррозии под напряжением и др. Назначение .
Инструментальная нелегированная сталь
Сталь инструментальная нелегированная углеродистая высококачественная. Не чувствительна к флокенообразованию, не склонна к отпускной хрупкости, не применяется для сварных конструкций. Подгруппы: а - для горяче„ обработки, б - для холодной мехобработки. .
Цветовая маркировки стали
Маркировку фасонного проката из стали С235, С245, С255, С275, С285, С345 и С375 проводят несмываемой краской, при этом используют цвета, приведенные в таблице Цветовая маркировка стали согласно ГОСТ 27772-88: Наименование .
Марки стали по ГОСТ 27772-88
Наименование стали Марки по действующим стандартам Марка стали Обозначение стандарта С235 СтЗкп2 ГОСТ 380-88, .
Электротехническая тонколистовая сталь
Электротехническая сталь -тонколистовая магнитно-мягкая сталь для магнитопроводов (сердечников) электротехнического оборудования (трансформаторов, генераторов, электродвигателей, дросселей, стабилизаторов, реле и т. д.). В зависимости от требуемого уровня магнитных свойств .
Маркировка материалов различных групп
Сталь обыкновенного качества: СтО; ВСтО, БСтО - красный и зеленый; Ст1, ВСт1кп - желтый и черный; Ст2, ВСт2кп - желтый; СтЗ, ВСтЗкп, ВСтЗ, .
Условные обозначения в марках металлов и сплавов
Элемент Символ ЧМ Плотность, г/см3 Азот N А 1,25 Алюминий Аl Ю 2,69808 Барий Ва - 3,61 Бериллий Ве Л 1,86 Бор В Р 2,33 Ванадий V Ф 6,12 Висмут Вi Ви 9,79 Вольфрам W В 19,27 Гадолиний Gg - 7,886 Галлий Ga Гл 5,91 Гафний Hf - 13,36 Германий Ge - 19,3 Гольмий Но - 8,799 Диспрозий Dy - 8,559 Европий Eu - 5,24 Железо Fe - 7,87 Золото Аu - 19,32 Индий In - 7,3 Иридий Ir И 22,4 Иттербий Yb - 6,959 Иттрий Y - 4,472 Кадмий Cd Кд 8,642 Кобальт Со К 8,85 Кремний Si С 2,3263 Лантан Lа - 6.
Интересные и нужные сведения о строительных материалах и технологиях
Металлы, применяемые в строительстве, разделяются на две группы: черные и цветные.
Черные металлы представляют собой сплав железа с углеродом. Кроме углерода черные металлы в небольшом количестве могут содержать кремний, марганец, фосфор, серу и другие химические элементы. Для придания черным металлам специфических свойств к ним добавляют некоторые так называемые легирующие вещества — медь, никель, хром и др. Черные металлы в зависимости от содержания углерода подразделяют на чугуны и стали.
Чугун представляет собой сплав железа и углерода 2. 4,3%. В специальных чугунах — ферросплавах — количество углерода может достигать 5% и более. Присутствующие в чугуне кремний, марганец, фосфор и сера существенно влияют на его свойства: сера и фосфор повышают хрупкость чугуна, а специальнаяИ присадка хрома, никеля, магния, алюминия и кремния придает чугуну более высокие жаростойкость, износостойкость, повышенную сопротивляемость коррозии. Чугуны с добавкой указанных веществ называются легированными. В зависимости от формы, в которой углерод находится в чугуне, различают чугуны серые (литейные) и белые (передельные). В серых чугунах углерод находится в свободном состоянии в виде графита, а в белом — в связанном состоянии в виде цемента. Пластинки графита, перерезающие металлическую структуру чугуна, понижают его прочность. Модифицированный серый чугун имеет более высокие механические свойства благодаря шаровидной и раздробленной форме графита.
Сталь содержит углерода до 2%. В отличие от чугуна — хрупкого металла — сталь пластична, упруга и обладает высокими технологическими свойствами (способностью обрабатываться). В зависимости от назначения различают стали конструкционные, содержащие 0,02. 0,85% углерода, и инструментальные — 0,65. 1,4%. Конструкционные стали, применяемые для строительных конструкций и арматуры железобетона, а также в машиностроении, обладают хорошей пластичностью, низкой хрупкостью. Повышение же углерода в инструментальных сталях придает им высокую твердость и хрупкость.
Механические и физические свойства сталей (жаростойкость, износостойкость, коррозионная стойкость) повышаются добавкой к ним никеля, хрома, вольфрама, молибдена, кобальта, меди, алюминия и др., называемых легирующими веществами, а стали — легированными. В зависимости от величины легирующих добавок различают стали низколегированные, содержащие до 2% легирующих веществ, среднелегированные — 2. 10% и высоколегированные — более 10%. Строители широко применяют низколегированную сталь. Нержавеющая сталь является высоколегированной.
Цветные металлы и сплавы подразделяются по плотности на легкие и тяжелые. К легким относятся сплавы на основе алюминия, магния, а к тяжелым — на основе меди, никеля, олова, свинца. За последние годы в технологии металлургии внедрены новые усовершенствования: освоен эффективный метод вакуумной обработки живой стали; получены новые виды высокопрочных сталей и чугунов; разработана эффективная технология получения алюминия из нефелинов; освоены новые виды облегченного проката, гнутого из лент и полос, диффузионный метод сварки металлов в вакууме, легирование с вакуумной обработкой, широко развивается порошковая металлургия.
Строение металлов и их свойства.
Металлы и металлические сплавы представляют собой кристаллические тела, состоящие из бесчисленного множества кристаллических образований, групп (в виде отдельных прочно связанных между собой зерен. Большинство их имеет кубическую объемно центрипованную (хром, ванадий, молибден, вольфрам и некоторые другие) и кубическую гранецентрированную решетки (алюминий медь, никель, свинец, золото и серебро). Железо может быть в нескольких кристаллических формах с различным расположением атомов. Это явление называется аллотропией. Аллотропические превращения железа наблюдаются при изменении температуры. Железо из расплавленной массы кристаллизуется в форме решетки объемно центрированного куба; при охлаждении до температуры 1390°С она перекристаллизовывается в решетку гранецентрированного куба, а при 898°С снова образует решетку объемно центрированного куба и а-модификации. Аллотропия железа имеет большое значение в процессах горячей механической и термической обработки чугуна и стали. Регулируя закалкой, отжигом и другими способами содержание этих модификаций в сталях, придают им заданные механические свойства.
При затвердевании расплава металла вначале образуются мельчайшие кристаллы правильной формы, затем, по мере охлаждения, они увеличиваются в размерах и срастаются между собой в виде деформированных неправильной внешней формы кристаллов, называемых кристаллитами. Их хорошо видно под микроскопом.
Физические свойства металлов и сплавов характеризуются цветом, плотностью, температурой плавления, теплопроводностью, коэффициентом температурного расширения. Плотность большинства металлов превышает 7000 кг/м 3 , а плотность легких металлов (алюминия, бериллия, магния) менее 3000 кг/м 3 . Чем меньше плотность металла, тем легче и эффективнее оказываются строительные конструкции из него. Вот почему конструкции из сплавов на основе алюминия все шире применяются в строительстве.
Температуру плавления металлов важно знать для выбора режима горячей обработки металлов и получения изделий литьем. Температура плавления металла изменяется при добавке к нему других веществ. Большинство сплавов, например на основе железа, имеют температуру плавления ниже, чем входное в их состав металлы. Однако некоторые сплавы цветных еталлов, например никеля и алюминия, имеют более высокую температуру плавления, чем чистый никель и алюминий. Изменение температуры плавления металла от содержания в нем других веществ характеризуется диаграммой состояния.
Расширение металлов при нагревании характеризуется коэффициентом линейного и объемного расширения. Это свойство металла необходимо учитывать при проектировании металлических строительных конструкций, так как последние под действием изменяющейся температуры могут вызвать разрушение сооружения. Важно учитывать это свойство металла при сварке, так как в результате местного нагрева свариваемых деталей может произойти образование трещин. Способность металла удлиняться при нагревании эффективно используется при производстве предварительно напряженных железобетонных изделий способом электротермического натяжения арматуры.
Механические свойства металлов характеризуются их прочностью, твердостью, ударной вязкостью, усталостью и ползучестью.
Прочность — это способность металла или сплава сопротивляться действию внешних сил. В зависимости от характера этих сил различают прочность при растяжении, сжатии, изгибе, кручении. Характеризуются они соответствующим пределом прочности, т. е. условным напряжением, при котором испытуемый образец металла разрушается.
Универсально испытание на растяжение, применяемое для всех металлов и сплавов. Специфическим, например, для серого чугуна, является испытание при сжатии и изгибе.
При испытании металлов при растяжении определяют предел текучести — напряжение, при котором растяжение образца происходит без увеличения растягивающей нагрузки. Этот показатель служит основным при расчете металлических конструкций.
На усталость, или выносливость, испытывают образцы из стали и цветных тяжелых и легких сплавов, детали из которых работают в условиях повторно-переменных растягивающих, изгибающих, сжимающих, крутящих и других нагрузок.
На ползучесть, т. е. способность деформироваться под постоянной нагрузкой, испытывают металлы, непрерывно работающие под напряжением. В результате ползучести могут увеличиваться прогибы строительных конструкций, произойти потеря устойчивости. Особенно опасна ползучесть арматурной стали в предварительно напряженных железобетонных конструкциях. Как результат ее, могут произойти потеря предварительного напряжения арматуры, образование трещин в бетоне и разрушение конструкции. Твердость металла определяет противодействие его при вдавливании в него твердого стального шарика (метод Бринелля), алмазного корпуса или алмазной пирамиды.
Вязкость различают статическую и ударную (динамическую). Статическая вязкость характеризуется относительным удлинением (в процентах длины образца при разрыве) к его первоначальной длине, а ударная вязкость — количеством работы потребной для разрушения образца ударной нагрузкой.
Технологические свойства характеризуют способность металла подвергаться обработке. К ним относятся: пластичность, позволяющая получать металлические изделия ковкой, прокаткой волочением; обрабатываемость резанием; свариваемость, характеризуемая способностью металла давать прочные соединения путем их местного нагрева до пластичного или жидкого состояния.
Читайте также: