Назовите механические свойства металлов и сплавов

Назовите механические свойства металлов и сплавов

Глава XIV
ДЕФОРМАЦИИ И НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ СВАРКЕ

§ 72. Механические свойства металлов и сплавов

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск, хорошую проводимость теплоты и электрического тока, достаточно высокую прочность, хорошую ковкость и свариваемость, кристаллическое строение тела, определенную температуру плавления и кристаллизации.
Металлы и сплавы классифицируют по числу, содержанию и характеру легирующих компонентов и по степени чистоты. Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют компонент, который преобладает в металле или сплаве, легирующим – компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых свойств.
По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов, металлическим сплавом называют сложное кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.
По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низко-, средне- и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным – 2,5-10%, высоколегированным – более 10%.
По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.
Механические свойства металлов и сплавов. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся: прочность, твердость, упругость, пластичность, ударная вязкость, ползучесть и усталость.

Прочность – это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок – растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих (рис. 76). Нагрузки бывают внешними (вес, давление и др.) и внутренними (изменение размеров тела от нагревания и охлаждения, изменение структуры металла и т. д.), а также статическими, т. е. постоянными по величине и направлению действия, или динамическими, т. е. переменными по величине, направлению и продолжительности действия. Методы определения прочности рассмотрены отдельно.
Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела. Применяют следующие способы испытания твердости металлов и сплавов вдавливанием в поверхность образца:
стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 или 10 мм – определение твердости по Бринеллю;
стального закаленного шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса с углом 120° – определение твердости по Роквеллу;
правильной четырехгранной алмазной пирамиды – определение твердости по Виккерсу.
Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки (рис. 77).

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия.
Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Ударная вязкость измеряется в кгс•м/см 2 (Дж/м 2 ).
Ползучестью называется свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называется постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок; свойство выдерживать эти нагрузки называется выносливостью.
Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение. При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности (временное сопротивление) σв, предел текучести (физический) σ_т, предел текучести условный (технический) σ_0,2, предел пропорциональности σпц, истинное сопротивление разрыву S_к и относительное удлинение и сужение δ, φ.

Рассмотрим показанную на рис. 78 диаграмму, на которой по вертикальной оси отложена приложенная нагрузка Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси – абсолютное удлинение ∆l образца. Такие диаграммы строят по результатам растяжения образцов на специальных испытательных разрывных машинах. Полученная кривая позволяет судить о прочности образца на растяжение.
Начальный прямолинейный участок 0-Р_пц характеризует упругость образца, пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р_пц – нагрузка при пределе пропорциональности).
Точка Р׳_т резкого перегиба кривой определяет величину нагрузки при верхнем пределе текучести. Участок Р׳_т-Р_т (площадка текучести), параллельный горизонтальной оси 0-∆l, в пределах которого образец удлиняется при постоянной внешней нагрузке.
Точка Р_в отмечает наибольшую растягивающую силу – нагрузку при пределе прочности, по которой рассчитывают предел прочности материала образца.
Точка Р_к определяет величину растягивающей силы в момент разрушения образца.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) – это напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца: σ_в=P_в/F, где F – площадь поперечного сечения образца перед испытанием, мм 2 (м 2 ); Р_в – наибольшая растягивающая сила, кгс (Н).
Предел текучести (физический) – это наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется): σт=P_т/F, где Р_т – нагрузка растяжения, вызывающая удлинение образца на площадке текучести, кгс (Н).
Предел текучести условный (технический) σ_0,2 – это напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%: σ_0,2= Р׳_т/F, где Р_т – нагрузка растяжения в начале площадки текучести, кгс (Н).
Предел пропорциональности σ_пц – условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями: σ_пц=Р_пц/F, где Р_пц – нагрузка в конце площадки упругости, кгс (Н).
Истинное сопротивление разрыву – это напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образца в шейке: Sк=P_к/F, где Р_к – нагрузка в момент разрыва образца, кгс (Н); F – истинное сечение образца в момент разрыва, мм 2 (м 2 ).
Относительное удлинение δ и относительное сужение – φ определяются по формулам: δ=∆l/l∙100%, φ=(F-F)/F∙100%, где ∆l=l₁-l – абсолютное удлинение образца при разрыве; l₁ – длина образца в момент разрыва; l – первоначальная длина образца; F – первоначальная площадь поперечного сечения образца; F – площадь образца после разрыва.

1. Какие основные механические свойства металлов и сплавов?
2. Какие характерные участки имеет диаграмма растяжения?
3. Как определяется предел прочности и текучести?

Механические свойства металлов и сплавов

Область применения металлов определяется их основными механическими свойствами. Выделяют много параметров, которые могут использоваться для определения качества стали. Механические свойства металлов и сплавов могут существенно отличаться, что связано с химическим составом, особенностями структуры и тем, была ли проведена термическая обработка. Рассмотрим все особенности механических свойств металлов подробнее.

Основные механические показатели

Металлы получили широкое применение благодаря тому, что могут обладать различными эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получили следующие:

1. Твердость определяется несколькими методами при использовании соответствующей оснастки.
2. Предел прочности учитывается при производстве различных деталей, которые на момент эксплуатации подвержены воздействию различных нагрузок.
3. Упругость — способность металла или сплава возвращать свою форму после того, как на поверхность перестает воздействовать нагрузка. Металлы обладают относительно невысоким показателем упругости.
4. Под ударной вязкостью понимают сопротивление материала воздействию ударных нагрузок. Учитывается при производстве деталей, на которые в дальнейшем будет оказываться переменная нагрузка.
5. Ползучестью называют свойство металла или сплава к медленной пластичной деформации при воздействии нагрузок. Как правило, параметр проявляется при воздействии высокой температуры, когда начинает перестраиваться кристаллическая решетка.
6. Выделяют и усталость металла. Эта характеристика указывает на то, как материал будет разрушаться при воздействии большого числа повторно-переменных нагрузок. Кроме этого, выделяют выносливость — способность материала выдерживать подобные нагрузки.
7. Точка плавления. Металлы и сплавы могут переходить из твердого состояния в жидкое при воздействии высокой температуры. Плавка может проходить при различных показателях температуры, которые и называют точной плавления.

Рассмотрим некоторые наиболее важные механические показатели, которые указываются в технической литературе.

Твердость материала

Твердость — характеристика, которая определяет способность одного металла сопротивляться проникновению в него другого твердого тела. Этот показатель один из основных, учитывается при производстве различных деталей, инструментов и изделий.

Выделяют несколько методов определения этого показателя:

1. По Бринеллю проводится определение твердости поверхности путем плавного увеличения оказываемой нагрузки. Для этого используется стальной шарик, который вдавливается под воздействием определенного давления. После проведения испытания проверяется диаметр отпечатка и высчитывается то, какая твердость у тестируемой поверхности. Измеряется твердость в HB .
2. По Роквуллу тестирование проводится при использовании алмазного конуса стандартного типа. Кроме этого, подходит и шарик диаметром 1,588 мм из закаленной стали. По данному методу показатель твердости получается в определенных единицах измерения.
3. По Виккурсу определяют твердость поверхности также при использовании специального алмазного наконечника. Выполнен он в виде пирамиды с четырьмя гранями. Как и при измерении по Бринеллю, на наконечник оказывается давление, после чего измеряется отпечаток и проводятся вычисления показателя твердости.

Высокая твердость часто определяет хрупкость структуры. Существует много различных методов повышения твердости поверхности, большая часть предусматривает выполнение термической и химической обработки.

Предел прочности

Под пределом прочности понимают величину, которая численно равна наибольшей нагрузке, приложенной к образу при растяжении, разделенной на площадь поперечного сечения. Указывается в кг/мм 2 .

К особенностям определения этого показателя можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Для проведения теста используется специальная разрывная машина.
2. На момент прикладывания нагрузки может наблюдаться удлинение образца.
3. В некоторый момент происходит скачок показателя на растяжение.

После достижения определенного показателя образец начинает удлиняться с большей скоростью. Для более точного определения предела прочности проводится создание графика, на котором и отмечается точка скачка скорости растяжения.

Предел текучести

Практически все металлы и сплавы могут находиться в двух основных агрегатных состояниях: жидком и твердом. Предел текучести — показатель, определяющий напряжение, при котором на момент деформации образца указатель нагрузки на применяемой разрывной машине остается неизменным. Этот показатель учитывается при изготовлении различных заготовок, которые в дальнейшем будут использоваться под нагрузкой.

Механические свойства металлов и сплавов.

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность оценивается величиной предела прочности при растяжении: (сигма)=P/f, где P – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается;

F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца (м 2 ). Значение предела прочности определяется в Па или МПа.

Твердость – это способность материала сопротивляться царапанию или вдавливанию в него какого-либо тела. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бринелля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно HB и HRC. Твердость по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки (Р) при вдавливании на площадь сферического отпечатка (f), диаметр которого измеряется после снятия нагрузки:

Чем меньше диаметр отпечатка, тем тверже металл.

Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его поперечного сечения называется пределом упругости. Предел упругости измеряется в МПа. Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Ударная вязкость– это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м 2 ) в месте надреза. Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с разрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затрачиваемая на излом.

Пластичность– это способность материала, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение.

Хрупкость – это способность материала под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться.

Химические свойства металлов определяются способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и переходить в состояние положительно заряженных ионов. Указанное свойство определяет особенности химического взаимодействия металлов и сплавов с агрессивными средами. Химические свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относится их способность к формоизменению (ковкость, свариваемость и т. д.). Важное значение имеет жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять и точно воспроизводить литейную форму.

Функциональные или эксплуатационные свойства включают в себя хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и другие характеристики материалов, определяемые услови­ями их работы.

Металлы периодической системы химических элементов делят на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные, или точнее, нежелезные (все остальные металлы)

Черные металлы имеют: темно-серый цвет; большую плотность (кроме щелочно-земельных металлов;) высокую температуру плавления; относительно высокую твердость; обладают полиморфизмом (способностью существовать в различном кристаллическом состоянии).

К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – чугуны и стали. На их долю приходится 95 % производимой в мире металлопродукции, а на цветные – только 5 %.

Цветные металлыимеют: характерную окраску (красную, желтую, белую; обладают пластичностью; малой плотностью; относительно низкой температурой плавления; характерно отсутствие полиморфизма.

Основные типы сплавов.

Для описания свойств сплавов в металловедении используют понятия: система, фаза, компонент.

Системойназывают совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (температуре, давлении).

Фазойназывают однородную по химическому составу, кристаллическому строению и свойствам часть системы, отделенную от других ее частей поверхностью раздела. Однофазной системой является, например, однородная жидкость, твердый чистый металл; двухфазной — механическая смесь двух видов кристаллических веществ.

Компонентаминазывают вещества, образующие систему. Компонентами могут быть элементы (металлы и неметаллы), а также химические соединения. По числу компонентов различают двойные, тройные и многокомпонентные сплавы.

Сплавы, находящиеся в твердом состоянии, делят по составу на три группы: твердый раствор, химическое соединение, механиче­ская смесь компонентов.

Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ – конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Папиллярные узоры пальцев рук – маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Механические свойства металлов и сплавов

К механическим свойствам металлов и сплавов относят прочность, упругость, пластичность, твердость, вязкость, выносливость (усталость). Зная механические свойства, можно правильно и обоснованно выбирать соответствующий материал, обеспечивающий надежность и долговечность конструкции при ее минимальной массе.

Механические свойства характеризуют поведение материала под действием приложенных механических сил (нагрузок). Механические свойства определяются при механических испытаниях по специально разработанным методам.

Статические испытания — на растяжение, сжатие, изгиб, твердость, кручение при статическом нагружении. Статические нагрузки прикладываются постоянно или плавно возрастают. Основные статические испытания — на растяжение (ГОСТ 1497—84) на разрывных машинах с построением диаграммы (кривой) растяжения. Эти испытания определяют свойства прочности (а_в, ад) и пластичности (5, ц/) материала.

Динамические испытания — на ударный изгиб при динамическом нагружении. Динамическая нагрузка — ударная, возрастает резко с большой скоростью. Динамические нагрузки чаще всего являются причиной хрупкого разрушения материала. Испытания проводят на приборе — маятниковом копре (ГОСТ 9454—78) на специальных образцах с надрезом. Надрез является концентратором напряжений. При этом определяется ударная вязкость КС.

Усталостные испытания при знакопеременном (циклическом) нагружении. Знакопеременные нагрузки — многократные прикладываемые, изменяющиеся по величине и направлению. При этом развивается явление, которое носит название усталости металла — постепенное накопление повреждений (трещин), приводящих к разрушению. Испытания проводят методом изгиба при вращении (ГОСТ 25.502—79).

Другие виды испытаний:

• • испытания на жаропрочность;
• • технологические испытания на изгиб, осадку, перегиб, выдавливание (для определения способности металла к пластическому деформированию).

Прочность — способность металла сопротивляться деформациям и разрушению под воздействием внешних сил.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву, а_в) — напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец металла до разрушения. Предел прочности характеризует прочность как сопротивление значительной равномерной пластичной деформации (рис. 1.1).

Предел прочности рассчитывается по формуле

где Pq — величина нагрузки, при которой на образце начинает образовываться шейка при его растяжении; Fq — площадь поперечного сечения образца до испытаний.

Рис. 1.1. Диаграмма деформирования материала при его нагружении

Предел упругости — характеризует сопротивление металла малой пластической деформации. Так как практически невозможно установить точку перехода металла в неупругое состояние, то устанавливают условный предел упругости — максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию. Принято считать напряжение, при котором остаточная деформация очень мала (0,005. 0,05 %). В обозначении указывается значение остаточной деформации, например ао_;о5-

Условный предел текучести (а 2) характеризует сопротивление малым пластическим деформациям. Условный предел текучести рассчитывают по формуле

Предел пропорциональности (а_Пц) — максимальные напряжения, при которых выполняется закон Гука.

Разрушение наступит в точке С (рис. 1.1) при резком уменьшении поперечного сечения образца. Истинное сопротивление разрыву S_k (напряжения при разрушении образца) определяется по формуле

где Р_к — величина нагрузки, при которой образец разрушается; F_k — площадь поперечного сечения образца после испытаний.

Пластичность — способность материала к пластической деформации, т. е. его способность, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Это свойство используют при обработке металлов давлением. Пластичные материалы более надежны в работе, так как для них меньше вероятность опасного хрупкого разрушения. При испытании на растяжение пластичность характеризуется относительным удлинением 5, которое соответствует отношению приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине в процентах.

Твердость — характеризует способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого стандартного тела (индентора), не получающего остаточных деформаций, при местном контактном воздействии в поверхностном слое.

О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания (методы Бринелля и Виккерса) под воздействием заданной силы Р. На рис. 1.2 приведены схемы определения твердости по Виккерсу, Бринеллю (ГОСТ 9012—59) и Роквеллу (ГОСТ 9013—59).

Определение твердости по методу Бринелля применяется для сырых или слабо закаленных металлов, так как при больших нагрузках шарик деформируется и показания искажаются. Твердость по Бринеллю обозначается как НВ, например НВ 250.

Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности пластичных материалов существует следующая зависимость:

Рис. 1.2. Схемы определения твердости: а — по Бринеллю; б — по Роквеллу; в — по Виккерсу где к — коэффициент пропорциональности; для стали с твердостью до НВ 175 А: = 0,34; для стали с твердостью выше НВ 175 к = 0,35; для отожженной меди, бронзы и латуни к = 0,55; для алюминиевых сплавов к = 0,36. 0,38.

Твердость по методу Виккерса рассчитывается как отношение приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка и обозначают как HV150. Преимущество метода Виккерса в том, что им можно измерять твердость любых материалов, в том числе тонких изделий и поверхностных слоев. Метод имеет высокую чувствительность и точность.

Вязкость — способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации. Вязкость является энергетической характеристикой материала и выражается в единицах работы. Вязкость металлов и сплавов зависит от их химического состава, термической обработки и других внутренних факторов. Кроме этого, вязкость зависит и от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения, наличия концентраторов напряжения).

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н) — удельная работа разрушения. Испытание металла на ударную вязкость проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. По ГОСТ 9454—78 ударную вязкость обозначают как KCV, KCU и КСТ, где КС — символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т). Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению.

Хладноломкость — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. С повышением температуры вязкость металла увеличивается (рис. 1.3). При изменении температуры предел текучести сто 2 также существенно изменяется, а сопротивление отрыву ctqt не зависит от температуры. При температуре выше Г_в предел текучести меньше сопротивления отрыву. При увеличении нагрузки сначала происходит пластическое деформирование, а затем разрушение. Металл при этом находится в вязком состоянии.

В технике за порог хладноломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40 °С.

Рис. 1.3. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Испытания на выносливость (ГОСТ 25.502—79) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость — разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность — способность материала сопротивляться усталости. Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях «изгиб при вращении». Основные характеристики усталостной прочности:

• • предел выносливости— максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за произвольно большое число циклов нагружения;
• • ограниченный предел выносливости— максимальное напряжение, выдерживаемое металлом за определенное число циклов нагружения или время;
• • живучесть— разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещины.