Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела
Обновлено: 05.07.2024
В твердых телах, к которым относятся и металлы, атомы по-разному располагаются в пространстве:
– беспорядочно, т. е. для каждого атома нет строго определенного места относительно других атомов. Такое строение типично для аморфных веществ, которые формально принадлежат к твердым телам, поскольку могут сохранять объем и форму, но у них отсутствует определенная температура плавления и кристаллизации;
– упорядоченно, когда атомы находятся на конкретных местах. Такой принцип размещения атомов встречается у твердых веществ. Если центры атомов соединить гипотетическими прямыми линиями, можно образовать пространственную решетку, которая называется кристаллической. Несмотря на то что отдельные атомы в результате диффузии могут менять свое месторасположение, покидая узлы решетки, в целом упорядоченность кристаллического строения остается неизменной.
Для разных металлов характерен определенный тип кристаллической решетки, образуемой малоподвижными ионами с положительным зарядом, между которыми перемещаются отрицательно заряженные частицы – свободные электроны. Последние образуют явление, называемое электронным газом. Именно он обеспечивает пластичность, тепло– и электропроводность металлов.
Твердые кристаллические тела, в частности металлы, имеют структуру, состоящую из кристаллических зерен, которые называются кристаллитами. В расположенных рядом зернах кристаллические решетки находятся под некоторым углом друг к другу.
Для соединения двух металлов важно, чтобы между их кристаллическим строением и размером атомов наблюдалось определенное соответствие. Это означает, что для сварки наилучшими являются условия, при которых металлы будут иметь одинаковые или однотипные кристаллические решетки с примерно схожими параметрами и близкими по размеру атомами.
Металл, находясь в твердом состоянии, обладает энергетически стабильным кристаллическим строением, при этом атомы или их группировки обладают минимальным количеством свободной энергии. Перемена температурных условий (нагрев или охлаждение) влечет за собой энергетические изменения в состоянии атомов, что, в свою очередь, приводит к перестройке их расположения относительно друг друга и изменению свободной энергии. Такое положение возможно до определенных температур, при которых металл сохраняет свою кристаллическую структуру. Дальнейший подъем температуры доводит энергетическое состояние атомов до состояния, характерного для жидкости. Продолжающееся ее повышение заканчивается тем, что кристаллическая решетка начинает разрушаться, хотя при этом могут оставаться отдельные комбинации атомов относительно тех атомов, которые расположены в соответствии с прежними закономерностями. Но они не отличаются стабильностью, поскольку одновременно идет процесс разрушения одних группировок и образование других. Именно они при охлаждении металла превращаются в центры кристаллизации. От их количества зависит, насколько крупными будут кристаллы, возникающие при изменении состояния металла, т. е. при переходе его из жидкого состояния в твердое (этот процесс называется перекристаллизацией).
Нагревание или охлаждение металла, находящегося в твердом состоянии, может приводить к смене одного вида кристаллической решетки другим. Это явление называется аллотропическим превращением и осуществляется по законам кристаллизации. Такие металлы, как железо, олово и др., при нагревании до определенной температуры, которая называется критической точкой, после охлаждения и затвердевания способны образовывать кристаллические решетки разной формы. Например, критической температурой для чистого железа (так называемое ?-железо) является 910 °C (температура плавления – 1500 °C), по достижении которой атомы в пределах кристаллической решетки перестраиваются. В результате образуется другая модификация – ?-железо, которое по своим свойствам отличается от первого, в частности оно лишено магнитных свойств и может растворять углерод.
Таким образом, условия плавления металла имеют большое значение для процесса кристаллизации и определяют свойства металла сварного шва.
Металлы обладают рядом свойств, которые отличают их от других материалов и веществ. На основании этого они подразделяются на четыре основные группы:
– физические (цвет, плотность, плавкость, а также тепло– и электропроводность, теплоемкость, способность намагничиваться);
– химические (жаропрочность, окалиностойкость, жароупорность, коррозионная устойчивость);
– механические (упругость, прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость);
– технологические (свариваемость, ковкость, текучесть, обрабатываемость резанием, прокаливаемость).
Для сварочной практики наиболее важными являются механические и технологические характеристики металлов, поэтому на них следует остановиться более подробно.
Прочность представляет собой способность металла сопротивляться внешнему воздействию и при этом не разрушаться.
Для определения прочности металла имеются специальные средства, в частности разрывные машины, обладающие различной мощностью. При испытании того или иного образца на разрыв наступает момент, когда металл продолжает удлиняться, хотя нагрузка на него не возрастает. Отношение такой нагрузки к поперечному сечению образца – предел текучести. При дальнейшем увеличении нагрузки образец разрывается. Напряжение, при котором это происходит, называется пределом прочности, или временным сопротивлением материала.
Свойство металла под воздействием нагрузки изменять свою форму, а после прекращения воздействия восстанавливать ее называется упругостью. А если он изменяет форму под влиянием на него той или иной нагрузки, но при этом не разрушается, а после ее устранения сохраняет приданную форму, то такая его способность называется пластичностью. Этот параметр важен для металла сварного шва, который проходит испытание на загиб. По величине угла загиба судят о пластичности шва: чем он больше, тем выше пластичность.
Способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела называется твердостью. Она проверяется в процессе различных испытаний, каждое из которых имеет определенное название, в частности:
– твердость по Бринеллю;
– твердость по Виккерсу;
– твердость по Роквеллу.
В ходе проверки металл испытывается вдавливанием шарика (диаметром 2,5, 5 или 10 мм), изготовленного из твердой стали, вершины алмазной пирамиды и вершины алмазного конуса (угол – 120°) соответственно.
По тому, насколько металл способен сопротивляться ударным нагрузкам, судят о его ударной вязкости. В сварочном производстве это основной параметр наплавленного металла и сварного соединения. Чем выше ударная вязкость металла сварного шва, тем он работоспособнее, тем большую нагрузку он состоянии выдержать.
Помимо названных параметров, металл тестируют на усталость и истирание. Первый показатель важен для установления выносливости материала в условиях многократно сменяющихся нагрузок, а второй – для металлов тех деталей и изделий (например, подшипников и др.), которые в процессе эксплуатации подвергаются трению.
Технологические свойства металла важны в тех случаях, когда стоит задача – решить, является ли данный металл пригодным для изготовления из него той или иной детали, конструкции и пр. Для этого берут технологические пробы, некоторые из которых имеют определенные стандарты, например пробы на осадку в холодном состоянии, на загиб и т. д.
По своему составу металлы бывают черными (в эту группу входят железо и сплавы, полученные на его основе, т. е. чугун и сталь) и цветными (остальные металлы и сплавы).
В промышленности находят применение не только металлы в чистом виде (они называются простыми, если не имеют в своем составе легирующих компонентов), но и сложные вещества, полученные в процессе сплавления. Они называются сплавами и классифицируются на основе разных признаков:
– по составу (содержанию легирующих веществ). Сплавы бывают низко-, средне– и высоколегированными, если содержат менее 2 %, от 2,5 до 10 % или более 10 % легирующих веществ соответственно;
– по количеству компонентов (химических элементов в составе сплава). На основании этого параметра различаются двух-, трех– и более компонентные сплавы;
– по степени чистоты (это относится и к металлам). Различаются сплавы от пониженной, средней, повышенной и высокой чистоты до особо чистых.
Качественное выполнение сварочных работ невозможно без учета свойств металлов и сплавов.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Химико-термическая обработка черных металлов
Химико-термическая обработка черных металлов Химико-термической обработкой называется процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностных слоев деталей.Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их
Свариваемость металлов
Свариваемость металлов Свариваемость – это свойство или сочетание свойств металлов образовывать при установленной технологии сварки соединение, которое отвечает всем требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия, т. е. она представляет собой
Чудесные свойства солей металлов
Чудесные свойства солей металлов Нередко изделия расписывают растворами солей тяжелых металлов по сырой, необожженной глине. Поскольку растворы солей бесцветны, к ним добавляют анилиновый краситель, чернила и т. п. Во время обжига краски выгорают, и проявляется цвет
Строение древесины
Строение древесины Древесина состоит из растительных клеток и включает в себя сосуды, по которым движется вода и растворенные в ней минеральные соли, волокна, обеспечивающие механическую прочность древесины, а также ткани, в которых запасаются органические вещества (в
СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА
СТРОЕНИЕ ДЕРЕВА Основной материал столяра и плотника – древесина, которая, в зависимости от того, от какой породы дерева она была получена, может иметь различные характеристики. Дерево состоит из кроны, ствола (видимые части) и корней (невидимаячасть), за которыми
Термическая обработка металлов
Термическая обработка металлов Отжиг, нормализация, закалка и отпуск Термическая обработка означает воздействие на металлы, которое изменяет их строение и свойства.При механической обработке в металлах и сплавах возникают внутренние напряжения. Например, при
Технология металлов
Статические испытания на растяжение металлов: прочность и пластичность металла
Испытание на растяжение производится путем растяжения специально приготовленного для этой цели образца на испытательной машине.
Механические свойства материала, определяемые при этих испытаниях, объединяют в две группы:
прочностные свойства (предел упругости, предел пропорциональности, предел текучести, предел прочности)
пластические свойства (относительное удлинение, относительное сужение).
При этом под прочностью понимают способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних нагрузок.
Диаграмма деформации. Прочность металла: предел прочности и текучести металла
Диаграмма деформации показывает зависимость изменения длины образца при постепенном возрастании величины прилагаемого усилия (рис. 21).
В первый момент испытания длина образца увеличивается пропорционально нагрузке — чем больше растягивающее усилие, тем больше увеличение длины.
При этом образец деформируется упруго, т. е. при устранении нагрузки образец примет свою первоначальную длину. Такая деформация носит название упругой деформации.
Пластичность металла
Другой, не менее важной характеристикой является пластичность металла.
При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами:
- относительным удлинением,
- относительным сужением.
Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. 22 (выше).
Методы определения твердости металла
Твердость — это способность металла сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела.
Твердость металла является весьма важной характеристикой, так как тесно связана с такими основными характеристиками металлов и сплавов, как прочность, износостойкость и др.
В настоящее время имеется много способов определения твердости металлов. Рассмотрим некоторые из них, наиболее широко применяемые в промышленности.
Определение хрупкости металла: испытание на удар
Весьма распространенным видом механических испытаний является испытание на удар.
С помощью таких испытаний можно выявитьсклонность к хрупкости, появляющейся в некоторых материалах при низких температурах («хладноломкость»), а также к тепловой хрупкости, возникающей в процессе работы при повышенных температурах, проконтролировать качество обработки металла и т.д.
Испытание чаще всего производится на маятниковых копрах; внешний вид одного из них показан на рис. 28.
Технологические пробы металла
Технологическими пробами называют испытания материала с целью выявления пригодности его к тому или иному виду обработки.
Технологические пробы весьма разнообразны. Они служат лишь для качественной или сравнительной оценки металла.
Обычно проведение технологической пробы оговаривается техническими условиями. Как правило, размеры образцов и условия испытания должны быть строго одинаковыми, лишь в этом случае результаты могут сравниваться.
В качестве показателей пригодности металла для каждого вида пробы выбираются свои характеристики. Такими характеристиками могут служить угол загиба, степень обжатия, число перегибов проволоки до возникновения первых признаков разрушения, степень высадки и т.д.
Железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун
Наиболее широкое применение в современном машиностроении имеют железоуглеродистые сплавы — сталь и чугун.
Сталь — это сплав железа с углеродом; содержание углерода в стали не превышает 2%.
К сталям относятся:
Чугун — сплавы железа с углеродом, в которых содержание углерода превышает 2%. Среднее содержание углерода в чугуне 2,5—3,5%.
Кроме железа и углерода, в сталях и чугунах присутствуют примеси:
Железо
В чистом виде железо в природе почти не встречается.
Железо находится в земной коре в виде химических соединений, чаще всего с кислородом, образуя естественные минеральные соединения — железные руды, в которых содержание железа доходит до 60—70 %.
Общее содержание железа в земной коре составляет около 4,2%.
Сравнительное содержание железа и других металлов
Сравнительное содержание железа и других металлов приведено на рисунке:
Читать продолжение «Железо»
Производство чугуна
Производство чугуна из железных руд осуществляется в специальных доменных печах и носит название «доменный процесс».
В России первые доменные печи были построены в 1632 г. вблизи Тулы (Городищенские заводы).
В конце XVII в., по указанию Петра I, железоделательное производство переносится на Урал, где в 1699 г. на реке Невье был построен первый крупный завод по выплавке чугуна.
Железные руды — виды, месторождения. Доменный процесс
Доменный процесс заключается в выплавке чугуна из железных руд в доменных печах.
Для осуществления доменного процесса нужно иметь в необходимых количествах:
подготовленные к плавке железные руды,
Руда — это горная порода, содержащая металл; обычно в руде содержатся металлы в таком количестве, которое позволяет экономически выгодно извлекать металл из руды.
Назовите 4 главных свойства металлов?
Хорошая электропроводность
Возможность лёгкой механической обработки (однако некоторые металлы, например германий и висмут, непластичны)
Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)
Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)
Большая теплопроводность
Свойства металлов подразделяются на физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства металлов.
К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления) , теплопроводность, тепловое расширение.
Плотность — количество вещества, содержащееся в единице объема.
Плавление — способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.
Теплопроводность — способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.
Электропроводность — способность металла проводить электрический ток.
Тепловое расширение — способность металла увеличивать свой объем при нагревании.
Химические свойства металлов.
Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Каждый металл обладает определенной способностью сопротивляться этим воздействиям. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.
Окисляемость — способность металла вступать в реакцию в кислородом под воздействием окислителей.
Коррозионная стойкость —способность металла сопротивляться коррозии.
Механические свойства металлов.
К механическим свойствам металлов относят твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность.
Твердость — способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Вязкость — способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.
Упругость — способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.
Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.
1. Плотная кристаллическая структура.
2. Характерный металлический блеск.
3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
5. Низкие значения потенциала ионизации, т. е. способность легко
отдавать электроны.
6. Ковкость и тягучесть.
7. Способность к образованию сплавов.
К физическим свойствам металлов относят их вес, теплоемкость, способность проводить электрический ток и другие подобные показатели. Всем понятно, что применение, например, чугуна невозможно в авиастроении, а любой металл, отлично проводящий электричество не применим в производстве изоляторов.
Механические свойства определяются способностью противостоять различным нагрузкам, к ним относятся твердость, пластичность, упругость и многие другие качества.
Эксплуатационные качества характеризуют возможность применения металла для эксплуатации в различных условиях — стойкость к истиранию, воздействию высоких и низких температур, и так далее.
Химические свойства металлов и сплавов определены способностью элементов, входящих в их состав, вступать в реакции с другими веществами. Так, например, всем известно, что золото не поддается воздействия кислот, чего не скажешь о других видах металла.
Технологические свойства материала определяют перечень производственных процессов, которые применимы к металлу в последующей обработке.
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
-К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.
- К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
- К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
- К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.
ответы по технологии свойства металлов
Физические свойства металлов.
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Большинство металлов пластичны.
Все металлы хорошо проводят электрический ток.
Обладают теплопроводностью.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.
Большинство металлов пластичны.
Все металлы хорошо проводят электрический ток.
Обладают теплопроводностью.
2.2. Свойства металлов. Физические свойства металлов.
Свойства металлов подразделяются на физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства металлов.
К физическим свойствам относятся плотность, плавление (температура плавления), теплопроводность, тепловое расширение.
Плотность — количество вещества, содержащееся в единице объема.
Плавление — способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с поглощением теплоты.
Теплопроводность — способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при нагревании.
Электропроводность — способность металла проводить электрический ток.
Тепловое расширение — способность металла увеличивать свой объем при нагревании.
Химические свойства металлов.
Химические свойства металлов характеризуют отношение их к химическим воздействиям различных активных сред. Каждый металл обладает определенной способностью сопротивляться этим воздействиям. Основными химическими свойствами металлов являются окисляемость и коррозионная стойкость.
Окисляемость — способность металла вступать в реакцию в кислородом под воздействием окислителей.
Коррозионная стойкость —способность металла сопротивляться коррозии.
Механические свойства металлов.
К механическим свойствам металлов относят твердость, прочность, вязкость, упругость и пластичность.
Твердость — способность металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.
Вязкость — способность металла сопротивляться быстро возрастающим ударным нагрузкам.
Упругость — способность металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после снятия действующей нагрузки.
Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять полученную форму после снятия нагрузки.
Технологические свойства металлов.
Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным видам обработки. Основными технологическими свойствами металлов являются ковкость, свариваемость, жидкотекучесть, прокаливаемость, обработка резанием.
Ковкость — способность металла изменять свою форму в нагретом или холодном состоянии под действием внешних сил.
Свариваемость — способность двух частей металла при нагревании прочно соединяться друг с другом.
Жидкотекучесть — способность расплавленного металла легко растекаться и хорошо заполнять форму.
Прокаливаемость — способность металла закаливаться на ту или иную глубину.
Обрабатываемость резанием — способность металла подвергаться механической обработке режущим инструментом с определенной скоростью и усилием резания.
Читайте также: