Определение механических свойств металлов и сплавов по твердости: Глава 3.2. Механические свойства материалов и методы их определения

alexxlab | 11.10.1978 | 0 | Разное

Головна – Електроннi засоби навчання

Компанія СМІТ є провідним розробником електронних засобів навчання, підтримуючи зв’язок, як з українськими, так і з європейськими споживачами та інвесторами. Ми пропонуємо послуги з розробки рішень для освіти та створення навчального контенту.

З 2003 року Компанія СМІТ — визнаний лідер на ринку педагогічних програмних засобів (ППЗ), або електронних підручників, — майбутнього навчальної літератури. Ними із задоволенням користуються школярі та учні професійно-технічних навчальних закладів, яких приваблюють використані при створенні найсучасніші мультимедійні технології: велика кількість анімацій, відеосюжети, звуковий супровід, інтерактивність. Учителям і викладачам подобається зручний інтерфейс, ретельно продумана до дрібниць система оцінювання та контролю знань. Ведеться робота над серією ППЗ для вищої школи.

Підтримується постійний зв’язок з користувачами, які придбали педагогічні програмні засоби, випущені Компанією СМІТ. Надається консультативна та практична допомога в інсталяції й роботі із ППЗ, повний супровід, а також інформаційна підтримка — регулярні повідомлення про новинки та оновлені версії продуктів, презентаціях і інших заходах, які проводяться Компанією.

З метою знайомства із продукцією та популяризації педагогічних програмних засобів Компанія СМІТ регулярно проводить семінари, у тому числі навчальні, на які запрошуються викладачі шкіл, профтехучилищ, учні, студенти.

Продукція Компанії — як друковані видання, так і ППЗ — багатьма вузами використовується як призовий фонд при проведенні студентських олімпіад і є гідною нагородою переможцям.

Всі розробки ТОВ Компанія СМІТ пройшли комісію науково-методичної ради Міністерства освіти та науки України й одержали гриф МОНУ. Також ТОВ «Компанія СМІТ» має сертифікат на систему керування якістю (ISO9001-2001).

Ми гарантуємо Вам захист авторських прав!

Компанія СМІТ має представництво у Львові: www.ukrprog.com — інтернет-магазин, www.ukrprog.com.ua — україномовне програмне забезпечення, аудіокниги, книги, відео, музика поштою.

Определение механических свойств металлов по твердости :: Книги по металлургии

 

ТВЕРДОСТЬ   И СОПРОТИВЛЕНИЕ УСТАЛОСТИ

 

25. СВЯЗЬ МЕЖДУ МЕХАНИЧЕСКИМИ

ХАРАКТЕРИСТИКАМИ,   ОПРЕДЕЛЯЕМЫМИ ИЗ ОПЫТОВ НА РАСТЯЖЕНИЕ,   И ПРЕДЕЛОМ ВЫНОСЛИВОСТИ

Вопрос о физической природе усталости не получил еще оконча­тельного разрешения, что, в частности, согласно работе [59 ] можно объяснить тем, что локальность явлений при усталости превышает локальность применяемых методов исследований. Однако, несмотря на это, общепризнанным является то, что про­цесс усталости составляется из тех же частично накладывающихся одно на другое состояний (упругое, пластическое и разрушение), что и процесс при однократном нагружении. Кроме того, иссле­дования показывают общность кристаллографических поверхно­стей и направлений сдвига при однократном и многократном нагружении монокристаллов [2]. Развитие усталостной трещины, так же как и развитие трещины при однократном нагружении, происходит из линий (поверхностей) пластических сдвигов [59]. Таким образом, механизм разрушения при однократном и много­кратном нагружении в первом приближении можно считать одина­ковым. Более низкую прочность при повторном нагружении по сравнению с однократным можно объяснить тем, что при много­кратном нагружении сдвиги, а следовательно, и пластические деформации сосредотачиваются лишь в отдельных небольших объемах (рис. 71, в) образца, тогда как при однократном нагруже­нии сдвиги распространяются на весь рабочий объем образца (рис. 71, б).В результате этого разрушение при многократном нагружении начинается в пластически продеформированных до предела отдельных небольших объемах образца при наличии боль­шей части образца, которая подверглась нагружению лишь в пределах упругих деформаций. При однократном нагружении разрушение тоже может начаться в отдельных небольших объемах образца, но при условии, когда остальной объем образца претерпел пластическую деформацию, близкую к предельной. Ясно, что при таком механизме разрушения прочность при многократных на­грузках должна быть ниже, чем при однократном нагружении вследствие «индивидуальности» пластической деформации и разрушения при повторном нагружении.

Таким образом, можно считать, что разрушению металла от усталости предшествует накопление местных (локальных) макро­сдвигов и, следовательно, появление местных пластических дефор­маций, исчерпание которых приводит к местному разрушению.

Измерения микротвер­дости в местах разруше­ния образцов после одно­кратного и многократного нагружения показали близ­кие значения твердости, что свидетельствует об одинаковых предельных пластических деформациях в месте разрушения при указанных видах нагружения [3].

Многочисленные наблюдения показывают, что разрушение от усталости начинается в местах концентрации деформаций (напря­жений), которые могут быть металлургического происхождения (мельчайшие поры, тонкие неметаллические включения и т. д.), технологического (неровности поверхности, зависящие от степени шероховатости при механической обработке) и конструкционного (резкие переходы от одного сечения к другому).

Концентраторы напряжений могут вызывать большие местные напряжения при небольшом среднем напряжении, действующем на образец. Значительные местные напряжения могут привести при первом же нагружении к местной пластической деформации и дальнейшему накоплению деформаций такого вида, вплоть до полного использования запаса пластичности, и последующему местному разрушению, т. е. образованию усталостной трещины.

Таким образом, всякое разрушение от усталости по существу есть разрушение надрезанного образца вследствие израсходования пластичности, что происходит в результате способности металлов использовать запас пластичности малыми дозами при каждом повторном нагружении в местах концентрации напряжений.

На процесс разрушения металла при циклических нагрузках, по-видимому, будут оказывать влияние предел упругости и пре­дельная пластичность. Чем выше предел упругости, тем более высокое напряжение потребуется для возникновения остаточных деформаций в местах концентрации напряжений при первом на­гружении; чем выше пластичность, тем большее время потребуется для полного использования запаса пластичности для того, чтобы произошло разрушение. Однако использование запаса пластич­ности будет зависеть от того, насколько рабочее напряжение выше предела упругости. С увеличением разницы между рабочим напря­жением и пределом упругости исчерпание пластичности будет происходить быстрее.

Процесс разрушения в местах концентрации напряжения зави­сит еще от объема металла, вовлекаемого в пластическую деформа­цию в этом районе. Чем больший объем металла вовлекается в пла­стическую деформацию в местах концентрации напряжений, тем большую работу необходимо затратить для того, чтобы разрушить металл в этом месте.

Наши исследования [34] показали, что объем металла, вовле­каемого в пластическую деформацию в местах концентрации на­пряжений, зависит от равномерной деформации. С повышением ψ_ρ увеличивается объем металла, вовлекаемого в пластическую деформацию в местах концентрации напряжений.

Согласно изложенному процесс усталостного разрушения в ме­таллах можно рассматривать следующим образом.

1.Явление усталости проявляется лишь только в том случае, когда при первом циклическом нагружении металл в от­дельных «слабых» небольших объемах выходит за предел уп­ругости.

2. В тех объемах, в которых при первом нагружении напряже­ния достигают предела упругости, при дальнейшем повторении нагружения постепенно израсходуется запас пластичности и при полном его использовании наступает разрушение.

3. Явление усталости зависит от уровня предела упругости (пропорциональности) а_пд равномерной деформации ψ_ρ, предель­ной пластичности ψ «слабых» объемов металла и от рабочего напряжения.

Таким образом, на основании изложенного в первом приближе­нии можно считать, что причиной усталости металлов является выход его при первом нагружении за предел упругости в наиболее «слабых» небольших объемах. Если в «слабых» небольших объемах при первом нагружении пластические деформации не возникают, то нет оснований к разрушению материала, так как в этом случае в образце не будут накапливаться пластические дефор­мации; металл при этих условиях не будет подвержен уста­лости.

Эти соображения подтверждаются результатами испытания черных металлов, для которых характерен при определенных напряжениях выход кривой усталости практически на горизон­тальный участок. Высказанные соображения говорят о том, что сопротивление усталости зависит от механических свойств металла, вследствие чего можно считать связь между пределом выносли­вости и другими механическими характеристиками оправ­данной.

Было проведено большое число исследований по сопоставлению предела выносливости при симметричном изгибе σ„_χ с другими механическими характеристиками, определяемыми из опытов при однократном нагружении, и предложено большое число формул. Ниже приведена часть этих формул, которые можно разбить на три группы.

 

Механические испытания металлов, испытание металлов в Ростове

Механические испытания имеют важнейшее значение в промышленности. Целью механических испытаний металлов является определение качественных и эксплуатационных характеристик материалов, в частности, прочности и пластичности. На основе полученных результатов делают прогнозы относительно поведения металлических деталей в реальных условиях.

Методы и виды испытаний

Металлические детали машин и механизмов в процессе эксплуатации подвергаются различным нагрузкам и воздействиям, которые по характеру бывают растягивающие, сжимающие или сдвиговые. В зависимости от вида материала и целей экспертизы применяют различные методики испытания механических свойств металлов:

• статические – образцы подвергаются воздействию постоянной или плавно возрастающей нагрузки;
• динамические – нагрузка в процессе опыта увеличивается с большой скоростью;
• циклические – направление и величина нагрузки изменяются многократно;
• технологические – оценивается поведение материалов при испытании на специальных установках, имитирующих специфические условия эксплуатации.

Определение твёрдости

Чаще всего проводятся механические испытания металлов на твёрдость. Эта характеристика показывает способность материала сопротивляться проникновению в него более твёрдого объекта. Существует несколько методик проведения экспертизы: вдавливание в поверхность стального шарика (по Бринеллю), алмазного конуса (по Роквеллу), 4-гранной алмазной пирамиды (по Виккерсу).

Существенным преимуществом данной методики является простота проведения опыта. При этом испытуемое изделие не разрушается и может поступить в продажу. По результатам определения твёрдости можно сделать вывод о приблизительном пределе прочности металла при растяжении.

Испытание на растяжение

Востребованный вид механических испытаний металлов, который позволяет определить такие важнейшие характеристики, как предел прочности, относительное удлинение, предел упругости, предел тягучести.

Для исследования берут образцы с круглым или прямоугольным сечением, которые закрепляют на лабораторной машине и растягивают с постоянной скоростью. В процессе механических испытаний стали и других пластичных материалов фиксируется изменение деформации, затем математическими вычислениями определяются требуемые показатели.

Испытание на сжатие

Испытания на растяжение не дают объективных результатов при исследованиях хрупких материалов. В этом случае используют другой способ определения прочностных характеристик – испытания на сжатие. Также этот вид экспертизы необходим, когда в реальных рабочих условиях на деталь действуют сжимающие нагрузки. Опытный образец устанавливают между платформами пресса и прикладывают к нему давление, в результате чего происходит деформация или разрушение материала.

Механические испытания металлов – это комплекс исследований, проводимых в лаборатории на специальном оборудовании с целью определения физико-механических свойств материалов. Экспертиза даёт объективные данные о свойствах испытуемых материалов, возможности их применения для массового производства деталей машин, оборудования, сооружений.

«Лабораторно-исследовательский центр» проводит механические испытания тонких листов, проволоки, листового и фасонного проката, труб, стали арматурной, соединений сварных арматуры и закладных изделий железобетонных конструкций, сварных соединений металлических материалов, крепежей и метизов по показателям:

• Прочность при растяжении
• Временное сопротивление
• Предел текучести
• Относительное удлинение
• Относительное сужение
• Изгиб/загиб
• На ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенной температурах
• Твердость по Бринеллю (вдавливанием шарика)
• Твердость по Виккерсу (вдавливанием алмазного наконечника в форме правильной четырехгранной пирамиды)
• Твердость по Роквеллу (вдавливанием в поверхность образца (изделия) алмазного конуса или стального сферического наконечника)

По окончании работ выдается официальный протокол исследований, признаваемый государственными и коммерческими структурами.

Подробнее с перечнем услуг, а также их стоимостью Вы можете ознакомиться в нашем прайс-листе.

Контроль структуры и свойств металла

Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.

По характеру изменения во времени действующей нагрузки механи­ческие испытания могут быть статическими (на растяжение, сжатие, изгиб, кручение), динамическими (на ударный изгиб) и циклическими (на усталость).

По воздействию температуры на процесс их делят на испытания при комнатной температуре, низкотемпературные и высокотемпературные (на длительную прочность, ползучесть).

 

Статические испытания  проводятся при воздействии на образец с определенной скоростью постоянно действующей нагрузки. Скорость деформации составляет от 10^–4 до 10^–1 с^–1. Статические испытания на растяже­ние относятся к наиболее распространенным. Свойства, определяемые при этих испытаниях, приведены в многочисленных стандартах по техническим условиям на материалы. К статическим относятся испытания на растяжение, сжатие, изгиб, кручение.

 

Динамические испытания  характеризуются приложением к образцу ударной нагрузки и значительной скоростью деформации. Длительность ис­пытания не превышает сотен долей секунды. Скорость деформации состав­ляет около 10² с^–1. Динамические испытания чаще всего проводят по схеме ударного изгиба образцов с надрезом.

 

Циклические испытания  характеризуются многократными измене­ниями нагрузки по величине и по направлению. Примером испытаний явля­ются испытания на усталость, они длительны и по их результату определяют число циклов до разрушения при разных значениях напряжения. В конечном итоге находят предельные напряжения, который образец выдерживает без разрушения в течение определенного числа циклов нагружения.

 

Испытания на твердость.

Простейшим механическим свойством является твердость. Методы определения твердости в зависимости от скоро­сти приложения нагрузки делятся на статические и динамические, а по спо­собу ее приложения – на методы вдавливания и царапания. Методы опреде­ления твердости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу относятся к статическим методам испытания.

 

Твердость – это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела (индентора) под действием внешних сил.

При испытании на твердость в поверхность материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик (индентор), в связи с чем различают методы ис­пытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и не­которые другие.

При испытании материалов на твердость не изготавливают стандарт­ных специальных образцов, однако к размерам и поверхности образцов и изделий предъявляются определенные требования.

 

Твердость по Виккерсу (ГОСТ 2999-75)  устанавливают путем вдавли­вания в металл индентора – алмазной пирамиды с углом при вершине 136° под действием постоянной нагрузки Р: 1; 2; 2,5; 3; 5; 10; 20; 30; 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой в течение 10-15 с. Для определения твердости черных металлов и сплавов используют нагрузки от 5 до 100 кгс, медных сплавов – от 2,5 до 50 кгс, алюминиевых сплавов – от 1 до 100 кгс. После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора находят длину диагонали отпечатка, а твердость HVрассчитывают по формуле

 

HV = 1,854*P/d²

 

где Р – нагрузка, кгс; d- диагональ отпечатка, мм.

Имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и дли­ны диагонали. Поэтому на практике вычислений не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей. Твердость по Виккерсу HVизмеряется в кгс/мм², Н/мм² или МПа. Значение твердости по Виккерсу может изменяться от HV2060 до HV5 при нагрузке 1 кгс.

 

По методу Бриннелля  вдавливают в образец или изделие стальной закаленный шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 500, 250, 62,5 кгс и др. (ГОСТ 9012-59, рис. 1.). Полученный круглый отпечаток на образце измеряют под лупой и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой не превышает 450 НВ. Твердость по Бринеллю почти совпадает со значениями твердости по Виккерсу.

 

Твердость НВ – это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:

 

HB=P/F_ot=P/πDt=2P/πD(D-√(D²-d²))

 

где P- нагрузка, кгс;

F_ot– площадь отпечатка, мм²;

t- глубина сегмента отпечатка;

D- диаметр шарика, мм;

d- диаметр отпечатка, мм.

 

Твердость по Бринеллю НВ (по умолчанию) имеет размерность кгс/мм², например, твердость алюминиевого спла­ва равна 70 НВ. При нагрузке, определяе­мой в ньютонах, твердость по Бринеллю измеряется в МПа. Например, твердость отожженной стали равна 207 НВ при на­грузке 3000 кгс, диаметре шарика 10 мм, диаметре отпечатка 4,2 мм или, учитывая коэффициент перевода: 1 Н = 9,8 кгс,

НВ = 2 028 МПа.

 

 

Рис. 1. Схема определения твердости по Бринеллю

 

По методу Роквелла  (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).

При этом определяют твердость, соответственно, HRA, HRC и HRB. В на­стоящее время измерение твердости по методу Роквелла является наиболее распространенным методом, потому что при использовании твердомеров Ро­квелла не требуется измерять отпечаток, число твердости считывается со шкалы прибора сразу после снятия основной нагрузки.

Метод заключается во вдавливании в испытуемый образец индентора под действием двух последовательно прикладываемых нагрузок – предвари­тельной Р₀ и основной Р₁ которая добавляется к предварительной, так что общая нагрузка Р = Р₀ + Р₁ После выдержки в течение нескольких секунд ос­новную нагрузку снимают и измеряют остаточную глубину проникновения индентора, который при этом продолжает находиться под действием предва­рительной нагрузки. Перемещение основной стрелки индикатора на одно де­ление шкалы соответствует перемещению индентора на 0,002 мм, которое принимается за единицу твердости.

На рис. 2 представлена схема измерения твердости по методу Рок­велла алмазным или твердосплавным конусом. При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором – алмазным ко­нусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс соответственно. Твердость в этом случае определяется как

HRC= t/0,002=100-(H-h)/0,002

 

По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик)

HRB = 130-(H-h)/0,002

 

 

Рис. 2. Схема определения твердости по Роквеллу (индентор – конус)

 

На практике значения твердости по Роквеллу не рассчитываются по формулам, а считываются с соответствующей (черной или красной) шкалы прибора. Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB -для низкой. Число твердости по Роквеллу измеряют в условных единицах, оно является мерой глубины вдавливания индентора под определенной на­грузкой.

 

Испытание на растяжение  материалов проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84 «Методы испытаний на растяжение». Стандарт устанавливает методы статических испытаний на растяжение черных и цветных металлов для определения при температуре 20 °С пределов пропорциональности, уп­ругости, текучести, временного сопротивления разрыву, относительного уд­линения и относительного сужения, модуля упругости.

Для испытаний применяют плоские и цилиндрические образцы, выре­занные из детали или специально изготовленные. Размеры образцов регла­ментированы указанным стандартом, они подчиняются геометрическому по­добию и могут быть короткими и длинными. Для цилиндрического образца берется соотношение начальной рабочей длины l₀ и исходного диаметра d₀ : l₀= 5d₀– короткий образец, l₀= 10d₀ – длинный образец. Для плоского образцаберется соотношение рабочей длины l₀ и площади поперечного сечения F₀:

l₀= 5,65√F₀ – короткий образец, l₀= 11,3√F₀  – длинный образец. Цилиндри­ческие образцы изготавливаются диаметром 3 мм и более. Образцы состоят из рабочей части длиной l₀  и головок, форма и размер которых соответствуют захватам машины (рис. 3).

 

 

 

Рис. 3. Цилиндрические и плоские образцы до (а) и после (б) испытания на растяжение

 

 

Растяжение образца проводят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины дают возможность записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рис. 4), т.е. первичную диаграмму испытания на растяжение в координатах: нагрузка Р, Н, кН; и абсолютное удлинение образца А, мм.

 

 

Рис. 4. Первичная диаграмма растяжения

 

Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испы­таний на растяжение (рис.4), определяют следующие параметры механиче­ских свойств материалов:

σ _пц– предел пропорциональности, точка р;

σ _0,05 – предел упругости, точка е;

σ _т – предел текучести физический, точка s;

σ _0,2– предел текучести условный;

σ _в – временное сопротивление разрыву, или предел прочности, точка b.

 

Значения 0,05 и 0,2 в записи предела упругости и текучести соответ­ствуют величине остаточной деформации ∆l в процентах от l₀ при растяжении образца. Напряжения при испытании на растяжение вычисляют путем деления нагрузки Р, соответствующей характерной точке на диаграмме, на площадь первоначального поперечного сечения F₀ рабочей части испытуемо­го образца:

σ_пц=P_пц / F₀ ; σ_0,05=P _0,05 / F₀ ; σ_т=P_т / F₀ , или σ_в=P _max / F₀ ;

 

 

Площадь поперечного сечение F₀определяется по следующим формулам:

для цилиндрического образца

 

F₀ = πd₀²/ 4

 

для плоского образца

 

F₀ = a₀*b₀

 

где а₀ – первоначальная толщина; b₀ – первоначальная ширина образца.

В точке k устанавливают напряжение сопротивления разрушению материала.

Предел пропорциональности и предел упругости определяют с помо­щью тензометра (прибор для определе­ния величины деформации). Предел текучести физический и условный рассчи­тывают, находя нагрузку по диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести, то для вычисления условного предела текучести необходи­мо провести графические построения на диаграмме (рис. 1.5). Вначале находят величину остаточной деформации, рав­ную 0,2 % от l₀, далее отмечают отрезок на оси деформации, равный 0,2 % от l₀, и проводят линию, параллельную пропорциональному участку диаграммы рас­тяжения, до пересечения с кривой растяжения.

 

 

Рис. 5. Определение предела текучести

 

Нагрузка P_0,2 соответствует точке их пересечения. Физический и условный предел текучести характери­зуют способность материала к началу пластической деформации, т.е. сопротивление малой пластической деформации.

Предел прочности можно подсчитать, используя показания силоизмерителя, по максимальной нагрузке Р_max при разрыве либо найти Р_max (Р_в) по первичной диаграмме растяжения. Характер деформации при растяжении вязких и хрупких материалов существенно различается.

Хрупкие материалы после достижения максимальной нагрузки быстро разрушаются без значительной пластической деформации, поэтому σ_в для

хрупких материалов является характеристикой сопротивления разрушению, а для пластичных – характеристикой сопротивления деформации.

Напряжение разрушения определяют как истинное. При этом нагруз­ку разрушения делят на конечную площадь поперечного сечения образца после разрушения F_K:

 

S_к=P_к/F_к

 

Все рассчитанные таким образом величины являются характеристи­ками прочности материала.

 

Пластичность, т.е. способность деформироваться без разрушения, характеризуется изменениями размеров образца. При испытании на разрыв определяют следующие характеристики пластичности:

относительное удлинение

 

δ=(l_k-l₀)/ l₀*100%

 

относительное сужение

 

Ψ=(F_0к-F)/ F₀*100%

 

где l_к, F_к — соответственно, длина рабочей части и площадь поперечного сече­ния образца после разрыва.

Рассчитанные характеристики механических свойств после испытания на растяжение заносятся в протокол.

 

Испытания на ударный изгиб.

Ударная вязкость  характеризует удельную работу, затрачиваемую на разрушение при ударе образца с надре­зом. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженной, комнатной и повышенной температурах». Стандарт распространяется на черные и цветные металлы и сплавы и уста­навливает метод испытания при температурах от -100 до +1000 °С. Метод основан на разрушении ударом маятникового копра образца с концентрато­ром напряжений. В результате испытания определяют полную работу, затра­ченную при ударе К, или ударную вязкость КС.

Используют образцы прямоугольной формы с концентратором типа U, V, Т (усталостная трещина). Наиболее распространенными образцами являются образцы размерами 55x10x10 мм с U-концентратом 2×2 мм (рис. 6).

 

 

Рис. 6. Стандартный образец с U-образным надрезом для испытаний на ударный изгиб

 

На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает дви­гаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, за­трачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. По величине этого угла и определяют работу удара К или работу, затраченную на разрушение образца. Работу разрушения К относят к площади поперечного сечения образца Soв месте излома и тем самым находят КС – ударную вязкость:

 

KC = K/S₀,

 

где Kизмеряется в Дж (кгс*м), S₀— в м² (см²).

В зависимости от вида концентратора ударная вязкость обозначается

KCU, KCV, КСТ и имеет размерность МДж/м² (МДж/см²) или кгс*м/см².

 

 

 

Основные механические свойства металлов и сплавов, особенности их определения

Область применения металлов определяется их основными механическими свойствами. Выделяют много параметров, которые могут использоваться для определения качества стали. Механические свойства металлов и сплавов могут существенно отличаться, что связано с химическим составом, особенностями структуры и тем, была ли проведена термическая обработка. Рассмотрим все особенности механических свойств металлов подробнее.

Основные механические показатели

Металлы получили широкое применение благодаря тому, что могут обладать различными эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получили следующие:

1. Твердость определяется несколькими методами при использовании соответствующей оснастки.
2. Предел прочности учитывается при производстве различных деталей, которые на момент эксплуатации подвержены воздействию различных нагрузок.
3. Упругость — способность металла или сплава возвращать свою форму после того, как на поверхность перестает воздействовать нагрузка. Металлы обладают относительно невысоким показателем упругости.
4. Под ударной вязкостью понимают сопротивление материала воздействию ударных нагрузок. Учитывается при производстве деталей, на которые в дальнейшем будет оказываться переменная нагрузка.
5. Ползучестью называют свойство металла или сплава к медленной пластичной деформации при воздействии нагрузок. Как правило, параметр проявляется при воздействии высокой температуры, когда начинает перестраиваться кристаллическая решетка.
6. Выделяют и усталость металла. Эта характеристика указывает на то, как материал будет разрушаться при воздействии большого числа повторно-переменных нагрузок. Кроме этого, выделяют выносливость — способность материала выдерживать подобные нагрузки.
7. Точка плавления. Металлы и сплавы могут переходить из твердого состояния в жидкое при воздействии высокой температуры. Плавка может проходить при различных показателях температуры, которые и называют точной плавления.

Рассмотрим некоторые наиболее важные механические показатели, которые указываются в технической литературе.

Твердость материала

Твердость — характеристика, которая определяет способность одного металла сопротивляться проникновению в него другого твердого тела. Этот показатель один из основных, учитывается при производстве различных деталей, инструментов и изделий.

Выделяют несколько методов определения этого показателя:

1. По Бринеллю проводится определение твердости поверхности путем плавного увеличения оказываемой нагрузки. Для этого используется стальной шарик, который вдавливается под воздействием определенного давления. После проведения испытания проверяется диаметр отпечатка и высчитывается то, какая твердость у тестируемой поверхности. Измеряется твердость в HB .
2. По Роквуллу тестирование проводится при использовании алмазного конуса стандартного типа. Кроме этого, подходит и шарик диаметром 1,588 мм из закаленной стали. По данному методу показатель твердости получается в определенных единицах измерения.
3. По Виккурсу определяют твердость поверхности также при использовании специального алмазного наконечника. Выполнен он в виде пирамиды с четырьмя гранями. Как и при измерении по Бринеллю, на наконечник оказывается давление, после чего измеряется отпечаток и проводятся вычисления показателя твердости.

Высокая твердость часто определяет хрупкость структуры. Существует много различных методов повышения твердости поверхности, большая часть предусматривает выполнение термической и химической обработки.

Предел прочности

Под пределом прочности понимают величину, которая численно равна наибольшей нагрузке, приложенной к образу при растяжении, разделенной на площадь поперечного сечения. Указывается в кг/мм².

К особенностям определения этого показателя можно отнести нижеприведенные моменты:

1. Для проведения теста используется специальная разрывная машина.
2. На момент прикладывания нагрузки может наблюдаться удлинение образца.
3. В некоторый момент происходит скачок показателя на растяжение.

После достижения определенного показателя образец начинает удлиняться с большей скоростью. Для более точного определения предела прочности проводится создание графика, на котором и отмечается точка скачка скорости растяжения.

Предел текучести

Практически все металлы и сплавы могут находиться в двух основных агрегатных состояниях: жидком и твердом. Предел текучести — показатель, определяющий напряжение, при котором на момент деформации образца указатель нагрузки на применяемой разрывной машине остается неизменным. Этот показатель учитывается при изготовлении различных заготовок, которые в дальнейшем будут использоваться под нагрузкой.

Механические свойства и способы определения их количественных характе-ристик: твердость, вязкость, усталостная прочность. Технологические и эксплуатационные свойства

Твердость – это сопротивление материала проникновению в его поверхность стандартного тела  (индентора), не деформирующегося при испытании.

Широкое распространение объясняется тем, что не требуются специальные образцы.

Это неразрушающий метод контроля. Основной метод оценки качества термической обработке изделия. О твердости судят либо по глубине проникновения индентора (метод Роквелла), либо по величине отпечатка от вдавливания  (методы Бринелля, Виккерса, микротвердости).

Во всех случаях происходит пластическая деформация материала. Чем больше сопротивление материала пластической деформации, тем выше твердость.

Наибольшее распространение получили методы Бринелля, Роквелла, Виккерса и микротвердости. Схемы испытаний представлены на рис. 7.1.

Рис. 7.1.   Схемы  определения твердости:

а – по Бринеллю; б – по Роквеллу; в – по Виккерсу

Твердость по Бринеллю ( ГОСТ 9012)

Испытание проводят на твердомере Бринелля (рис.7.1 а)

В качестве индентора используется стальной закаленный шарик диаметром D  2,5; 5; 10 мм, в зависимости от толщины изделия.

Нагрузка Р,  в зависимости от диаметра  шарика и измеряемой твердости: для термически обработанной стали и чугуна – , литой бронзы и латуни – , алюминия и других очень мягких металлов – .

Продолжительность выдержки τ: для стали и чугуна – 10 с,  для  латуни и бронзы – 30 с.

Полученный отпечаток измеряется в двух взаимно перпендикулярных направлениях при помощи лупы Бринелля.

Твердость определяется как отношение приложенной нагрузки Р к сферической поверхности отпечатка F:

Стандартными условиями являются: D ═ 10 мм;  Р ═ 3000 кгс;  τ ═ 10 с. В этом случае твердость по Бринеллю обозначается  НВ 250,    в других случаях указываются условия :  НВ D / P / τ,  НВ 5/ 250 /30 – 80.

Метод Роквелла  (ГОСТ 9013)

Основан на вдавливании в поверхность наконечника под определенной нагрузкой (рис. 7.1 б)

Индентор для мягких материалов (до НВ 230) – стальной шарик диаметром 1/16” (Ø1,6 мм), для более твердых материалов  – конус алмазный.

Нагружение осуществляется в два этапа. Сначала прикладывается предварительная нагрузка  (10 ктс) для плотного соприкосновения наконечника с образцом. Затем прикладывается основная нагрузка Р₁,  втечение некоторого времени действует общая рабочая нагрузка  Р. После снятия основной нагрузки определяют значение твердости по глубине остаточного вдавливания наконечника h  под   нагрузкой.

В зависимости от природы материала используют три шкалы твердости  А, В, С (табл. 7.1)

Таблица 7.1.  Шкалы для определения твердости по Роквеллу

Шкала	Обозначение	Индентор	Нагрузка, кг			Область применения
			Р0	Р1	Р2
А	HRA	Алмазный конус < 1200	10	50	60		Для особо твёрдых материалов
В	HRB	Стальной закаленный шарик Æ1/16’’	10	90	100		Для относительно мягких материалов
С	HRC	Алмазный конус < 1200	10	140	150		Для относительно твёрдых материалов

Метод Виккерса

Твердость определяется по величине отпечатка (рис.7.1 в).

В качестве индентора используется алмазная четырехгранная пирамида.с углом при вершине    136º.

Твердость рассчитывается как отношение приложенной нагрузки  P к площади поверхности отпечатка F:

Нагрузка Р  составляет  5…100 кгс. Диагональ отпечатка d измеряется при помощи микроскопа, установленного на приборе.

Преимущество данного способа в том, что можно измерять твердость любых материалов, тонкие изделия, поверхностные слои.Высокая точность и чувствительность метода.

Способ микротвердости применяют  для определения твердости отдельных структурных составляющих и фаз сплава, очень тонких поверхностных слоев (сотые доли миллиметра).

Аналогичен способу Виккерса. Индентор – пирамида меньших размеров, нагрузки при вдавливании  Р  составляют  5…500 гс

Метод царапания.

Алмазным конусом, пирамидой или шариком наносится царапина, которая  является мерой.  При нанесении царапин на другие материалы и сравнении их с мерой судят о твердости материала.

Можно  нанести царапину шириной 10 мм под  действием определенной нагрузки. Наблюдают за величиной нагрузки, которая дает эту ширину.

Динамический метод (по Шору)

Шарик бросают на поверхность с заданной высоты, он отскакивает на определенную величину. Чем больше величина отскока, тем тверже материал.

В результате проведения динамических  испытаний на ударный изгиб  специальных образцов с надрезом (ГОСТ 9454) оценивается вязкость материалов и устанавливается их склонность  к переходу из вязкого состояния в хрупкое.

Вязкость – способность материала поглощать механическую энергию внешних сил за счет пластической деформации.

Является энергетической характеристикой материала, выражается в единицах работы.  Вязкость металлов и сплавов определяется их химическим составом, термической обработкой и другими внутренними факторами. Также вязкость зависит от условий, в которых работает металл (температуры, скорости нагружения,  наличия концентраторов напряжения).

Влияние температуры.

С повышением температуры вязкость увеличивается (см. рис. 7. 2).

Предел текучести S_т существенно изменяется с изменением температуры, а сопротивление отрыву S_от не зависит от температуры. При температуре  выше Т_в предел текучести меньще сопротивления отрыву. При нагружении сначала имеет место пластическое деформирование, а потом – разрушение. Металл находится в вязком состоянии.

Прт температуре ниже Т_нсопротивление отрыву меньше предела текучести. В этом  случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из вязкого состояния в хрупкое осуществляется в интервале температур

Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры.

Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие  объемно-центрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рис. 7.2. Влияние температуры на пластичное и хрупкое состояние

Способы оценки вязкости.

Ударная вязкость характеризует надежность материала, его способность сопротивляться хрупкому разрушению

Испытание проводят на образцах с надрезами определенной формы и размеров. Образец устанавливают на опорах копра надрезом в сторону, противоположную удару ножа маятника,который поднимают на определенную высоту (рис. 7.3)

Рис.7.3. Схема испытания на ударную вязкость:

а – схема маятникового копра; б – стандартный образец с надрезом;

в – виды концентраторов напряжений; г – зависимость вязкости от температуры

На разрушение образца затрачивается работа:

где: Р – вес маятника,  Н – высота подъема маятника до удара,  h – высота подъема маятника после удара.

Характеристикой вязкости является ударная вязкость (а_н), — удельная работа разрушения.

где: F₀ — площадь поперечного сечения в месте надреза.

В ГОСТ 9454 ударная вязкость обозначается KCV. KCU. KCT.  KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т) (рис. 7.3 в)

Серийные испытания для оценки склонности металла к хладоломкости и определения критических порогов хладоломкости.

Испытывают серию образцов при различных температурах и строят кривые ударная вязкость – температура ( а_н – Т) (рис. 7.3 г),  определяя пороги хладоломкости.

Порог хладоломкости  –  температурный интервал изменения характера разрушения, является важным параметром конструкционной прочности. Чем ниже порог хладоломкости, тем менее чувствителен металл к концентраторам напряжений (резкие переходы, отверстия, риски), к скорости деформации.

Оценка вязкости по виду излома.

При вязком состоянии металла в изломе более 90 % волокон, за верхний порог хладоломкости Т_в принимается температура, обеспечивающая такое состояние. При хрупком состоянии металла в изломе 10 % волокон, за нижний порог хладоломкости Т_н принимается температура, обеспечивающая такое состояние. В технике за порог хладоломкости принимают температуру, при которой в изломе 50 % вязкой составляющей. Причем эта температура должна быть ниже температуры эксплуатации изделий не менее чем на 40ºС.

Испытания на выностивость (ГОСТ 2860) дают характеристики усталостной прочности.

Усталость –  разрушение материала при повторных знакопеременных напряжениях, величина которых не превышает предела текучести.

Усталостная прочность – способность материала сопротивляться усталости.

Процесс усталости состоит из трех этапов, соответствующие этим этапам зоны в изломе показаны на рис.7.4.

Рис 7.4. Схема зарождения и развития трещины при переменном изгибе

круглого образца

1 – образование трещины в наиболее нагруженной части сечения, которая подвергалась микродеформациям и получила максимальное упрочнение

2   –    постепенное распространение трещины, гладкая притертая поверхность

3  –   окончательное  разрушение,    зона “долома“, живое сечение уменьшается ,а истинное напряжение увеличивается, пока не происходит разрушение, хрупкое или вязкое

Характеристики усталостной прочности определяются при циклических испытаниях “изгиб при вращении“. Схема представлена на рис. 7.5.

Рис. 7.5. Испытания на усталость (а), кривая усталости (б)

Основные характеристики:

Предел выносливпсти (σ _-1 – при симметричном изменении нагрузки,  σ_R – при несимметричном изменении нагрузки) – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за произвольно большое число циклов нагружения N.

Ограниченный предел выносливости – максимальное напряжение, выдерживаемое материалом за определенное число циклов нагружения или время.

Живучесть – разность между числом циклов до полного разрушения и числом циклов до появления усталостной трещиныю.

Технологические свойства

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объёмная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объём в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры с учетом усадки определенного металла…

Ликвация – неоднородность химического состава по объёму.

2. Способность материала к обработке давлением.

Это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок, не разрушаясь.

Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным.

Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определённой высоты и изгиб.

Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.

3. Свариваемость.

Это способность материала образовывать неразъёмные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.

4. Способность к обработке резанием.

Характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству  поверхностного слоя.

Эксплуатационные свойства

Эксплуатационные свойства  характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных  сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.

Эти свойства определяются специальными испытаниями в зависимости от условий работы изделий.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень. чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств. Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

 

Основные механические свойства металлов

 

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

– Прочность – означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

– Твердость (часто путают с прочностью) – характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

 

 

– Упругость – означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

– Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) – также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

– Стойкость к трещинам – под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

– Вязкость или ударная вязкость – антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

– Износостойкость – способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

 

 

– Жаростойкость – длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

– Усталость – время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

 

Физические свойства металлов

 

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства – те что проявляется в покое, механические – только под воздействием извне. Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла “прочность” может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют “закалку” и “старение”). Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

 

 

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств. Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью. Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

 

 

 

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции. Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя “шов” под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции. Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

 

Как определить механические свойства?

 

Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:

– испытания на растяжение;

– метод вдавливания по Бринеллю;

 

 

– определение твердости металла по Роквеллу;

– оценка твердости по Виккерсу;

– определение вязкости с помощью маятникового копра;

 

Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.

Обзор механических свойств металлов

В металлообрабатывающей промышленности механические свойства играют огромную роль при выборе правильного сплава для каждой работы. В процессе литья и механической обработки, а также в течение срока службы продукта выбранный материал будет подвергаться воздействию многих внешних сил. Производители должны создавать продукты, которые будут работать должным образом на каждом этапе пути. Понимая механические свойства, профессионалы в области производства могут сделать правильный выбор материалов и процессов.

Механические свойства описывают, как материал реагирует на приложенные нагрузки или силы. Эти свойства не постоянны; они меняются в зависимости от температуры и других внешних факторов, поэтому производители должны иметь полное представление об условиях эксплуатации детали, прежде чем рекомендовать соответствующий материал. Основные механические свойства металлов включают:

• Прочность
• Пластичность и пластичность
• Прочность
• Сопротивление усталости
• Твердость

Физические свойства – еще один способ различения металлов.Вы можете узнать больше о физических свойствах в нашем блоге здесь.

Напряжение в сравнении с деформацией

Напряжение и деформация – важные термины при обсуждении механических свойств. Под напряжением понимается сила, приложенная к объекту. Деформация относится к степени деформации объекта этим напряжением.

Прочность металлов

Силу можно измерить разными способами, но обычно она показывает, сколько силы может выдержать объект, не сгибаясь и не ломаясь. Отношение прочности к весу является ключевым свойством металлов, поскольку оно сообщает производителям, сколько материала необходимо использовать для удовлетворения конкретных требований к прочности.

Прочность часто измеряется как реакция материала на напряжения или приложенные силы в трех конфигурациях: сжатие , растяжение и сдвиг . Когда материал подвергается сжатию, на него действуют силы в направлении его центральной точки. Обратное верно для натяжения, которое разрывает материал. Сдвиговые силы действуют параллельно друг другу в противоположных направлениях.

Пластичность и ковкость металлов

В то время как прочность может быть хорошим показателем реальных характеристик, производителям необходимо расширять возможности материалов для формирования новых форм.Пластичность и пластичность показывают, насколько легко можно манипулировать материалом без разрушения. Под пластичностью понимается реакция материала на растягивающее напряжение или его способность растягиваться, кататься или выдавливаться без разрушения. Под пластичностью понимается напряжение сжатия, как при сплющивании. Благодаря высокой пластичности алюминия он так широко используется для изготовления тонкой фольги.

Поскольку поведение материала меняется в зависимости от температуры, металл может иметь хорошую пластичность или ковкость при высоких температурах, но плохую пластичность или ковкость при комнатной температуре.Сотни лет назад кузнецы уже знали об этой переменной и нагревали изделия на основе железа до тех пор, пока они не загорелись, прежде чем придать им форму.

Прочность: баланс прочности и пластичности

Toughness представляет собой идеальный баланс между прочностью и пластичностью. Самые твердые металлы – это те, которые могут поглощать наибольшее количество энергии перед разрушением. Проще говоря, сложнее всего сломать самые прочные детали.

Сопротивление усталости металлов

В реальных условиях металлические детали часто подвергаются повторяющимся нагрузкам в течение длительного периода времени.Хотя ни одно из этих напряжений, взятых по отдельности, не повлияло бы на прочность, пластичность или ударную вязкость детали, повторение само по себе может привести к отказу. Фактически, по данным ASM International, усталость является причиной примерно 90% механических отказов.

Сопротивление усталости – это мера способности детали подвергаться повторяющимся циклическим нагрузкам без разрушения или постоянной деформации. Значения напряжения, близкие к пределу материала, приведут к более раннему усталостному разрушению по сравнению с более низкими значениями напряжения.Как и другие механические свойства, сопротивление усталости данного сплава зависит от температуры, при которой прикладывается напряжение, а также от других факторов окружающей среды.

Усталостное сопротивление конечной детали зависит не только от состава материала, но и от наличия дефектов. Такие проблемы, как пористость, растрескивание или другие дефекты, возникшие во время производства, могут значительно снизить сопротивление усталости детали. Обзор распространенных дефектов литья и способы их предотвращения можно найти в нашем блоге.

Твердость

Твердость материалов может относиться к характеристикам по ряду параметров, включая сопротивление деформации, сопротивление царапинам или сопротивление резанию. Металлы демонстрируют сильную корреляцию между прочностью на разрыв и твердостью, а твердость стали часто можно повысить, увеличив процентное содержание углерода.

Твердость

можно измерить разными способами, и испытание на твердость по Бринеллю является одним из наиболее распространенных для металлических изделий. Испытание, впервые предложенное в 1900 году, включает вдавливание сферы из карбида или закаленной стали в поверхность измеряемой детали.Полученный отпечаток на поверхности затем измеряется с помощью микроскопа, и число твердости по Бринеллю (BHN) дается как нагрузка, деленная на площадь поверхности вмятины.

Более твердые сплавы часто хуже обрабатываются, что может создавать препятствия при производстве продукции. Принимая во внимание дизайн с точки зрения технологичности, иногда в целом лучше использовать менее твердый сплав для отливки, особенно если продукт будет подвергаться обширной механической обработке на более позднем этапе.

Выбор правильного сплава на основе механических свойств

В мире производства наиболее важные механические свойства зависят от предполагаемого использования продукта.Поскольку механические свойства меняются в зависимости от окружающей среды, процесс проектирования продукта должен включать в себя тщательный анализ среды, в которой продукт будет работать, включая требования к температуре, влажности и нагрузке. Производители также должны учитывать все процессы формования, которым будет подвергаться материал, прежде чем он станет конечным продуктом. Часто перед инженерами и металлургами стоит задача найти баланс между показателями производительности, такими как прочность, и такими показателями процесса, как обрабатываемость.

Процесс APQP может гарантировать, что все соответствующие переменные были учтены перед выбором сплава, а лучшие литейные заводы следуют процедурам APQP на протяжении всего процесса разработки продукта.Чтобы узнать больше об оптимальных этапах проектирования изделий в области литья металлов и обработки с ЧПУ, прочитайте нашу серию блогов здесь.

Узнайте больше о производстве высококачественной продукции с помощью литья металла и обработки с ЧПУ из нашей бесплатной электронной книги:

Факторы, определяющие механические свойства металла

При выборе материалов для инженерных целей необходимо учитывать множество факторов.Производители понимают, что каждый металлический сплав обладает уникальными свойствами, которые определенным образом реагируют на механические и химические процессы. Чтобы добиться максимальной эффективности и экономии затрат при выполнении любой работы, понимание этих свойств и решение, какой именно сплав лучше всего подходит для данной задачи, имеет первостепенное значение.

Механические свойства металла обычно определяются рядом факторов, в том числе размером зерна, термообработкой, атмосферным воздействием и температурой.Вместе эти атрибуты влияют на то, как металл реагирует на силы, которым он подвергается в промышленных процессах. Производители должны тщательно тестировать сплавы, чтобы знать, как они будут затронуты и в каких условиях они будут доведены до предела прочности.

Различные процессы по-разному влияют на металлы. Одно из важных понятий – это стресс и напряжение. При сравнении образцов различных размеров сначала необходимо рассчитать нагрузку на единицу площади, также известную как нормализация к площади.Напряжение формулируется путем деления силы на площадь. При проведении испытаний на растяжение и сжатие релевантная область перпендикулярна силе. С другой стороны, для испытаний на сдвиг или кручение релевантная область перпендикулярна оси вращения.

Напряжение и деформация могут вызывать нежелательную реакцию металлических сплавов, поэтому их необходимо тщательно проверять. Упругая деформация описывает ситуацию, при которой после снятия напряжения материал может вернуться к своим прежним размерам.Эластичность указывает на его способность оставаться стабильным при нагрузке, а также на то, что деформация обратима и непостоянна. Напротив, пластическая деформация означает, что после снятия напряжения металл не может вернуться к своей прежней форме. Напротив, напряжение вызвало необратимую деформацию.

Факторы, влияющие на механические свойства металла, разнообразны. Например, это влияет на предел текучести, твердость, температуру перехода из пластического в хрупкое состояние и восприимчивость к условиям окружающей среды, которые могут быть улучшены путем изменения размера зерна.

Металлы, включая алюминий, состоят из кристаллов, которые также называют зернами. Алюминий с малым размером зерна называют мелкозернистым, а алюминий с относительно крупными зернами называют крупнозернистым. Алюминиевые сплавы с мелкими зернами обычно сохраняют большую прочность на разрыв и большую усталостную прочность. Такие сплавы легче закалить. Алюминий с более крупными зернами имеет большую шероховатость поверхности и его труднее полировать.

Другие эффекты зернистости включают тот факт, что крупнозернистый алюминий не такой прочный и, следовательно, более склонен к необратимой деформации под нагрузкой.Однако крупнозернистый алюминий имеет преимущества с точки зрения обрабатываемости, закаливаемости и ковкости. Также они по-разному реагируют на температуру. При комнатной температуре мелкозернистый алюминий прочнее и тверже, но при более высоких температурах крупнозернистый алюминий имеет лучшее сопротивление ползучести. В общем, простая формула может определить взаимосвязь: прочность металла обратно пропорциональна квадратному корню из размера зерна.

Температура – еще один фактор, который влияет на механические свойства металла, включая предел прочности и упругости.Термическая обработка является важным этапом во многих промышленных процессах, поскольку она может значительно улучшить механические свойства алюминия и других металлов, такие как пластичность, прочность на разрыв, ударная вязкость и ударопрочность.

Термическая обработка алюминиевых сплавов дает множество преимуществ. Он может улучшить зернистость и улучшить обрабатываемость. Обрабатываемый металл вызывает внутреннее напряжение как при высоких, так и при низких температурах, и термическая обработка является одним из способов ослабить это напряжение.Дополнительные преимущества включают модифицированную структуру зерна и улучшенную коррозионную стойкость, а также более желательные химические, магнитные, электрические и термические свойства.

Атмосферная коррозия – серьезная проблема для металлов, и производители должны уделять ей особое внимание. Большинство металлов окисляются при длительном воздействии атмосферы. Это окисление металлической поверхности создает пленку, особенно в присутствии влаги, диоксида серы и сероводорода, и снижает удельное электрическое сопротивление материала.

Атмосферное воздействие зависит от ряда факторов, включая характеристики металла, качество защитной поверхностной пленки, наличие определенных агентов, которые могут уменьшить любые коррозионные эффекты, а также наличие поверхностных трещин или неоднородностей. И снова выбор правильного алюминиевого сплава зависит от знания того, каким условиям окружающей среды он будет подвергаться в течение всего срока службы изделия.

Низкие и высокие температуры по-разному влияют на алюминиевые сплавы в зависимости от механических свойств.Для низких температур, как правило, снижение температуры означает увеличение предела прочности на разрыв и предела текучести. Алюминиевые сплавы, а также никель и медь сохранят большую часть своей вязкости и пластичности при низких температурах. При экстремально низких температурах, ниже -100 градусов Цельсия, цветные металлы сохраняют свои свойства лучше, чем черные металлы. Низкая температура также может привести к стабилизации низких тепловых колебаний и параметров решетки.

При высоких температурах, с другой стороны, напряжение поля и прочность на растяжение уменьшаются с повышением температуры, как и жесткость и напряжение разрушения.Высокие температуры особенно влияют на сталь, и ее ударная вязкость снижается. Это связано с тем, что с повышением температуры происходит коррелированное усиление тепловых колебаний атомов, что вызывает изменения структурных свойств металла. Между тем, многие алюминиевые сплавы сохранят свои механические свойства при высоких температурах.

Алюминий обладает множеством механических свойств, которые делают его востребованным в промышленных процессах. Он легкий по сравнению со сталью, медью и латунью и обладает превосходной коррозионной стойкостью в различных условиях окружающей среды.Он обладает высокой отражательной способностью, что делает его отличным выбором для декоративных применений. И, несмотря на меньшую плотность, многие алюминиевые сплавы действительно могут превосходить сталь по прочности. Он сохраняет свою прочность при низких температурах и является отличным проводником тепла и электричества, что делает его отличным выбором для электронных устройств. При сравнении при равном весе проводимость алюминия составляет 204% от проводимости меди. Он легко полируется и обеспечивает большую обрабатываемость. И он нетоксичен, что означает, что его можно использовать для многих продуктов питания и напитков.Кроме того, алюминий легко перерабатывать.

Алюминиевые сплавы – это надежный, адаптируемый и высококачественный вариант для ваших производственных нужд. Clinton Aluminium следует философии «Правильный сплав для правильного применения», и мы гордимся тем, что являемся техническим партнером наших поставщиков и клиентов.

металлургия | Определение и история

Использование металлов в настоящее время является кульминацией долгого пути развития, продолжающегося примерно 6 500 лет.Принято считать, что первыми известными металлами были золото, серебро и медь, которые находились в самородном или металлическом состоянии, причем самыми ранними из них, по всей вероятности, были самородки золота, найденные в песках и гравии русел рек. Такие самородные металлы стали известны и ценились за их декоративные и утилитарные ценности во второй половине каменного века.

Ранняя разработка

Золото можно агломерировать в более крупные куски холодным молотком, а самородная медь – нет, и важным шагом на пути к эпохе металлов было открытие, что металлам, таким как медь, можно придавать форму путем плавления и литья в формах; Среди самых ранних известных изделий этого типа – медные топоры, отлитые на Балканах в IV тысячелетии до нашей эры.Следующим шагом стало открытие возможности извлечения металлов из металлосодержащих минералов. Они были собраны, и их можно было отличить по цвету, текстуре, весу, цвету пламени и запаху при нагревании. Заметно больший выход, полученный при нагревании самородной меди с соответствующими оксидными минералами, мог привести к процессу плавки, поскольку эти оксиды легко восстанавливаются до металла в угольном слое при температурах, превышающих 700 ° C (1300 ° F), в качестве восстановителя. , окись углерода, становится все более стабильной.Чтобы осуществить агломерацию и отделение расплавленной или плавленной меди от связанных с ней минералов, необходимо было ввести оксид железа в качестве флюса. Этот дальнейший шаг вперед можно объяснить присутствием госсановых минералов оксида железа в выветрившихся верхних зонах месторождений сульфида меди.

Во многих регионах медно-мышьяковые сплавы, превосходящие медь по свойствам как в литой, так и в деформируемой форме, были произведены в следующий период. Сначала это могло быть случайным из-за сходства цвета и цвета пламени между ярко-зеленым минералом карбоната меди малахитом и выветрившимися продуктами таких минералов сульфида меди и мышьяка, как энаргит, и, возможно, позже за этим последовал целенаправленный отбор. соединений мышьяка из-за запаха чеснока при нагревании.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Содержание мышьяка варьировалось от 1 до 7 процентов, с оловом до 3 процентов. Медные сплавы, практически не содержащие мышьяка, с более высоким содержанием олова – другими словами, настоящая бронза – появились между 3000 и 2500 годами до нашей эры, начиная с дельты Тигра и Евфрата. Ценность олова могла быть открыта благодаря использованию станнита, смешанного сульфида меди, железа и олова, хотя этот минерал не так широко доступен, как основной минерал олова, касситерит, который, должно быть, был конечным источником металла.Касситерит поразительно плотный и встречается в виде гальки в аллювиальных отложениях вместе с арсенопиритом и золотом; в определенной степени это также встречается в упомянутых выше госсанах из оксида железа.

Несмотря на то, что бронза могла развиваться независимо в разных местах, наиболее вероятно, что культура бронзы распространилась через торговлю и миграцию народов с Ближнего Востока в Египет, Европу и, возможно, Китай. Во многих цивилизациях производство меди, мышьяковистой меди и оловянной бронзы продолжалось некоторое время вместе.Возможное исчезновение медно-мышьяковых сплавов трудно объяснить. Производство могло быть основано на минералах, которые не были широко доступны и стали дефицитными, но относительный дефицит оловянных минералов не препятствовал существенной торговле этим металлом на значительных расстояниях. Возможно, что в конечном итоге предпочтение было отдано оловянной бронзе из-за вероятности отравления мышьяком от паров, образующихся при окислении минералов, содержащих мышьяк.

По мере того, как выветрившиеся медные руды в данных местах разрабатывались, более твердые сульфидные руды под ними добывались и плавились.Используемые минералы, такие как халькопирит, сульфид меди и железа, нуждались в окислительном обжиге для удаления серы в виде диоксида серы и получения оксида меди. Это потребовало не только более высокого металлургического мастерства, но и окисления тесно связанного железа, что в сочетании с использованием флюсов оксида железа и более жесткими восстановительными условиями, создаваемыми улучшенными плавильными печами, привело к более высокому содержанию железа в бронзе.

Невозможно провести резкое разделение между бронзовым и железным веками.Небольшие куски железа могли быть произведены в медеплавильных печах, поскольку использовались флюсы оксида железа и железосодержащие сульфидные руды меди. Кроме того, более высокие температуры печи создали бы более сильные восстановительные условия (то есть более высокое содержание монооксида углерода в топочных газах). Первый кусок железа, найденный на железнодорожных путях в провинции Дренте, Нидерланды, был датирован 1350 годом до н. Э., Датой, обычно считающейся средним бронзовым веком для этой местности. С другой стороны, в Анатолии железо использовалось еще в 2000 году до нашей эры.Иногда встречаются упоминания о железе и в более ранние периоды, но этот материал имел метеоритное происхождение.

После того, как была установлена ​​связь между новым металлом, обнаруженным в медных расплавах, и рудой, добавленной в виде флюса, естественно последовала работа печей для производства одного железа. Конечно, к 1400 г. до н. Э. В Анатолии железо приобрело большое значение, а к 1200–1000 гг. До н. Э. В довольно широких масштабах превратилось в оружие, первоначально лезвия кинжалов.По этой причине 1200 г. до н.э. был принят за начало железного века. Свидетельства раскопок указывают на то, что искусство производства железа зародилось в горной стране к югу от Черного моря, в районе, где преобладали хетты. Позже это искусство, по-видимому, распространилось среди филистимлян, поскольку в Гераре были обнаружены неочищенные печи, датируемые 1200 годом до н. Э., Вместе с рядом железных предметов.

Плавка оксида железа с древесным углем требовала высокой температуры, и, поскольку температура плавления железа 1540 ° C (2800 ° F) в то время была недостижима, продукт представлял собой просто губчатую массу пастообразных шариков металла, смешанных с полужидкий шлак.Этот продукт, позже известный как блюм, вряд ли можно было использовать в том виде, в каком он стоял, но повторный нагрев и обработка горячим молотком удалили большую часть шлака, создав кованое железо, гораздо более качественный продукт.

На свойства железа сильно влияет присутствие небольшого количества углерода, при этом значительное увеличение прочности связано с содержанием менее 0,5%. При достижимых в то время температурах – около 1200 ° C (2200 ° F) – при восстановлении древесным углем получалось почти чистое железо, которое было мягким и имело ограниченное применение в оружии и инструментах, но когда соотношение топлива к руде было увеличено и вытяжка печи усовершенствованный с изобретением более совершенного сильфона, железо поглотило больше углерода.Это приводило к появлению блюмов и продуктов из железа с различным содержанием углерода, что затрудняло определение периода, в течение которого железо могло быть намеренно упрочнено за счет науглероживания или повторного нагрева металла в контакте с избытком древесного угля.

Углеродсодержащее железо имело еще одно большое преимущество, заключающееся в том, что, в отличие от бронзы и безуглеродистого железа, его можно было сделать еще более твердым путем закалки, то есть быстрого охлаждения путем погружения в воду. Нет никаких доказательств использования этого процесса закалки в раннем железном веке, так что он, должно быть, был либо неизвестен тогда, либо не считался выгодным, поскольку закалка делает железо очень хрупким и должно сопровождаться отпуском или повторным нагревом в более низкая температура для восстановления прочности.То, что, кажется, было установлено на раннем этапе, было практикой многократной холодной ковки и отжига при 600–700 ° C (1100–1300 ° F) – температуре, которая достигается естественным путем при простом огне. Эта практика распространена в некоторых частях Африки даже сегодня.

К 1000 году до нашей эры железо стало известно в Центральной Европе. Его использование медленно распространилось на запад. Производство железа было довольно широко распространено в Великобритании во время римского вторжения в 55 г. до н. Э. В Азии железо было известно еще в древности, в Китае около 700 г. до н. Э.

Механические свойства металлов

Механические свойства металлов определяют диапазон полезности металла и устанавливают ожидаемую службу. Механические свойства также используются для определения и идентификации металлов. Наиболее распространенными рассматриваемыми свойствами являются прочность, твердость, пластичность и ударопрочность.

Механические свойства металлов определяют диапазон использования. металла и установить сервис, которого можно ожидать.Механический свойства также используются для определения и идентификации металлов. Большинство общие рассматриваемые свойства: прочность, твердость, пластичность и ударопрочность. сопротивление.

Прочность

Сила металла – это его способность противостоять воздействию внешних сил без поломки. Предел прочности на разрыв, также называемый пределом прочности, это максимальная прочность, развиваемая в металле при испытании на растяжение. В испытание на растяжение – это метод определения поведения металла под фактическая растягивающая нагрузка.Этот тест обеспечивает предел упругости, удлинение, предел текучести, предел текучести, предел прочности и уменьшение площади. Испытания на растяжение обычно проводятся в стандартизированных при комнатной температуре, но также можно производить при повышенных температурах.

Многие машины для испытаний на растяжение оборудованы для построения кривой, которая показывает нагрузка или напряжение, а также напряжение или движение, возникающие во время теста операция. В процессе тестирования нагрузка увеличивается постепенно и образец будет растягиваться или удлиняться пропорционально растягивающей нагрузке.

Образец будет удлиняться прямо пропорционально нагрузке во время упругий участок кривой до точки А. В этой точке образец продолжит удлинение, но без увеличения нагрузки. Это известен как предел текучести стали и является концом эластичного часть. В любой точке до точки A, если нагрузка устранена, образец вернется к своему первоначальному размеру.

Урожайность происходит из точки А в точку Б, и это область Пластическая деформация.Если бы нагрузка была снята в точке B, то образец не вернется к своему первоначальному размеру, а вместо этого взять перманентный набор. После точки B нагрузку необходимо увеличить до далее растяните образец.

Нагрузка увеличится до точки C, которая является пределом прочности материал. В точке C образец сломается, и нагрузка больше не будет унесенный. Предел прочности материала на разрыв достигается за счет деление предельной нагрузки на площадь поперечного сечения исходного образец.Это обеспечивает предел прочности на разрыв в Ньютонах на квадратный миллиметр (мегапаскали, МПа) или фунтов на квадратный дюйм.

Предел текучести или предел текучести получают путем деления нагрузки на предел текучести. или в точке А по исходной площади. Это дает цифру в фунтах на квадратный дюйм или МПа. Чрезвычайно пластичные металлы не имеют предела текучести. Они растягиваются или прогибаются при малых нагрузках. Для этих металлов предел текучести равен определяется изменением удлинения.Две десятых процента удлинение произвольно устанавливается как предел текучести. Предел текучести это предел, на котором рассчитываются конструкции.

Пластичность

Пластичность металла – это свойство, которое позволяет ему растягиваться. или иным образом изменить форму без разрушения и сохранить измененные форма после снятия нагрузки.

Пластичность металла можно определить с помощью испытания на растяжение. Это выполняется путем определения процента удлинения.Маркировочные метки делаются двумя дюймы друг от друга в точке, где произойдет разрушение. Увеличение расчетная длина, относящаяся к исходной длине, умноженная на 100, является процентным соотношением удлинения. Для этого нужно сделать отметки кернером на расстоянии двух дюймов друг от друга. на уменьшенном участке тестового купона, тестируем купон, плотно удерживая две части вместе и повторно измеряя расстояние между отметки кернера. Исходные два дюйма вычитаются из измеренная длина и разница делится на два и умножается на 100, чтобы получить процент удлинения.

Уменьшение площади

Уменьшение площади является еще одним показателем пластичности и достигается за счет испытание на растяжение путем измерения исходной площади поперечного сечения образца и соотнесение его с площадью поперечного сечения после разрушения.

Для круглого образца измеряется диаметр и поперечное сечение. рассчитывается площадь. После того, как испытательный стержень сломан, измеряется диаметр. в самой маленькой точке. Снова рассчитывается площадь поперечного сечения. Разница в площади делится на исходную площадь и умножается. на 100, чтобы получить процентное уменьшение площади.Эта цифра имеет меньшее значение, чем удлинение, но обычно сообщается, когда приведены механические свойства металла.

Образец для испытания на растяжение также обеспечивает другое свойство металла. известен как его модуль упругости, также называемый модулем Юнга. Этот – отношение напряжения к упругой деформации. Это относится к наклон кривой к пределу текучести. Модуль упругости равен важен для дизайнеров и включен во многие формулы дизайна.

Твердость

Твердость металла определяется как сопротивление металла местное проникновение более твердого вещества. Твердость металлов измеряется путем вдавливания шарика из закаленной стали или алмаза в поверхность образец под определенным весом в машине для определения твердости.

Бринелля – один из самых популярных типов машин для измерения твердость. Он обеспечивает число твердости по Бринеллю (BHN), которое находится в килограммов на квадратный миллиметр в зависимости от нагрузки, приложенной к закаленной мяч в килограммах и делится на площадь отпечатка, оставленного мяч в квадратных миллиметрах.

Есть несколько других систем измерения твердости. Популярная машина – это твердомер по Роквеллу, в котором используется алмаз, в поверхность образца. Различные нагрузки используются для обеспечения разномасштабные. Для более мягких материалов используются меньшие нагрузки. Другой метод с помощью машины твердости Виккерса, которая считывает непосредственно, как алмаз вдавливается в поверхность металла. Другой способ – это Береговый склероскоп, в котором используется небольшой падающий груз, который подпрыгивает от поверхности металла, обеспечивающего меру твердости.

Ударопрочность

Стойкость металла к ударам оценивается по ударной вязкости. Металл может обладать удовлетворительной пластичностью при статических нагрузках, но может выходят из строя при динамических нагрузках или ударах.

Ударную вязкость чаще всего определяют с помощью теста Шарпи. Иногда бывает измеряется тестом Изоде. Оба типа тестов используют один и тот же тип маятниковая испытательная машина. Образец для испытаний по Шарпи представляет собой балку, поддерживаемую на обоих концах и содержит выемку в центре.Образец помещен по опорам и ударил маятником по стороне, противоположной выемке. Чрезвычайно важны точность и расположение надреза. Там несколько типов образцов Шарпи; тип V-образной выемки – самый популярный.

Ударная вязкость металла определяется измерением энергии впитывается в перелом. Это равно весу маятника. умноженное на высоту, на которой маятник выпущен, и высоту до маятник качается после удара по образцу.В стандартном Метрическая практика, ударопрочность измеряется двумя способами. Один, в Джоулях на основе поглощенной энергии и, во-вторых, в Джоулях на квадратный сантиметр площадь поверхности излома или площадь поперечного сечения под выемка. В англо-саксонских терминах ударная вязкость – это фунт-фут. поглощенной энергии.

Справочник по типам металлов и сплавов: свойства и применение

Таблица с механическими свойствами обычных типов металлов. Значения зависят от термической обработки, механического состояния или массы металла.

Прочность – это способность металла избегать структурных повреждений за счет устойчивости к внешним напряжениям или нагрузкам. Удельное напряжение, измеряемое в фунтах на квадратный дюйм, является пределом прочности. При испытании на растяжение материал не может разорваться при медленном приложении большой нагрузки.

Самое сильное известное вещество – вольфрам-молибден. Следующими по прочности идут технически чистые металлы, никель и титан.
Чистое железо – более слабый материал. Однако железо, легированное углеродом (также известное как сталь), прочнее всех металлов, кроме вольфрама.

1. 1. Прочность на разрыв :

      Что такое предел прочности на разрыв или предел прочности?

      Прочность на растяжение определяется как максимальная нагрузка при растяжении, которую материал может выдержать до разрушения, или способность материала сопротивляться растяжению под действием противоположных сил. Также известный как предел прочности, это максимальная прочность, развиваемая в металле при испытании на растяжение.

      Прочность металла на растяжение – это количество фунтов силы, необходимое для разрыва стержня из материала 1.0 дюймов в ширину и 1,0 дюйма в толщину

      Как определяется предел прочности металла при растяжении?

      Поведение металла при действительной растягивающей нагрузке называется испытанием на растяжение. Этот тест определяет предел упругости, уменьшение площади, предел текучести, предел текучести и удлинение металла. Значение присваивается прочности металла (предел прочности), выраженное в килопаскалах (кПа) или фунтах на квадратный дюйм (psi). Выражаясь по-другому; Предел прочности на разрыв – это сила в фунтах, необходимая для того, чтобы взять кусок материала и разорвать его 24.Ширина 5 мм (1 дюйм) и толщина 25,4 мм (1,0 дюйм)

   2. Прочность на сдвиг :

      Что означает прочность на сдвиг?

      Способность металла сопротивляться разрушению противоположными силами, действующими не по прямой линии, или сопротивляться разрушению противоположными силами, действующими по прямой линии, но не в той же плоскости, является прочностью на сдвиг.

      Прочность на сдвиг – это способность металла сопротивляться разрушению противодействующими силами, действующими не по прямой линии, или способность материала противостоять разрушению противодействующими силами, действующими по прямой линии, но не в той же плоскости.

   3. Усталостная прочность :

      Что такое определение усталостной прочности металла?

      При большом количестве поворотов максимальная нагрузка, которую материал может выдержать без разрушения, – это усталостная прочность.

      Вращающийся вал, поддерживающий груз, имеет сжимающие силы в нижней части вала и растягивающие силы в верхней части вала. При вращении вала происходит повторяющееся циклическое изменение прочности на сжатие и растяжение. Конструкция таких конструкций, как крылья самолета, которые подвергаются быстро меняющимся нагрузкам, требует значений усталостной прочности. На усталостную прочность влияют состояние поверхности, микроструктура, холодная обработка и коррозионная среда.

      При частом повторении напряжения некоторые металлы выйдут из строя или разорвутся, даже если достаточное напряжение может не привести к остаточной деформации при непрерывном воздействии в течение относительно короткого времени.Повторение напряжений может происходить в таких местах, как хвостовик перфоратора. Чередование стрессов может привести к отказу быстрее, чем повторение стресса. Под вариациями напряжения понимается попеременное сжатие и растяжение любого материала. Определение усталости – это разрушение сплавов и металлов, которые подвергаются переменным или повторяющимся напряжениям, слишком малым для создания остаточной деформации при статическом воздействии.

   4. Прочность на сжатие :

      Что означает прочность на сжатие?

      Максимальная нагрузка при сжатии, которую материал будет выдерживать заданную величину деформации, или способность материала выдерживать давления, действующие в заданной плоскости, является прочностью на сжатие.

      Прочность на сжатие как чугуна, так и бетона превышает их предел прочности на разрыв. Для большинства материалов верно обратное.

Способность выдерживать давление в заданной плоскости или максимальную нагрузку при сжатии, которую материал будет выдерживать до того, как заданная величина деформации станет прочностью на сжатие.

Эластичность

Что такое эластичность металла?

Способность металла возвращаться к своему первоначальному размеру, форме и размерам после того, как он потерял форму, растянулся или деформировался, является эластичностью.Точка, в которой начинается необратимое повреждение, является пределом упругости. Точка, когда определенное повреждение происходит при небольшом увеличении нагрузки или без увеличения нагрузки, является пределом текучести. Количество фунтов на квадратный дюйм (килопаскали), необходимое для деформации или повреждения до предела текучести, называется пределом текучести.

Что такое модуль упругости?

Отношение внутреннего напряжения к производимой деформации является модулем упругости. Он выражает жесткость материала.Для стали и большинства металлов это свойство является постоянным, и на него очень мало влияет термическая обработка, горячая или холодная обработка или фактический предел прочности металла.

Что такое закон Гука?

Согласно закону Гука: «Степень, в которой упругое тело изгибается или растягивается, принимая форму, прямо пропорциональна силе (напряжению), действующей на него». Но этот закон применяется только в определенном диапазоне.

Пластичность

Какое определение пластичности металла?

Свойство, которое позволяет металлу растягиваться без разрыва или изменяться, но при этом не ломаться, называется пластичностью металла.Это способность материала, такого как медь, постоянно растягиваться или вытягиваться без разрушения. Испытание на растяжение может определить пластичность металла путем измерения процента удлинения. Недостаток пластичности – это когда вы не видите необратимых повреждений до того, как металл сломается или потрескается (например, в чугуне).

В частности, способность вытягиваться от большего диаметра к меньшему диаметру проволоки – это пластичность. Эта операция предполагает как удлинение, так и уменьшение площади.

Пластичность – это способность металла такого типа, как медь, вытягиваться или растягиваться под нагрузкой растяжения и постоянно деформироваться без разрушения или разрыва.

Пластичность

Что такое пластичность металла?

Пластичность – это способность металла, такого как свинец, серебро или золото, сильно деформироваться без разрушения. Пластичность подобна пластичности.

Пластичность вместе с прочностью считается двумя наиболее важными свойствами, которыми может обладать металл.

Ковкость

Ковкость – это способность материала постоянно деформироваться при сжатии без разрушения или разрыва. Именно это свойство позволяет прокатывать и штамповать металлы в тонкие листы.

Ковкость – это свойство металла, когда он может быть деформирован или сжат в прокатные листы

Большинство металлов обладают повышенной пластичностью и пластичностью при более высоких температурах. Например, железо и никель очень пластичны при нагревании до ярко-красного цвета.

Различные металлы не обладают одинаковыми двумя свойствами ковкости и пластичности в одинаковой степени. Олово, серебро, свинец и золото обладают высокой пластичностью. Золото обладает исключительной пластичностью, и его можно свернуть в листы, достаточно тонкие, чтобы пропускать свет. Олово и свинец относительно пластичны, но не имеют прочности на разрыв, необходимой для превращения их в тонкую проволоку.

Уменьшение площади

Это показатель пластичности. Он берется из испытания на растяжение после разрушения путем записи исходной площади поперечного сечения образца в площадь поперечного сечения.

Хрупкость

Свойство, противоположное пластичности или пластичности, – хрупкость. Он может лопнуть при небольшой деформации. Твердые металлы часто бывают хрупкими. Термины не должны быть синонимами или путать. Хрупкий металл – это металл, который не может быть заметно деформирован навсегда, или металл, не обладающий пластичностью.

Хрупкость металла, продемонстрированная неисправностью

Внезапный отказ называется «хрупкостью». Это происходит, когда металл ломается без предупреждения или без постоянно видимой деформации.Когда металл достигает предела упругости, он не имеет большого сопротивления разрыву.

Прочность

Прочность – это сочетание средней пластичности и высокой прочности. Это способность материала или металла сопротивляться разрушению, а также способность противостоять разрушению после того, как повреждение началось. Закаленный металл, такой как холодное долото, может выдерживать значительные нагрузки, внезапные, медленные или приложенные, и которые деформируются до выхода из строя. Прочность – это способность материала противостоять началу постоянной деформации, а также способность противостоять ударам или поглощать энергию.

Способность материала поглощать энергию, включая энергию как пластической деформации, так и упругости, при постепенно прикладываемой нагрузке, называется ударной вязкостью. Вообще говоря, вязкость относится как к пластичности, так и к прочности. Таким образом, низкопрочное легко деформируемое вещество оказывается вязким. Материал высокой прочности, но с небольшой пластичностью, такой как закаленная инструментальная сталь, также не является прочным. Настоящий прочный металл – это такой металл, который быстро распределяет внутри себя как результирующую деформацию, так и напряжение, вызванное быстро приложенной нагрузкой.

Обрабатываемость и свариваемость

Свойство обрабатываемости и свариваемости – это легкость или сложность, с которыми типы металлов поддаются механической обработке или сварке.

Сопротивление

Определение сопротивления истиранию

Сопротивление трению – это сопротивление истиранию.

Накладная изнашиваемая пластина из карбида хрома для обеспечения устойчивости к истиранию

Определение коррозионной стойкости и усталости

Устойчивость к атмосферному износу или разъеданию, влаге или другим агентам, таким как кислота, является коррозионной стойкостью.

Коррозионно-стойкие алюминиевые панели

Типом усталостного разрушения является коррозионная усталость, при которой предел выносливости снижается из-за коррозии с образованием ямок, которые действуют как центры развития усталостных трещин. Более того, когда усталостные напряжения разрушают любую металлическую защитную пленку, коррозия создает полости, которые распространяются через трещины в пленке, действуя как стрессоры.

Если изношенная металлическая деталь подвергается воздействию коррозионных агентов, таких как масло, не очищенное от кислоты или влажной атмосферы, напряжение, необходимое для разрушения, снижается.Удельное напряжение прочной термически обработанной легированной стали, подверженной коррозионной усталости, будет не более, чем относительно слабой конструкционной стали. Важно защитить поверхности материалов, подверженные усталости, от коррозии путем гальванизации и гальванизации.

Ударопрочность

Стойкость металла к ударам оценивается по ударной вязкости. Металл может обладать удовлетворительной пластичностью при статических нагрузках, но может разрушиться при динамических нагрузках или ударах. Ударная вязкость металла определяется путем измерения энергии, поглощенной в трещине.

Твердость

Что такое твердость металла?

Способность металла сопротивляться проникновению и износу другим металлом или материалом называется твердостью. Чтобы выдержать тяжелые удары, требуется сочетание прочности и твердости. Твердость металла ограничивает легкость его обработки, поскольку твердость увеличивается с уменьшением вязкости.

Термическая обработка может привести к упрочнению стали. Причина термической обработки стали состоит в том, чтобы сделать сталь более подходящей, структурно и физически, для каждого конкретного применения.

В таблице ниже показана твердость различных металлов.

Твердость – это способность металла сопротивляться износу и проникновению другим металлом или материалом. Чтобы выдержать тяжелые удары, требуется сочетание твердости и прочности.

Продолжение таблицы преобразования твердости металла

Типы металлов: испытания на твердость

• Испытание на твердость по Бринеллю : шарик из закаленной стали медленно прижимается известной силой к испытуемой металлической поверхности.Измеряется диаметр вмятины на поверхности. По стандартным таблицам определяется число твердости по Бринеллю (bhn).
• Испытание на твердость по Роквеллу: В этом испытании измеряется любое отклонение между глубиной, на которую контрольная точка вдавливается в металл легкой нагрузкой, и глубиной, на которую она вдавливается тяжелой нагрузкой. Сначала применяется легкая нагрузка. Затем, удерживая деталь в неподвижном состоянии, прикладывается большая нагрузка. Циферблат показывает номер твердости. Буквенные обозначения, такие как B и C по шкале Роквелла, указывают количество тяжелой нагрузки и тип используемого пенетратора.
• Тест на твердость склероскопом: Твердость измеряется с помощью молотка с алмазным наконечником, который падает под собственным весом с фиксированной высоты и отскакивает от поверхности. Шкала измеряет отскок от гладкой поверхности.

Механические свойства металлов

(в порядке собственности)

Как идентифицировать металлы

Когда вы выбираете типы металлов для использования в производстве, для выполнения механического ремонта или даже для определения того, поддается ли металл сварке, вы должны быть в состоянии определить его основной тип.Некоторые методы полевой идентификации металла могут использоваться для идентификации куска металла. Вот некоторые распространенные методы:

• внешний вид поверхности
• искровое испытание
• чип тест
• магнитный тест
• испытание на твердость

Бесплатные брошюры по типам металлов

Типы металла: характеристики, плюсы и минусы каждого типа, общее использование

Механические свойства металлов: таблица с ранжированием металлов на основе механических свойств

Список литературы

Структура металлов
Иллинойсский университет

Металлы и сплавы
Химические реакции, механизмы, органическая спектроскопия

Механические свойства металлов – Weld Guru

Механические свойства металлов определяют диапазон полезности металла и устанавливают ожидаемый сервис.

Другими словами, это относится к тому, как металлы будут реагировать на внешние нагрузки.

Это включает в себя то, как они деформируются (скручиваются, сжимаются, удлиняются) или ломаются в зависимости от приложенной температуры, времени, нагрузки и других условий.

Механические свойства также используются для определения и идентификации металлов.

Они важны при сварке, потому что сварной шов должен обеспечивать те же механические свойства, что и соединяемые основные металлы.

Адекватность сварного шва зависит от того, обеспечивает ли он свойства, равные или превосходящие свойства соединяемых металлов.

Механические свойства характеризуются напряжением и деформацией (растяжение, сжатие, сдвиг, кручение), упругой деформацией и пластической деформацией (предел текучести, предел прочности, пластичность, вязкость, твердость).

• Твердость : Устойчивость к истиранию и вдавливанию.
• Прочность и устойчивость : Измерение того, как металл поглощает энергию
• Пластичность : мера способности пластической деформации без разрушения (деформация разрушения, уменьшение площади, удлинение)
• Прочность : текучесть при сдвиге, стойкость, разрушение, текучесть, предел прочности – измеряется как напряжение
• Жесткость : модуль Юнга или модуль упругости
• Нагрузка : растяжение (растяжение на каждом конце металлического стержня является пределом прочности), сжатие, сдвиг, кручение)
• Напряжение и деформация : растяжение и сжатие, сдвиг и кручение

Механические свойства металлов почти всегда выражаются в МПа или Ksi.(1000 фунтов / кв. Дюйм = 1 тыс. Фунтов / кв. Дюйм = 6,89 МПа).

Подробнее о каждой концепции механических свойств металлов читайте ниже.

Современная система испытаний материалов. Экстензометр прикреплен к металлическому образцу для испытания механических свойств металла.

Таблица механических свойств металлов

Механические свойства металлов. Значения зависят от термической обработки, механического состояния или массы металла.

Напряжение и деформация

Напряжение и деформация металла являются одними из основных механических свойств металлов.Еще один способ подумать об этой концепции – нагрузка / площадь. Деформацию металла можно измерить напрямую, а напряжение – нет.

• Деформация: деформация детали / исходная длина
• Напряжение: скручивающее, сдвигающее и прямое

Примеры прямого напряжения на металле

Прочность металла на растяжение

Типичная универсальная испытательная машина

Прочность на растяжение определяется как максимальная нагрузка при растяжении, которую материал выдержит до разрушения, или способность материала сопротивляться растяжению под действием противоположных сил.

Также известный как предел прочности, это максимальная прочность, развиваемая в металле при испытании на растяжение. (Испытание на растяжение – это метод определения поведения металла при действительной растягивающей нагрузке.

Это испытание определяет предел упругости, удлинение, предел текучести, предел текучести, предел прочности при растяжении и уменьшение площади.) Предел прочности на разрыв – это значение, которое чаще всего указывается для прочности материала и выражается в фунтах на квадратный дюйм ( psi) (килопаскали (кПа)).

Предел прочности на разрыв – это сила в фунтах, необходимая для разрыва бруска материала шириной 1,0 дюйма (25,4 мм) и толщиной 1,00 дюйма (25,4 мм) (см. Рисунок 7-1 ниже).

Прочность металла на растяжение – Рис. 7-1

Прочность на сдвиг

Напряжение сдвига и деформация

Прочность на сдвиг – это способность материала противостоять разрушению под действием противоположных сил, действующих по прямой линии, но не в одной плоскости, или способность металла сопротивляться разрушению противоположными силами, не действующими по прямой линии. линия (см. рисунок 7-2 ниже).

Диаграмма прочности металла на сдвиг – Рис. 7-2 Напряжение сдвига и деформация

Диаграмма: напряжение сдвига
, t = нагрузка сдвига / площадь
деформация сдвига, g = угол деформации (радианы) Модуль сдвига
, G = t / g (область упругости) )

Усталостная прочность

Усталостная прочность – это максимальная нагрузка, которую материал может выдержать без разрушения во время большого количества реверсивных нагрузок. Например, вращающийся вал, который поддерживает груз, имеет растягивающие силы в верхней части вала и сжимающие силы в нижней части.При вращении вала происходит повторяющееся циклическое изменение прочности на растяжение и сжатие. Значения усталостной прочности используются при проектировании крыльев самолетов и других конструкций, подверженных быстро меняющимся нагрузкам. На усталостную прочность влияют микроструктура, состояние поверхности, агрессивная среда и холодные работы.

Прочность на сжатие

Прочность на сжатие – это максимальная нагрузка при сжатии, которую материал может выдержать до заданной величины деформации, или способность материала выдерживать давления, действующие в заданной плоскости (рисунок 7-3).

Прочность на сжатие как чугуна, так и бетона превышает их предел прочности на разрыв. Для большинства материалов верно обратное.

Прочность металла на сжатие – Рисунок 7-3)

Эластичность

Коэффициент Пуассона, v

Эластичность – это способность металла возвращаться к своему первоначальному размеру, форме и размерам после деформации, растяжения или изменения формы.

• Предел упругости – это точка, при которой начинается необратимое повреждение.
• Предел текучести – это точка, в которой происходит определенное повреждение с небольшим увеличением нагрузки или без нее.
• Предел текучести – это количество фунтов на квадратный дюйм (килопаскали), необходимое для повреждения или деформации до предела текучести.

Измерено с использованием коэффициента Пуассона (отношение поперечной деформации к осевой), который утверждает, что когда металл деформируется в одном направлении, имеются соответствующие деформации во всех других направлениях.

Модуль упругости

Модуль упругости Диаграмма жесткости, напряжения и деформации

Модуль упругости – это отношение внутреннего напряжения к производимой деформации.

Упругая деформация

Закон Гука:

S = Ee

Понятие упругой деформации относится к деформации, которая не является постоянной.

Нагрузка на металл создает деформацию, которая возвращается к своей первоначальной форме и размерам при снятии нагрузки.

У большинства металлов упругая область линейна.

К нелинейным металлам относится чугун.

Закон Гука применяется к линейному упругому поведению, где E – модуль упругости.

Пластичность

Пластичность металла – AR% и ER%

Пластичность металла – это свойство, которое позволяет ему растягиваться или иным образом изменять форму без разрушения и сохранять измененную форму после снятия нагрузки.

Это способность материала, такого как медь, постоянно вытягиваться или растягиваться без разрушения.

Пластичность металла может быть определена испытанием на растяжение путем определения относительного удлинения.

Недостаток пластичности – это хрупкость или отсутствие видимых повреждений до того, как металл потрескается или сломается (например, у чугуна).

Уравнение удлинения

Деформация при разрыве при растяжении, выраженная в процентах:

((конечная измерительная длина – начальная измерительная длина) / начальная измерительная длина) x 100

Относительное удлинение в процентах – это показатель пластичности.

Уменьшение площади

Уменьшение площади поперечного сечения образца на растяжение при разрыве:

((начальная область – конечная область) / начальная область) x 100

Процентное уменьшение площади также является показателем пластичности.

Хрупкость

Хрупкость – это свойство, противоположное пластичности или пластичности.

Хрупкий металл – это металл, который нельзя постоянно деформировать визуально, или металл, не обладающий пластичностью.

• Металлы хрупкие: EL% <5% (приблизительно)
• Металлы являются пластичными, если EL%> 8% (приблизительно).

Хрупкие и пластичные материалы

Пластичность

Микроструктурные истоки пластичности металла

Пластичность – это способность металла сильно деформироваться без разрушения.Пластичность подобна пластичности.

Он измеряет скольжение, подъем и скольжение атомов в кристаллической структуре.

Подъем и скольжение происходят на дислокациях, в то время как скольжение происходит на границах зерен.

Ковкость

Ковкость – это еще одна форма пластичности, которая представляет собой способность материала постоянно деформироваться при сжатии без разрыва. Именно это свойство позволяет производить ковку и прокатку металлов в тонкие листы. Золото, серебро, олово и свинец являются примерами металлов, демонстрирующих высокую пластичность.Золото обладает исключительной пластичностью и может раскатываться в листы, достаточно тонкие, чтобы пропускать свет.

Уменьшение площади

Это мера пластичности, полученная в результате испытания на растяжение путем измерения исходной площади поперечного сечения образца до площади поперечного сечения после разрушения.

Устойчивость и прочность

Прочность – это сочетание высокой прочности и средней пластичности.

Это способность материала или металла сопротивляться разрушению, а также способность противостоять разрушению после того, как повреждение началось.

Прочный металл, такой как холодное долото, – это металл, который может выдерживать значительные нагрузки, медленно или внезапно прикладываемые, и который деформируется до выхода из строя.

Прочность – это способность материала противостоять началу необратимой деформации, а также способность противостоять ударам или поглощать энергию.

Обратите внимание, что уравнения прочности и устойчивости определяются как:

энергии на единицу объема

Уравнение прочности:

(Дж / м ³ или Н.мм / мм ³ = МПа)

Таблица ударной вязкости, Ut

Устойчивость – это мера способности материала поглощать энергию без пластической или остаточной деформации.

Уравнение устойчивости:

(Дж / м ³ или Н-мм / мм ³ = МПа)

Таблица упругости, Ur

Свариваемость и обрабатываемость

Свойство свариваемости и обрабатываемости – это сложность или легкость, с которой материал можно сваривать или обрабатывать.

Сопротивление истиранию

Устойчивость к истиранию – это сопротивление истиранию при трении.

Ударопрочность

Стойкость металла к ударам оценивается по ударной вязкости.

Металл может обладать удовлетворительной пластичностью при статических нагрузках, но может разрушиться при динамических нагрузках или ударах.

Ударная вязкость металла определяется путем измерения энергии, поглощенной в трещине.

Твердость

Твердость – это способность металла сопротивляться проникновению и износу другим металлом или материалом.

Требуется сочетание твердости и прочности, чтобы выдерживать тяжелые удары.

Твердость металла ограничивает легкость его обработки, поскольку ударная вязкость уменьшается с увеличением твердости.

В таблице 7-3 ниже показана твердость различных металлов.

Таблица преобразования твердости – Таблица 7-3 Таблица преобразования твердости – Таблица 7-3 (продолжение)

Упругая деформация

Понятие упругой деформации определяется законом Гука. Идея состоит в том, что упругая деформация непостоянна.

При снятии нагрузки деталь возвращается к своим первоначальным размерам и форме.

Испытания металлических жгутов

Испытание привязи по Бринеллю

В этом испытании шар из закаленной стали медленно прижимается известной силой к поверхности испытываемого металла.

Затем измеряется диаметр вмятины на поверхности и определяется число твердости по Бринеллю (bhn) по стандартным таблицам (см. Таблицу 7-3).

Испытание ремня безопасности по Роквеллу

Этот тест основан на разнице между глубиной, на которую контрольная точка врезается в металл легкой нагрузкой, и глубиной, на которую она врезается тяжелой нагрузкой.

Сначала прикладывается легкая нагрузка, а затем, не перемещая деталь, прикладывается тяжелая нагрузка.

Номер твердости автоматически указывается на циферблате.

Буквенные обозначения на шкале Роквелла, такие как B и C, указывают тип используемого пенетратора и величину тяжелой нагрузки (таблица 7-3).

Всегда используется одна и та же легкая нагрузка.

Тест на твердость склероскопом

Этот тест измеряет твердость, позволяя молотку с алмазным наконечником упасть под собственным весом с фиксированной высоты и отскочить от поверхности; отскок измеряется по шкале.

Используется на гладких поверхностях, где нежелательны вмятины.

Для дополнительного чтения

мех. Свойства металлов – Бор, Университет Вирджинии,

Анализ микроструктуры и механических свойств сплава ZCuPb20Sn5, армированного фосфором

Abstract

Было проведено исследование для оценки влияния содержания P на микроструктуру и механические свойства сплава ZCuPb20Sn5. Сплавы различного состава, (0.05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5% мас.% P) плавили в плавильной печи при температуре 1200 ° C и отливали в металлическую форму, проверяли твердость, прочность и удлинение отливок из сплавов, в которые добавляли или не добавляли P в процессе плавления. и была проанализирована зеркальная структура отливки. Результаты показывают, что вторая фаза появилась и постепенно увеличивалась в количестве с увеличением содержания элементов Р. Также была уточнена микроструктура сплава ZCuPb20Sn5, уменьшен средний размер включений свинца и образована дисперсная сетка эвтектоидных включений.Добавление P положительно сказалось на микроструктуре и свойствах сплава ZCuPb20Sn5. Твердость и предел прочности сплава ZCuPb20Sn5 увеличились, но относительное удлинение сначала увеличилось, а затем уменьшилось при увеличении содержания Р. Когда содержание P было менее 0,1 мас.%, Фосфорная медь в основном использовалась в качестве раскисляющего исходного газа, но при превышении 0,1 мас.%, Армирующая частица второй фазы образовывалась вместе с медью или никелем, что улучшало механические свойства. свойства сплава.Однако удлинение было снижено из-за хрупкой фосфидной фазы.

Условия темы: Металлы и сплавы, Дизайн, синтез и обработка

Введение

Сплавы

Cu широко используются благодаря соответствующим хорошим характеристикам литья, износостойкости, коррозионной стойкости и механическим свойствам. Сплавы меди часто используются в производстве различных машин для выдерживания больших нагрузок и высокоскоростной работы подшипников скольжения валов, таких как втулки и втулочные подшипники, а также в автомобилях, кораблях, металлургии, машиностроении и других отраслях промышленности.В связи с быстрым научно-техническим прогрессом, а также экономическим развитием, высокие требования к медным сплавам быстро возросли. ¹ . Бронзовые сплавы с высоким содержанием свинца и олова в настоящее время широко используются в подшипниках двигателей с высокими скоростными нагрузками, отличным сопротивлением сухому трению, высокой теплопроводностью и сопротивлением усталости ^{2 , 3} . В настоящее время одним из основных способов улучшения характеристик сплавов олово-бронза является добавление легирующих элементов, таких как редкоземельные элементы, Ni, Pb, Fe, Mn, Al и P ^{4 , 5} .М. Аксой ⁶ и Х. Турхан ⁷ изучали метод легирования матрицы путем добавления Fe, Mn, Si, P, S и других элементов в сплавы олово-бронза, в которых твердый Mn _{5 Дисперсные фазы} Si ₃ и Fe ₃ S, выделенные из матрицы, улучшили стойкость к спеканию и истиранию. Ци Чжань Цзюнь ⁸ изучил микроструктуру бронзового сплава с высоким содержанием свинца с различным содержанием свинца, серы и редкоземельных элементов, который продемонстрировал, что отсутствие добавления серы приводит к серьезной сегрегации свинца, возникающей при центробежном литье свинца с высоким содержанием свинца. бронзовые сплавы.Также сегрегация свинца была в виде комков и лент. При добавлении S. сегрегация свинца эффективно контролировалась. С добавлением редкоземельных элементов свинец полосы или блока в сплаве превратился в точечный или сферический свинец. В этом случае точечный или сферический свинец был распределен равномерно, в то время как степень сегрегации свинца уменьшалась по мере увеличения количества редкоземельных элементов. C Nobel ⁹ улучшил прочность на разрыв и износостойкость свинцово-оловянной бронзы за счет добавления следов редкоземельных элементов и свинца, которые улучшили микроструктуру и улучшили механические свойства.Предел прочности на разрыв бронзового сплава Pb-Sn достигал 192 МПа при температуре разливки, содержании лантана-церия-редкоземельного элемента и P составляло 1250 ° C, 0,2% и 0,5%, соответственно. При исследовании влияния следов Fe на микроструктуру и свойства полунепрерывного литья оловянной бронзы XY Mao ¹⁰ продемонстрировал, что добавление Fe играет очевидную роль в измельчении зерна, уменьшая размеры столбчатых кристаллов, наряду с напряжением микроструктуры, вызванным столбчатыми кристаллами, улучшая при этом последующую производительность обработки.

P играет особую роль в жаропрочных сплавах и обычно рассматривается как вредная неметаллическая примесь ^{11 , 12} . Однако опубликовано мало исследований и отчетов о роли и механизме P в жаропрочных сплавах. В последние годы значительное внимание уделяется роли P в сплавах как внутри страны, так и за рубежом. AM Dubey ¹³ и P Sahlot et al . ¹⁴ исследовали влияние P на свойства и сегрегацию суперсплавов.Был сделан вывод, что P в определенном диапазоне содержания также может значительно увеличить срок службы сплавов. Более того, добавление соответствующего количества P может улучшить свойства ползучести и разрыва сплавов ¹⁵ . Но область их применения ограничена из-за невысоких прочностных свойств ¹⁶ . В настоящее время применение P в сплавах свинцово-оловянной бронзы изучается редко. Следовательно, разумный контроль количества P в сплаве стал сложной проблемой.В американском стандарте ^{, 17, ,} , контроль содержания P связан с методом литья. При литье в песчаные формы содержание Р не превышает 0,5 вес.% т.%, Однако при непрерывной разливке содержание Р может достигать 1,5 вес.% т.%. Кроме того, для Соединенных Штатов в других национальных стандартах P добавляется к 0,1 против т.%. Для Японии содержание P в остаточных элементах контролируется на уровне 0,1%, но он упомянул, что в металлическом и центробежном литье содержание P может быть меньше 0.5 w t.%. В этой статье влияние P на структуру и свойства сплава свинцово-оловянной бронзы было в основном проанализировано на основе существующих результатов исследований, чтобы всесторонне понять эффект, функцию и механизм P на свинцово-оловянной бронзе ZCuPb20Sn5, а также для уточнения глубины или процесса текущего исследования наряду с существующими проблемами, чтобы разработать более целенаправленные будущие исследования.

Материалы и методы

Сплавы ZCuPb20Sn5 с различным содержанием фосфора (0.05, 0,1, 0,2, 0,3 и 0,5 ( мас. т.%) Были получены методом литья в металлическую форму. Бронза состоит из 20% масс. свинца 5% масс. олова, 2% масс. никеля 1,75% масс. цинка, а остальное – медь.

В качестве сырья выбраны электролитическая медь, свинцовый слиток, оловянный слиток, цинковый слиток, чистый никель (чистота 99,99%) и сплав P-меди с содержанием P 13,5 w т.%. Тугоплавкие никель и медь первоначально помещали в графитовые тигли и плавили в плавильной печи колодезного типа СГ2-12-13.P дважды добавляли в качестве раскислителя. Когда медный блок был полностью расплавлен, для начального раскисления добавляли 1 / 2-2 / 3 P-меди, тогда как оставшуюся P-медь добавляли впоследствии ко всем другим добавкам легирующих элементов. Легирующие элементы Pb, Zn, Sn и P добавляли последовательно в соответствии со значениями температуры плавления элементов от высокой до низкой. Когда температура расплава достигнет 1200 ° C, быстро вылейте жидкость в предварительно нагретую при высокой температуре металлическую форму и охладите до комнатной температуры.

Образцы были вырезаны, отполированы и макротравлены обычным металлургическим методом. Твердость на поверхности образца измеряли на твердомере по Бринеллю HB-3000B при нагрузке 250 кгс и продолжительности 30 с. Микротвердость измеряли в разных местах на поверхности каждого образца и рассчитывали среднее значение. Испытания на растяжение проводили на машине SANS-CMT5105 при температуре окружающей среды и скорости растяжения около 2,4 мм / мин. Микроструктуру наблюдали с помощью AXIO Scope.A1 и сканирующим электронным микроскопом (SEM) SU5000, Hitachi Inc., Токио, Япония, средний размер частиц, используя фотографию микроструктуры. Состав каждой фазы был определен с помощью энергодисперсионного спектрометра (EDS) SHIMAJZU. анализировали с помощью дифракции рентгеновских лучей (XRD) с использованием излучения CuKα, а угол дифракции (2θ) изменялся от 20 ° до 80 °. Кристаллические фазы идентифицировали с помощью карт базы данных JCPDS. Для измерения фигур полюсов также использовали дифракцию рентгеновских лучей при приложенном напряжении 45 кВ и токе 40 мА.

Результаты и обсуждение

Микроструктура

После полировки образца его наблюдали под микроскопом. И частицы свинца оценивались по стандарту оценки размера частиц графита. Изображение частиц свинца и данные были извлечены, как показано на фиг. Металлографическая фаза под полем зрения 50 раз была выбрана для оценки и анализа. Частицы разного цвета на рис. представлены частицы свинца, которые различаются по цвету и разным размерам.Можно было наблюдать, что крупные частицы свинца постепенно исчезали и превращались в очень мелкие частицы по мере увеличения содержания фосфора.

Изменение гранулометрического состава свинцово-оловянной бронзы с различным содержанием фосфора: ( a ) P = 0,0 w t.%; ( b ) P = 0,05 w т.%; ( c ) P = 0,1 w т.%; ( d ) P = 0,2 w т.%; ( e ) P = 0,3 w т.%; ( f ) P = 0.5 против т.%.

Карта распределения количества частиц свинца.

Когда фосфор не добавлялся, количество частиц в диапазоне 250–500 мкм составляет 4, количество уменьшается до 2 при содержании 0,05 мас.% P. При добавлении 0,1 мас.% P не происходило осаждения крупных частиц свинца. Хотя присутствовала частица свинца с содержанием 0,2 мас.%, Морфология была небольшой. Наблюдается, что после добавления фосфора не только крупные частицы были уменьшены, но также морфология крупных частиц была намного меньше, чем без добавления фосфора.Когда содержание добавленного P было более 0,2 мас.%, Частицы свинца размером 250–500 мкм отсутствовали; Было 84 частицы свинца диаметром 120–250 мкм без P, но их количество уменьшилось до 29, когда P было добавлено 0,05 мас.%. Затем, когда P увеличивалось, частицы постепенно уменьшались. В этом диапазоне было всего 7 частиц свинца, когда количество добавленного P составляло 0,5 мас.%. Как видно из рисунка, количество частиц свинца постепенно увеличивалось с увеличением содержания фосфора, особенно когда оно увеличивалось до 0.5 мас.% В диапазоне от 0–15 мкм до 15–30 мкм. Количество частиц свинца было наибольшим, а форма – наименьшей. Из этих данных можно было сделать вывод, что добавление фосфора могло улучшить морфологию частиц свинца, преобразовать большие нерегулярные частицы свинца в маленькие сферические частицы, и эффект сфероидизации был лучше.

СЭМ-микроструктуры сплава ZCuPb20Sn5 с различным содержанием фосфора (0, 0,05, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5 мас.%) Представлены на рис. 4 соответственно.Серые матрицы представляли собой твердый раствор α с медью в качестве матрицы, в то время как бело-серая дендритная массивная структура представляла собой богатый оловом твердый раствор, фаза (α + δ) с медью и оловом в качестве матрицы. Мелкие белые частицы были частицами свинца. Крупные белые массивные частицы представляли собой выращенные частицы свинца, внедренные в микроскопические поры.

Микроструктура ZCuPb20Sn5 с различным содержанием P: P = 0,0 мас.%; ( b ) P = 0,05 мас.%; ( с ) P = 0.1 мас.%; ( d ) P = 0,2 мас.%; ( e ) P = 0,3 мас.%; ( f ) P = 0,5 мас.%; ( г ) ЭЦП А; ( h ) EDS B.

Как видно из рис., Без добавления P большое количество свинца собиралось в микроскопических порах и образовывало большие частицы, прежде чем его можно было диспергировать, что привело к неравномерное распределение и высокая сегрегация свинца. На фиг. 2 большие частицы свинца уменьшились в размере при добавлении 0,05 мас.% Фосфора, большие сферические частицы начали разлагаться на мелкие червеобразные частицы.Бело-серые массивные (α + δ) эвтектоиды были распределены неравномерно и неоднородно. Когда содержание P составляло 0,1 мас.%, Как показано на рис. 1, крупные частицы свинца, по-видимому, уменьшались в размерах и продолжали трансформировать крупные сферические формы в червеобразные. . Одна часть бело-серого основного (α + δ) эвтектоида была неравномерно и неравномерно распределена, тогда как другая часть была равномерно распределена между дендритами. Когда P составлял 0,2 мас.% На рис., Сферические частицы в основном превратились в червеобразные. частицы.Объем бело-серых объемных (α + δ) эвтектоидов увеличивался и распределялся по дендритам. Кроме того, дендриты стали крупными. Когда P был добавлен до 0,3 мас.%, Частицы Pb изменились от червеобразных до относительно небольших сферических частиц, а серый массивный (α + δ) эвтектоид распространился по тканям, создавая однородность, подобную хризантеме, и неравномерность. Более того, сегрегация частиц Pb не была очевидна.

По мере увеличения содержания P крупные частицы свинца становились похожими на червей и, следовательно, распадались на сферические частицы, равномерно распределенные в ткани, уменьшая сегрегацию свинца.Когда сплав P-Cu не добавлялся, можно было слабо наблюдать определенные объемные δ-матричные соединения и можно было наблюдать большие объемные частицы свинца. Когда содержание P составляло 0,05 мас.%, Фаза Ni ₃ P не наблюдалась, большие частицы свинца уменьшались, а микроструктура была относительно мелкой и однородной. Когда содержание P составляло 0,1%, фаза Ni ₃ P с мелкими черно-серыми вермикулярными полосами была едва видна. Когда содержание P составляло 0,2 мас.%, Фаза Ni ₃ P увеличивалась в размере и количестве, а частицы свинца были маленькими сферами без крупных агрегатов.Когда содержание P увеличивалось до 0,3 мас.%, Фаза Ni ₃ P с тонкими черно-серыми вермикулярными полосами была очень многочисленной, и форма изменилась. Когда содержание P составляет 0,5 мас.%, Вторая фаза видна больше, и появляется фаза Cu ₃ P с идентичной морфологией.

Из вышеупомянутой микроструктуры можно сделать вывод, что добавление P снижает сегрегацию свинца, что приводит к однородной микроструктуре матрицы. Однако, когда содержание P превышало 0.1 мас.% Объем серого основного (α + δ) эвтектоида постепенно увеличивался, а дендриты постепенно становились крупными. Растворимость P в твердом растворе составляла 0,1 мас.%, Эвтектическая структура (α + Ni ₃ P) могла образовываться, когда содержание P превышало 0,1 мас.%. Фаза Ni ₃ P была твердой и хрупкой, часто состояла из бинарных и тройных эвтектических фаз с фазами α и δ.

Анализ EDS-спектров сплава ZCuPb20Sn5 до и после модификации P представлен на рис., соответственно. На рисунке показаны данные сканирования EDS в точке A на фиг., А на рисунке B – на фиг. Сравнивая два рисунка, можно увидеть, что большие частицы свинца появлялись в ткани без добавления фосфора, а внутри был кислород. Однако после добавления 0,05 мас.% Фосфора крупные частицы свинца исчезли. А относительно крупные частицы свинца содержали только свинец, но не содержали кислорода. Это означает, что в условиях раскисления и дегазации с помощью P частицы свинца адсорбируют большое количество кислорода в процессе затвердевания и, таким образом, растут, в результате чего ткань становится грубой и неровной.Газ из жидкости может быть полностью удален с содержанием P 0,05 мас.%, Так что отверждение свинца в растворе сплава может осуществляться упорядоченным образом. По мере того как содержание P продолжает увеличиваться, в структуре появляется отчетливая вторая фаза Ni ₃ P, как показано на фиг. И фиг. В красном кружке. Можно видеть, что когда количество добавленного P составляет менее 0,1 мас.%, Фаза Ni ₃ P не наблюдается в структуре, а когда количество больше 0.1%, Ni ₃ P постепенно увеличивается и вырастает в небольшую червеобразную форму. Более того, когда P-Cu не добавляется, в структуре появляется множество бело-серых блочных δ-фаз, которые представляют собой твердый раствор на основе электронного соединения Cu ₃₁ Sn ₈ . Но после добавления P-Cu δ-фаза уменьшается или даже устраняется.

Указывается, что фосфор в жидком сплаве ZCuPb20Sn5 не только играет роль раскисления и дегазации, но также может образовывать армирующие частицы второй фазы.Когда содержание P составляет менее 0,1 мас.%, Он в основном играет роль раскисления и дегазации. Когда содержание p превышает 0,1 мас.%, В дополнение к раскислению и дегазации форма частиц свинца может быть улучшена. Средний размер включений свинца уменьшился и образовала дисперсную сеть эвтектоидных включений.

Механические свойства

Удлинение и предел прочности сплава ZCuPb20Sn5 с различным содержанием P были измерены экспериментально, как показано на рис.. По мере увеличения содержания P прочность на разрыв и твердость сплава ZCuPb20Sn5 имеют тенденцию к увеличению. Предел прочности на разрыв сплава ZCuPb20Sn5 составил 183,19 МПа без добавления люминофорного медного сплава. При добавлении 0,3 мас.% P предел прочности на разрыв достиг 253,48 МПа, что было увеличено на 70,29 МПа по сравнению со сплавом без P-меди. Твердость по Бринеллю сплава ZCuPb20Sn5 с различным содержанием фосфора измерялась экспериментальным путем. Каждое значение твердости было измерено пять раз, и было получено среднее значение.при содержании P 0,05 мас.% твердость сплава ZCuPb20Sn5 практически не изменилась с 64,2HB до 64,5HB. При содержании P 0,3 мас.% Твердость сплава ZCuPb20Sn5 увеличилась до 79,58HB. Прочность и твердость отливки из сплава ZCuPb20Sn5, полученной добавлением 0,5 мас.% P в процессе плавки, составили 269,46 МПа и 108,18HB соответственно, по сравнению с Прочность и относительное удлинение рафинера, не содержащего П, составляют 183,19 МПа и 64,2 НВ по отдельности, они увеличились на 47,1% и 68,5% соответственно. Относительное удлинение сплава ZCuPb20Sn5 сначала увеличивалось, а затем уменьшалось по мере увеличения содержания Р.При содержании P 0,1 мас.% Относительное удлинение сплава ZCuPb20Sn5 достигло максимального значения 18,65%. После этого количество ZCuPb20Sn5 постепенно уменьшалось по мере увеличения содержания P. Когда содержание P составляло 0,3%, относительное удлинение сплава ZCuPb20Sn5 уменьшалось до 12,78%. Когда был добавлен сплав P-Cu с массовой долей 0,5% мас., Удлинение сплава ZCuPb20Sn5 уменьшилось до 11,65%.

Кривая механических свойств.

Было известно, что добавление P улучшает твердость сплава ZCuPb20Sn5 ¹⁸ .Соединения Ni ₃ P и Cu ₃ P образовывались путем добавления сплава P-Cu в расплав. Соединения были твердыми и равномерно распределенными по границам зерен, что ингибировало сегрегацию свинца. Таким образом, с одной стороны, соединение Ni ₃ P ингибировало движение дислокаций, в то время как по мере увеличения количества частиц соединения Ni ₃ P увеличивалось сопротивление движению дислокаций, что приводило к увеличению твердости сплава. С другой стороны, частицы Ni ₃ P и Cu ₃ P были равномерно распределены по границам зерен, что приводило к образованию нескольких кристаллических ядер во время затвердевания, которые могли измельчать зерно и приводить к упрочнению мелких зерен.В определенном диапазоне по мере увеличения содержания P эффект упрочнения мелкозернистого материала становился более очевидным, что, в свою очередь, увеличивало способность матрицы сопротивляться пластической деформации. Это привело к повышению твердости и износостойкости сплава свинцово-оловянной бронзы. Следовательно, с увеличением содержания P твердость увеличивается на макроуровне.

Сегрегация деформированных суперсплавов при затвердевании была в основном устранена или значительно уменьшена после горячей обработки и термообработки.Одновременно атомы P сегрегировались на границе зерен, изменяя связь между основными элементами на границе зерен, образуя определенные большие кластеры. Кроме того, сила связи между атомами увеличивалась, улучшая прочность границ зерен, одновременно изменяя морфологию выделений на границе зерен ¹⁵ . Предварительно можно было определить, что по мере увеличения содержания P возникает большое количество фаз Ni ₃ P и немного Cu ₃ P, и благодаря наличию нескольких фаз это может способствовать реализации не только зернистой граничное упрочнение за счет измельчения зерна, а также дисперсионное упрочнение по механизму Орована ¹⁹ , что, следовательно, улучшает предел прочности сплава ZCuPb20Sn5.Когда содержание Ni ₃ P и Cu ₃ P продолжало увеличиваться, термическая хрупкость увеличивалась, а относительное удлинение уменьшалось.

Анализ

Свинец не растворяется в меди, и его растворимость в твердом состоянии также мала в медных сплавах. Свинец и медь могут образовывать плавкую эвтектическую структуру. Свинец ниже 38% не смешивается с медью в жидком состоянии и может образовывать метаморфическую структуру при затвердевании. В твердом состоянии свинец распределен в элементарном состоянии в меди и может быть распределен в кристалле и на границе зерен.В медных сплавах, содержащих свинец, свинец на границах зерен может переходить в кристалл во время фазового перехода или рекристаллизации. Чем мельче частицы свинца и чем равномернее распределение, тем лучше производительность.

P – хороший раскислитель для медных сплавов, который увеличивает текучесть сплава и улучшает технологические и механические свойства оловянной бронзы. Однако чрезмерное добавление увеличит степень обратной сегрегации. Предел растворимости фосфора в оловянной бронзе равен 0.15 w т.%. Когда слишком много, образуется тройная эвтектика + δ + Cu ₃ P. Бинарная фазовая диаграмма меди и фосфора ²⁰ показывает, что существует эвтектическая реакция при 714 ° C, то есть L8,4% → α1,75% + Cu ₃ P, и растворимость фосфора в твердом состоянии в медь быстро уменьшается с понижением температуры: 0,6% при 300 ° C и 0,4% при 200 ° C.

Чтобы более четко доказать наличие фосфидной фазы, на СЭМ-микрофотографиях отлитого ZCuPb20Sn5-xP (x = 0.3 и 0,5). Примерная фаза Ni ₃ P и Cu ₃ P показаны на фиг. В сочетании с энергетическим спектром можно было наблюдать, что серая массивная микроструктура A, B и C была в основном фазой Ni ₃ P. Точно так же темно-серая масса D представляла собой в основном фазу Cu ₃ P, которая имела аналогичные характеристики с точки зрения размера и морфологии фазы Ni ₃ P. Следует отметить, что при таком высоком уровне содержания фосфора ультратонкая фосфидная фаза встречается почти как эвтектоид и внедряется в эвтектоиды с высоким содержанием олова (α + δ).Когда количество добавленного фосфора составляет 0,3%, фосфидной фазой является в основном Ni ₃ P. Когда содержание фосфора увеличивается до 0,5%, часть фосфора реагирует с никелем, растворенным в меди, с образованием Ni ₃ P, и оставшаяся часть реагирует с медью с образованием Cu ₃ P. Следовательно, фосфидная фаза сплава ZCuPb20Sn5–0,5 P состоит в основном из фаз Ni ₃ P и Cu ₃ P.

SEM-изображения и EDS ZCuPb20Sn5 с различным содержанием P: ( a ) EDS of A; ( б ) ЭЦП Б; ( c ) ЭЦП С; ( д ) ЭЦП Д.

Сплав ZCuPb20Sn5 состоит в основном из твердого раствора α, Pb и (α + δ) эвтектоидов, и было обнаружено, что основной вторичной фазой в сплаве является Ni ₃ P. α-фаза представляет собой твердую растворимость олова в медь, имеет гранецентрированную кубическую решетку, обладает хорошей пластичностью за счет олова. Растворяется в меди с образованием твердого раствора, упрочняющего, таким образом, имеющего определенную прочность.

Чтобы определить влияние P на тип фазы сплава и химический состав вторых фаз, был проведен анализ спектра образцов методом XRD и DTA (рис. И).

XRD-анализ сплава ZCuPb20Sn5 с различным P.

ДТА-анализ сплава ZCuPb20Sn5 с различным P; ( b ) DTA из 1; ( c ) ДТА 2.

На всех рентгенограммах наблюдается одна основная серия пиков, соответствующая гранецентрированной кубической (ГЦК) фазе (α-фазе), приписываемой твердому раствору Cu. Это связано с быстрым охлаждением образцов на воздухе. Фаза свинца появляется в основном на четырех пиках, в основном в плоскости 31,305 ° (111), плоскости 36,266 ° (200), 52.Плоскость 228 ° (220) и 62,119 ° (311). Параметр фазы α- (Cu) оценивается по положению дифракционных пиков (111). Δ-фаза проявляется в основном на плоскости азимута 73,195 ° (022). С увеличением содержания P интенсивность дифракционного пика увеличивается.

Вторая фаза – это в основном фаза Ni ₃ P. Путем варьирования различных количеств P увеличивается доля фазы Ni ₃ P, а также появляются ее дифракционные пики (фаза BCT). Когда сумма добавления p равна 0.1% масс., Небольшое количество фазы Ni ₃ P появилось на плоскости азимута 35 ° (031), и пик очень низкий. Количество добавленного P составляет 0,3 мас.%, Фосфидная фаза состоит в основном из Ni ₃ P. Ni ₃ P-фаза появляется на азимутальной плоскости (031) 36,418 °, пик высокий, а основная вторая фаза представляет собой Ni ₃ P, нет фазы Cu ₃ P для сплава ZCuPb20Sn5-0.3P. Когда содержание P увеличивается до 0,5 мас.%, Часть P прореагировала с никелем, растворенным в меди, с образованием Ni ₃ P, а оставшаяся образовалась Cu ₃ P с медью.Следовательно, фосфидная фаза сплава ZCuPb20Sn5-0,5 P состоит в основном из фаз Ni ₃ P и Cu ₃ P. По сравнению с медью, никель с большей вероятностью образует фосфиды с P. После реакции никеля и фосфора оставшаяся часть P может образовывать новые фосфиды с медью.

Результаты анализа данных RXD согласуются с предыдущими результатами. Когда содержание P низкое, появляется только фаза Ni ₃ P, но, когда количество добавленного P превышает диапазон, в котором никель может реагировать, оставшаяся часть P образует фазу Cu ₃ P с медью.

На рисунке представлена ​​кривая влияния добавления фосфора с различным содержанием фосфора на тепловой поток и температуру образца в процессе охлаждения сплава ZCuPb20Sn5, (b) – это кривая ДТА для площади, указанной равной 1, и (c) – это площадь, равная 1. на рис. Из рисунка видно, что общая кривая имеет три отчетливых экзотермических пика во время процесса охлаждения, а первый экзотермический пик находится между 935–975 ° C, как показано на рис. медная матрица, и пик относительно сильный.Температура замерзания осаждения медной матрицы различается в зависимости от содержания Р. Во время процесса от отсутствия добавления P до добавления 0,05% P точка осаждения затвердевания медной матрицы снизилась с 961,77 ° C до 945,05 ° C, в то время как тепловой поток снизился с 0,93 мкВ до 0,037 мкВ. Однако, когда содержание фосфора увеличивается до 0,1%, температура точки пика внезапно увеличивается до 974,67 ° C, а затем, по мере увеличения содержания фосфора, температура понижается.

Второй экзотермический пик находится между 890–915 ° C, как показано на рис.. Температура плавления эвтектоидной фазы (α + δ + Cu ₃ P) составляет 628 ° C, меди – 1083 ° C, а температура образования δ-фазы составляет 520 ° C, но точка плавления (Ni ₃ Фаза эвтектоида P + Ni) составляет 880 ° C. Таким образом, второй экзотермический пик представляет собой точку выделения эвтектоида (α + δ + Ni ₃ P). Когда количество добавленного P составляет менее 0,1%, пик в основном приходится на точку осаждения твердого раствора Cu-Sn.

Третий экзотермический пик находится между 305 и 327 ° C, как показано на рис.. Температура плавления свинца составляет 328 ° C, поэтому эта точка пика является точкой фазы осаждения частиц свинца. Размер частиц свинца отличается при добавлении различного содержания P, поэтому температура осаждения частиц свинца отличается. По мере увеличения содержания P частица свинца постепенно становится меньше, и, таким образом, интенсивность пика постепенно уменьшается. Когда фосфор добавляется в количестве 0,5 мас.%, Частицы свинца становятся самыми мелкими, поэтому пик в этой точке практически исчезает. Для температуры осаждения в этой фазовой точке содержание P равно 0.1 вес.% Является переломным моментом. Температура снижается с 0% до 0,05%. Затем, с увеличением P, температура в точке сначала увеличивается, а затем снижается, температура максимальная в точке 0,2 мас.%.

На рисунке показана фрактограмма при растяжении для содержания P 0,3% мас.% T и 0,5% мас.%. Из рисунка видно, что обе структуры имеют вязкие трещины. При добавлении P до 0,3% мас. Большая часть средней части углубления становится относительно большой, а средняя часть углубления становится меньше при содержании фосфора, равном 0.5 мас.%. Только отдельные крупные ямки по бокам, а частиц второй фазы больше, затрагивается дислокационное кольцо. Отталкивание частиц второй фазы, когда они подвергаются воздействию внешней силы, равновесие нарушается, и петля дислокации смещается к частицам второй фазы, таким образом, поверхность раздела начинает разделяться с образованием микропор. Как правило, при одинаковых условиях разрушения размер лунки больше, что указывает на более высокую пластичность материала.Как видно из фиг., Ударная вязкость сплава с добавлением 0,5 мас.% P немного хуже, чем 0,3%.

Фрактограммы растяжения сплава ZCuPb20Sn5 с различным P.

Когда содержание олова и P достигло определенного значения, фазы Ni ₃ P и (α + δ) образовали тройные эвтектические фазы (α + δ + Ni ₃ П), что в определенной степени ухудшило свойства сплава.