Метални материјали се односе на металне елементе или материјале са металним својствима који се углавном састоје од металних елемената. Укључујући чисте метале, легуре, интерметална једињења металних материјала и посебне металне материјале, итд. (Напомена: Метални оксиди (као што је алуминијум оксид) нису метални материјали.)
значај
Развој људске цивилизације и друштвени напредак уско су повезани са металним материјалима. Бронзано и гвоздено доба које је уследило после каменог доба обележила је примена металних материјала. У модерним временима, велики број металних материјала постао је важна материјална основа за развој људског друштва.
тип
Метални материјали се обично деле на црне метале, обојене метале и посебне металне материјале.
(1) Гвоздени метали, такође познати као челични материјали, укључују индустријско чисто гвожђе које садржи више од 90% гвожђа, ливено гвожђе које садржи 2%-4% угљеника, угљенични челик који садржи мање од 2% угљеника и конструкцијски челик и нерђајући челик челика за разне намене. , челик отпоран на топлоту, легуре на високе температуре, нерђајући челик, прецизне легуре итд. У генерализоване црне метале спадају и хром, манган и њихове легуре.
(2) Обојени метали се односе на све метале и њихове легуре осим гвожђа, хрома и мангана, који се обично деле на лаке метале, тешке метале, племените метале, полуметале, ретке метале и ретке метале. Чврстоћа и тврдоћа легура обојених метала су генерално веће од оних чистих метала и имају већу отпорност и мањи температурни коефицијент отпорности.
(3) Специјални метални материјали, укључујући структурне металне материјале и функционалне металне материјале за различите намене. Међу њима су аморфни метални материјали добијени брзим процесима кондензације, као и квазикристални, микрокристални и нанокристални метални материјали; постоје и легуре са посебним функцијама као што су скривеност, отпорност на водоник, суперпроводљивост, меморија облика, отпорност на хабање и смањење и пригушивање вибрација. и композити металне матрице итд.
перформансе
Генерално се дели у две категорије: перформансе процеса и перформансе коришћења. Такозване перформансе процеса се односе на перформансе металних материјала под одређеним условима хладне и вруће обраде током процеса производње механичких делова. Квалитет процесних перформанси металних материјала одређује његову прилагодљивост обради и обликовању током процеса производње. Због различитих услова обраде, различите особине процеса су такође различите, као што су перформансе ливења, заварљивост, ковање, перформансе топлотне обраде, обрадивост сечења итд.
Такозване перформансе се односе на перформансе металних материјала у условима употребе механичких делова, што укључује механичка својства, физичка својства, хемијска својства итд. Перформансе металних материјала одређују његов опсег употребе и век трајања. У индустрији производње машина, општи механички делови се користе при нормалним температурама, нормалним притисцима и веома корозивним медијима, а сваки механички део ће поднети различита оптерећења током употребе. Способност металних материјала да се одупру оштећењу под оптерећењем назива се механичка својства (у прошлости су се звала и механичка својства). Механичка својства металних материјала су главна основа за дизајн и избор материјала делова. У зависности од природе спољашњег оптерећења (као што су напетост, компресија, торзија, удар, циклично оптерећење, итд.), механичка својства потребна за металне материјале ће такође бити различита. Обично коришћена механичка својства укључују: чврстоћу, пластичност, тврдоћу, ударну жилавост, отпорност на вишеструки удар и границу замора.
Својства металног материјала
Вол.1
умор
Многи механички делови и инжењерске компоненте су подвргнути наизменичним оптерећењима. Под дејством наизменичних оптерећења, иако је ниво напрезања нижи од границе попуштања материјала, долази до изненадног кртог лома након поновљених циклуса напрезања током дужег времена. Ова појава се назива замор металних материјала. Карактеристике заморног лома металних материјала су:
(1) Оптерећење је наизменично;
(2) Оптерећење делује дуго времена;
(3) Прелом настаје тренутно;
(4) Било да се ради о пластичном или кртом материјалу, он је крт у зони лома замора. Због тога је прелом због замора најчешћи и најопаснији облик лома у инжењерству.
Феномени замора металних материјала могу се поделити на следеће типове према различитим условима:
#1
замор високог циклуса
Односи се на замор са бројем циклуса напрезања већим од 100,000 у условима ниског напрезања (радни напон је нижи од границе течења материјала, или чак нижи од границе еластичности). То је најчешћи тип оштећења од замора. Замор високог циклуса се генерално назива умором.
#2
замор ниског циклуса
Односи се на замор под великим напрезањем (радни напон је близу границе течења материјала) или на услове високог напрезања, а број циклуса напрезања је мањи од 10,000 до 100,000. Пошто наизменична пластична деформација игра главну улогу у овом оштећењу од замора, оно се назива и пластични замор или замор од напрезања.
#3
Термички замор
Односи се на оштећење од замора узроковано поновљеним дејством топлотног напрезања изазваног променама температуре.
#4
замор од корозије
Односи се на оштећење од замора узроковано компонентама машине под комбинованим дејством наизменичних оптерећења и корозивних медија (као што су киселине, алкалије, морска вода, реактивни гасови, итд.).
#5
контактни умор
Ово се односи на додирну површину машинских делова. Под поновљеним дејством контактног напрезања, појављују се удубљења и љуштења или површинско дробљење и љуштење, што доводи до квара и оштећења делова машине.
Вол.2
Пластичност
Пластичност се односи на способност металног материјала да произведе трајну деформацију (пластичну деформацију) без да буде уништен под дејством спољних сила оптерећења. Када се метални материјал растегне, промениће се и његова дужина и површина попречног пресека. Због тога се пластичност метала може мерити помоћу два индикатора: издужењем дужине (издужењем) и скупљањем попречног пресека (скупљањем површине).
Што је веће издужење и скупљање површине металног материјала, то је боља пластичност материјала, односно материјал може издржати велике пластичне деформације без оштећења. Генерално, метални материјали са издужењем већим од 5% називају се пластични материјали (као што је челик са ниским садржајем угљеника, итд.), док се метални материјали са издужењем мањим од 5% називају крти материјали (као што је сиви лив, итд.) . Материјал са добром пластичношћу може произвести пластичну деформацију у великом макроскопском опсегу, а истовремено се метални материјал може ојачати пластичном деформацијом, чиме се побољшава чврстоћа материјала и осигурава безбедна употреба делова. Поред тога, материјали са добром пластичношћу могу несметано да пролазе кроз одређене процесе обликовања, као што су штанцање, хладно савијање, хладно извлачење, равнање итд. Стога, приликом одабира металних материјала за механичке делове, они морају испунити одређене показатеље пластичности.
Вол.3
Трајност
Главни облици корозије грађевинског метала:
(1) Уједначена корозија. Корозија на металној површини доводи до равномерног стањивања попречног пресека. Због тога се годишња просечна вредност губитка дебљине често користи као индикатор перформанси корозије (брзина корозије). Челик генерално равномерно кородира у атмосфери.
(2) Корозија пећина. Метал кородира на мрље и формира дубоке јаме. Појава питтинг корозије повезана је са природом метала и медијумом у коме се налази. Питтинг корозија је склона јављању у медијумима који садрже соли хлора. Максимална дубина рупе се често користи као индекс за процену корозије удубљења. Корозија цевовода је углавном узрокована питинг корозијом.
(3) Галванска корозија. Корозија узрокована различитим потенцијалима на контактним тачкама различитих метала.
(4) Корозија пукотина. Локална корозија се често јавља на металним површинама у празнинама или другим скривеним подручјима због разлика у саставу и концентрацији медијума између различитих делова.
(5) Корозија под напоном. Под комбинованим деловањем корозивних медија и високог затезног напрезања, метална површина кородира и шири се према унутра у микропукотине, што често доводи до изненадног лома. До овог квара може доћи код челичних шипки (жица) високе чврстоће у бетону.
Вол.4
тврдоћа
Тврдоћа указује на способност материјала да се одупре тврдим предметима који притискају његову површину. То је један од важних показатеља перформанси металних материјала. Генерално, што је већа тврдоћа, то је боља отпорност на хабање. Обично коришћени индикатори тврдоће укључују тврдоћу по Бринелу, тврдоћу по Роквелу и тврдоћу по Викерсу.
Тврдоћа по Бринелу (ХБ): Утисните каљену челичну куглу одређене величине (обично пречника 10 мм) у површину материјала са одређеним оптерећењем (обично 3000 кг) и држите је неко време. Након што се оптерећење уклони, однос оптерећења према његовој површини удубљења, То је вредност Бринелове тврдоће (ХБ), јединица је килограм сила/мм2 (Н/мм2).
Rockwell hardness (HR): When HB>450 или је узорак премали, Бринелов тест тврдоће се не може користити и уместо тога се користи Роцквелл мерење тврдоће. Користи дијамантски конус са углом од 120 степени или челичну куглу пречника 1,59 или 3,18 мм да притисне у површину материјала који се тестира под одређеним оптерећењем, а тврдоћа материјала се израчунава из дубина удубљења. У складу са различитом тврдоћом материјала за испитивање, различити индентери и укупни испитни притисци могу се користити за формирање неколико различитих Роцквелл скала тврдоће. Свака скала је означена словом иза симбола Роцквелл тврдоће ХР. Обично коришћене скале тврдоће по Роквелу су А, Б и Ц (ХРА, ХРБ, ХРЦ). Међу њима, Ц скала се највише користи.
ХРА: То је тврдоћа добијена употребом дијамантског конуса од 60 кг оптерећења, који се користи за екстремно тврде материјале (као што је цементни карбид, итд.).
ХРБ: То је тврдоћа добијена коришћењем оптерећења од 100 кг и каљене челичне кугле пречника 1,58 мм. Користи се за материјале мање тврдоће (као што су жарени челик, ливено гвожђе итд.).
ХРЦ: Тврдоћа се добија коришћењем оптерећења од 150 кг и дијамантског конуса, а користи се за материјале са веома високом тврдоћом (као што је каљени челик, итд.).
Викерсова тврдоћа (ХВ): Користите оптерећење унутар 120 кг и дијамантски квадратни конусни уљез са углом од 136 степени да бисте притиснули површину материјала. Подијелите површину удубљења у материјалу са вриједношћу оптерећења, што је вриједност тврдоће по Вицкерсу (ХВ). Тест тврдоће је најједноставнији и најлакши метод испитивања у испитивању механичких својстава. Да би се испитивање тврдоће користило за замену одређених тестова механичких својстава, у производњи је потребан прецизнији однос конверзије између тврдоће и чврстоће. Пракса је показала да постоји приближан одговарајући однос између различитих вредности тврдоће металних материјала и између вредности тврдоће и вредности чврстоће. Пошто је вредност тврдоће одређена почетном отпорношћу на пластичну деформацију и континуираном отпорношћу на пластичну деформацију, што је већа чврстоћа материјала, већа је отпорност на пластичну деформацију и већа је вредност тврдоће.
Особине металних материјала
Перформансе металних материјала одређују обим примене материјала и рационалност његове примене. Особине металних материјала се углавном деле на четири аспекта, и то: механичка својства, хемијска својства, физичка својства и процесна својства.
Вол.1
Механичке особине
Напон: Сила која се подноси по јединици површине попречног пресека унутар објекта назива се напрезање. Напон изазван спољном силом назива се радни напон, а напон који је избалансиран унутар објекта без спољне силе назива се унутрашњи стрес (као што је напрезање ткива, термички стрес, преостали напон након процеса обраде).
Механичка својства: Када је метал подвргнут спољној сили (оптерећењу) под одређеним температурним условима, способност отпора на деформацију и лом назива се механичка својства металног материјала (позната и као механичка својства). Постоји много облика оптерећења које метални материјали подносе, а то могу бити статичка или динамичка оптерећења, укључујући напрезање затезања, напон притиска, напон савијања, напон смицања, напон торзије, као и трење, вибрације, удар, итд. главни индикатори за мерење механичких својстава металних материјала обухватају следеће.
1.1
снага
Ово представља максималну способност материјала да се одупре деформацијама и оштећењима под дејством спољних сила, а може се поделити на границу затезне чврстоће (σб), границу чврстоће на савијање (σбб), границу чврстоће на притисак (σбц) итд. материјали поштују одређена правила од деформације до уништења под дејством спољне силе, за мерење се обично користи испитивање затезања, односно метални материјали се праве у примерке одређених спецификација и развлаче на машина за испитивање затезања до испитивања Када се узорак сломи, измерени индикатори чврстоће углавном укључују:
(1) Граница чврстоће: Максимални напон којем материјал може да одоли ломљењу под дејством спољне силе, генерално се односи на границу затезне чврстоће под дејством затезања, изражену као σб, као што је граница чврстоће која одговара највишој тачки б. у кривој теста затезања, најчешће коришћене јединице То је мегапаскал (МПа), а однос конверзије је: 1МПа=1Н/м2=(9.8)-1кгф/мм2 или 1кгф/мм2=9.8МПа.
(2) Граница чврстоће течења: Када спољашња сила коју подноси узорак металног материјала премашује границу еластичности материјала, иако се напон више не повећава, узорак и даље пролази кроз очигледну пластичну деформацију. Ова појава се назива попуштање, односно материјал издржава спољну силу до одређене. Када се достигне степен, његова деформација више није пропорционална спољној сили и долази до очигледне пластичне деформације. Напон при којем долази до течења назива се граница границе течења, представљена са σс, а тачка С која одговара кривој затезног испитивања назива се тачка течења. За материјале са високом пластичношћу, постојаће очигледна тачка течења на кривој затезања, док за материјале са ниском пластичношћу не постоји очигледна тачка течења, што отежава израчунавање границе попуштања на основу спољне силе на тачки течења. Стога, у методи затезног испитивања, напон када мерач дужине на узорку производи 0.2% пластичне деформације обично се наводи као условна граница течења, изражена као σ0.2. Индекс границе попуштања може се користити као основа за дизајн који захтева да делови не производе значајну пластичну деформацију током рада. Међутим, за неке важне делове се такође сматра да захтевају мањи однос попуштања и чврстоће (тј. σс/σб) да би се побољшала њихова безбедност и поузданост. Међутим, стопа искоришћења материјала је такође ниска у овом тренутку.
(3) Граница еластичности: Материјал ће се деформисати под дејством спољне силе, али способност да се врати у првобитни облик након уклањања спољне силе назива се еластичност. Максимални напон при којем метални материјал може да одржи еластичну деформацију је граница еластичности, која одговара тачки е на кривој затезног испитивања и представљена је са σе у мегапаскалима (МПа): σе=Пе/Фо, где је Пе је граница еластичности. Максимална спољна сила (или оптерећење при максималној еластичној деформацији материјала).
(4) Модул еластичности: Ово је однос напона σ према деформацији δ (јединична деформација која одговара напону) материјала унутар опсега еластичне границе, изражен са Е, у мегапаскалима (МПа): Е{{1 }}σ/δ =тг . У формули, је угао између ое линије на кривој затезног испитивања и хоризонталне осе ок. Модул еластичности је индикатор који одражава крутост металног материјала (способност металног материјала да се одупре еластичној деформацији када је напрегнут назива се крутост).
1.2
Пластичност
Максимална способност металног материјала да произведе трајну деформацију без разарања под дејством спољне силе назива се пластичност. Обично се мери као издужење дужине узорка δ (%) и скупљање пресека узорка ψ (%) издужење δ током теста затезања. {{0}}[(Л1-Л0)/Л0]к100%, што је разлика ( повећање) између граничне дужине Л1 након што је узорак сломљен и преломи узорка спојени заједно током теста затезања, и оригиналне дужине узорка Л0 у поређењу са Л0. У стварном тестирању, измерено издужење затезних узорака од истог материјала, али са различитим спецификацијама (пречник, облик попречног пресека - као што су квадратни, округли, правоугаони и дужина мерача) ће бити различити, тако да су генерално потребни посебни додаци, као нпр. За најчешће коришћени узорак кружног попречног пресека, издужење мерено када је почетна дужина калибра 5 пута већа од пречника узорка изражава се као δ5, док се издужење мерено када је почетна дужина калибра 10 пута пречника узорка изражава као δ10. Скупљање у пресеку ψ=[(Ф0-Ф1)/Ф0]к100%, што је разлика између првобитне површине попречног пресека Ф0 након што је узорак прекинут током теста затезања и минималног попречног пресека Ф0 површина пресека Ф1 на уском врату прелома (редукција пресека) и Ф0 однос. У пракси, најчешће коришћени узорци кружног попречног пресека се обично могу израчунати мерењем пречника: ψ=[1-(Д1/Д0)2]к100%, где је: Д0- оригинални пречник узорка; Д1-прелом након лома узорка Минимални пречник на врату. Што су веће вредности δ и ψ, то је боља пластичност материјала.
1.3
жилавост
Способност металног материјала да се одупре оштећењу под ударним оптерећењем назива се жилавост. Обично се користи испитивање ударом, то јест, када се узорак метала одређене величине и облика сломи под ударним оптерећењем на одређеном типу машине за испитивање удара, енергија удара која се троши по јединици површине попречног пресека на површини лома је користи се за карактеризацију жилавости материјала: к=Ак/ Ф. Јединица Ј/цм2 или Кг·м/ц м2, 1Кг·м/цм2=9.8Ј/цм2. к се назива ударна жилавост металног материјала, Ак је енергија удара, а Ф је првобитна површина попречног пресека лома.
1.4
Перформансе замора
Граница чврстоће на замор Феномен да се метални материјали ломе без значајне деформације под дуготрајним понављаним напрезањем или наизменичним напрезањем (напон је генерално мањи од граничне чврстоће течења σс) назива се оштећење од замора или лом услед замора. Ово је због чињенице да многи Из тог разлога, локални део површине дела изазива напрезање (концентрацију напона) веће од σс или чак веће од σб, изазивајући пластичну деформацију или микро-пукотине у овом делу. Како се број поновљених наизменичних напрезања повећава, пукотине се постепено шире и продубљују (на врху пукотине). Концентрација напона) узрокује да се стварна површина попречног пресека локалног подручја смањи напон док локални напон не буде већи од σб и дође до лома. У практичним применама, узорак се генерално подвргава понављаном или наизменичном напрезању (напрезању затезања, напрезању притиска, напрезању савијања или торзије, итд.) у оквиру одређеног броја циклуса (обично 106 до 107 пута за челик и 106 до 107 пута за обојени метали). Узмите 108 пута) као максимални напон који може да издржи без лома као границу чврстоће замора, изражену са σ-1, у МПа.
Поред најчешће коришћених индикатора механичких својстава поменутих горе, неки материјали са посебно строгим захтевима, као што су метални материјали који се користе у ваздухопловству, нуклеарној индустрији, електранама, итд., такође захтевају следеће индикаторе механичких својстава.
Граница пузања: Под одређеном температуром и константним затезним оптерећењем, феномен пластичне деформације материјала полако током времена назива се пузање. Обично се користи високотемпературни тест затезног пузања, то јест, под константном температуром и константним затезним оптерећењем, издужење пузања (укупно издужење или заостало издужење) узорка у одређеном времену или када је брзина издужења пузања релативно константна. степен, максимални напон када брзина пузања не прелази одређену специфицирану вредност сматра се границом пузања, израженом у МПа, где је τ трајање испитивања, т је температура, δ је издужење, а σ је напон; или Изражено у , В је брзина пузања.
Граница издржљивости при затезању при високим температурама: Максимални напон који узорак може да достигне одређено трајање без ломљења под дејством константне температуре и константног затезног оптерећења.
Коефицијент осетљивости на метални зарез: Кτ представља однос напрезања назубљеног узорка према неурезаном глатком узорку када је трајање исто (тест затезне издржљивости на високој температури).
Термичка отпорност: Отпорност материјала на механичко оптерећење при високим температурама.
Вол.2
хемијска својства
Својство метала да изазивају хемијске реакције са другим супстанцама назива се хемијска својства метала. У практичним применама, главна разматрања су отпорност метала на корозију и отпорност на оксидацију (која се такође назива отпорност на оксидацију, што се посебно односи на отпорност или стабилност метала на оксидацију на високим температурама), као и однос између различитих метала и однос између метала и метала. Утицај једињења насталих између неметала на механичка својства итд. Међу хемијским својствима метала, посебно отпорношћу на корозију, од великог је значаја за оштећење метала корозионим замором.
Вол.3
Физичка својства
Физичка својства метала углавном узимају у обзир:
(1) Густина (специфична тежина): ρ=П/В, јединица: г/кубни центиметар или тона/кубни метар, где је П тежина, а В запремина. У практичним применама, поред израчунавања тежине металних делова на основу густине, важно је узети у обзир и специфичну чврстоћу метала (однос чврстоће σб према густини ρ) како би се олакшао избор материјала, као и акустична импеданса у акустичко испитивање у вези са испитивањем без разарања (производ густине ρ и брзине звука Ц) и код детекције зрачења, материјали различите густине имају различите способности апсорпције енергије зрачења итд.
(2) Тачка топљења: Температура на којој метал прелази из чврстог у течни. Има директан утицај на топљење и термичку обраду металних материјала и има велику везу са високотемпературним својствима материјала.
(3) Топлотно ширење: Како се температура мења, запремина материјала се такође мења (шири се или скупља). Ова појава се назива топлотно ширење. Често се мери коефицијентом линеарне експанзије. То јест, када се температура промени за 1 степен, повећање или смањење дужине материјала је једнако 0 Однос дужина у степену. Топлотно ширење је повезано са специфичном топлотом материјала. У практичним применама треба узети у обзир и специфичну запремину (када на материјал утичу спољашњи утицаји као што је температура, запремина материјала по јединици тежине се повећава или смањује, односно однос запремине и масе), посебно за оне који раде у окружењима са високим температурама, или у хладним или топлим условима. За металне делове који раде у наизменичним окружењима, мора се узети у обзир утицај њихових експанзионих својстава.
(4) Магнетизам: Својство које може да привуче феромагнетне објекте је магнетизам, који се огледа у параметрима као што су магнетна пермеабилност, губитак хистерезе, интензитет преостале магнетне индукције, коерцитивна сила, итд., тако да се метални материјали могу поделити на парамагнетне, дијамагнетне , меки магнетни и тврди магнетни материјали.
(5) Електрична својства: Углавном узмите у обзир његову електричну проводљивост, која има утицај на њену отпорност и губитак вртложне струје у електромагнетном недеструктивном испитивању.
Вол.4
Перформансе процеса
Прилагодљивост метала различитим методама обраде назива се перформансама процеса, што углавном укључује следећа четири аспекта:
(1) Перформансе сечења: одражавају потешкоће сечења металних материјала помоћу алата за сечење (као што су стругање, глодање, рендисање, брушење, итд.).
(2) Ковање: одражава потешкоће формирања металних материјала током обраде под притиском, као што је пластичност материјала када се загреје на одређену температуру (приказано као величина отпорности на пластичну деформацију), и температурни опсег који дозвољава врући притисак обрада Величина, карактеристике термичког ширења и контракције и границе критичне деформације које се односе на микроструктуру и механичка својства, флуидност и топлотну проводљивост метала током термичке деформације итд.
(3) Способност ливења: одражава потешкоћу топљења и ливења металног материјала у одлив, што се манифестује флуидношћу, доводом ваздуха, оксидацијом, тачком топљења у растопљеном стању, уједначеношћу и компактношћу микроструктуре одливака и хладноћа Скупљање итд.
(4) Заварљивост: одражава потешкоћу брзог локалног загревања металних материјала како би се брзо растопили или полутопили делови споја (потребан је притисак), тако да делови споја могу бити чврсто повезани заједно како би формирали целину. Изражава се као тачка топљења, упијање, оксидација, топлотна проводљивост, карактеристике термичког ширења и скупљања, пластичност током топљења, корелација са микроструктуром спојева и оближњих материјала и утицај на механичка својства итд.