Металлы. Основные признаки металлов.

Все металлы – тела кристаллические. В них сущ. закономерное расположение + ионов (дальний порядок) образующих кристаллическую решетку. В основе кристалл. строения металлов лежит металлический тип связи характеризующийся наличием большого кол-ва свободных электронов или электронного газа. Именно этой особенностью металл. связей и объясняются основные признаки металлов позволяющие отнести металлы к ед. классу. К этим признакам относят следующие: -высокая тепло и электропроводимость; - высокая отражающая способность и не прозрачность; - положительный терм. коэф сопротивления. Ряд металлов и сплавов обладают сверхпроводимостью; - высокая способность к термоэлектронной эмиссии (способность излучать Эл. с нагретой поверхности); - относительно высокая прочность при увеличении пластичности.

Классификация металлов

Большинство элементов в периодической системе – металлы. Все эти металлы обладают самыми разными св-вами, однако по ряду признаков все металлы и их сплавы могут быть разбиты на несколько классов и групп. Прежде всего различают класс черных металлов и класс цветных. К черным металлам относят железо и ряд металлов похожих на железо по след. признакам: 1)высокая твердость и прочность; 2)высокая t плавления; 3)ферромагнетизм; 4)полиморфизм.

К этим металлам относят: марганец, кобальт, хром, никель. Все остальные цветные.

По комплексу эксплуатационных и потр. св-в. металлы и их сплавы делятся на следующие группы: 1)легкие (низкая плотность) (Al,Ti,Zn,Mg,Be) 2)Легкоплавкие(t плавления <1539) (Pb, Sn, Al,Mq,Zn) 3)Тугоплавкие(t>1539)(W, Mo, V, Pt,Ti) 4)Благородные(высокая коррозионная стойкость) (Ag,Pt,Au) 5)Щелочно-земельные (высокая хим. активность) – I и II гр. 6)Редкоземельные (встречаются только в виде полиметаллов- лантаноиды) 7)Уравнение (склонность к радиоактивному распаду)- актиноиды.

Чистые металлы обладают не удовлетворительными мех. свойствами. Они либо очень мягкие и пластичные, либо твердые и хрупкие и по этому в качестве конструкционных материалов практически не используются. Основными констр. мат. явл. различные сплавы металлов др. с др. и с не металлами. Именно эти сложные вещ-ва могут иметь любые, сколь угодно сложные комплексы св-в требуемых в технике.

Механические св-ва и их классификация

Под мех свойствами подразумеваем реакцию материала под воздействием внешних механических сил. В зависимости от того как материал реагирует на это воздействие различают след. св-ва и соответствующие количественные характеристики этих свойств: 1)упругость – способность материала принимать свою форму и размеры после снятия нагрузки.

σпр-предел пропорц.

σу- предел упругости

E-модуль Юнга

2)пластичность- способность материала изменять свою форму и размеры без разрушения.

σт-предел текучести

δ-относительное удлинение

ψ- относительное сужение

3)прочность – св-во материала сопротивляться разрушению

σвр- предел прочности

4)твердость- способность материала сопротивляться упругой деформации, пластической деформации или разрушению в поверхностном слое. Кол. характеристики мех. св-в в знач. степени опр. условиями их определения – схемой нагружения (раст-сж, изгиб, кручение) и законом изменения сил во времени. В зависимости от этого закона различают 3 варианта условий нагружения и соотв. испытаний мех. св-в материала.

Механические свойства, опр. при статических испытаниях.

Эти свойства определяются в условиях когда воздействующие силы неизменны или медленно изменяются во времени. Эти свойства определяются при статических испытаниях очень часто по схеме растяжения спец. образцов на испытательных (разрывных) машинах.

 

 

l₀,a₀,b₀-соответствующая нач. рабочая длина, нач. толщина, нач. ширина.

l_к,a_к,b_к-соотв. размеры после разрушения образца.

I участок линейной упругой деформации

Р_кр – усилие пропорц.

К-коэф. пропорц. (К=Е=tgα)

II участок нелинейной упругой деформации

III полка текучести

Р_т - усилие текучести

Р_вр - усилие прочности

Определение количественных характеристических статических мех. св-в производится после обработки диаграммы растяжения и обмера разрушенного образца путем перехода от абс. показателей усилия и деформации к относ. по след. формулам:

σ=P/S – переход от усилия к напряжению

δ=Δ/l0 – переход от Δàδ

I Упругость

σпр=Pпр/S0, где S0=a0/b0

σупр=Pупр/S0

E=tgα

II Пластичность

σт=Pт/S0

δ=((lк-l0)/l0)*100% - отн. растяжение

ψ=(S0-Sк)/S0*100% - отн. сжатие

III Прочность

σвр=Рвр/S0

6.Твердость. Способы определения твердости.

Исследование мех. св-в мет. и сплавов обычно начинается с определения их твердости.

Преимущество этого вида испытаний:

1.Можно производить без разрушения исследуемого образца

2)Процесс непродолжителен

3)Простота приборов и методик по сравнению с другими методами исследований.

4)Полученные результаты измерения твердости позволяют сделать выводы о других свойствах образцов, а так же предварительно сделать заключение о присутствии слоя химико-термической обработки.

В промышленности используются около 30 методов измерения твердости, однако можно выделить несколько основных: метод царапины, отскока, статического и динамического вдавливания. Оценки твердости исследуемых материалов полученные различными способами базирующимися на критериях, с различными физическим смыслом. Метод царапания характеризует сопротивление материала разрушению; твердость определяемая внедрением в материал более тела характеризует сопротивление пластической деформации. Твердость определяемая по высоте отскока наконечника или шарика от поверхности испытуемого образца характеризует упругие св-ва материала. Под твердостью понимаем св-в материала оказывает сопротивление упругой и пластической деформации или разрушению при местных контактных воздействиях со стороны другого более твердого тела, определенной формы и размера не получающий остаточную деформацию.

На практике применяются следующие способы измерения твердости

1)Вдавливание стального шарика (метод Бринелля) 2)Вдавливание алмазного конуса (метод Роквелла) 3)Вдавливание четырехгранной алмазной пирамиды (метод Виккерса)

Определение твердости по методу Роквелла.

При исследовании по методу Роквелла за критерий оценки твердости принимают глубину отпечатка, измеряемого в процессе испытаний. В качестве индентора применяют либо алмазный конус, с углом при вершине 120±30 м радиусом закругления при вершине r=(0,200±0,005)мм либо стальной шарик диаметром 1,588±0,001 мм, твердостью больше 850 HB.

 

HRC(или HRA)=100-е

HRB=130-e

e=h-h0/0.002

Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравнительно мягких материалов.

Достоинством этого метода является возможность измерения твердости в широком диапазоне как очень твердых, так и сравнительно мягких материалов.

Но не рекомендуется измерять твердость серых чугунов и цветных металлов.

Мех. св-ва, опр. при динамических испытаниях.

Эти св-ва опр. при условии когда воздействующие силы меняются очень быстро во времени или ударно. Одним из главных показателей динамических мех. св-в является ударная вязкость или работа разрушения. Она опр. при ударном разрушении спец. обрацов на испытательных ударных машинах – копрах.

Механический тип связей и кристаллические строения металлов.

Под атомно-крист. строением понимают взаимное закономерное расположение эл. частиц (атомов или ионов) в реальном кристалле.

 

а0-равновесное состояние

 

 

Устойчивость кристаллов строения металлов опр. прежде всего взаимодействия сил отталкиваясь и притяжения между ионами. Ионы расположены на расстоянии на расстояниях(равновесных а0) при которых энергия их взаимодействия (свободная энергия Гиббса) min. По этому эл. частицы в кристалле расп. закономерно образуя правильную кристаллическую решетку. Кристаллическая решетка – воображаемая система линий и плоскостей проходящих через центры тяжестей элементарных частиц.