Металлические материалы относятся к металлическим элементам или материалам с металлическими свойствами, которые в основном состоят из металлических элементов. Включая чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения металлических материалов и специальные металлические материалы и т. д. (Примечание: оксиды металлов (например, оксид алюминия) не являются металлическими материалами.)
значение
Развитие человеческой цивилизации и социальный прогресс тесно связаны с металлическими материалами. Бронзовый век и железный век, последовавшие за каменным веком, были отмечены применением металлических материалов. В наше время самые разнообразные металлические материалы стали важной материальной основой развития человеческого общества.
тип
Металлические материалы обычно делят на черные металлы, цветные металлы и специальные металлические материалы.
(1) Черные металлы, также известные как стальные материалы, включают промышленное чистое железо, содержащее более 90% железа, чугун, содержащий 2%-4% углерода, углеродистую сталь, содержащую менее 2% углерода, а также конструкционную сталь и нержавеющую сталь. сталь различного назначения. , жаропрочная сталь, жаропрочный сплав, нержавеющая сталь, прецизионный сплав и т. д. К обобщенным черным металлам относятся также хром, марганец и их сплавы.
(2) К цветным металлам относятся все металлы и их сплавы, за исключением железа, хрома и марганца, которые обычно делятся на легкие металлы, тяжелые металлы, драгоценные металлы, полуметаллы, редкие металлы и редкоземельные металлы. Прочность и твердость цветных сплавов обычно выше, чем у чистых металлов, они обладают большей стойкостью и меньшим температурным коэффициентом сопротивления.
(3) Специальные металлические материалы, включая конструкционные металлические материалы и функциональные металлические материалы различного назначения. К ним относятся аморфные металлические материалы, полученные методами быстрой конденсации, а также квазикристаллические, микрокристаллические и нанокристаллические металлические материалы; Существуют также сплавы со специальными функциями, такими как скрытность, водородостойкость, сверхпроводимость, память формы, износостойкость, снижение и демпфирование вибрации. и композиты с металлической матрицей и т. д.
производительность
Обычно делятся на две категории: производительность процесса и производительность использования. Так называемая производительность процесса относится к работе металлических материалов в определенных условиях холодной и горячей обработки в процессе производства механических деталей. Качество технологического исполнения металлических материалов определяет их приспособляемость к обработке и формованию в процессе производства. Из-за различных условий обработки требуемые свойства процесса также различны, например, характеристики литья, свариваемость, ковкость, характеристики термообработки, технологичность резки и т. д.
Так называемые эксплуатационные характеристики относятся к эксплуатационным характеристикам металлических материалов в условиях использования механических деталей, которые включают в себя механические свойства, физические свойства, химические свойства и т. д. Эксплуатационные характеристики металлических материалов определяют область их использования и срок службы. В машиностроении обычные механические детали используются при нормальных температурах, нормальном давлении и в очень агрессивных средах, и каждая механическая деталь во время использования будет выдерживать разные нагрузки. Способность металлических материалов сопротивляться повреждениям под нагрузкой называется механическими свойствами (в прошлом ее также называли механическими свойствами). Механические свойства металлических материалов являются основной основой проектирования и выбора материалов деталей. В зависимости от характера внешней нагрузки (например, растяжения, сжатия, кручения, удара, циклической нагрузки и т. д.) механические свойства, необходимые для металлических материалов, также будут различными. Обычно используемые механические свойства включают: прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость, стойкость к многократному удару и предел выносливости.
Свойства металлических материалов
Том 1
усталость
Многие механические детали и узлы техники подвергаются знакопеременным нагрузкам. Под действием знакопеременных нагрузок, хотя уровень напряжений ниже предела текучести материала, после повторных циклов напряжений в течение длительного времени произойдет внезапное хрупкое разрушение. Это явление называется усталостью металлических материалов. Характеристиками усталостного разрушения металлических материалов являются:
(1) Нагрузка переменная;
(2) Нагрузка действует в течение длительного времени;
(3) Разрушение происходит мгновенно;
(4) Будь то пластиковый материал или хрупкий материал, он хрупкий в зоне усталостного разрушения. Поэтому усталостное разрушение является наиболее распространенной и опасной формой разрушения в технике.
Явления усталости металлических материалов можно разделить на следующие виды по различным условиям:
#1
высокая циклическая усталость
Имеется в виду усталость с числом циклов напряжений более 100,000 в условиях малого напряжения (рабочее напряжение ниже предела текучести материала или даже ниже предела упругости). Это наиболее распространенный тип усталостного повреждения. Многоцикловую усталость обычно называют усталостью.
#2
низкая циклическая усталость
Это относится к усталости при высоком напряжении (рабочее напряжение близко к пределу текучести материала) или в условиях высокой деформации, а количество циклов напряжения составляет менее 10 000 до 100 000. Поскольку знакопеременная пластическая деформация играет важную роль в усталостном повреждении, ее также называют пластической усталостью или деформационной усталостью.
#3
Термическая усталость
Это относится к усталостным повреждениям, вызванным повторяющимся действием термического напряжения, вызванного изменениями температуры.
#4
коррозионная усталость
Под ним понимают усталостные повреждения деталей машин при совместном действии знакопеременных нагрузок и агрессивных сред (таких как кислоты, щелочи, морская вода, химически активные газы и т. д.).
#5
контактная усталость
Имеется в виду контактная поверхность деталей машины. При многократном действии контактных напряжений появляются питтинги и отслаивания или поверхностные смятия и отслаивания, что приводит к выходу из строя и повреждению деталей машин.
Том 2
Пластичность
Под пластичностью понимается способность металлического материала производить остаточную деформацию (пластическую деформацию), не разрушаясь под действием внешних сил нагрузки. Когда металлический материал растягивается, изменяются его длина и площадь поперечного сечения. Поэтому пластичность металла можно измерить двумя показателями: удлинением по длине (удлинением) и усадкой поперечного сечения (усадкой площади).
Чем больше удлинение и усадка металлического материала, тем лучше пластичность материала, то есть материал выдерживает большие пластические деформации без повреждений. Обычно металлические материалы с удлинением более 5 % называют пластическими материалами (например, низкоуглеродистая сталь и др.), а металлические материалы с удлинением менее 5 % — хрупкими материалами (например, серый чугун и др.). . Материал с хорошей пластичностью может производить пластическую деформацию в большом макроскопическом диапазоне, при этом металлический материал может быть упрочнен пластической деформацией, что повышает прочность материала и обеспечивает безопасную эксплуатацию деталей. Кроме того, материалы с хорошей пластичностью могут беспрепятственно подвергаться определенным процессам формования, например штамповке, холодной гибке, холодной вытяжке, правке и т. д. Поэтому при выборе металлических материалов для механических деталей они должны соответствовать определенным показателям пластичности.
Том 3
Долговечность
Основные формы коррозии строительных металлов:
(1) Равномерная коррозия. Коррозия на поверхности металла приводит к равномерному утончению поперечного сечения. Поэтому среднегодовое значение потери толщины часто используется как показатель коррозионной активности (скорости коррозии). Сталь обычно корродирует в атмосфере равномерно.
(2) Обрушительная коррозия. Металл местами корродирует и образует глубокие ямки. Возникновение питтинговой коррозии связано с природой металла и средой, в которой он находится. Питтинговая коррозия склонна возникать в средах, содержащих соли хлора. Максимальная глубина отверстия часто используется в качестве показателя оценки питтинговой коррозии. Причиной коррозии трубопроводов чаще всего является питтинговая коррозия.
(3) Гальваническая коррозия. Коррозия, вызванная разным потенциалом в местах контакта разных металлов.
(4) Щелевая коррозия. Местная коррозия часто возникает на металлических поверхностях в зазорах или других скрытых местах из-за различий в составе и концентрации среды между разными деталями.
(5) Коррозия под напряжением. Под совместным действием агрессивных сред и высоких растягивающих напряжений поверхность металла подвергается коррозии и расширяется внутрь, образуя микротрещины, что часто приводит к внезапному разрушению. Этот отказ может произойти с высокопрочными стальными стержнями (проволоками) в бетоне.
Том 4
твердость
Твердость указывает на способность материала противостоять давлению твердых предметов на его поверхность. Это один из важных показателей эффективности металлических материалов. Как правило, чем выше твердость, тем лучше износостойкость. Обычно используемые индикаторы твердости включают твердость по Бринеллю, твердость по Роквеллу и твердость по Виккерсу.
Твердость по Бринеллю (HB): вдавите закаленный стальной шарик определенного размера (обычно диаметром 10 мм) в поверхность материала с определенной нагрузкой (обычно 3000 кг) и удерживайте его в течение определенного периода времени. После снятия нагрузки отношение нагрузки к площади ее вдавливания, то есть значение твердости по Бринеллю (HB), единица измерения - килограмм-сила/мм2 (Н/мм2).
Rockwell hardness (HR): When HB>450 или образец слишком мал, испытание на твердость по Бринеллю невозможно использовать, вместо этого используется измерение твердости по Роквеллу. Он использует алмазный конус с углом при вершине 120 градусов или стальной шарик диаметром 1,59 или 3,18 мм для вдавливания в поверхность испытуемого материала под определенной нагрузкой, а твердость материала рассчитывается по формуле глубина углубления. В зависимости от твердости испытуемого материала для формирования нескольких различных шкал твердости по Роквеллу можно использовать разные инденторы и общее испытательное давление. Каждая шкала отмечена буквой после символа твердости по Роквеллу HR. Обычно используемые шкалы твердости по Роквеллу — A, B и C (HRA, HRB, HRC). Среди них наиболее широко используется шкала C.
HRA: Это твердость, полученная при использовании алмазного конусного интрудера с нагрузкой 60 кг, который используется для чрезвычайно твердых материалов (таких как твердый сплав и т. д.).
HRB: Это твердость, полученная при использовании груза массой 100 кг и закаленного стального шарика диаметром 1,58 мм. Применяется для материалов с меньшей твердостью (например, отожженная сталь, чугун и т. д.).
HRC: Твердость достигается с помощью нагрузки 150 кг и алмазного конуса и используется для материалов с очень высокой твердостью (таких как закаленная сталь и т. д.).
Твердость по Виккерсу (HV): используйте груз массой до 120 кг и алмазный квадратный конус с углом при вершине 136 градусов для вдавливания в поверхность материала. Разделите площадь поверхности ямок вдавливания в материале на величину нагрузки, которая является значением твердости по Виккерсу (HV). Испытание на твердость — самый простой и легкий метод испытания механических свойств. Чтобы использовать испытание на твердость вместо определенных испытаний на механические свойства, в производстве необходимо более точное соотношение преобразования между твердостью и прочностью. Практика доказала, что существует приблизительная соответствующая связь между различными значениями твердости металлических материалов, а также между значениями твердости и значениями прочности. Поскольку значение твердости определяется сопротивлением начальной пластической деформации и сопротивлением дальнейшей пластической деформации, чем выше прочность материала, тем выше сопротивление пластической деформации и тем выше значение твердости.
Свойства металлических материалов
Эксплуатационные качества металлических материалов определяют область применения материала и рациональность его применения. Свойства металлических материалов в основном делятся на четыре аспекта, а именно: механические свойства, химические свойства, физические свойства и технологические свойства.
Том 1
Механические свойства
Напряжение. Сила, действующая на единицу площади поперечного сечения внутри объекта, называется напряжением. Напряжение, вызванное внешней силой, называется рабочим напряжением, а напряжение, которое уравновешивается внутри объекта без внешней силы, называется внутренним напряжением (например, напряжение ткани, термическое напряжение, остаточное напряжение, остающееся после процесса обработки).
Механические свойства. Когда металл подвергается воздействию внешней силы (нагрузки) при определенных температурных условиях, способность сопротивляться деформации и разрушению называется механическими свойствами металлического материала (также известными как механические свойства). Металлические материалы несут множество форм нагрузок, которые могут быть статическими или динамическими нагрузками, включая растягивающее напряжение, сжимающее напряжение, изгибающее напряжение, сдвиговое напряжение, скручивающее напряжение, а также трение, вибрацию, удар и т. д. Таким образом, К основным показателям измерения механических свойств металлических материалов относятся следующие.
1.1
сила
Это представляет собой максимальную способность материала сопротивляться деформации и повреждениям под действием внешних сил и может быть разделена на предел прочности на растяжение (σb), предел прочности на изгиб (σbb), предел прочности на сжатие (σbc) и т. д. Поскольку металл материалы подчиняются определенным правилам от деформации до разрушения под действием внешней силы, для измерения обычно используются испытания на растяжение, то есть из металлических материалов изготавливаются образцы определенных характеристик и растягиваются на машине для испытаний на растяжение до тех пор, пока не произойдет испытание. Когда образец разрывается , измеренные показатели прочности в основном включают:
(1) Предел прочности: максимальное напряжение, которому материал может сопротивляться разрушению под действием внешней силы, обычно относится к пределу прочности на разрыв под действием растяжения, выраженному как σb, например предел прочности, соответствующий наивысшей точке b. на кривой испытания на растяжение обычно используются единицы измерения. Это мегапаскаль (МПа), а соотношение преобразования: 1МПа=1Н/м2=(9,8)-1кгс/мм2 или 1кгс/мм2=9.8МПа.
(2) Предел текучести: когда внешняя сила, действующая на образец металлического материала, превышает предел упругости материала, хотя напряжение больше не увеличивается, образец все равно подвергается очевидной пластической деформации. Это явление называется текучестью, то есть материал выдерживает определенную внешнюю силу. При достижении степени его деформация перестает быть пропорциональной внешней силе и возникает очевидная пластическая деформация. Напряжение, при котором возникает текучесть, называется пределом текучести и обозначается σs, а точка S, соответствующая кривой испытания на растяжение, называется пределом текучести. Для материалов с высокой пластичностью на кривой растяжения будет очевиден предел текучести, тогда как для материалов с низкой пластичностью очевидный предел текучести отсутствует, что затрудняет расчет предела текучести на основе внешней силы в пределе текучести. Поэтому в методе испытаний на растяжение напряжение, когда расчетная длина образца вызывает пластическую деформацию 0,2%, обычно указывается как условный предел текучести, выражаемый как σ0,2. Индекс предела текучести может быть использован в качестве основы для проектирования, требующего, чтобы детали не вызывали значительной пластической деформации в процессе эксплуатации. Однако считается, что для некоторых важных деталей требуется меньшее соотношение текучести к прочности (т. е. σs/σb) для повышения их безопасности и надежности. Однако в настоящее время коэффициент использования материала также низок.
(3) Предел упругости: материал деформируется под действием внешней силы, но способность возвращаться к исходной форме после устранения внешней силы называется эластичностью. Максимальное напряжение, при котором металлический материал может поддерживать упругую деформацию, представляет собой предел упругости, который соответствует точке e на кривой испытания на растяжение и обозначается σe в мегапаскалях (МПа): σe=Pe/Fo, где Pe является пределом эластичности. Максимальная внешняя сила (или нагрузка при максимальной упругой деформации материала).
(4) Модуль упругости: это отношение напряжения σ к деформации δ (единичная деформация, соответствующая напряжению) материала в пределах диапазона предела упругости, выраженная E, в мегапаскалях (МПа): E{{1 }}σ/δ =tg . В формуле – угол между линией oe на кривой испытания на растяжение и горизонтальной осью ox. Модуль упругости — показатель, отражающий жесткость металлического материала (способность металлического материала сопротивляться упругим деформациям при напряжении называется жесткостью).
1.2
Пластичность
Максимальная способность металлического материала производить остаточную деформацию без разрушения под действием внешней силы называется пластичностью. Обычно его измеряют как удлинение расчетной длины образца δ (%) и удлинение сечения образца ψ (%) во время испытания на растяжение. {{0}}[(L1-L0)/L0]x100%, что представляет собой разницу ( увеличение) между расчетной длиной L1 после разрушения образца и соединения трещин образца во время испытания на растяжение и исходной расчетной длиной образца L0 по сравнению с L0. При реальных испытаниях измеренное удлинение образцов при растяжении из одного и того же материала, но с разными характеристиками (диаметр, форма поперечного сечения – например, квадратная, круглая, прямоугольная и расчетная длина) будет разным, поэтому обычно требуются специальные дополнения, такие как Для наиболее часто используемых образцов круглого поперечного сечения удлинение, измеренное, когда исходная расчетная длина в 5 раз превышает диаметр образца, выражается как δ5, а удлинение, измеренное, когда начальная расчетная длина в 1 0 раза превышает диаметр образца. выражается как δ10. Секционная усадка ψ=[(F0-F1)/F0]x100%, которая представляет собой разницу между исходной площадью поперечного сечения F0 после разрушения образца при испытании на растяжение и минимальной поперечной усадкой. площадь сечения F1 в узкой шейке трещины (редукция сечения) и коэффициент F0. На практике наиболее часто используемые образцы круглого сечения обычно можно рассчитать путем измерения диаметра: ψ=[1-(D1/D0)2]x100%, где: D0- исходный диаметр образца; D1-перелом после разрушения образца. Минимальный диаметр шейки. Чем больше значения δ и ψ, тем лучше пластичность материала.
1.3
прочность
Способность металлического материала сопротивляться разрушению при ударной нагрузке называется ударной вязкостью. Обычно применяют испытание на удар, то есть при разрушении металлического образца определенного размера и формы под ударной нагрузкой на ударной машине определенного типа энергия удара, затрачиваемая на единицу площади поперечного сечения поверхности разрушения, равна используется для характеристики ударной вязкости материала: k=Ak/ F. Единица Дж/см2 или Кг·м/см2, 1Кг·м/см2=9,8Дж/см2. k — ударная вязкость металлического материала, Ak — энергия удара, F — исходная площадь поперечного сечения излома.
1.4
Усталостная производительность
Предел усталостной прочности. Явление, при котором металлические материалы разрушаются без значительной деформации под действием длительных повторяющихся или знакопеременных напряжений (напряжение обычно меньше предела текучести σs), называется усталостным повреждением или усталостным разрушением. Это связано с тем, что во многих случаях на локальном участке поверхности детали возникает напряжение (концентрация напряжений), превышающее σs или даже большее, чем σb, вызывающее пластическую деформацию или микротрещины в этой детали. По мере увеличения числа повторных знакопеременных напряжений трещины постепенно расширяются и углубляются (в вершине трещины). Концентрация напряжений) приводит к уменьшению фактической площади поперечного сечения локального участка, воспринимающего напряжение, до тех пор, пока локальное напряжение не превысит σb и не произойдет разрушение. В практических применениях образец обычно подвергается повторяющемуся или переменному напряжению (растягивающему напряжению, сжимающему напряжению, изгибу или скручивающему напряжению и т. д.) в течение определенного количества циклов (обычно от 106 до 107 раз для стали и от 106 до 107 раз для стали). цветные металлы). Примите 108 раз) за максимальное напряжение, которое можно выдержать без разрушения, за предел усталостной прочности, выражаемый σ-1, в МПа.
Помимо наиболее часто используемых показателей механических свойств, упомянутых выше, некоторые материалы, к которым предъявляются особенно строгие требования, например металлические материалы, используемые в аэрокосмической, атомной промышленности, электростанциях и т. д., также требуют следующих показателей механических свойств.
Предел ползучести: при определенной температуре и постоянной растягивающей нагрузке явление медленной пластической деформации материалов с течением времени называется ползучестью. Обычно используется испытание на ползучесть при высокой температуре, то есть при постоянной температуре и постоянной растягивающей нагрузке удлинение при ползучести (общее удлинение или остаточное удлинение) образца в течение определенного времени или когда скорость удлинения при ползучести относительно постоянна. этап, за предел ползучести принимают максимальное напряжение, при котором скорость ползучести не превышает определенного заданного значения, выражаемого в МПа, где τ — продолжительность испытания, t — температура, δ — удлинение, σ — напряжение; или Выраженное в , V — скорость ползучести.
Предел прочности на растяжение при высокой температуре: Максимальное напряжение, при котором образец может достигать заданной продолжительности без разрушения под действием постоянной температуры и постоянной растягивающей нагрузки.
Коэффициент чувствительности металла к надрезу: Kτ представляет собой отношение напряжений образца с надрезом к гладкому образцу без надреза при одинаковой продолжительности (испытание на растяжение при высокой температуре).
Термическое сопротивление: Сопротивление материала механическим нагрузкам при высоких температурах.
Том 2
химические свойства
Свойство металлов вызывать химические реакции с другими веществами называется химическими свойствами металлов. В практических применениях основными соображениями являются коррозионная стойкость и стойкость к окислению металлов (также называемая стойкостью к окислению, которая конкретно относится к устойчивости или стабильности металлов к окислению при высоких температурах), а также взаимосвязь между различными металлами и Связь между металлами и металлами. Влияние соединений, образующихся между неметаллами, на механические свойства и др. Среди химических свойств металлов, особенно коррозионной стойкости, большое значение имеет коррозионно-усталостное повреждение металлов.
Том 3
Физические свойства
Физические свойства металлов в основном учитывают:
(1) Плотность (удельный вес): ρ=P/V, единица измерения: г/кубический сантиметр или тонна/кубический метр, где P — вес, а V — объем. В практических приложениях, помимо расчета веса металлических деталей на основе плотности, важно учитывать удельную прочность металла (отношение прочности σb к плотности ρ), чтобы помочь при выборе материала, а также акустическое сопротивление в акустические испытания, связанные с неразрушающим контролем (произведение плотности ρ и скорости звука C), а также при обнаружении радиации материалы с разной плотностью имеют разную способность поглощать энергию излучения и т. д.
(2) Точка плавления: температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Он оказывает непосредственное влияние на плавку и термическую обработку металлических материалов и имеет тесную связь с высокотемпературными свойствами материала.
(3) Тепловое расширение: при изменении температуры объем материала также изменяется (расширяется или сжимается). Это явление называется тепловым расширением. Его часто измеряют коэффициентом линейного расширения. То есть при изменении температуры на 1 градус увеличение или уменьшение длины материала равно 0 Отношению длин на градус. Тепловое расширение связано с удельной теплоемкостью материала. В практических применениях следует также учитывать удельный объем (при воздействии на материал внешних воздействий, таких как температура, объем материала на единицу веса увеличивается или уменьшается, то есть отношение объема к массе), особенно для тех, кто работает в условиях высокой температуры, а также в холодных или жарких условиях. Для металлических деталей, работающих в переменных средах, необходимо учитывать влияние их свойств расширения.
(4) Магнетизм: Свойством, которое может притягивать ферромагнитные объекты, является магнетизм, который отражается в таких параметрах, как магнитная проницаемость, потери на гистерезис, интенсивность остаточной магнитной индукции, коэрцитивная сила и т. д., так что металлические материалы можно разделить на парамагнитные, диамагнитные. ,мягкие магнитные и магнитотвердые материалы.
(5) Электрические свойства: в основном учитывайте его электропроводность, которая влияет на его удельное сопротивление и потери на вихревые токи при электромагнитном неразрушающем контроле.
Том 4
Производительность процесса
Приспособляемость металла к различным методам обработки называется производительностью процесса, которая в основном включает в себя следующие четыре аспекта:
(1) Производительность резки: отражает сложность резки металлических материалов режущими инструментами (такими как токарные, фрезерные, строгальные, шлифовальные и т. д.).
(2) Ковка: отражает сложность формирования металлических материалов во время обработки давлением, например, пластичность материала при его нагревании до определенной температуры (показана как величина сопротивления пластической деформации), а также температурный диапазон, который допускает горячее давление. обработка Размер, характеристики теплового расширения и сжатия и пределы критической деформации, связанные с микроструктурой и механическими свойствами, текучестью и теплопроводностью металла при термической деформации и т. д.
(3) литейность: отражает сложность плавления и отливки металлического материала в отливку, которая проявляется текучестью, воздухопроницаемостью, окислением, температурой плавления в расплавленном состоянии, однородностью и компактностью микроструктуры отливки, холод, усадка и т. д.
(4) Свариваемость: отражает трудность быстрого локального нагрева металлических материалов для быстрого плавления или полурасплавления соединяемых частей (требуется давление), чтобы соединяемые части могли прочно соединить друг с другом и образовать единое целое. Она выражается в температуре плавления, впитываемости, окислении, теплопроводности, характеристиках термического расширения и сжатия, пластичности при плавлении, корреляции с микроструктурой соединений и близлежащих материалов, влиянии на механические свойства и т. д.
