Технологические свойства

Механические характеристики

Металлов и сплавов

Надежность машиностроительных изделий (машины, механизмы, приборы инструменты, бытовые устройства и т.д.) и строительных конструкций определяются качеством материалов, из которых изготовлены их детали, качеством сборочных и испытательных работ.

Научно-технический прогресс в области развития производственных сил и улучшения социальных условий жизни человека приводит к появлению более современных машин и конструкций, элементы которых воспринимают все большие нагрузки и температуры, скорости взаимного перемещения. Поэтому при разработке новых конструкций во многих случаях нельзя использовать ранее применяемые материалы, т.к. в этом случае необходимо будет увеличивать размеры рабочих сечений и поверхностей и, следовательно, увеличивать габариты и вес конструкций. Поэтому наряду с совершенствованием конструкций изделий непрерывно идет разработка новых, более совершенных материалов. Используемые материалы и сплавы должны обеспечивать статическую и динамическую прочность деталей, гарантировать от опасности их усталостного разрушения, обеспечивать необходимую коррозийную стойкость и высокую износостойкость трущихся поверхностей и, как результат этого,– высокую надежность и долговечность конструкций.

Свойства металлов и сплавов можно разделить на группы:

- химического состава;

- физических свойств;

- макро- и микроструктуры;

- механических характеристик;

- технологических свойств;

- эксплуатационных свойств;

- экономических показателей.

Эти группы свойств взаимосвязаны между собой. Так химический состав в совокупности с технологией производства материалов и деталей определяет макро- и микроструктуру металла и сплава, что в свою очередь влияет на механические и технологические свойства и определяет в целом результирующие показатели качества материала – эксплуатационные свойства (надежность и долговечность изделия) и, в целом, экономическую эффективность его использования.

Химический состав

Чистые металлы (правильнее следует называть их технически чистыми металлами, т.к. они обязательно содержат какие-то примеси, даже и в очень маленькой доле) редко используются, т.к. практически все обладают более низкими свойствами, чем сплавы. Так, железо («технически чистое», с малым содержанием углерода, примесей серы, фосфора и др. химических элементов), используемое в XVII … XIX веках, сначала было вытеснено более лучшими по свойствам углеродистыми сталями, состоящими из железа и углерода (до 1,3%), а позднее - легированными (марганцем, кремнием, молибденом, вольфрамом и др. химическими элементами в различных комбинациях) сталями.

Металлы и сплавы делятся на две группы: черные металлы (железо и сплавы: стали и чугуны, имеющие в своей основе железо) и цветные металлы и сплавы (алюминиевые, медные, цинковые, титановые, оловяннистые и др.). Наибольшее распространение имеют черные металлы, т.к. при своей низкой стоимости они имеют достаточно высокие свойства по прочности и долговечности.

В реальных механизмах сопрягаемые детали изготовляются из различных материалов Так вал изготовляется из стали, обладающей высокой твердостью, а подшипник скольжения из мягкого сплава (меди, бронзы, олова,… ).

1.2 . Макро– и микроструктура металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов в основном определяются их внутренним строением – структурой. Различия в свойствах металлов обуславливаются природой атомов. Так, атомы железа не сходны с атомами алюминия или меди и др. элементов, поэтому каждый металл имеет свои индивидуальные свойства. Но не только природой атомов определяются свойства металлов. Они зависят еще и от того, как атомы связаны между собой, каково расстояние между ними, каков порядок их расположения. Если изменить расстояние между атомами или их размещение, то изменятся и свойства металла.

В твердых телах атомы могут располагаться либо беспорядочно (аморфные тела), либо в определенном порядке (кристаллические тела). Атомы кристаллических тел размещаются в строгом, геометрически правильном порядке. Все металлы и их сплавы являются кристаллическими телами.

Любой металл состоит из огромного количества кристаллов, плотно примыкающих друг к другу. На свойства металлов влияют не только порядок расположения атомов внутри кристалла, но и форма отдельных кристаллов, их размеры и границы соприкосновения. Эти факторы оказывают большое влияние на механические свойства металлов.

Если порядок расположения атомов – природное свойство металла, то форма кристаллов и их размеры определяются процессом перехода металла из жидкого состояния в твердое. В результате затвердения образуется структура, состоящая из различных по величине зерен. Структура металлов и сплавов может быть очень сложной и состоять из смеси чистых металлов, твердого раствора различных элементов в металле и химических соединений компонентов, входящих в сплав.

Величина и форма кристаллов, образовавшихся при затвердевании, не остаются постоянными. При нагревании или деформировании металлов и сплавов (ковка, прокатка, штамповка и др.) структура их меняется. Этим пользуются для получения металлов и сплавов с необходимыми свойствами.

Кристаллическое строение можно наблюдать при рассмотрении поверхности излома какого-либо металлического изделия. Например, у литой стали в изломе видна крупнозернистая структура, а после термической обработки она становится мелкозернистой. Более полное представление о кристаллической структуре металла получается при рассмотрении шлифованной и полированной его поверхности после обработки (протравливания) специальными химическими реактивами.

Различают макро- и микроструктуру металла. Макроструктурой называют строение металла, различимое на полированной и протравленной поверхности макрошлифа при увеличении его под микроскопом (лупой) до 10 раз. При этом выявляются структурные пороки – наличие посторонних включений, газовых пузырьков, рыхлости и др. Микроструктура - строение металла, видимое на полированной и протравленной поверхности микрошлифа при увеличении в 100…300 и более раз. Микроструктура дает представление о границах между зернами, позволяет судить об их очертаниях и размерах и определять количество, форму и расположение структурных составляющих.

Материалы, имеющие один и тот же химический состав, могут иметь различную структуру. Например, серый и белый чугун могут иметь одинаковое количество углерода, но в первом он находится в виде графита, а во втором в виде химического соединения железа с углеродом – цементита. В результате этого имеется большое отличие в свойствах, так белый чугун хрупкий, склонен к трещинообразованию, поэтому в конструкциях можно использовать только серый чугун.

Технологические свойства

Свойства металлов и сплавов, которые характеризуют их способность подвергаться различным способам горячей и холодной обработки, называют технологическими. Они указывают, легко или трудно тем или иным способом изготовить деталь из данного материала. Основные технологические свойства это механическая обрабатываемость, свариваемость, ковкость и литейные свойства.

Обрабатываемость металла резанием на металлорежущих станках (токарных, фрезерных, сверлильных…) – одно из важнейших технологических свойств, потому что при изготовлении деталей подавляющее большинство металлических заготовок, а также сварных узлов и конструкций подвергаются механической обработке: резке, фрезерованию, проточке, сверлению, строганию, шлифованию и др.

Одни металлы требуют небольших усилий резания, при этом обеспечивается получение чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, обрабатываются плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются; поверхность получается шероховатой, с задирами. Улучшить обрабатываемость стали можно путем термической обработки, понижая или повышая ее твердость.

Свариваемость – способность металла образовывать при сварке плотный и ровный шов без трещин. Сваривать можно практически все металлы, но в одних случаях хороший шов получить относительно просто, например, у низкоуглеродистых сталей, а в других случаях, чтобы сварка шва шла удовлетворительно, приходится принимать специальные меры, например, предварительный нагрев при сварке высокоуглеродистых сталей и чугунов.

Ковкость – способность металла деформироваться и принимать новую форму под влиянием внешних сил.

Литейные свойства определяют возможность изготовления из материала отливок. Чтобы из сплава можно было легко изготовить отливки, он должен обладать, возможно, более низкой температурой плавления и хорошей жидкотекучестью, т.е. иметь высокую подвижность в жидком состоянии.

Существенно изменяется структура и, соответственно, свойства сплавов при различных видах их термической обработки (при закалке, отпуске и др.), хотя химический состав остается неизменным. Следовательно, управляя структурой, выбором различных технологий обработки, мы управляем свойствами металлов и сплавов.

Эксплуатационные свойства– обобщенный, результирующий показатель, характеризующий надежность и долговечность детали , изготовленной из этого материала.