ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Что такое материаловедение

Материаловедение – наука, изучающая связь между составом, структурой и свойствами материалов и изучающая их изменения при внешних воздействиях (тепловом, механическом, химическом, электромагнитном и радиоактивном).

Задача материаловедения – установление закономерностей взаимосвязи структуры и свойств материалов для того, чтобы целенаправленно воздействовать на них при переработке в изделия и эксплуатации, а также для создания материалов с заданным сочетанием свойств и прогнозирования срока службы материалов.

Различают две основные группы материалов:

Металлы и их сплавы

Металлы и сплавы разделяют на черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе: сталь и чугун.

Содержание железа в земной коре составляет 4,6 %, а алюминия – 8,8 %.

К цветным относятся все остальные металлы: Al, Cu, Ti, Mg, Pb, Sn, Ni...

• легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;

• тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;

• легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления 232; 327; 410 °С соответственно;

• тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления выше, чем у железа (> 1536 °С);

• благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

• урановые металлы или актиноиды, используемые в атомной технике;

• редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

• щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

2) неметаллические материалы (пластмасса, резина, керамика, стекло, клей, лакокрасочные покрытия, древесина, ткань и др.) в качестве конструкционных материалов служат важным дополнением к металлам, в ряже случаев с успехом заменяют их.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОТРЕБИТЕЛЬСКИХ СВОЙСТВ МЕТАЛЛОВ

Основными способами изготовления металлических заготовок и деталей являются литье, обработкам давлением и обработка резанием. Изделия сложной формы могут быть получены также сваркой, пайкой или клепкой деталей, полученных предварительно литьем или обработкой давлением. Все большее количество заготовок и деталей машин производят с использованием методов порошковой металлургии.

К основным свойствам металлов в машиностроении относятся:

1) физические определяют поведение материала в гравитационных (плотность–удельный вес), тепловых (температура плавления, теплоемкость, термическое расширение, теплопроводность), электромагнитных (магнитные характеристики, теплопроводность, электропроводность) и радиационных полях.

2) под химическими свойствами понимают способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами, сопротивляемость окислению, проникновению газов и химически активных веществ. Характерным примером химического взаимодействия среды и металла является коррозия

3) механические характеризуют возможность их использования в изделиях, эксплуатируемых при воздействии механических нагрузок.

Под механическими свойствами понимают характеристики, определяющие поведение металла под действием приложенных внешних механических сил. К механическим свойствам обычно относят сопротивление металла деформации (прочность) и сопротивление разрушению (это – пластичность, вязкость, а также способность металла не разрушаться при наличии трещин). В результате механических испытаний получают числовые значения механических свойств, т.е. значения напряжений или деформаций, при которых происходят изменения физического или механического состояния материала.

4) технологические характеризуют податливость материалов технологическим воздействиям при переработке в изделия.

К технологическим свойствам относятся: литейные, обрабатываемость давлением, резанием, свариваемость.

Чтобы определить возможность использования сплавов в литейном производстве, выявляются их литейные свойства – жидкотекучесть, объемную и линейную усадку, трещиноустойчивость, газонасыщение, ликвацию.

Жидкотекучесть – способность сплавов течь и заполнять литейную форму.

Усадка – уменьшение объема и линейных размеров отливки при ее формировании.

Трещиноустойчивость – способность сплава противостоять образованию трещин в отливках.

Газонасыщение литейных сплавов возможно за счет попадания газов из шихтовых материалов и атмосферы, а также возникающих в процессе взаимодействия расплава с литейной формой.

Обрабатываемость давлением – это способность материала принимать без разрушения требуемую форму и размеры путем пластической деформации.

Основными параметрами, характеризующими обрабатываемость материала, являются сопротивление материала резанию, стойкость инструмента и качество обрабатываемой поверхности.

Свариваемостью называют свойство различных материалов образовывать надежные и экономичные сварные соединения.

5)эксплуатационные характеризуют способность материалов работать без разрушения в определенных условиях эксплуатации, т.е. их работоспособность.

К эксплуатационным свойствам материалов относят конструкционную (конструктивную) прочность, которая включает в себя прочность, надежность, долговечность (определяет ресурс работы изделия).

ü Прочность – сопротивление материала деформации.

Критерии прочности металлов:

- – предел прочности (предел временного сопротивления разрушению);

- (s_0,2) – предел текучести;

- НВ – твердость;

- s_R – предел выносливости.

ü Надежность – свойство материала противостоять внезапному хрупкому разрушению.

Критерии надежности металлов:

- Порог хладноломкости (Т_кр)– температура, ниже которой металл склонен к хрупкому разрушению;

- Ударная вязкость (KCV, KCU, KCT) выявляет склонность металлов к хрупкому разрушению, может быть представлена суммой работ на деформацию и распространению трещины в металле (сопротивление распространению трещины);

- К_IС – характеризует сопротивление хрупкому разрушению

- Пластичность характеризует способность металла деформироваться, не разрушаясь (отностельное удлинение d, относительное сужение y).

ü Долговечность – свойство материала сохранять работоспособность в течение заданного времени (ресурса изделия).

Критерии долговечности металлов:

1. Усталостная прочность;

2. Износ – механический, коррозионно-механический, эрозионный, кавитационный, усталостный (контактная усталость).

Пути повышения конструктивной прочности:

ü технологические (ТО – термическая обработка; ХТО – химико-термическая обработка; ППД – поверхностное пластическое деформирование);

ü металлургические (применение новых материалов, повышение металлургического качества сталей);

ü конструктивные (уменьшить количество концентраторов напряжений, изменив конструкцию).

6) эстетические характеризуют способность изделия через чувственно воспринимаемые образы удовлетворять потребности человека и общества в эстетическом идеале.