Андрей Смирнов
Время чтения: ~14 мин.
Просмотров: 0

Свойства металлов

Усталость.

Усталостью называется разрушение конструкции под действием циклических нагрузок. Когда деталь изгибается то в одну, то в другую сторону, ее поверхности поочередно подвергаются то сжатию, то растяжению. При достаточно большом числе циклов нагружения разрушение могут вызывать напряжения, значительно более низкие, чем те, при которых происходит разрушение в случае однократного нагружения. Знакопеременные напряжения вызывают локализованные пластическую деформацию и деформационное упрочнение материала, в результате чего с течением времени возникают малые трещины. Концентрация напряжений вблизи концов таких трещин заставляет их расти. Сначала трещины растут медленно, но по мере уменьшения поперечного сечения, на которое приходится нагрузка, напряжения у концов трещин увеличиваются. При этом трещины растут все быстрее и, наконец, мгновенно распространяются на все сечение детали. См. также РАЗРУШЕНИЯ МЕХАНИЗМЫ.

Усталость, несомненно, является самой распространенной причиной выхода конструкций из строя в условиях эксплуатации. Особенно подвержены этому детали машин, работающие в условиях циклического нагружения

В авиастроении усталость оказывается очень важной проблемой из-за вибрации. Во избежание усталостного разрушения приходится часто проверять и заменять детали самолетов и вертолетов

Химические свойства металлов

Таблица Менделеева на треть состоит из рассматриваемых в данной статье моноэлементов. С практической точки для обывателя, да и специалиста, эти аспекты определяют их взаимодействие с окружающими агрессивными средами, такими как реагенты из воздушной массы, влажность, перепады температурных показателей, как суточных, так и годовых.

В этом ракурсе металлопозиции утрировано разделяются на следующие группы:

  1. Активные. В качестве примеров можно привести литий, калий, барий, кальций, натрий.
  2. Среднеактивные – магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, никель, серебро.
  3. Малоактивные. Речь идет о меди, золотых слитках, платине и иных инертных компонентах.

Соединение с простыми веществами

Самым популярным в мире соединением, которое формируется между двумя одинаковыми элементами – это, безусловно, оксид. Ярким примером, который считается весьма распространенным и не очень приятным с практической точки зрения, считается окись железа – ржавчина (каждый из нас сталкивался с коррозионными процессами):

2FE + O2 = 2FEO.

Важно знать, что благородные металлоэлементы, такие как серебро, золото и платина, оксиды в обычных условиях не образуют. Это и является одной из основных причин их высокой стоимости

О взаимодействии с галогенами (фтором, хлором и другими позициями, которые присутствуют в окружающей среде) также не стоит забывать. Вариант: образование солей:

2Na + Cl2 = 2 NaCl.

Реакции со сложными соединениями

Здесь в первую очередь необходимо отметить взаимодействие щелочей с водой. Такие реакции всегда сопровождаются выделение водорода, что на практике чревато формированием взрывоопасной среды.

Среднеактивные также могут реагировать с H2O. Однако происходит это при достаточно высоких температурах, поэтому в обычных условиях повышения концентрации водорода не стоит.

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Механические свойства металлов

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла (или другого материала) под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла (сплава) деформации (прочность) и сопротивление разрушению (пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин).

В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т. е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического и механического состояний материала.

Оценка свойств

При оценке механических свойств металлических материалов различают несколько групп их критериев.

Критерии, определяемые независимо от конструктивных особенностей и характера службы изделий

Эти критерии находятся путем стандартных испытаний гладких образцов на растяжение, сжатие, изгиб, твердость (статические испытания) или на ударный изгиб образцов с надрезом (динамические испытания).
Прочностные и пластические свойства, определяемые при статических испытаниях на гладких образцах хотя и имеют важное значение (они входят в расчетные формулы) во многих случаях не характеризуют прочность этих материалов в реальных условиях эксплуатации деталей машин и сооружений. Они могут быть использованы только для ограниченного числа простых по форме изделий, работающих в условиях статической нагрузки при температурах, близких к нормальной.
Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Это интересно: Масса и вес металла — как найти по таблицам и ГОСТ для стальных метизов

Свойства сплавов

Свойства металлов и сплавов полностью определяются их структурой (кристаллической структурой фаз и микроструктурой). Макроскопические свойства сплавов определяются микроструктурой и всегда отличаются от свойств их фаз, которые зависят только от кристаллической структуры. Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов достигается за счёт равномерного распределения фаз в металлической матрице. Сплавы проявляют металлические свойства, например: электропроводность и теплопроводность, отражательную способность (металлический блеск) и пластичность. Важнейшей характеристикой сплавов является свариваемость.

Сплавы, используемые в промышленности

Сплавы различают по назначению: конструкционные, инструментальные и специальные.

Конструкционные сплавы:

· стали

· чугуны

· дюралюминий

Конструкционные со специальными свойствами (например, искробезопасность, антифрикционные свойства):

· бронзы

· латуни

Для заливки подшипников:

· баббит

Для измерительной и электронагревательной аппаратуры:

· манганин

· нихром

Для изготовления режущих инструментов:

· победит

В промышленности также используются жаропрочные, легкоплавкие и коррозионностойкие сплавы, термоэлектрические и магнитные материалы, а также аморфные сплавы.

Мета?ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность и металлический блеск.

Из 118 химических элементов, открытых на данный момент (из них не все официально признаны), к металлам относят:

— 6 элементов в группе щелочных металлов,

— 6 в группе щёлочноземельных металлов,

— 38 в группе переходных металлов,

— 11 в группе лёгких металлов,

— 7 в группе полуметаллов,

— 14 в группе лантаноиды + лантан,

— 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний, вне определённых групп бериллий и магний.

Таким образом, к металлам, возможно, относится 96 элементов из всех открытых.

В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия.

Выбор марки твердого сплава

  1. P. Инструменты из твердых сплавов с такой международной маркировкой подходят для обработки заготовок и изделий из следующих материалов.
    1. Рессорно-пружинные, нелегированные, легированные и подшипниковые конструкционные стали.
    2. Коррозионно-теплостойкие стали ферритного и мартенситного классов.
    3. Низколегированные и углеродистые стали для отливок.
    4. Быстрорежущие, углеродистые и штамповые инструментальные стали.
  2. М. Инструменты из твердых сплавов этой группы применяют для обработки стойких к коррозии и высоким температурам сталей мартенситного и аустенитного классов, а также материалов на никеле-хромовой основе.
    1. антифрикционной, ковкой и серой разновидностей чугуна
    2. цинковых и алюминиевых антифрикционных сплавов
    3. меди и сплавов на ее основе
    4. o литейных и деформируемых магниевых и алюминиевых сплавов
  3. К. Твердые сплавы этого класса идут на изготовление инструментов, предназначенных для обработки заготовок и изделий из:

Сферы применения инструментов из сплавов остальных групп таковы:

  1. S — обработка жаропрочных сплавов и материалов на титановой основе;

  2. H — обработка заготовок и изделий из закаленной стали;

  3. N — обработка цветных металлов.

При выборе инструмента по марке твердого сплава специалисты обращают внимание на 5 моментов.

  1. Эксплуатационные и физико-механические свойства твердого сплава.

  2. Особенности материала, из которого изготовлена заготовка.

  3. Состояние станка, его динамические и кинематические характеристики.

  4. Вид операции и важные технические условия.

  5. Требования к точности обработки и чистоте металлических поверхностей.

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 (tл), начина­ется кристаллизация. В нижней критической точке, которая называ­ется точкой солидус (tc), 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 αIIи βII(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 АmВn. 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.

Изменение характеристик сплавов в зависимости от состава

Вообще при переходе вещества из жидкого состояния в твердое происходит выделение вещества в виде более или менее крупных частиц — кристаллов, или бесформенной аморфной массы (клеи, каучук и другие). Наименьший возможный объем кристаллической решетки, которая воспроизводит особенности ее структуры, характеризуется элементарной ячейкой. Форма твердого вещества зависит от природы вещества и от условий, в которых проходит переход в твердое состояние. Если в вершинах находятся одинаковые атомы, то расстояние между ними в кристалле равна сумме их радиусов, то есть радиус атома равен половине этого расстояния. Заполнение кристаллических решеток молекулами и ионами происходит при максимально плотной упаковке, то есть ионы и молекулы заполняют пространство с минимальным объемом. Элементами симметрии кристаллов твердого вещества является его центр, плоскости и оси. Наиболее характерной их особенностью является анизотропия, то есть неодинаковость их характеристик (прочности, теплопроводности, скорости растворения и др.) в различных направлениях. Отсутствие строго направленных связей между атомами, механические свойства металлов дают возможность размещения в металлической решетке двух или более элементов, которые располагаются в определенном порядке, образуя интерметаллические структуры.

Классификация металлов

Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.

Черные

Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:

  1. Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
  2. Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
  3. Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.

Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.

Цветные

Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:

  1. Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
  2. Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
  3. Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.

Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.

Технологические свойства металлов

Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.

Среди основных технологических свойств можно выделить:

  • Ковкость.
  • Текучесть.
  • Свариваемость.
  • Прокаливаемость.
  • Обработку резанием.

Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.

Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.

Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.

Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.

Основные механические свойства металлов

Металлы — это вещества, которые характеризуются теплопроводимостью, электропроводностью, пластичностью. Все они, за исключением ртути, при комнатной температуре — твердые вещества. Температура плавления находится в пределах от -38,78 до +3380оС. Механические и технологические свойства металлов обладают высокой способностью поглощать свет, и поэтому даже в очень тонких слоях они непрозрачные. Однако гладкий и чистый слой поверхности хорошо отражает свет и придает характерный блеск. Большинство поверхностей имеет белый и серый цвет. Только медь и золото имеют желтый оттенок. Некоторые металлы имеют серый цвет со слабым синеватым, желтоватым или красноватым отливом. В твердом состоянии все они имеют кристаллическую форму. В парообразном состоянии металлы одноатомные. По удельному весу их делят на легкие и тяжелые. Существует еще одно деление — на черные металлы и цветные.

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации