Физические свойства конструкционных металлов

Физические и химические свойства конструкционных материалов

К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий — серебристо-белый.

Плотность р металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы подразделяют на легкие (менее 4500 кг/м) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето-и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления tпл называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам 3416 °С, тантал 2950 °C, титан 1725 °C и др.) и легкоплавкие (олово 232 °С, свинец 327 °С, цинк 419,5 °C, алюминий 660 °С) металлы. Температура плавления важна при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектрических приборов и других изделий.

Теплопроводностью Л называют способность металлов передавать теплоту от более нагретых к менее нагретым участкам тела. Серебро, медь, алюминий обладают высокой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в 3 раза ниже, чем алюминий, и в 5 раз ниже, чем медь. Теплопроводность следует учитывать при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит теплоту, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) он склонен к образованию трещин. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью.

Тепловым расширением называют свойство металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться — при охлаждении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения а. Тепловые расширения необходимо учитывать при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, валков прокатных станов, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, укладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество теплоты. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости с, которая равна отношению теплоемкости однородного тела к его массе.

Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя взаимно противоположными характеристиками — электропроводностью g и электросопротивлением r. Хорошая электропроводность необходима, например, для токоведущих проводов, поэтому для их производства используют медь и алюминий. При изготовлении электронагревателей приборов и печей требуются сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан, манганин). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением — увеличивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью ua — способностью металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства характеризуют способность материала к взаимодействию с внешней средой, в частности, способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем активнее металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием внешней агрессивной среды на их поверхность называют коррозией.

Окисляемость — способность материалов взаимодействовать с кислородом и образовывать оксиды, растворимость — способность вещества образовывать с другим веществом (или веществами) гомогенные смеси с дисперсным распределением компонентов. Сопротивление металлов коррозии, окислению и растворению определяют по изменению массы испытуемых образцов на единицу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитывают при изготовлении и работе изделий в условиях высоких температур и под воздействием химически агрессивных сред.

Источник

Физические свойства

Классификация конструкционных материалов

Классификация– разделение какого-либо множества, обозначаемого одним термином, по объединяемому это множество признаку (свойству) на группы (классы, разряды).

Свойство – отличительный признак, особенность.

Качество – уровень существенного свойства объекта.

Признак – показатель, по которому можно узнать, отличить объект.

Классифицируют конструкционные материалы по виду вещества, из которого они состоят: их делят на металлические, неметаллические и композиционные (смешанные).

Металлическими называют конструкционные материалы, являющиеся сплавами металлов с другими веществами.

По содержанию металлов сплавы состоят из основного металла (железо, титан и другие) и легирующих компонентов, вместе образующих сплавы, например, сталь, дуралюмин, латунь, а по цвету – на чёрные сплавы (на основе железа) и цветные (на основе цветных металлов).

Неметаллические по природному происхождению делят на минеральные (камень, бетон, керамика, стекло) и органические (древесина, пластмассы, резина).

Композиционными называют конструкционные материалы, искусственно смешанные из не взаимодействующих химически между собой металлических и/или неметаллических компонентов (матрицы и наполнителя), каждый из которых придаёт материалу какие-то определённые свойства, причём матрица постоянна в пространстве материала, а наполнитель прерывен (порошки, волокна, пластины).

Знание классификаций конструкционных материалов учитывают при назначении последних в процессе конструирования для обеспечения необходимых свойств деталей с целью долгой и рациональной эксплуатации в изделиях: машинах, механизмах, конструкциях, а также для приведения в соответствие эргономических, экономических, экологических и эстетических показателей этих изделий.

2 СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Каждый материал имеет определённый комплекс свойств.

Необходимость знания свойств используемых материалов для изготовления деталей, воспринимающих прилагаемую извне нагрузку, обусловлена естественным желанием конструктора, строителя, производителя, пользователя, чтобы машина, механизм, конструкция, которые собирают из этих деталей, служили надёжно и долго.

Весь комплекс свойств любых конструкционных материалов делят на пять групп: физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные.

Физические свойства

Все твёрдые вещества имеют свои физические свойства, то есть те, которые проявляются независимо от внутреннего строения вещества. Изучение конструкционных материалов предопределяет использование следующих из них.

Для металлических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность.

Для неметаллических: цвет, плотность, температура плавления, теплопроводность, тепловое расширение.

Цвет – результат зрительного восприятия человеком отражения поверхностью материала определённого, присущего каждому веществу, своего участка светового спектра.

По цвету можно определить, например, вид металлического конструкционного материала (сплавы меди – красные и жёлтые, алюминия – белые, железа – чёрные), температуру его нагрева; или наличие химических дефектов на поверхности керамического конструкционного материала (они обычно имеют другой цвет, чем основной материал) и многое другое.

Плотность – свойство, характеризуемое массой вещества в стандартной единице объёма.

Металлы по величине плотности делят на лёгкие (магний 1740 кг/м 3 , алюминий 2720 кг/м 3 , титан 4500 кг/м 3 ) и тяжёлые (хром 7140 кг/м 3 , железо 7850 кг/м 3 , медь 8940 кг/м 3 , молибден 10220 кг/м 3 , вольфрам 19300 кг/м 3 ). Плотность материалов из минералов (керамика, стекло) находится в пределах соответственно 1600. 1800 и 2400. 2600 кг/м 3 . Плотность органических конструкционных материалов (полипропилен, древесина) находится ниже или на уровне плотности воды (около 1000 кг/м 3 , у некоторых (фторопласт-4) – до 2200 кг/м 3 ).

Температура плавления – значение, при котором кристаллические вещества (металлы и минералы) при нагревании переходят из твёрдого состояния в жидкое.

У металлов можно выделить легкоплавкие (магний 651 °С, алюминий 658 °С,), средний диапазон (медь 1083 °С, железо 1590°С.) и тугоплавкие (титан 1668 °С, вольфрам 3410 °С). Конструкционные материалы из минералов (стекло, базальт) плавятся в диапазоне температур от 1000 до 1400 °С. Конструкционные материалы на основе органических веществ (полипропилен, полистирол) являются аморфными и при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние в диапазоне температур от 100 до 300 °С.

Теплопроводность – количественная характеристика интенсивности передачи материалом теплоты по своему объёму в направлениях меньшего её значения.

Самая высокая – у металлов: у меди в полтора раза выше, чем у алюминия и в пять раз выше, чем у железа. Теплопроводность конструкционных материалов из минералов в десятки раз, а из органических веществ в сотни раз ниже, чем у металлов.

Тепловое расширение – свойство любого вещества увеличивать свои размеры при нагревании и уменьшать при охлаждении. В наибольшей степени изменяют свои размеры органические конструкционные материалы (в 10. 30 раз выше чем металлические (сталь) или минеральные (бетон).

Электропроводность – способность всех без исключения металлов и их сплавов проводить электрический ток. Наилучшая электропроводность у чистых металлов: серебра, меди и алюминия. Минеральные и органические конструкционные материалы не проводят электрический ток.

Дата добавления: 2017-03-29 ; просмотров: 753 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Материаловедение

Физико-механические свойства конструкционных материалов

Физико-механические свойства конструкционных материалов подразделяются на:

• конструкционные;
• технологические;
• эксплуатационные.

Конструкционные свойства

К конструкционным свойствам относятся:

• прочность;
• упругость;
• пластичность;
• твердость;
• ударная вязкость.

Эти свойства определяют прочность и долговечность машины.

Прочность – это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил. Деформации подразделяются на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают после окончания действия сил, а пластические остаются.

Пластичность – способность материала деформироваться. Пластичность обеспечивает конструктивную прочность деталей под нагрузкой и нейтрализует влияние концентраторов напряжений – отверстий, вырезов и т. п. При пластическом деформировании металла одновременно с изменением формы изменяется ряд свойств, в частности при холодном деформировании повышается прочность, но снижается пластичность.

Большинство механических характеристик материалов определяют в результате испытания образцов на растяжение (ГОСТ 1497-84).

При растяжении образцов с площадью поперечного сечения F_a и рабочей (расчетной) длиной l_о строят диаграмму растяжения в координатах: нагрузка P – удлинение ∆l образца (Рисунок 3.).

Диаграмма растяжения характеризует поведение металла при деформировании от момента начала нагружения до разрушения образца. На диаграмме выделяют три участка:

• упругой деформации – до нагрузки P_упр ;
• равномерной пластической деформации от P_упр до P_max ;
• сосредоточенной пластической деформации от P_max до P_k .

Если образец нагрузить в пределах P_упр , а затем полностью разгрузить и замерить его длину, то никаких последствий нагружения не обнаружится.

Рисунок 3. Диаграмма растяжения металла

Такой характер деформирования образца называется упругим .
При нагружении образца более P_упр появляется остаточная (пластическая) деформация.
Пластическое деформирование идет при возрастающей нагрузке, так как металл упрочняется в процессе деформирования.
Упрочнение металла при деформировании называется наклепом .

При дальнейшем нагружении пластическая деформация, а вместе с ней и наклеп все более увеличиваются, равномерно распределяясь по всему объему образца.
После достижения максимального значения нагрузки P_max в наиболее слабом месте появляется местное утонение образца – шейка, в которой в основном и протекает дальнейшее пластическое деформирование. В связи с развитием шейки, несмотря на продолжающееся упрочнение металла, нагрузка уменьшается от P_max до P_k , и при нагрузке P_k происходит разрушение образца.
При этом упругая деформация образца ∆l_упр исчезает, а пластическая ∆l_ост остается.

При деформировании твердого тела внутри него возникают внутренние силы. Величину сил, приходящуюся на единицу площади поперечного сечения образца, называют напряжением .
Единица измерения напряжения — мегаПаскаль (МПа).

Отмеченные выше нагрузки на кривой растяжения ( P_упр, P_T, P_max, P_k ) служат для определения основных характеристик прочности (напряжений):

• предела упругости σ_у ;
• предела текучести σ_Т ;
• временного сопротивления σ_в (предела прочности) и истинного сопротивления разрушению.

Временное сопротивление (предел прочности) σ_в – это напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

где Р – максимальная нагрузка, предшествующая разрушению;
F – первоначальная площадь поперечного сечения образца.

Для оценки пластичности металла служат относительное остаточное удлинение образца при растяжении δ_Р и относительное остаточное сужение площади поперечного сечения образца ψ_Р .

Относительное остаточное удлинение определяется по формуле:

где lк – длина образца после испытания;
l –длина образца до испытания.

Относительное остаточное сужение определяется из выражения:

где F – начальная площадь поперечного сечения образца;
F_к – площадь поперечного сечения образца в месте разрушения.

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела (индентора). О твердости судят либо по глубине проникновения индентора, либо по величине отпечатка от вдавливания. Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы определения твердости Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости.

Схемы испытаний представлены на Рисунке 4.

Рисунок 4. Схема определения твердости материала
по Бринеллю (а), по Роквеллу (б), по Виккерсу (в).

Твердость по Бринеллю определяют на твердомере Бринелля. В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D 2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Полученный отпечаток измеряется в двух направлениях при помощи лупы Бринелля. Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки P к сферической поверхности отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в поверхность под определенной нагрузкой наконечника в виде шарика или алмазного конуса. Для мягких материалов (до НВ 230) используется стальной шарик диаметром 1/16” (1,6 мм), для более твердых материалов – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка P (100 Н) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка P₁ , в течение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка P . После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h под нагрузкой P .

Твердость по Виккерсу определяется по величине отпечатка индентора: алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине 136 o .

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки P к площади поверхности отпечатка.

Нагрузка P составляет 50…1000 Н. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонких изделий, поверхностных слоёв. Метод обеспечивает высокую точность при высокой чувствительности.

Способ микротвердости – используется для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра). Метод аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании P составляют 5…500 Н.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению. Испытания на ударную вязкость производят на маятниковых копрах. Испытуемые образцы имеют надрезы определенной формы и размеров.
Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника, который поднимают на определенную высоту.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость a_н , (удельная работа разрушения).

Источник