Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Напряжение

Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.

Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:

  • остаточное. Формируется уже после окончания воздействия внешних факторов. К ним относятся не только механические силы, но и быстрый нагрев или охлаждение образца;
  • временные. Возникают только при внешних нагрузках. После их прекращения изделие приобретает изначальные характеристики;
  • внутреннее. Чаще всего происходит в результате неравномерного нагрева заготовок.

Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.

Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.

Строение металлов и их физические свойства

На механические свойства металлов влияют особенности их внутренней структуры в твердом состоянии. Металлическая решетка имеет такую особенность, что в ее узлах имеются молекулярные частицы, то есть существует равновесие. Валентные электроны находятся в относительно свободном состоянии и не закреплены строго к каждому атому, образуя так называемый электронный газ. То есть, кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, а промежутки между ионами заполняются электронами. При наличии разницы температур или под воздействием внешней разности потенциалов эти электроны легко перемещаются и проводят теплоту и электрический ток без смещения материальных частиц. В парообразном состоянии механические свойства металлов способствуют проведению электрического тока только в ионизированном виде. Характерно то, что при повышении температуры электропроводность снижается благодаря тому, что растет их объемное сопротивление. При нагревании или (даже при воздействии фотонов) энергия электронов возрастает, вследствие чего они могут даже легко излучаться (появление катодных лучей и фотоэлектронной эмиссии, используется в радиотехнике, в электронных трубках и измерении интенсивности света с помощью фотоэлементов). Таким образом, металлическая решетка — это фактически ионная решетка, в вершинах которой находятся одноименные положительные ионы, взаимное отталкивание которых компенсируется не противоположными заряженными анионами, а совместным усилиям свободных электронов.

Вольфрам

volfram3.jpg

Характеризуется высокой тугоплавкостью, также принадлежит к прочнейшим металлам на планете Земля. Являясь твёрдым элементом бело-серого цвета с характерным блеском, вольфрам высокопрочный, тугоплавкий, устойчив к воздействию кислотной и щелочной среды. Наделен ковкостью, при повышении температур W саморазогревается, а также растягивается в тоненькую нить, используемую в лампах.

Маркировка сталей с разными свойствами

В настоящее время отсутствует общая система маркировки сталей, что приводит к возникновению ошибок при заказах и в целом отрицательно сказывается на торговых операциях.

В России для маркировки используют буквенно-цифровую систему, при этом буквы означают названия входящих в состав сплава элементов, а цифры – их количественное содержание. Кроме того, буквы используют для обозначения способа раскисления. Маркировка «КП» свидетельствует о кипящих сталях, «ПС» – о полуспокойных, «СП» – о спокойных.

Для сплавов с обыкновенными свойствами характерен индекс Ст, за которым следует условный номер марки от 0 до 6. После этого указывается степень раскисления. На первом плане стоит номер группы: А – стали с гарантированными механическими качествами, Б – химическим составом, группе В присущи оба свойства. Индекс группы А встретить практически невозможно. В качестве примера маркировки можно привести Б Ст.4 ПС.

Обозначить конструкционные качественные углеродистые сплавы помогает поставленное впереди двухзначное число, которое указывает на концентрацию углерода в сотых долях процента. В конце следует степень раскисления. К примеру, сталь 06ПС. При маркировке качественных инструментальных углеродистых сталей сначала проставляется буква У, затем следует массовая доля углерода, обозначаемая двухзначным числом в десятых долях процента (к примеру, сталь У7). Определить высококачественную сталь поможет буква А, проставленная в конце маркировки.

При маркировке легированных сплавов буквы используют для обозначения легирующих веществ (Н – никель, Ю – алюминий, Х – хром, Т – титан, М – молибден, В – вольфрам). Маркируя конструкционные легированные стали, производитель сначала обозначает концентрацию углерода в сотых частях процента. Для инструментальных легированных сталей характерна маркировка углерода десятыми долями процента, при превышении его массовой доли 1,5 % – ее не указывают.

Для обозначения быстрорежущих инструментальных сплавов используют индекс «Р» и содержание вольфрама в процентах, к примеру, Р16.

Организации по стандартизации США разрабатывают, а производители применяют различные системы маркировки сталей. Нержавеющие стали чаще маркируются по системе AISI, используемой и в Европе. В соответствии с AISI, для обозначения стали используют 3 цифры, в ряде случаев они дополняются одной или несколькими буквами. По первой цифре можно судить о классе стали («2» или «3» свидетельствует об аустенитном классе, «4» – о ферритном или мартенситном). Следующими двумя цифрами обозначается порядковый номер металла в группе.

Буквами указывается:

  • L – низкая массовая доля углерода, не свыше 0,03 %;
  • S – нормальная его концентрация, меньше 0,08 %;
  • N – добавление азота;
  • LN – низкая концентрация углерода в сочетании с добавлением азота;
  • F – повышенное содержание фосфора и серы;
  • Se – присутствие селена, В – кремния, Cu – меди.

Отличие используемой в Европе системы EN от российской заключается в перечислении сначала легирующих элементов, а затем указании на их массовую долю. По первой цифре можно судить о содержании углерода в сотых долях процента.

Если в составе легированных, конструкционных и инструментальных сталей, за исключением быстрорежущих, присутствует свыше 5 % хотя бы одного легирующего элемента, то прежде чем указать содержание углерода, ставится буква «Х».

В странах ЕС используется система EN, в ряде случаев она дополняется национальной маркировкой, помеченной как «устаревшая».

Оцените статью
Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Илья Коршунов
Наш эксперт
Написано статей
134
Добавить комментарий