Загальні відомості про метали та їх класифікація. Механічні властивості металів.

Зміст лекції

Лекція № 2

Тема лекції:Метали і металовироби.

Мета:визначити сутність та основні характеристики товарознавства, сформувати знання основних завдань та принципів товарознавства, ознайомити студентів з основними поняттями стандартизації та якості продукції, розкрити сутність показників споживчої властивості товарів.

Значення металевих матеріалів у народному господарстві, на­прямки їх економного і раціонального використання. Класифіка­ція металів та сплавів на їх основі. Особливості будови металевих матеріалів. Способи змінення структури і властивостей метале­вих матеріалів у твердому стані. Структура і властивості метале­вих матеріалів Види та призначення термічної і хіміко-термічної обробки металів і сплавів.Поняття про корозію та методи захис­ту від неї. Класифікація та асортимент чавунів, чавунних відливок і труб. Характеристика та асортимент феросплавів. Сировинні матеріали і способи виробництва сталі. Методи підвищення якості сталі та її класифікація. Принципи маркування кольорових металів і сплавів на їх ос­нові. Основний асортимент і сфери застосування легких металів: алюмінію, магнію, титану та сплавів на їх основі. Умови зберігання і перевезення металопродукції.

План лекції:

1. Загальні відомості про метали та їх класифікація. Механічні властивості металів.

2. Чавун та сталь: їх склад, характеристика та класифікація.

3. Кольорові метали та сплави на їх основі.

4. Методи підвищення якості сталі.

Література:

1. Основна:

1.1 Оснач О.Ф. Товарознавство: Навчальний посібник – Київ: Центр навчальної літератури, 2004.- 219 с.

1.2. Теплов В.И., Сероштан М.В., Боряев В.Е., Панасенко В.А. Коммерческое товароведение: Учебник. – 2 – е изд. – М.: Издательский Дом «Дашков и К», 2000. – 620 с.

1.3. Богацька Л.Н. Товарознавство. – К., 2001. – 96 с.

2. Додаткова:

2.1 Товароведение: Учеб. пособие/ Под. ре. П.Д. Дудко, А.Г. Крюка. – Х.: ИД «ИНЖЕК», 2005. - 456 с.

Метали, клас хімічних елементів з певними хімічними і фізичними властивостями: метали добре проводять електрику і тепло, непрозорі, але можуть відбивати світло; ковкі, що дозволяє надавати виробам з них потрібну форму і розкатувати в плоскі пластинки, пластичні, що дає можливість витягати тонкий дріт.

Металами є більшість хімічних елементів (приблизно 80 %). Найпоширенішим металом в земній корі є алюміній.

Широко використовуються такі типи металів:

чорні метали — залізо, манган, хром.

дорогоцінні метали: золото, срібло і платина, використовуються переважно в ювелірній промисловості;

важкі метали: мідь, цинк, олово і свинець, застосовуються в машинобудуванні;

рідкісні важкі метали: нікель, кадмій, вольфрам, молібден, манган, кобальт, ванадій, вісмут, використовуються в сплавах з важкими металами;

легкі метали: алюміній, титан і магній;

лужні метали: калій, натрій і літій

лужноземельні метали: кальцій, барій і стронцій, застосовуються в хімії,

Метали є кристалічними тілами, їхні атоми закономірно і пе­ріодично розташовані в просторі. Цим вони відрізняються від аморфних тіл, атоми яких знаходяться в безладному стані. Роз­ташування атомів у металах характеризується кристалічними ре­шітками.

У металів найчастіше зустрічаються такі типи решіток: об’ємноцентрована кубічна (ОЦК), гранецентрована кубічна (ГЦК), гексагональна щільноупакована (ГЩУ).

Рис. 1.1. Схеми кристалічних решіток: а — ОЦК; б — ГЦК; в — ГЩУ

У кубічній об 'ємноцентрованій решітці (а) вісім атомів роз­ташовані по кутах куба і дев'ятий атом — у центрі куба. Таку решітку мають метали хром, вольфрам, молібден та інші. У кубічній гранецентрованій решітці (б), крім восьми ато­мів у кутах куба, ще є шість атомів у центрах граней куба: нікель, мідь, алюміній, свинець, золото та ін.

У гегсагональній решітці (в) атоми знаходяться у кутах і в центрах шестикутних основ, а також у центрах трьох (із шести) граней: магній, цинк, берилій та ін.

Кристалічні решітки вивчаються за допомогою рентгено-структурного аналізу, який встановлює тип решітки та її розміри.

Властивості металів визначаються силами взаємодії атомів, а тому залежать від відстані між атомами і їхнього розташу­вання, іншими словами, обумовлені щільністю упаковування атомів у решітці. Щільність упаковування оцінюють коорди­наційним числом, під яким розуміють число атомів, які рівно-віддалені і знаходяться на мінімальній відстані від заданого (базового). Для решітки ОЦК координаційне число — К8, для штахети ГЦК — К12, а для ГЩУ — Г12. Літери «К» і «Г» по­казують тип решітки.

Деяким металам властива алотропія або поліморфізм, тобто здатність змінювати свою кристалічну решітку при нагріванні (охолодженні). Кристалізацією називається процес утворення в металах кристалічної решітки. Існує первинна кристалізація, ко­ли утворення

кристалів відбувається при затвердінні металів, і у твердому стані — повторна кристалізація. У чистих металах тве­рдий стан переходить у рідину при температурі плавлення, у га­зоподібний — при температурі кипіння. Температура плавлення металів коливається від 39°С (для ртуті) до 3390°С (для найбільш тугоплавкого металу вольфраму).

Алотропія (поліморфізм) — спроможність кристалічної речо­вини змінювати свою кристалічну решітку при нагріванні до пе­вної температури. Такі перетворення називаються алотропічними або поліморфними. Той самий метал у різноманітних модифіка­ціях має різноманітні властивості.

Пластичною деформацієюназивається властивість металів і їх­ніх сплавів змінювати свою форму і розміри під дією зовнішніх сил не руйнуючись. При пластичній деформації відбувається зміна форми і розмірів оброблюваного металу, а також його внутрішньої будови і механічних властивостей. При пластичній деформації відбувається зсув однієї частини зерен до іншої, порушуються бу­дови кристалічних решіток. Всі внутрішні зміни, що відбуваються при пластичній деформації, називають ущільненням металу.

Наклепаний метал нестійкий і при підвищенні температури вище кімнатної переходить у більш стійкий стан. Для усунення наклепа метал нагрівають до певної температури (наприклад, за­лізо — 300—400°С), відбувається перебудова кристалічної реші­тки внаслідок переміщення атомів, а гаряча обробка металу зни­жує опір деформації. Цей процес називається рекристалізацією. Внаслідок рекристалізації відбувається зміна властивостей мета­лів без повторного розплавлення. Міцнісні характеристики мета­лу різко зменшуються, а пластичність збільшується. Механічні властивості поліпшуються.

Чисті метали в техніці використовуються рідко. В промисло­вості використовуються в основному металеві сплави. Метале­вим сплавом називається кристалічна речовина, яка складається з двох чи більше металів або металів і неметалів, яку одержують сплавленням суміші у рідкому стані.

Рациональное применение металлов и их сплавов - соединений двух или нескольких металлов друг с другом или с неметаллами -зависит от их физических, механических, химических и техноло­гических свойств, определяемых типом кристаллической решетки (ОЦК, ГЦК, ГПУ) и ее параметрами, составом, структурой и нали­чием примесей. Например, присутствие в меди всего 0,1% фосфора снижает ее электропроводность в 2 раза, а 0,5% фосфора - более чем в 5 раз. Потребительские свойства металлов и сплавов могут улучшаться. Изменение свойств металлов и сплавов достигается ис­кусственным

измельчением размеров зерна, регулируя химический состав, условия выплавки, разливки и обработки давлением, терми­ческой обработкой. Для изменения не только структуры, но и хи­мического состава поверхности металлов и сплавов их подвергают химико-термической обработке, электрофизическим воздействиям.

По мере совершенствования техники и технологий улучшается качество металлов и сплавов, повышаются и их потребительские свойства, создаются принципиально новые материалы, нередко с наперед заданными свойствами, а также материалы, не имеющие аналогов. Примерами таких свойств в металлах и сплавах можно на­звать сверхпрочность, сверхпластичность, способность запоминать форму и другие специальные свойства

Щоб правильно і ощадливо використовувати різнома­нітні метали і сплави, потрібно знати їхні механічні властивості.

Механічні властивості характеризують здатність металів і сплавів протистояти дії зовнішніх сил — статичних і динамічних,що розтягують і стискують, скручують і зрізають, викликають рі­зноманітні види деформації.Основними механічними властивостями металів є міцність, твердість, пругкість, пластичність, крихкість, ударна в'язкість, витривалість, опір крутінню й ін. При оцінці показників механічних властивостей металів розрі­зняють декілька груп критеріїв:

1. Критерії, які характеризують якість металів без урахуван­ня їхнього призначення. Ці критерії знаходять шляхом станда­ртних випробувань зразків при статичних і динамічних наван­таженнях.

2. Критерії оцінки конструктивної стійкості металу, що відби­вають працездатність металу в умовах експлуатації.

Ці критерії визначають дві групи оцінок якості:

а) критерії, що визначають надійність металевих виробів, які можуть мати тріщини, надрізи, наскрізні отвори, неметалеві включення, пустоти та ін. Тріщини і мікропустоти є концентра­торами напруг, і такий метал руйнується;

б) критерії, що визначають довговічність виробів — опір вто­мі, зносостійкість, опір корозії.

3. Критерії конструктивної стійкості готових виробів, що за­лежать від залишкових напруг, які виникають внаслідок обробки металовиробів, та ін.

Міцністю називається здатність металів протистояти руйнів­ному впливу зовнішніх сил. У залежності від напрямку дії сил розрізняють міцність на розтяг, стискання, згинання, які характе­ризуються напругою, що відповідає найбільшим силам, які роз­ривають або стискують, а також найбільшому вигинальному мо­менту, який витримує зразок, не руйнуючись.

Умовне напруження в МПа, що відповідає максимальному нава­нтаженню Р_н, досягнутому до поділу зразка на частини, називається тимчасовим опором розтяганню , або границею міцності:

= Рн/Fо (МПа),

де Р_н — сила, прикладена до зразка, Н (кгс); 1кгс/мм² 10 МПа; Fо — площа поперечного перетину зразка, мм.

Дійсне напруження— момент поділу зразка на частини є дій­сною границею міцності.

Деформацієюназивається зміна розмірів і форми тіла під впливом прикладених сил. Розрізняють пружну і пластичну де­формацію.

Пружністю називається властивість металів і сплавів віднов­лювати свою форму і розміри після припинення дії зовнішньої сили.

У металах під впливом сил виникають напруги. Якщо ці на­пруги не руйнують метал, то відбувається пружна деформація, при якій атоми металу в кристалах відхиляються від місця стійкої рівноваги на відстані, що не перевищують міжатомних. Пружна деформація зникає після зняття навантаження, тому що атоми повертаються у початковий стан.

Границя пружностівизначається найбільшим умовним на­пруженням, за якого з обумовленим відхиленням зберігається пружність у разі деформування зразка. Границя пружності визна­чається як напруга, при якій деформація досягає 0,05% початко­вої довжини зразка:

= Р 0,05/Fо (МПа),

Границя плинності— це є напруження, за якого залишкова деформація зразка досягає обумовленої нормативно-технічними документами величини.

Пластичність — здатність металу або сплаву змінювати свою форму і розміри під дією зовнішніх сил, не руйнуючись. Оцінюється пластичність розмірами відносних видовжень (%) зразка і відносних звужень після розриву \|/ (%).

Твердість характеризує властивість металів протистояти вдавлюванню (проникненню) у нього іншого, більш твердого тіла. Між твердістю металів та іншими механічними властивос­тями (особливо межею міцності) існує кількісна залежність. До­

слідження твердості не потребує виготовлення спеціальних зра­зків і виконується безпосередньо на деталях після підготування на поверхні горизонтальної площадки, а іноді навіть без такого підготування. Цей вимір не спричиняє руйнацію деталі, що пе­ревіряється, а після виміру її можна використовувати за призна­ченням.

Існують різноманітні способи визначення твердості.

Метод Брінеллязастосовується для визначення твердості ча­вунів, незагартованих сталей і кольорових металів. У матеріал вдавлюється сталева кулька, і за допомогою спеціальних таблиць по діаметру відбитка, що залишається від кульки, одержують значення твердості.

Число твердості за Брінеллем визначається відношенням на­вантаження, що діє на кульку, до поверхні відбитка і має розмір­ність напруги (МПа). Записується твердість за Брінеллем в оди­ницях НВ, наприклад, НВ 350 (3500 МПа).

Вимірювання твердості за Роквеллом полягає в тому, що твер­дість визначають за глибиною відбитка, отриманого при вдавлю­ванні діамантового конуса або сталевої загартованої кульки, а не за площею відбитка.

При вимірі твердості за Віккерсомв метал вдавлюється діама­нтова пірамідка. Твердість, як і за методом Брінелля, визначаєть­ся як зусилля, що припадає на одиницю поверхні відбитка (МПа), позначається НУ. На приладі Віккерса навантаження коливається від 10 до 1200 Н. Тому можна вимірювати твердість дуже твер­дих і тонких поверхневих шарів, наприклад, азотованого шару сталі.

При оцінці якості металу, що піддається динамічним наванта­женням, використовується показник ударної в'язкості.

В'язкість — властивість металу поглинати енергію зовнішніх сил за рахунок деформації. Ударна в'язкість є робота, витрачена на зруйнування ударним згином зразка з концентратором напру­жень, віднесена до робочої площі поперечного перерізу зразка:

КС = А/ F; КС = Дж/м²(кгсм/см²),

де КС— символ ударної в'язкості;

А— робота руйнування;

Р — площа поперечного перерізу зразка по місцю його зламу, мм².

Ударна в'язкість характеризує надійність матеріалу — опір крихкій руйнації.

Крихкість — це властивість металів і сплавів руйнуватися під дією зовнішніх сил, без залишкових деформацій.

Накопичення ушкоджень у металі, що виникає під дією циклі­чних навантажень, призводить до утворення тріщин і руйнуван­ня. Це явище називається втомою. Властивість же металів про­тистояти втомі називається витривалістю, а найбільша напруга, що витримує матеріал без руйнування, називається границеюви­тривалості.