Основы материаловедения (1)

1.

Свойства металлов

2.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Плотность - количество вещества, содержащееся в единице объема.
Плавление - способность металла переходить из кристаллического (твердого) состояния в жидкое с
поглощением теплоты.
Теплопроводность - способность металла с той или иной скоростью проводить теплоту при
нагревании.
Электропроводность - способность металла проводить электрический ток.
Тепловое расширение - способность металла увеличивать свой объем при нагревании.

3.

ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Окисляемость - способность соединяться с кислородом, усиливается с повышением температуры
металла.
Коррозионная стойкость - способность не окисляться и не вступать в химические реакции с
окружающими веществами.
Жаростойкость (окалиностойкость) - способность сопротивляться газовой коррозии в ненагруженном
или слабонагруженном состоянии при температурах свыше 5500C. Для повышения жаростойкости в состав
стали вводят элементы, которые образуют с кислородом оксиды с плотным строением кристаллической
решетки (хром, кремний, алюминий).
Жаропрочность - это способность стали работать под напряжением в условиях повышенных температур
без заметной остаточной деформации и разрушения. В качестве жаропрочных сталей при температурах до
3000C применяются обычные конструкционные стали. Для работы в интервале температур 350…5000C
применяют легированные стали перлитного, ферритного и мартенситного классов, при рабочих
температурах 500…7000C - стали аустенитного класса.

4.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Механические свойства определяют работоспособность металлов при воздействии на них внешних сил.
Показатели механических свойств металлов должны соответствовать ГОСТам и техническим условиям на
их поставку.
К основным механическим свойствам металлов относятся:
✓ прочность;
✓ упругость;
✓ пластичность;
✓ вязкость;
✓ твёрдость.
Прочность - способность стали выдерживать внешнюю нагрузку без разрушения. Количественно это
свойство характеризуется пределом прочности и пределом текучести.
Упругость - способность стали деформироваться под действием нагрузки и восстанавливать
первоначальную форму и размеры после ее снятия. Количественно упругость характеризуется пределом
упругости, условно равным напряжению, когда материал начинает получать остаточные деформации очень
малой величины, устанавливаемой в нормативных документах для данного материала.

5.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Пластичность - способность стали изменять форму под действием нагрузки и сохранять ее после снятия
нагрузки. Количественно характеризуется углом загиба и относительным удлинением при растяжении.
Пластичность - свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется,
штампуется, прокатывается.
Вязкость - способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам.
Вязкость - свойство, обратное хрупкости. Количественно характеризуется ударной вязкостью.
Твердость - способность сопротивляться проникновению другого материала при определенной нагрузке.

6.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Предел текучести (σт), предел прочности или временное сопротивление (σв), относительное удлинение (δ)
или сужение (φ) определяются при статических испытаниях на растяжение, когда нагрузка возрастает
медленно и плавно или остаётся постоянной.
Предел текучести (кгс/мм2) – это напряжение, при котором образец деформируется без заметного
увеличения растягивающей нагрузки, т. е. данный параметр достигнет критической отметки тогда, когда
произойдет переход от упругой к пластической области деформации металла.

7.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Предел прочности (временное сопротивление) напряжение, отвечающее максимальной нагрузке,
которую выдерживает образец при испытании, т.е.
данный параметр отражает способность стали
сопротивляться разрушению.
Относительное удлинение – это отношение
приращения длины образца после разрушения к его
начальной длине до испытания, т.е. данный
параметр характеризует пластичность металла, он
снижается с повышением предела прочности.

8.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Чтобы определить предел прочности и
относительное
удлинение
металла,
изготавливают образец определенной длины и
сечения и закрепляют в захватах испытательной
машины. При максимальной нагрузке Рmax в одном
участке образца появляется сужение поперечного
сечения - «шейка». Когда напряжение превысит
прочность образца, он разорвется. После
испытания разрушенные образцы складывают
вместе и измеряют конечную длину и диаметр
шейки. По этим данным рассчитывают прочность и
пластичность.

9.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
При динамических испытаниях, когда нагрузка
прилагается с большими скоростями, определяется
ударная вязкость металла (ан).
Испытание на ударную вязкость проводится на
копрах маятникового типа. Образец с надрезом
определенной формы и размеров устанавливают на
опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару
ножа маятника, который поднимают на определенную
высоту. При падении маятник ударяет по образцу и
разрушает его. После испытания по шкале маятникового
копра определяют работу удара, которую затрачивают на
разрушение образца. Площадь сечения образца
определяют до разрушения.
Схема испытания на ударную вязкость

10.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Ударная вязкость - это отношение работы
разрушения стандартного образца к площади его
поперечного сечения в месте надреза. Ударная
вязкость
характеризует
способность
материала
сопротивляться хрупкому разрушению.
Технологические испытания образцов применяют для проверки пластичности металлов или сварных
соединений, к которым относятся испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание и др.

11.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Испытание на статический изгиб проводится для определения способности металла выдерживать
заданную пластическую деформацию, характеризуемую углом изгиба, или для оценки предельной
пластичности металла при изгибе. Испытание на изгиб проводят на универсальных испытательных
машинах или прессах. Для проведения испытания образец из металла укладывается на шарнирных опорах
и нагрузкой, приложенной посредине, изгибается до появления трещин на выпуклой стороне образца (а, б).
После этого испытание прекращают и измеряют величину внешнего угла α (в). Чем больше угол загиба, тем
пластичнее металл. Качественная малоуглеродистая сталь дает угол загиба 1800.
Для определения пластичности сварного соединения вырезают такой же плоский образец со сварным
швом, расположенным посредине, и со снятым усилением.
Испытанию на сплющивание обычно
подвергают отрезки сварных труб условным
проходом до 50 мм. Для испытания образец
помещают между двумя гладкими жесткими и
параллельными плоскостями и плавно
сплющивают его, сближая сжимающие
плоскости до заданного расстояния Н (г).

12.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Измерение твердости отличается простотой и быстротой осуществления и выполняется без разрушения
изделия. Широкое применение нашли методы определения твердости по Бринеллю (единица твердости
обозначается HB) и по Роквеллу (единица твердости обозначается HR).
Твердость по Бринеллю определяется вдавливанием
стального шарика диаметром 10 мм в образец (изделие) под
действием нагрузки и измерении диаметра отпечатка d после
снятия нагрузки. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше
твердость. Чем выше твердость, тем больше прочность
металла
и
меньше
пластичность.
Твердость
малоуглеродистой стали НВ 120-130, стали повышенной
прочности НВ 200-300, закаленной стали НВ 500-600.

13.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Твердость по Роквеллу определяется вдавливанием
алмазного конуса в испытуемый образец под действием двух
последовательно прилагаемых нагрузок: предварительной Р0
и окончательной Р. После получения отпечатка основную
нагрузку Р снимают, но предварительная нагрузка P0
остается, и измеряют остаточную глубину проникновения
конуса под действием основной нагрузки.

14.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ.
Жидкотекучесть (литейность) - способность в расплавленном состоянии заполнять литейную форму.
Ковкость (деформируемость) - способность изменять свою форму при обработке давлением.
Прокаливаемость - способность улучшения различных свойств путем закалки на различную глубину.
Обрабатываемость резанием - способность обрабатываться острым режущим инструментом
(резцом, фрезой, ножовкой и т. д.) при различных операциях механической обработки (резание,
фрезерование и т. д.).
Свариваемость - способность образовывать в процессе
конструктивным и эксплуатационным требованиям изделия.
сварки
соединения,
отвечающие

15.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ
Наибольшее влияние на свариваемость стали оказывает количество содержащегося в ней
углерода и легирующих компонентов.
Это связано с тем, что сплавы двух или нескольких элементов имеют более высокие механические
свойства, чем технически чистые металлы. Например, чистое железо очень мягкое и обладает невысокой
прочностью, а сплав железа с углеродом обладает высокой прочностью, в особенности после термической
обработки.
Ориентировочным количественным показателем свариваемости сталей является углеродный
эквивалент, определяемый по формуле:

16.

Классификация сталей по свариваемости
ГРУППА
СВАРИВАЕМОСТ
И
I
хорошая
II
Удовлетворительная
III
Ограниченная
IV
Плохая
МАРКИ СТАЛЕЙ
Сэк, %
УСЛОВИЯ СВАРКИ
ЛЕГИРОВАННЫЕ
ВЫСОКОЛЕГИР
ОВАННЫЕ
15Г; 20Г; 15Х; 15ХА;
20Х; 15ХМ; 20ХГСА;
10ХСНД; 10ХГСНД
Без ограничений, в широком
20Х23Н18;
диапазоне режимов сварки
08Х18Н10;
независимо от толщины металла,
12Х18Н9Т; 15Х5 жесткости конструкций, температуры
окружающего воздуха
12ХН2; 12ХН3А;
Свыше 0,25
ВСт5; Стали 30; 35 20ХН3А; 20ХГСА; 30Х;
до 0,35 вкл.
30ХМ; 25ХГСА
30Х13; 12Х17;
25Х13Н2
Сварка только при температуре
окружающего воздуха не ниже минус
50С, толщине металла менее 20 мм
при отсутствии ветра
Свыше 0,35
ВСт6; Стали 40; 45
до 0,45 вкл.
35Г; 40Г; 45Г; 45Г2;
35Х; 40Х;45Х;
40ХМФА; 40ХН;
30ХГСА; 35ХМ
17Х18Н9;
36Х18Н25С2;
40Х9С2
Сварка с предварительным и
сопутствующим подогревом до 2500С
в жестком диапазоне режимов
сварки
Стали 50; 55; 60;
65; 70; 75; 80; 85
50Г; 50Г2; 50Х; 50ХН;
ХГС; 6ХС; 7Х3;
45ХН3МФА;
40Х10С2М;
40Х13; 95Х18;
40Х14Н14В2М;
40Х10С2М
Сварка с предварительным и
сопутствующим подогревом, с
термообработкой после сварки
До 0,25 вкл.
Свыше 0,45
УГЛЕРОДИСТЫЕ
ВСт1; ВСт2; ВСт3;
ВСт4;
Стали 08; 10; 15;
20; 25