Лекция 5. Основные свойства металлов и сплавов

При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств,

которые подразделяют на механические, физико-химические, технологические

и эксплуатационные. К основным механическим свойствам относят проч-

ность, твердость, пластичность, ударную вязкость, усталостную прочность и

твердость. Внешняя нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформа-

цию. Напряжение – это сила, отнесенная к площади поперечного сечения, МПа.

Деформация – это изменение формы и размеров тела под влиянием воздейст-

вия внешних сил или в результате процессов, возникающих в самом теле (на-

пример, фазовых превращений, усадки и т. п.). Деформация может быть упру-

гая (исчезающая после снятия нагрузки) и пластическая (остающаяся после

снятия нагрузки). При увеличении нагрузки упругая деформация переходит в

пластическую; при дальнейшем повышении нагрузки происходит разрушение

тела.

Прочность — это способность твердого тела сопротивляться деформации

или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. Проч-

ность определяют с помощью специальных механических испытаний образцов,

изготовленных из исследуемого материала. 34

Для определения прочности при статических нагрузках образцы испыты-

вают на растяжение, сжатие, изгиб, и кручение. Испытание на растяжение обяза-

тельны. Прочность при статических нагрузках оценивается временным сопро-

тивлением и пределом текучести; временное сопротивление — это условное

напряжение, соответствующее наибольшей нагрузке, предшествующей разру-

шению образца; предел текучести— это напряжение, при котором начинается

пластическое течение металла.

Прочность при динамических нагрузках определяют по данным испыта-

ний: на ударную вязкость (разрушению ударом стандартного образца на копре),

на усталостную прочность (определению способности материала выдерживать,

не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок), на ползучесть

(определение способности нагретого материала медленно и непрерывно де-

формироваться при постоянных нагрузках). Наиболее часто применяют испы-

тания на ударную вязкость.

Пластичность — это способность материала получать остаточное изме-

нение формы и размера без разрушения. Пластичность характеризуется относи-

тельным удлинением при разрыве, %.

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению в него

другого, не получающего остаточных деформаций тела. Значение твердости и ее

размерность для одного и того же материала зависят от применяемого метода

измерения. Значения твердости, определенные различными методами, пересчи-

тывают по таблицам и эмпирическим формулам. Например, твердость по Бри-

неллю (НВ, МПа) определяют из отношения нагрузки Р, приложенной к шари-

ку, к площади поверхности полученного отпечатка шарика F отп : HB=P/Fотп.

Ударная вязкость – способность металлов и сплавов оказывать сопротивле-

ние действию ударных нагрузок.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся температура плав-

ления, плотность, температурные коэффициенты линейного и объемного рас-

ширения, электросопротивление и электропроводимость.

Физические свойства сплавов обусловлены их составом и структурой.

К химическим свойствам относят способность к химическому взаимодей-

ствию с агрессивными средами, а также антикоррозионные свойства.

Способность материала подвергаться различным методам горячей и хо-

лодной обработки определяют по его технологическим свойствам.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся литейные свой-

ства, деформируемость, свариваемость и обрабатываемость режущим инстру-

ментом. Эти свойства позволяют производить формоизменяющую обработку и

получать заготовки и детали машин.

Литейные свойства определяются способностью расплавленного металла

или сплава к заполнению литейной формы, степенью химической неоднородно-

сти по сечению полученной отливки, а также величиной усадки– сокращением

размеров при кристаллизации и дальнейшем охлаждении.

Деформируемость – это способность принимать необходимую форму под

влиянием внешней нагрузки без разрушения и при наименьшем сопротивлении

нагрузке.

Свариваемость – это способность металлов и сплавов образовывать не-

разъемные соединения требуемого качества.

Обрабатываемостью называют свойства металлов поддаваться обработ-

ке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и каче-

ство поверхностного слоя.

Технологические свойства часто определяют выбор материала для конст-

рукции. Разрабатываемые материалы могут быть внедрены в производство

только в том случае, если их технологические свойства удовлетворяют необхо-

димым требованиям.

Современное автоматизированное производство, оснащенное гибкими

системами управления, нередко предъявляет к технологическим свойствам ма-

териала особые требования, которые должны позволять осуществлять ком-

плексный технологический процесс на всех стадиях получения изделия с за-

данным ритмом: например, проведение сварки на больших скоростях, уско-

ренный темп охлаждения отливок, обработка резанием на повышенных режи-

мах и т. п. при обеспечении необходимого условия - высокого качества полу-

чаемой продукции.

К эксплуатационным свойствам в зависимости от условия работы ма-

шины или конструкции относят износостойкость, коррозионную стойкость,

хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность материала

и др.

Износостойкость – это способность материала сопротивляться поверхно-

стному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – сопротивление сплава действию агрессив-

ных кислотных и щелочных сред.

Хладостойкость – способность сплава сохранять пластические свойства

при температурах ниже 0 градусов по Цельсию.

Жаропрочность – способность сплава сохранять механические свойства

при высоких температурах.

Антифрикционность – способность сплава прирабатываться к другому

сплаву.

Эти свойства определяются в зависимости от условия работы машин или

конструкций специальными испытаниями.