Что такое пластичность металла
Пластичность металла
Другой, не менее важной характеристикой является пластичность металла.
При испытании на растяжение пластичность определяют двумя величинами:
Для того чтобы понять, как эти величины определяются, следует образец до испытания сопоставить с разрушенным образцом, как это сделано на рис. 22 (выше).
После разрушения образец оказался длиннее, но он сузился, особенно в месте образования шейки.
Относительное удлинение определяет, на какую величину образец удлинился после растяжения по отношению к первоначальной длине.
Эта величина обозначается буквой δ (дельта) и выражается в процентах:
l0 — начальная расчетная длина образца в мм;
l — конечное значение расчетной длины в мм.
Относительное сужение характеризует степень уменьшения площади поперечного сечения в шейке.
Обозначается эта величина буквой φ (пси) выражается в процентах:
Испытательные машины, применяемые для определения механических свойств металлов при растяжении, очень разнообразны как по способу создания растягивающего усилия, так и по способу определения этого усилия и деформаций образца.
Испытательные машины снабжены специальным нагружающим механизмом для создания усилий. Эти механизмы бывают механического и гидравлического действия.
Для определения этих усилий и деформаций образца при растяжении машины снабжаются силоизмерительными устройствами разных типов.
Эти устройства в большинстве случаев имеют диаграммный аппарат, позволяющий автоматически записывать диаграмму деформации. По этой диаграмме и определяются прочностные и пластические свойства металла.
На рисунке показан общий вид разрывной 4-тонной машины. Схема ее работы такова:
Образец зажимается в захваты машины 4.
Нижний захват опускается с помощью механического привода 1, смонтированного в нижней части машины.
Верхний захват связан с маятником 3, который, отклоняясь на определенный угол, уравновешивает силу, тянущую образец вниз.
Угол отклонения маятника соответствует нагрузке, прикладываемой к образцу 5.
Эта нагрузка, а также растяжение образца отмечаются на диаграммном аппарате2 в виде диаграммы деформации.
Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?
СОДЕРЖАНИЕ
1. Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?. 3
2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180 о С. 4
3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850 о С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его. 7
4. Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки. 8
5. Опишите резины специального назначения (приведите классификацию по группам, охарактеризуйте свойства, области применения). 12
Список использованной литературы.. 15
Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?
Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок.
Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.
Характеристики пластичности определяют при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить нескольких важных механических характеристик металла или сплава. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы. Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения.
Относительное удлинение δ представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l0 и выражается в процентах:
,
где lк – длина образца после разрыва
Под относительным сужением понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:
,
где Fк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180 о С.
При определенных условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии одновременно три фазы. В системе железо-карбид железа происходят три изотермических превращения (на кривых охлаждения им соответствуют горизонтальные площадки):
Линия HIB (1499 °С) соответствует перитектическому превращению:
Линия ECF (1147 °С) соответствует эвтектическому превращению:
Линия PSK (727 °С) соответствует эвтектоидному превращению
Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:
где С – число степеней свободы системы (вариантность) – количество факторов (температура, концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз системы;
К – число компонентов, образующих сплав;
F – число фаз в сплаве.
При охлаждении заэвтектического чугуна (4,3
Структура белого заэвтектического чугуна при комнатной температуре – ледебурит и цементит первичный.
По правилу Карнакова количественное соотношение фаз в сплаве:
Для их определения необходимо провести коноду a-b-c (линию, параллельную оси состава диаграммы – абсциссе, и проходящую через двухфазную область).
При температуре 1180 °С (точка b) в сплаве находятся две фазы: жидкий расплав и первичные кристаллы цементита.
Точки пересечения коноды с линиями, ограничивающими данную двухфазную область, определяют химический состав присутствующих в сплаве фаз. Таким образом, проекция точки a – точки пересечения коноды и линии ликвидус – на ось абсцисс покажет состав жидкости (Жа). Проекция точки c на ось асцисс покажет состав цементита – 6,67%.
Ордината заданного в условии задачи сплава делит коноду на два отрезка a-b и b-c. Отношение каждого из отрезков к длине всей коноды a-b-c позволит определить количество соответствующей фазы.
Количество жидкости: Жа = b-c/a-b-c ;
Количество цементита: Цс = a-c/a-b-c ;
Количественное соотношение фаз: Ж/Ц = b-c/a-b.
Рисунок 3: диаграмма железо-цементит; кривая охлаждения для сплава, содержащего 5,4% углерода.
3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850 о С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его.
Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11 до нагрева под закалку – перлит + карбиды.
Критические точки для стали У11: Аc1=730ºС, Аcm=810ºС.
Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет АС1+(30÷50º), т.е. для У11 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У11.
Нагрев и выдержка стали У11 при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.
Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (Ас3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.
Температура точки Ас3 для стали 30 составляет 820°С.
Если доэвтектоидную сталь нагреть выше Ас1, но ниже Ас3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки Ас3) структура стали 30 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.
Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше Ас3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 850-870°С. Структура стали 30 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.
Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки.
Химический состав в % материала 5ХНМ в соответствии с ГОСТом 5950-2000
Для изготовления штампов применяются следующие марки сталей: углеродистые и легированные 5ХНМ и некоторые другие.
Основные требования, предъявляемые к стали для изготовления штампов, следующие:
2) хорошая теплопроводность для быстрого отвода тепла от рабочей поверхности в глубь штампа;
3) значительная прокаливаемость (что особенно важно для крупных штампов);
4) высокая сопротивляемость возникновению трещин разгара, возникающих на рабочей поверхности вследствие периодичности нагрева и охлаждения штампов.
Штампы, изготовленные из углеродистой стали, быстро выходят из строя, вследствие малой глубины закалённого слоя и низкого предела температур (325-350°), до которых штамп может нагреваться во время работы. Поэтому углеродистую сталь можно применять для малых штампов простой формы.
Для изготовления штампов, работающих в тяжёлых условиях, наиболее часто применяется сталь 5ХНМ или её заменитель сталь 5ХГМ. Никель в стали 5ХГМ заменён марганцем, который, сохраняя глубокую прокаливаемость стали, несколько уменьшает ударную вязкость. Для получения необходимой вязкости штампы из стали 5ХГМ отпускают при более высокой температуре, чем штампы из стали 5ХНМ.
Кованые заготовки штампов подвергают отжигу, чтобы снизить твёрдость, снять внутренние напряжения и подготовить структуру для последующей закалки. Поковки, остывающие после их изготовления медленно, в утеплённых ямах или шлаке, можно загружать для отжига в печь, нагретую до требуемой температуры, и греть со скоростью, которую допускает данная печь. Поковки, остывающие после их изготовления быстро, на полу мастерской, загружают в печь при температуре 400-500° и греют до требуемой температуры вместе с печью.
Штампы, поступающие в капитальный ремонт, вместо отжига подвергают высокому отпуску. Для этого штампы закладывают в печь, нагретую до требуемой температуры, выдерживают 2-3 часа, вынимают из печи и оставляют на воздухе до полного охлаждения.
Иногда крупные штампы подвергаются закалке в заготовках (кубиках) до механической обработки. При этом потеря твёрдости компенсируется отсутствием деформации готового штампа. Такие заготовки нагревают под закалку без упаковки.
При закалке полностью обработанных штампов необходимо принять меры для предохранения рабочей поверхности от окисления (рисунок слева). В качестве изолирующей засыпки применяют отработанный карбюризатор или пережжённую чугунную стружку.
Мелкие и средние штампы, а также кубики можно загружать в печь, нагретую до температуры закалки, без опасения образования трещин или деформации, тем более, что рабочая часть штампа прогревается сравнительно медленно, так как находится под слоем засыпки. Прогрев при температуре закалки должен обеспечить полное растворение углерода и других элементов в аустените.
Ниже приводим режим термической обработки штампов, изготовленных из стали 5ХНМ в электропечи Н15, применяемый на одном из заводов в течение ряда лет и полностью себя оправдавший (штамп Ф 150 мм, высотой 140 мм):
1) загрузка в печь, нагретую до температуры 830-850°, и выдержка в течение 2 час.;
2) закалка в масле, выдержка до достижения температуры 100-200° примерно 15-20 мин.;
При загрузке нескольких штампов в печь следует для ускорения нагрева ставить их на расстоянии 100-150 мм один от другого.
Повышение температуры отпуска, как правило, повышает вязкость стали, но снижает ее твердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохранения износостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной, однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.
Характеристика физических и химических свойств металлов
Занимая в таблице Менделеева I-II группы, а также побочные подгруппы III-VIII групп, атомы металлов способны отдавать валентные электроны, тем самым окисляться. По группе сверху вниз число электронных слоев увеличивается, радиус атомов растет, как и способность отдавать электроны (металлические свойства атомов). В периодах слева направо радиус атомов уменьшается, металлические свойства снижаются. Поэтому самыми активными металлами в периодах являются металлы I-II групп.
Физические и химические свойства металлов
Своими физическими, как и химическими, свойствами металлы обязаны строению кристаллической решетки. Она состоит из положительно заряженных ионов, которые постоянно колеблются вокруг определенного положения равновесия. Кроме того, имеются свободные электроны, которые перемещаются по всему объему. Именно благодаря им, для металлов характерны следующие свойства: металлический блеск, ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность.
Из металлов изготавливают детали и инструменты, корпуса машин, зеркала, бытовую и промышленную химию.
Такое широкое применение на практике металлы нашли благодаря своим особым свойствам:
Подробное описание механических свойств
Механические свойства металлов не определяются расчетным путем. Для них существуют специальные экспериментальные процедуры, в ходе которых проверяется степень деформации, характер прочности, способность к пластичности и т.д.
К основным механическим свойствам относят:
Размер следа, возникшего при давлении, позволяет установить твердость исследуемого состава.
Важно обратить внимание на то, что понятие «прочность» не является синонимом «твердости». Не редки варианты, когда твердые предметы являются хрупкими.
К механическим свойствам металлов, например, железа, практики относят также такие характеристики, как наличие надежности, долговечности, практичности, живучести.
Эксплуатационные характеристики
Кроме общих физических свойств, металлы обладают такой особенностью, как эксплуатационные характеристики. Под этим понятием понимается показатель, демонстрирующий надежность, долговечность и практичность детали, конструкции, изготовленной из металла либо его сплава. Такой показатель формируется на основании обобщения результатов технических испытаний, разнопрофильных замеров.
К такой категории показателей относят жаропрочность, хладостойкость, стойкость к коррозии, антифрикционные характеристики, циклическая вязкость и т.п.
Под «износостойкостью» понимают способность материала, из которого изготовлены различные конструкции, противостоять абразивному износу, в т.ч. при наличии процессов трения поверхностей деталей (инструментов) при работе.
Группа металлов с циклической вязкостью способны выдерживать знакопеременные динамические давления. При этом они не разрушаются. Детали, изготовленные из таких металлов, — идеальный вариант для изготовления рессор автомобилей, пружин различных вариаций. Детали, изготовленные из металлов с циклической вязкостью, способны функционировать в неблагоприятных условиях длительные отрезки времени.
Определение понятия «Демпфирование» гласит, что металл способен гасить колебания, рассеивать их, а также противостоять направленным нагрузкам. К таким материалам относят серые литейные чугуны. Они годны для изготовления станин станков, кронштейнов и т.п.
Одной из общих эксплуатационных характеристик является жаропрочность. Краткое описание сводится к способности материалов выдерживать серьезные механические нагрузки, особенно при высоких температурах. Показатель жаропрочности определяется тугоплавкостью химических веществ. Для современных двигателей такая характеристика очень важна. В ходе самого процесса происходит ослабление химических связей, поэтому снижаются упругость, вязкость, твердость. В результате этого деталь постепенно приходит в негодность. Если в не жаропрочные углеродистые стали добавить в определенных количествах алюминий (магний, титан), они повысят жаропрочность до 600оС. Если же в состав материала вводить никель (кобальт), он будет устойчив вплоть до 1000оС.
Жаростойкость характеризует способность металла не подвергаться коррозии. Насколько велика жаростойкость, можно определить по глубине коррозии. Высокой устойчивостью обладают легированные стали, чугуны, сплавы с хромом, никелем, вольфрамом, ванадием. Эти элементы проявляют жаростойкость при 800-1000оС и выше.
Хладностойкость показывает, насколько материал может сохранить вязкость при отрицательных температурах.
Антифрикционность является свойством, показывающим, насколько материал способен снизить трение между соприкасающимися поверхностями в механизмах и деталях. Антифрикционные материалы используют для изготовления подшипников для различных механизмов.
Прирабатываемость — возможность конструкций, изготовленных из определенных материалов, «подстраиваться» в рабочем процессе, например, увеличивать площадь соприкосновения, уменьшать температуру поверхности или давление на нее.
Таблица, примеры
Физические свойства металлов изучались давно и серьезно. Сегодня существуют различные таблицы, содержащие обобщенные данные о химических свойствах, механических и эксплуатационных характеристиках. Например, в электрохимическом ряду напряжения металлов они расположены в порядке уменьшения своей восстановительной способности.
Прочие свойства металлов отражены в таблице.