Технологические и эксплуатационные свойства металлов

Обновлено: 08.01.2025

Пластичность характеризует способность материала деформироваться, или растягиваться, под воздействием нагрузки и не разрушаться при этом. Чем более пластичен металл, тем больше он может растягиваться, прежде чем наступит разрушение. Пластичность – это важное свойство металла, поскольку от нее зависит характер разрушения металла под воздействием нагрузки, которое может происходить постепенно или внезапно. Если металл обладает высокой степенью пластичность, он, как правило, разрушается и разрывается постепенно. Прежде чем наступит разрыв, пластичный металл изгибается, и это надежный признак происходящего превышения предела текучести. Металлы с низкой пластичностью хрупки, они разрушаются внезапно, с образованием излома и без предупреждающих признаков.

Пластичность металла прямо связана с его температурой. С ростом температуры пластичность материала возрастает, а по мере снижения температуры она снижается. Металлы, проявляющие свойства пластичности при комнатной температуре, могут становиться хрупкими и разрушаться внезапно при температуре ниже нуля.

Металлы с высоким уровнем пластичности называются пластичными, а металлы с низким уровнем пластичности называются хрупкими. Перед разрушением хрупкие материалы не претерпевают заметной или вообще какой-либо деформации. Удачным примером хрупкого материала может служить стекло. Хрупким металлом, имеющим широкое распространение, можно назвать чугун, в особенности белый чугун.

Пластичность – это свойство, которое позволяет нагружать несколько элементов, имеющих некоторый разброс по длине, не перегружая ни один из них до предела разрушения. Если один из элементов несколько короче, но пластичен, его деформация может быть достаточной для равномерного распределения нагрузки по всем элементам. Практическим примером этого может служить индивидуальное натяжение стальных тросов, из которых состоят канаты подвесных мостов. Поскольку этого нельзя сделать с достаточной точностью, тросы изготовляют из пластичного металла. Когда мости нагружен, те тросы, которые кратковременно оказываются под нагрузкой, превышающей их долю, могут растянуться и, следовательно, переложить часть груза на другие тросы.

Пластичность становится еще более важным свойством для металла, который должен подвергаться дополнительным операциям формоизменения. Например, металлы, которые используются для изготовления кузова автомобиля, должны иметь достаточную пластичность, позволяющую придавать материалу нужную форму.

Особенность, которая важна в связи с характеристиками пластичности и прочности, заключается в их зависимости от соотношения между направлением приложения силы и направлением прокатки материала в процессе его производства. Прокатанные металлы обладают ярко выраженными свойствами направленности. Прокатка удлиняет кристаллы или зерна в направлении прокатки гораздо больше, чем в поперечном ей направлении. В результате прочность и пластичность прокатанного металла, например, листовой стали, наиболее велики в направлении прокатки. В поперечном направлении прочность материала может снижаться даже на 30%, а пластичность – на 50%, по сравнению с параметрами в направлении прокатки. По толщине листа прочность и пластичность еще меньше. У некоторых сталей пластичность в этом направлении очень низкая. Каждому из трех указанных выше направлений присвоено буквенное обозначение. Направление прокатки обозначается буквой «X», поперечное направление – «Y», а направление по толщине – буквой «Z».

Возможно, Вам приходилось видеть испытание на загиб стального листа во время аттестации сварщиков, когда у контрольного образца появлялся излом в основном металле. Наиболее частая причина такого разрушения – параллельность направления прокатки листа и оси шва. Хотя металл может обладать отличными характеристиками в направлении прокатки, воздействие нагрузки в любом из двух других направлений может привести к преждевременному разрушению.

Пластичность металла обычно определяется при помощи испытания на растяжение, которое проводится во время измерения предела прочности металла. Пластичность обычно выражается двумя способами: в виде относительного удлинения и относительного сужения площади сечения.
Поделитесь этим материалом:

Физические свойства металлов

9. Физические свойства металлов

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

Металлическая связь основана на обобществлении электронов, входящих в состав атомов металла. Все электроны на внешних энергетических уровнях атомов металлов обобществленные,

т.е. принадлежат всем атомам вещества. И эти электроны легко отрываются и попадают на энергетические уровни таких же атомов металлов. Постоянно перемещаясь по кристаллической решетке, электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительно заряженными ионами и тем самым связывают их в устойчивую металлическую решетку.

Металлическая связь
– это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществленных электронов.
Разобраться в том, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно, так как все оторвавшиеся электроны становятся общими, соединяясь с ионами. Эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются с другим ионом. Этот процесс продолжается бесконечно. Таким образом, в металлических соединениях атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.

Именно строением металлической связи обусловлены физические свойства металлов.

К физическим свойствам металлов относятся:

Металлический блеск.
Электропроводность и теплопроводность.
Пластичность.
Твердость.
Высокая плотность и температура плавления.

Рассмотрим каждое из свойств более подробно.

Металлический блеск.

Металлический блеск обусловлен металлической связью между атомами, для которой свойственны обобществленные электроны. Они как раз и испускают под воздействием света свои, вторичные волны излучения, которые мы воспринимаем как металлический блеск.

В порошкообразном состоянии большинство металлов теряют металлический блеск и приобретают серую или черную окраску.

Металлический блеск в порошкообразном состоянии сохраняют алюминий и магний.

Прекрасно отражают свет палладий Pd

, ртуть
Hg
, серебро
Ag
, медь
Cu
.

Из алюминия, серебра и палладия, основываясь на их отражательной способности, изготавливают зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Электропроводность и теплопроводность.

Все металлы хорошо проводят электрический ток и имеют высокую теплопроводность, также благодаря наличию металлической связи. При нагревании металла, увеличивается скорость движения электронов. Быстро движущиеся по кристаллической решетке электроны выравнивают температуру по всей поверхности металла, проводя тепло. Высокая теплопроводность металлов используется для изготовления из них посуды.

Высокая электропроводность металлов обусловлена направленным движением электронов в кристаллической решетке при воздействии электрического тока. Серебро Ag

, медь
Cu
, золото
Au
и алюминий
Al
обладают наибольшей электропроводностью, поэтому медь
Cu
и алюминий
Al
используют в качестве материала для изготовления электрических проводов.

Наименьшей электропроводностью обладают марганец Mn

, свинец
Pb
, ртуть
Hg
и вольфрам
W
.

Пластичность.

Пластичность – это физической свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.

Большинство металлов пластично, так как слои атом-ионов металлов легко смещаются относительно друг друга и между ними не происходит разрыва связи.

Наиболее пластичные металлы – золото Au

, серебро
Ag
, медь
Cu
. Из золота
Au
можно изготовить тонкую фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.

Именно на пластичности металлов основано кузнечное дело и возможность изготавливать различные предметы с помощью механического воздействия на металл.

Все металлы (кроме ртути) при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Твердость металлов различна. Наиболее твердыми являются металлы побочной подгруппы шестой группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Наименее твердыми являются щелочные металлы.

По плотности металлы классифицируют на легкие (их плотность от 0,53 до 5 г/см3) и тяжелые (плотность этих металлов от 5 до 22,6 г/см3). Самым легким металлом является литий Li

, плотность которого 0,53 г/см3. Самыми тяжелыми металлами в настоящее время считают осмий
Os
и иридий
Ir
(плотность около 22,6 г/см3).

Температура плавления.

Температура плавления металлов находится в диапазоне от 39 (ртуть Hg

) до 3410оС (вольфрам
W
). Температура плавления большинства металлов высока, однако некоторые металлы, например, олово
Sn
и свинец
Pl
, можно расплавить на электрической плите.

Физические свойства металлов и в настоящее время широко используются в промышленности и электронике

В технике все металлы делятся на черные

, к ним относятся железо и его сплавы, и
цветные
.

Изделия из различных видов металлов используются повсеместно благодаря их пластичности, но чаще всего в сплавах.

К драгоценным металлам

относят золото, серебро, платину и некоторые другие редко встречающиеся металлы.

Свойства и методы испытания металлов

1.1. Свойства и методы испытания металлов

Свойства металлов принято подразделять на механические, физические, химические, технологические и эксплуатационные.

Механические свойства.

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

– способность тела сопротивляться деформации и разрушению под действием внешних нагрузок.

– способность материала сопротивляться проникновению в него другого, более твердого тела, не получающего остаточной деформации.

– способность материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок. Поскольку многие материалы, вязкие в условиях медленного нагружения, становятся хрупкими при быстром (ударном) приложении нагрузки, то широко применяется определение
ударной вязкости
.

– способность тела разрушаться под действием внешних сил практически без пластической деформации.

– свойство твердого тела восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки, вызвавшей деформацию. В конструкциях упругость проявляет себя в жесткости – способности сопротивляться деформации.

Пластичность

– способность тела остаточно, не разрушаясь изменять свою форму и размеры под действием внешних сил.

Механические свойства металлов определяют при статическом (кратковременном и длительном) и динамическом нагружении, при циклическом приложении нагрузки и другими методами.

Статическое нагружение характеризуется медленным приложением и плавным возрастанием нагрузки от нуля до некоторого максимального значения. Статические испытания проводят на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и твердость.

Наибольшее распространение получил метод растяжения – самый жесткий вид испытаний. Испытания проводятся на 5 или 10 кратных образцах (l0 = 5d0 или 10d0, где l0 – длина образца, а d0 – его диаметр), что позволяет соблюдать геометрическое подобие и получать сравнимые результаты для всех металлов. Испытания на растяжение дают информацию о прочности, упругости и пластичности материалов. Рассмотрим диаграмму растяжения малоуглеродистой отожженной стали (рис. 1.1а).

Рис. 1.1. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

В начальной стадии диаграммы материалы испытывают только упругую деформацию, которая полностью исчезает после снятия нагрузки. До точки «a» эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению:

где P — приложенная нагрузка, F0- начальная площадь поперечного сечения образца.

Теоретический предел пропорциональности

– максимальное напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между напряжением (нагрузкой) и деформацией:

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией можно выразить законом Гука:

где ε = Δl/l0∙100% – относительная деформация, Δl – абсолютное удлинение, l0 – начальная длина образца; Е – коэффициент пропорциональности (tg α), характеризующий упругие свойства материала – называется модулем нормальной упругости, с его увеличением возрастает жесткость изделий, поэтому Е часто называют модулем жесткости

Теоретический предел упругости

– максимальное напряжение, до которого образец получает только упругую деформацию:

Прочность характеризуется пределом текучести физическим и условным.

Физический предел текучести

– напряжение, при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке:

На диаграмме пределу текучести соответствует участок «c –d», когда наблюдается пластическая деформация (удлинение) — «течение» металла при постоянной нагрузке.

Большая часть металлов и сплавов не имеет площадки текучести, и для них определяют условный предел текучести

– напряжение, вызывающее остаточную деформацию, равную 0,2% от начальной расчетной длины образца (рис. 1.1б):

При дальнейшем нагружении пластическая деформация все больше увеличивается, равномерно распределяясь по всему объему образца.

В точке «В», где нагрузка достигает максимального значения, в наиболее слабом месте образца начинается образование «шейки» – сужения поперечного сечения, и деформация сосредотачивается именно на этом участке, то есть из равномерной переходит в местную. Напряжение в этот момент называют пределом прочности.

Предел прочности (временное сопротивление)

при растяжении – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец до разрушения:

За точкой «В» в связи с развитием шейки нагрузка уменьшается, в точке «к» при нагрузке «Рк» происходит разрушение образца.

Истинный предел прочности

(истинное сопротивление разрушению) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом в момент, предшествующий разрушению образца:

где Fк – конечная площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость измеряется путем вдавливания в испытуемый образец твердого наконечника различной формы. Определение твердости проводят тремя наиболее распространенными методами.

По методу Бринелля

под действием нагрузки в испытуемое тело внедряется стальной закаленный шарик. Число твердости обозначается
НВ
и представляет собой отношение статической нагрузки к площади поверхности отпечатка шарика.

По методу Роквелла

в испытуемую поверхность в два этапа нагружения вдавливается индентор – алмазный конус с углом при вершине 120°или стальной шарик с диаметром 1,588мм. Число твердости обозначается
НRС
(конус) или
НRВ
(шар) и характеризуется разницей глубин проникновения индентора при первом и втором этапах нагружения.

По методу Виккерса

в испытуемую поверхность вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом α = 136° между противоположными гранями. Число твердости
HV
определяют так же, как и в способе Бринелля, отношением нагрузки к площади поверхности отпечатка пирамиды.

Пример расшифровки обозначений: Н –Hard (твердость), B – Brinell, R – Rokwell, V – Vikkers, B – Ball – (шар), C – Cone (конус)

При динамических испытаниях нагрузка прилагается с большой скоростью – ударом и определяется, таким образом, ударная вязкость

. Производят испытания на маятниковом копре на стандартных образцах с надрезом. Испытания при пониженных температурах позволяют определять склонность металла к
хладноломкости
– резкому возрастанию хрупкости.

Химические свойства.

К химическим свойствам относится способность материалов к химическому взаимодействию с другими веществами и агрессивными средами.

Технологические свойства.

Способность материала подвергаться различным методам горячей и холодной обработки определяют по его технологическим свойствам. К ним относятся литейные свойства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом и др. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства

определяются жидкотекучестью, усадкой и склонностью сплавов к ликвации.

Деформируемость

– способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении нагрузки.

Свариваемость

– способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения требуемого качества.

Эксплуатационные или служебные свойства.

В зависимости от условий работы машины или конструкции определяют служебные свойства: коррозийную стойкость, хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, износостойкость и др.

Коррозионная стойкость –

сопротивление сплава действию агрессивных сред (кислотных и щелочных).

Хладостойкость –

способность сплава сохранять пластические свойства при температурах ниже нуля.

Жаропрочность –

способность сплава сохранять механические свойства при высоких температурах.

Жаростойкость –

способность сплава сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.

Износостойкость

– способность материала сопротивляться разрушению поверхностных слоев при трении.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

1. Технологические свойства. Эти свойства характеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Технологические свойства определяют при технологических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе (рис. 12), осматривают. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическим свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.
Обрабатываемость резанием – одно из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а также деталей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатываемость, например, стали можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.
Свариваемость - способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.
Ковкость - способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состоянии без признаков разрушения. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то такой образец считается выдержавшим пробу, а испытуемый металл - пригодным для обработки давлением.
Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка и ликвация.
Жидкотекучесть - способность расплав ленного металла хорошо заполнять полость литейной формы.
Усадка при кристаллизации - это уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является причиной образования усадочных раковин и усадочной пористости (см. рис. 6) в слитках и отливках.
Ликвация - неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод).

Рис. 12. Технологические пробы:
а - изгиб на определенный угол, б - изгиб до параллельности сторон, в - изгиб до соприкосновения сторон, г - на навивание, д - на сплющивание труб, е - на осадку

Эксплуатационные свойства. Эти свойства определяют в зависимости от условий работы машины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.
Износостойкость - свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей - в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами.
К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.

2 Химико-термическая обработка стали.

Химико-термическая обработка (ХТО) – процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Изменение химического состава поверхностных слоев достигается в результате их взаимодействия с окружающей средой (твердой, жидкой, газообразной, плазменной), в которой осуществляется нагрев.

В результате изменения химического состава поверхностного слоя изменяются его фазовый состав и микроструктура,

Основными параметрами химико-термической обработки являются температура нагрева и продолжительность выдержки.

В основе любой разновидности химико-термической обработки лежат процессы диссоциации, адсорбции, диффузии.

Диссоциация – получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

Адсорбция – захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

Адсорбция – всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению свободной энергии.

Диффузия – перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Для осуществления процессов адсорбции и диффузии необходимо, чтобы насыщающий элемент взаимодействовал с основным металлом, образуя твердые растворы или химические соединения.

Химико-термическая обработка является основным способом поверхностного упрочнения деталей.

Основными разновидностями химико-термической обработки являются:

· цементация (насыщение поверхностного слоя углеродом);

· азотирование (насыщение поверхностного слоя азотом);

· нитроцементация или цианирование (насыщение поверхностного слоя одновременно углеродом и азотом);

· диффузионная металлизация (насыщение поверхностного слоя различными металлами).

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.

Эксплуатационные свойства металлов – 5. Свойства металлов

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 – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

3. Жаростойкость – 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.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства

– одно из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а также деталей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатываемость, например, стали можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.
Свариваемость
— способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.
Ковкость
— способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состоянии без признаков разрушения. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то такой образец считается выдержавшим пробу, а испытуемый металл — пригодным для обработки давлением.
Литейные свойства
металлов характеризуют способность их образовывать отливки без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка и ликвация.
Жидкотекучесть
— способность расплав ленного металла хорошо заполнять полость литейной формы.
Усадка
при кристаллизации — это уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является причиной образования усадочных раковин и усадочной пористости (см. рис. 6) в слитках и отливках.
Ликвация
— неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристаллизации, обусловлена тем, что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при одной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, причем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кислород, фосфор, углерод).

Рис. 12. Технологические пробы: а — изгиб на определенный угол, б — изгиб до параллельности сторон, в — изгиб до соприкосновения сторон, г — на навивание, д — на сплющивание труб, е — на осадку

— свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепенному изменению размеров и формы тела вследствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа образцов или деталей определяют различными способами: измерением размеров, взвешиванием образцов и другими методами. К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность, антифрикционность и др.

Химико-термическая обработка (ХТО)

– процесс изменения химического состава, микроструктуры и свойств поверхностного слоя детали.

Диссоциация –

получение насыщающего элемента в активированном атомарном состоянии в результате химических реакций, а также испарения.

– захват поверхностью детали атомов насыщающего элемента.

перемещение адсорбированных атомов вглубь изделия.

Железоуглеродистые сплавы. Диаграмма состояния железо – углерод.

1. Структуры железоуглеродистых сплавов

2. Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

3. Процессы при структурообразовании железоуглеродистых сплавов

4. Структуры железоуглеродистых сплавов

Структуры железоуглеродистых сплавов

Железоуглеродистые сплавы – стали и чугуны – важнейшие металлические сплавы современной техники. Производство чугуна и стали по объему превосходит производство всех других металлов вместе взятых более чем в десять раз.

Диаграмма состояния железо – углерод дает основное представление о строении железоуглеродистых сплавов – сталей и чугунов.

Начало изучению диаграммы железо – углерод положил Чернов Д.К. в 1868 году. Чернов впервые указал на существование в стали критических точек и на зависимость их положения от содержания углерода.

Диаграмма железо – углерод должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом химическое соединение: цементит – Fe3C. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму – по частям. Так как на практике применяют металлические сплавы с содержанием углерода до 5%, то рассматриваем часть диаграммы состояния от железа до химического соединения цементита, содержащего 6,67% углерода.

Диаграмма состояния железо – цементит представлена на рис. 9.1.

Рис. 9.1. Диаграмма состояния железо — цементит

Компоненты и фазы железоуглеродистых сплавов

Компонентами железоуглеродистых сплавов являются железо, углерод и цементит.

1. Железо – переходный металл серебристо-светлого цвета. Имеет высокую температуру плавления – 1539oС ± 5oС.

В твердом состоянии железо может находиться в двух модификациях. Полиморфные превращения происходят при температурах 911oС и 1392oС. При температуре ниже 911oС существует Feα с объемно-центрированной кубической решеткой. В интервале температур 911-1392oС устойчивым является Feα с гранецентрированной кубической решеткой. Выше 1392oС железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку и называется Feδ или высокотемпературное Feα. Высокотемпературная модификация Feα не представляет собой новой аллотропической формы. Критическую температуру 911oС превращения Feα↔Feγ обозначают точкой A3, а температуру 1392oС превращения Feα↔Feγ — точкой А4.

При температуре ниже 768oС железо ферромагнитно, а выше – парамагнитно. Точка Кюри железа 768oС обозначается А2.

Железо технической чистоты обладает невысокой твердостью (80 НВ) и прочностью (предел прочности – , предел текучести – ) и высокими характеристиками пластичности (относительное удлинение – δ=50%, а относительное сужение – ψ=80%). Свойства могут изменяться в некоторых пределах в зависимости от величины зерна.

Железо характеризуется высоким модулем упругости, наличие которого проявляется и в сплавах на его основе, обеспечивая высокую жесткость деталей из этих сплавов.

Железо со многими элементами образует растворы: с металлами – растворы замещения, с углеродом, азотом и водородом – растворы внедрения.

2. Углерод относится к неметаллам. Обладает полиморфным превращением, в зависимости от условий образования существует в форме графита с гексагональной кристаллической решеткой (температура плавления – 3500 0С, плотность – 2,5 г/см3) или в форме алмаза со сложной кубической решеткой с координационным числом равным четырем (температура плавления – 5000 0С).

В сплавах железа с углеродом углерод находится в состоянии твердого раствора с железом и в виде химического соединения – цементита (Fe3C), а также в свободном состоянии в виде графита (в серых чугунах).

3. Цементит (Fe3C) – химическое соединение железа с углеродом (карбид железа), содержит 6,67 % углерода.

Аллотропических превращений не испытывает. Кристаллическая решетка цементита состоит из ряда октаэдров, оси которых наклонены друг к другу.

Температура плавления цементита точно не установлена (1250, 1550oС). При низких температурах цементит слабо ферромагнитен, магнитные свойства теряет при температуре около 217oС.

Цементит имеет высокую твердость (более 800 НВ, легко царапает стекло), но чрезвычайно низкую, практически нулевую, пластичность. Такие свойства являются следствием сложного строения кристаллической решетки.

Цементит способен образовывать твердые растворы замещения. Атомы углерода могут замещаться атомами неметаллов: азотом, кислородом; атомы железа – металлами: марганцем, хромом, вольфрамом и др. Такой твердый раствор на базе решетки цементита называется легированным цементитом.

Цементит – соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Этот процесс имеет важное практическое значение при структурообразовании чугунов.

В системе железо – углерод существуют следующие фазы: жидкая фаза, феррит, аустенит, цементит.

1. Жидкая фаза. В жидком состоянии железо хорошо растворяет углерод в любых пропорциях с образованием однородной жидкой фазы.

2. Феррит (Ф) Feα (C) – твердый раствор внедрения углерода в α -железо.

Феррит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,006 % при комнатной температуре (точка Q), максимальную – 0,02 % при температуре 727oС ( точка P). Углерод располагается в дефектах решетки.

При температуре выше 1392oС существует высокотемпературный феррит () (Feδ (C), с предельной растворимостью углерода 0,1 % при температуре 1499oС (точка J)

Свойства феррита близки к свойствам железа. Он мягок (твердость – 130 НВ, предел прочности –) и пластичен (относительное удлинение –), магнитен до 768oС.

3. Аустенит (А) Feγ (С) – твердый раствор внедрения углерода в γ -железо.

Углерод занимает место в центре гранецентрированной кубической ячейки.

Аустенит имеет переменную предельную растворимость углерода: минимальную – 0,8 % при температуре 727 oС (точка S), максимальную – 2,14 % при температуре 1147oС (точка Е).

Аустенит имеет твердость 200-250 НВ, пластичен (относительное удлинение – δ=40…50%), парамагнитен.

При растворении в аустените других элементов могут изменяться свойства и температурные границы существования.

4. Цементит – характеристика дана выше.

В железоуглеродистых сплавах присутствуют фазы: цементит первичный (ЦI), цементит вторичный (ЦII), цементит третичный (ЦIII). Химические и физические свойства этих фаз одинаковы. Влияние на механические свойства сплавов оказывает различие в размерах, количестве и расположении этих выделений. Цементит первичный выделяется из жидкой фазы в виде крупных пластинчатых кристаллов. Цементит вторичный выделяется из аустенита и располагается в виде сетки вокруг зерен аустенита (при охлаждении – вокруг зерен перлита). Цементит третичный выделяется из феррита и в виде мелких включений располагается у границ ферритных зерен.

Читайте также: