Механические свойства металлов

Механические свойства металлов занимали особое место среди материалов, известных с незапамятных времен и широко используемых во многих сферах человеческой деятельности. Причина их чрезвычайно высокой популярности легко объяснима: наряду с высокой прочностью, они обладают повышенной тепло- и электропроводностью, пластичностью (податливостью), особым металлическим блеском (отражательной способностью).

Металлами называют кристаллические вещества с правильным расположением атомов в узлах пространственной решетки, обладающие непрозрачностью, характерным металлическим блеском и хорошей способностью проводить тепло, электрический ток и отражать световые лучи. Металлы также характеризуются плотной кристаллической структурой, высокой прочностью, способностью к значительным пластическим деформациям, хорошими литейными свойствами, свариваемостью

кристаллическая решетка металла

Существуют чистые металлы и металлические сплавы. Металлические сплавы — это вещества, образующиеся в результате затвердевания жидких расплавов, состоящих из двух или более компонентов. Металлические сплавы могут состоять только из металлов (сплав меди и цинка – латунь) и металлов с низким содержанием неметаллов (сплав железа с углеродом — чугун и сталь). Сплавы могут обладать различными физическими, химическими и механическими свойствами за счет изменения компонентов и взаимосвязи между ними.

Металлы делятся на черные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе. Черные металлы обладают высокой температурой плавления, высокой плотностью, высокой твердостью. К ним относятся железо и сплавы на его основе – сталь и чугун.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом в количестве 0,02 – 2,14%.

Чугун представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,14 – 6,67%.

Они находят наибольшее применение в строительстве, так как их стоимость значительно ниже, чем у цветных металлов.

Цветные металлы обладают низкой температурой плавления, высокой пластичностью и имеют характерный цвет (красный, белый, желтый). К ним относятся медь, цинк, алюминий, никель, олово, свинец, золото, серебро).

Содержание

Классификация металлов

Черные металлы – обладают высокой температурой плавления, высокой плотностью, высокой твердостью. К ним относятся железо и сплавы на его основе – сталь и чугун.

Сталь представляет собой сплав железа с углеродом в количестве 0,02 – 2,14%.

Чугун представляет собой железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,14 – 6,67%.

Цветные металлы обладают низкой температурой плавления, высокой пластичностью, имеют характерный цвет (красный, белый, желтый). К ним относятся медь, цинк, алюминий, никель, олово, свинец, золото, серебро).

Классификация сплавов:

по основному компоненту — железо, алюминий и т.д.
по плотности: легкие (магний, алюминий) с низкой плотностью до 5000 кг на кубический метр; и тяжелые (на основе вольфрама) с высокой плотностью не менее 15 000 кг на кубический метр.
по температуре плавления: легкоплавкие (температура плавления до 1539℃ — олово, свинец, цинк, самая низкая температура плавления ртути составляет 38, 87℃) и тугоплавкие (температура плавления выше 1539℃ — титан, хром, вольфрам)

коррозионностойкие (сплавы на основе железа, меди, алюминия);

криогенные (сплавы на основе железа, алюминия), характеризующиеся комплексом тепловых, электрических, механических свойств и предназначенные для работы при низких температурах (от -269 до +20);

o магнитные (сплавы, обладающие ферромагнетизмом);

o немагнитный.

Свойства металлов и сплавов.

Свойства металлов и сплавов делятся на:

физическое;
химический;
механический;
технологический.

Физические свойства — это те свойства, которые определяются без воздействия силы. К физическим свойствам металлов относятся: плотность, температура плавления, тепло- и электропроводность, расширение при нагревании, намагниченность.

Плотность — это масса, содержащаяся в единице объема (кг/м3).:

где m — масса, кг (г); V — объем, м3 (см3).

Металлы различаются по плотности:

тяжелый (плотность более 5000 кг/м3),
легкий (плотность менее 5000 кг/м3), самым легким металлом является литий с плотностью 0,531.

Температура плавления – способность металлов переходить из твердого состояния в жидкое при нагревании.

Электропроводность — это способность металлов проводить электрический ток под воздействием внешнего электрического поля. Электропроводность металлов в тысячи раз выше, чем электропроводность неметаллических тел. Наибольшей электропроводностью обладают чистые металлы – медь, алюминий, железо. Сплавы обладают более низкой электропроводностью. Электрические провода изготавливаются из металлов, которые хорошо проводят электрический ток.

Теплопроводность — это способность металлов передавать тепло от более нагретых участков к менее нагретым с той или иной скоростью. Высокая теплопроводность металлов позволяет им нагреваться и охлаждаться быстро и равномерно. Из технических металлов медь обладает наибольшей теплопроводностью. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали варьируется в зависимости от содержания в ней компонентов. Когда температура повышается, теплопроводность уменьшается, когда она снижается, она увеличивается.

Известно, что все металлы расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. Расширение при нагревании — это увеличение размера (объема) металлов и сплавов при нагревании. Это свойство следует учитывать при ковке, сварке изделий.

Намагниченность — это способность металлов и сплавов намагничиваться под воздействием магнитного поля.

В зависимости от степени намагниченности различают:

ферромагнитные металлы, способные намагничиваться электрическим полем (кобальт, никель, железо, а также ряд их сплавов);
парамагнитные – способные к слабому намагничиванию (алюминий, хром, титан);
диамагнитные – не притягиваются к магниту, отталкиваются от него (медь, олово).

Механические свойства металлов и их определение

Механические свойства металлов определяются следующим образом. При механических испытаниях определяют обычно условное напряжение (нагрузку, действующую на единицу исходной площади образца), деформацию (изменение длины или формы образца) и работу разрушения образца табл 1

Схемы испытаний при растяжении , сжатии, изгибе и ударе представлены на рис1.

Механические свойства металлов, схемы приборов для испытаний

Схемы приборов для испытания на твердость даны на рис 2., и соответствующее соотношение чисел твердости в табл 2.

Определение твердости производится разными способами. Наиболее распространенным способом является определение твердости по Бринелю. Для малых или тонких образцов пользуются способом Роквелла.

При измерении твердости на больших отливках пользуются прибором Польди, а на отбеленных и закаленных отливках – способом Шора.

Таблица 1

Механические свойства металлов и методы их определения

Определяемое свойство	обозначение	Единица измерения	определение	Способ определения
Предел прочности при растяжении	G_b	Кг/мм²	Напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке перед разрушением образца	По силоизмерителю разрывной машины определяют разрушающую нагрузку Р кг и делят ее на площадь сечения образца F мм²; G_в = Р/F кг/мм²
Предел текучести (условный)	G_0.2	Кг/мм²	Напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение в 0,2%	По диаграмме растяжения определяют нагрузку Р_0,2, вызывающую остаточное удлинение образца на 0,2% G_0._{,2 =}Р_0,2/F ru/vv²
Относительное удлинение	δ₃ или δ₅ (цифра означает отношение расчетной длины к диаметру)	%	Отношение приращения длины образца при растяжении к его исходной длине	Наносят на образец керны и измеряют расстояние между ними до испытания l₀ и после разрушения l₁ δ =( l₁ — l₀/l₀) *100%
Модуль упругости (жесткость материала)	Е	Кг/мм²	Отношение напряжения G к упругой деформации δ _уп	Е = (G/δ _уп) *100 кг/мм²
Предел прочности при сжатии	Gd	Кг/мм²	Напряжение при сжатии, соответствующее наибольшей нагрузке перед разрушением образца	Образец с площадью сечения F устанавливают между опорными подушками машины и определяют определяющую нагрузку Gd =Р/F кг/мм²
Предел прочности при изгибе	G^,_в	Кг/мм²	Наибольшее расчетное напряжение в наружных слоях образца перед его разрушением	Образец диаметром d устанавливают на двух опорах на расстоянии l и нагружают посредине сосредоточенной нагрузкой Р до разрушения G^,_в =( 2,5Рl)/d² кг/мм²
Прогиб при изгибе	F₃₀₀ или f₆₀₀ (цифры означают расстояние между опорами в мм)	мм	Наибольший прогиб при разрушении образца	Замеряют при помощи прогибомера машины прогиб, образующийся на образце в момент его разрушения
Удельная ударная вязкость	а_л (надлежит указывать размеры образца и наличие на нем надреза)	Кг/мм²	Работа удара, затрачиваемая на единицу площади сечения образца для его разрушения на копре	Образец площадью F см² устанавливают на копер и разрушают ударом отведенного маятника: работу удара машины Ак (кгм) делят на площадь образца F см² а_л =А_к /F кгм/см²
Твердость по Бринелю	Н_в	Кг/мм²	Удельное давление на поверхность отпечатка, полученного вдавливанием в стандартных условиях стального шарика в тело отливки	На зачищенной поверхности вдавливают в металл стальной шарик диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кг и замеряют диаметр образовавшейся лунки, по которому определяют Н_в из таблицы (для толщин испытуемых образцов больше 6 мм)
Твердость по Роквеллу	Н _RB или Н _R_С	—	Выраженная в условных единицах глубина вдавливания в стандартных условиях стального шарика или алмазного конуса	В зачищенную поверхность металла вдавливают под давлением 100 кг стальной шарик диаметром 1,59 мм или под давлением 150 кг алмазный конус с углом при вершине 120ᴼ и определяют твердость по одной из шкал прибора
Твердость по прибору Поль ди	Н_р	Кг/мм²	Удельное давление на поверхность отпечатка, полученного вдавливанием в стандартных условиях стального шарика в тело отливки	Прибор устанавливают на зачищенную поверхность отливки и после одного удара молотка получают одновременно отпечатки на испытуемой отливке (d₀) и на эталоне (d_Э) с определенной твердостью (Н_В). Твердость отливки по Польди определяется по формуле Н_р =Н_В (d² _Э / d² _О)
Примечание: В особых случаях чугуны могут подвергаться испытанием на кручение, усталость ( знакопеременные нагрузки при растяжении, изгибе при кручении), циклическую вязкость (способность поглощать вибрацию) и др. 2. Методика производства испытаний определена ГОСТами..

Таблица 2

Соотношение чисел твердости, определенных различными методами

Твердость по Бринелю		Твердость по Роквеллу		Твердость по Шору	Твердость по Бринелю		Твердость по Роквеллу		Твердость по Шору
Диаметр отпечатка в мм	Число твердости Н_в	Шкала С Н_RC	Шкала В Н_R_В	Н_Sh	Диаметр отпечатка в мм	Число твердости Н_в	Шкала С Н_RC	Шкала В Н_R_В	Н_Sh
2.9	444	46	—	64	4.0	229	20	100	36
3.0	415	43	—	61	4.1	217	17	98	34
3.1	388	41	—	57	4.2	207	—	95	33
3.2	368	39	—	54	4.3	197	—	93	31
3.3	341	36	—	51	4.4	187	—	91	30
3.4	321	33	—	49	4.5	179	—	90	29
3.5	302	31	—	46	4.6	170	—	88	28
3.6	285	29	—	44	4.7	163	—	86	27
3.7	269	27	—	42	4.8	156	—	84	26
3.8	255	25	—	40	4.9	149	—	82	24
3.9	241	23	112	38	5.0	143	—	80	21