К основным механическим
свойствам металлов относятся прочность, вязкость, пластичность, твердость, выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава.
Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.
Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.
Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях.
К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость.
Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.
Вязкость — это свойство материала, которое определяет его способность к поглощению механической энергии при постепенном увеличении пластической деформации вплоть до разрушения материала. Материалы должны быть одновременно прочными и пластичными.
- Твердость — это способность материала сопротивляться проникновению в него других тел.
- Выносливость — это способность материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно-переменных нагрузок.
- Износостойкость — это способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
- Ползучесть — это способность материала медленно и непрерывно пластически деформироваться (ползти) при постоянном напряжении (особенно при высоких температурах).
Поведение некоторых металлов (например, отожженной стали) при испытании на растяжение показано на рис. 3. При увеличении нагрузки в металле сначала развиваются процессы упругой деформации, удлинение образца при этом незначительно.
Затем наблюдается пластическое течение металла без повышения напряжения, этот период называется текучестью. Напряжение, при котором продолжается деформация образца без заметного увеличения нагрузки, называют пределом текучести. При дальнейшем повышении нагрузки происходит развитие в металле процессов наклепа (упрочнения под нагрузкой).
Наибольшее напряжение, предшествующее разрушению образца, называют пределом прочности при растяжении.
Рис. 3. Диаграмма деформации при испытании металлов на растяжение.
Напряженное состояние — это состояние тела, находящегося под действием уравновешенных сил, при установившемся упругом равновесии всех его частиц. Остаточные напряжения — это напряжения, остающиеся в теле, после прекращения действия внешних сил, или возникающие при быстром нагревании и охлаждении, если линейное расширение или усадка слоев металла и частей тела происходит неравномерно.
Внутренние напряжения образуются при быстром охлаждении или нагревании в температурных зонах перехода от пластического к упругому состоянию металла. Эти температуры для стали соответствую 400—600°. Если образующиеся внутренние напряжения превышают предел прочности, то в деталях образуются трещины, если они превышают предел упругости, то происходит коробление детали.
Предел прочности при растяжении в кг/мм2 определяется на разрывной машине как отношение нагрузки Р в кГ, необходимой для разрушения стандартного образца (рис. 4, а), к площади поперечного сечения образца в мм2.
Рис. 4. Методы испытания прочности материалов: а — на растяжение; б — на изгиб; в — на ударную вязкость; г — на твёрдость
Предел прочности при изгибе в кГ/мм2 определяется разрушением образца, который устанавливаете» на двух опорах (рис. 4, б), нагруженного по середине сосредоточенной нагрузкой Р.
Для установления пластичности материала определяют относительное удлинение δ при растяжении или прогиб ƒ при изгибе.
Относительное удлиненней δ в % определяется на образцах, испытуемых на растяжение. На образец наносят деления (рис. 4, а) и измеряют между ними расстояние до испытания (l0) и после разрушения (l) и определяют удлинение
δ = l-lo / lo · 100%
Прогиб при изгибе в мм определяется при помощи прогибомера машины, указывающего прогиб ƒ, образующийся на образце в момент его разрушения (рис. 4, б).
Ударная вязкость в кГм/см2 определяется на образцах (рис. 4, в), подвергаемых на копре разрушению ударом отведенного в сторону маятника. Для этого работу деформации в кГм делят на площадь поперечного сечения образца в см 2.
Твердость по Бринелю (НВ) определяют на зачищенной поверхности образца, в которую вдавливают стальной шарик (рис. 4, г) диаметром 5 или 10 мм под соответствующей нагрузкой в 750 или 3000 кГ и замеряют диаметр d образовавшейся лунки. Отношение нагрузки в кГ к площади лунки πd2 / 4 в мм2 дает число твердости.
Показатели для механических свойств для основных сплавов приведены в табл. 1.
Модуль упругости стали: таблица, характеристики
►Модуль упругости стали
►Модуль упругости разных марок стали
►Таблица модулей прочности марок стали
►Модуль упругости для металлов и сплавов
►Упругость сталей
►Предел прочности
При проектировании стальных изделий или элементов конструкций учитывают способность сплава выдерживать разнонаправленные виды нагрузок: ударные, изгибающие, растягивающие, сжимающие. Значение модуля упругости стали, наряду с твердостью и другими характеристиками, показывает стойкость к этим воздействиям.
Например, в железобетонном строительстве используют продольные и поперечные арматурные стержни. В горизонтальной плоскости они подвержены растяжению, а в вертикальной — давлению всей массы конструкции.
В местах концентрации напряжений: углы, технологические проемы, лифтовые шахты и лестничные пролеты — размещают большее количество арматуры.
Способность бетона впитывать воду служит причиной постоянных изменений сжимающих и растягивающих нагрузок.
Рассмотрим другой пример. В военное время создавалось множество разработок в сфере авиации. Самыми частыми причинами катастроф были возгорания двигателей. Отрываясь от земли, самолет попадает в атмосферные слои с разреженным воздухом и его корпус расширяется, обратный процесс происходит при посадке.
Кроме этого, на конструкцию воздействует сопротивление воздушных потоков, давление искривленных слоев воздуха и другие силы. Несмотря на прочность, существующие в то время сплавы не всегда были пригодны для изготовления ответственных деталей, в основном, это приводило к разрывам топливных баков.
В различных видах промышленности из стали изготавливают детали подвижных механизмов: пружины, рессоры. Марки, используемые для таких целей, не склонны к трещинообразованию при постоянно изменяющихся нагрузках.
Модуль упругости стали
Упругость твердых тел — это способность принимать исходную форму после прекращения деформирующих воздействий. Например, брусок пластилина обладает нулевой пружинистостью, а резиновые изделия можно сжимать и растягивать. При различных применениях сил к предметам и материалам, они деформируются. В зависимости от физических свойств тела или вещества, различают два вида деформации:
- Упругая — последствия исчезают по окончании действия внешних сил;
- Пластическая — необратимое изменение формы.
Модуль упругости — название нескольких физических величин, характеризующих склонность твердого тела деформироваться упруго.
Впервые понятие было введено Томасом Юнгом. Ученый подвешивал грузы к металлическим стержням и наблюдал за их удлинением. У части образцов длина увеличилась в два раза, другие — были разорваны в ходе эксперимента.
Сегодня определение объединяет ряд свойств физических тел:
Модуль Юнга: Вычисляется по формуле E= σ/ε, где σ — напряжение, равное силе, деленной на площадь ее приложения, а ε — упругая деформация, эквивалентная отношению удлинения образца с начала деформации и сжатию после ее прекращения.
Модуль сдвига (G или μ): способность сопротивляться деформации при сохранении объема, когда направление нагрузок производится по касательной. Например, при ударе по шляпке гвоздя, если он был произведен не под прямым углом, изделие искривляется. В сопромате величину используют для вычисления сдвигов и кручения.
Модуль объемной упругости или объемного сжатия (К): изменения, вызванные действием всестороннего напряжения, например, гидростатического давления.
Коэффициент Пуансона (Ⅴ или μ): отношение поперечного сжатия к продольному удлинению, вычисляется для образцов материалов. У абсолютно хрупких веществ он равен нулю.
Константа Ламе: энергия, провоцирующая возвращение в исходную форму, вычисляется через построение скалярных комбинаций.
Модуль упругости стали соотносится с рядом других физических величин. Например, при проведении эксперимента на растяжение, важно учитывать предел прочности, превышение которого оборачивается разрушением детали.
- Соотношение жесткости и пластичности;
- Ударная вязкость;
- Предел текучести;
- Относительное сжатие и растяжение (продольное и поперечное);
- Пределы прочности при ударных, динамических и др. нагрузках.
Применение ряда подходов обусловлено требованиями к механическим свойствам материалов в разных отраслях промышленности, строительства, приборостроения.
Модуль упругости разных марок стали
Наибольшей способностью противостоять деформации обладают рессорно-пружинистые стальные сплавы. Эти материалы характеризуются высоким пределом текучести. Величина показывает напряжение, при котором деформация растет без внешних воздействий, например при сгибании и скручивании.
Характеристики упругости стали зависят от легирующих элементов и строения кристаллической решетки. Углерод придает стальному сплаву твердость, однако в высоких концентрациях снижается пластичность и пружинистость. Основные легирующие добавки, повышающие упругие свойства: кремний, марганец, никель, вольфрам.
Нередко, нужных показателей можно достичь лишь с помощью специальных режимов термообработки. Таким образом все фрагменты детали будут иметь единые показатели текучести, а слабые участки будут исключены.
В противном случае изделие может надломиться, лопнуть или растрескаться.
Марки 60Г и 65Г обладают такими характеристиками, как сопротивление разрыву, вязкость, стойкость к износу, они применяются для изготовления промышленных пружин и музыкальных струн.
В металлургической промышленности создано несколько сотен марок стали с разными модулями упругости. В таблице приведены характеристики популярных сплавов.
Таблица модулей прочности марок стали
| Наименование стали | Модуль упругости Юнга, 10¹²·Па | Модуль сдвигаG, 10¹²·Па | Модуль объемной упругости, 10¹²·Па | Коэффициент Пуассона, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165…180 | 87…91 | 45…49 | 154…168 |
| Сталь 3 | 179…189 | 93…102 | 49…52 | 164…172 |
| Сталь 30 | 194…205 | 105…108 | 72…77 | 182…184 |
| Сталь 45 | 211…223 | 115…130 | 76…81 | 192…197 |
| Сталь 40Х | 240…260 | 118…125 | 84…87 | 210…218 |
| 65Г | 235…275 | 112…124 | 81…85 | 208…214 |
| Х12МФ | 310…320 | 143…150 | 94…98 | 285…290 |
| 9ХС, ХВГ | 275…302 | 135…145 | 87…92 | 264…270 |
| 4Х5МФС | 305…315 | 147…160 | 96…100 | 291…295 |
| 3Х3М3Ф | 285…310 | 135…150 | 92…97 | 268…273 |
| Р6М5 | 305…320 | 147…151 | 98…102 | 294…300 |
| Р9 | 320…330 | 155…162 | 104…110 | 301…312 |
| Р18 | 325…340 | 140…149 | 105…108 | 308…318 |
| Р12МФ5 | 297…310 | 147…152 | 98…102 | 276…280 |
| У7, У8 | 302…315 | 154…160 | 100…106 | 286…294 |
| У9, У10 | 320…330 | 160…165 | 104…112 | 305…311 |
| У11 | 325…340 | 162…170 | 98…104 | 306…314 |
| У12, У13 | 310…315 | 155…160 | 99…106 | 298…304 |
Модуль упругости для металлов и сплавов
| Наименование материала | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Алюминий | 65—72 |
| Дюралюминий | 69—76 |
| Железо, содержание углерода менее 0,08 % | 165—186 |
| Латунь | 88—99 |
| Медь (Cu, 99 %) | 107—110 |
| Никель | 200—210 |
| Олово | 32—38 |
| Свинец | 14—19 |
| Серебро | 78—84 |
| Серый чугун | 110—130 |
| Сталь | 190—210 |
| Стекло | 65—72 |
| Титан | 112—120 |
| Хром | 300—310 |
Упругость сталей
| Наименование стали | Значение модуля упругости, 10¹²·Па |
| Сталь низкоуглеродистая | 165—180 |
| Сталь 3 | 179—189 |
| Сталь 30 | 194—205 |
| Сталь 45 | 211—223 |
| Сталь 40Х | 240—260 |
| 65Г | 235—275 |
| Х12МФ | 310—320 |
| 9ХС, ХВГ | 275—302 |
| 4Х5МФС | 305—315 |
| 3Х3М3Ф | 285—310 |
| Р6М5 | 305—320 |
| Р9 | 320—330 |
| Р18 | 325—340 |
| Р12МФ5 | 297—310 |
| У7, У8 | 302—315 |
| У9, У10 | 320—330 |
| У11 | 325—340 |
| У12, У13 | 310—315 |
Предел прочности
Твердые тела способны выдерживать ограниченные нагрузки, превышение предела приводит к разрушению структуры металла, формированию заметных сколов или микротрещин. Возникновение дефектов сопряжено со снижением эксплуатационных свойств или полным разрушением. Прочность сплавов и готовых изделий проверяют на испытательных стендах. Стандартами предусмотрен ряд испытаний:
- Продолжительное применение деформирующего усилия;
- Кратковременные и длительные ударные воздействия;
- Растяжение и сжатие;
- Гидравлическое давление и др.
В сложных механизмах и системах выход из строя одного элемента автоматически становится причиной повышения нагрузок на другие. Как правило, разрушения начинаются на тех участках, где напряжения максимальны. Запас прочности служит гарантией безопасности оборудования во внештатных ситуациях и продлевает срок его службы.
Оцените нашу статью
Гсссд 146-89 таблицы стандартных справочных данных. сталь инструментальная легированная. механические свойства от 19 декабря 1989
ГСССД 146—89GSSSD 146-89
РАЗРАБОТАНЫ Украинским научно-исследовательским институтом специальных сталей, сплавов и ферросплавов (УкрНИИспецсталь)
Авторы: канд. техн. наук Р.А.Зыкова; канд. техн. наук Ю.М.Скрынченко; Ю.М.Политаев; В.И.Щербина
РЕКОМЕНДОВАНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ Запорожским производственным объединением «Моторостроитель»; Всесоюзным научно-исследовательским центром по материалам и веществам Госстандарта СССР
ОДОБРЕНЫ экспертной комиссией в составе:
д-ра техн. наук П.А.Поздняка; д-ра техн. наук Б.С.Натанова; И.Е.Полякова; Р.Д.Мининзона; Л.В.Кобликовой
- ПОДГОТОВЛЕНЫ К УТВЕРЖДЕНИЮ Всесоюзным научно-исследовательским центром по материалам и веществам Госстандарта СССР
- УТВЕРЖДЕНЫ Государственным комитетом СССР по управлению качеством продукции и стандартам 19 декабря 1989 г. (протокол N 16)
- Применение стандартных справочных данных обязательно во всех отраслях народного хозяйства
Настоящие таблицы стандартных справочных данных (табл.
1-7) содержат числовые значения механических свойств инструментальных легированных сталей: Х, ХВГ, 9ХС, 13Х, 12X1, 8ХФ, 9Г2Ф, В2Ф, 9ХФ, Х12, Х12МФ, Х12ВМФ, Х12Ф1, Х6ВФ, 6Х4М2ФС (ДИ55), 11Х4В2МФ3С2 (ДИ37), 5ХВ2СФ, 8Х4В2МФС2 (ЭП761), 7ХГ2ВМ, 4Х3ВМФ (3И2), 3Х3М3Ф, 4Х4ВМФС (ДИ22), 5Х3В3МФС (ДИ23), 3Х2В8Ф, 4Х2В5МФ, 7X3, 5ХНМ, 5ХНВ, 5Х2МНФ (ДИ32), 4Х5МФС, 4Х5МФ1С [1]; 4Х3ВМФС (ДИ71), 3Х3ВМФ (ДИ72) [2]; 05Х12Н6Д2СГТМФ (ДИ80) [3]; Х5С4В2Ф2НМ (ДИ57) [4].
Стали Х, ХВГ, 9ХС, 13Х, В2Ф, 7ХГ2ВМ, 9Г2Ф, 9ХФ, 8ХФ, 12Х1 применяются, в основном, для изготовления режущего и измерительного инструмента для обработки металлов и других материалов в холодном состоянии; стали Х6ВФ, Х12МФ, Х12, Х12ВМФ, Х12Ф1, 6Х4М2ФС, 11Х4В2МФ3С2, 8Х4В2МФС2, Х5С4В2Ф2НМ — для штампового инструмента; сталь 5ХВ2СФ — для ударного инструмента; стали 4Х3ВМФ, 3Х3М3Ф, 4Х4ВМФС, 5Х3В3МФС, 3Х2В8Ф, 7Х3, 4Х3ВМФС, 4Х2В5МФ, 5ХНМ, 5ХНВ, 5Х2МНФ, 4Х5МФС, 4Х5МФ1С, 3Х3ВМФ — для обработки металлов давлением при температурах выше 300 °С; сталь 05Х12Н6Д2СГТМФ рекомендуется, в основном, для пресс-форм формования резинотехнических изделий и пластмасс при температурах 150…300 °С.
В число механических свойств вошли:
| твердость по Роквеллу | — [5] |
| временное сопротивление, Н/мм | — |
| предел текучести, Н/мм | — |
| относительное удлинение, % | — |
| относительное сужение, % | — |
| предел прочности при изгибе, Н/мм (нестандартная характеристика) | — |
| ударная вязкость, Дж/см | — |
| ударная вязкость, Дж/см | — (с U-образным концентратором напряжений). |
Механические свойства сталей для холодной обработки определяли: — на образцах без концентратора напряжений [6]; — на образцах размерами 6X6X50 мм по схеме сосредоточенного изгиба с расстоянием между опорами 40 мм [7]; у сталей для обработки металлов давлением при температурах выше 300 °С определяли на образцах с U-образным концентратором напряжений [6], , , , на коротких образцах () [8, 9].
Свойства всех сталей приведены после испытания при нормальной температуре, свойства сталей для обработки металлов давлением при температурах выше 300 °С — дополнительно в диапазоне температур испытания 650…750 °С. Для широко используемых сталей 4Х5МФС, 5ХВ2СФ, 4Х4ВМФС, 5Х5В3МФС, 5Х2МНФ — дополнительно при температурах 850…1200 °С.
При составлении таблиц использовали результаты испытаний, проведенных в Украинском научно-исследовательском институте специальных сталей, сплавов и ферросплавов (УкрНИИспецстали) на металле производства, в основном, завода «Днепроспецсталь» не менее трех плавок каждой марки (металл выплавляли в открытых электродуговых печах, масса слитков 1000 и 600 кг). Для сопоставления использованы данные [10-26].
Для каждой марки стали были отобраны данные, полученные при сопоставимых условиях испытаний, на одинаковых по форме и размерам образцах, при практически одинаковом по качеству материале для изготовления образцов (прутки диаметром 20…
60 мм, продольные образц, для высокотемпературных испытаний — слитки массой 50 кг, выплавленные в открытой индукционной электропечи). Закалку образцов сталей для режущего и измерительного инструмента проводили в диапазоне 800…
950 °С, для холодноштампового инструмента — 950…1150 °С, для горячештампового инструмента дифференцированно: для сталей, склонных к росту зерна аустенита в диапазоне 800…950 °С, менее склонных — 950…1200 °С.
Это обеспечивало изменение зерна аустенита в каждой стали от N 11-12 до N 5-7. Отпуск проводили при оптимальной для каждой стали температуре.
Поскольку рабочая поверхность инструмента из сталей для горячего деформирования в процессе работы может разогреваться до температуры, превышающей оптимальную температуру отпуска, свойства этих сталей определяли после отпуска при 700 и 750 °С, а испытания проводили при 650, 700, 750 °С. Предварительную закалку проводили от оптимальной для каждой стали температуры. Испытания образцов литого металла в отожженном состоянии проводили в диапазоне 850…1200 °С.
| Характе-ристика |
|
Марка стали | ||||||||||
| Х | ХВГ | 9ХС | 13Х | 12Х1 | 8ХФ | 9Г2Ф | В2Ф | 9ХФ | 7ХГ2ВМ | 5ХВ2СФ | ||
| Температура отпуска, °С | ||||||||||||
| 140 | 180 | 220 | 180 | 125 | 210 | 180 | 180 | 225 | 200 | 450 | ||
| после закалки | 800 | 61(1) | 63(1) | 46(1) | 65(1) | 63(1) | 63(1) | 63(1) | 62(1) | 61(1) | 60(1) | — |
| 850 | 65(1) | 65(1) | 64(1) | 65(1) | 66(1) | 64(1) | 62,5(1) | 63(1) | 64,5(1) | 62(1) | 56(1) | |
| 900 | 66(1) | 67(1) | 66(1) | 63(1) | 66(1) | 65(1) | 62,5(1) | 63(1) | 66(1) | 64(1) | 57(1) | |
| 950 | 67(1) | 66(1) | 66(1) | 58(1) | 64(1) | 65(1) | 62(1) | 62(1) | 66(1) | 63(1) | 59(1) | |
| после отпуска | 800 | 61(1) | 61(1) | 45(1) | 63(1) | 63(1) | 59(1) | 60,5(1) | 62(1) | 58(1) | 55(1) | — |
| 850 | 63(1) | 62(1) | 61(1) | 62,5(1) | 66(1) | 60(1) | 60(1) | 63(1) | 60(1) | 57,5(1) | 49(1) | |
| 900 | 65(1) | 63(1) | 63(1) | 60(1) | 66(1) | 60(1) | 60(1) | 62(1) | 60,5(1) | 59(1) | 49,5(1) | |
| 950 | 66(1) | 64(1) | 64(1) | 57(1) | 63(1) | 60(1) | 59,5(1) | 62(1) | 60,5(1) | 59(1) | 51(1) | |
| 800 | 3500(175) | 3200(160) | 2600(130) | 1760(85) | 2600(130) | 4000(200) | 3600(180) | 3240(160) | 2300(115) | 3500(175) | — | |
| 850 | 2300(115) | 3000(150) | 2900(145) | 1700(85) | 2100(105) | 3700(185) | 2700(135) | 3600(180) | 3400(170) | 3500(175) | 3000(150) | |
| 900 | 2000(100) | 2500(125) | 2660(130) | 1550(75) | 1750(85) | 3550(175) | 2500(125) | 3500(175) | 3300(165) | 4000(200) | 3200(160) | |
| 950 | 1800(90) | 2000(100) | 2100(105) | 1250(65) | 1600(80) | 2650(130) | 2000(100) | 3100(155) | 2800(140) | 3500(175) | 3400(170) | |
| 800 | 40(4) | 40(4) | 35(3) | 30(3) | 30(3) | 55(5) | 35(3) | 30(3) | 30(3) | 110(11) | — | |
| 850 | 35(3) | 35(3) | 40(4) | 25(2) | 25(2) | 40(4) | 30(3) | 40(4) | 12(1) | 100(10) | 30(3)* | |
| 900 | 18(2) | 30(3) | 30(3) | 15(2) | 20(2) | 40(4) | 25(2) | 40(4) | 11(1) | 60(5) | 25(2) | |
| 950 | 5(0,5) | 25(2,5) | 20(2) | 5(0,5) | 10(1) | 35(3) | 18(2) | 24(2) | 10(1) | 40(4) | 25(2) |
________________ * Ударную вязкость стали 5ХВ2СФ определяли на образцах с U-образным концентратором напряжений ().
| Характе-ристика | Темпе-ратура закалки, °С | Марка стали | ||||||||
| Х12 | Х12МФ | Х12ВМФ | Х12Ф1 | Х6ВФ | 6Х4М2ФС | 11Х4В2МФ3С2 | Х5С4В2Ф2НМ | 8Х4В2МФС2 | ||
| Температура отпуска, °С | ||||||||||
| 190 | 200 | 190 | 190 | 290 | 525 | 540 | 525 | 540 | ||
| после закалки | 950 | 65(1) | 58(1) | 64(1) | 58(1) | 62(1) | 64(1) | — | — | — |
| 1000 | 63(1) | 63(1) | 63(1) | 64(1) | 64(1) | 64(1) | 64,5(1) | 59(1) | 63(1) | |
| 1050 | 58(1) | 63(1) | 63(1) | 63(1) | 61(1) | 64(1) | 64,5(1) | 63,0(1) | 63,5(1) | |
| 1100 | 50(1) | 48(1) | 46(1) | 57(1) | 55(1) | 63(1) | 63(1) | 62,5(1) | 63(1) | |
| 1150 | — | — | — | — | — | 62(1) | 62(1) | 60,5(1) | 61(1) | |
| после отпуска | 950 | 65(1) | 56(1) | 56(1) | 62(1) | 57(1) | 54(1) | — | — | — |
| 1000 | 62(1) | 62(1) | 61,5(1) | 63,5(1) | 59(1) | 59(1) | 58(1) | 57,5(1) | 60(1) | |
| 1050 | 57(1) | 59(1) | 60(1) | 63(1) | 58(1) | 61(1) | 59(1) | 61(1) | 61(1) | |
| 1100 | 50(1) | 47(1) | 43(1) | 57(1) | 55(1) | 62(1) | 61(1) | 63(1) | 62(1) | |
| 1150 | — | — | — | — | — | 62,5(1) | 63(1) | 64(1) | 63(1) | |
| 950 | 2350(120) | 3000(150) | 3000(150) | 3000(150) | 3800(190) | — | — | — | — | |
| 1000 | 2200(110) | 3500(170) | 3200(160) | 3000(150) | 3600(180) | 4200(210) | 3500(170) | 3350(170) | 4000(200) | |
| 1050 | 1800(90) | 3500(170) | 3200(160) | 3200(160) | 3200(160) | 4000(200) | 3800(190) | 3500(170) | 3800(190) | |
| 1100 | 1300(70) | 2200(110) | 1900(100) | 2500(130) | 2700(140) | 3300(170) | 3200(160) | 3800(190) | 3200(160) | |
| 1150 | — | — | — | — | — | 1600(80) | 2800(140) | 2700(140) | 2200(110) | |
| 950 | 20(2,0) | 40(4,0) | 30(3,0) | 40(4,0) | 45(4,5) | — | — | — | — | |
| 1000 | 20(2,0) | 40(4,0) | 40(4,0) | 40(4,0) | 50(5,0) | 60(6,0) | 40(4,0) | 30(3,0) | 45(4,5) | |
| 1050 | 20(2,0) | 40(4,0) | 40(4,0) | 35(3,5) | 50(5,0) | 50(5,0) | 40(4,0) | 25(2,5) | 45(4,5) | |
| 1100 | 20(2,0) | 35(3,5) | 35(3,5) | 30(3,0) | 45(4,5) | 40(4,0) | 25(2,5) | 20(2,0) | 32(3,0) | |
| 1150 | — | — | — | — | — | 10(1,0) | 15(1,5) | 14(1,5) | 18(2,0) |
Виды металла: классификация и сферы применения
Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.
Свойства металлов и сплавов
Классификация металлов
Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.
Черные
Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:
- Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
- Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
- Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.
Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.
Технические характеристики легированной стали 20Х13
Цветные
Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:
- Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
- Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
- Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.
Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.
Механические свойства металлов
Прочность металлов
Прочность
— свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу.
- По прочности металлы можно разделить на следующие группы:
- непрочные металлы
- — (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы.
- прочные металлы
- — (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов
- высокопрочные металлы
- — (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.
- К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.
- Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.
- Таблица 10. Прочность металлов
| Металл | Временное сопротивление, МПа | Металл | Временное сопротивление, МПа |
| Титан | 580 | Цинк | 120-140 |
| Железо | 200-300 | Алюминий | 80-120 |
| Медь | 200-250 | Золото | 120 |
| Магний | 120-200 | Олово | 27 |
| Серебро | 150 | Свинец | 18 |
Пластичность металлов
Пластичность
Урок «Свойства и применение металлов»
— свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.
- По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:
- высокопластичные металлы
- — (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.)
- пластичные металлы
- — (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа)
- хрупкие металлы
- — (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.
Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.
Таблица 11. Пластичность металлов
| Металл | Относительное удлинение, % | Металл | Относительное удлинение, % |
| Золото | 65 | Титан | 50 |
| Серебро | 65 | Олово | 40 |
| Свинец | 65 | Алюминий | 30-40 |
| Медь | 50-60 | Цинк | 30 |
| Железо | 40-50 | Магний | 10-22 |
Твердость
Твердость
— характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2).
Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.
Таблица 12. Твердость металлов
| Металл | НВ | Металл | НВ |
| Титан | 160 | Алюминий | 16-25 |
| Железо | 70-80 | Серебро | 25 |
| Магний | 30-40 | Золото | 18 |
| Медь | 40 | Олово | 5 |
| Цинк | 33 | Свинец | 4 |
Модуль продольной упругости
Модуль продольной упругости, модуль Юнга, Е
Легирующие элементы придающие стали теплостойкость
— определяет жесткость металла, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации.
Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС
| Металл | Е * 10-5, МПа | Металл | Е * 10-5, МПа |
| Железо | 2,17 | Золото | 0,83 |
| Цинк | 1,30 | Алюминий | 0,72 |
| Медь | 1,25 | Олово | 0,55 |
| Титан | 1,08 | Магний | 0,45 |
| Серебро | 0,83 | Свинец | 0,18 |
Литература по прочности
- Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978;
- Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973;
- Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.
к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ
Знаете ли Вы,
что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.
Основные виды сплавов
Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.
Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.
Производство стали
Цинковые сплавы
Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.
Алюминиевые сплавы
Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:
- Устойчивость к низким температурам.
- Электропроводность.
- Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
- Износоустойчивость.
Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.
Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.
Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.
Медные сплавы
Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.
Свойства сплавов
Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.
Двигатель внутреннего сгорания
Физические свойства
Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:
- Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
- Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
- Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
- Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
- Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
- Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.
Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.
Химические свойства
Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:
- Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
- Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
- Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.
Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.
Механические свойства
Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:
- прочность;
- твердость;
- пластичность;
- вязкость;
- хрупкость;
- устойчивость к механическим нагрузкам.
Технологические свойства
Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:
- Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
- Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
- Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
- Обработка режущим инструментом.
- Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).
Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.
Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.
Технологические и химические свойства твердых металлов
К технологическим свойствам относятся свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием, пр. От этих особенностей зависит возможность осуществления каких-либо операций, так как они влияют на пригодность металла к обработке определенными способами.
Фен строительный — какой выбрать, для чего нужен?
Свариваемость позволяет добиваться надежных сварных соединений без трещин и иных дефектов, в том числе на прилегающих к шву участках.
В некоторых случаях металл может подходить для сварки одним методом, но давать некачественный результат при смене технологии. Так, элементы из дюралюминия удовлетворительно скрепляются при помощи точечной сварки, чего не скажешь о соединении методом газовой сварки.
На чугуне получаются хорошие швы за счет газовой сварки с подогревом и слабые при дуговой.
Жидкотекучесть – это свойство, которое дает возможность заливать горячие металлы и их сплавы в литерную форму.
Ковкость, то есть свойство твердых металлов и сплавов изменять форму под действием давления.
Обрабатываемость резанием позволяет относительно легко работать с металлом острым режущим инструментом: резцом, фрезой, пр. Данное свойство очень важно на таких этапах механической обработки, как резание, фрезерование, пр.
Под химическими свойствами понимают способность металлов вступать в реакцию с другими веществами, в том числе, с кислородом. Если металл быстро реагирует с вредными для него элементами, это приводит к быстрой потере им свойств.
Разрушение металлов под действием окружающей среды – это коррозия. Отрицательно сказываться на состоянии материала могут воздух, влага, растворы солей, кислот, щелочей.
Для защиты изделий от всех перечисленных факторов используют специальные нержавеющие, кислотостойкие и другие виды сталей.
Загрузка...
