Свойства металлов

Различают следующие свойства металлов:

- Физические - температура плавления, тепло- и электропроводность, электросопротивление, плотность, коэффициенты объемного и линейного расширения и сжатия.

- Химические - химическая активность, способность взаимодействовать с различными средами, устойчивость к коррозии.

- Технологические - литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость.

- Эксплуатационные - теплостойкость, жаропрочность, износостойкость и др.

- Механические - прочность, пластичность, вязкость, твёрдость, выносливость.

Механические свойства определяются в результате механических испытаний металла различными нагрузками. Наиболее распространены испытания металла на растяжение статическими нагрузками.

При действии на тело внешней силы в теле возникают напряжения, величина которых является мерой сопротивления металла действию силы.

По роду действия внутренние напряжения могут быть трёх видов:

1 Напряжения первого рода (макронапряжения), которые действуют в объёме всего металла.

2 Напряжения второго рода (микронапряжения), действующие в объёме кристалла.

3 Напряжения третьего рода (субмикроскопические), действующие в пределах решётки.

Под действием напряжений в теле возникают деформации – изменение размеров и формы тела.

Деформации бывают:

1 Упругие– которые после исчезновения нагрузки исчезают.

2 Пластические (остаточные) – которые сохраняются после исчезновения нагрузки.

При статических испытаниях металла на растяжение определяются характеристики прочности и пластичности металлов.

Прочность – способность металла сопротивляться деформации и разрушению под действием силы.

Сопротивление тела действию на него силы определяется величиной напряжения, поэтому напряжение является характеристикой прочности металла.

Пластичность – способность металла к необратимому изменению размеров и формы под действием внутренних или внешних сил без разрушения. Характеристикой пластичности металла является величина деформации.

При испытаниях металла на растяжение разрывная машина рисует диаграмму растяжения металла в координатах «нагрузка – удлинение» [6, рис.6, б].

При нагрузке, соответствующей начальной части диаграммы, материал испытывает только упругую деформацию. До точки а (прямолинейный участок) эта деформация пропорциональна нагрузке или действующему напряжению, которое определяется как s=Р/F₀, МПа, где Р – нагрузка, Н; F₀ – начальная площадь поперечного сечения образца, мм².

Прямолинейную зависимость между напряжением и деформацией выражает закон Гука: s = Еε, где Е – модуль упругости, МПа (характеристика материала); ε=(Δl/l₀)×100% – относительная деформация; Δl – абсолютное удлинение, мм; l₀ – начальная длина образца, мм.

Участок а–ссоответствует появлению в металле пластической деформации (отклонение от прямой линии). Горизонтальный участок c–d – площадка текучести, при этом деформация растёт при постоянной нагрузке.

Предел текучести (первая характеристика прочности) – наименьшее напряжение, при котором образец деформируется без заметного увеличения нагрузки: s_т=Р_Т/F₀, МПа, где Р_Т – нагрузка, соответствующая площадке текучести.

Дальнейшее повышение нагрузки вызывает рост пластической деформации во всём объёме металла (участок d-б). В точке б нагрузка достигает максимального значения.

Предел прочности (вторая характеристика прочности) – напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, предшествующей разрушению: s_В=Р_В/F₀, МПа, где Р_В – наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец до разрушения.

На участке б-кв наиболее слабом месте начинается образование сужения поперечного сечения – шейки, деформация сосредоточивается на одном участке – из равномерной переходит в местную. В связи с этим нагрузка падает, и в точке кпри нагрузке Р_Кпроисходит разрушение образца.

При испытании на растяжение определяются также характеристики пластичности. К ним относятся относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение: , где l₀ и l₁ - базовая длина образца до и после испытаний.

Относительное сужение: , где F₀ - начальная площадь поперечного сечения образца; F₁ – площадь сечения образца в месте разрушения.

Существуют также динамические испытания металла на ударный изгиб, с помощью которых оценивается прочность при динамических нагрузках. Наиболее часто испытывают образцы с надрезом [6, рис.7, а].

Характеристикой прочности при динамических нагрузках служит величина ударной вязкости: КС=А/F_Н, МДж/м ², где А– работа, затрачиваемая на разрушение образца, МДж; F_Н – площадь сечения образца в месте надреза, м².

Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела, не получающего остаточной деформации.

Существует три основных способа определения твердости:

1 По Бринеллю [6, рис.8, а]. Заключается во внедрении в испытуемое тело стального закаленного шарика.

2 По Роквеллу [6, рис.8, б]. Основан на вдавливании стального закаленного шарика или алмазного конуса.

3 По Виккерсу [6, рис.8, в]. Заключается во вдавливании в испытуемую поверхность алмазной пирамиды.