Для чего необходимо знать значение механических свойств

18.04.202220.04.2022 admin 0 Comments

Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

— это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.

— это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.

— это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.

— это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

— это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).

Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3

. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно. Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой). Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.

Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.

— это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.

Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.

Предел прочности при растяжении в кг/мм2

определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца (
рис. 4, а
), к площади поперечного сечения образца в мм2.

Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость

Предел прочности при изгибе в кГ/мм2

определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах (
рис. 4, б
), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.

Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.

Относительное удлиненней δ в %

определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют удлинение

Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4, б).

Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах (рис. 4, в

), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2.

Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г

) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм2 дает число твердости.

Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1

Классификации и свойства различных металлов

Металлами называют группу простых веществ, отличающихся от всех остальных своими характерными свойствами. В природных условиях их нельзя встретить в чистом виде – только в качестве руд и соединений. Изучением их свойств занимаются специалисты по химии, физике, металловедению.

При работе с металлами необходимо учитывать целый ряд их качеств. Механические характеристики влияют на их возможность сопротивляться деформации и разрушению. По технологическим свойствам оценивают целесообразность использования различных подходов к обработке. Химические особенности влияют на реакцию с разными веществами, а физические свидетельствуют об определенных реакциях на изменение теплового, гравитационного и электромагнитного поля.

При классификации отталкиваются от таких свойств твердых металлов, как:

Ключевой характеристикой интересующих нас материалов является отрицательный коэффициент проводимости электричества. Он повышается при снижении температуры, а при ее увеличении частично либо совсем теряется. К второстепенным признакам относятся характерный блеск и высокая температура плавления. Также нужно понимать, что существуют типы металлов, являющихся соединениями, которые играют роль восстановителей во время окислительно-восстановительных реакций.

Все свойства твердых металлов связаны между собой, поскольку от составляющих материала зависят остальные его качества. Самая известная классификация металлов предполагает деление на черные и цветные, однако их оценивают и по ряду других признаков.

Черные металлы обладают высокой плотностью, им свойственна большая температура плавления и темно-серый окрас. Основными представителями данной группы являются железо и его сплавы. Чтобы добиться от сплавов специфических свойств, в них вносят легирующие добавки.

Все черные твердые металлы делят на подгруппы:

К черной группе относятся сплавы железа с разной долей углерода и дополнительными химическими элементами, такими как кремний, сера, фосфор. На производствах активно используются сталь и чугун.

В норме сталь содержит до 2 % углерода, ей свойственна пластичность и высокие технологические показатели. В чугуне содержание углерода выше и может доходить до 5 %. Свойства данного сплава можно изменять за счет добавления различных химических элементов: за счет серы и фосфора повышается хрупкость, хром и никель позволяет придать чугуну стойкость к высоким температурам и коррозии.

Рекомендовано к прочтению

Цветные металлы используются чаще черных, так как большинство из них является сырьем для прокатных изделий. Кроме того, эти твердые материалы нашли применение в металлургии, машиностроении, радиоэлектронике, сфере высоких технологий и целом ряде других областей.

По физическим параметрам такие металлы классифицируют следующим образом:

В целом, цветные металлы обладают небольшой плотностью и температурой плавления, также они пластичны и обычно имеют белый, желтый или красный цвет. Так как эти материалы не могут похвастаться высокой прочностью, их не используют в чистом виде, а изготавливают легкие сплавы различного назначения. В том числе их применяют при производстве техники.

Отметим, что материалы, относящиеся к данной группе, обладают внушительным атомным весом и более высокой плотностью, чем железо.

На производствах активно используется медь в качестве проводника электрического тока. Она имеет розовато-красный оттенок, низкое удельное сопротивление, хорошо проводит тепло, отличается небольшой плотностью, хорошей пластичностью и устойчивостью к образованию ржавчины.

Не менее актуальны для сферы производства сплавы меди, такие как бронза (с добавлением алюминия, никеля или олова) и латунь (с цинком). Бронза используется для изготовления мембран, круглых и плоских пружин, червячных пар и различных видов арматуры. Латунь идет на изготовление лент, листов, проволоки, труб, втулок, подшипников.

Группа тяжелых металлов относится к основным причинам, из-за которых ухудшается состояние экологии. Токсичные вещества сбрасываются в естественные водоемы вместе со сточными водами промышленных предприятий. Некоторые вещества данной группы способны накапливаться в живых организмах.

Ртуть высокотоксична, ее соединения попадают в атмосферу во время сжигания угля на электростанциях, после чего вместе с осадками оказываются в водоемах. Это приводит к тому, что в организме пресноводной и морской рыбы, а также других обитателей данных систем постепенно накапливается высокая доля опасного вещества. При потреблении в пищу таких морепродуктов человек может отравиться, что нередко приводит к летальному исходу.

Кадмий – рассеянный и достаточно редкий элемент, но и он попадает в океан вместе со сточными водами с металлургических предприятий. В небольших количествах кадмий содержится в нашем организме, однако при серьезном превышении данного уровня он разрушает костную ткань и приводит к анемии.

Свинец в рассеянном состоянии содержится практически везде. Но его избыточная доля в организме человека приводит к проблемам со здоровьем.

Помимо твердых, выделяют также мягкие виды металлов.

Алюминий имеет серебристо-белый оттенок, небольшой вес, хорошую электропроводность, устойчив к коррозии и пластичен. Благодаря таким свойствам, этот материал широко используется в строительстве самолетов, электрической и пищевой промышленности. Также сплавы алюминия незаменимы в машиностроении.

Магний достаточно легко поддается коррозии, однако является незаменимым материалом для применения в технической области. В сплавах с магнием используют алюминий, марганец и цинк, так как они легко поддаются резанию и имеют высокую прочность. Такие соединения применяются для изготовления корпусов фотоаппаратов, двигателей и других приборов.

Титан используется в машиностроительной, ракетной отраслях и химической промышленности. Сплавы на его основе обладают небольшой плотностью, отличными механическими свойствами, устойчивы к коррозии и без труда обрабатываются давлением.

Существует ряд твердых металлов, которые редко встречаются в природе, при этом их добыча сопряжена с большими трудозатратами. Речь идет о металлах благородной группы, таких как:

Люди узнали о золоте и его свойствах еще в каменном веке. Этот металл встречается в природе в виде самородков с небольшой долей примесей либо его можно найти в виде сплавов с серебром. Золото имеет высокую теплопроводность, низкое сопротивление и хорошую ковкость, все эти свойства особенно ценят ювелиры.

Серебро уступает золоту по ценности. В природе его чаще всего можно найти в виде серебряной руды. Серебро мягкое, пластичное, тепло- и электропроводное.

Платина была открыта только в середине XX века и считается редким материалом. Дело в том, что его можно найти лишь в залежах в виде различных сплавов, что усложняет его добычу. Основная ценность платины состоит в том, что она не вступает в реакцию с кислотами, а при нагревании не меняет цвет и не окисляется.

Родий тоже входит в число благородных твердых металлов. Он имеет серебристо-голубой оттенок, устойчив к химическому воздействию, не боится перепадов температур, при этом остается хрупким и теряет свои свойства под механическим воздействием.

Кроме того, металлы принято делить на твердые и мягкие.

К самым мягким металлам относят калий, натрий, рубидий и цезий. В эту же группу входят золото, серебро, медь и алюминий. Золото можно найти в морских комплексах, осколках гранитов и даже в организме человека. Оно способно разрушаться при воздействии внешних факторов. Мягкое серебро используют в качестве материала для посуды, ювелирных изделий. Натрий активно применяется в большинстве промышленных отраслей. Ртуть является самым мягким металлом в мире, ею пользуются в сельскохозяйственной, химической промышленности, электротехнике.

Физические свойства металлов

Среди основных общих физических свойств металлов можно выделить:

Важным физическим параметром металла является его плотность или удельный вес. Что это такое? Плотность металла – это количество вещества, которое содержится в единице объема материала. Чем меньше плотность, тем металл более легкий. Легкими металлами являются: алюминий, магний, титан, олово. К тяжелым относятся такие металлы как хром, марганец, железо, кобальт, олово, вольфрам и т. д. (в целом их имеется более 40 видов).

Способность металла переходить из твердого состояния в жидкое, именуется плавлением. Разные металлы имеют разные температуры плавления.

Скорость, с которой в металле проводится тепло при нагревании, называется теплопроводностью металла. И по сравнению с другими материалами все металлы отличаются высокой теплопроводностью, говоря по-простому, они быстро нагреваются.

Помимо теплопроводности все металлы проводят электрический ток, правда, некоторые делают это лучше, а некоторые хуже (это зависит от строения кристаллической решетки того или иного металла). Способность металла проводить электрический ток называется электропроводностью. Металлы, обладающие отличной электропроводностью, это золото, алюминий и железо, именно поэтому их часто используют в электротехнической промышленности и приборостроении.

Источник

Механические свойства металлов и сплавов: общий взгляд

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность — способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Ударная вязкость — способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Сталь малоуглеродистая (мягкая)

Котельное железо трубы, котлы

Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)

Оси, шатуны, валы, рельсы

Сталь твердая после закалки и отпуска

Инструмент ударный и режущий

Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии

Детали, изготовленные горячей штамповкой

Детали в авиастроении и автостроении

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

Критерии оценки

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Как определить механические свойства?

Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:

— испытания на растяжение;

— метод вдавливания по Бринеллю;

— определение твердости металла по Роквеллу;

— оценка твердости по Виккерсу;

— определение вязкости с помощью маятникового копра;

Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.

Источник

19. Значение механических и физических свойств при эксплуатации изделий Свойства, как показатели качества материала

19. Значение механических и физических свойств при эксплуатации изделий

Свойства, как показатели качества материала

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические. К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость. К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. Упругость – свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

Вязкостью называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство обратное хрупкости.

Пластичностью называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство обратное упругости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить доброкачественность готовых изделий.

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности.

Детали машин, механизмов и сооружений работают под нагрузками. Нагрузки на детали бывают различных видов: одни детали нагружены постоянно действующей в одном направлении силой, другие подвержены ударам, у третьих силы более или менее часто изменяются по своей величине и направлению.

Некоторые детали машин подвергаются нагрузкам при повышенных температурах, при действии коррозии; такие детали работают в сложных условиях.

В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний металлов, с помощью которых определяют механические свойства. Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающих весьма быстро.

Кроме того, в ряде случаев производятся испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Механические свойства – это достаточная прочность. Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства. В авиа-, авто– и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.

Удельная прочность для некоторых алюминиевых сплавов выше, чем для мягкой стали. Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (свинец) применяются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.

Металлы с высокой электропроводностью используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением для ламп накаливания электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (электродвигатели, трансформаторы), в электроприборостроении (телефонные и телеграфные аппараты).

Теплопроводность металлов дает возможность производить их равномерный нагрев для обработки давлением, термической обработки; она обеспечивает возможность пайки металлов, их сварки.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окисленных средах (колосниковые решетки, детали машин химической промышленности). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные стали, а также применяют защитные покрытия для изделий.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Продолжение на ЛитРес

Для чего мы создаем…

Для чего необходимо знать значение механических свойств

Механические свойства металлов и сплавов

Механические свойства металлов и сплавов

Классификации и свойства различных металлов

Физические свойства металлов