Общие сведения о строении и свойствах металлов и сплавов

10.1. КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТАЛЛОВ

Классификация металлов может быть основана на различных признаках: по объему и частоте использования, физико-химическим свойствам и др.

По объему и частоте использования металлов в технике их мож­но разделить на металлы технические и редкие. Технические метал­лы — это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fe, медь Си, алюминий А1, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец РЬ, цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы — редкие (ртуть Hg, на­трий Na, серебро Ag, золото Аи, платина Pt, кобальт Со, хром Сг, молибден Мо, тантал Та, вольфрам W и др.).

Железо в чистом виде используется чрезвычайно редко. Обычно используют железоуглеродистые (Fe-C) сплавы — стали и чугуны, которые образуют группу черных металлов. Все остальные представ­ляют группу цветных металлов. На долю черных металлов приходит­ся -85 % всех производимых металлов, а на долю цветных -15 %.

По физико-химическим свойствам металлы можно разделить на шесть основных групп.

Магнитные — Fe, Со, Ni обладают ферромагнитными свойства­ми. Сплавы на основе Fe (стали и чугуны) являются главными кон­струкционными материалами; сплавы на основе Fe, Со и Ni являют­ся основными магнитными материалами (ферромагнетиками).

Тугоплавкие — металлы, у которых температура плавления выше, чем у Fe (1539 °С); это W (3380 °С), Та (2970 °С), Мо (2620 °С), Сг (1900 °С), Pt (1770 °С), Ti (1670 °С) и др. Применяют их как само­стоятельно, так и в виде добавок в стали, работающие, в частности, при высокой температуре.

Легкоплавкие — имеют ниже 500 °С; к ним относятся: Zn (419 °С), РЬ (327 °С), кадмий Cd (321 °С), таллий Т1 (303 °С), вис­мут Bi (271 °С), олово Sn (232 °С), индий In (156 °С), Na (98 °С), Hg (—39 °С) и др. Назначение их самое различное: антикоррози­онные покрытия, антифрикционные сплавы, проводниковые ма­териалы.

Из тугоплавких и легкоплавких металлов перечислены наиболее распространенные, хотя известны и такие тугоплавкие металлы, как, например, рений Re (3180 °С), осмий Os (3000 °С), ниобий Nb (2470 °С), а из легкоплавких — литий Li (180 °С), калий К (68 °С), рубидий Rb (39 °С), цезий Cs (28 °С).

Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м³; к ним относится А1, плотность — 2,7, Cs — 1,90, бериллий Be — 1,84, Mg —1,74, Rb — 1,53; Na — 0,97, Li — 0,53 Мг/м³ и др. Эти металлы применяют для производства сплавов, используемых в конструкциях с ограничениями в массе.

Благородные — в электротехнике применяют Au, Ag, Pt, палла­дий Pd, а также металлы платиновой группы: иридий Ir, родий Rh, осмий Os, рутений Ru. Эти металлы и сплавы на их основе обладают высокой химической стойкостью, в том числе и при повышенных температурах. Их используют в производстве ответственных контак­тов, выводов интегральных микросхем и других полупроводниковых приборов, термометров сопротивления и термопар, нагревательных элементов, работающих в особых условиях.

Редкоземельные — лантаноиды; их применяют как присадки в различных сплавах. Сплавы (RM) металлов группы железа (М) с ред­коземельными элементами (R) являются весьма перспективными магнитотвердыми материалами.

Классифицируются металлы и по другим признакам, например в электротехнике по значению электропроводности: хорошо и плохо проводящие электрический ток; к первым относится большинство металлов, они хорошо проводят электрический ток и пластичные. Ко вторым — элементы V группы периодической системы Д.И. Мен­делеева — это висмут Bi, сурьма Sb, мышьяк As, они плохо проводят ток и хрупкие, их иногда называют полуметаллами.

10.2. СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ 10.2.1. Механические свойства металлов

Металлам присущи высокая пластичность, тепло- и электропро­водность. Они имеют характерный металлический блеск.

Свойствами металлов обладают около 80 элементов периодиче­ской системы Д.И. Менделеева. Для металлов, а также для метал­лических сплавов, особенно конструкционных, важное значение имеют механические свойства, основными из которых являются прочность, пластичность, твердость и ударная вязкость.

Под действием внешней нагрузки в твердом теле возникают на­пряжение и деформация. Напряжение а, кгс/мм² — это нагрузка (сила) Р, отнесенная к первоначальной площади поперечного сече­ния F₀ образца:

а = P/F₀. (10.1)

В СИ Р измеряют в кгс или Н, F₀ — в м², а — в Па. 1 кгс/мм² = = 9,80665 МПа (точно) - 10 МПа.

В зависимости от способа приложения нагрузки методы испыта­ния механических свойств металлов, сплавов и других материалов делятся на статические, динамические и знакопеременные.

Деформация — это изменение формы и размеров твердого тела под действием внешних сил или в результате физических процессов, возникающих в теле при фазовых превращениях, усадке и т. п. Де-

Р — нагрузка (сила), кгс;

А/ — абсолютное удлинение, мм

формация может быть упругая (исчезает после снятия нагрузки) и пластическая (сохраняется после снятия нагрузки). При все возрас­тающей нагрузке упругая деформация, как правило, переходит в пла­стическую, и далее образец разрушается.

Прочность — способность металлов оказывать сопротивление де­формации или разрушению статическим, динамическим или знако­переменным нагрузкам. Прочность металлов при статических на­грузках испытывают на растяжение, сжатие, изгиб и кручение. Испытание на разрыв является обязательным. Прочность при дина­мических нагрузках оценивают удельной ударной вязкостью, а при знакопеременных нагрузках — усталостной прочностью.

Прочность при испытании на растяжение оценивают следующи­ми характеристиками (рис. 10.1).

(Ю.2)

• Предел прочности на разрыв (предел прочности или временное сопротивление разрыву) о_в — это напряжение, отвечающее наиболь­шей нагрузке Р_в, предшествующей разрушению образца:

g» = PJF₀.

Эта характеристика является обязательной для металлов.

(10.3)

• Предел пропорциональности а_пц — это условное напряжение Р_пц, при котором начинается отклонение от пропорциональной зависи­мости между деформацией и нагрузкой:

Опц ~ Дц/^о-

При нагрузках до значения Р_пц растяжение соответствует упругой деформации образца. При нагрузках выше значения Р_ПЦ происходит пластическая деформация, что приводит к остаточному удлинению образца.

(10.4)

• Предел текучести а_т — это напряжение Р_т, при котором обра­зец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки:

о_т = PJF₀.

А/, мм

Рис. 10.2. Схема определения твердости по Бринеллю

Рис. 10.1. Диаграмма растяжения, типичная для ряда металлов:

Значения а_в, а_пц, а_г измеряют в кгс/мм² или в МПа.

Пластичность — свойство металлов деформироваться без разру­шения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после снятия этих сил. Ее характеристиками являются относительное удлинение перед разрывом 5 и относительное сужение перед разрывом \|/. Эти характеристики определяют при испытании на растяжение (при определении 5_В), а их численные значения вычисляют по фор­мулам:

8 = [(/*-/<,)//<>] Ю0%, (10.5)

V=l(F₀-F_k)/F₀] 100%, (10.6)

где /₀ и 1_к — длина образца до и после разрушения соответственно; F₀ и F_k — площадь поперечного сечения образца до и после разруше­ния (шейка).

Упругость — свойство металлов восстанавливать свою прежнюю форму после снятия внешних сил, вызывающих деформацию. Упру­гость — свойство, обратное пластичности.

Твердость — способность металлов оказывать сопротивление проникновению в них более твердого тела. Производят испытание на твердость по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, Польди и на микро­твердость. Наиболее распространенные первые два метода. Твер­дость, согласно этим методам, определяют следующим образом.

По Бринеллю — в испытуемый образец с определенной силой вдавливают закаленный стальной шарик диаметром D = 10,5 или 2,5 мм (рис. 10.2). Число твердости по Бринеллю — НВ, характеризу­ется отношением нагрузки Р, действующей на шарик, к поверхности отпечатка F, мм²:

Р 2 Р НВ = - = (10.7)

^F KD(D-jD²-d²)

Значение НВ измеряют в кгс/мм² (в этом случае размерность часто не указывается) или в СИ — в МПа (1 кгс/мм²«10 МПа).

Чем меньше диаметр отпечатка d, тем больше твердость образца. Диаметр шарика D и нагрузку Р выбирают в зависимости от материа­ла и толщины образца. На практике определяют не F, а диаметр d отпечатка с помощью специальной лупы, имеющей шкалу. По диа­метру d отпечатка (лунки) из таблицы определяют твердость в НВ (в кгс/мм²). Этим методом определяют твердость незакаленных по­ковок, отливок и деталей, изготовленных из стального проката твер­достью до НВ 450 (4500 МПа). При большей твердости шарик де­формируется.

По Роквеллу — в испытуемый образец вдавливают специальный алмазный конус, угол вершины которого равен 120°, или закаленный стальной шарик диаметром 1,588 мм. В этом случае измеряют не диаметр отпечатка, а глубину вдавливания. Алмазный конус или стальной шарик вдавливают двумя последовательными нагрузками: предварительной в 10 кгс и основной в 90 кгс для стального шарика (шкала В), 140 кгс для алмазного конуса (шкала С) или 50 кгс для
алмазного конуса (шкала А) при испытании очень твердых и тонких образцов. После приложения предварительной нагрузки измеряют глубину вдавливания А₀, а после основной — А. За единицу твердости принята величина соответствующая осевому перемещению конуса (шарика) на 0,002 мм:

f = (Л - А₀)/0,002.

Числа твердости по Роквеллу определяют в условных единицах по формулам:

HRB = 130 — / (шкала В) и HRC = 100 — / (шкалы С и А). (10.9)

(10.10)

Место

Рис. 10.3. Схема маятникового копра (а) и положение испытуемого образца на опорах копра (б)

а

Вязкость — способность металлов оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Мно­гие детали в процессе работы испытывают не только статические на­грузки, но подвергаются также ударным (динамическим) нагрузкам. Например, такие нагрузки испытывают колеса локомотивов и ваго­нов на стыках рельсов. Удельное сопротивление удару — удельная ударная вязкость (испытание на ударный изгиб) а_н характеризуется работой, израсходованной на разрушение образца (рис. 10.3). Значе­ния а_н вычисляют по формуле, (кгс м)/см² или кДж/м²:

(Х_н = AJF;

где А_н = G(H — h) — работа удара, измеряется в кгс-м или в Дж; G — вес маятника копра, кгс; Н — высота подъема маятника перед уда­ром, м; h — высота, на которую поднимается маятник с другой сто­роны опор после удара, м (рис. 10.3); F — площадь поперечного се­чения образца в месте надреза, см² (на образцах Менаже F= 0,8 см²). 0,01(кгсм)/см² = 1(кгссм)/см² = 1кДж/м².

(10.8)

Хрупкость металлов в условиях низких температур называют хла- доломкостью. Значение а^ при этом существенно ниже, чем при комнатной температуре. Для определения температуры перехода ме­талла от вязкого разрешения к хрупкому, называемой критической
температурой хрупкости или порогом хладо- ломкости, строят график а_н =Д7) (рис. 10.4). Температура при испытании изменяется от комнатной до -100 °С. На рис. 10.4 обозна­чено: 1 — вязкое разрушение, 2 — хрупкое разрушение, Т_ь — верхняя и Т_н — нижняя границы критического интервала, в котором характер излома изменяется от вязкого во­локнистого до хрупкого кристаллического. Обычно порогом хладоломкости считают среднюю температуру интервала (Г_в — Т_н)/2.

Усталостная прочность. Некоторые дета­ли (валы, шатуны, рессоры, пружины, рель­сы и т. п.) в процессе эксплуатации испыты­вают нагрузки, изменяющиеся по величине или одновременно по величине и направле­нию (знаку). Под действием таких знакопе­ременных (вибрационных) нагрузок металл как бы устает, прочность его понижается и деталь разрушается. Это явление называют устало­стью металла, а образовавшиеся изломы — усталостными. Для таких деталей необходимо знать предел выносливости, т. е. величину наи­большего напряжения, которое металл может выдержать без разру­шения при заданном числе перемен нагрузки (циклов) N. Для дета­лей из стали условно принято N = 5 и 10 млн, а из цветных сплавов — N = 20 млн циклов. Предел выносливости определяют на машинах с пульсирующим нагружением детали или с изгибом при вращении. Величина предела выносливости зависит от степени за­грязненности металла неметаллическими включениями, структуры металла, состояния поверхности, формы и размеров образца, накле­па и др.

Износостойкость — сопротивление металлов изнашиванию вследствие процесса трения. Это важная характеристика, например, для контактных материалов и, в частности, для контактного провода и токосъемных элементов токоприемника электрифицированного транспорта. Износ заключается в отрыве с трущейся поверхности от­дельных ее частиц и определяется по изменению геометрических размеров или массы детали.

Усталостная прочность и износостойкость дают наиболее полное представление о долговечности деталей в конструкциях, а вязкость характеризует надежность этих деталей.

Дата добавления: 2015-08-09