Как вернуть холоднодеформированному металлу исходные свойства


Свойства холоднодеформированных металлов — Студопедия

Врезультате холодного пластического деформирования металл уп­рочняется, изменяются его физические свойства. Наклепанный металл запасает 5 — 10 % энергии, затраченной на деформирование. Запасенная энергия тратится на образование дефектов решетки (плотность дислока­ций возрастает до 10е9 —10е12 см(-2)) и на упругие искажения решетки. Свой­ства наклепанного металла изменяются тем сильнее, чем больше степень деформации.

При деформировании увеличиваются прочностные характеристики (твердость, (сигма)В, (сигма)0.2, (сигма)Упр) и понижаются пластичность и ударная вязкость. Металлы интенсивно наклёпываются в начальной стадии деформирования, затем при возрастании деформации механические свой­ства изменяются незначительно (рис. 5.11). С увеличением степени дефор­маций предел текучести растет быстрее временного сопротивления. Обе характеристики у сильно наклепанных металлов сравниваются, а удли­нение становится равным нулю. Такое состояние наклепанного металла является предельным; при попытке продол­жить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопро­тивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее метал­лов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у кото­рых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аусте-нитная сталь, никель, а алюминий упрочня­ется незначительно).


Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений — как растягивающих, так и сжима­ющих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротивле­ние (максимально на 6%), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточ­ная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в раз­мещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании ми-кропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечно­сти деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагруз­кам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформиро­вание детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая со­противление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большем рассто­янии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие на­пряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной тре­щины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионно­му растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизо­тропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обра­ботки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обраба­тываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

научных принципов

научных принципов

Структура металлов:

Металлы составляют около двух третей всех элементов и около 24% массы планеты. Они повсюду вокруг нас в таких формах, как стальные конструкции, медная проволока, алюминиевая фольга и золотые украшения. Металлы широко используются благодаря своим свойствам: прочности, пластичности, высокой температуре плавления, тепловой и электрической проводимости и ударной вязкости.

Эти свойства также дают ключ к разгадке структуры металлов.Как и все элементы, металлы состоят из атомов. Прочность металлов предполагает, что эти атомы удерживаются вместе прочными связями. Эти связи также должны позволять атомам двигаться; иначе как металл можно было забивать в листы или вытягивать в проволоку? Разумной моделью будет модель, в которой атомы удерживаются вместе прочными, но делокализованными связями.

Склеивание

Такие связи могут образовываться между атомами металлов, которые имеют низкую электроотрицательность и не сильно притягивают свои валентные электроны.Это позволило бы наиболее удаленным электронам быть общими для всех окружающих атомов, в результате чего положительные ионы ( катионов, ) были окружены морем электронов (иногда называемым электронным облаком).

Рисунок 1: Металлическое соединение .

Поскольку эти валентные электроны являются общими для всех атомов, они не считаются связанными с каким-либо одним атомом. Это сильно отличается от ионных или ковалентных связей, где электроны удерживаются одним или двумя атомами.Таким образом, металлическая связь получается прочной и однородной. Поскольку электроны притягиваются ко многим атомам, они обладают значительной подвижностью, что обеспечивает хорошую теплопроводность и электропроводность металлов.

Выше точки плавления металлы являются жидкостями, их атомы расположены беспорядочно и относительно свободно перемещаются. Однако при охлаждении ниже температуры плавления металлы перестраиваются, образуя упорядоченные кристаллические структуры.

Рисунок 2: Расположение атомов в жидкости и твердом теле.

Кристаллы

Для образования наиболее прочных металлических связей металлы упаковываются как можно плотнее. Возможны несколько вариантов упаковки. Вместо атомов представьте шарики, которые нужно упаковать в коробку. Шарики помещали на дно коробки аккуратными упорядоченными рядами, а затем начинали второй слой. Второй слой шариков нельзя размещать непосредственно поверх других шариков, поэтому ряды шариков в этом слое перемещаются в промежутки между шариками первого слоя.Первый слой мрамора может быть обозначен как A, а второй слой как B, давая двум слоям обозначение AB.

Слой «A» Слой «B» AB упаковка
Рисунок 3: AB упаковка сфер. Обратите внимание, что сферы слоя B помещаются в отверстия в слое A.

Укладка мрамора в третий слой требует решения. Снова ряды атомов будут гнездиться в полостях между атомами во втором слое, но существуют две возможности.Если ряды мрамора уложены так, что они находятся непосредственно над первым слоем (A), то расположение можно описать как ABA. Такое устройство насадки с чередующимися слоями будет обозначено как ABABAB. Такое расположение ABAB называется гексагональной плотной упаковкой (HCP).

Если ряды атомов упакованы в этом третьем слое так, чтобы они не лежали над атомами в слое A или B, то третий слой называется C. Эта последовательность упаковки будет обозначена ABCABC и также известна как гранецентрированный кубик (ГЦК).Оба устройства обеспечивают максимально плотную упаковку сфер, оставляя пустой лишь около четверти доступного пространства.

Наименьший повторяющийся массив атомов в кристалле называется элементарной ячейкой. Третье распространенное устройство упаковки в металлах, объемно-центрированная кубическая (ОЦК) элементарная ячейка, имеет атомы в каждом из восьми углов куба плюс один атом в центре куба. Поскольку каждый из угловых атомов является углом другого куба, угловые атомы в каждой элементарной ячейке будут разделены между восемью элементарными ячейками.Элементарная ячейка ОЦК состоит из двух атомов, одного в центре и восьми восьмых от углов.

В схеме FCC, опять же, есть восемь атомов в углах элементарной ячейки и по одному атому в центре на каждой из граней. Атом в грани делится с соседней ячейкой. Элементарные ячейки FCC состоят из четырех атомов, восемь восьмых по углам и шесть половин на гранях. В таблице 1 показаны стабильные кристаллические структуры при комнатной температуре для нескольких элементарных металлов.

Таблица 1: Кристаллическая структура некоторых металлов (при комнатной температуре) 900 40
Алюминий FCC
 
Никель FCC
Кадмий HCP
 
Ниобий BCC
Хром BCC
 Platinum 
FCC
Кобальт HCP
 
Серебро FCC
Медь FCC
 
Титан HCP
 Золото 
FCC Ванадий BCC
Железо BCC
 
Цинк HCP
Свинец FCC
 
Цирконий HCP
Магний HCP

Структуры элементарных ячеек определяют некоторые свойства металлов.Например, структуры FCC с большей вероятностью будут пластичными, чем BCC (объемно-центрированная кубическая) или HCP (гексагональная плотноупакованная). На рисунке 4 показаны элементарные ячейки FCC и BCC. (См. Активность кристаллической структуры)

Телоцентрированный кубический Лицоцентрированный кубический
Рисунок 4: элементарных ячеек для BCC и FCC.

Когда атомы расплавленного металла начинают собираться вместе, образуя кристаллическую решетку в точке замерзания, группы этих атомов образуют крошечные кристаллы.Эти крошечные кристаллы увеличиваются в размере за счет постепенного добавления атомов. Получающееся в результате твердое вещество представляет собой не один кристалл, а на самом деле множество более мелких кристаллов, называемых зернами. Эти зерна растут до тех пор, пока не столкнутся с соседними растущими кристаллами. Образовавшаяся между ними граница раздела называется границей зерен. Иногда зерна бывают достаточно большими, чтобы их можно было увидеть под обычным световым микроскопом или даже невооруженным глазом. Блестки, которые видны на недавно оцинкованном металле, представляют собой зерна. (См. Модель активности металлов с помощью частиц). На рисунке 5 показан типичный вид металлической поверхности с множеством зерен или кристаллов.

Рисунок 5: зерен и границ зерен для металла.

Дефекты кристалла:

Металлические кристаллы не идеальны. Иногда есть пустые места, называемые вакансиями, где отсутствует атом. Другой распространенный дефект в металлах - дислокации, которые представляют собой линии дефектного соединения. На рисунке 6 показан один тип дислокации.

Рисунок 6: Поперечное сечение краевого дислокации, которое распространяется на страницу. Обратите внимание, как плоскость в центре заканчивается внутри кристалла.

Эти и другие дефекты, а также наличие зерен и границ зерен определяют многие механические свойства металлов. Когда к металлу прикладывается напряжение, возникают дислокации, которые перемещаются, позволяя металлу деформироваться.

Механические свойства:

Когда к металлам прикладываются небольшие нагрузки (напряжения), они деформируются и возвращаются к своей исходной форме при снятии нагрузки. Гибка стального листа является примером, когда скрепления изгибаются или растягиваются только на небольшой процент.Это называется упругой деформацией и включает временное растяжение или искривление связей между атомами.

Рисунок 7: Упругая деформация металлического стержня.

При приложении более высоких напряжений возникает остаточная (пластическая) деформация. Например, если скрепку сильно согнуть, а затем отпустить, она останется частично согнутой. Эта пластическая деформация включает разрыв связей, часто в результате движения дислокаций. См. Рис. 8. Дислокации легко перемещаются в металлах из-за делокализованной связи, но не перемещаются легко в керамике.Это во многом объясняет, почему металлы пластичны, а керамика - хрупка.

Рисунок 8: Движение дислокации в кристалле.

Если поместить под слишком большое напряжение, металл будет механически разрушаться или разрушаться. Со временем это также может быть результатом множества небольших нагрузок. Самая частая причина (около 80%) выхода металла из строя - усталость. Благодаря приложению и снятию небольших напряжений (до миллионов раз) по мере использования металла в нем образуются небольшие трещины, которые медленно растут.Со временем металл деформируется или ломается (ломается). (См. Раздел «Обработка металлов»)

Обработка:

В промышленности расплавленный металл охлаждают до твердого состояния. Затем твердому металлу механически формируют конкретный продукт. Очень важно, как выполняются эти этапы, поскольку нагрев и пластическая деформация могут сильно повлиять на механические свойства металла.

Влияние размера зерна:

Давно известно, что свойства некоторых металлов можно изменять путем термической обработки.Зерна в металлах имеют тенденцию увеличиваться в размерах по мере нагрева металла. Зерно может увеличиваться в размерах за счет миграции атомов из другого зерна, которые в конечном итоге могут исчезнуть. Дислокации не могут легко пересекать границы зерен, поэтому размер зерен определяет, насколько легко дислокации могут перемещаться. Как и ожидалось, металлы с мелкими зернами прочнее, но менее пластичны. На рис. 5 показан пример зеренной структуры металлов.

Закалка и закалка:

Есть много способов термической обработки металлов.Отжиг - это процесс размягчения, при котором металлы нагревают, а затем дают медленно остыть. Большинство сталей можно закалить путем нагрева и закалки (быстрого охлаждения). Этот процесс использовался довольно рано в истории обработки стали. Фактически, считалось, что биологические жидкости лучше всего гасят жидкости, и иногда использовалась моча. В некоторых древних цивилизациях раскаленные лезвия меча иногда вонзались в тела несчастных заключенных! Сегодня металлы закаливают в воде или масле.На самом деле закалка в растворах соленой воды происходит быстрее, поэтому древние не совсем ошибались.

В результате закалки металл становится очень твердым, но также хрупким. Осторожно нагревая закаленный металл и давая ему медленно остыть, вы получите металл, который останется твердым, но менее хрупким. Этот процесс известен как отпуск. (См. «Обработка металлов»). Это приводит к появлению большого количества мелких выделений Fe 3 C в стали, которые блокируют движение дислокаций, тем самым обеспечивая упрочнение.

Холодная обработка:

Поскольку пластическая деформация возникает в результате движения дислокаций, металлы можно упрочнять, предотвращая это движение. Когда металл изгибается или приобретает форму, возникают и перемещаются дислокации. По мере увеличения количества дислокаций в кристалле они будут запутываться или скрепляться и не смогут двигаться. Это укрепит металл и усложнит его деформацию. Этот процесс известен как холодная обработка. При более высоких температурах дислокации могут перестраиваться, поэтому упрочнение происходит незначительно.

Можно попробовать со скрепкой. Разогните скрепку и несколько раз согните одну из прямых частей вперед-назад. Представьте себе, что происходит на атомарном уровне. Обратите внимание, что металл сложнее согнуть в одном и том же месте. Вывихи образовались и запутались, увеличивая прочность. Скрепка со временем сломается на изгибе. Очевидно, что холодная обработка работает только до определенной степени! Слишком большая деформация приводит к спутыванию дислокаций, которые не могут двигаться, поэтому металл вместо этого ломается.

Отопление устраняет последствия холодной обработки. При нагревании холоднодеформированных металлов происходит перекристаллизация. Новые зерна образуются и растут, чтобы потреблять холодно обработанную часть. В новых зернах меньше дислокаций, и восстанавливаются первоначальные свойства.

Сплавы:

Наличие в металле других элементов также может изменить его свойства, иногда резко. Расположение и вид связи в металлах позволяет добавлять в структуру другие элементы, образуя смеси металлов, называемые сплавами.Даже если добавленные элементы являются неметаллами, сплавы могут иметь металлические свойства.

Медные сплавы начали производить в самом начале нашей истории. Бронза, сплав меди и олова, была первым известным сплавом. Его было легко получить, просто добавив олово к расплавленной меди. Орудия и оружие из этого сплава были прочнее, чем из чистой меди. Добавление цинка к меди дает еще один сплав - латунь. Хотя латунь труднее производить, чем бронзу, она была известна и в древние времена.(См. «Золотая» Пенни Активность) Типичный состав некоторых сплавов приведен в Таблице 2.

Таблица 2: Состав нескольких сплавов.
Сплав Состав
Латунь Медь, цинк
Бронза Медь, цинк, олово
Олово Олово, медь
Припой Свинец, олово
Alnico Алюминий, никель, кобальт, железо
Чугун Железо, углерод, марганец, кремний
Сталь Железо, углерод (плюс небольшое количество легирующих элементов)
Нержавеющая сталь Железо, хром, никель

Сплавы представляют собой смеси, и их процентный состав может варьироваться.Это полезно, потому что свойствами сплавов можно управлять, варьируя состав. Например, электрикам нужен припой с другими свойствами, чем у сантехников. Электрический припой очень быстро затвердевает, образуя почти мгновенное соединение. Это будет непрактично для сантехников, которым нужно время, чтобы установить соединение. Электрический припой содержит около 60% олова, тогда как припой для сантехников - около 30%.

Изначально олово содержало свинец, а поскольку олово использовалось для изготовления тарелок и кубков, вероятно, оно было источником отравления свинцом.Изготовленный сегодня олово не содержит свинца. Расширение знаний о свойствах металлов также приводит к созданию новых сплавов. Некоторые латуни образуют сплавы с памятью формы, которые можно сгибать и возвращать к своей исходной форме при осторожном нагревании. Цинковые сплавы, используемые в качестве покрытия на стали, замедляют коррозию (оцинкованная сталь). Сплавы кадмия находят широкое применение в солнечных элементах. Способность мельхиора противостоять образованию отложений делает его полезным в садках в рыбоводстве.

Чугун и сталь:

Углеродистые стали различаются по процентному содержанию углерода.Количество углерода влияет на свойства стали и ее пригодность для конкретного использования. Стали редко содержат более 1% углерода. Конструкционная сталь содержит около 0,1-0,2% углерода по весу; это делает его немного более пластичным и менее склонным к разрушению во время землетрясений. Сталь, используемая для изготовления инструментов, содержит около 0,5-1% углерода, что делает ее более твердой и износостойкой. Чугун содержит от 2,5 до 4% углерода и находит применение в недорогих приложениях, где его хрупкость не является проблемой. Удивительно, но чистое железо чрезвычайно мягкое и используется редко.Увеличение количества углерода приводит к увеличению твердости металла, как показано на следующем графике. В медленно охлаждаемых сталях углерод увеличивает количество твердого Fe 3 C; в закаленных сталях он также увеличивает твердость и прочность материала.

Рисунок 9: Зависимость твердости стали от% углерода. Рисунок 10: BCC железа, показывающее расположение межузельных атомов углерода.

Заколки для бобби и скрепки обрабатываются практически одинаково, но содержат разное количество углерода.Заколки и скрепки изготовлены из холоднокатанной стальной проволоки. Скрепка, содержащая мало углерода, в основном состоит из чистого Fe с некоторым количеством частиц Fe 3 C. Заколка для шкворня имеет больше углерода и, следовательно, содержит большее количество Fe 3 C, что делает ее намного более твердой и прочной.

Свойства стали можно адаптировать для специальных целей путем добавления в сплав других металлов. Титан, ванадий, молибден и марганец входят в число металлов, добавляемых к этим специальным сталям.Нержавеющая сталь содержит минимум 12% хрома, который останавливает дальнейшее окисление, образуя защитный оксид на поверхности.

Коррозия:

Коррозия металлов может быть серьезной проблемой, особенно для долговременных конструкций, таких как автомобили, мосты и корабли. В большинстве случаев коррозия носит электрохимический (гальванический) характер. Для возникновения коррозии должны присутствовать анод (более легко окисляемая область) и катод (менее легко окисляемая область). Это могут быть разные типы металлов или просто разные участки одного и того же металла.Также должен присутствовать какой-то электролит, который может обеспечивать перенос электронов. Коррозия включает высвобождение электронов на аноде из-за высокого окислительного потенциала атомов на аноде. Когда электроны высвобождаются, образуются катионы металлов, и металл распадается. Одновременно катод, который имеет больший восстановительный потенциал, принимает электроны, либо образуя отрицательные ионы, либо нейтрализуя положительные ионы.

В случае ряда активности или электродвижущей силы металл, такой как цинк, вступает в реакцию с водородом и служит как анодом, так и катодом.(См. Активность серии действий) Уравнение этой реакции:

2 Zn + 2 H + -> 2 Zn 2+ + H 2

Пузырьки водорода на катоде при разрушении анода. Неровности поверхности, наличие примесей, ориентация зерен, локализованные напряжения и вариации окружающей среды - вот некоторые из факторов, определяющих, почему один кусок металла может служить обоими электродами. Например, головка и острие гвоздя обработаны холодным способом и могут служить анодом, а корпус - катодом.(См. Коррозия от активности железа)

Хотя окисление на аноде и восстановление на катоде - одновременные процессы, коррозия обычно происходит на аноде. Катод почти никогда не разрушается. В 1824 году Дэви разработал метод защиты корпусов кораблей от коррозии с помощью цинка, который можно периодически заменять. Цинк более активен, чем сталь в корпусе, и будет служить анодом и подвергаться коррозии; им приносят в жертву защиту стальной конструкции. Сталь, которая была бы и анодом, и катодом, обычно служит катодом.Это называется катодной защитой. Трубопроводы также защищены более активным металлическим магнием. Иногда электрические токи поддерживаются в коротких отрезках трубопроводов с такой же металлической проволокой, которая служит жертвенным анодом.

Коррозия - серьезная проблема, которую необходимо решить для эффективного использования металлов. Железо соединяется с кислородом воздуха, образуя оксид железа (ржавчину), что в конечном итоге разрушает полезность металла. (См. Дополнительно: действие химического обогрева рук). К счастью, некоторые металлы, такие как алюминий и хром, образуют защитное оксидное покрытие, предотвращающее дальнейшее окисление (коррозию).Точно так же медь соединяется с серой и кислородом, образуя знакомую зеленую патину.

Понимание химического состава металлов приводит к разработке методов уменьшения и предотвращения коррозии. Атомы хрома примерно того же размера, что и атомы железа, и могут замещать их в кристаллах железа. Хром образует оксидный слой, который позволяет нержавеющей стали противостоять коррозии. Металлы можно окрашивать или покрывать другими металлами; оцинкованная (оцинкованная) сталь является примером. Когда эти два металла используются вместе, более активный цинк корродирует, жертвуя собой ради сохранения стали.

Металлические руды:

Золото, серебро и медь были первыми металлами, которые использовались, поскольку они находятся в свободном или элементарном состоянии. Большинство металлов, встречающихся в природе, сочетаются с другими элементами, такими как кислород и сера. Энергия необходима для извлечения металлов из этих соединений или руд. Исторически сложилось так, что легкость, с которой данный металл может быть извлечена из руды, наряду с доступностью, определялась при его использовании, отсюда и раннее использование меди, олова и железа.Формулы для некоторых руд приведены ниже:

Habgar
Гематит Fe 2 O 3 Рутил TiO 2
Магнетит Fe 3 O 4 Циркон ZrSiO ZrSiO Пирит FeS 2 Касситерит SnO 2
Халькоцит Cu 2 S Боксит Al 2 O
Галена PbS

Эти руды представляют собой ионные соединения, в которых металлы существуют в виде положительных ионов.Например, степень окисления железа в гематите +3; степень окисления меди в халькоците +1. Извлечение металлов из их руд представляет собой окислительно-восстановительную (окислительно-восстановительную) реакцию. В элементарном состоянии металлы состоят из атомов, а не ионов. Поскольку у атомов нет общего заряда, ионы металлов в реакции приобретают электроны; они уменьшены.

Общая реакция восстановления меди из халькоцита:

Cu 2 S + O 2 + Энергия -> 2 Cu + SO 2

Это только общая реакция.Весь процесс не так прост. Восстановление металлов из их руд обычно требует ряда химических и механических процессов. Обычно они энергетически дороги, потребляют большое количество тепла и / или электроэнергии. Например, около пяти процентов электроэнергии, потребляемой в Соединенных Штатах, используется для производства алюминия. Изготовление алюминиевой консервной банки, начиная с руды, стоит примерно в сто раз дороже, чем плавление и формирование переработанного алюминия. Извлечение металлов из руд может также приводить к образованию загрязняющих веществ, таких как диоксид серы, указанный выше.По возможности, переработка и переработка металлов имеет смысл.

Относительная сложность извлечения металлов из руд указывает на то, что это их предпочтительное состояние. После удаления из руд и в элементарном состоянии большинство металлов проявляют значительную тенденцию реагировать с кислородом и серой и возвращаться в свое естественное состояние; они разъедают! При коррозии металл окисляется. Он теряет электроны, становясь положительным ионом. (См. Раздел "Коррозия металлов")

Сводка по металлам

Металлы обладают полезными свойствами, включая прочность, пластичность, высокие температуры плавления, тепловую и электрическую проводимость и ударную вязкость.Они широко используются в конструкциях и электротехнике. Понимание структуры металлов может помочь нам понять их свойства.

Атомы металлов связаны друг с другом прочными делокализованными связями. Эти связи образуются облаком валентных электронов, которые разделяются между положительными ионами (катионами) металлов в кристаллической решетке. В таком расположении валентные электроны обладают значительной подвижностью и могут легко проводить тепло и электричество. В кристаллической решетке атомы металлов плотно упакованы вместе, чтобы максимизировать прочность связей.Настоящий кусок металла состоит из множества крошечных кристаллов, называемых зернами, которые касаются границ зерен.

Из-за делокализованной природы связей атомы металла могут скользить мимо друг друга, когда металл деформируется, вместо того, чтобы разрушаться, как хрупкий материал. Это движение атомов осуществляется за счет образования и движения дислокаций в решетке. Технологии обработки, которые изменяют связь между атомами или влияют на количество или подвижность дислокаций, могут иметь большое влияние на механические свойства металла.

Упругая деформация металла - это небольшое изменение формы при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения. Этот тип деформации включает растяжение металлических связей, но атомы не скользят друг мимо друга. Пластическая деформация возникает, когда напряжение достаточно для постоянной деформации металла. Этот тип деформации включает разрыв связей, обычно за счет движения дислокаций.

Пластическая деформация приводит к образованию большего количества дислокаций в металлической решетке.Это может привести к снижению подвижности этих дислокаций из-за их тенденции запутываться или скрепляться. Пластическая деформация при температурах, достаточно низких, чтобы атомы не могли перегруппироваться (холодная обработка), может упрочнять металл в результате этого эффекта. Одним из побочных эффектов является то, что металл становится более хрупким. При использовании металла трещины имеют тенденцию к образованию и росту, что в конечном итоге приводит к его разрушению или разрушению.

Дислокации не могут легко пересекать границы зерен. Если металл нагреть, зерна могут стать больше, а материал станет мягче.Нагревание металла и быстрое охлаждение (закалка) с последующим легким нагревом (отпуском) приводит к более твердому материалу из-за образования множества мелких выделений Fe 3 C, которые блокируют дислокации.

Смешивание металлов с другими металлами или неметаллами может привести к получению сплавов с желаемыми свойствами. Сталь, изготовленная из железа и углерода, может существенно различаться по твердости в зависимости от количества добавленного углерода и способа ее обработки. Некоторые сплавы обладают более высокой устойчивостью к коррозии.

Коррозия - основная проблема большинства металлов. Это окислительно-восстановительная реакция, в которой атомы металла образуют ионы, вызывающие ослабление металла. Один из методов, который был разработан для борьбы с коррозией в конструкциях, включает прикрепление расходуемого анода, сделанного из металла с более высоким окислительным потенциалом. В этом случае анод подвергается коррозии, оставляя катод, конструктивную часть, неповрежденным. Образование защитного покрытия на внешней стороне металла также может противостоять коррозии.Стали, содержащие металлический хром, образуют защитное покрытие из оксида хрома. Алюминий также устойчив к коррозии благодаря образованию прочного оксидного покрытия. Медь образует знакомую зеленую патину, реагируя с серой и кислородом в воздухе.

В природе можно найти лишь несколько чистых металлов. Большинство металлов существует в виде руд, соединений металла с кислородом или серой. Для отделения чистого металла от руды часто требуется большое количество энергии в виде тепла и / или электричества. Из-за такого большого расхода энергии имеет смысл по возможности утилизировать металлы.

Вопросы для обсуждения

1. Как руды добываются из земли?

2. Назовите 4 сплава и металлы, из которых они сделаны.

3. Какое влияние оказывает «холодная обработка» на металлы?

4. Какой процесс делает металлы твердыми, но хрупкими?

5. Какой процесс делает металлы мягче и удобнее в обработке?

6. Назовите три метода уменьшения коррозии.

7. Дайте 2 ценных результата переработки.

Проблема

Предположим, что радиус одного атома железа равен 1,24 Ангстрема (1 Ангстрем = 1 x 10 -8 см). Какой будет плотность объемно центрированного кубического (ОЦК) железа в граммах на кубический сантиметр? Подсказка: найдите массу и объем одной элементарной ячейки. Не забудьте считать только доли каждого атома в ячейке.

Добавочный номер:

Максимальная растворимость углерода в железе ОЦК составляет один атом на каждые 5000 атомов железа.Какой будет плотность стали при максимальном растворении углерода?


Решение

= m / V = ​​# атомов x (масса / атом) / объем ячейки

В ОЦК-железе на элементарную ячейку приходится два атома железа. (8 х 1/8 + 1)

Один атом железа имеет массу 55,85 а.е.м. или 9,27 x 10 -23 граммов.

Общая масса одной элементарной ячейки составляет 1,85 x 10 -22 граммов.

Пусть (r) будет радиус атома железа.Атомы в углах контактируют с атомом в середине, в результате чего диагональ коробки равна (4r).

Если мы назовем одну сторону коробки (L), диагональ грани куба будет равна (квадратный корень из 2) умноженным на (L).

Одна сторона, диагональ грани куба и диагональ прямоугольника образуют прямоугольный треугольник. Используя теорему Пифагора, (L) 2 + (квадратный корень 2 x (L)) 2 = (4r) 2 .

Решая для L и подставляя для (r), мы находим, что L = 2.86 ангстрем или 2,86 x 10 -8 см.

Объем куба (элементарной ячейки) равен (л) 3 = 2,34 x 10 -23 см 3 . Разделив массу на объем, получим:

Плотность = 7,91 г / см 3 .

Следующая тема: Список литературы
Металлы Содержание МАСТ Домашняя страница
.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Механические свойства имеют первостепенное значение в более крупных промышленных применениях металлов, поэтому они требуют большого внимания при их изучении.

Прочность. - Прочность материала - это свойство сопротивления внешним нагрузкам или напряжениям без повреждения конструкции. Термин «предел прочности » относится к удельному напряжению (фунты на квадратный дюйм), развиваемому в материале в результате максимальной медленно прикладываемой нагрузки, которой материал может выдержать без разрушения при испытании на растяжение.Испытание на растяжение чаще всего применяется к металлам, потому что оно говорит об их свойствах гораздо больше, чем любое другое отдельное испытание. В металлургии о разрушении часто говорят как об отказе, разрыве или разрушении; Разрыв металла - это название, данное поверхности, на которой произошел разрыв.

Прочность металлов и сплавов зависит от двух факторов, а именно, прочности кристаллов, из которых они состоят, и прочности сцепления между этими кристаллами.Самое сильное известное вещество - это вольфрамовая проволока электрических ламп накаливания. Чистое железо непрочно, но когда сталь легирована углеродом для получения стали, она может быть прочнее любого из чистых металлов, кроме вольфрама.

Напряжение и деформация. - Напряжение - это сила внутри тела, которая сопротивляется деформации из-за приложенной извне нагрузки. Если эта нагрузка действует на поверхность единичной площади, это называется единичной силой, а сопротивление ей - единиц. Таким образом, количественно напряжение - это сила на единицу площади; на европейском континенте он выражается в килограммах на квадратный миллиметр, в Соединенных Штатах - фунтах на квадратный дюйм, а в Англии обычно используются длинные тонны на квадратный дюйм.

Когда внешняя сила действует на эластичный материал, материал деформируется, и деформация пропорциональна нагрузке. Это искажение или деформация составляет деформаций, и единичная деформация измеряется в Соединенных Штатах и ​​в Англии в дюймах на дюйм, тогда как в Европе она измеряется в сантиметрах на сантиметр. Единичная деформация - это отношение расстояний или длин.

Эластичность. - Любой материал, подверженный внешней нагрузке, деформирован или деформирован.Упруго напряженные материалы возвращаются к своим первоначальным размерам при снятии нагрузки, если она не слишком велика. Такое искажение или деформация пропорциональна величине нагрузки до определенной точки, но когда нагрузка слишком велика, материал постоянно деформируется, а при дальнейшем увеличении нагрузки до определенной точки материал разрушается. Свойство восстановления исходных размеров после снятия внешней нагрузки известно как эластичность .

Модуль упругости. - В пределах эластичности отношение напряжения к деформации известно как модуль упругости (т.е. мера упругости).

Модуль упругости выражает жесткость материала. Для стали и большинства металлов это постоянное свойство, на которое мало влияет термическая обработка, горячая или холодная обработка или фактический предел прочности металла. Их модули упругости показывают, что когда стержни из стали и алюминия одинакового размера подвергаются одинаковой нагрузке, возникающая в результате упругая деформация в алюминии будет почти в три раза больше, чем в стальном стержне.



Пропорциональный предел упругости. - Металлы обычно не эластичны во всем диапазоне нагрузок. Предел пропорциональности напряжения к деформации известен как предел пропорциональности . Предел упругости - это максимальное удельное напряжение, которое испытываемый образец будет выдерживать и все еще возвращаться к своим исходным размерам после снятия нагрузки. Предел пропорциональности и предел упругости в металлах очень близки друг к другу, настолько, что их часто путают, и теперь принято объединять их в один термин «Предел пропорциональной упругости». Это важное свойство, напряжение, которое нельзя превышать при проектировании.

Природа эластичности. - Эластичность металлического вещества является функцией сопротивления его атомов разделению, сжатию или вращению друг относительно друга и, таким образом, является фундаментальным свойством материала. Итак, эластичность демонстрируется как функция атомных сил. Это объясняет, почему модуль упругости прочной и хрупкой термически обработанной легированной стали точно такой же, как у сравнительно слабой и вязкой отожженной стали.

Предел текучести. - Это точка на кривой "напряжение-деформация", в которой напряжение выравнивается или фактически уменьшается при продолжении деформации. Этот термин строго применим только к малоуглеродистым сталям, так как характеристика, которая его определяет, не встречается в других металлах, легированных сталях или даже холоднодеформированных или нормализованных низкоуглеродистых сталях.

Максимальная сила. - Наибольшая нагрузка, которую выдерживает образец, деленная на исходную площадь поперечного сечения, называется пределом прочности на разрыв или пределом прочности детали.

Пластичность. - Пластичность - это способность металла постоянно деформироваться при растяжении без разрушения. В частности, этот термин обозначает емкость, которую нужно тянуть от проволоки большего диаметра к меньшему. Такая операция, очевидно, включает в себя как удлинение, так и уменьшение площади, и значения этих двух характеристик металла, определенные при испытании на растяжение, обычно принимаются в качестве меры пластичности металла.

Прочность. - Вязкость определяется как свойство поглощения значительной энергии до разрушения. Это мера общей способности материала поглощать энергию, включая энергию как упругой, так и пластической деформации при постепенно прикладываемой нагрузке. Одним из самых распространенных тестов на ударную вязкость является «испытание на удар», в котором измеряется энергия, поглощенная при разрушении образца при внезапном ударе.

Природа прочности. - Прочность металла определяется степенью скольжения, которое может происходить внутри кристаллов, не приводя к разрушению металла.Возможно, это результат попеременного проскальзывания и расклинивания каждой клиновидной кристаллографической плоскости, удерживаемой до приложения большего напряжения. Хрупкий металл или сплав либо не перестанет скользить после достижения упругой деформации, либо остановится только на короткое время перед разрушением. Очевидно, что последовательная остановка и проскальзывание вызовут деформацию; поэтому вязкие металлы и сплавы часто являются наиболее пластичными и пластичными.

Иногда кристаллы металла могут быть прочными, но границы кристаллов могут содержать примеси, так что наименьшая деформация кристаллической массы может вызвать растрескивание через хрупкий материал границ зерен.Это справедливо для стали, содержащей значительное количество фосфора, и меди, содержащей висмут.

Ковкость. - Ковкость - это свойство металла, которое допускает остаточную деформацию при сжатии без разрушения. В частности, это означает способность раскатывать или забивать тонкие листы. Свойство пластичности похоже, но не то же самое, что и пластичность, и разные металлы не обладают этими двумя свойствами в одинаковой степени: хотя свинец и олово относительно высоки в порядке пластичности, им не хватает необходимой прочности на разрыв. быть втянутым в тонкую проволоку.Большинство металлов обладают повышенной ковкостью и пластичностью при более высоких температурах. Например, железо и никель очень пластичны при ярко-красном огне (1000 ° C).

Хрупкость. - Хрупкость подразумевает внезапный отказ. Это свойство ломаться без предупреждения, то есть без видимой остаточной деформации. Это противоположность ударной вязкости в том смысле, что хрупкое тело имеет небольшое сопротивление разрыву после достижения предела упругости. Хрупкость противоположна пластичности в том смысле, что она предполагает разрыв без значительной деформации.Часто твердые металлы хрупкие, но эти термины не следует путать или использовать как синонимы.

Усталостный отказ. - Если металл подвергается частым повторяющимся нагрузкам, он в конечном итоге разорвется и выйдет из строя.

Чередование стресса приведет к неудаче быстрее, чем повторение стресса. Под «чередованием напряжений» подразумевается попеременное растяжение и сжатие в любом волокне. Разрушение металлов и сплавов при повторяющихся или переменных напряжениях, слишком малых, чтобы вызвать даже остаточную деформацию при статическом применении, называется усталостным разрушением .

Коррозионная усталость. - Если элемент подвергается также воздействию коррозионных агентов, таких как влажная атмосфера или масло, не очищенное от кислоты, напряжение, необходимое для выхода из строя, намного ниже. Самые прочные стали не выдерживают усталости и коррозии при удельном напряжении волокна не более 24000 фунтов на квадратный дюйм, даже если их предел прочности может указывать на то, что они могут выдерживать гораздо более высокое напряжение. Интересно отметить, что удельное напряжение чрезвычайно прочной термически обработанной легированной стали, подверженной коррозионной усталости, будет не больше, чем у относительно слабой конструкционной стали.Очевидна важность защиты поверхностей усталостных элементов от коррозии с помощью цинкования, гальванизации и т. Д., Если и когда это возможно.

Твердость. - Качество твердости является сложным, и подробное исследование показало, что оно представляет собой комбинацию ряда физических и механических свойств. Его чаще определяют в терминах метода, используемого для его измерения, и обычно означает сопротивление вещества вдавливанию. Твердость также может быть определена с точки зрения устойчивости к царапинам и, таким образом, связана с износостойкостью.Термин твердость иногда используется для обозначения жесткости или состояния деформируемых изделий, поскольку твердость металла при вдавливании тесно связана с его пределом прочности при растяжении.

В инженерной практике сопротивление металла проникновению твердого инструмента для вдавливания обычно принимается как определяющее свойство твердости. Был разработан ряд стандартизированных испытательных машин и пенетраторов, наиболее распространенными из которых являются машины Бринелля, Роквелла и Виккерса.

В испытании Бринелля шарик из закаленной стали диаметром 10 мм вдавливается в поверхность испытываемого материала под нагрузкой 500 или 3000 кг и измеряется площадь вдавливания.Затем твердость по Бринеллю выражается как отношение приложенной нагрузки к площади слепка.

В тестах Роквелла используется несколько различных масштабов тестирования с использованием различных пенетраторов и нагрузок. Наиболее часто используемые шкалы - это шкала «C», в которой используется алмазный конусный пенетратор при основной нагрузке 150 кг, и шкала «B», в которой используется закаленный стальной шар диаметром 1/16 дюйма при основной нагрузке 100 кг. кг. В этом испытании в качестве меры твердости принимается разница глубины проникновения между глубиной проникновения малой нагрузки в 10 кг и приложенной основной нагрузкой.

В тесте Виккерса используется квадратный индентор в виде ромбовидной пирамиды, который может быть нагружен от 1 до 120 кг. Как и в тесте Бринелля, твердость выражается через приложенную нагрузку, деленную на площадь поверхности пирамидального отпечатка.

Тест Бринелля обычно используется только для довольно толстых срезов, таких как прутки и поковки, в то время как тест Роквелла обычно используется как для толстых, так и для тонких срезов, таких как полосы и трубки. Поверхностный Роквелл можно использовать для деталей толщиной до 0.010 дюймов. Тестер Виккерса чаще всего используется как лабораторный прибор для очень точных измерений твердости, а не как инструмент производственного контроля.

Склероскоп Шора измеряет упругость, а не твердость, хотя они взаимосвязаны. Склероскоп измеряет отскок падающего молотка от испытательной поверхности, и число твердости выражается как высота отскока в терминах максимального отскока от полностью закаленной высокоуглеродистой стали.

Природа твердости и мягкости. - Сопротивление металла проникновению другим телом, очевидно, частично зависит от силы сопротивления его межатомных связей. На это указывает почти точная параллель порядка твердости металлов и их модулей упругости. Единственное известное исключение - это соотношение магния и алюминия. Магний поцарапает алюминий, хотя его модуль упругости и средняя прочность межатомных связей меньше.


Дата: 24.12.2015; просмотр: 1239


.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Прочность, твердость, ударная вязкость, эластичность, пластичность, хрупкость и пластичность и пластичность - это механические свойства, используемые для измерения того, как металлы ведут себя под нагрузкой. Эти свойства описаны в терминах типов силы или напряжения, которые должен выдерживать металл, и как им сопротивляться.

Общие типы напряжений: сжатие, растяжение, сдвиг, кручение, удар, 1-2 или сочетание этих стрессов, например усталость.(См.

Напряжения сжатия возникают в материале, когда силы сжимают или раздавливают материал. Колонна, поддерживающая верхнюю балку, находится в сжатии, а внутренние напряжения, которые развиваются внутри колонны, - это сжатие.

Напряжения растяжения (или растяжения) возникают, когда материал подвергается растягиванию нагрузка; например, при использовании троса для подъема груза или при использовании его в качестве парень, чтобы закрепить антенну. «Прочность на разрыв» определяется как сопротивление продольное напряжение или растяжение и может измеряться в фунтах на квадратный дюйм поперечное сечение.Напряжения сдвига возникают в материале, когда внешние силы наносятся по параллельным линиям в противоположных направлениях. Срезающие силы могут отделите материал, сдвинув его часть в одном направлении, а остальные - в противоположное направление.

Некоторые материалы одинаково сильны при сжатии, растяжении и сдвиге. Однако многие материалы показывают заметные различия; например, затвердевший бетон имеет максимальная сила сжатия 2000 фунтов на квадратный дюйм, но только 400 фунтов на квадратный дюйм при растяжении.Углеродистая сталь имеет максимальную прочность на растяжение и сжатие 56000 фунтов на квадратный дюйм, но максимальная прочность на сдвиг всего 42000 фунтов на квадратный дюйм; поэтому при работе с максимальная сила, всегда следует указывать тип нагрузки.

Материал, который постоянно подвергается нагрузке, обычно в какой-то момент выходит из строя. ниже его максимальной прочности на растяжение, сжатие или сдвиг. Например, тонкий стальной стержень можно сломать вручную, несколько раз согнув его вперед-назад в том же месте; однако, если та же сила применяется в установившемся движении (не согнутый вперед-назад) шток не сломается.Склонность материала к выход из строя после многократного сгибания в одной и той же точке называется усталостью.

Таблица 1-2.-Механические свойства металлов / сплавов

Прочность

Прочность - это свойство, которое позволяет металлу сопротивляться деформации при нагрузка. Предел прочности - это максимальная нагрузка, которую может выдержать материал. Прочность на разрыв - это измерение сопротивления разрыву, когда помещен в растягивающую нагрузку.

Усталостная прочность - это способность материала противостоять различным видам быстро меняющиеся напряжения и выражаются величиной переменных напряжение за указанное количество циклов.

Ударная вязкость - это способность металла противостоять внезапно приложенным нагрузкам. и измеряется в фут-фунтах силы.

Твердость

Твердость - это свойство материала сопротивляться постоянному вдавливанию. Поскольку существует несколько методов измерения твердости, твердость материал всегда указывается с точки зрения конкретного теста, который использовался для измерить это свойство.Роквелл, Викерс или Бринелл - вот некоторые из методов тестирование. Из этих тестов наиболее часто используется метод Роквелла. Базовый принцип, используемый в тесте Роквелла, согласно которому твердый материал может проникать через более мягкий. Затем мы измеряем глубину проникновения и сравниваем ее со шкалой. Для черных металлов, которые обычно тверже цветных, алмаз используется наконечник, а его твердость обозначается цифрой

.

Номер Роквелла "C". На более мягких цветных металлах металлический шарик Используется, а твердость обозначается числом «B» по Роквеллу.Чтобы получить представление о свойство твердости, сравните свинец и сталь. Свинец можно поцарапать заостренная деревянная палка, а сталь не может, потому что она тверже свинца.

Полное объяснение различных методов, используемых для определения твердости материалы доступны в коммерческих книгах или книгах, находящихся в вашей базовой библиотеке.

Прочность

Прочность - это свойство, которое позволяет материалу выдерживать удары и деформироваться без разрыва.Прочность можно рассматривать как комбинацию прочность и пластичность. В Таблице 1-2 показан порядок некоторых наиболее распространенных материалы для прочности, а также других свойств.

Эластичность

Когда к материалу прилагается нагрузка, эта нагрузка заставляет материал деформировать. Эластичность - это способность материала возвращаться к своей первоначальной форме. после снятия нагрузки. Теоретически предел упругости материала - это предел, до которого материал может быть загружен и при этом восстановить свою первоначальную форму после снятия нагрузки.

Пластичность

Пластичность - это способность материала постоянно деформироваться без разрыв или разрыв. Это свойство противоположно силе. Осторожно легирование металлов, сочетание пластичности и прочности используется для изготовление крупных конструктивных элементов. Например, если участник моста конструкция становится перегруженной, пластичность позволяет перегруженному элементу течь позволяя распределять нагрузку на другие части конструкции моста.

Хрупкость

Хрупкость - противоположность пластичности. Хрупкий металл тот, который ломается или раскалывается прежде, чем деформируется. Белый чугун и стекло хорошие образцы хрупкого материала. Как правило, хрупкие металлы содержат прочность на сжатие, но низкая прочность на разрыв. Например, вы бы не выбрать чугун для изготовления опорных балок моста.

Пластичность и пластичность

Пластичность - это свойство, которое позволяет материалу растягиваться, сгибаться или скручиваться. без трещин и поломок.Это свойство позволяет материалу быть вытянутым в тонкую проволоку. Для сравнения, пластичность - это свойство, которое позволяет материалу деформироваться под действием сжимающих сил без развития дефектов. Податливый материал - это материал, который можно штамповать, ковать, штамповать, прессовать или свернутые в тонкие листы.

.

Упругая / пластическая деформация

Упругая / пластическая деформация

Когда к металлу или другому конструкционному материалу прилагается достаточная нагрузка, это приводит к изменению формы материала. Это изменение формы называется деформацией. Временное изменение формы, которое самообратимо после снятия силы, так что объект возвращается к своей исходной форме, называется упругой деформацией. Другими словами, упругая деформация - это изменение формы материала при низком напряжении, которое можно восстановить после снятия напряжения.Этот тип деформации включает растяжение связей, но атомы не проскальзывают друг мимо друга.

Когда напряжение является достаточным для постоянной деформации металла, это называется пластической деформацией. Как обсуждалось в разделе о дефектах кристаллов, пластическая деформация включает в себя разрыв ограниченного числа атомных связей движением дислокаций. Напомним, что сила, необходимая для разрыва связей всех атомов в кристаллической плоскости одновременно, очень велика. Однако движение дислокаций позволяет атомам в кристаллических плоскостях скользить друг мимо друга при гораздо более низких уровнях напряжения.Поскольку энергия, необходимая для движения, самая низкая вдоль самых плотных плоскостей атомов, дислокации имеют предпочтительное направление движения внутри зерна материала. Это приводит к скольжению по параллельным плоскостям внутри зерна. Эти параллельные плоскости скольжения группируются вместе, образуя полосы скольжения, которые можно увидеть в оптический микроскоп. Под микроскопом полоса скольжения выглядит как одна линия, но на самом деле она состоит из близко расположенных параллельных плоскостей скольжения, как показано на изображении.

.

Смотрите также