Какие свойства металлов и сплавов относятся к физическим

КРИТЕРИИ ОЦЕНИВАНИЯ ТЕЗУЛЬТАТОВ ТЕСТИРОВАНИЯ:

Критерии оценки:

Оценка «5» (отлично) обучающийся выполнил весь объем задания, допущена одна неточность в алгоритме выполнения задания.

Оценка «4» (хорошо) обучающийся выполнил более 70% задания, допущены 3-4 неточности в алгоритме выполнения задания.

Оценка «3» (удовлетворительно) обучающийся выполнил более половины задания, допущены менее половины неточностей.

Оценка «2» (неудовлетворительно) обучающийся выполнил менее половины задания, в
алгоритме выполнения задания допущены значительные отклонения.

ИТОГОВЫЙ БАЛЛ ВЫСТАВЛЯЕТСЯ КАК СРЕДНЕЕ АРИФМЕТИЧЕСКОЕ 2-х
ЧАСТЕЙ.

Тема «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости»

Образовательная цель: изучить механические свойства металлов и сплавов; рассмотреть особенности методов определения твердости, их преимущества и недостатки, возможности применения.

Развивающая цель: развивать у студентов рациональные приемы и способы мышления, познавательной активности, анализа и применения информации.

Воспитательная цель: прививать интерес к учебной дисциплине и избранной специальности; воспитывать стремление к получению качественных знаний и дальнейшему самостоятельному освоению полученных знаний.

Тип занятия: усвоения новых знаний.

Методы обучения : объяснительно-иллюстративный, репродуктивный, опытно-экспериментальный.

Форма занятия : лекционное занятие с использованием активных методов работы со студентами.

Средства обучения:

- дидактическое обеспечение: презентация к учебному занятию, раздаточный материал (таблица со сравнением методов определения твердости, обозначения и определения величин механических свойств), тестовые задания по теме занятия;

- материально-техническое обеспечение: демонстрационный материал (черствый и мягкий хлеб, пластины из разного металла, листовая сталь, стальной гвоздь), мультимедийный проектор, компьютер.

Межпредметные связи: история, спец.технология, производственное обучение, химия, физика.

Студенты должны знать: свойства металлов, методы исследования свойств.

Студенты должны уметь: предсказывать свойства путем опытов или исследований механических свойств металлов, формировать умения управлять своей учебной деятельностью.

Девиз : Просто знать – это не все, знания нужно использовать.

Ход занятия

I . Организационный этап (2 мин.).

- проверка наличия и готовности студентов к занятию (доклад старосты).

II . Мотивация учебной деятельности студентов (8 мин.).

* информация об основных этапах занятия.

Преподаватель: Мы продолжаем изучать свойства металлов и сплавов, потому что металлы и сплавы являются наиболее распространенными техническими материалами, широко используемыми в машиностроении и различных отраслях промышленности. Если достаточно внимательно посмотреть вокруг - где бы вы ни были: дома, на улице или в транспорте – вы увидите, какое множество металлов и сплавов трудится вокруг нас и для нас. Еще в 1556 году Георг Агрикола (основатель минералогии) сказал: «Человек не может обойтись без металлов. Если бы не было металлов, люди влачили бы самую омерзительную и жалкую жизнь среди диких зверей».

Преподаватель : Очень важно знать какими свойствами обладают металлы и сплавы. Мы уже знаем о физических, химических, технологических свойствах материалов. А сегодня мы продолжим изучать свойства металлов и сплавов и узнаем, какими методами определяется твердость металлов. После изучения новой темы Вам предстоит выполнить тестовые задания на закрепление новой темы.

Цели сегодняшнего занятия представлены на слайде № 2 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости» (Приложение № 1).

*обоснование профессиональной значимости занятия

Преподаватель : Ваша будущая профессиональная деятельность связана со сваркой металлов, которая в свою очередь является одним из производственных процессов в современном машиностроении. Главным требованием к процессу сварки является высокое качество сварных швов соединений, т.е. достижение необходимых механических свойств металла шва близких к основному металлу.

Получение необходимых механических свойств и предотвращение дефектов зависит не только от правильного выбора технологии сварки, исправности оборудования, квалификации сварщика, но и от состава и качества свариваемых технических материалов.

III . Актуализация опорных знаний студентов (10 мин.).

Преподаватель: Повторим материал прошлых занятий.

У доски студент разгадывает кроссворд на тему «Материаловедение. Свойства металлов и сплавов» (Приложение № 2).

Для остальных обучающихся проводится фронтальный опрос:

1. Что такое металлические сплавы?

2. Какие сплавы относятся к железоуглеродистым?

3. Какие свойства металлов и сплавов относятся к физическим?

4. Что такое коррозия металлов?

5. Какие свойства металлов и сплавов относятся к технологическим?

Сложные вещества, которые образуются при сплавлении (спекании, диффузии) нескольких металлов, или металлов с неметаллами.

Цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, магнитные свойства.

Коррозия – разрушение металла под действием внешней среды.

Обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства.

IV . Формирование новых знаний (40 мин.).

План изучения темы.

1.Механические свойства металлов и сплавов.

2. Методы определения твердости.

1. Механические свойства металлов и сплавов

Преподаватель : Надёжность и долговечность в эксплуатации деталей машин, механизмов, металлоконструкций, их технико-экономическая эффективность во многом зависят от правильного выбора конструкционного материала, от технологии изготовления и условий эксплуатации. При эксплуатации изделие может длительное время выдерживать статические, динамические, переменные нагрузки, часто при низких температурах и в агрессивных средах. Поэтому существуют определенные требования к свойствам конструкционного материала: прочность, сопротивление хрупкому разрушению, сопротивление вязкому разрушению, сопротивление ударным нагрузкам, и др. Свойство – это количественная или качественная характеристика материала, определяющая его общность или различие с другими материалами.

Механические свойства характеризуют сопротивление материала деформации, разрушению под действием внешних сил.

К ним относятся упругость, прочность, пластичность, ударная вязкость и твердость.

Студенты конспектируют в тетрадях определения механических свойств, используя демонстрацию слайдов № 3,4,5,6,7,8,9презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Прочность - это способность металла или сплава противостоять деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок - растягивающих, сжимающих, изгибающих, скручивающих и срезающих.

Упругостью называется способность металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после прекращения действия внешней нагрузки.

Происхождение терминов: Термин “упругость” впервые ввел в употребление великий русский ученый М.В. Ломоносов.

Пластичностью называется способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Термин “пластичность” происходит от греческого слова, означающего «лепной, скульптурный».

Ударной вязкостью называется способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок.

Твердостью называется способность металла или сплава оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

При повторении материала первого вопроса используем демонстрацию слайда № 9 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Преподаватель : Для определения таких механических свойств как прочность, упругость, пластичность образцы металлов и сплавов испытывают на статистическое напряжение на разрывных машинах, вызывая в них напряжения и деформации. Демонстрация слайда №11презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1). Студенты изучают виды деформаций (Приложение №5).

2. Методы определения твердости.

Студенты на основании проведенных рассуждений и опыта с хлебом и с помощью преподавателя делают вывод о том, что твердость - это сопротивление материалов вдавливанию в них другого тела, а также вывод о том, что твердость металлов нужно измерять более твердыми, чем они, материалами и при больших усилиях.

Демонстрация слайда №12 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

Преподаватель: Посмотрите, как выглядят твердомеры – приборы для определения твердости. Эти приборы предназначены для определения твердости различными методами, но они очень похожи. В каждом твердомере есть столик на который помещается испытываемый образец и индентор – наконечник, который вдавливается в образец. В стойке твердомера размещены грузы, под действием которых осуществляется вдавливание индентора.

Преподаватель: Рассмотрим три самых распространенных метода определения твердости, которые названы по фамилии ученых их предложивших. Это методы Бринелля, Роквелла и Виккерса.

Преподаватель объясняет новый материал, используя слайды № 13,14,15 презентации. По каждому методу отмечается – наконечник (индентор), нагрузки, принцип определения твердости, какие материалы можно испытывать, обозначение твердости.

По методу Бринелля в материал под определённой нагрузкой (обычно 30 кН) вдавливается твёрдый металлический шарик (обычно диаметром 10 мм). Отношение приложенной нагрузки к площади шаровой поверхности отпечатка даёт число твёрдости по Бринеллю ( HB ).

Метод Бринелля был достаточно простым, но не применимым для закалённых сталей (так как индентор - закаленный шарик сам будет деформироваться при испытании закаленных сталей и других твердых материалов), и оставлял слишком большой отпечаток, чтобы рассматриваться как неразрушающий.

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Бринелля.

По методу Роквелла существует 11 шкал определения твердости ( A ; B ; C ; D ; E ; F ; G ; H ; K ; N ; T ), основанных на комбинации «индентор (наконечник) — нагрузка». Наиболее широко используются два типа индентеров: шарик из карбида вольфрама диаметром 1/16 дюйма (1,5875 мм) или такой же шарик из закалённой стали и конический алмазный наконечник с углом при вершине 120°. Возможные нагрузки — 500Н, 900Н, 1400Н. Величина твёрдости определяется как относительная разница в глубине проникновения индентора при приложении основной и предварительной (100 Н) нагрузки. Для обозначения твёрдости, определённой по методу Роквелла, используется символ HR , к которому добавляется буква, указывающая на шкалу по которой проводились испытания ( HRA , HRB , HRC ).

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Роквелла.

По методу Виккерса : Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса, благодаря использованию маленьких нагрузок и большого угла при вершине пирамиды, позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов.

Твёрдость по Виккерсу во всех случаях обозначается буквами HV . Основными параметрами при измерении твёрдости по Виккерсу являются нагрузка Р от 50 до 1000 Н и время выдержки 10—15 с.

Просмотр видеоролика определения твердости по методу Виккерса.

Преподаватель: Есть еще один очень простой метод определения твердости материала. Преподаватель вместе со студентами проводит опыт по царапанию алюминиевой, медной и стальной пластин гвоздем.

Студенты и преподаватель делают вывод о том, что глубина и ширина царапин, полученных при одинаковых усилиях, зависит от твердости материала.

Преподаватель: Для определения твердости по царапанию имеются специальные приборы. Твердость по царапанию характеризует сопротивление разрушению и определяется путем царапания поверхности материала алмазным конусом с углом при вершине 90°, при определенной нагрузке. Характеристикой твердости обычно является величина, обратная ширине царапины, полученной при данной нагрузке.

Сравнительные характеристики методов и возможности их применения

Преподаватель: Сегодня мы много узнали о таком механическом свойстве металлов и сплавов как твердость, я прошу обратить ваше внимание на три основных метода, используемых для определения твердости металлов – это методы Бринелля, Роквелла и Виккерса. Раздает распечатки таблицы – Сравнение основных методов определения твердости. (Приложение № 3 ).

Преподаватель и студенты вспоминают самые важные отличия этих методов – индентор, нагрузки, методика проведения испытания, обозначение числа твердости и материалы для испытания. Повторяют что такое твердость.

V . Систематизация полученных знаний и проверка качества усвоения нового материала (18 мин).

1. Повторение определений основных механических свойств. Демонстрация слайда № 17 презентации «Механические свойства металлов и сплавов. Методы определения твердости». (Приложение № 1).

2. Выполнение тестовых заданий ( Приложение № 4) .

УІ. Итоги урока (2мин).

1.Анализ работы студентов и их оценивание.

2. Выдача домашнего задания:

- повторить физические, химические и механические свойства металлов, подготовиться к тесту по данным темам.

Список использованных источников

1. Солнцев Ю.П. Материаловедение: учебник для студентов учреждений СПО / Ю.П. Солнцев, С.А. Вологжанина, А.Ф. Иголкин – М: Академия, 2013.-496 с.

2. Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение: учебник для технических колледжей / Ю.Т. Вишневецкий.- 4-е изд. – М: Дашков и КО, 2009. – 670с

3. Металловедение: учебник для техникумов / А. И. Самохоцкий, М.Н. Кунявский, Т.М. Кунявская и др. – изд. 4-е, перераб. и доп. – М: металлургия, 1990. – 416 с.

Свойства металлов и сплавов: механические, физические, химические

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.

К физическим свойства относят:
- цвет
- плотность
- температуру плавления
- теплопроводность
- электропроводность
- магнитные свойства

Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м 3 ) и тяжелые.

Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 о С, тантал – 2950 о С и др.) и легкоплавкие (олово – 232 о С, свинец – 327 о С). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).

Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.
Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.
Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.

К химическим свойствам относят:
- коррозионную стойкость
- жаростойкость

Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).

Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах

Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:
- емкости для перевозки химических реактивов
- трубопроводы химических веществ
- приборы и инструменты в химической промышленности

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства — характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная)– характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением — это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием — характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

1. Износостойкость– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

2. Коррозионная стойкость (см. Электрохимическая и химическая коррозия металлов) – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость (см. Жаростойкость. Жаростойкая сталь. Жаростойкие сплавы.) – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Механические, физические, химические и технологические свойства металлов

Механические свойства характеризуют способность материа­лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес­ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои раз­меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели­чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость мате­риала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диа­метром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F₀, МПа:

Деформация характеризует изменение размеров образца под дей­ствием нагрузки, %:

где l₁ — длина растянутого образца.

Деформация может быть упру­гой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остаю­щейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения ис­пытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у — это максимальное напряжение при кото­ром в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в — это на­пряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи­вает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение при­ращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень­шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь­ному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе­мый образец твердого наконечника различной формы.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердо­сти по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действую­щей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавли­вание производится под действием двух нагрузок — предваритель­ной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех­гранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сече­ния F; Дж/м 2 :

Испытания проводятся ударом специального маятникового коп­ра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам материалов относится плотность, тем­пература плавления, электропроводность, теплопроводность, магнит­ные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного матери­ала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые кон­струкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плав­ления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хоро­шо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, осо­бенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важ­ным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничи­ваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризу­ют способность материала расширяться при нагревании. Это свой­ство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке желез­нодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способнос­тью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различ­ных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаро­стойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического ма­териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивлять­ся разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства харак­теризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоя­нии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизво­дить ее очертания (жидкотекучестъю), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различ­ным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость опре­деляется способностью материалов образовывать прочные сварные сое­динения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обла­дающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо­ложения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе­ние с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия ком­понентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механи­ческие смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристалличес­кую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состо­ящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения ком­понентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химичес­кой формуле А_mВ_n . Химическое соединение имеет свою кристалли­ческую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структу­ру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы заме­щения образуются в результате частичного замещения атомов крис­таллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную струк­туру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определен­ном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обо­значают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния показывает строе­ние сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера­туры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения спла­вов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начина­ется кристаллизация. В нижней критической точке, которая называ­ется точкой солидус (t_c), кристаллизация завершается. Кривая охлаж­дения механической смеси (рис. 8, а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8, б) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики.

Эвтектикой на­зывают механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовав­шихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химичес­кий состав и образуется при постоянной температуре.

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концен­трация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазо­вых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодейству­ют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов раз­личных концентраций. При построении диаграммы критические точ­ки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния на ко­торой при охлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, а линия на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния

Диаграмма состояния сплавов, обра­зующих механические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом спла­ве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке СD — компонента В. Линия DСВ является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоян­ной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке С диаграммы называются эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику.

Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называ­ются доэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтекти­ки. Те сплавы которые на диаграмме расположены правее эвтектичес­кого, называются заэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженные эвтектикой.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимос­тью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твер­дого раствора а. На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердый раствор β компонента А в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух пре­дыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия АDСЕВ — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтек­тический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов α_IIи β_II(вслед­ствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Про­цесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соеди­нение (рис. 12) характеризуется наличием вертикальной линии, соот­ветствующей соотношением компонентов в химическом соединении А_mВ_n. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рас­сматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изоб­ражена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образу­ет с химическим соединением механическую смесь.

Свойства металлов

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м 3 или г/см 3 .

Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.

Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см 2 , длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).

Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Химические свойства металлов

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

Окисление металлов — это реакция соединения металла с кислородом, сопровождающаяся образованием окислов (оксидов). Если рассмотреть окисляемость шире, то это реакции, в которых атомы теряют электроны и образуются различные соединения, например, хлориды, сульфиды. В природе металлы находятся в основном в окисленном состоянии, в виде руд, поэтому их производство основано на процессах восстановления различных соединений.

Растворимость металлов — это их способность образовывать с другими веществами однородные системы — растворы, в которых металл находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц. Металлы растворяются в растворителях, в качестве которых выступают сильные кислоты и едкие щелочи. В промышленности наиболее часто используются: серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи — едкий натр и едкий калий.

Механические свойства металлов

К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердостью металлов называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость металлов — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).

Вязкость металлов — это способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.

Пластичность металлов — это свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.

Технологические свойства металлов

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

Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.

Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.

Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.

Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.

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 качество готовых изделий.

Читайте также:

  
• Металлическая трубка с отверстиями
  
• Что можно сделать из отходов металла
  
• Зависимость сопротивления металлов и полупроводников от температуры
  
• Что можно сделать из металлического квадрата
  
• Продолговатые отверстия в металле