Пластичность и хрупкость металлов
Обновлено: 19.05.2024
Механические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться действию внешних сил - статистических и динамических, растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих, которые вызывают различные виды деформации.
Основными механическими свойствами металлов являются ударная, вязкость, прочность , твердость, пластичность, хрупкость , выносливость и др.
Механические свойства металлов устанавливаются при статистическом и динамическом нагружении.
Прочностью называется способность металлов сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил. В зависимости от направления действия сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб и др. Предел текучести - свойство металла сопротивляться деформации. Чем выше прочность металла, тем меньше размеры изделия и расход металла на изделие.
Твердостьхарактеризует свойство металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого тела, Металлы и сплавы, обладающие высокой твердостью, применяются для производства режущего инструмента и различных деталей, подверженных сильному износу.
Вязкость - свойство материла поглощать энергию внешних сил за счет пластической деформации.
Упругостьюназывается свойство металлов и сплавов восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия внешней силы. Упругость имеет важное значение для материалов, которые используются для изготовления пружин, рессор, мостовых ферм и др.
Пластичность характеризует свойство металлов изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь. Пластичность выражается относительным удлинением и сужением определяемыми при растяжении стандартных образцов.
Хрупкость - это свойство металлов и сплавов разрушаться под действием внешних сил без достаточной деформации.
Выносливостьюназывается свойство металла сопротивляться действию переменных по величине и направлению многократных нагрузок. Материалы, обладающие большой выносливостью применяются для изготовления коленчатых валов и шатунов двигателей , деталей паровых машин и др.
Кручение характеризует сопротивление металлов действию крутящего момента.
Технологические свойства определяют способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки. Значение технологических свойств металлов при изучении влияния различных методов изготовления изделий на их свойства. Основными технологическими свойствами являются ковкость, свариваемость, прокаливаемость, жидко-текучесть и др.
Ковкость- способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением (прокатке, волочению, ковке, штамповке) без разрушения. Ковкость характеризуется пластичностью и сопротивлением деформации.
Свариваемость -способность металлов и сплавовобразовывать прочные сварные соединения, обладающие теми же свойствами, что свариваемые металлы. Хорошо свариваются малоуглеродистые и низколегированные стали, удовлетворительно - среднеуглеродистые и среднелегированные стали. Низкая свариваемость высоколегированных сталей и чугунов вызывает необходимость применения специальных сварочных материалов, предварительного подогрева, термообработки и т.д. , что повышает себестоимость процесса, снижает качество сварных соединений.
Прокаливаемость характеризуется способностью металла или сплава закаливаться на определенную глубину. При низкой прокаливаемости прочность материала по сечению неодинаковая, что приводит к снижению срока эксплуатации деталей машин и механизмов.
Жидко текучестьюназывается способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить очертания отливки. Высокая жидкотекучесть материала обеспечивает получение высококачественных и плотных отливок, снижение в них газовых и усадочных раковин и т.п.
Обрабатываемость резаниемопределяется способностью металлов и сплавов поддаваться обработке режущим инструментом. При хорошей обрабатываемости металла резанием режущий инструмент легко и быстро снимает припуск на обработку, полученная деталь имеет необходимую точность и чистоту поверхности, тогда как при плохой обрабатываемости резанием снижается стойкость инструмента, повышающая энергетические и трудовые затраты.
СТАЛИ
Все стали можно разделить на углеродистые и легированные. Углеродистые стали, являются основным конструкционным материалом, используемым в промышленности, эти стали проще в производстве и значительно дешевле легированных. Свойства углеродистых сталей определяется количеством углерода и содержанием примесей, которые взаимодействуют и с железом и с углеродом. Механические свойства углеродистых сталей зависят главным образом от содержания углерода. С увеличением содержания углерода увеличивается прочность и твердость, уменьшается пластичность. Кроме углерода в стали обязательно присутствуют другие элементы, наличие которых обусловлено разными причинами. Различают примеси - постоянные, скрытые, случайные и специальные (легированные).
Постоянные примеси - это кремний, марганец, фосфор и сера. Марганец, кремний вводят в процессе выплавки в сталь для раскисления. Сера - вредная примесь и попадает в сталь с исходным сырьём. Содержание серы в стали, допускается не более 0,06 %. Фосфор также попадает в сталь с чугуном, поэтому также является вредной примесью. Его содержание в сталях допускается до 0,05 %. Чем больше углерода в стали, тем сильнее влияние фосфора на её хрупкость. Содержание фосфора и серы в стали зависит от способа её выплавки. Кремний до 0.5 % , марганца до 0.8 % .
Скрытые примеси - это газы: азот, кислород, водород. Газы попадают в сталь при её выплавке, даже в очень маленьких количествах газы сильно ухудшают пластические свойства стали. Содержание их допускается до 0.001 %. В результате вакуумирования стали, их содержание уменьшается, и свойства стали усиливаются.
Случайные примеси - могут быть любые элементы металлов, которые попадают при выплавке стали. Содержание этих элементов ниже тех пределов, когда их вводят специально. Если они не влияют, на качество стали, то их не выводят из состава стали.
Специальные примеси - это элементы, специально вводимые в сталь для получения каких либо заданных свойств. Такие элементы называют легирующими. А стали их содержащие -легированными.
Сталь является легированной, если содержание легирующего элемента составляет 1 % и более.
Стали классифицируются по следующим признакам: по способу производства, степени раскисления, химическому составу, назначению, качеству и структуре.
Пластичность, хрупкость, вязкость металла
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;
Механические свойства
Механические свойства характеризуют поведение материалов под действием нагрузки. В рамках данной статьи рассмотрим 5 основных механических свойств материалов: прочность, упругость, пластичность, хрупкость и твердость.
Что такое Прочность?
Прочностью называется способность разнообразных материалов без разрушения воспринимать напряжение под внешним воздействием различных сил. Прочность зависит не только от того, какой материал, но и имеет зависимость от типа состояния напряжения — например, это может быть сжатие, растяжение или изгиб. Также непосредственное влияние на прочность оказывают условия, при которых материал эксплуатируется — воздействия извне, температура окружающей среды.
Испытания на прочность
Существует понятие предела прочности, который является основной количественной характеристикой прочности и численно равен разрушающему напряжению для конкретного материала. Предел прочности для каждого материала определяется средним результатом серии испытаний, так как основные материалы, используемые в строительстве, характеризуются неоднородностью.
Если происходит статическая нагрузка для выявления прочности проводится испытание образцов определенного стандарта (как правило речь идет об образцах, имеющих сечение круглой формы, реже прямоугольной), диаграмма таким образом отражает зависимость относительного удлинения от величины действующего на образец напряжения.
Прочность материала различных конструкций обосновывается при сравнении тех напряжений, которые возникают в конструкции при внешнем воздействии, также с учетом таких показателей как пределы прочности и текучести.
О так называемой усталости материала (в частности, металла) говорят если при большом числе циклически повторяющихся внешних напряжений разрушение происходит даже при напряжениях меньших чем предел прочности. В этом случае рассчитывается циклическая прочность, т.е. обоснование прочности материала, проводящееся с учетом нагрузки, которая меняется с определенным циклом.
Упругость
Если материал самопроизвольно восстанавливает форму, после того как внешняя сила прекращает действовать, то такое механическое свойство называется упругостью материала. Если после снятия внешней нагрузки, деформация полностью исчезает, то следует говорить об обратимой упругой деформации.
От чего зависит упругость?
Упругость материала непосредственно связана с силами взаимодействия, происходящими между отдельными атомами. В твёрдых телах при температуре равной абсолютному нулю и при отсутствии какого-либо внешнего воздействия атомы занимают положения, называемые равновесными. Потенциальная энергия тела увеличивается при воздействии внешнего напряжения, и атомы смещаются из равновесного положения. Соответственно, когда прекращается внешнее напряжение, конфигурация неравновесных атомов деформированного материала постепенно становится неустойчивой и возвращается в равновесное состояние. Помимо силы притяжения и отталкивания, которые действуют на каждый атом материала со стороны остальных, существуют и угловые силы, они непосредственно связаны с валентными углами, наблюдающимися между прямыми, которые соединяют атомы между собой. Естественно, это характерно исключительно для макроскопических тел и молекул, содержащих много атомов. Угловые силы уравновешиваются при равновесных значениях валентных углов. Когда говорят о количественной характеристике упругости материала, то используется модуль упругости, зависящий от напряжения воздействующего на материал и определяется производной зависимости напряжения от деформации, что применимо для области упругой деформации.
Пластичность
Пластичностью называется механическое свойство материалов под влиянием внешней нагрузки изменять форму и размер, а после того как нагрузка перестает действовать — сохранять ее в измененном виде.
Пластичность является важным свойством, учитывающееся когда происходит выбор материала несущей конструкции, либо же определения технологии (методики) изготовления разнообразных изделий. Для конструкций важно сочетание высокой пластичности материала и большого показателя упругости. Эта комбинация свойств предотвращает внезапное разрушение материала. В целом пластичность в физике материалов противопоставляется как упругости, так и хрупкости — пластичный материал сохраняет форму, которую придают ему внешние воздействия.
Пластичность — важное механическое свойство
Изучение пластичности важно при прогнозировании долговечности и прочности какой-либо конструкции, так как пластичность зачастую предшествует разрушению и важно рассмотреть деформационные процессы, возникающие в материале. Измерение пластичности, являющейся важным свойством металлов, очень важно при обработке под давлением — ковке и прокатке. Это свойство металлов непосредственно зависит от тех условий, в которых происходит деформирование — температуры, давления и т.д. Пластичность металлов влияет на такие характеристики как удлинение (абсолютное и относительное) и сужение материала. При удлинении происходит увеличение длины образца под воздействием происходящего растяжения, а при сужении, соответственно, от растяжения образца происходит уменьшение площади поперечного сечения.
Хрупкость
Хрупкость относится к механическим свойствам материалов противоположным пластичности. Те процессы, которые повышают пластичность, соответственно, снижают хрупкость, и наоборот. Материалы, отличающиеся хрупкостью при статическом испытании разрушаются без пластической деформации.
Это характерно, например, для стекла. Если при статическом испытании материал характеризуется пластичностью, но при динамическом испытании разрушается, то речь идет о так называемой ударной хрупкости. Причиной ударной хрупкости могут быть пределы текучести (то есть зависимость скорости деформации и сопротивления) и пределы прочности (изменение сопротивления разрушению). Хрупкое разрушение материала происходит если сопротивление деформации равно или больше сопротивления отрыву. Соответственно, пластичность материала уменьшается, если рост сопротивления деформации происходит быстрее роста сопротивления разрушению.
Фактором, от которого непосредственно зависит хрупкое состояние материала является однородность напряженного состояния. Материал переходит от пластичности к хрупкости при неоднородном напряженном состоянии. Расчет сопротивления хрупкому разрушению является важным обоснованием прочности конструкции.
Твёрдость
Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.
Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.
При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.
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.
Статья, которая поможет вам понять механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость .
В строительной инженерии, когда мы выбираем правильный материал для проекта или продукта, очень важно выбрать именно этот материал, а не этот материал, основываясь на механических свойствах материала в качестве основы, эта статья поможет вам понять основные механические свойства материалов: прочность, твердость, вязкость, хрупкость…
★ Базовый Cоднажды
Изучение знаний начинается с концепций, которые представляют собой наименьшие единицы знания. Понимание чего-либо, предмета, требует понимания многих основных понятий. Следовательно, чтобы узнать о механических свойствах материалов, нам необходимо сначала понять соответствующую основную концепцию и то, что она выражает. С этой отправной точкой дальнейшее будет намного проще.
| Нет. | Свойства | Определение |
| 1 | Силы | Способность материала противостоять повреждениям под действием внешней силы. |
| 2 | Твердость | Способность материала противостоять локальной пластической деформации. Способность материала противостоять царапинам, порезам, истиранию, вдавливанию или проникновению. |
| 3 | неподвижность | Жесткость относится к способности материала или компонента противостоять деформации под действием напряжения, что отражает сложность упругой деформации, а также силу, необходимую для смещения единицы. |
| 4 | Трансформируемость | Гибкость, также известная как коэффициент гибкости, обозначается как λ, что относится к размеру деформации вдоль вертикальной оси компонента при осевом напряжении. Это величина, обратная жесткости. |
| 5 | Усталость | Усталостное повреждение относится к явлению разрушения материала под действием напряжения, которое намного ниже предела прочности или даже предела текучести материала. |
| 6 | Прочность | Вязкость, указывающая на способность материала поглощать энергию во время пластической деформации и разрушения. |
| 7 | Хрупкость | Хрупкость относится к свойству, при котором материал разрушается под действием внешней силы (например, при растяжении и т. Д.) С небольшой деформацией. |
| 8 | эластичность | Под эластичностью понимается свойство, при котором объект может восстанавливать свой первоначальный размер и форму после деформации, что выражается модулем упругости E. |
| 9 | пластичность | Пластичность - это способность объекта деформироваться. Когда внешняя сила мала, объект подвергается упругой деформации, когда внешняя сила превышает определенное значение, объект производит безвозвратную деформацию, которая называется пластической деформацией. |
| 10 | тягучесть | Пластичность относится к способности материала или компонента продолжать нести после достижения состояния повреждения, пока не достигнет своей предельной грузоподъемности. Это способность сохранять деформацию при определенной грузоподъемности. |
★ Основные характеристики
Чтобы лучше понять эти механические свойства, я выбрал 10 обычных сцен из повседневной работы или жизни в качестве справочных, чтобы дополнительно описать их основные характеристики, передать их своим друзьям, чтобы они учились друг у друга.
Прочность: материал должен выдерживать силы, приложенные в сценарии применения, без изгиба, разрушения, разрушения или деформации.
Твердость: более твердые материалы, как правило, более устойчивы к царапинам, долговечны и устойчивы к разрывам и вмятинам.
Жесткость: материал с хорошей жесткостью менее подвержен деформации.
Гибкость: большая степень гибкости приводит к большей деформации и ухудшению устойчивости компонента.
Усталость: материал с высокой утомляемостью имеет хорошее качество и служит дольше.
Прочность: сопротивление материала растяжению и ударам, чем выше ударная вязкость, тем меньше вероятность хрупкого разрушения.
Хрупкость: в отличие от прочности, чем выше хрупкость, материал будет поврежден при очень небольшой деформации.
Эластичность: способность материала поглощать силу, изгибаться в разных направлениях и возвращаться в исходное состояние.
Пластичность: по сравнению с эластичностью, чем лучше пластичность, деформация материала сохранит форму после деформации.
Пластичность: способность подвергаться напряжению и деформации в направлении длины. Для сейсмических конструкций следует использовать материалы с хорошей пластичностью.
★ Связи и различия
После понимания основных концепций и характеристик еще более важно понять связи и различия между ними, чтобы получить глубокое понимание свойств материалов или компонентов и лучше применять их в практической производственной жизни.
Во-первых, особенности разных материалов разные. В целом, в материаловедении твердость керамики высока, прочность металла высока, пластичность полимера хорошая и так далее, потому что они имеют различную структуру материала (от микроскопической до мезоскопической) и разные химические связи, и в этой статье есть о чем поговорить. что. Вы можете видеть, что сказано в Основы материаловедения, о котором очень подробно написано.
1 Взаимосвязь между прочностью и пластичностью
Прочность относится к максимальной силе, которую может выдержать материал. Пластичность - это процент материала, который можно максимально деформировать. Например, если стальной стержень может выдерживать максимальную силу 100 МПа, то есть его прочность составляет 100 МПа, а если под действием силы 100 МПа он деформируется на 20% и ломается, то его пластичность составляет 20%.
В промышленности типичная ситуация, когда требуется высокая прочность и высокая пластичность, возникает в конструктивных элементах автомобиля. С одной стороны, мы хотим, чтобы он мог выдерживать большее количество сил, а с другой стороны, мы хотим, чтобы структурные компоненты могли в значительной степени деформироваться в случае столкновения, чтобы они могли поглощать энергию и защитить пассажиров. Например, мы хотим, чтобы структурный компонент мог выдерживать давление 2,000 МПа и в то же время деформироваться до 60% без разрушения. (Поглощенная энергия = сила, действующая на элемент конструкции x степень деформации элемента конструкции). Фактически, это прочность. Вязкость - это количество энергии, поглощаемой материалом во время деформации, и обычно она представлена интегралом под кривой на графике. Тест на растяжку диаграмма, т.е. площадь, как показано ниже.
Вообще говоря, прочность и пластичность материала нельзя встретить одновременно, они как две стороны одной медали: увеличение прочности обычно ведет к снижению пластичности. Исследования показали, что пластическая деформация металлических материалов обычно достигается за счет дислокационного скольжения. Во время наклепа металл пластически деформируется, зерна проскальзывают, а дислокации запутываются, в результате чего зерна растягиваются, ломаются и фибриллируются, предотвращая дальнейшую деформацию и последующее разрушение и разрушение.
2 Эластичность и пластичность относительны
Упругость проста, после снятия внешних сил деформация полностью восстанавливается; пластичность означает, что материал имеет пластическую деформацию, после снятия внешних сил деформация не может быть полностью восстановлена, есть остаточная пластическая деформация. Например, показатель удлинения используется для оценки пластичности стали. После снятия стального образца упругая деформация восстанавливается, а остаточная пластическая деформация восстанавливается, поэтому удлинение можно использовать для оценки способности стали к пластической деформации.
3 Жесткость, пластичность и пластичность
Во-первых, все три понятия измеряют степень деформации. Жесткость - это величина нагрузки / смещения в упругой фазе, которая является EI, мерой мягкости и жесткости. Пластичность и пластичность - это деформации в неупругой фазе, коэффициент пластичности можно рассчитать количественно, а пластичность - это качественное понятие.
4 Прочность = прочность + пластичность
Под ударной вязкостью понимается энергия, поглощаемая материалом от силы до разрушения. Чем больше энергии потребляется для разрушения материала, тем выше ударная вязкость. Потребление энергии означает, что работа должна выполняться с материалом вне системы, что затем указывает на наличие силы и смещения (деформации). Способность выдерживать напряжение характеризуется прочностью, а способность к деформации - пластичностью. Таким образом, пластичный материал обладает хорошей пластичностью.
Читайте также: