Способы определения физических свойств металлов

Химический состав материалов определяет их строение, в том числе их фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни и бронзы и т.д.

При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов, но уже здесь можно назвать стали углеродистые и легированные, например, хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые и др. Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, в связи с чем количество примесей резко ограничивается. В связи с этим, например, различают стали обычного качества, стали качественные и стали повышенного качества. Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми с различной степенью чистоты.

Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями Государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов. В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.

Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые можно всегда определить их химический состав. Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что соответствует содержанию примесей не более (соответственно) 0,05%; 0,3%; 0,2%; 0,1%; 0,01%; 0,001%.

Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют содержанию углерода в сталях 0,1%, 0,15%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,45% и т.д. Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 — просто номер. Такие же примеры из области алюминиевых сплавов АЛ5; АЛ4; АЛ9. Здесь цифры — номер сплава по ГОСТ. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.

Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами — аналитической химии, а также методами физико-химического: спектрального, рентгеноспектраотного, спектрально-флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др. Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных. Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическими методами — так называемым методом «меченых атомов», с применением радиоактивных изотопов.

Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами — это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.

Коррозионная стойкость материала — его эксплуатационное свойство. Она характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды и др.

Высокая коррозионная стойкость обеспечивается определенным химическим составом сплава, его структурой, что, в свою очередь определяется способом и режимами термической обработки. Поэтому коррозионная стойкость является одним из важнейших химических свойств материалов, потому что ее повышение часто становится главной задачей при создании новых сплавов, материалов и покрытий.

Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.

Источник

Способы определения свойств металлов

В заводских условиях наиболее распространенными являются следующие способы определения свойств металлов: проверка химического состава, металлографические исследования, определение механических свойств, технологические пробы.

Из перечисленных способов определения свойств металлов только испытания на твердость и технологические пробы производятся непосредственно в цехах. Остальные виды механических испытаний, а также определение химического состава и металлографическое исследование внутреннего строения (структуры) металла производятся в заводских лабораториях. Для этого в цехах в соответствии с действующими инструкциями отбирают образцы и направляют их в соответствующие лаборатории.

Результаты испытания или анализа лаборатория передает в виде специального протокола.

Химический состав металлов, кроме методов лабораторного анализа, исследуется также с помощью спектрального анализа, основанного на том, что металлы, раскаленные до состояния газа или пара, дают характерную по цвету линию спектра для каждого содержащегося в них элемента.

В технике широко применяются различные методы неразрушающего контроля, такие как магнитный, ультразвуковой, радиационный, электрический и ряд других, позволяющих выявлять трещины и внутренние дефекты металлов без нарушения целостности деталей (о них более подробно будет рассказано в разделе3.6.

Определение механических свойств

Механическими свойствами называется совокупность свойств, определяющих сопротивление металлов воздействию механических усилий, которые могут прилагаться к изделию различными способами. Знание механических свойств позволяет оценивать поведение металла под воздействием внешних нагрузок при работе конструкций и деталей машин в эксплуатации и при обработке деталей давлением или резанием.

В зависимости от способа приложения нагрузки, механические испытания делятся на три следующих вида:

1. Статические испытания — нагрузка на образец остается постоянной в течение длительного промежутка времени или постепенно увеличивается в процессе испытания. Наиболее распространенным из таких методов является испытание на растяжение. Применяются также испытания на изгиб, сжатие, кручение и срез.

Динамические испытания — нагрузка на образец возрастает мгновенно и действует в течение незначительного промежутка времени, т. е. носит характер удара. Наиболее распространенным является испытание на ударную вязкость.

3. Испытания при повторно-знакопеременных нагрузках на выносливость, позволяющие оценить способность металла выдерживать много раз повторяющиеся и меняющиеся по направлению нагрузки без возникновения трещин усталости.

Испытание на растяжение

При испытании на растяжение из проверяемого материала получают образцы определенной формы и размеров (рис.3.16, а). Затем образец закрепляют в зажимах специальной разрывной машины и подвергают растяжению при плавно возрастающей нагрузке до момента разрыва образца (рис. 3.16,б).

Рис.3.16. Круглый образец для испытания на растяжение:

а – до испытания; б – после испытания

Действие сил, приложенных к образцу во время растяжения, оценивается напряжениями, т. е. силами в килограммах, приходящимися на единицу площади поперечного сечения образца в квадратных миллиметрах. Напряжения обозначаются греческой буквой s.

В процессе растяжения образца определяются следующие характеристики прочности:

1. Предел пропорциональности s_пц, т. е наибольшее напряжение, до которого сохраняется линейная зависимость между удлинением и растягивающим напряжением.

2. Предел текучести (физический) s_Т, представляющий собой наименьшее напряжение, при котором образец продолжает удлиняться без заметного увеличения нагрузки, а, следовательно, и напряжения.

3. Условный предел текучести s_0,2, т. е. напряжение, при котором образец получает остаточное удлинение, равное 0,2% первоначальной расчетной длины.

4. Временное сопротивление (или предел прочности при
растяжении) s_вр, т. е. напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца.

Характеристиками пластичности при растяжении являются:

1. Относительное удлинение d, определяемое в процентах;

2. Относительное сужение y площади поперечного сечения, определяемое в процентах.

Источник

Свойства металлов и сплавов, их измерители

Различают физические, химические, механические и технологические свойства металло|в и сплавов.

Физические свойства металлов определяются их фи­зическим состоянием или отношением к различным фи­зическим процессам (действию высоких и низких темпе­ратур, электрического тока и др.). К ним относятся плотность, температура плавления, кристаллизации, те­плопроводность, температурное расширение, электриче­ское сопротивление, электрическая проводимость и др.

Плотность—это масса единицы объема металла в

абсолютно плотном состоянии (кг/м 3 ). Абсолютная плот­ность называется также удельным весом (массой).

Температура плавления—-это температура, при ко­торой металл из твердого состояния переходит в жидкое (расплавленное). Температура, при которой металл при охлаждении переходит из расплавленного состояния в твердое, называется температурой кристаллизации.

Способность материала передавать тепло через тол­щу от одной своей поверхности к другой называется теплопроводностью. Она определяется коэффициентом теплопроводности, показывающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м 2 в течение часа при разнице температур на противоположных сторонах образца 1 °С,

Температурное расширение—это способность мате­риала расширяться вследствие нагревания. Она харак­теризуется коэффициентом линейного расширения, по­казывающим, на какую долю первоначальной длины расширился материал при повышении температуры на 1 °С.

Электрическое сопротивление определяется способ­ностью материала сопротивляться прохождению элек­трического тока. Оно измеряется в омах (Ом).

Электрическая проводимость — способность мате­риала проводить электрический ток. Единица — сименс (См).

Химические свойства металлов определяются их со­противляемостью воздействию окружающей среды, кис­лот, щелочей и других химических реагентов. Для оцен­ки степени разрушения металлов в различных средах служит показатель, который называется коррозионной стойкостью. Он определяется скоростью коррозии, т. е. массой материала, превращенной в ржавчину с единицы поверхности за единицу времени, либо толщиной разру­шенного слоя (мм/год). Характеристиками коррозионной стойкости могут быть также изменение массы изделия, его механических свойств, электросопротивления и коли­чество выделившегося водорода за определенный период времени.

Механические свойства металлов определяют их спо­собность сопротивляться действию внешних механиче­ских сил. К ним относятся прочность, пластичность, твердость, хрупкость, выносливость, усталость, упру­гость, истираемость, сопротивление износу и ползучесть.

Прочность—это свойство материала сопротивляться разрушению под действием приложенных механических сил.

Пластичность—свойство металла необратимо дефор­мироваться без нарушения сплошности под действием механических нагрузок, поглощая при этом механиче­скую энергию.

Твердость—это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, не получающего остаточ­ной деформации тела.

Хрупкость определяется способностью материала раз­рушаться без заметного поглощения механической энер­гии.

Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно переменных напряжений назы­вается выносливостью. Постепенное разрушение мате­риала при большом числе повторно-переменных напря­жений называется усталостью.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки. Она обу­словлена взаимодействием между атомами и их тепло­вым движением.

Истираемость—свойство материала сопротивляться действию внешних механических сил (сил трения), вы­зывающих постепенное разрушение его поверхности.

Сопротивление износу—свойство материала сопро­тивляться одновременному действию истирания и уда­ров.

Ползучесть—свойство материала медленно и непре­рывно деформироваться при постоянном напряжении и повышенной температуре.

Для определения механических свойств металлов проводят статические испытания на растяжение, сжа­тие, изгиб и кручение, динамические испытания на удар­ную вязкость, а также испытания на усталость, ползу­честь, длительную прочность и твердость.

Основными характеристиками механических свойств, определяемыми статическими испытаниями на растяже­ние, сжатие, изгиб и кручение, являются пределы теку­чести, пропорциональности, упругости, истинное и вре­менное сопротивление разрыву, измеряемые в паскалях (Па), а также относительное и остаточное удлинение и относительное сужение.

Динамические испытания позволяют определить важ­

нейшую механическую характеристику металлов, под­вергающихся воздействию ударных нагрузок, — ударную вязкость (Дж/м 2 ).

Испытания на усталость проводят для металлов, эксплуатируемых в условиях длительных позторно-пере-менных нагрузок, результатом которых является возник­новение на поверхности и разрастание трещин, приводя­щих в конечном счете к разрушению. Испытания на усталость позволяют определить предел выносливости (Па).

Испытания на ползучесть и длительную прочность необходимы для металлов, эксплуатируемых в условиях высоких температур и длительных нагрузок. При этом основными характеристиками являются условный пре­дел ползучести и длительная прочность.

Наиболее распространенными методами определения механических свойств металлов являются испытания на твердость. Они основаны на статическом вдавливании стального закаленного шарика (метод Бринелля), ал­мазного конуса или стального закаленного шарика (ме­тод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккер-са) на специальных приборах, называемых твердомера­ми. Соответственно определяется число твердости по Бринеллю (НВ), Роквеллу (HR) и Виккерсу (HV).

Для определения твердости отдельных зерен метал­ла или разных частей одного зерна производят испыта­ние на микротвердость. Измерения производят на спе­циальных приборах вдавливанием алмазной пирамиды и исследованием получаемого отпечатка при помощи ме­таллографического микроскопа.

Известны также динамические методы измерения твердости.

К ним относятся метод упругого отскока бойка (по Шору), а также измерение твердости способом ударно­го отпечатка. Максимальная твердость материалов, по Шору, равняется 100 единицам.

Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным методам обработ­ки. К ним относятся обрабатываемость резаньем и дав­лением, свариваемость, упрочняемость, а также литей­ные и другие свойства.

Обрабатываемость резаньем оценивается скоростью затупления резца при точении на заданных режимах с обеспечением необходимых параметров получаемой

Поверхности. Она измеряется в процентах к скорости обработки стали или свинцовистой латуни.

Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии оценивают технологическими пробами на усадку, изгиб, вытяжку сферической лунки и др., а так­же показателями пластичности, твердости и упрочняе-мости.

Свариваемость — это свойство металлов образовы­вать неразъемные соединения с требуемыми механиче­скими свойствами.

Литейные свойства определяются совокупностью та­ких показателей, как температура плавления и .кристал­лизации, плотность, жидкотекучесть, усадка, и др.

Упрочняемость — это способность металлов приобре­тать более высокие механические показатели после ме­ханической и термической обработан.

Дата добавления: 2015-08-21 ; просмотров: 1044 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник