Лекція №28

Навчальні питання:

1. Основні властивості металів.

2. Поняття про фізичні, хімічні., технологічні та механічні властивості.

3. Класифікація механічних властивостей за групами міцності, пластичності, в'язкості й витривалості.

Навчальне питання 1. Основні властивості металів.

Метали характеризуються фізико-хімічними, механічними і технологічними властивостями.

До фізичних властивостей належать густина, плавкість, теплове розширення, тепло і електропровідність, магнітність та ін.

Хімічні властивості характеризують здатність металів чи­нити опір окисленню, розчинятися в хімічно активних середови­щах (кислотах, лугах), вступати у взаємодію з іншими елемен­тами.

До механічних властивостей належать міцність, плас­тичність, твердість, ударна в’язкість.

Міцністю називають здатність металу чинити опір дії зовнішніх руйнівних сил. Залежно від характеру цих сил роз­різняють міцність при розтяганні, згинанні, стисканні, скручу­ванні.

Найбільше поширення дістали випробування металів на розтяг.

Границею міцності пргі розтяганні о„ називають умовне на­пруження, яке дорівнює відношенню найбільшого навантажен­ня, Що передувало зруйнуванню стандартного зразка, до почат­кової площі його перерізу.

Поряд з границею міцності при випробуванні на розтяг ви­значають і інші характеристики опору металу деформації, вокрема його пластичність.

Пластичність металу характеризується відносним здов­женням б, яке обчислюють за формулою:

%

де l₀ — початкова довжина зразка, мм;

l₁ — довжина зразка після розриву, мм.

Твердістю називають здатність металу чинити,опір про­никненню в нього іншого, твердішого тіла.

Для визначення твердості металів найширше застосовують методи Брінелля і Роквелла.

За методом Брінелля (ГОСТ 9012—59) твердість визначають на ₍спеціальному приладі, вдавлюючи у випробуваний зразок стальну кульку діаметром 2,5; 5 або 10 мм під навантаженням до ЗО кн (3000 кГ). У результаті на поверхні зразка утворюєть­ся^ відбиток у формі сегмента. Число твердості за Брінеллем Позначають НВ і дістають, поділяючи навантаження на величи­ну площі поверхні відбитка.

Способом Брінелля користуються для визначення твердості металів до НВ 450, бо при вдавлюванні в твердіші матеріали . стальна кулька може деформуватися.

За методом Роквелла твердість визначають вдавлюванням у випробуваний зразок алмазного конуса з кутом при вершині 120° або стальної кульки діаметром 1,58 мм. Алмазний конус застосовують для випробування дуже твердих матеріалів, а стальну кульку — для сплавів кольорових металів або незагар- тбваних сталей.

Твердість за Роквеллом (ГОСТ 9013—59) —умовна величи­на; її відлічують безпосередньо по шкалах приладу і познача­ють, буквами НR з доданням назви шкали, яка визначає умови випробування: НRA — алмазний конус, навантаження 600 н, (60 кГ), НRB — стальна кулька, навантаження 1000 н. (100 кГ), НRC — алмазний конус, навантаження 1500 н (150 кГ). Оскільки абсолютні величини чисел твердості за Брінеллем і Роквеллом не збігаються, то, порівнюючи твердості металів, Визначені різними методами, користуються спеціальними пере­відними таблицями. Наприклад, визначена за Роквеллом твер­дість металу НRС 20 рівнозначна НRА 61, НRВ 97 або НВ 217.

Ударяа в’язкість а_н характеризує здатність металу чинити опір динамічному (ударному) навантаженню. Ударною в’язкістю називають роботу, витрачену при динамічному зруй­нуванні надрізаного зразка, віднесену до площі його попереч­ного перерізу в місці надрізу.

Величина ударної в’язкості в металів різна: наприклад, у цинку вона становить близько 0,06 Мдж/м² (0,6 кГ *м/см²), у міді — 0,5 Мдж/м² (5 кГ *м/см²), у заліза —1,8 Мдж/м² (18 кГ* м/см³).

Техноло гімні властивості характеризують можливість проводити з металом ті чи інші технологічні операції або за­стосовувати його в тих чи інших умовах. До технологічних вла­стивостей належать рідкотекучість, ковкість, зварюваність, об­роблюваність різанням і деякі інші. Ці властивості буде розгля­нуто нижче.

Навчальне питання 2. Поняття про фізичні, хімічні., технологічні та механічні властивості.

Фізичні властивості.Температура плавлення чистих металів знаходиться в діапазоні від -39 до +3410 ° C. У більшості металів температура плавлення дуже висока, виключення складають лужні метали. Однак існують і такі види металів, які можна легко розплавити на звичайній газовій плиті. До таких металів відносяться, наприклад, свинець або олово. У залежності від щільності, всі метали поділяються на важкі (5/22, 5 г/см3) і легкі (0,53 / 5 г/см3). Найлегший з таких металів – літій (0.53 г/см3). Практично всі метали мають гарну пластичністю. Відбувається це через зсув шарів атомів без розриву між ними зв’язки. Самі пластичні метали – золото, срібло і мідь. Пластичність також залежить і від чистоти металу. Дуже чистим металом вважається хром, проте навіть при невеликому забрудненні він стає більш твердим і крихким. Характеристика фізичних властивостей металів включає в себе і таке поняття, як теплопровідність. Вона безпосередньо залежить від рухливості вільних електронів. Так, найкращим провідником електрики і тепла є срібло, слідом за ним йде натрій. Він знаходить велике застосування в клапанах автомобільних двигунів.

Фізичні властивості лужних металів

До цього виду металів відносяться:

натрій,

літій,

калій,

рубідій,

цезій.

Всі ці метали дуже пластичні і м’які. Найбільшу твердість має літій, що стосується інших металів, то вони легко ріжуться ножем і навіть можуть бути розкатані у фольгу. Всі лужні метали у кристалічному стані мають об’емоцентрірованную кристалічну решітку, що володіє металевим типом хімічного зв’язку. Це обумовлює високу електро і теплопровідність даного виду металів. Лужні метали мають украй невелику щільність. Так найлегший з них – літій. Його щільність становить 0,53 г/см3. Ці метали мають досить низькими температурами кипіння і плавлення. Із збільшенням порядкового номера металу, його температура плавлення знижується. Всі лужні метали вкрай активні. З цієї причини зберігати їх слід в запаяних ампулах, під шаром гасу або вазелінового масла. Все це фізичні властивості металів. Хімія також відіграє важливу роль в металознавство.

Хімічні властивості.Характерною особливістю металів є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник. За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи: високоактивні — калій, натрій, барій, кальцій і ін., середньої активності — цинк, залізо, нікель тощо і малоактивні — срібло, золото і платина. Відносну активність металів можна визначити за положенням елемента в періодичній системі Д. І. Менделєєва: металічний характер елементів і хімічна активність металів посилюється в періодах справа наліво, а в головних підгрупах - згори донизу. Типові металічні елементи перебувають у лівому нижньому куті довгого варіанта періодичної системи. Це францій, цезій, радій.

Високоактивні метали з киснем повітря енергійно взаємодіють вже за звичайної температури, утворюючи оксиди, наприклад:

2Ca + O2 = 2CaO

Тому лужні і лужноземельні метали зберігають під шаром гасу, щоб запобігти їх окисненню киснем повітря. Метали середньої активності окиснюються киснем повітря лише з поверхні, покриваючись тонкою оксидною плівкою, яка запобігає дальшому окисненню металу. Наприклад:

2Zn + O2 = 2ZnO

Але за високої температури вони енергійно взаємодіють з киснем і перетворюються в оксиди.

Малоактивні (благородні) метали з киснем безпосередньо не реагують взагалі. Більшість металів може безпосередньо реагувати з сіркою, хлором та майже усіма неметалами, особливо за високої температури. З водою сильно активні (лужні і лужноземельні) метали взаємодіють вже за звичайної температури з виділенням водню і утворенням розчинних гідроксидів (лугів), наприклад:

2Na + 2H2O = 2NaOH + H2 ↑

Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2 ↑

Метали середньої активності, наприклад залізо, реагують з водою (водяною парою) лише за сильного розжарення:

3Fe + 4H2O = Fe3O4 + 4H2 ↑

Малоактивні метали з водою не реагують ні за яких умов. Відношення металів до кислот визначається їх місцем в електрохімічному ряду напруг (ряду активності). Усі метали, що займають місце в ряду напруг лівіше від водню, взаємодіють з кислотами з утворенням солей і виділенням водню (з нітратної кислоти водень не виділяється!) Метали, що займають місце в ряду напруг правіше від водню, водню з кислот не витісняють. Але деякі з них можуть реагувати з концентрованою сульфатною кислотою за нагрівання з утворенням солі і виділенням діоксиду сірки SO2, наприклад:

Cu + 2H2SO4 = CuSO4 + 2H2O + SO2 ↑

Що ж стосується нітратної кислоти, то за взаємодії її з усіма металами незалежно від їх місця в ряду напруг водень з HNO3 не виділяється, а утворюються оксиди азоту і сіль металу. Наприклад:

3Zn + 2HNO3 + 6HNO3 = 3Zn(NO3)2 + 2NO ↑ + 4H2O

Ag + 2HNO3 (конц.) = AgNO3 + NO2↑ + H2O

Технологічні властивості.Технологічні властивості металів і сплавів характеризують їхню здатність піддаватися різним способам гарячої і холодної обробки: ковкості, литтю, зварюванню, різанню та ін.

Ковкість — здатність металів без руйнування піддаватись обробці тиском (кування, штампування, прокатування та ін.).

Лиття — здатність металів забезпечувати рідкотекучість при заповненні форми для виготовлення виробу ливарним способом.

Зварювання — здатність металу давати міцні з'єднання місцевим нагріванням їх до розплавленого стану з наступним охолодженням.

Різання — здатність металів піддаватись обробці різальними інструментами (точіння, фрезерування, свердління та ін.).

Щоб визначити придатність металів для різних видів обробки, застосовують різні проби. Найпоширенішими є проби на: загин; подвійний замок (листовий метал); осадку (метали для заклепок); глибину витискання листів (листовий метал для штампування) та ія.

Механічні властивості. Що означають ці механічні властивості? Вони описують і пояснюють здатність того чи іншого металу здійснювати опір на силові фактори із зовнішнього середовища.

І відповідно є числові показники, що вказують ступінь опору того чи іншого металу. До основних механічних властивостях металів і сплавів на сьогоднішній день відносять твердість, в’язкість, міцність, повзучість, пластичність, зносостійкість, і ударну в’язкість. Величини цих властивостей визначають під час дослідів, які передбачають силове навантаження на метал або сплав. І такі навантаження поділяють на динамічні, статичні і повторно-змінні. Випробування металу проводять такими способами як розтягнення, скручування, згинання, стискання та ударне згинання.

Навчальне питання 3. Класифікація механічних властивостей за групами міцності, пластичності, в'язкості й витривалості.

Міцність– це здатність матеріалу чи деталі опиратись дії зовнішніх зусиль. Часто під міцністю матеріалу розуміється його здатність опиратись розвитку пластичних деформацій під дією зовнішніх сил.

Кожна деталь машини чи інструмент повинні мати певні механічні властивості (міцність, пружність, пластичність) в залежності від умов їх роботи.

Щоб визначити, яким вимогам задовольняє деталь, проводять спеціальні досліди.

Показники пружності, міцності і пластичності металів визначають при дослідженні спеціальних зразків їх розтяганням, стиском, згином, крученням.

Рис. 1.1 Зразок для досліджень на розтягування.

Для проведення дослідів на міцність та пластичність виготовляють зразки плоскої (з листового матеріалу) чи круглої форми. Частіше використовують круглі зразки (рис.1.1). В цьому зразку регламентуються два розміри: діаметр і розрахункова довжина . Досліди проводять на розривних машинах різних конструкцій. В результаті отримують діаграму розтягування (рис. 1.2).

Пластичною деформацією називають зміну розмірів та форми тіла під дією прикладених сил, та збереження цих змін після припинення дії сил.

Під час пластичної деформації відбуваються процеси ковзання чи двійникування. Спочатку виникають пружні викривлення кристалічної решітки, а при збільшені напруження - зсув однієї частини кристала відносно іншої.

Площинами ковзання є площини з найбільш щільною упаковкою атомів. В процесі ковзання переміщується не вся частина кристала одночасно, а відбувається переміщення дислокацій вздовж площини ковзання на відстані менші ніж відстань між атомами.

Двійникування - це теж зсув площин в певному напрямку. однак він відбувається таким чином, що одна частина кристала переходить в положення симетричне по відношенню до іншої його частини відносно певної площини двійникування.

Пластична деформація полікристалічного метала відбувається внаслідок деформації кожного зерна. Починається деформація в зернах, орієнтація яких співпадає з напрямком прикладених напружень. На цій стадії деформації під мікроскопом можна спостерігати сліди ковзання в вигляді прямих ліній, які однаково орієнтовані в межах окремих зерен.

При збільшені деформації зерна змінюють свою форму. До деформації зерно мало округлу форму, а після деформації - витягнуту в напрямку дії прикладених сил. Утворюється волокниста структура.

В’язкість металу.Випробування металу на ударну в'язкість здійснюють визначенням ступеня опору матеріалу руйнування при ударному навантаженні. Для визначення ударної в'язкості застосовують маятниковий копер МК-ЗОА (рис.). Таке випробування проводять для сталей, з яких виготовляють деталі, що в процесі роботи зазнають ударних навантажень.

На ударну в'язкість метал випробовують так.

Зразок 2 з надрізом встановлюють на опори маятникового копра. Маятник 1 піднімають на висоту Н. Потім його вільно опускають і наноситься удар по зразку в місці протилежного надрізу. В результаті цього зразок руйнується, а маятник після руйнування ще піднімається на висоту H. Отже, на зруйнування зразка витрачається робота A, Η•м:

A = P(H-h),

Де Ρ— вага маятника, Н.

Ударна в'язкість АН характеризує здатність металу чинити опір динамічному (ударному) навантаженню. Ударною в'язкістю називають роботу, витрачену при динамічному зруйнуванні надрізаного зразка і віднесену до площі його поперечного перерізу в місці надрізу:

АН = A/F,

Де F— площа зразка в місці надрізу, м2.

Чим більша в'язкість металу, тим більше роботи витрачатиме маятник на руйнування зразка і тим меншою буде висота h (див. рис ).

Витривалість металу. Для визначення матеріалу або втоми конструкції напруги або деформації циклу процесу. Втома є циклічним умовах навантаження в точці матеріалу відбувається часткова, послідовний процес незворотного пошкодження. Після достатньої напруги або деформації циклів, накопичення матеріального збитку можуть виникнути тріщини, тріщини або продовжений до повного розриву. Видимих ​​тріщин або повний розрив відбувається колективно втомне руйнування. Класифікація:

На рівні руйнування циклів випробувань на втому розділена на дві категорії:

(1) високою втомної циклу (висока втомна цикл) тест, для такого випробування, більш низький рівень циклічного напруги, прикладеного;

(2) низьким показником циклової втоми (LCF) тестів, то циклічного напруги часто перевищує межу текучості матеріалу, так що, контролюючи напруга реалізації завантажений. Розділений на властивості матеріалу з металу і неметалевих випробування на втому випробування на втому;

Розділений на робоче середовище, в тому числі високотемпературні випробування на втому, термічної втоми (викликані циклічної теплового навантаження) тесту, корозія випробування на втому, фреттинг випробування на втому, акустичної втоми (викликані шумом збудження) тесту, позначилася втома випробувань зверніться втомних випробувань.

Інформаційні джерела:

1. Технологія конструкційних матеріалів./За ред. А.М. Сологуба. - К.: Вища школа, 1993 –

300 с.

2. Большаков В.І., Береза О.Ю., Харченко В.І. Прикладне матеріалознавство: Підручник. Дніпропетровськ: РВА „Дніпро VAL”.2000 – 290 с.

3. Технология конструкционних материалов. /Г.А. Прейс, М.А. Сологуб, И.А. Рожнецкий/ - К.: Вища школа 1991 – 391 с.

4. Дальский А.М. и др. Технология конструкционных материалов, М.: Машиностроение. 1990 - 351 с.