Общие сведения о металлах

Металлы.

На тему: Материаловедение.

У Ч Е Б Н Ы Й М А Т Е Р И А Л

Ю.М.Лахтин. Материаловедение.М., Машиностроение, 1972. Учебник для студентов машиностроительных вузов.

И.В.ЭНГЕЛЬ-КРОН.Слесарь по ремонту оборудования турбинных и химических цехов.Профтехиздат.,М,1962.

Металлами называются материалы, обладающие определенными физическими и механическими свойствами: ковкостью, пластичностью, теплопроводностью, электропроводностью, свариваемостью и др.

Все наиболее характерные свойства металлов объясняются наличием в них легкоподвижных электонов проводимости.

Металл состоит из правильно расположенных в пространстве ионов и перемещающихся среди них электронов и устойчивость металла определяется электрическим притяжением между положительно заряженными ионами и электронами. Такое взаимодействие между ионным скелетом и электронным газом получило название металлической связи.

Наибольшее применение в технике имеет железо (металл серебристо-белого цвета с температурой плавления - 1539 град.С). Оно встречается в природе в виде соединений с различными элементами, чаще всего с кислородом. Существуют две модификации железа: альфа- и гамма-железо.Кристаллическая решетка альфа-железа - объемноцентрированный куб, а гамма-железа - гранецентрированный куб (существует при температуре 910-1392 град.С).

Железо в соединении с углеродом и другими элементами образует различные сорта чугуна и стали. В сплавах Fe-C различают: жидкую фазу, феррит, аустенит, цементит и графит.

Феррит - твердый раствор (внедрения) углерода и других примесей в альфа-железе с растворимостью углерода от 0,02-0,1 %.

Аустенит - твердый раствор (внедрения) углерода и других примесей в гамма-железе с предельной растворимостью углерода 2,14 %. Обладает высокой пластичностью, низкими пределами текучести и прочности.

Цементит - это химическое соединение железа с углеродом Fe₃C, содержащий до 6,57 % углерода. Имеет сложную ромбическую решетку с плотной упаковкой атомов и температурой плавления около 1550 град.С.

Графит - это углерод, находящийся в свободном виде в железо-углеродистых сплавах. Кристаллическая решетка графита гексагональная слоистая. Графит мягок, обладает высокой электропроводностью, непрозрачен и имеет металлический блеск.

К цветным металлам, наиболее часто применяемым в машиностроении, относят медь, алюминий, цинк, магний и олово. Эти металлы применяют как в чистом виде, так и в виде сплавов.

Металлы состоят из различных по величине и форме кристаллов, или, как из называют, зерен. Форма и величина зерен зависят от многих причин: условий затвердевания расплавленного металла, последующей его обработки (механической, термической) и т.д.

Вид излома металла позволяет приближенно судить о его качестве. Металлы с мелкозернистым строением обладают более высокими механическими свойствами, чем металлы с крупнозернистым строением.

Характерными признаками металлов являются их специфический блеск, непрозрачность, а также следующие физические свойства:

- теплопроводность - способность металла проводить теппло и передавать его менее нагретым телам обусловливается как большой подвижностью свободных электронов, так и колебательным движением ионов, вследствие чего происходит быстрое выравнивание температуры в массе металла.;

- электропроводность - способность металла проводить электрический ток объясняется присутствием в них свободных электронов, которые под влиянием даже небольшой разности потенциалов перемещаются от отрицательного полюса к положительному;

- свечение - способность светиться в нагретом состоянии. Это свойство используется для определения температуры нагретого металла;

- плавкость - способность металла при определенных температурах переходить в жидкое состояние;

- магнитные свойства - способность некоторых металлов намагничиваться.

Металлы также обладают рядом механических свойств (упругостью, прочностью, пластичностью. твердостью, ударной вязкостью, усталостью), которые характеризуют сопротивляемость металла воздействию на него внешних усилий.

Упругость - способность металла восстанавливать первоначальную форму после снятия внешней нагрузки. Нагрузка выше определенного пппредела приводит к остаточным изменениям формы и даже разрушению металла.

Прочность - сппособность металла сопротивляться разрушению под действием внешней нагрузки. Прочность металла определяют, растягивая специальные образцы на разрывных машинах. Нагрузка, отнесенная к 1 мм² поперечного сечения образца, называется напряжением и обозначается греческой буквой сигма; это напряжение и характеризует прочность металла. Наименьшее напряжение, при котором образец деформируется (течет) без заметного увеличения нагрузки называется пределом текучести.

Пластичность - способность металла изменять свою форму под действием приложенной нагрузки и сохранять форму неизменной после снятия нагрузки. Высокая пластичность металлов объясняется ненаправленностью металлической связи (равномерным распределением электронов по объему кристалла).Чем выше пластичность металла, тем лучше он куется и штампуется и в процессе деформации, то есть при смещении отдельных его объемов относительно других, связь между ионами (атомами) не нарушается, что нельзя сказать про ковалентный тип связи, где пара валентных электронов одновременно принадлежит двум соседним ионам и эта связь имеет резкую направленность и высокую прочность, но хрупкость так как при деформации эта связь разрушается. Величина на которую удлинился образец к моменту разрыва, называется его абсолютным удлинением. О пластичности металла судят по относительному удлинению. Относительным удлинением называется отношение абсолютного удлинения образца к его начальной длине, выраженное в ппроцентах. Обозначается относительное удлинение греческой буквой дельта.

Твердость - свойство металла сопротивляться проникновению в него более твердого тела. По величине твердости судят о прочности металла, так как между твердостью и прочностью существует определенное соотношение.

Наиболее распространенным методом испытания металла на твердость является метод вдавливания, при котором твердость определяется:

- по диаметру отпечатка от вдавливания стального шарика диаметром 10 мм с усилием равным 3000 кГ (для меди - 1000 кГ) на прессе Бринеля (до твердости НВ 450);

- по глубине отпечатка при вдавливании алмазного конуса с углом при вершине 120 град. с предварительным усилием 10 кГ и затем 140 кГ для твердых металлов или стального шарика диаметром 1,588 мм для мягких металлов с усилиями 10 кГ и затем 90 кГ на прессе Роквелла;

- по диаметру отпечатка от вдавливания алмазной пирамиды на прессеВиккерса для деталей малой толщины, имеющих высокую твердость и обозначается НV .

Зная диаметр отпечатка, по специальным таблицам определяют твердость металла. Числа твердости по Бринелю (НВ) относятся к числам твердости по Роквеллу (RC) примерно 10:1.

Ударная вязкость - способность металла сопротивляться ударным нагрузкам. Ударную вязкость измеряют работой, затраченной на разрушение образца металла на специальных машинах. Пластичность металла тесно связана с ударной вязкостью; более пластичные металлы обладают и более высокой ударной вязкостью.

Усталость металла - разрушение металла под действием знакопеременных напряжений. Сопротивляемость металла усталости характеризуется пределом усталости. Предел усталости - это наибольшее допускаемое число колебаний образца без его разрушения.

Ползучесть - это свойство стали медленно и непрерывно пластически деформироваться, с остаточной деформацией, при постоянном напряжении и высокой температуре. Под влиянием температуры уменьшаются межатомные силы сцепления. Остаточная деформация при явлении ползучести возникает при напряжениях намного меньших предела текучести. Для углеродистых сталей ползучесть при постоянном напряжении увеличивается с повышением температуры от 400 град.С и выше и зависит от химического состава стали. Разрушение металла происходит по границам зерен, где содержится больше дефектов, вакансий, дислокаций и т.д. Молибден повышает сопротивляемость ползучести. Дислокации - элементарные дефекты решетки. Границы между отдельными зернами представляют собой переходную область шириной в 5-10 атомных размеров, в которой решетка одного зерна, имеющего определенную кристаллографическую ориентацию, переходит в решетку другого зерна, имеющего иное кристаллографическое направление. Поэтому на границе зерна атомы имеют менее правильное расположение, чем в объеме зерна.

Релаксация - это явление самопроизвольного перехода под действием высоких температур первоначально созданной упругой деформации детали в пластическую (остаточную) деформацию.В результате релаксации первоначально созданные напряжения в детали падают, хотя заданная величина деформации при этом не изменяется (например, затянутый с предварительным натягом равным 0,5 мм болт, с напряжением не превышающим предела текучести).

Износ является следствием механического разрушения зацепляющихся неровностей, усталостного разрушения при повторном механическом воздействии неровностей или переменного давления смазки, отслаивания пленок окислов, образующихся при трении, и механического разрушения неровностей, сварившихся вследствие высокой температуры. Различают три периода износа:

- период приработки;

- период установившегося износа;

- период усиленного износа, вызываемого изменениями зазоров в трущихся деталях.

Наклепом. принято называть совокупность структурных изменений и связанных с ними изменений свойств при холодной деформации металла. (Снять наклеп можно путем нагрева металла - для меди до 500-700 град.С. Зерна при этом рекристаллизуются и величина рекристаллизованного зерна тем меньше, чем больше была степень деформации). Формоизменение металла при обработке давлением происходит путем пластической деформации каждого зерна с изменением формы и размеров. После деформации в результате смещений по плоскостям скольжения зерна вытягиваются в направлении действующих сил, образуя волокнистую или слоистую структуру. Одновременно с изменением формы зерна внутри него происходит дробление блоков и увеличение угла дезориентировки между ними, чем и повышается предел прочности и твердости в 1,5 раза, предел текучести в 3-5 раз, а способность к пластической деформации уменьшается. Все дефекты кристаллического строения затрудняют движение дислокаций, а следовательно, повышают сопротивление деформации и уменьшают пластичность.

Дата добавления: 2014-01-15