Для чего нужно знать свойства металлов и сплавов
Основные механические свойства металлов
Металлы и их сплавы являются одним из самых распространенных материалов для изготовления изделий различных видов. Но так как каждый из типов имеет определенные свойства – перед применением их следует детально изучить.
Зачем нужно знать механические свойства металлов
Металлы относятся к химическим элементам и веществам, которые характеризуются высоким показателем теплопроводности, в большинстве своем имеют жесткость. Под воздействием высоких температур повышается пластичность, обладают ковкостью. Эти характеристики материалов позволяют осуществлять их обработку различными способами.
Металлические материалы и их сплавы характеризуются рядом показателей: химическими, механическими, физическими и эксплуатационными. В совокупности они дают возможность определить фактические характеристики в полном объеме. Выделить наиболее важные из них невозможно. Но для решения определенных задач большее внимание уделяется конкретной группе свойств.
Механические свойства металлов необходимо знать для решения следующих вопросов:
Для определения конкретных механических свойств применяются различные методы. Испытания металлов и сплавов проводятся с помощью специальных приборов. Это делается в лабораторных условиях. Для достижения точных результатов рекомендуется использовать результаты исследований государственных метрологических организаций.
Механические свойства определяют показатель сопротивляемости того или иного материала на внешние силовые воздействия. Для каждого параметра существует определенные числовые показатели.
Твердость
При воздействии внешних факторов на металлические изделия происходит их деформация – пластическая или упругая. Твердость описывает сопротивление этим факторам, характеризует степень сохранения изначальной формы и свойств материала, изделия.
В зависимости от желаемых результатов проверка материала на твердость осуществляется тремя методами:
Измерение твердости зависит от выбранного метода — Бринелля (НВ), Роквелла (шкалы А, В и С) или Виккерса (НV). Все зависит от степени воздействия на материал, с помощью которых можно определить поверхностную, проекционную или объемную твердость.
Шкала Мосса применяется для вычисления показателя твердости редко. Ее суть состоит в вычислении характеристиках объекта методом царапания его поверхности.
Вязкость и хрупкость
Эти характеристики указывают на возможность металла оказывать сопротивление при воздействии ударных нагрузок. Показателем является скорость деформации, т.е. изменение изначальной конфигурации заготовки при внешнем воздействии.
Знание показателя вязкости и хрупкости необходимо для расчета поглощаемой энергии воздействия, которая приводит к деформации металлического образца. В зависимости от необходимых данных различают следующие методы измерения и виды вязкости металлов:
В зависимости от системы измерения существуют различные показатели вязкости:
Помимо метода испытания необходимо учитывать другие механические свойства металлов – температура на его поверхности и в структуре, влажность в помещении и т.д.
Хрупкость является обратным показателем вязкости. Она определяет, насколько быстро металл или сплав будет разрушаться под воздействием внешней силы.
Напряжение
Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.
Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.
Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:
Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.
Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.
Выносливость и усталость
При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.
Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.
В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:
Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.
Для проведения испытаний необходимо руководствоваться принятыми методиками, которые изложены в ГОСТ-1497-84. Особое внимание уделяется отклонению свойств металла от нормы.
Ползучесть
Этот показатель определяет степень непрерывной пластической деформации при постоянном воздействии внешних и внутренних факторов. Вычисление этого параметра необходимы для определения жаропрочности металлов и их сплавов.
Для определения ползучести образец нагревают до определенной температуры. После этого наблюдают степень изменения его конфигурации с учетом приложенного напряжения. В зависимости от термического воздействия различают два вида испытаний на ползучесть:
Для проведения испытаний используют стандартные образцы прямоугольной или цилиндрической формы. При этом степень погрешности измерения не должна превышать 0,002 мм. В результате испытаний формируется кривая, характеризующая процесс ползучести.
В видеоматериале показан пример работы маятникового копера:
Механические и физические свойства металлов и сплавов
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.
Зачем нужно знать механические свойства металлов
Основные виды чистых металлов
Металлы относятся к химическим элементам и веществам, которые характеризуются высоким показателем теплопроводности, в большинстве своем имеют жесткость. Под воздействием высоких температур повышается пластичность, обладают ковкостью. Эти характеристики материалов позволяют осуществлять их обработку различными способами.
Металлические материалы и их сплавы характеризуются рядом показателей: химическими, механическими, физическими и эксплуатационными. В совокупности они дают возможность определить фактические характеристики в полном объеме. Выделить наиболее важные из них невозможно. Но для решения определенных задач большее внимание уделяется конкретной группе свойств.
Механические свойства металлов необходимо знать для решения следующих вопросов:
Для определения конкретных механических свойств применяются различные методы. Испытания металлов и сплавов проводятся с помощью специальных приборов. Это делается в лабораторных условиях. Для достижения точных результатов рекомендуется использовать результаты исследований государственных метрологических организаций.
Механические свойства определяют показатель сопротивляемости того или иного материала на внешние силовые воздействия. Для каждого параметра существует определенные числовые показатели.
Старлит
Это пластик, выдерживающий невероятно высокую температуру: его тепловой порог настолько высок, что сначала изобретателю просто не поверили. Лишь после демонстрации возможностей материала в прямом эфире на телевидении, с создателем старлита связались сотрудники Британского Центра Атомного Вооружения.
В отличие от других термостойких материалов, старлит не становится токсичным при высокой температуре, также он невероятно лёгок. Его можно применять при строительстве космических аппаратов, самолётов, огнезащитных костюмов или в военной промышленности, но, к сожалению, старлит так и не покинул пределы лаборатории: его создатель Моррис Уард умер в 2011-м году, не запатентовав своё изобретение и не оставив никаких описаний. Всё, что известно о строении старлита — что в его состав входит 21 органический полимер, несколько сополимеров и небольшое количество керамики.
Твердость
Методика проверки металлов на твердость
При воздействии внешних факторов на металлические изделия происходит их деформация – пластическая или упругая. Твердость описывает сопротивление этим факторам, характеризует степень сохранения изначальной формы и свойств материала, изделия.
В зависимости от желаемых результатов проверка материала на твердость осуществляется тремя методами:
Измерение твердости зависит от выбранного метода — Бринелля (НВ), Роквелла (шкалы А, В и С) или Виккерса (НV). Все зависит от степени воздействия на материал, с помощью которых можно определить поверхностную, проекционную или объемную твердость.
Шкала Мосса применяется для вычисления показателя твердости редко. Ее суть состоит в вычислении характеристиках объекта методом царапания его поверхности.
Сжатие.
Упругие и пластические свойства при сжатии обычно весьма сходны с тем, что наблюдается при растяжении (рис. 2). Кривая соотношения между условным напряжением и условной деформацией при сжатии проходит выше соответствующей кривой для растяжения только потому, что при сжатии поперечное сечение образца не уменьшается, а увеличивается. Если же по осям графика откладывать истинное напряжение и истинную деформацию, то кривые практически совпадают, хотя при растяжении разрушение происходит раньше.
Вязкость и хрупкость
Описание показателя вязкости
Эти характеристики указывают на возможность металла оказывать сопротивление при воздействии ударных нагрузок. Показателем является скорость деформации, т.е. изменение изначальной конфигурации заготовки при внешнем воздействии.
Знание показателя вязкости и хрупкости необходимо для расчета поглощаемой энергии воздействия, которая приводит к деформации металлического образца. В зависимости от необходимых данных различают следующие методы измерения и виды вязкости металлов:
В зависимости от системы измерения существуют различные показатели вязкости:
Помимо метода испытания необходимо учитывать другие механические свойства металлов – температура на его поверхности и в структуре, влажность в помещении и т.д.
Хрупкость является обратным показателем вязкости. Она определяет, насколько быстро металл или сплав будет разрушаться под воздействием внешней силы.
Диметилсульфоксид (DMSO)
Этот химический растворитель сначала появился, как побочный продукт выработки целлюлозы и никак не применялся до 60-х годов прошлого века, когда раскрыли его медицинский потенциал: доктор Джейкобс обнаружил, что DMSO может легко и безболезненно проникать в ткани тела — это позволяет быстро и без повреждения кожи вводить различные препараты.
Его собственные лечебные свойства снимают боль при растяжении связок или, например, воспалении суставов при артрите, также DMSO может использоваться для борьбы с грибковыми инфекциями.
К сожалению, когда его медицинские свойства были открыты, производство в промышленных масштабах уже давно было налажено, и его широкая доступность не позволяла фармацевтическим компаниям получать прибыль. Кроме того у DMSO есть неожиданный побочный эффект — запах изо рта использовавшего его человека, напоминающий чеснок, поэтому он используется в основном в ветеринарии.
Напряжение
Виды напряжений
Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.
Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.
Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:
Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.
Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.
КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА
Выше речь шла об общих закономерностях поведения металлов под действием механических нагрузок. Чтобы лучше понять соответствующие явления, нужно рассмотреть атомное строение металлов. Все твердые металлы – кристаллические вещества. Они состоят из кристаллов, или зерен, расположение атомов в которых соответствует правильной трехмерной решетке. Кристаллическую структуру металла можно представить как состоящую из атомных плоскостей, или слоев. Когда прикладывается напряжение сдвига (сила, заставляющая две соседние плоскости металлического образца скользить друг по другу в противоположных направлениях), один слой атомов может сдвинуться на целое межатомное расстояние. Такой сдвиг скажется на форме поверхности, но не на кристаллической структуре. Если один слой сдвинется на много межатомных расстояний, то на поверхности образуется «ступенька». Хотя отдельные атомы слишком малы, чтобы их можно было увидеть под микроскопом, ступеньки, образовавшиеся за счет скольжения, хорошо видны под микроскопом и названы линиями скольжения.
Обычные металлические предметы, встречающиеся нам ежедневно, являются поликристаллическими, т.е. состоят из большого числа кристаллов, в каждом из которых своя ориентация атомных плоскостей. Деформация обычного поликристаллического металла имеет с деформацией монокристалла то общее, что она происходит за счет скольжения по атомным плоскостям в каждом кристалле. Заметное же скольжение целых кристаллов по их границам наблюдается только в условиях ползучести при повышенных температурах. Средний размер одного кристалла, или зерна, может составлять от нескольких тысячных до нескольких десятых долей сантиметра. Желательна более мелкая зернистость, так как механические характеристики мелкозернистого металла лучше, чем у крупнозернистого. Кроме того, мелкозернистые металлы менее хрупки.
Выносливость и усталость
Пример деформации из-за усталости металла
При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.
Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.
В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:
Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.
Для проведения испытаний необходимо руководствоваться принятыми методиками, которые изложены в ГОСТ-1497-84. Особое внимание уделяется отклонению свойств металла от нормы.
Углеродные нано-трубки
Фактически это листы углерода толщиной в один атом, свёрнутые в цилиндры — их молекулярная структура напоминает рулон проволочной сетки, и это самый прочный материал, известный науке. В шесть раз легче, но в сотни раз крепче стали, нано-трубки обладают лучшей теплопроводностью, чем алмаз, и проводят электричество эффективнее меди.
Сами трубки не видны невооружённым взглядом, а в необработанном виде вещество напоминает сажу: чтобы проявились его необыкновенные свойства, надо заставить вращаться триллионы этих невидимых нитей, что стало возможным относительно недавно.
Материал может применяться в производстве кабеля для проекта «лифта в космос», достаточно давно разработанного, но до недавнего времени совершенно фантастичного из-за невозможности создать кабель длиной 100 тыс км, не согнувшийся бы под собственным весом.
Углеродные нано-трубки помогают и при лечении рака груди — их можно помещать в каждую клетку тысячами, а наличие фолиевой кислоты позволяет выявлять и «захватывать» раковые образования, затем нано-трубки облучают инфракрасным лазером, и клетки опухоли при этом погибают. Также материал может применяться в производстве лёгких и прочных бронежилетов…
Термомеханическая обработка
Все без исключения пружинные стали повергаются термомеханической обработке. После нее прочность и износостойкость способна увеличиться в 2 раза. Форму изделию придают в отожженном состоянии, когда сталь имеет максимально возможную мягкость, после чего нагревают до 830-870 С и охлаждают в масляной или водной среде (только для марки 60 СА). Полученный мартенсит отпускают при температуре 480 ºC.
Все требования и рекомендации к этому виду стали описаны в ГОСТ 14959-79. На их основании предприятием разрабатываются более детальные технологические листы, которые отвечают узким параметрам.
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.