Классификация свойств металлов и сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

КЛАССИФИКАЦИЯ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

· физические;

· химические;

· механические;

· технологические

1. Физические свойства металлов и сплавов определяются цветом, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепловым расширением, тепло- и электропроводностью» а также магнитностью.

2. К химическим свойствам металлом следует отнести их способность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высоких температурах.

3. Механическими свойствами металлов и сплавов называется совокупность свойств, характеризующих способность материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок). К таким свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.

4. Технологические свойства металлов и сплавов характеризуют их способность поддаваться различным методам горячей и холодной обработки.

Механические свойства - характеризуют определенное поведение материала при воздействии внешних нагрузок. Неодинаковы в зависимости от характера нагрузки.

Прочностные свойства (прочность, твердость, упругость)- свойство сопротивляться внешним воздействиям

Пластические свойства (пластичность)- способность изменять размеры и форму без разрушения

ХАРАКТЕР НАГРУЗКИ:

· статический (нагрузка изменяется медленно и возрастает плавно или остается постоянной в течении длительного времени);

· динамический (нагрузка возрастает с большей скоростью);

· циклический (нагрузка изменяется во времени).

Механические испытания в зависимости от характера изменения и времени действия нагрузок разделяют на статические динамические, усталостные (циклические).

МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

1. Статические

· на растяжение;

· на твердость (HB, HRC, HV)

· на ударную вязкость

2. Динамические

· на ударную вязкость (КС)

3. Циклические

· На усталость

СТАТИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ МЕТАЛЛОВ

1. Испытание на растяжение при комнатной температуре.

Испытания проводятся на разрывных испытательных машинах, материал подвергают действию плавно возрастающей нагрузки.

Образцы определенного сечения постепенно нагружают в продольном направлении и таким образом растягивают в длину. Удлинение выражают в процентах от первоначальной длины образца. В результате такого испытания получают диаграмму растягивающая сила Р - абсолютное удлинение образца, характеризующую поведение металла под нагрузкой.

Для получения удельных механических характеристик данного материала, не зависящих от размеров образцов, диаграмма деформации при растяжении строится в координатах - растягивающее напряжение () - относительное удлинение ().

=P/F₀; =/₀100%

где Р - растягивающая сила, Н;

F₀ - исходная площадь поперечного сечения образца, мм²;

- абсолютное удлинение, мм;

₀- расчетная длина образца до испытания, мм.

Диаграмма - отличается от диаграммы Р - только масштабом.

При малых нагрузках остаточная деформация не возникает и образец после снятия нагрузки принимает исходную длину - он ведет себя упруго. В пределах этой области упругой деформации нагрузка пропорциональна деформации:

=E ,

где Е - коэффициент пропорциональности, модуль Юнга, МПа.

Крутизна подъема определяется как отношение напряжения к деформации. Коэффициент Е графически равен tg и характеризует упругие свойства материала.

При заданной величине напряжения с увеличением модуля уменьшается величина упругой деформации, т.е. возрастает жесткость материала. Поэтому модуль Е также называют модулем жесткости. Величина зависит от природы и изменяется незначительно при изменения его состава, структуры и термической обработки.

Размерность модуля упругости - МПа.

Если напряжение продолжает расти и материал переходит через предел упругости, то в образце будет накапливаться пластическая деформация. Теперь после снятия нагрузки образец не возвращается к исходной длине, а становится длиннее в соответствие с той долей, которую составляет пластическая деформация от общей. Сначала пластическая деформация распределяется равномерно по всей дни не образца, но при дальнейшем росте напряжения она сосредотачивается в какой-то одной зоне. В этом месте образец начинает сужаться (образуется «шейка») его поперечное сечение быстро уменьшается, и. наконец, наступает катастрофа - целостность материала нарушается, образец рвется.

Кривая растяжения позволяет установить многие важные характеристики материала:

· предел пропорциональности (_пц) - наибольшее напряжение при котором деформация прямо пропорциональна нагрузке;

· предел упругости (_0,05) - условное напряжение, соответствующее появлению остаточных деформаций заданной величины (0,05%);

· физический предел текучести (_т) - условное напряжение, соответствующее наименьшей нагрузке, когда деформация образца происходит без увеличения нагрузки («площадка текучести»);

· условный предел текучести (_0,2) -применяется в том случае, если нет «площадки текучести. «_0,2» - условное напряжение, при котором остаточная деформация достигает величин 0,2%.

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца. В точке Р_B, нагрузка достигает максимального значения.

· предел прочности (временное сопротивление)(_B ) - условное напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, выдерживаемой образцом.

Пластичность металлов характеризуют следующие величины:

Относительное удлинение - отношение прироста длины образца после разрыва к первоначальной расчетной длине.

Относительное сужение - отношение наибольшего уменьшения поперечного сечения (в месте разрыва) к первоначальной площади поперечного сечения.

На рис. 1 показан примерный вид параметрической диаграммы растяжения малоуглеродистой стали в координатах: абсолютное удлинение ? нагрузка . В качестве параметра здесь выступает время нагружения, которое для простоты обычно не показывают.

Рис. 1. Диаграмма растяжения образца

Так как испытание проводят на гидравлической машине, в которой деформация является первичной

,

а нагрузка вторичной

,

то осью абсцисс (аргументом) является абсолютное удлинение , а осью ординат (функцией) - нагрузка F, т.е. фактически мы имеем зависимость

,

интерпретированную Гуком, проводившим опыты в упруго-пропорциональной зоне нагружения: «каково удлинение, такова сила». Однако в современной трактовке, с учётом того что в реальных условиях эксплуатации машин и сооружений первичной является нагрузка, функциональную зависимость обращают, полагая, что

,

и обсуждают, как изменяется деформация образца в зависимости от нагрузки (какова сила, таково удлинение).

На диаграмме растяжения OABCDEG показаны 7 характерных точек, соответствующих определённому уровню нагрузки и ограничивающих 6 различных зон деформирования:

OA - зона пропорциональности (линейной упругости);

AB - зона нелинейной упругости;

BC - зона упругопластических деформаций;

CD - зона текучести (пластических деформаций);

DE - зона упрочнения;

EG - зона закритических деформаций.

На участке OA смещение атомов монокристаллов пропорционально приложенной нагрузке. Дефекты кристаллической решётки практически не проявляются.

На участке OB материал ведёт себя упруго. Поведение кристаллической решётки на участке AB характеризуется небольшой нелинейностью. Нужно заметить, что на участке пропорциональности OA материал ведёт себя одновременно и как абсолютно упругий (т. B всегда выше т. A).

На участке BC наблюдается нарастающая нелинейность в деформировании кристаллической решётки. Для выхода новых дислокаций (нарушений строения кристаллов) на поверхность монокристаллов требуется всё меньшее приращение внешней нагрузки .

На участке CD, называемом площадкой текучести, происходит лавинообразный выход дислокаций на поверхность, что приводит к значительному удлинению образца при почти постоянном уровне нагрузки, когда

.

свойство металл испытание материал

На участке DE после выхода на поверхность большей части дефектов кристаллической решётки материал самоупрочняется, и образец всё ещё способен воспринимать некоторое приращение нагрузки. Однако расстояние между атомами постепенно достигает критического значения (приблизительно в два раза больше первоначального), за которым происходит «разрыв» внутренних связей. При подходе к т. E деформации начинают локализоваться в области наиболее слабого сечения, где зарождается шейка образца.

На участке EG заканчивается формирование шейки. Происходит лавинообразное разрушение связей, когда процесс деформирования уже необратим и временное равновесие между внутренними силами и внешней нагрузкой возможно только при уменьшении последней. В т. G происходит разрыв образца. Его размеры восстанавливаются на величину упругой деформации, которая на 2 - 3 порядка меньше остаточных пластических деформаций. У многих материалов разрушение происходит без заметного образования шейки.

2. Определение твердости.

Твердость - сопротивление материала пластическому деформированию при вдавливании наконечника.

По величине твердости можно судить о прочностных свойствах материалов не производя испытаний на растяжение.

Твердость материалов тесно связана с их обрабатываемостью и износоустойчивостью.

При определении твердости внешние нагрузки передаются на образец вдавливанием в его поверхность твердого наконечника в виде шарика, конуса, пирамиды.

Методы измерения твердости получили широкое применение благодаря быстроте и простоте, портативности оборудования, а также возможности проводить испытания на готовых деталях без их разрушения.

2.1 Метод Бринелля.

Основан на вдавливании в поверхность испытуемого материала стального закаленного шарика диаметром D под действием нагрузки Р. После снятия нагрузки на поверхности образца, заготовки или детали остается отпечаток, имеющий форму шарового сегмента. Чем тверже металл, тем меньше величина отпечатка

HB = P/F,

где Р - сила вдавливания, Н (кгс);

F - поверхность отпечатка (шарового сегмента), мм².

Диаметр шарика D = 10; 5; 2,5 (мм) выбирают в зависимости от толщины изделия. Определение НВ поданным измерения надежнее и проще. Диаметр отпечатка измеряется измерительной лупой. (HB - стальной шарик, HBW - шарик из твердого сплава, D=10 мм, P=3000 кгс, t=10 сек/

Для ускорения и упрощения испытания составлены таблицы зависимости твердости от диаметра отпечатка. На приборе Бринелля не рекомендуется испытывать металлы с твердостью выше НВ450 во избежание погрешности из-за деформации шарика.

Твердость по Бринеллю измеряется приборами тина ТШ - твердомер с шариковым наконечником.

Между пределом прочности _B и числом твердости НВ для различных металлов установлена следующая примерная зависимость:

для стали _B 3,4 НВ

для алюм. сплавов _B З,5НВ

для медн сплавов _B 4,5 НВ

2.2 Метод Роквелла.

Определение твердости при вдавливании шарика или конуса с предварительным нагружением. В зависимости от твердости материала применяют наконечники 2-х типов: стальные шарики 1,6 мм для испытания металлов малой и средней твердости при суммарной нагрузке 100 кгс (шкала В) и алмазный конус с углом при вершине 120⁰ для испытания твердых материалов при суммарной нагрузке 150 кгс (шкала С) и при суммарной нагрузке 60 кгс (шкала А). Значение твердости по Роквеллу определяется по глубине проникновения в испытуемый образец под действием суммарной нагрузки. Эта глубина выражается в условных единицах и характеризует твердость по Роквеллу HR. Число твердости отсчитывается по круговой шкале индикатора (циферблату). Он имеет 100 делений и 2 шкалы- черную и красную. Каждое деление шкалы соответствует единице твердости. При испытании алмазным конусом отсчеты ведутся по черной шкале, а стальным шариком - по красной.

Пример обозначения: HRA 20, HRB 56, HRC 40

Прибор для измерения - ТК (твердомер конусный).

Число твердости по Роквеллу можно приблизительно перевести в число твердости по Бринеллю при помощи специальных таблиц перевода твердости.

HRC НВ/10

2.3 Метод Виккерса.

Испытания твердости в этом случае производится путем вдавливания алмазной четырехгранной пирамиды с углом 136 градусов между противоположными гранями. В результате вдавливания алмазная пирамида оставляет на испытуемом образце отпечаток, имеющий форму квадрата. Измеряются обе диагонали отпечатка с помощью микроскопа, который является составной частью прибора Виккерса.

Твердость по отпечатку пирамиды определяют делением нагрузки P (кгс) на площадь поверхности отпечатка F (мм²)

HV=P/F.

Нагрузка от 5до 120 кгс.

Благодаря большому углу в вершине пирамиды диагональ отпечатка достаточно велика даже при малой глубине вдавливания что определяет высокую точность и чувствительность этого метода.

Преимущество метода Виккерса - возможность измерения твердости мягких, особотвердых, очень тонких изделий, поверхностных слоев (например, после цементации, обезуглероживание и т.).

Прибор ТП - твердомер пирамидальный.

До НВ 350-400 величины HV и НВ равны, при большей твердости НВ ниже, чем HV

ДИНАМИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ

Детали машин в процессе эксплуатации подвергаются не только статическому нагружению, но и динамическому, т.е. нагрузка возрастает резко.

Бывает быстрое (хрупкое) разрушение 0,5 - 8 скорости звука и медленное (вязкое) 0,18 скор. звука.

Метод определения ударной вязкости.

Вязкость - способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

По физическому смыслу вязкость - энергетическая характеристика и выражается в единицах работы. Принято различать два основных типа разрушения хрупкое и пластическое (вязкое). Для хрупкого разрушения характерным является кристаллический излом, а для вязкого - волокнистый излом.

Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами.

Наряду с этим вязкость зависит от условий, в которых находится металл при работе в изделии. При определенных условиях-факторах один и тот же металл будет находиться в пластическом состоянии, при других - он перейдет в хрупкое состояние.

Хладноломкостью называют склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры.

Порог хладноломкости характеризует влияние снижения температуры на склонность материала к хрупкому разрушению. Его определяют по результатам ударных испытаний образцов с надрезом при понижающихся температурах.

На переход от вязкого разрушения к хрупкому указывают изменения строения излома и резкое снижение ударной вязкости, наблюдаемое в интервалах температур (t_В - t_Х) (граничные значения температур вязкого и хрупкого разрушения).

Порог хладноломкости обозначают интернатом температур (t_В - t_Х) либо одной температурой t₅₀ при которой в изломе образца имеется 50% волокнистой составляющей и величина КСТ снижается.

t₅₀ зависит от структуры, температуры испытаний, концентраторов напряжений. Чем выше предел прочности, тем выше t₅₀. Способом оценки вязкости является определение ударной вязкости.

Ударная вязкость - это работа, затраченная на ударный излом образца. Определяется как отношение работы удара» затраченной на разрушение образца к площади поперечного сечения образца.

Это ударные испытания надрезанных образцов на маятниковых копрах. Для получения сопоставимых результатов испытания проводят на стандартных образцах нескольких типов с надрезами определенной формы. Образец устанавливается на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту. На разрушение образца затрачивается работа

К=P(H-h),

где Р- масса маятника, кг;

H, h - высоты подъема маятника.

КС= К/S,

где S - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора напряжения.

Размерность - Дж/см²; КДж/м²

Ударная вязкость обозначают КCU, KCV, КСТ Буквы КС - символы ударной вязкости, буквы Т,V,U - вид надреза.

УСТАЛОСТНЫЕ ИСПЫТАНИЯ

Усталостные испытания проводят, чтобы определить поведение металлов в условиях повторнопеременного приложения нагрузки. При этом наблюдается более низкая прочность, чем при статических испытаниях. Усталостные разрушения происходят, например, у пружин автоматики, деталей кулачковых и других механизмов, работающих в режиме нагружение - разгружение, растяжение-сжатие, у валов, передающих крутящий момент, деталей, испытывающих вибрацию. За свою жизнь металл «устает». Это происходит вследствие того, то под действием большого числа циклов в наиболее нагруженном или ослабленном месте зарождается и развивается трещина, и образуется участок усталостного излома.

Усталостное разрушение имеет рад характерных признаков. Оно происходит как бы внезапно без заметных внешних признаков деформации.

Под усталостью металла понимают процесс постепенного накопления повреждений под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к уменьшению срока службы изделия, образованию трещин и разрушению.

Свойство металлов противостоять усталости называют выносливостью.

Наибольшее напряжение, которое выдерживает металл без разрушения при повторении заранее заданного числа циклов переменных нагрузок, называют пределом выносливости. Для испытания материалов на усталость применяют гладкие образцы круглого или квадратного сечений. Испытания проводят при помощи изгиба, растяжения-сжатия или кручения. Испытания ведутся на серии образцов (10-15). По полученным данным строят кривую, на которой определяют предел выносливости на базе заданного числа циклов (для стали N=10). Предел выносливости, определяемый в стандартных условиях (симметричный цикл, нормальная температура, отсутствие агрессивной среды и т.д.) обозначают _-1. Размерность предела выносливости - МПа. Предел выносливости существенно зависит от качества обработки поверхности. Между пределом выносливости и пределом прочности существует связь:

_-1=0,6 _B

Существует приблизительно 2 вида кривых усталости:

· кривые с горизонтальным участком типичны для сталей при невысоких температурах;

· кривые без горизонтального участка характерны для цветных сплавов, а также для всех материалов, работающих при высоких температурах или в коррозионной среде.

Работоспособность материала в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии:

1. Критерии прочности - _B, _0,2, Е, HB, HRB - определяют допустимые рабочие напряжения массу и размеры;

2. критерии надежности - ,, KCV, t₅₀ - способность сохранять заданные свойства в процессе эксплуатации;

3. критерии долговечности - _-1 - способность работать в заданных условиях определенное время.

Размещено на Allbest.ru

...