Химия - Фролов В.В.
Скачать (прямая ссылка):
Механические свойства металлов. Указанные выше особенности металлических кристаллов делают металлы незаменимыми конструкционными материалами, соединяющими в себе прочность и пластичность, необходимую для формообразования деталей, узлов машин и конструкций (отливка, сварка, штамповка, резание и т. д.).
266
Для оценки механических свойств металлов существует целый ряд методов их испытаний, которые рассматриваются в специальных курсах (сопротивление материалов, технология машиностроения) .
Основные механические характеристики металлов можно получить при деформации растяжением образцов на испытательных машинах (пресс Гагарина) с одновременной записью напряжений и деформаций. Связь между напряжением и деформацией устанавливается законом Гука
о =?8, (10.3)
где а — напряжение, Н/м2; б — относительное удлинение 6 = А///; Е — модуль нормальной упругости, или модуль Юнга, Н/м2.
Основным методом деформирования металлов при испытаниях является растяжение. Однако при растяжении образцов до их разрушения (временное сопротивление о"в) закон Гука выполняется только до определенного напряжения о"«, при котором линейная связь между напряжением и' деформацией еще сохраняется, — область упругих деформаций.
Это напряжение называют пределом упругости или пределом пропорциональности.
Выше предела упругости металл начинает деформироваться пластически и появляются остаточные деформации, величину которых можно определить графически, проводя из точки, соответствующей напряжению, линию, параллельную прямой упругих деформаций, подчиняющихся закону Гука.
Типичный вид диаграммы растяжения для стали приведен на рис. 149. Изучая диаграмму растяжения, мы можем получить величины а», Он, 8.
Очень важными характеристиками для металла являются твердость Я и ударная вязкость ак.
Твердость // есть сопротивление проникновению в данное твердое тело другого тела. В машиностроении она измеряется методом вдавливания в данную поверхность стального шарика (#Б — по Бринеллю) или алмазной пирамиды (#кс — по Роквеллу) и может быть измерена также в Н/м2 (или в кг/м2). В минералогии твердость определяется по десятибалльной шкале (шкала Мо-оса) путем нанесения царапин на одном минерале другим. Высшая твердость, по Моосу, 10 у алмаза.
При сочетании металлических поверхностей (трущиеся пары, зубчатые колеса) необходимо учитывать их относительную твердость, так как это определяет надежность и долговечность контакта.
Остаточные пластические деформации
Рис. 149. Примерная диаграмма растяжения стали
267
Так, например, в редукторах с червячной парой материал червяка выбирается более твердым (сталь), чем материал червячного колеса (бронза), нарезка которого прирабатывается по нарезке червяка и обеспечивает высокий КПД Передачи, долговечность и бесшумность в работе.
Ударная вязкость ак— работа, необходимая для разрушения 1 см2 сечения образца ударом (Дж/м2). Ударная вязкость — очень важная характеристика пластичности металла и его сопротивления ударным и знакопеременным нагрузкам.
Механические свойства металла очень сильно зависят от его состояния в результате предшествующей обработки (литой, кованый, прокат, термообработанный). Обычно деформированный металл обладает повышенной прочностью (ав) и пониженной пластичностью (б): у отожженных металлов пластичность выше, но предел прочности снижается. Так же сильно влияет и термообработка, особенно сплавов.
Различны механические свойства монокристаллов металла в зависимости от направления нагрузки относительно кристаллографических плоскостей. Например, значения модуля Юнга (ГН/м2) монокристалла а-железа (ОЦК) в зависимости от ориентации:
285 — плоскость 111 222 — » ПО 132— » 100 В поликристаллах все свойства усредняются и снижаются за счет пограничных явлений.
Основные характеристики для некоторых металлов, измеренные при комнатных температурах, приведены в табл. 10.2.
Т а б л и ц а 10.2. Механические свойства некоторых чистых металлов
Металл а„ МПа п,„ МПа в. % //Б, МПа ГПа
Алюминий 29,4 78,3-107,6 40 196-344 7,06
Медь 14,7 210,5 60 344 12,9
Никель 78,5 392—490 40 590-........785 20,1
Железо 117,0 245—324 25 55 490 20,6
Вольфрам — 1030 0—4 3420 34,4
Механические свойства металлов сильно зависят от температуры. При повышении температуры снижается предел прочности и увеличивается пластичность.
На механические и физические свойства металлов влияют несовершенства кристаллической структуры: вакансии, дислокации, субзерна и блоки, которыми особенно богаты границы между отдельными металлическими зернами.
Хотя в периодической системе элементов Д. И. Менделеева
268
более 80 металлов, их разнообразные свойства не могут удовлетворить запросов техники. Поэтому металлы, как правило, используют в виде сплавов, состоящих из двух, трех и более компонентов.
10.3. РАСТВОРЫ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ, СПЛАВЫ И ДИАГРАММЫ ПЛАВКОСТИ
Металлы образуют между собой растворы в жидком и твердом состоянии, так как в их строении много общего, например наличие электронов проводимости и особое состояние их атомов как в металлических кристаллах, так и в жидкости.
