Основные свойства металлов

Металлы обладают механическими, технологическими, физическими и химическими свойствами.

К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании и фазовых превращениях;

к химическим - окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность;

к механическим - прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость;

к технологическим - прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прочность - способность металла сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Удельная прочность - отношение предела прочности к плотности.

Твердостью - называется способность тела противостоять проникновению в него другого тела.

Упругость - свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих изменение формы (деформацию).

Вязкость - способность металла оказывать сопротивление ударным внешним силам. Вязкость - свойство обратное хрупкости.

Пластичность - свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический, спектральный, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах.

Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность. Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать еще особыми свойствами, характерными для данного изделия. Например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих и других инструментов применяют инструментальные стали и сплавы, а для рессор и пружин - специальные стали, обладающие высокой упругостью.

Вязкие металлы применяют в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, штамповать).

Физические свойства. В авиа-, авто-, приборо-, и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и магния являются здесь особенно полезными.

Плавкость используется для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки топографических матриц, предохранителей в приборах пожарной безопасности.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют в электромашиностроении, в линиях электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов используются в электромашиностроении при производстве электродвигателей, трансформаторов в приборостроении (телефонные и телеграфные аппараты).

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать их для обработки давлением, термической обработки, кроме того, она обеспечивает возможность пайки и сварки металлов.

Некоторые металлы имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие металлы применяют для изготовления точных приборов при сооружении мостов, путепроводов и др.

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в химически активных средах (детали машин в химической промышленности). Для таких изделий используют сплавы с высокой коррозионной стойкостью - нержавеющие, кислотостойкие и жароупорные стали.

 

 

Механические испытания

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. В соответствии с этим разработаны различные методы испытаний, с помощью которых определяют механические свойства металлов.

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называют испытания, при которых испытуемый материал подвергают воздействию постоянной силы или силы возрастающей очень медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испытываемый металл подвергается воздействию удара или силы, возрастающей очень быстро.

Кроме того, существуют испытания на усталость, износ, ползучесть, которые дают более полное представление о свойствах металлов.

Испытания на растяжение. Статическое испытание на растяжение - весьма распространенный способ механических испытаний. Для статических испытаний изготавливают круглые образцы или плоские образцы для листовых материалов (рис.20). Образцы состоят из рабочей части и головок, предназначенных для закрепления в захватах разрывной машины. Расчетная длина l₀ берется несколько меньше рабочей длины l₁. Размеры образцов стандартизованы. Диаметр рабочей части круглого образца равен 20 мм. Образцы других диаметров называют пропорциональными.

 

Рис.20. Образцы для статических испытаний металлов:

1 - круглый, 2 - плоский

 

Растягивающее усилие создает напряжение в испытуемом образце и вызывает его удлинение; когда напряжение превысит предел прочности, он разрывается.

На рис.21 приведена диаграмма растяжения мягкой стали, построенная в системе прямоугольных координат. По оси ординат отложено усилие Р кГ, по оси абсцисс - деформация (абсолютное удлинение образца Dl мм). Эта диаграмма получается при постепенном увеличении растягивающего усилия вплоть до разрыва образца.

Рис.21. Диаграмма растяжения мягкой стали

Величина напряжения s в любой точке диаграммы может быть определена путем деления усилия Р на площадь поперечного сечения образца.

На диаграмме можно отметить несколько характерных точек. Участок ОА является отрезком прямой и показывает, что до точки А удлинение образца пропорционально усилию (нагрузке); каждому приращению нагрузки соответствует и одинаковое приращение деформации. Такая зависимость между удлинением образца и приложенной нагрузкой является законом пропорциональности.

При дальнейшем нагружении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности: на диаграмме появляется криволинейный участок. До точки В деформации у образца упругие.

Точкой С на диаграмме отмечено начало горизонтальной площадки, которая показывает, что образец удлиняется без увеличения нагрузки: металл как бы течет. Наименьшее напряжение, при котором без увеличения нагрузки продолжается деформация образца называется физическим пределом текучести. Предел текучести s_т определяется по формуле

кГ/мм²,

где Р_с - нагрузка в точке С.

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и для латуни некоторых марок. Высокоуглеродистые стали и другие металлы не имеют площадки текучести. Для таких металлов определяют условный предел текучести при остаточном удлинении 0.2%. Напряжение, при котором растягиваемый образец получает остаточное удлинение, равное 0.2% своей расчетной длины, называется условным пределом текучести и обозначается s_0.2

кГ/мм².

Точка D показывает наибольшую наибольшую нагрузку, которую может выдержать образец. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении (временным сопротивлением разрыву) и определяется по формуле

кГ/мм²,

где P_D - нагрузка в точке D.

Для точки D удлинение Dl₃ образца и сужение его поперечного сечения происходит равномерно по всей длине рабочей части. По достижении точки D деформация образца сосредотачивается в месте наименьшего сопротивления и дальнейшее удлинение Dl₄ протекает за счет образования шейки, по которой происходит разрыв образца при нагрузке Р_К.

При разрыве упругая деформация Dl_уп исчезает и абсолютное остаточное удлинение Dl_ост сложится из удлинения равномерного Dl₁ и удлинения местного Dl₂ , т.е.

Dl_ост = Dl₁ + Dl₂.

Для оценки пластичности металла важно знать относительное удлинение d и относительное сужение площади поперечного сечения Y в процентах.

Относительное удлинение (в %) определяется по формуле

,

где l₁ - длина образца после разрыва, мм;

l₀ - расчетная длина образца, мм;

При удлинении одновременно уменьшается площадь поперечного сечения. В месте разрыва эта площадь будет наименьшей. Относительное сужение (в %) определяется по формуле

,

где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца, мм²;

F₁ - площадь в месте разрыва, мм².

У хрупких металлов относительное удлинение d и относительной сужение Y близки к нулю; у пластичных металлов они достигают нескольких десятков процентов.

Таким образом, статическое испытание на растяжение дает характеристики прочности - s_уп, s_т (или s_0,2) и характеристики пластичности - d и Y.

Испытания на твердость.

Испытания на твердость проводятся вдавливанием твердого наконечнека.

По методу Бринелля стальной закаленный шарик диаметром D (10; 5 или 2.5 мм) вдавливается в испытуемый образец силой Р (3000;1000; 750 кГ или меньше). В результате на поверхности образца остается отпечаток в форме шарового сегмента диаметром d (рис.22). Величина отпечатка будет тем меньше, чем тверже металл. Число твердости по Бринеллю НВ вычисляется по формуле

кГ/мм²,

где Р - нагрузка нашарик, кГ;

F - величина поверхности отпечатка, мм².

Рис.22. Схема испытания по Бринеллю

 

Для малых изделий применяют шарики меньшего диаметра при меньших усилиях вдавливания. Толщина металла под отпечатком должна быть не меньше десятикратной глубины отпечатка, а расстояние от центра отпечатка до среза поверхности не меньше D.

Для испытания на твердость по Бринеллю в настоящее время применяют в основном рычажные прессы.

Как показали исследования, между пределом прочности металлов при растяжении s_в и твердость по Бринеллю НВ существует зависимость:

для катаной и кованой стали s_в = 0.36 НВ;

для литой стали...................... s_в =(0.3-0.4) НВ:

для серого чугуна.................... s_в =0.1 НВ.

По методу Бринелля можно испытывать материалы с твердостью НВ до 450; если материалы тверже, то стальной шарик может деформироваться. Этот метод непригоден также для испытания тонколистового материала.

По методу Роквела испытание на твердость производится путем вдавливания в образец стального шарика диаметром D =1.58 мм (1/16 дюйма) или алмазного конуса с углом 120⁰.

Стальной шарик применяется для испытания мягких металлов (твердость меньше 220 по шкале Бринелля) при нагрузке 100 кГ, алмазный конус - для испытания твердых металлов при нагрузке 150 кГ. Образец помещают на столик 2 прибора Роквелла (рис.23) и вращением маховика 1 поднимают его до соприкосновения с алмазным конусом 3 (или стальным шариком). Вращение маховика продолжают до тех пор пока давление конуса или шарика не станет равным 10 кГ (предварительная нагрузка), что указывается малой стрелкой индикатора 4. Далее прикладывают основную нагрузку с помощью рукоятки 5. Вдавливание длится 5-6 сек, затем основная нагрузка снимается. После этого большая стрелка индикатора показывает величину твердости.

Рис.23. Пресс Роквелла

 

Циферблат индикатора имеет две шкалы: красную В для испытания стальным шариком и черную С для испытания алмазным конусом.

Твердость по Роквеллу является величиной условной, характеризующей разность глубин отпечатков. Число твердости по Роквеллу обозначается HR с добавлением индекса шкалы, по которой производилось испытание, например HRВ или HRС. Для испытания очень твердых материалов применяют алмазный конус при нагрузке 60 кГ. Отсчет производят по черной шкале.

Метод Виккерса, позволяющий измерить твердость как мягких, так и очень твердых металлов и сплавов; он пригоден для определения твердости тонких поверхностных слоев (например при химико-термической обработке).

По этому методу в образец вдавливается четырехгранная алмазная пирамида с углом при вершине 136⁰. Нагрузка может применяться от 5 до 120 кГ. Замер отпечатка производится с помощью микроскопа, находящегося на приборе.

Число твердости определяется по формуле

кГ/мм²,

где Р - нагрузка, кГ;

F - площадь пирамидального отпечатка, мм²

Практически величина HV берется из таблиц.

Испытания на микротвердость производят вдавливанием алмазной пирамиды с углом при вершине 136⁰ под нагрузкой от 2 до 200 г; число твердости выражается кГ/мм². По этому методу можно определять твердость отдельных структурных составляющих сплавов, мелких деталей, металлических нитей, окисных пленок и т.д. На рис.24,а показан прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость.

Столик 11 и стойка 4 тубуса опираются на станину 1 прибора. Испытуемый предмет 2 устанавливается на столик под объектив 9, через который производят наводку на фокус микроскопа и установку нитей с помощью окулярного микроскопа 6. Затем алмазная пирамида 10 вдавливается в испытуемый предмет в течении 5-7 сек. После снятия нагрузки микроскопом измеряют диагональ d (рис.24,б), совмещая пересечение нитей станачала с правым углом отпечатка (пунктирные линии), а затем с левым (сплошные линии).

По величине диагонали определяют площадь отпечатка и твердость по выше приведенной формуле (HV_n).

Прочие механические испытания. Испытания ударной нагрузкой проводят для деталей машин и механизмов испытывающих ударные (динамические) нагрузки, так как некоторые металлы с достаточно высокими показателями статической прочности разрушаются при малых ударных нагрузках, например, сталь с крупнозернистой структурой и чугун.

Ударные испытания на изгиб проводят над образцами стандартной формы на приборах, называемых маятниковыми копрами.

Сопротивление удару называют ударной вязкостью и определяют в килограммометрах на квадратный сантиметр.

 

Рис.24. Прибор ПМТ-3 для испытания на микротвердость

 

Ударная вязкость а_н вычисляется по формуле

кГ× м/см²,

где А_н - работа удара, затраченная на излом образца, кГ× м;

F - площадь поперечного сечения образца в месте надреза, см².

Испытания на усталость. Многие детали машин (шатуны двигателей, коленчатые валы и др.) в процессе работы подвергаются нагрузкам, изменяющимся по величине и направлению. При таких повторно-переменных напряжениях металл постепенно из вязкого состояния переходит в хрупкое (устает). Хрупкое состояние объясняется появлением микротрещин, которые постепенно расширяются и ослабляют металл. В результате этого разрушение наступает при напряжениях меньших, чем предел прочности.

Микротрещины появляются и развиваются с поверхности преимущественно в сечениях с резкими изломами линии контура (например, при наличии шпоночных канавок, отверстий и др.).

Испытания на усталость (выносливость) производят на различных машинах. Наиболее распространены машины для испытания:

1) изгибом при вращении;

2) при растяжении-сжатии;

3) при кручении.

Для металлов, работающих в сложных условиях, испытательные машины снабжаются установками и приспособлениями, обеспечивающими испытания при повышенных и пониженных температурах, при коррозии и в других специальных условиях.

 

Рис.25. Испытание на выдавливание

 

Технологические испытания (пробы). Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом.

Испытание на выдавливание служит для определения способности тонкого листового металла к холодной штамповке и вытяжке. Испытание состоит в выдавливании лунки округлой головкой 1 (рис.25) до появления первой трещины в пластинке 2, зажатой в кольцевой поверхности.

Глубина выдавленной лунки при появлении первой трещины и является количественной мерой пробы.

Испытание на перегиб определяет способность металла выдерживать повторные перегибы и применяется для оценки качества листового материала толщиной до 5 мм, а также проволоки и прутков.

Испытание на осадку определяет способность холодного металла принимать заданную форму при сжатии. Образец-цилиндр, высота которого равна двум диаметрам, считается выдержавшим пробу, если при осадке до заданной высоты на нем не появляются трещины, надрывы и излом.

Испытание на свариваемость. Два бруска испытуемого металла сваривают и испытывают на загиб или на растяжение, после чего сравнивают результаты с теми, которые соответствуют цельному (несваренному) образцу из того же металла. При хорошей свариваемости сопротивление разрыву сварного шва должно соответствовать не менее 80% от предела прочности цельного бруска.