Механические свойства и методы технических испытаний

Раздел 1 Основы металловедения

Металловедение – это наука, изучающая строение и свойства металлов и сплавов, а также закономерности изменения свойств под влиянием тепла, механического или химического воздействия, Как самостоятельная наука материаловедение возникло в России в 19-ом веке.

Развитие металловедения связано с именами Аносова П.П. (1797 – 1851г.), Чернова Д.К. (1838 – 1921г.). Аносов открыл секрет булатной стали.    

Далее Курнаков Н.С (1860 – 1941г.), Байков А.А. (1870 – 1946г.),Штейнберг С.С. (1872 – 1940г.), Чижевский Н.П. (1873 – 1952).

Тема 1.1 Основные сведения о металлах и сплавах.

Понятие металлов и сплавов

Строение твёрдых веществ

Виды сплавов

Понятие металлов и сплавов

Металлами называются вещества, обладающие характерным блеском, ковкостью, непрозрачностью, электропроводностью, теплопроводностью. Они могут быть разделены на 2 группы: простые металлы - металлы, имеющие небольшое количество примесей других элементов; сложные металлы (сплавы), представляющие собой сочетание простого металла (как основного) с другими элементами.

Черные металлы(железо, чугун, сталь и ферросплавы) – важнейшие промышленные, конструкционные материалы, применяемые для изготовления  машин и механизмов, и др. частей различных сооружений. Чугун и сталь представляют собой сплавы железа с углеродом, а так же марганцем, кремнием, фосфором и серой. В зависимости от содержания углерода в металле сплавы делят на стали и чугуны.

К цветным металлам относятся все металлы, кроме чёрных металлов (Cu, Al, Mg, Pb, Zn, Sn,Ti, Cr, Ni, Mn, Mo, Co, V, W, а также Ge,Ta, Zr,Nb, Re, In, Se, Te).

Наибольшее распространение в технике имеют не чистые металлы, а их сплавы. Широкое применение в качестве проводников электрического тока имеют медь и алюминий, в качестве полупроводников - германий и кремний, а для производства деталей, стойких в химически-агрессивных средах – тантал и титан.

Чистые металлы не находят широкого применения, т.к. не обладают необходимым комплексом электрофизических, магнитных, механических и др. свойств. Чаще используются металлические сплавы, т.к. изменяя состав и способ их изготовления можно получить сплавы почти с любыми заданными свойствами (высокой механической прочностью в сочетании с малой плотностью, с высоким удельным электрическим сопротивлением, магнитные, немагнитные и т.д.).

Сплавы– это сложные вещества, получаемые сплавлением или спеканием двух или нескольких простых веществ, называемых компонентами.При сплавлении компоненты доводят до плавления с образованием однородного жидкого раствора соединившихся компонентов, а при спекании их порошки смешивают и подвергают давлению при высокой температуре.

Компонентами сплава могут быть металлы и неметаллы. Кроме основных компонентов в сплаве могут содержаться и примеси, которые бывают вредными и полезными, а также случайными или введёнными специально для придания необходимых свойств.

Металлическим сплавом называют материал, состоящий из двух и более компонентов: металлов или металла с неметаллом, при условии, что металлические компоненты составляют свыше 50% по массе.

Важнейшими электротехническими сплавами являются сплавы меди (бронзы, латуни), сплавы алюминия, магнитные сплавы железа с никелем и кобольтом и др.

Сплавы могут быть двухкомпонентными и многокомпонентными.

Строение твёрдых веществ

Все материалы при нормальных условиях могут находиться в газообразном, жидком или твёрдом состоянии. Особым видом существования вещества является плазменное состояние.

Вещества в твёрдом состоянии могут иметь строение кристаллическое, аморфное или аморфно – кристаллическое.

В кристаллических веществах атомы, ионы и молекулы располагаются в пространстве по геометрически правильной схеме и на определённом расстоянии друг от друга. Такая структура (кристаллическая решётка) описывается параметрами элементарной ячейки, в которой содержится наименьшее число элементарных частиц.

 Пространственная кристаллическая решётка – это сетка, в узлах которой расположены частицы, образующие твёрдое тело.

В узлах кристаллической решётки могут находиться нейтральные атомы (ковалентные решётки); положительные и отрицательные ионы, в промежутке между которыми находятся свободные электроны (металлические решётки); молекулы (молекулярные решётки).

По виду строения кристаллических решеток для элементов таблицы Менделеева существует 14 видов.

Рис.   Основные типы кристаллических решеток металлов и схемы

упаковки атомов: а — ОЦК; б — ГЦК; в — ГПУ, где а и с — пери­оды решетки (расстояние между центрами сосед­них атомов)

Различные вещества образуют кристаллы определенной формы. Порядок расположения атомов в кристалле может быть различным.

Под параметрами решётки понимают расстояние между ближайшими параллельными плоскостями, образующими элементарную ячейку. Эти расстояния измеряются в ангстремах (1А = 10^-10м).

В силу того, что плотность атомов в различных направлениях кристаллической решётки неодинакова, все кристаллы обладают различными свойствами в отдельных направлениях – анизотропией.

монокристаллические–

поликристаллические –

Металлы относятся к поликристаллическим материалам.

 Все кристаллические вещества обладают определённой температурой плавления Тпл. Три нагреваний вещества до этой температуры происходит разрушение кристаллической решётки и переход вещества в жидкое состояние.

Обратный процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое, называется кристаллизацией. Температура, при которой вещество затвердевает, называется темпера кристаллизации Ткр.

Виды сплавов

При затвердении компоненты сплава вступают во взаимодействие и образуют три типа соединений: твердый раствор; химическое соединение; механическую смесь.

Твердые растворы – это сплавы, состоящие из 2-х или более компонентов (элементов), в которых атомы растворяющегося элемента и атомы растворителя образуют общую кристаллическую пространственную решётку. Растворителем называют тот металл, кристаллическая решётка которого сохраняется при образовании твёрдого раствора. Твердые растворы могут быть образованы при любом соотношении компонентов. Растворимость в твердом состоянии м.б. неограниченной и ограниченной. Микроструктура твердого раствора в условиях равновесия представляет совершенно однородные и одинаковые по составу зерна и похожа на структуру чистого металла.

Различают твердые растворы замещения и внедрения. При образовании твердого растворазамещения атомы растворенного компонента замещают часть атомов растворителя в его кристаллической решетке. При образовании твердого раствора внедрения атомы растворенного компонента располагаются в междуузлиях кристаллической решетки растворителя.

Химические соединения имеют совершенно новый тип кристаллической решетки, отличающийся от типов кристаллических решёток исходных компонентов; постоянство состава; существенное изменение всех физико-химических свойств.

Механическая смесь образуется, когда компоненты сплава неспособны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием химического соединения. Атомы каждого компонента кристаллизуются самостоятельно с образованием собственной кристаллической решётки, в результате образуется механическая смесь различных кристаллов. Они используются при разработке составов припоев.

Диаграмма состояния сплава

Как и чистые металлы, сплавы имеют кристаллическое строение. Большинство сплавов можно представить в виде системы, состоящей  из нескольких фаз, находящихся сяв равновесии при определенных температуре и давлении.

Фаза – однородная по химическому составу и строению часть системы, отделенная от другой части системы поверхностью раздела, при переходе через которую изменяются состав, строение и свойства сплава.

Основой изучения свойств сплавов является диаграмма состояния, которая показывает зависимость между строением сплава, его составом и температурой.

Диаграммой состояния называют графическое изображение состояния сплавов в системе координат «температуры - концент­рации» компонентов. Диаграмма состояния позволяет правильно подойти к выбору сплава, судить о поведении сплава при техноло­гической обработке, характеризует его физические и ряд механических свойств.

При построении диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов по оси абсцисс откладывается процентная доля компонента Вв сплаве и процентная доля компонента А, которая уменьшается с ростом В, а по оси ординат – температура.

Диаграммы состояния двухкомпонентных сплавов бывают:

1 рода – при незначительной взаимной растворимости компонентов (сурьма– сви-нец; олово – цинк;  алюминий –кремнии);

2 рода – с неограниченной растворимостью компонентов друг в друге с одинако-выми типами кристаллических решёток (медь–никель, железо – никель, германии –кремний);

3 рода – с ограниченной растворимостью компонентов друг в друге(медь с серебром; железо с углеродом);

4 рода – образующие устойчивое химическое соединение (ниобий с оловом, галий с мышьяком, индий с сурьмой).

Впервые закономерности изменения физико-химических свойств сплавов в зависимости от типа диаграммы состояния установил академик Н.С. Курнаков.

Таким образом, если известны характер взаимодействия компонентов и тип диаграммы состояния, то можно выбрать состав сплава с конкретными заданными физико-химическими свойствами.Рис. Диаграмма состояния 2 рода.

Механические свойства и методы технических испытаний

Свойства металлов в большой степени зависят от агрегатного состояния (жидкое, твёрдое, газообразное, и особый вид состояния - плазма). Металлы обладают механическими, физическими, химическими, и технологическими свойствами.

Физические свойства – это свойства, характеризующие поведение металлов в различных полях.

В электрическом поле поведение металлов характеризуется электропроводностью.  Числено она оценивается удельным сопротивлением ил удельной проводимостью.

 В тепловом поле металлы характеризуются двумя свойствами: теплопроводностью и линейным расширением. Числено электропроводность оценивается коэффициентом теплопроводности. Линейное расширение оценивается коэффициентом линейного расширения. 

В поле силы тяжести металлы характеризуются удельным весом.

В магнитном поле металлы характеризуются способностью к намагничиванию. Числено она оценивается относительной магнитной проницаемостью [μ].

Технологические свойствахарактеризуют способность материалов к различным видам обработки.

Химические свойства характеризуют поведение металлов в агрессивной среде (кислотной, щелочной и т.д.).Наилучшими химическими свойствами  обладают: золото, серебро, платина, палладий; цветные металлы (медь, алюминий, олово); чёрные металлы (железо, сталь, чугун).

Механические свойства –это свойства, которые характеризуют поведение материалов при различных нагрузках (прочность, удельная прочность, твёрдость, упругость, пластичность, хрупкость, вязкость).

Прочность – это способность материала оказывать сопротивление действию внешних сил неразрушаясь.

Твёрдость – это способность материала противостоять проникновению в его поверхностный слой другого твёрдого тела.

Упругость – это свойство материалов восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность– это свойство материала деформироваться безразрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил.

Хрупкость – это свойства материалов разрушаться при приложении резкого динамического усилия.

Вязкость – это способность материала оказывать сопротивление быстровозрастающим внешним силам.

Современными методами испытаний материалов являются: механические, химические, спектральные, металлографические, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают представление о строении, составе и природе металлов.

Наиболее распространённые испытания:

1.Статическое растяжение(воздействие силы постоянной или силы, возрастающей весьма

медленно).

2. Динамические испытания (воздействие ударов или силы, возрастающей весьма быстро).

3.Испытания на твёрдость (царапанием, вдавливанием, ударом или упругой отдачей).

Твердость, определенная царапаньем, характеризует сопротивление разрушению, вдавливанием – сопротивление пластической деформации, по отскоку – упругие свойства.

Для определения твердости в поверхность материала с определенной силой вдавливается тело, выполненное в виде стального шарика, алмазного конуса, пирамиды или иглы. По размерам получаемого на поверхности отпечатка судят о твердости материала.

В зависимости от способа измерения твердости материала, количественно ее характеризуют числом твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HRC) или Виккерсу (HV).

Наибольшее применение получило измерение твердости методами Бринелля, Роквелла и Виккерса. В результате вдавливания нагрузки поверхностные слои металла пластически деформируются, апосле снятия нагрузки остается отпечаток. Чемменьше величина отпечатка на поверхности металла, тем тверже испытываемый материал.

Твердость по Бринеллю (ГОСТ 9012-59) измеряют на прессе Бринелля (твердомер типа ТШ) вдавливанием в испытываемый образецв течение определенного времени  стального шарика диаметром D= 10,5 или 2,5 мм под действием заданной нагрузки P.

 Число твердости по Бринеллю измеряется в кгс/мм или в СИ – в МПа(1кгс/мм² =9,81МПа) и определяется по формуле:

НВ =

На практике определяют не F, а диаметр dотпечатка с помощью специальной лупы, имеющей шкалу. По диаметру d с помощью таблиц, составленных для установленных диаметров шариков, отпечатков и нагрузок определяют твёрдость HB (в кгс/мм).

Число твердости по Бринеллю, измеренное при стандартном испытании (D =10 мм, Р = 3000кгс), записывается так: НВ 350. Если испытания проведены при других условиях, то запись будет иметь следующий вид: НВ 5/250/30-200, что означает – число твердости 200 получено при испытании шариком диаметром 5мм под нагрузкой 250кгс и длительности нагрузки 30с.

Методом  Бринелля определяют твёрдостьнезакалённых поковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твёрдостью до НВ 450 (4500 МПа), если твёрдость больше - шарик может деформироваться.

Твердость по Роквеллу определяют на твердомерах типа ТК. В образец вдавливаютзакалённый стальной шарик диаметром 1,588 мм или специальный алмазный конус с углом при вершине 120^оС. Наконечник вдавливают двумя последовательными нагрузками:

предварительной в 10кгс иосновной:

90 кгс (для стального шарика – красная шкала В, твёрдость обозначаетсяНRВ),

       140кгс (для алмазного конуса – чёрная шкала С, твёрдость обозначаетсяНRС),

50кгс (для алмазного конуса – шкала А).

Твёрдость характеризуется разностью глубин проникновения наконечника под различными нагрузками (после предварительной – h_о, а после основной - h). За единицу твёрдости принята величина t, соответствующая осевому перемещению шарика или конуса на

0,002мм:

t =

Числа твёрдости по Роквеллу определяются в условных единицах по формулам:

НRВ=130 – t (шкала В); НRС = 100 – t (шкала С и А).

Достоинства метода Роквелла: измерение твердости до НВ 700; возможность определения твердости более тонких изделий, чем по Бринеллю; наличие очень малых отпечатков.

Твердость по Виккерсуопределяют вдавливанием под нагрузкой в испытуемый материал алмазной пирамиды с углом при вершине 136 С.  На поверхности образца остается квадратный отпечаток, длина диагонали которого характеризует твердость материала. Чем больше диагональ, тем ниже твердость. Диагонали измеряют с помощью микроскопа. Твердость по Виккерсу (HV) определяют по таблицам в зависимости от длин диагоналей отпечатка. Этим методом можно измерять твердость мягких и твердых образцов при малой толщине.

Недостатки: длительность процесса замера и необходимость тщательной подготовки образца.

План урока