Пластичность металла это материаловедение

Пластичность металла это материаловедение

§ 2. Свойства металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на:

1. физические;
2. механические;
3. технологические;
4. химические.

Физические свойства

Цвет и блеск. Эти два свойства обусловливают в основном внешний вид металла и являются чрезвычайно существенными для художника. Этими свойствами характеризуются художественно-эстетические достоинства металлов как материалов, из которых создаются произведения искусства.

Каждый металл или сплав обладает определенным присущим ему цветом. Однако большинство из них имеет довольно однообразную гамму серовато-белых, серебристых тонов, то более теплых, то холодных. Исключение составляют два металла: золото, имеющее насыщенный желтый цвет, и медь, отличающаяся сильным оранжево-красным цветом. Добавка этих металлов в сплавы придает им желтые и красные оттенки. В табл. 1 приведены цвета наиболее распространенных в художественной промышленности металлов и сплавов.

Таблица 1

Часто готовые художественные изделия, выполненные из одних металлов, покрывают тонким слоем других, более эффективных по цвету или блеску металлов: например, золочение серебра и бронзы, хромирование и никелирование стали, серебрение меди и латуни и т. п.

Иногда для обогащения цвета применяют не сам металл, а его окислы или другие химические соединения. Такой прием носит название оксидирования или патинирования. Этим способом можно получить очень разнообразные по силе и яркости тона и значительно расширять цветовую палитру художника-металлиста. Оксидирование позволяет получить различные оттенки желтых, зеленых, синих, голубых, фиолетовых, красных, коричневых, черных цветов, весьма прочных и стойких против внешних условий.

Плотность. По плотности все металлы разделяются на легкие и тяжелые. Легкими принято называть металлы с плотностью до 3, а тяжелыми — с плотностью от 6 и выше.

В табл. 2 приведены плотности металлов и сплавов, наиболее часто применяемых в художественных изделиях.

Таблица 2

Плавкость, или температура плавления. Температуры плавления металлов и их сплавов находятся в огромных пределах. Например, некоторые легкоплавкие сплавы (сплав Вуда) плавятся уже при температуре 60°С, а наиболее тугоплавкий из металлов — вольфрам плавится только при 3380°С. Ртуть является примером металла, который при комнатной температуре находится в жидком состоянии. Она плавится при температуре минус 39°С.

По температурам плавления все металлы разделяются на легкоплавкие (температура плавления не превышает 700°С) и тугоплавкие — свыше 900°С.

В табл. 3 приведена температура плавления некоторых металлов в градусах Цельсия.

Таблица 3

Как видно из табл. 3, к легкоплавким металлам относятся: олово, свинец, цинк, кадмий, сурьма, алюминий, магний и их сплавы.

Легкоплавкие металлы идут для приготовления легкоплавких сплавов и мягких припоев.

К тугоплавким металлам относятся: серебро, золото, платина, медь, никель, марганец, железо, хром, вольфрам и др.

Механические свойства

Механические свойства имеют большое значение при конструировании и производстве изделий художественной промышленности.

Прочность, или крепость,- это свойство металлов выдерживать различные нагрузки не разрушаясь. Прочность — одно из важных свойств металлов. При проектировании художественных изделий выбор металлов и сплавов осуществляется с учетом их прочности.

Для точного определения и измерения прочности из металла или сплава изготовляют образец и подвергают его испытанию на специальной разрывной машине, которая постепенно, но с возрастающей силой растягивает образец до полного его разрыва.

Наибольшее напряжение, которое может выдержать образец металла не разрушаясь, называется пределом прочности для данного металла или временным сопротивлением разрыву.

Упругость — свойство металла принимать свою первоначальную форму после снятия нагрузки. При постепенном увеличении нагрузки на образец во время испытания его на разрывной машине он сначала вытягивается упруго, как резина или пружина. Если нагрузку снять, то образец снова сократится и примет свою первоначальную длину. Наибольшее напряжение металла, после которого он возвращается к своей первоначальной длине, называется пределом упругости.

Если при дальнейшем повышении нагрузки напряжение превышает предел упругости и удлинение сохраняется после разгрузки образца, то такое состояние называют остаточным удлинением. Затем наступает предел текучести, при котором образец продолжает удлиняться без увеличения нагрузки — в этом случае металл «течет». Такая способность к текучести используется в штамповочном производстве, особенно при глубокой вытяжке.

Наибольшей упругостью обладает хромоникелевая закаленная сталь. Алюминий и медь совершенно не обладают упругостью — даже при незначительной нагрузке они образуют остаточное удлинение, а не упругое.

Пластичность — свойство металла изменять свою форму под действием силы, не проявляя признаков разрушения (трещин, разрывов и т. п.), и сохранять полученную форму после снятия нагрузки. Это свойство также определяется и измеряется на разрывной машине.

Пластичность металла характеризуется удлинением образца за время испытания. Для определения степени пластичности пользуются следующим приемом: после разрыва образца складывают его части и измеряют общую их длину. Отношение приращения длины к его первоначальной длине, выраженное в процентах, является показателем пластичности металла и называется относительным удлинением. Это свойство металлов имеет большое значение в давильном и штамповочном производстве, а также при дифовке, чеканке, прокатке и волочении. Высокой пластичностью обладают драгоценные металлы — золото, серебро, платина и их сплавы; не менее пластичны медь и свинец. Почти совершенно отсутствует это свойство у чугуна, сурьмы и некоторых других металлов.

Твердость — свойство металлов сопротивляться проникновению в них другого тела под действием внешней нагрузки. От этого свойства зависит возможность обработки металлов тем или иным инструментом. Например, при обработке резанием на станках важно знать твердость обрабатываемого металла, чтобы подобрать соответствующий резец, сверло или фрезу.

Для определения твердости существует несколько способов и специальных приборов. Наиболее распространенные и общепринятые следующие.

Способ Бринелля. Определение твердости этим способом заключается в том, что в испытуемый металл при помощи специального пресса вдавливается определенной нагрузкой стальной закаленный шарик. От давления шарика на металле образуется лунка, отпечаток. Чем мягче металл, тем площадь лунки больше. Диаметр лунки определяется мерительной лупой, а затем в специальной таблице находят число твердости по Бринеллю.

В табл. 4 приведены числа твердости по Бринеллю для некоторых металлов.

Таблица 4

Способ Роквелла. Определение твердости этим способом производится тоже путем вдавливания в металл алмазной призмы или стального шарика, но отсчет ведется не по площади, а по разнице глубины отпечатка между глубиной от стандартной нагрузки, равной 10 кг, и заданной.

Измерение производят специальным прибором — индикатором, и число твердости показывает сам прибор.

Способ Шора. Измерение по этому способу производится при помощи специального прибора — склероскопа. При этом стальной боек падает на испытуемый металл с определенной высоты. Твердость металла характеризуется высотой, на которую отскакивает боек. Чем тверже металл, тем больше высота отскока. Этот способ удобен тем, что он не портит поверхности и может применяться к готовым изделиям художественной промышленности.

Выносливость — свойство металлов выдерживать не разрушаясь большое количество повторяющихся переменных нагрузок.

Все механические свойства значительно изменяются в зависимости от температурных условий. Так, например, прочность всех металлов при нагреве понижается, а пластичность в большинстве случаев увеличивается.

Изменение свойств металлов в условиях пониженных температур изучено еще недостаточно. Однако хорошо известно, что на холоде у некоторых металлов резко падает пластичность и они становятся хрупкими. С этой точки зрения все металлы делятся на три группы:

1. хладоломкие — сталь некоторых марок, цинк и его сплавы;
2. нехладоломкие — медь, алюминий;
3. хрупкие — металлы, обладающие хрупкостью и при нормальных условиях, например серый чугун.

Технологические свойства

При выборе металла или сплава для производства художественных изделий кроме физических и механических свойств учитывают и технологические свойства, т. е. способность металлов обрабатываться различными приемами и методами без особых затруднений.

Наиболее существенными являются следующие свойства.

Жидкотекучесть — свойство, обеспечивающее хорошее заполнение формы расплавленным металлом. Величина жидкотекучести зависит от атомного веса, температуры плавления, степени поверхностного натяжения и других показателей.

Металлы и сплавы, обладающие высокой жидкотекучестью, позволяют получать высокохудожественные отливки. Они легко заполняют мельчайшие детали форм и хорошо передают все детали модели, включая и фактуру поверхности. Хорошей жидкотекучестью обладают следующие металлы и сплавы: цинк и его сплавы, чугун, бронза, олово, силумин (сплав алюминия с кремнием), а также некоторые магниевые сплавы и литейные латуни.

Существует понятие, обратное жидкотекучести,- густоплавкость. Металлы и сплавы, обладающие густоплавкостью, даже при высоком нагреве остаются густыми и при заливке форм плохо их заполняют. К густоплавким относятся чистое серебро, красная медь, сталь.

Литейная усадка — уменьшение объема при переходе из жидкого состояния в твердое. При охлаждении металла отливка сокращается и как бы отходит от стенок формы. Отливка всегда меньше модели, по которой сделана форма. Величина усадки бывает различной. Металлы и сплавы с большой усадкой менее применимы для литья.

В табл. 5 приведены литейные усадки некоторых металлов и сплавов.

Таблица 5

Зная величину литейной усадки, можно определить, насколько больше следует изготовить форму, чтобы получить отливку нужного размера.

Ковкость — свойство металла изменять свою форму под действием ударов или давления не разрушаясь. Степень ковкости зависит от многих параметров. Наиболее существенными из них являются следующие: пластичность, степень нагрева, величина деформирующего усилия, наличие примесей и др.

Металлы могут коваться как в холодном состоянии, например красная медь, золото, так и в горячем, например сталь. Это свойство широко используется при изготовлении художественных кованых изделий из малоуглеродистой стали (ранее называемой ковочным железом). Малоуглеродистая сталь, раскаленная докрасна, становится настолько пластичной и мягкой, что из нее можно изготовлять художественные изделия самой разнообразной сложной формы.

Свариваемость — способность металла прочно соединяться путем местного нагрева и расплавления свариваемых кромок изделия. , Чистые металлы свариваются легче, а сплавы труднее. Легко свариваются изделия из малоуглеродистой стали. Чем выше процент содержания углерода в стали, тем свариваемость ее хуже. Наиболее затруднительной считается сварка высокоуглеродистых легированных сталей и особенно чугуна.

Спекаемость — свойство, в результате которого образуется металлокерамика. При этом металлы, предварительно измельченные в порошок, смешиваются, запрессовываются в специальные формы и подвергаются действию высокой температуры и давления до спекания. Различные металлы спекаются неодинаково — одни лучше, другие хуже. Способом спекания сейчас производят особо твердые стойкие сплавы, например победит, который применяется при изготовлении режущих инструментов.

Обрабатываемость резанием на различных станках (токарном, фрезерном и пр.), а также способность шлифоваться и полироваться — это свойства, играющие существенную роль в производстве художественных изделий и особенно в отделке (полировании). Хорошо режутся бронзы, латуни и некоторые марки сталей, алюминия и чугуна. Особенно плохо обрабатываются на станках детали из красной меди и из свинца и его сплавов.

Химические свойства

Из химических свойств металлов практически наиболее важными в производстве изделий художественной промышленности являются растворение и окисление.

Растворение, или разъедание,— это способность металлов и сплавов растворяться в сильных кислотах и едких щелочах. Наиболее часто в производстве употребляются серная, азотная и соляная кислоты, а также смесь азотной и соляной кислот, называемая «царской водкой», а из щелочей — едкий натр и едкое кали.

Свойство металлов растворяться имеет очень широкое применение в самых различных областях производства художественных изделий из металла. При этом следует различать случаи, когда растворение носит частичный характер и ограничивается только поверхностным слоем металла, а также случаи полного растворения металла и перехода его в раствор. Примерами частичного растворения с поверхности являются:

травление изделий в кислотах для получения чистой поверхности или узора (рис. 2);

Рис. 2. Вазы из алюминия, обработанные травлением. Художник Л. Линакс

Примерами полного растворения металла являются:

• растворение цинка в соляной кислоте для приготовления хлористого цинка, употребляемого в качестве флюса при пайке;
• растворение серебра в азотной кислоте при приготовлении азотнокислого серебра и т. п.

Окисление — способность металлов соединяться с кислородом и образовывать окислы металлов. При окислении вес металла увеличивается на вес кислорода, который с ним соединяется. Обычно почти все металлы и сплавы покрыты с поверхности тонкой оксидной (или окисной) пленкой, представляющей собой тончайший слой, состоящий из окислов.

Скорость образования такой пленки на поверхности изделия из различных металлов неодинакова. Например, магний и алюминий окисляются особенно быстро, бронза и латунь значительно медленнее, а изделия из золота и платины совсем не окисляются.

Особенно быстро окисление происходит при нагреве до высоких температур. В этом случае на поверхности металла быстро образуется более толстый слой, состоящий из окислов, который называется окалиной. Чем выше нагрев и больше доступ воздуха к нагреваемому изделию, тем толще слой образующейся окалины. Если металл нагревать в условиях избытка воздуха или кислорода, то весь металл может превратиться в окалину.

В одних случаях способность металлов к окислению и образование на их поверхности оксидной пленки является желательным, так как такая пленка предохраняет изделие от дальнейшего окисления металла в глубину и носит название защитной пленки. Таковы окисные пленки на изделиях из алюминиевых сплавов.

В других случаях образование окислов на поверхности металлов является нежелательным, например трудности пайки и сварки алюминиевых изделий обусловлены быстрым образованием очень прочной оксидной пленки, которая препятствует соприкосновению припоя с чистой поверхностью металла. Очень нежелательно и образование окалины на стальных изделиях в процессе их закалки, которая появляется даже при содержании кислорода в атмосфере, не превышающем 0,2%.

Источник

Механические свойства металлов и сплавов: общий взгляд

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность — способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ () , а после закалки — 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость — способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость — способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм2), который равен отношению напряжения а к вызванной им . Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Таблица.1. Механические свойства основных промышленных сплавов

Сталь малоуглеродистая (мягкая)

Котельное железо трубы, котлы

Сталь среднеуглеродистая (средней твердости)

Оси, шатуны, валы, рельсы

Сталь твердая после закалки и отпуска

Инструмент ударный и режущий

Детали, работающие на истирание и подверженные коррозии

Детали, изготовленные горячей штамповкой

Детали в авиастроении и автостроении

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.

1. 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).
2. 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.
3. Критерии оценки конструктивной прочности материала, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия и характеризуют работоспособность материала в условиях эксплуатации.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Конструкторская прочность металлов

Критерии конструктивной прочности металлических материалов можно разделить на две группы:

• критерии, определяющие надежность металлических материалов против внезапных разрушений (вязкость разрушения, работа, поглощаемая при распространении трещин, живучесть и др.). В основе этих методик, использующих основные положения механики разрушения, лежат статические или динамические испытания образцов с острыми трещинами, которые имеют место в реальных деталях машин и конструкциях в условиях эксплуатации (надрезы, сквозные отверстия, неметаллические включения, микропустоты и т. д.). Трещины и микронесплошности сильно меняют поведение металла под нагрузкой, так как являются концентраторами напряжений;
• критерии, которые определяют долговечность изделий (сопротивление усталости, износостойкость, сопротивление коррозии и т. д.).

Критерии оценки

Критерии оценки прочности конструкции в целом (конструкционной прочности), определяемые при стендовых, натурных и эксплуатационных испытаниях. При этих испытаниях выявляется влияние на прочность и долговечность конструкции таких факторов, как распределение и величина , дефектов технологии изготовления и конструирования металлоизделий и т. д.

Для решения практических задач металловедения необходимо определять как стандартные механические свойства, так и критерии конструктивной прочности.

Как определить механические свойства?

Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:

— испытания на растяжение;

— метод вдавливания по Бринеллю;

— определение твердости металла по Роквеллу;

— оценка твердости по Виккерсу;

— определение вязкости с помощью маятникового копра;

Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.

Источник