Механические свойства выше у сплава с какой структурой

Механические свойства металлов и сплавов

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

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обладающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного расположения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строение с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия компонентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механические смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристаллическую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состоящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения компонентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химической формуле АmВn . Химическое соединение имеет свою кристаллическую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структуру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы замещения образуются в результате частичного замещения атомов кристаллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную структуру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определенном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обозначают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки. С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов.

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

Технологические свойства металлов

Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.

Среди основных технологических свойств можно выделить:

Ковкость.
Текучесть.
Свариваемость.
Прокаливаемость.
Обработку резанием.

Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.

Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.

Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.

Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.

Химические свойства металлов

Все мы, так или иначе, но сталкиваемся с химией в нашей повседневной жизни. Например, во время приготовления еды, растворение поваренной соли в воде является простейшей

химической реакцией. Вступают в разнообразные химические реакции и металлы, а их способность реагировать с другими веществами это и есть их химические свойства.

Среди основных химических свойств или качеств металлов можно выделить их окисляемость и коррозийную стойкость. Реагируя с

кислородом, металлы образуют пленку, то есть проявляют окисляемость.

Аналогичным образом происходит и коррозия металлов – их медленное разрушение по причине химического или электрохимического взаимодействия. Способность металлов противостоять коррозии называется их коррозийной стойкостью.

( 2 оценки, среднее 4.5 из 5 )

Источник

Большее применение в производстве радиоэлектронных средств получили различные сплавы – материалы, образованные путем соединения в жидком, расплавленном состоянии двух или более различных элементов между собой. Строение сплавов более сложное, чем чистых элементов, и зависит от того, в какие взаимодействия вступают составляющие компоненты. Сплавы могут представлять собой механическую смесь, химические соединения и твердые растворы.

3.1. Механическая смесь

Механическая смесь образуется тогда, когда компоненты А и В не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Сплав будет состоять из отдельных зерен кристаллов компонентов А и В, отчетливо выявленных на микроструктуре (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Микроструктура механической смеси (схема)

Механические свойства сплава зависят от размеров и форм зерен, количественного соотношения компонентов и занимают промежуточное положение между соответствующими параметрами чистых компонентов.

3.2. Твердые растворы

Твердые растворы – это сплавы, в которых один из компонентов (растворитель) сохраняет свою кристаллическую решетку, а атомы другого компонента (растворимого) располагаются в решетке первого, изменяя ее размеры (периоды). Таким образом, твердый раствор, состоящий из двух или более компонентов, имеет один тип кристаллической решетки и представляет собой одну фазу. Фазой называют однородные гомогенные составные части системы, имеющие одинаковый состав, кристаллическое строение и свойства, одно и то же агрегатное состояние и отделены от составных частей поверхностями раздела, при переходе через которые химический состав или структура вещества изменяются скачками.

Химический или спектральный анализ может показывать в твердом растворе наличие двух или более компонентов, тогда как по данным металлографического анализа такой сплав, как и чистый металл, имеет однородные зерна (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Микроструктура твердого раствора (схема)

Различают твердые растворы замещения и твердые растворы внедрения (рис. 3.3, а, б). В твердых растворах замещения атомы растворенного компонента В частично замещают атомы в решетке основного элемента А (рис. 3.3, а).

а) б)

Рис. 3.3. Схема твердого раствора замещения (а) и твердого раствора внедрения (б)

При образовании твердых растворов замещения периоды решетки изменяются в зависимости от разности диаметров атомов растворителя А и растворенного элемента В. Если атом В больше атома А, то элементарная ячейка увеличивается, если меньше, то сокращается. Независимо от видов элементов, входящих в твердый раствор, изменение параметров решетки обусловливает изменение различных свойств сплавов, например, прочности; при этом уменьшение размера решетки приводит к большему упрочнению, чем при расширении.

Твердые растворы замещения могут быть ограниченные и неограниченные. При ограниченной растворимости только до определенного количества атомы элемента В могут замещать атомы растворителя А в кристаллической решетке. Например, в сплаве Al-Cu может растворяться до 5,7 % Cu в алюминии, в сплаве Cu-Zn до 39 % Zn в меди без изменения их кристаллической решетки. При неограниченной растворимости любое количество атомов А может быть заменено атомами В, т.е. образуется непрерывный ряд твердых растворов. Неограниченные твердые растворы могут образоваться при соблюдении следующих условий:

наличие в обоих компонентах одинаковых по типу (изоморфных) кристаллических решеток;

небольшое различие в атомных размерах компонентов (DR не должна превышать 8-15 %);

компоненты сплава должны близко располагаться в периодической таблице Д.И. Менделеева, т. е. близкими по строению валентной оболочке атомов, по физической природе.

Например, неограниченный ряд твердых растворов образуется в сплавах, компоненты которых имеют ГЦК-решетку: Au-Ag (DR = 0,2 %), Ni-Cu (DR = 2,7 %) и др.; в сплавах с ОЦК-решеткой: Мо-W (DR = 9,9%), V-Ti(DR = 2 %). Если элементы не отвечают перечисленным выше условиям, то они ограниченно растворяются друг в друге. Ограниченная растворимость почти всегда уменьшается с понижением температуры.

В твердых растворах внедрения атомы растворенного компонента С (рис. 3.3, б), располагаются в междоузлиях (пустотах) кристаллической решетки растворителя А. В данном случае размеры атомов компонентов, входящих в сплав могут и должны отличаться по величине, а кристаллическая решетка компонента растворителя должна давать возможность размещения дополнительных атомов. Твердые растворы этого типа возникают в тех случаях, когда диаметр атома растворенного элемента невелик, а внутри решетки растворителя А должно иметься достаточное количество пространства для атома С. Твердые растворы внедрения возникают при растворении в металлах (Fe, Cr, Mo) элементов с малым радиусом: углерода (атомный радиус 0,077 нм), азота (0,071 нм), водорода (0,046 нм), например, при образовании сталей.

Твердые растворы внедрения могут быть только ограниченной концентрации, так как число пор в решетке ограничено, а атомы основного компонента сохраняются в узлах решетки. Как указывалось выше, при образовании твердых растворов замещения период решетки может увеличиваться или уменьшатся в зависимости от соотношения размеров атомов растворителя или растворенного компонента, в случае твердых растворов внедрения период решетки растворителя всегда возрастает. Атомы растворенного компонента нередко скапливается у дислокаций, снижая их упругую энергию. В области дислокаций атомы внедрения легче размещаются, чем в совершенной кристаллической решетке, где они могут вызывать значительные искажения. При этом они сильнее связываются с дислокациями, чем атомы замещения, образуя так называемые атмосферы Коттрелла. Образование атмосфер увеличивает устойчивость структуры сплава, так как искажение решетки снижается.

Ряд сплавов при достаточно высоких температурах образует твердые растворы замещения (Fe-Si, Cu-Au, Fe-Al) c неупорядоченным расположением элементов. Однако при медленном охлаждении происходит перераспределение в расположении компонентов, и они занимают определенные места в узлах решетки, т.е. происходит упорядочение структуры. Такие сплавы называют упорядоченными твердыми растворами или сплавами со сверхструктурой. Упорядочение структуры сопровождается изменением физических (электрические, магнитные) и механических свойств, при этом прочность возрастает, а пластичность падает. Упорядоченные твердые растворы являются промежуточными фазами между твердыми растворами и химическими соединениями, однако, в отличие от химических соединений, в них сохраняется кристаллическая решетка растворителя. В сплавах, содержащих более двух элементов, возможны твердые растворы сложного состава – замещения и внедрения. Например, в сплавах железа с углеродом и марганцем получается твердый раствор, в котором углерод растворяется путем внедрения, а марганец – замещения.

3.3. Химические соединения

Химические соединения – структура сплава, образованная компонентами его, взаимодействующими между собой в соответствии со стехиометрическими законами. Химические соединения обладают рядом особенностей:

образуется специфическая кристаллическая решетка с упорядоченным расположением атомов, отличная от решетки компонентов, входящих в химическое соединение;

соотношение чисел атомов соответствует кратному соотношению компонентов, входящих в химическое соединение, что может быть выражено простой формулой АnВm;

определенная температура плавления (диссоциации) и скачкообразное изменение свойств при изменении состава (так называемой сингулярностью свойств).

Химические соединения обычно образуются из компонентов сплава, имеющих большое различие в размерах атомов, в электронном строении их и кристаллических решеток. Структура химических соединений зависит от следующих факторов: относительного размера атомов, их валентности и от положения в периодической системе элементов, что и определяет строение электронной оболочки.

Химические соединения могут быть образованы только металлическими элементами; в этом случае связь металлическая. Она не является жесткой и поэтому при определенных условиях количество элементов, входящих в соединение может быть различными и может отличаться от стехиометрического состава. Соединение одних металлов с другими носят общее название интерметаллидов или интерметаллических соединений.

При образовании химических соединений металла с неметаллом возникает ионная связь. В этом случае атом металла отдает валентные электроны и становится положительным ионом, а атом металлоида принимает электроны и становится отрицательным ионом. В соединениях такого типа связь жесткая, химический состав постоянный и соответствует стехиометрическому соотношению. Такие химические соединения подчиняются закону валентности. В настоящее время известно большое число различных химических соединений при образовании сплавов, которые отличаются спецификой формирования структур и особыми свойствами. Рассмотрим наиболее важные химические соединения, образующиеся в сплавах.

Электронные соединения. Электронные соединения характеризуются тем, что в них существует определенное отношение валентных электронов к числу атомов элементов, входящих в сплав (3/2; 21/13; 7/4). Этот вид соединений образуется между одновалентными металлами (Сu, Ag, Au, Li, Na) или металлами переходных групп (Fe, Mo, Ni и др.) с одной стороны и элементами валентностью от 2 до 5 (Be, Zn, Cd, Al, Sn, Si, Mg) – c другой. Каждому отношению валентных электронов к числу атомов соответствует определенная кристаллическая решетка. Так при соотношении 3/2 образуется ОЦК решетка (так называемая b – фаза), при соотношении 21/13 – сложная кубическая решетка с 52 атомами на ячейку (так называемая g – фаза) и при соотношении 7/4 соединение имеет плотноупакованную гексагональную решетку (e – фаза). В таблице приведены наиболее важные технические сплавы с электронными соединениями.

У электронных соединений, как указывалось выше, существует определенное соотношение атомов, и они имеют кристаллическую решетку, отличную от решетки компонентов входящих в сплав – это признаки, характерные для химических соединений. При высоких температурах часто нарушается упорядочение в расположении атомов, они располагаются статистически, при понижении температуры до определенного значения происходит упорядочение. Поэтому многие авторы считают, что электронные соединения являются промежуточными между химическим и твердым раствором.

Источник