Свойства металлов и методы их определения
Обновлено: 04.10.2024
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.
Прочность – способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.
Вязкость – 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.
Хрупкость – способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.
Упругость – 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 ( l 0 = 5 d 0 или 10 d 0 , где l 0 – длина образца, а d 0 – 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.
Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов и сплавов относятся: температура плавления, плотность, температурный коэффициент, электросопротивление и теплопроводность. Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.
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.
Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому сплаву.
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Предметом металловедения является изучение связей между составом, обработкой, строением и свойствами металлов и сплавов. Центральным звеном этих связей является внутреннее строение, структура металлов.
Внутреннее строение определяется в первую очередь:
Составом металла или сплава (первая главная связь). При данном составе строение изменяется в зависимости от отработки (вторая главная связь).
В настоящее время применяются два различных вида обработки, изменяющие строение: термическая обработка и пластическая деформация. В свою очередь внутреннее строение определяет свойства металлов и сплавов (третья главная связь). Изучение этих трех главных связей составляет содержание науки металловедения.
Металловедение является научной основой изыскания сплавов, обладающих сочетанием определенных полезных технических свойств. Так как свойства зависят не только от состава, но и от обработки, то металловедение является научной основой технологических процессов, связанных с термической обработкой и пластическим деформированием. Одна и таже сталь в результате термической обработки может быть пластичной и малопрочной или высокопрочной, но хрупкой. После холодной пластической деформации прочность металла или сплава может повыситься в 2-3 раза, а последующий нагрев возвратит металл в пластичное состояние. Последние годы предложены технологические процессы комбинированной (термомеханической) обработки, которые сочетают термическую обработку и пластическую деформацию.
ГЛАВА I
СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
МЕТАЛЛОГРАФИЯ И ЕЕ ЗАДАЧИ
Сегодня вряд ли можно назвать хотя бы одну отрасль промышленности, в которой не применяются металлы. В энергомашиностроении, тяжелом и транспортном машиностроении, станкостроении, в автомобильной промышленности и многих других отраслях промышленности основное оборудование изготовляется из металла. Поэтому разработка и освоение технологии производства современных металлов и сплавов, необходимых нашей промышленности, является одной из важнейших задач науки и практики.
Металловедение - наука, изучающая связь между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения при воздействии различных факторов (механических, химических, тепловых, электромагнитных, радиоактивных и др.).
Металлография является одним из разделов науки о металлах - металловедения. Металлография изучает влияние химического состава и различных видов обработки на структуру металлов.
Большой вклад в развитие науки о металлах внесли отечественные ученые. Первые металлографические исследования железа и его сплавов провел в России П. П. Аносов (1799-1851), который применил микроскоп для изучения структуры стали и ее изменения после конки и термообработки и установил существование связи между строением и свойствами стали.
Основы научного металловедения были заложены русским металлургом Д. К. Черновым (1839-1921), который открыл зависимость свойств стали от температуры нагрева и охлаждения, выявил взаимосвязь структур и свойств стали. Работы Д. К. Чернова являются основой современного металловедения, и теории термической обработки стали. В начале XX в. Н.С. Курнаков вместе с учениками провел исследования многих сплавов, построил диаграммы состояния и установил зависимости между составом, структурой и свойствами различных сплавов, применив методы физико-химического анализа.
В создании теории и практики термической обработки металлов многое сделано С. С. Штейнбергом и его учениками. Для развития металловедения имеют большое значение работы отечественных ученых Г. В. Курдюмова, Д. В. Садовского, А. А. Бочвара, С. Т. Конобеевского. Многое для развития технологии термической и химико-термической обработки сплавов сделали Н. А. Минкевич, Н. Т. Гудцов, А. А. Бочвар и др.
МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Строение. По своему строению все твердые вещества делятся на аморфные и кристаллические. Аморфными называют твердые вещества, атомы которых расположены в пространстве беспорядочно (стекло, многие пластмассы, смолы и др.). Кристаллическими называют твердые вещества, атомы (ионы) которых расположены в пространстве в строгом, периодически повторяющемся порядки и образуют кристаллическую решетку (металлы, соли и др.).
Кристаллическая решетка состоит из большого количества одинаковых элементарных ячеек, образованных атомами металла. Однако кристаллическая решетка реальных металлов имеет ряд нарушений. Это, например (рис. 1),
Рис. 1. Схема кристаллической решетки:
1- вакансия, 2- дислокация
вакансии 1 - незанятые атомами узлы кристаллической решетки, дислокации 2 - нарушения в расположении целого ряда атомов.
Характеристиками кристаллической решетки являются: период решетки - расстояние а и с (рис. 2) между центрами двух соседних атомов по ребру элементарной ячейки. Периоды решетки измеряют в ангстремах (1А=10 -8 см) и килоиксах ( 1КХ= 1,00202 ×10-8 см); координационное число К - количество атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от любого выбранного атома в решетке; атомный радиус - половина расстояния между центрами ближайших атомов и кристаллической решетке без искажений; базис решетки - количество атомов в одной элементарной ячейке решетки; коэффициент компактности η решетки - отношение объема, занимаемого атомами, ко всему объему решетки.
Существует большое количество кристаллических решеток различной сложности. Большинство металлов имеет простейшие типы кристаллических решеток: кубическую объемно-центрированную (ОЦК) - рис. 2, а, кубическую гранецентрированную (ГЦК) - рис. 2,б, гексагональную плотноупакованную (ГПУ) рис. 2, в.
Рис.2 . Типы кристаллических решеток металлов.
Кубическую объемно-центрированную решетку имеют Fе (при температуре ниже 910°С), Сг, Мо, Nb, Ва, V, Nа и др. ОЦК решетка имеет период а, координационное число К=8, базис решетки равен 2, коэффициент компактности η = 68%.
Кубическую гранецентрированную решетку имеют Fе (при температуре выше 910°С), А1, Ni, Сu, Аu, Рb, Аg, Рtи др. ГЦК решетка имеет период а, координационное число К=12, базис решетки равен 4, коэффициент компактности η = 74%.
Гексагональную плотноупакованную решетку имеют Мg, Zn, Ве, Os, Rе и другие металлы. ГПУ решетка имеет периоды а и с (с/а = 1,633), координационное число К=12, базис решетки равен 6, коэффициент компактности η=74%.
Упрощенно можно считать, что атомы металлов состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных частиц - электронов. Электроны движутся вокруг ядра на различных расстояниях, образуя электронную оболочку. Наружные (валентные) электроны атомов металла, находящегося в жидком и твердом состояниях, слабо притягиваются ядром и могут свободно «переходить» от одного атома к другому, как бы образуя «электронный газ».
Атомно-кристаллическим строением объясняются физико-химические и механические свойства металлов (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и др.).
Все металлы представляют собой поликристаллические вещества, т. е. состоят из множества мелких (10 -1 – 10 -3 см) кристалликов неправильной формы. Эти кристаллики называются кристаллитами или зернами. Зерна металла имеют различную ориентацию в пространстве. Зерна (рис. 3, а) состоят из совсем маленьких мало разориентированных участков – блоков- 10-5 – 10 -3 см. (рис. 3,б).
Рис.3. Схема ориентации зерен (а) и блоков (б) в металле.
Чистые металлы (содержат 9,99-99,999% основного металла) применяют в промышленности в ограниченном количестве и только для специальных целей. Наиболее широкое применение находят различные сплавы.
Сплавы получают различными способами. Чаще всего сплавы получают сплавлением двух или нескольких металлов или металлов с неметаллами. Химические элементы, образующие сплав, называются компонентами. Сплав состоит из одной или нескольких фаз. Фаза - это часть сплава, имеющая одинаковые состав и агрегатное состояние и отделенная от остальных частей поверхностью раздела. Чистый твердый металл является однофазной системой, а затвердевающий металл двухфазной системой: кристаллы - твердая фаза, а расплав - жидкая фаза.
Кристаллизация. Процесс перехода чистого металла из жидкого состояния в твердое называется кристаллизацией. Процесс кристаллизации схематически можно представить следующим образом (рис. 4). Нагретый жидкий металл постепенно охлаждается от температуры Т до температуры плавления Тпл При этой температуре Тпл начинается процесс кристаллизации металла, который продолжается определенное время от t1 до t2. В этот период температура металла не понижается, так как процесс идет с выделением теплоты. Процесс кристаллизации начинается с образования мельчайших твердых частиц - зародышей. Зародыши являются центрами кристаллизации. Из них растут твердые кристаллы. До определенного момента количество центров кристаллизации увеличивается, и сами кристаллы растут до соприкосновения друг с другом, при этом количество жидкого металла все время уменьшается. Когда весь жидкий металл превращается в твердый - процесс кристаллизации закончен, дальше происходит охлаждение уже твердого металла.
Рис.4. Схема кристаллизации металлов.
Строение сплава зависит от характера взаимодействия компонентов, которые его образуют. Если компоненты образуют раствор не только в жидком состоянии, но и в твердом - это твердый раствор. Он однофазный (рис. 5, а), имеет одну кристаллическую решетку. Если атомы одного компонента частично замещают атомы другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, б), то это твердый раствор замещения. Если же атомы одного компонента располагаются между атомами другого компонента в кристаллической решетке (рис. 5, в), то это твердый раствор внедрен и я.
Рис.6. Кристаллическая решетка металла:
а- чистый металл, б- твердый раствор замещения, в- твердый раствор внедрения
Компоненты сплава в результате химического взаимодействия могут образовать химическое соединение.
Компоненты могут не образовывать твердого раствора и не вступать в химическое соединение. В этом случае сплав представляет собой механическую смесь компонентов.
Черные и цветные металлы. Металлы условно делятся на две большие группы: черные и цветные.
К черным металлам относятся Fе, Со, N1, Мn, тугоплавкие металлы Nb, Тi, W и др. (их температура плавления выше 1539°С), урановые металлы (актиноиды) Тh, U, Pu и другие, редкоземельные металлы (лантаноиды) Се, La и др. К цветным металлам относятся легкие металлы (Ве, Мg, А1), благородные металлы (Аg, Аu, Рt), Сu, легкоплавкие металлы (Zn, Сd, Sn. Рb) и др.
МАКРО- И МИКРОСТРУКТУРА
Одной из характеристик металла является его структура. Под структурой металла понимают взаимное расположение различных фаз, их форму и размер.
Макроструктура - это строение металла или сплава, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении (30 - 40раз). С помощью анализа макроструктуры в металле обнаруживают крупные неметаллические включения, пористость, усадочные раковины, трещины, выявляют направление волокон после обработки металла давлением.
Микроструктура - это строение металла или сплава, видимое при больших увеличениях с помощью микроскопа. С помощью анализа микроструктуры определяют величину и расположение зерен металла, размеры и количество мелких неметаллических включений и различных фаз в металле, контролируют состояние структуры поверхностного слоя изделия, выявляют микродефекты (мелкие трещины, раковины и т. д.).
Установлено, что структура металла является одним из основных факторов, определяющих свойства металлических изделий. С помощью макро- и микроанализа металла заготовок и изделий своевременно выявляют дефекты металла, которые могут понизить эксплуатационные свойства и надежность изделий в работе. Поэтому контроль структуры производят на всех этапах изготовления изделий: от выплавки металла до термической обработки готовых деталей.
Изучение структуры металла проводят на специально подготовленных плоских и гладких поверхностях - шлифах. Приготовление шлифа заключается в шлифовке и последующей полировке металла. Полировку металла проводят двумя способами: механическим (на абразивных материалах) и электролитическим (с помощью растворения в специальном реактиве под действием электрического тока).
Для выявления структуры металла существуют различные способы. Чаще всего применяют химическое травление. При этом способе на поверхность шлифа воздействуют специальным реактивом (в зависимости от цели исследования), который выявляет границы зерен, различные фазы, неметаллические включения, поверхностные , слои, поры, трещины и прочие детали строения металла.
Для практических целей обычно проводят исследование макроструктуры и микроструктуры.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Что изучает наука металловедение?
2. Кто провел первые металлографические исследования железа и его сплавов?
3. Кто создал основы научного металловедения?
4. Какие типы кристаллических решеток имеет большинство металлов?
5. Какие металлы имеют кубическую объемно-центрированную решетку?
6. Какие металлы имеют кубическую гранецентрированную решетку?
7. Какие металлы имеют компактную гексагональную решетку?
8. Как происходит кристаллизация металлов?
9. Какие металлы относятся к черным?
10. Какие металлы относятся к цветным?
11. Что такое макро- и микроструктура?
12. С какой целью проводят изучение макро- и микроструктуры металла?
ГЛАВА II
СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
Роль химии в жизни человека: Химия как компонент культуры наполняет содержанием ряд фундаментальных представлений о.
Поиск по сайту
Основные свойства металлов и способы их определения
Из вышеизложенного становится понятным, что такое металл. К ним относится железо и алюминий, медь и свинец, титан и вольфрам, и еще множество элементов. Какой из них лучше, что следует применять в тех или иных условиях эксплуатации? Каждый материал обладает только ему присущим качеством, независимо от того, оцениваем ли мы его или нет. С другой стороны, качество можно охарактеризовать множеством свойств, которые нам кажутся наиболее важными в той или иной ситуации. По внешнему виду, например, алюминий выглядит светло-серебристым, а медь - красной. Магний, алюминий и титан по первому ощущению кажутся легкими, свинец и вольфрам тяжелыми. При нагревании свинец из кристаллического (твердого) состояния превращается в жидкость уже при 324 ˚С, тогда как вольфрам остается твердым до температур в 10 раз более высоких (температура плавления вольфрама 3400 ˚С).
Поэтому то или иное отдельно взятое свойство еще не может охарактеризовать качество материала. Поэтому, для более или менее полной характеристики качества определяют несколько свойств, наиболее важных для конкретных условий их применения. Все основные свойства материалов условно можно подразделить на следующие группы: химические, физические и механические.
К химическим характеристикам материалов относят:
химический состав, в том числе наличие примесей, легирующих элементов; способность к химическому взаимодействию с кислотами и щелочами; коррозионная стойкость, определяемая в различных условиях химически активной воздействующей на материал среды, и некоторые другие свойства.
К физическим свойствам относят:
плотность (удельный вес) и способность материала изменять ее и размеры изделия при температурном воздействии (тепловое расширение); электропроводность и электросопротивление; комплекс магнитных характеристик, таких, например, как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость и др.; комплекс теплофизических свойств, таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоизлучения, степень черноты поверхности и др.
К механическим свойствам относят:
твердость, определяемая различными методами, в том числе по Бринеллю, Роквеллу, микротвердость вдавливанием, царапанием и др.; комплекс механических свойств, определяемых при растяжении (сжатии, кручении, изгибе) образцов, включающий (при растяжении) значения временного сопротивления разрыву (или предела прочности), предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести, характеристик относительного удлинения и относительного сужения; предел выносливости, как характеристика, определяемая при многократных знакопеременных нагрузках при растяжении-сжатии, кручении и изгибе; ударная вязкость, определяемая при динамическом нагружении изгибом; жаропрочность; износостойкость и др.
Химические свойства
Химический состав материалов определяет их строение, в том числе их фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни и бронзы и т.д.
При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов, но уже здесь можно назвать стали углеродистые и легированные, например, хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые и др. Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, в связи с чем количество примесей резко ограничивается. В связи с этим, например, различают стали обычного качества, стали качественные и стали повышенного качества. Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми с различной степенью чистоты.
Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями Государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов. В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.
Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые можно всегда определить их химический состав. Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что соответствует содержанию примесей не более (соответственно) 0,05%; 0,3%; 0,2%; 0,1%; 0,01%; 0,001%.
Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют содержанию углерода в сталях 0,1%, 0,15%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,45% и т.д. Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 - просто номер. Такие же примеры из области алюминиевых сплавов АЛ5; АЛ4; АЛ9. Здесь цифры - номер сплава по ГОСТ. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.
Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами - аналитической химии, а также методами физико-химического: спектрального, рентгеноспектраотного, спектрально-флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др. Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных. Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическими методами - так называемым методом "меченых атомов", с применением радиоактивных изотопов.
Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами - это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.
Коррозионная стойкость материала - его эксплуатационное свойство. Она характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды и др.
Высокая коррозионная стойкость обеспечивается определенным химическим составом сплава, его структурой, что, в свою очередь определяется способом и режимами термической обработки. Поэтому коррозионная стойкость является одним из важнейших химических свойств материалов, потому что ее повышение часто становится главной задачей при создании новых сплавов, материалов и покрытий.
Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.
Методы испытания механических свойств металлов
Механические свойства металлов (прочность, упругость, пластичность, вязкость), как и другие свойства, являются исходными данными при проектировании и создании различных машин, механизмов и сооружений.
Методы определения механических свойств металлов делятся на следующие группы:
· статические, когда нагрузка возрастает медленно и плавно (испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, твердость);
· динамические, когда нагрузка возрастает с большой скоростью (испытания на ударный изгиб);
· циклические, когда нагрузка многократно изменяется (испытание на усталость);
· технологические — для оценки поведения металла при обработке давлением (испытания на изгиб, перегиб, выдавливание).
Испытания на растяжение (ГОСТ 1497-84) проводятся на стандартных образцах круглого или прямоугольного сечения. При растяжении под действием плавно возрастающей нагрузки образец деформируется до момента разрыва. Во время испытания образца снимают диаграмму растяжения (рис. 1.36, а), фиксирующую зависимость между действующей на образец силой Р, и вызванной ею деформацией Δl (Δl — абсолютное удлинение).
Рис. 1.36. Диаграмма растяжения низкоуглеродистой стали (а) и зависимость между напряжением и относительным удлинением (б)
Вязкость (внутреннее трение) — способность металла поглощать энергию внешних сил при пластической деформации и разрушении (определяется величиной касательной силы, приложенной к единице площади слоя металла, подлежащего сдвигу).
Пластичность — способность твердых тел необратимо деформироваться под действием внешних сил.
При испытании на растяжение определяют:
· σв — границу прочности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рb — наибольшая нагрузка; F0 — начальная площадь сечения образца;
· σпц — границу пропорциональности, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Pпц — нагрузка, соответствующая границе пропорциональности;
· σпр — границу упругости, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рпр — нагрузка, соответствующая границе упругости (при σпр остаточная деформация соответствует 0,05-0,005 % начальной длины);
· σт — границу текучести, МН/м 2 (кг/мм 2 ):
где Рт — нагрузка, соответствующая границе текучести, Н;
· δ — относительное удлинение, %:
где l0 — длина образца до разрыва, м; l1 — длина образца после разрыва, м;
· ψ — относительное сужение, %:
где F0 — площадь сечения до разрыва, м 2 ; F — площадь сечения после разрыва, м 2 .
Испытания на твердость
Твердость — это сопротивление материала проникновению в него другого, более твердого тела. Из всех видов механического испытания определение твердости является самым распространенным.
Испытания по Бринеллю (ГОСТ 9012-83) проводятся путем вдавливания в металл стального шарика. В результате на поверхности металла образуется сферический отпечаток (рис. 1.37, а).
Твердость по Бринеллю определяется по формуле:
где P — нагрузка на металл, Н; D — диаметр шарика, м; d — диаметр отпечатка, м.
Чем тверже металл, тем меньше площадь отпечатка.
Диаметр шарика и нагрузку устанавливают в зависимости от исследуемого металла, его твердости и толщины. При испытании стали и чугуна выбирают D = 10 мм и P = 30 кН (3000 кгс), при испытании меди и ее сплавов D = 10 мм и P = 10 кН (1000 кгс), а при испытании очень мягких металлов (алюминия, баббитов и др.) D = 10 мм и P = 2,5 кН (250 кгс). При испытании образцов толщиной менее 6 мм выбирают шарики с меньшим диаметром — 5 и 2,5 мм. На практике пользуются таблицей перевода площади отпечатка в число твердости.
Метод Бринелля не рекомендуется применять для металлов твердостью более НВ 450 (4500 МПа), поскольку шарик может деформироваться, что исказит результаты испытаний.
Испытания по Роквеллу (ГОСТ 9013-83). Проводятся путем вдавливания в металл алмазного конуса (α = 120°) или стального шарика (D = 1,588 мм или 1/16", рис. 1.37, б). Прибор Роквелла имеет три шкалы — В, С и А. Алмазный конус применяют для испытания твердых материалов (шкалы С и А), а шарик — для испытания мягких материалов (шкала В). Конус и шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной Р0 и общей Р:
где Р1 — основная нагрузка.
Предварительная нагрузка Р0 = 100 Н (10 кгс). Основная нагрузка составляет 900 Н (90 кгс) для шкалы В; 1400 Н (140 кгс) для шкалы С и 500 Н (50 кгс) для шкалы А.
Рис. 1.37. Схема определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Рoквеллу; в — по Виккерсу
Твердость по Роквеллу измеряют в условных единицах. За единицу твердости принимают величину, которая соответствует осевому перемещению наконечника на расстояние 0,002 мм.
Твердость по Роквеллу вычисляют следующим способом:
НR = 100 – e (шкалы А и С); НR = 130 – e (шкала В).
Величину e определяют по формуле:
где h — глубина проникновения наконечника в металл под действием общей нагрузки Р (Р =Р0+ Р1); h0 — глубина проникновения наконечника под действием предварительной нагрузки Р0.
В зависимости от шкалы твердость по Роквеллу обозначают НRВ, НRС, НRА.
Испытания по Виккерсу (ГОСТ 2999-83). В основе метода — вдавливание в испытываемую поверхность (шлифованную или даже полированную) четырехгранной алмазной пирамиды (α = 136°) (рис. 1.37, в). Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных слоев, имеющих высокую твердость.
Твердость по Виккерсу:
где Р — нагрузка на пирамиду, Н; d — среднее арифметическое двух диагоналей отпечатка, измеренных после снятия нагрузки, м.
Число твердости по Виккерсу определяют по специальным таблицам по диагонали отпечатка d. При измерении твердости применяют нагрузку от 10 до 500 Н.
Микротвердость (ГОСТ 9450-84). Принцип определения микротвердости такой же, как и по Виккерсу, согласно соотношению:
Метод применяется для определения микротвердости изделий мелких размеров и отдельных составляющих сплавов. Прибор для измерения микротвердости — это механизм вдавливания алмазной пирамиды и металлографический микроскоп. Образцы для измерений должны быть подготовлены так же тщательно, как микрошлифы.
Испытание на ударную вязкость
Для испытания на удар изготавливают специальные образцы с надрезом, которые затем разрушают на маятниковом копре (рис. 1.39). Общий запас энергии маятника будет расходоваться на разрушение образца и на подъем маятника после его разрушения. Поэтому если из общего запаса энергии маятника отнять часть, которая тратится на подъем (взлет) после разрушения образца, получим работу разрушения образца:
K = Рl(соs β – соs α), Дж (кг·м),
де P — масса маятника, Н (кг); h1 — высота подъема центра масс маятника до удара, м; h2 — высота взлета маятника после удара, м; l — длина маятника, м; α, β — углы подъема маятника соответственно до разрушения образца и после него.
Рис. 1.39. Испытание на ударную вязкость: 1 — маятник; 2 — нож маятника; 3 — опоры
Ударную вязкость, т. е. работу, затраченную на разрушение образца и отнесенную к поперечному сечению образца в месте надреза, определяют по формуле:
где F — площадь поперечного сечения в месте надреза образца, м 2 (см 2 ).
Для определения KС пользуются специальными таблицами, в которых для каждого угла β определена величина работы удара K. При этом F = 0,8 · 10 –4 м 2 .
Для обозначения ударной вязкости добавляют и третью букву, указывающую на вид надреза на образце: U, V, Т. Запись KСU означает ударную вязкость образца с U-образным надрезом, KСV — с V-образным надрезом, а KСТ — с трещиной (рис. 1.40).
Рис. 1.40. Виды надрезов на образцах для испытания на ударную вязкость:
а — U-образный надрез (KCU); б — V-образный надрез (KСV); в — надрез с трещиной (KСТ)
Испытание на усталость (ГОСТ 2860-84). Разрушение металла под действием повторных или знакопеременных напряжений называется усталостью металла. При разрушении металла вследствие усталости на воздухе излом состоит из двух зон: первая зона имеет гладкую притертую поверхность (зона усталости), вторая — зона долома, в хрупких металлах она имеет грубокристаллическое строение, а в вязких — волокнистое.
При испытании на усталость определяют границу усталости (выносливости), т. е. то наибольшее напряжение, которое может выдержать металл (образец) без разрушения заданное число циклов. Самым распространенным методом испытания на усталость является испытание на изгиб при вращении (рис. 1.41).
Рис. 1.41. Схема испытания на изгиб при вращении:
1 — образец; Р — нагрузка; Мвиг — изгибающий момент
Применяют следующие основные виды технологических испытаний (проб).
Проба на изгиб (рис. 1.42) в холодном и горячем состоянии — для определения способности металла выдерживать заданный изгиб; размеры образцов — длина l = 5а + 150 мм, ширина b = 2а (но не менее 10 мм), где а — толщина материала.
Рис. 1.42. Технологическая проба на изгиб: а — образец до испытания; б — загиб до определенного угла; в — загиб до параллельности сторон; г — загиб до соприкосновения сторон
Проба на перегиб предусматривает оценку способности металла выдерживать повторный изгиб и применяется для проволоки и прутков диаметром 0,8—7 мм из полосового и листового материала толщиной до 55 мм. Образцы сгибают попеременно направо и налево на 90° с равномерной — около 60 перегибов в минуту — скоростью до разрушения образца.
Проба на выдавливание (рис. 1.43) — для определения способности металла к холодной штамповке и вытягиванию тонкого листового материала. Состоит в продавливании пуансоном листового материала, зажатого между матрицей и зажимом. Характеристикой пластичности металла является глубина выдавливания ямки, что соответствует появлению первой трещины.
Рис. 1.43. Испытание на выдавливание: 1 — лист; h — мера способности материала к вытяжке
Проба на навивку проволоки диаметром d ≤ 6 мм. Испытание состоит в навивке 5—6 плотно прилегающих по винтовой линии витков на цилиндр заданного диаметра. Выполняется только в холодном состоянии. Проволока после навивки не должна иметь повреждений.
Проба на искру используется при необходимости определения марки стали при отсутствии специального оборудования и маркировки.
Свойства металлов и способы их определения
Используемые для изготовления различных изделий материалы должны иметь определенный запас свойств, обеспечивающих долговечность изделий в процессе эксплуатации. К таким свойствам относятся механические (прочность, твердость, пластичность, ударная вязкость, износостойкость) и различные физические и химические свойства, например, плотность, теплопроводность, электротехнические свойства, способность сопротивляться коррозии и т.д.
Особо выделяются технологические свойства материалов, которые определяют, каким способом из данного материала можно изготовить ту или иную деталь. К ним относятся обработка металлов давлением, литейные свойства, свариваемость и т.д.
Одним из наиболее универсальных свойств являются механические, которые в процессе эксплуатации деталей могут вызывать в материале растягивающие, сжимающие или касательные напряжения и соответствующие им деформации.
Деформация– это изменение формы и размеров изделия, которая может быть растягивающей, сжимающей и сдвиговой под воздействием внешних сил. При растяжении увеличивается длина изделия и уменьшение размера в поперечном направлении. При сжатии, наоборот, продольный размер уменьшается, а поперечный увеличивается. Сдвиг приводит смещение одной части материала изделия относительно другой по кристаллографической плоскости скольжения.
В зависимости от поведения твердого тела под воздействием внешних сил деформация может быть упругой или пластической (остаточной).
Упругая деформация –когда атомы кристаллических решеток под воздействием внешних сил смещаются на расстояния меньше межатомных, а после снятия внешних сил возвращаются в исходное положение, благодаря межатомному взаимодействию, при этом не изменяются и остаются прежними форма и размеры изделия.
Пластическая деформация – когда атомы кристаллической решетки под воздействием внешних сил смещаются на расстояние больше межатомных, занимают новое положение и после снятия внешних сил остаются в этом положении благодаря новому межатомному взаимодействию. При этом приобретенная новая форма и размеры сохраняются.
Пластическая деформация осуществляется двумя путями: скольжением и двойникованнием. Схема упругой и пластической деформации металла (рис. 1.10).
Рис. 1.10. Схемы упругой и пластической деформации металла под действием напряжения сдвига τ: а) первоначальный кристалл; б), в) упругая деформация; г) пластическая деформация скольжением, д) пластическая деформация двойникованием.
Пластическая деформация путем перемещения отдельных атомов преодолевая межатомное взаимодействия, а также перемещением дислокацией.
Таким образом, механические свойства в основном отражают способность материала сопротивляются пластической деформации если это необходимо.
Как правило, к механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость или ударная вязкость. При статических испытаниях нагрузка возрастает медленно и плавно для определения прочности и твердости.
Прочность – способность материала сопротивляться пластической деформации под воздействием внешних сил. Наиболее часто прочность определяют путем растягивания стандартных образцов на разрывной машине.
По диаграмме растяжения в координатах: удлинение образца Δl(мм) и усилию P (Н, кгс), определяют напряжение σ (МПа, кгс/мм 2 ) путем деления силы P на начальную площадь поперечного сечения образца Fо, которые откладывается по оси ординат, по оси абсцисс – относительное удлинение (рис. 1.11):
До точки А деформация пропорциональна напряжению. Тангенс угла наклона прямой ОА к оси абсцисс характеризует модуль упругости материала
Рис. 1.11. Диаграмма растяжения металлов для условных (1) и истинных (2) напряжений (а) и диаграмма истинных напряжений (б): I – область упругой деформации; II – область пластической деформации; III – область развития трещин и разрушения образца.
Напряжение σпц, соответствующее точке А – называют пределом пропорциональности. Предел упругости определяется, как напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,05% первоначальной длины образца:
Напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2%, называют условным пределом текучести:
Напряжения, отвечающие наибольшей нагрузке, предшествующие разрушению образца, называют пределом прочности:
Кроме того, при испытаниях на растяжение определяют характеристики пластичности. К ним относится относительное удлинение образца:
где - первоначальная и конечная длина образца.
Пластичность – способность материала пластически деформироваться и приобретать требуемую форму и размер без разрушения под воздействием внешних сил.
Для хрупких материалов чугуна, литых алюминиевых сплавов и прочих материалов применяют испытания на сжатие и определяют предел прочности на сжатие, на изгиб.
Твердостьюназывают свойство материала оказывать сопротивление пластической деформации при внедрении в него более твердого тела без деформации последнего.
Замер твердости производится при помощи специальных приборов-твердомеров, на которых замер твердости определяется вдавливанием какого-либо стандартного наконечника-индентора в поверхность материала исследуемого образца.
Определение твердости по Бринеллю. Сущность метода заключается во вдавливании стального закаленного шарика диаметром Д (мм) в образец материала под действием нагрузки P(H, кгс) в течение некоторого времени и измерение диаметра отпечатка d(мм), после снятия нагрузки P при помощи (микроскопа-окуляра) (рис. 1.12, а). Если поверхность отпечатка выразить через диаметр шарика и диаметр отпечатка, то твердость по Бринеллю определяется по формуле:
При испытании чугуна, стали обычно принимают D=10мм и Р=3000кгс.
При испытании алюминия, меди, никеля и их сплавов D=10мм и Р=1000кгс, а при испытании мягких металлов олова, свинца и их сплавов D=10мм и Р=250кгс.
Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость.
Между пределом прочности и числом твердости HB существует следующая зависимость: для стали и для алюминиевых сплавовМетод Бринелля не рекомендуется применять для сталей с твердостью более 450HB, а для цветных металлов – более 200HB.
Определение твердости по Роквеллу (рис. 1.12, б). Сущность метода заключается во вдавливании наконечника с алмазным конусом с углом при вершине 120° (шкала А и С) или со стальным шариком диаметром 1,5875мм (шкала В) в испытуемый образец под действием последовательно прилагаемых предварительной P0 и основной P1, Н(кгс) нагрузок и измерения 0=10кгс, P1=50кгс; по шкале С: P0=10кгс, P1=140кгс; При использовании шарика по шкале В: P0=10кгс, P1=90кгс. Число твердости выражается формулой:
где - глубина внедрения индентера под предварительной нагрузкой и после снятия основной нагрузки, но оставленной предварительной предварительной нагрузки.
Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая осевому перемещению индикатора на 0,002 мм. Пределы измерения твердости по шкалам А,С,В устанавливаются следующие: шкала А – 70-85 единиц, С – 22-68 единиц, В – 25-100 единиц.
Определение твердости по Виккерсу (рис. 1.12, в). Метод заключается во вдавливании алмазной четырехгранной пирамиды с углом при вершине 136° в образец под действием нагрузки Р и измерении среднеарифметической длины квадрата диагонали отпечатка d 2 , оставшегося после снятия нагрузки. Нагрузка Р может меняться от 1 кгс до 100кгс. Твердость по Виккерсу:
если Р выражена в кгс.
Метод используется для определения твердости деталей малой толщины и тонких поверхностных покрытий, имеющих высокую твердость. Чем тоньше покрытие, тем меньше должна быть нагрузка. Число твердости по Виккерсу определяется по специальным таблицам по измеренной величине d (диагонали отпечатка в мм).
Рис. 1.12. Схема определения твердости по бринелюлю (а), Роквеллу (б) и Виккерсу (в).
Микротвердость. Определение микротвердости осуществляется вдавливанием алмазной пирамиды в испытываемую поверхность под нагрузкой 5-500 г (0,05-5 Н). метод используется для определения твердости в микроскопически малых объемах, тонких покрытий, отдельных структурных составляющих сплавов, а также при измерении твердости мелких деталей. Микротвердость Н определяют по той же формуле, что и твердость по Виккерсу:
Механические свойства, определяемые при динамических нагрузках
Динамические испытания на ударный изгиб выявляют склонность металла к хрупкому или вязкому разрушению. Метод основан на разрушении образца (рис. 1.13).
Рис. 1.13. Схема испытания на удар.
Под ударной вязкостью КС понимают работу удара, Дж/м 2 (кгс·м/см 2 ), отнесенную к начальной площади поперечного сечения S0, м 2 (см 2 ) образца в месте концентратора:
Действующий в настоящее время ГОСТ 9454-78 предусматривает образцы с концентраторами трех видов: U-образный с R=1мм; V-образный с R=0,25мм и углом 45° и Т-усталостная трещина. Соответственно ударная вязкость обозначается KCU, KCV, KCT.
Читайте также: