Технологические испытания металлов и сплавов

План

 

1. Общие сведения………………………………………………………………2

2. Физические свойства…………………………………………………………3

3. Механические свойства………………………………………………………6

4. Химические свойства…………………………………………………………14

5. Технологические испытания  металлов и сплавов…………………………..16

6. Строение металлов, сплавов и жидких расплавов………………………….19

7. Список  литературы…………………………………………………………...23

 

1. Общие сведения

 

   Мир по своей природе материален. Все, что нас окружает, называется материей. Атом, живая клетка, организм и т. п.— все это различные виды материи. Наблюдаемое многообразие явлений в природе представляет собой различные формы движущейся материи. Материя обладает разнообразными формами движения: жизненные процессы, химические превращения, электрический ток, нагревание и охлаждение и т. д. Материя не исчезает и не создается вновь, она только меняет свои формы. Одни формы движения материи могут переходить в другие. Например, механическое движение может переходить в тепловое, тепловое — в химическое, химическое — в электрическое, электрическое — в механическое и т. д.

  Каждый отдельный вид материи, обладающий определенными составом и свойствами, называется веществом. Признаки, по которым различные вещества отличаются одно от другого, называются свойствами.

  Вещества различаются по цвету, агрегатному состоянию (твердое, жидкое или газообразное), плотности, температуре плавления и кипения и т. д. Чтобы охарактеризовать вещество, необходимо знать определенное количество — совокупность признаков — свойств, которыми оно обладает. Например, вещество, плотность которого равна 1000 кг/м3, температура кипения 100 °С и температура плавления 0°С,— вода Н2О. Свойства материалов определяются преимущественно в лабораторных условиях по специальным методикам, предусмотренным Государственными стандартами и техническими условиями.

  Вещества могут быть простыми и сложными. Простые вещества (железо, медь, кислород, углерод и др.) состоят из атомов или ионов одного элемента. Сложные вещества (вода, углекислый газ, серная кислота, сталь и др.) состоят из молекул, образованных атомами или ионами разных элементов.

  Вещества могут быть чистыми или находиться в виде смесей. Чистые вещества (простые и сложные) состоят из однородных молекул, атомов и ионов. Смеси состоят из различных простых и сложных веществ. Примером смеси является воздух, который состоит из молекул различных газов (азота, кислорода, углекислого газа и т. п.).

  Гранит — смесь, состоящая из кварца, слюды и полевого шпата.

  Свойства материалов, применяемых в промышленном производстве, условно разделяют на физические, механические, химические, технологические и др [1].

     2. Физические свойства

 

  К физическим свойствам, зависящим от внутреннего строения материалов, относятся: плотность, пористость, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, тепловое (термическое) расширение, морозостойкость, огнеупорность, температура плавления и др.

  Плотность — величина, равная отношению массы вещества к занимаемому им объему. По плотности металлы и сплавы делятся на две группы: легкие, плотность которых меньше 5000 кг/м3, и тяжелые, плотность которых больше 5000 кг/м3. К легким металлам относятся алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, к тяжелым — медь, никель, цинк и сплавы на их основе.

  При производстве машин и механизмов, чтобы уменьшить их массу, используют металлы и сплавы меньшей плотности.

  Пористость — степень заполнения объема материала порами.

  Теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, водопоглощение зависят от пористости материалов.

  Теплопроводность—способность материала передавать через свою толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур на противоположных поверхностях. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящей в течение 1 ч через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, при разности температур на противоположных плоскопараллельных поверхностях в один градус. Теплопроводность зависит от внутреннего строения материала.

  Высокая теплопроводность металлов и сплавов по сравнению с другими материалами объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносят свободные электроны, находящиеся в постоянном движении.

 

 

Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией.

  Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла.

  Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее теплота при нагревании распространяется по всему объему. Это свойство учитывают при изготовлении нагревательных приборов, двигателей, которые нагреваются во время работы, при газовой резке металлов и сплавов, при обработке металлов режущим инструментом.

  Теплопроводность имеет большое значение при выборе материалов для теплоограждающих конструкций, теплообменных аппаратов, изоляции труб.

  Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Переносят электрический ток свободные электроны, поэтому тепло- и электропроводность у чистых металлов пропорциональны одна другой. Электропроводность металлов с повышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании колебания ионов в металле усиливаются, а это мешает движению электронов. При низких температурах, когда колебания ионов уменьшаются, электропроводность резко увеличивается.

  Высокой электропроводностью обладают серебро, алюминий, медь и сплавы на их основе, низкой — вольфрам, хром. Из металлов, хорошо проводящих электрический ток, делают электрические провода, токопроводящие детали электрических машин, а из металлов и сплавов, плохо проводящих электрический ток (обладающих большим электросопротивлением), изготовляют электронагревательные приборы, реостаты.

  Теплоемкость — свойство материалов поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Показанном теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг материала на один градус. Удельная теплоемкость используется при расчете процессов нагрева или охлаждения материалов.

 

  Водопоглощение—способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение материала зависит от его пористости; чем больше пористость, тем больше водопоглощение.

 

  Насыщение материалов водой изменяет их свойства: увеличивается теплопроводность, снижается морозостойкость.

 

  Влажность материала определяется отношением влаги, содержащейся в образце, к массе этого образца в сухом состоянии.

  Водопроницаемость—способность материала пропускать через себя воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей через образец площадью 1 м2 в течение 1 ч при постоянном давлении 1 Н и определенной толщине образца. Водопроницаемость зависит от пористости, плотности материала, формы и размеров пор.

  Паро-газопроницаемость — свойства, которые характеризуются количеством пара или газа (воздуха), прошедшего через образец определенных размеров при заданном давлении.

  Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Плотные материалы, а также материалы, обладающие малым водопоглощением, как правило, морозостойки. По числу выдерживаемых циклов попеременного замораживания и оттаивания (степени морозостойкости).

  Тепловое (термическое) расширение — способность материалов изменять свои размеры в процессе нагревания при постоянном давлении. Это свойство учитывают при прокладке трубопроводов, рельсов железнодорожных путей. Длинные трубы и паропроводы в нагретом состоянии значительно увеличивают свои размеры. Поэтому, чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясь невредимыми, делают специальные устройства — компенсаторы, которые воспринимают удлинение трубопроводов при тепловом расширении. На мостах устанавливают подвижные опоры. У зданий и сооружений большой протяженности предусматривают термические швы.

  Рельсы на крановых и железнодорожных путях укладывают с небольшими промежутками для свободного термического расширения.

  Температура плавления — постоянная температура, при которой твердый материал переходит в жидкий расплав при нормальном давлении.

 

  Для отсчета температуры применяют две шкалы: термодинамическую, где единицей измерения температуры служит кельвин (обозначается К), и международную практическую, где единицей измерения служит градус Цельсия (обозначается °С).

  Температура плавления материалов зависит от прочности связи между молекулами, ионами и изменяется в очень широких пределах: например, температура плавления ртути—39°С, вольфрама+3410°С. Чистые металлы плавятся при определенных температурах, а большинство материалов в интервале температур [2].

 

     

 

      3. Механические свойства

 

   Механическими свойствами материалов называют их способность сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.

 

 

 

 

 

 

а — сжатия, б — растяжения, в —изгиба,

г — сдвига (среза), д — кручения

  Рис. 1. Виды деформаций металла в зависимости от направления действующей нагрузки.

 

  Деформации, которые исчезают после снятия нагрузки (при этом материал принимает первоначальную форму), называют упругими. Деформации, которые остаются после снятия нагрузки, называют остаточными.

 

  В зависимости от характера действия приложенных к образцу или изделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига (среза), кручения (рис. 1).

  Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания образцов могут быть статическими, когда на образец действует постоянная или медленно возрастающая нагрузка, динамическими, когда на образец действует мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повторно-переменными (усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению.

  Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.

 

 

Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних воздействий (сил, нагрузок) . Напряжение служит для оценки нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела.

  Напряжения, действующие вдоль оси образца, называют нормальными и обозначают а (сигма). Нормальные напряжения в паскалях определяются отношением сил Р в ньютонах, действующих вдоль оси детали или образца, к площади их поперечного сечения S в квадратных метрах: а = P/S.

  Нормальные напряжения в зависимости от направления действующих нагрузок бывают сжимающими (рис. 1,а) и растягивающими (рис. 1,б).

  Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательными и обозначают т (тау). Под действием касательных напряжений происходит деформация среза (рис. 1,г).

  Напряжения, определяемые при механических испытаниях образцов на специальных машинах, используют при расчетах деталей машин на прочность.

   Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают в них напряжения, которые в свою очередь вызывают деформации деталей.

  Например, канат автомобильного крана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытывает напряжение растяжения, поэтому и подвергается деформации растяжения.

 

   Под действием сжимающих напряжений деформацию сжатия испытывают станины и фундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стреле автомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напряжения изгиба (рис. 1,в), которые вызывают деформацию изгиба стрелы. Деформации изгиба испытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда, башенного или козлового крана. На срез работают заклепочные соединения, стопорные болты.

  Напряжения кручения вызывают деформацию кручения (рис. 1,д), например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.

  Прочность — способность материалов воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации.

  В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.

  Определение прочности на растяжение — наиболее важный и распространенный вид механических испытаний материалов (ГОСТ 149773). Образцы определенном формы м размеров испытывают на специальных разрывных машинах. Стандартный образец (рис. 2) закрепляют головками диаметром D в машине и медленно нагружают с постоянной скоростью. В результате возрастающей нагрузки происходит растяжение образца вплоть до разрушения по диаметру d0. При испытании производится автоматическая запись диаграммы растяжения (рис. 3), представляющей собой графики изменения длины образца А в зависимости от приложенной нагрузки Р. Определенные точки на диаграмме растяжения р, с, s, Ъ отражают наиболее важные характеристики прочности: предел пропорциональности, условные пределы упругости, текучести и прочности.

 

Рис. 2. Образец для испытания на растяжение

Рис. 3. Диаграмма растяжения малоуглеродистой стали

 

   Предел пропорциональности (точка р на диаграмме растяжения) — это наибольшее напряжение, возникающее под действием нагрузки Рп, до которого деформации в металле растут прямо пропорционально нагрузке. При этом в образце возникают только упругие деформации. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации образца будут остаточными.