Механические свойства черных металлов.

Общие сведения о металлах

Главным физическим критерием металлического состояния является изменение электросопротивления у металлов в зависимости от его температурного состояния. Свойствами металлов являются также высокая прочность, пластичность и ковкость, непрозрачность и металлический блеск. Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких различно ориентированных один по отношению к другому кристаллов.

Все металлы разделяются на две большие группы- черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и подразделяются следующим образом:

а) железные металлы - железо, кобальт, никель, марганец;

б) тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (т.е. выше 1539^оС);

Цветные металлы подразделяются на:

а) легкие металлы -бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

б) благородные металлы- серебро, золото, металлы платиновой группы;

в) легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец и некоторые другие.

Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в сплавах с углеродом и другими элементами относится к группе черных металлов.

В технике железо применяется в виде сплавов.

Сплавом называется вещество, полученное переплавлением двух или более элементов и представляют собой как механическую смесь компонентов, так и химическое соединение.

Механическая связь двух компонентов А и Б образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии.

При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и Б (рисунок 1), выявляемых при исследовании под микроскопом полированных и протравленных в специальных травителях шлифов. В качестве примера можно привести наличие свободно выделившегося углерода (А) в сплошной матрице железа (В).

 

 

Рисунок 1 – Сплав под микроскопом

 

Химическое соединение образуется при взаимном растворении одного элемента в другом при высоких температурах с последующим получением твердых растворов.

Твердые растворы являются однофазными, состоящими из одного вида кристаллов, имеют одну кристаллическую решетку, в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном состоянии компонентов, а в интервале концентраций.

Элементом, оказывающим наибольшее влияние на свойства черных металлов, является углерод и в зависимости от его содержания образуется сталь или чугун. Чугуном называется сплав, содержащий более 2,14% углерода, сталью-2,14% и менее. Если в стали содержится 0,6-2,14% углерода, то ее называют высокоуглеродистой, при содержании ≤ 0,25%-низкоуглеродистой. Помимо углерода в стали в небольшом количестве содержится марганец, кремний, фосфор и сера.

Легированная сталь может содержать кроме названных и другие элементы.

Классификация металлов.

Металлы делятся на две группы:

• Черные – металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.
• Цветные – металлы, которые чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:

Легкие металлы, имеющие плотность до 5000 кг/м³ (литий, натрий, магний, калий, алюминий и др.).

Тяжелые металлы, имеющие плотность более 5000 кг/м³ (цинк, медь, олово, свинец, серебро, золото и др.).

Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (ниобий, молибден, вольфрам и др.).

 

3. Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

 

Напряжения, развиваемые в металлах под воздействием приложенных сил, могут вызывать упругие и пластические деформации.

По степени пластической деформации непосредственно перед разрушением судят о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает " хрупкий" материал. Пластичность в сочетании с высокой прочностью делает металлы незаменимыми конструкционными материалами. Наиболее высокой прочностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по сравнению с другими металлами.

Пластическая деформация сопровождается не только изменением формы, но и изменением структуры металла, которая заключается в вытягивании зерен и измельчении блочной структуры.

При деформации под действием напряжений блочная структура измельчается, что приводит к значительному увеличению плотности дислокаций и резкому возрастанию внутрикристаллических и межкристаллических напряжений. Все это приводит к повышению твердости, пределов прочности, текучести, упругости и уменьшению пластичности деформируемого материала.

Важнейшими свойствами металла, характеризующими его работу во времени, являются: релаксация напряжений, ползучесть, выносливость, ударная вязкость и внутреннее трение.

Релаксация напряжений является процессом уменьшения во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластическую при условии постоянства общей деформации.

Под ползучестью понимают процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация конструкции, а иногда и ее разрушение. Ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур. Процесс ползучести способен существенно изменить структуру металла, а следовательно, и его механические характеристики.

Между основными реологическими характеристиками металлов - ползучестью и релаксацией - существует тесная связь, так как физико-механические основы обоих явлений одинаковы.

В зависимости от вида и условий нагружения металлы могут разрушаться вязко или хрупко. Вид разрушения образца зависит, в первую очередь, от соотношения его предела текучести, определяющего сопротивление металла пластической деформации, и сопротивления отрыву.

Переход от статических испытаний (статическое растяжение, сжатие и др.) к динамическим (ударный изгиб) позволяет определить склонность металла к хрупкому разрушению в условиях неоднородности напряженного состояния и динамического нагружения.

4. Строение металлов .

В металлах, которые находятся в жидком и твёрдом состоянии, между составляющими их частицами существует особый вид химической связи. Обратим внимание, что типичные металлы отличаются малым числом электронов в наружном слое атомов. Для их ионизации требуется относительно небольшая энергия.

Когда атомы при конденсации паров металла сближаются, их наружные электроны переходят в общее пользование всех атомов данного металла. Возникающие положительные ионы металла удерживаются все вместе за счёт притяжения ко всем свободно движущимся в металле электронам. Такой вид химической связи называют металлической.

Металлическая связь имеет сходства и различия с ионной и валентной связями.

С ковалентной связью металлическая сходна тем, что при возникновении этих видов связи валентные электроны переходят в общее пользование атомов. Однако, в случае металлической связи эти электроны связывают все атомы данного куска металла, а в случае с ковалентной – два объединившихся атома.

С ионной связью металлическая связь сходна наличием ионов. Однако в металлах положительно заряженные ионы удерживаются свободно перемещающимися электронами, а не отрицательно заряженными ионами, как в веществах с ионной связью.

Металлическая связь имеется в металлах, находящихся в жидком и твёрдом состоянии. Твёрдые металлы – вещества кристаллические. Их кристаллические решётки сходны с атомными решётками алмаза, кремния, но в узлах металлических решёток расположены положительно заряженные ионы.

Вследствие притяжения всех свободных электронов всеми положительно заряженными ионами металлическая связь очень прочна. Поэтому для металлов характерны кристаллические решётки с плотной упаковкой ионов, которая

достигается в металлах с решёткой гексагонального типа (цинк, магний и др.) или кубического гранецентрированного (медь, серебро, алюминий и др.). Менее плотной является решётка кубическая объемно-центрированная. Такую решётку при кристаллизации образуют железо, натрий, барий и др.

Некоторые металлы (например, олово) могут кристаллизоваться в зависимости от температуры с образование решёток то одного, то другого ти

Способы выплавки стали.

Существует несколько способов получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавка.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.

Область применения

Стандарт распространяется на горячекатаную круглую сталь гладкого и периодического профиля, предназначенную дляармирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций (арматурная сталь). В части нормхимического состава низколегированных сталей стандарт распространяется также на слитки, блюмсы и заготовки.

Классификация

Арматурная сталь изготовляется:

• класса А-I – гладкой;

• класса А-II, А-III, А-IV, A-V, A-VI – периодического профиля.

Арматурную сталь изготавливают из углеродистой и низколегированной стали марок, указанных в таблице:

Класс арматурной стали	Диаметр профиля, мм.	Марка стали
А-I (А240)	6 – 40	Ст3кп, Ст3пс, Ст3сп
А-II (А300)	10 – 40 40 – 80	Ст5сп, Ст5пс 18Г2С
Ас-II (Ас300)	10 - 32 (36 - 40)	10ГТ
А-III (А400)	6 - 40 6 - 22	35ГС, 25Г2С, 32Г2Рпс
А-IV (А600)	10 - 18 (6 - 8) 10 - 32 (36 - 40)	80С   20ХГ2Ц
А-V (А800)	(6 - 8) 10 - 32 (36 - 40)	23Х2Г2Т
А-VI (А1000)	10 - 22	22Х2Г2Ю,22Х2Г2Р, 20Х2Г2СР

 

 

Арматура А3 A400C

Арматура А3 A400C - это горячекатаная круглая сталь периодического профиля, предназначенная для армирования обычных и предварительно напряженных железобетонных конструкций, которая используется в малоэтажном строительстве.

Из-за низкого предела текучести, арматуру A400C не рекомендуется использовать в ответственных конструкциях, высотных зданиях, монолитных строениях, в конструкциях с постоянной переменной нагрузкой. Основная область применения арматуры А3 A400C с - это строительство коттеджей, армирование дорожного полотна, армирование стен, полов, железобетонных изделий.

Арматурная сталь класса А400С диаметром до 10мм включительно изготавливают в прутках и бухтах, а больших диаметров - только в прутках.

А3 A400C в прутках 6-36 мм диаметр
А3 А400С в бухтах 6,8,10 мм диаметр

Арматура А400С - это стальной пруток с круглым сечением, с гладкой или рифленой поверхностью. Арматурная сталь класса А400С диаметром до 10мм включительно изготавливают в мотках и стержнях, а больших диаметров - только в стержнях. Бывает мерной и немерной длины. Арматура А400С используется для изготовления всех видов железобетонных конструкций для повышения прочностных характеристик бетона. Качество арматуры А400С обеспечивается ГОСТ 5781-82 и ТУ 14-3-5254-94.

Арматура А400С, как правило, используется в железобетонных конструкциях, изготовленных с применением легких бетонов плотной структуры или тяжелых бетонов.

Арматура А3 A500C

Строительная арматура А3 A500C изготавливается по ГОСТ 5781-82, ТУ 14-3-5254-94, СТО АСЧМ 7-93.

Арматура A500C используется для строительства монолитных высотных зданий, армирования стен, полов и в других строительных конструкциях.

А3 A500C в прутках6-36 мм диаметр
А3 A500C в бухтах 6,8,10 мм диаметр

Арматура А3 А500С это сталь горячекатаная круглая, которая имеет периодический или круглый профиль.
Арматура А500С гладкая - круглые стержни с гладкой поверхностью.
Арматура А500С рифленая - стержни с расположенными на их поверхности под углом к продольной оси поперечными выступами для улучшения сцепления с бетоном.

Предназначение арматуры А500С - армирование конструкций из железобетона, являющихся предварительно напряженными или обычными. Она необходима для того, чтобы придать им дополнительную прочность и защиту от деформаций. Существует несколько вариантов размещения арматуры А500С внутри железобетонной конструкции. Продольная арматура А500С снижает риск возникновения наклонных трещин, а также регулирует растягивающее напряжение. Поперечная предназначена для того, чтобы снизить риск возникновения наклонных трещин, она связывает бетон сжатой зоны.

 

 

Общие сведения о металлах

Главным физическим критерием металлического состояния является изменение электросопротивления у металлов в зависимости от его температурного состояния. Свойствами металлов являются также высокая прочность, пластичность и ковкость, непрозрачность и металлический блеск. Металлы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа мелких различно ориентированных один по отношению к другому кристаллов.

Все металлы разделяются на две большие группы- черные и цветные металлы.

Черные металлы имеют темно-серый цвет, большую плотность, высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и подразделяются следующим образом:

а) железные металлы - железо, кобальт, никель, марганец;

б) тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (т.е. выше 1539^оС);

Цветные металлы подразделяются на:

а) легкие металлы -бериллий, магний, алюминий, обладающие малой плотностью;

б) благородные металлы- серебро, золото, металлы платиновой группы;

в) легкоплавкие металлы - цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец и некоторые другие.

Важнейшим промышленным металлом является железо, которое в сплавах с углеродом и другими элементами относится к группе черных металлов.

В технике железо применяется в виде сплавов.

Сплавом называется вещество, полученное переплавлением двух или более элементов и представляют собой как механическую смесь компонентов, так и химическое соединение.

Механическая связь двух компонентов А и Б образуется тогда, когда они не способны к взаимному растворению в твердом состоянии.

При этих условиях сплав будет состоять из кристаллов А и Б (рисунок 1), выявляемых при исследовании под микроскопом полированных и протравленных в специальных травителях шлифов. В качестве примера можно привести наличие свободно выделившегося углерода (А) в сплошной матрице железа (В).

 

 

Рисунок 1 – Сплав под микроскопом

 

Химическое соединение образуется при взаимном растворении одного элемента в другом при высоких температурах с последующим получением твердых растворов.

Твердые растворы являются однофазными, состоящими из одного вида кристаллов, имеют одну кристаллическую решетку, в отличие от химического соединения твердый раствор существует не при определенном состоянии компонентов, а в интервале концентраций.

Элементом, оказывающим наибольшее влияние на свойства черных металлов, является углерод и в зависимости от его содержания образуется сталь или чугун. Чугуном называется сплав, содержащий более 2,14% углерода, сталью-2,14% и менее. Если в стали содержится 0,6-2,14% углерода, то ее называют высокоуглеродистой, при содержании ≤ 0,25%-низкоуглеродистой. Помимо углерода в стали в небольшом количестве содержится марганец, кремний, фосфор и сера.

Легированная сталь может содержать кроме названных и другие элементы.

Классификация металлов.

Металлы делятся на две группы:

• Черные – металлы, которые имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.
• Цветные – металлы, которые чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую, белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления, для них характерно отсутствие полиморфизма. Наиболее типичным металлом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем железа (т.е. 1539 °С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:

Легкие металлы, имеющие плотность до 5000 кг/м³ (литий, натрий, магний, калий, алюминий и др.).

Тяжелые металлы, имеющие плотность более 5000 кг/м³ (цинк, медь, олово, свинец, серебро, золото и др.).

Легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами – галлий, германий.

Тугоплавкие металлы, температура плавления которых выше, чем у железа (ниобий, молибден, вольфрам и др.).

 

3. Структурно-механические свойства металлов в процессе их деформации

 

Напряжения, развиваемые в металлах под воздействием приложенных сил, могут вызывать упругие и пластические деформации.

По степени пластической деформации непосредственно перед разрушением судят о пластичности металла (резерв пластичности). Малым резервом пластичности обладает " хрупкий" материал. Пластичность в сочетании с высокой прочностью делает металлы незаменимыми конструкционными материалами. Наиболее высокой прочностью при достаточной пластичности обладают стали, поэтому они шире всего применяются в технике по сравнению с другими металлами.

Пластическая деформация сопровождается не только изменением формы, но и изменением структуры металла, которая заключается в вытягивании зерен и измельчении блочной структуры.

При деформации под действием напряжений блочная структура измельчается, что приводит к значительному увеличению плотности дислокаций и резкому возрастанию внутрикристаллических и межкристаллических напряжений. Все это приводит к повышению твердости, пределов прочности, текучести, упругости и уменьшению пластичности деформируемого материала.

Важнейшими свойствами металла, характеризующими его работу во времени, являются: релаксация напряжений, ползучесть, выносливость, ударная вязкость и внутреннее трение.

Релаксация напряжений является процессом уменьшения во времени напряжений деформируемого материала в результате перехода упругой деформации в пластическую при условии постоянства общей деформации.

Под ползучестью понимают процесс увеличения деформации во времени при постоянном напряжении. Он начинается сразу после возникновения мгновенной деформации. Под действием длительно приложенной нагрузки может развиваться значительная деформация конструкции, а иногда и ее разрушение. Ползучесть лимитирует длительность эксплуатации конструкций, работающих под постоянной нагрузкой, особенно в условиях повышенных температур. Процесс ползучести способен существенно изменить структуру металла, а следовательно, и его механические характеристики.

Между основными реологическими характеристиками металлов - ползучестью и релаксацией - существует тесная связь, так как физико-механические основы обоих явлений одинаковы.

В зависимости от вида и условий нагружения металлы могут разрушаться вязко или хрупко. Вид разрушения образца зависит, в первую очередь, от соотношения его предела текучести, определяющего сопротивление металла пластической деформации, и сопротивления отрыву.

Переход от статических испытаний (статическое растяжение, сжатие и др.) к динамическим (ударный изгиб) позволяет определить склонность металла к хрупкому разрушению в условиях неоднородности напряженного состояния и динамического нагружения.

4. Строение металлов .

В металлах, которые находятся в жидком и твёрдом состоянии, между составляющими их частицами существует особый вид химической связи. Обратим внимание, что типичные металлы отличаются малым числом электронов в наружном слое атомов. Для их ионизации требуется относительно небольшая энергия.

Когда атомы при конденсации паров металла сближаются, их наружные электроны переходят в общее пользование всех атомов данного металла. Возникающие положительные ионы металла удерживаются все вместе за счёт притяжения ко всем свободно движущимся в металле электронам. Такой вид химической связи называют металлической.

Металлическая связь имеет сходства и различия с ионной и валентной связями.

С ковалентной связью металлическая сходна тем, что при возникновении этих видов связи валентные электроны переходят в общее пользование атомов. Однако, в случае металлической связи эти электроны связывают все атомы данного куска металла, а в случае с ковалентной – два объединившихся атома.

С ионной связью металлическая связь сходна наличием ионов. Однако в металлах положительно заряженные ионы удерживаются свободно перемещающимися электронами, а не отрицательно заряженными ионами, как в веществах с ионной связью.

Металлическая связь имеется в металлах, находящихся в жидком и твёрдом состоянии. Твёрдые металлы – вещества кристаллические. Их кристаллические решётки сходны с атомными решётками алмаза, кремния, но в узлах металлических решёток расположены положительно заряженные ионы.

Вследствие притяжения всех свободных электронов всеми положительно заряженными ионами металлическая связь очень прочна. Поэтому для металлов характерны кристаллические решётки с плотной упаковкой ионов, которая

достигается в металлах с решёткой гексагонального типа (цинк, магний и др.) или кубического гранецентрированного (медь, серебро, алюминий и др.). Менее плотной является решётка кубическая объемно-центрированная. Такую решётку при кристаллизации образуют железо, натрий, барий и др.

Некоторые металлы (например, олово) могут кристаллизоваться в зависимости от температуры с образование решёток то одного, то другого ти

Механические свойства черных металлов.

К механическим свойствам относят прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

Прочность — способность металла или сплава воспринимать действующие нагрузки не разрушаясь. Например, если сделанные вами подвески для стенда не разрушаются от его веса при закреплении на стене, значит они обладают достаточной прочностью.

Твердость — свойство материала сопротивляться внедрению в него другого, более твердого материала. Например, если на стальную и медную пластины нанести лунки с помощью кернера, ударив по нему молотком с одинаковым усилием, то в медной пластине глубина лунки будет больше, чем в стальной. Это свидетельствует о том, что сталь тверже меди.

Упругость — свойство металла или сплава восстанавливать первоначальную форму после устранения внешних сил. Если положить на две опоры металлическую линейку и в центре ее поместить небольшой груз, то она прогнется на некоторую величину, а после снятия груза примет первоначальное положение. Это показывает, что материал линейки обладает упругостью.

Вязкость — свойство тел поглощать энергию при ударе.

Пластичность — способность изменять форму под дей­ствием внешних сил не разрушаясь. Это свойство используют при правке, гибке, прокатке, штамповке заготовок.

 

Способы выплавки стали.

Существует несколько способов получения стали: конверторный, мартеновский и электроплавка.

Конверторный способ основан на продувке сжатым воздухом расплавленного чугуна. При продувке кислород воздуха вступает в реакцию с примесями чугуна и окисляет их, в результате чего получается сталь. Для конверторного способа используют жидкий чугун, полученный в доменных печах и выдержанный в специальных металлоприемниках (миксерах).

Достоинствами конверторного способа являются: высокая производительность агрегатов, компактность оборудования и т. д.

К недостаткам этого способа относятся невозможность переработки большого количества стального и железного лома, а также передел чугунов только определенного химического состава.

Мартеновский способ вызван к жизни необходимостью перерабатывать стальной лом и отходы производства. Требовалось создать печь, в которой температура была бы настолько высокой, чтобы можно было плавить сталь и железо. Получение высокой температуры в мартеновской печи дало возможность не только использовать промышленные отходы в качестве шихтовых материалов, но и получать стали с весьма разнообразными свойствами. Мартеновская сталь поступает в виде листовой и сортовой, рельсов, отливок, заготовок для ковки и штамповки.