Определение механических свойств металлов

1 Испытание на прочность при растяжении

Стандартные образцы растягивают при помощи разрывной машины до разрушения. При испытании автоматически вычерчивается диаграмма растяжения в координатах F – Δl (сила – абсолютное удлинение). Для практических целей диаграмму перестраивают в координатах σ – ε (напряжение –деформация).

Характерные точки на диаграмме:

σ_пц – предел пропорциональности,

σ_у – предел упругости,

σ_т – предел текучести,

σ_пч (σ_в) - предел прочности

Пластичность оценивают относительным удлинением образца при разрыве:

2 Определение твёрдости

а) По методу Бринелля

С помощью рычажного пресса в подготовленный образец вдавливают стальной закалённый шарик d = 10; 5 или 2,5 мм.

Сила вдавливания регулируется противовесом и принимается: F = 30d² – для стали и чугуна (кГс); F = 10d² – для меди, алюминия и их сплавов; F = 2,5d² – для мягких сплавов на основе олова и свинца.

Твёрдость (НВ) определяют согласно диаметра отпечатка по таблицам, прилагаемым к прибору или по формуле НВ = F/S.

Диаметр отпечатка замеряется при помощи мерной лупы.

б) По методу Роквелла

Спомощью пресса в подготовленный образец вдавливают стальной закалённый шарикd= 1,58 мм или алмазный конус (α = 120⁰). Нагрузка F = 100 кГс – для шарика и 150 кГс - для алмазного конуса. Твёрдость HRB или HRC определяют по шкалам прибора в зависимости от глубины вдавливания (единица твердости – перемещение наконечника на 0,002 мм (2 мкм)).

3 Испытание на ударную вязкость

Выявляют склонность металла к хрупкому разрушению.

Испытания выполняют на маятниковом копре.

При испытании по шкале прибора определяют:

- начальную энергию маятника K₀= Gh₁

• конечную энергию (остаточную после разрушения образца) K₁=Gh₂

• Работа удара рассчитывается по формуле: K=G(h₁-h₂)

Удельная ударная вязкость определяет по формуле КС = G(h₁-h₂) / S₀ (Дж/см²)

где S₀ – площадь поперечного сечения образца (0,8 см²).

4 Испытание на усталость

Длительное действие на металлические изделия повторно-переменных (циклических) нагрузок приводит к образованию микротрещин и может вызвать разрушение металла при нагрузках значительно ниже предела прочности. Это явление называют усталостью.

Усталостная прочность характеризуется пределом выносливости, т.е. наибольшим механическим напряжением, при котором образец без разрушения выдерживает заданное число циклов изменения нагрузки (обычно 5…10 млн. циклов). Испытания выполняют переменной нагрузкой на специальных установках.

Строение металлов и их свойства

Для металлов характерны три типа кристаллических решёток:

а) центрированный куб (ОЦК) (Fe, Cr, W, Ca, Na);

б) гранецентрированный куб (ГЦК) (Cu, Al, Ni, Pb, Ag);

в) гексагональная ( шестигранная) призма ( Zn, Mg, Co, Ti).

Решетки характеризуются величиной периодом, т.е. расстояния между соседними атомами (0,1-0,7нм).

Кристаллические решётки реальных металлов имеют дефекты:

• вакансии - незаполненные узлы кристаллической решётки;

• внедрённые (лишние) атомы;

• гексагональная(шестигранная) призма– линейные несовершенства кристаллической решётки.

Металлы обладают способностью перестраивать кристаллическую решётку при определённых (критических) температурах в процессе нагрева или охлаждения, образуя модификации α, β, γ, δ. Это свойство металлов называют аллотропией.

Первичной кристаллизацией называют процесс перехода из жидкого состояния в твёрдое.

Процесс первичной кристаллизации происходит в два этапа:

1. Образование центров кристаллизации.

2. Рост кристаллов, вызывающий рост зёрен металла до их соприкосновения и образования плоскостей спайности.

Вторичной кристаллизацией называют называют процесс изменения кристаллической решетки в металле при его охлаждении (нагреве).

Процессы происходящие в металлах при нагреве и охлаждении исследуют во время термического анализа и фиксируются кривыми в координатах «время» - «температура».

Основы теории сплавов

В практике применение чистых металлов ограничено из-за сравнительно низких механических параметров. Для конструкционных изделий в основном применяют сплавы, состоящие из двух или нескольких металлов или металлов и неметаллов, при сохранении металлических свойств.

Получают сплавы обычно сплавлением компонентов, реже методом металлокерамики(т.е. спеканием порошков входящих в сплав компонентов).

Различают три вида сплавов:

1. Механическая смесь – представляет собой смесь кристаллов входящих в сплав компонентов, причём возможно любое их процентное соотношение.

2. Твёрдый раствор – один из компонентов сплава сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента располагаются в решетке первого компонента.

Различают твёрдый раствор:

1. замещения – обычно это сплавы металлов с близкими размерами атомов;

б) внедрения – обычно это сплавы металлов с неметаллами (например сплавы Fe-C).

3. Химические соединения – возможны при определённом соотношении компонентов. возможны при определённом соотношении компонентов. В результате химической реакции образуется сплав новой структуры с новыми свойствами (например цементит Fe₃С при 6,67 % углерода)

Сплавы кристаллизуются в определённом интервале температур, зависящем от концентрации компонентов, поэтому кривые охлаждения сплавов разной концентрации имеют разный вид.

Диаграммы состояния сплавов дают наглядное представление о протекающих в сплавах превращениях в зависимости от их химического состава и температуры.

Для построения диаграммы состояния сплавов совмещают кривые охлаждения, построенные с определённым интервалом концентрации, на общем графике и соединяют плавными кривыми аналогичные критические точки.

Диаграмма I типа (механическая смесь) на примере Свинец – Сурьма (Pb-Sb)

ABC – линия ликвидуса (жидкий) – выше температур этой линии все сплавы - в жидком состоянии.

DBE – линия солидуса (твёрдый) - ниже температур этой линии все сплавы- в твёрдом состоянии.

Между этими линиями происходит процесс первичной кристаллизации. В точке B, при строго определённой концентрации и самой низкой температуре, компоненты кристаллизуются одновременно образуя мелкую равномерную смесь зёрен входящих компонентов – эвтектику (хорошо построенный сплав).

Диаграмма II типа (твёрдый раствор).

Медь – Никель (Cu-Ni)

Сплавы кристаллизуются между линиями ликвидуса и солидуса. При охлаждении, в кристаллы более тугоплавкого никеля проникает медь, образуя твёрдый раствор меди в никеле.

Железоуглеродистые и легированные сплавы

Разделяют на:

1. Стали – ковкие сплавы, содержащие до 2,14 % углерода.

Чугуны – хрупкие сплавы содержащие от 2,14 до 6, 67 % углерода