Пластичность металлов

Пластичность (от греческого «plastikos» – годный для лепки), свойство твёрдых тел под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры, и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Отсутствие или малое значение пластичности называют хрупкостью.

Другими словами пластичность металлов – это способность металлов перед разрушением претерпевать значительную пластическую деформацию.

Пластическая деформация – остаточная деформация без макроскопических нарушений сплошности материала, образовавшаяся в результате воздействия силовых факторов.

Пластичность является одним из важнейших свойств металлов. Благодаря пластичности осуществляется обработка металлов давлением (ковка, прокатка и др.). Пластичность позволяет перераспределять локальные напряжения равномерно по всему объёму металла, что уменьшает опасность разрушения.

Пластичность металлов зависит от условий деформирования (скорость нагружения, температура, давление и т.д.). Пластичность металлических конструкционных материалов широко используется в технике. Пластичность характеризует относительное удлинение σ и относительное сужение ψ (его называют поперечным сужением).

Часто недостаточная пластичность металлов является следствием низкого значения сопротивления разрушению, т.е. преждевременного разрушения.

С повышением температуры пластичность металлов возрастает.

Подготовлено: Корниенко А.Э. (ИЦМ)

Источник

Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?

СОДЕРЖАНИЕ

1. Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?. 3

2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180 о С. 4

3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850 о С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его. 7

4. Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки. 8

5. Опишите резины специального назначения (приведите классификацию по группам, охарактеризуйте свойства, области применения). 12

Список использованной литературы.. 15

Что такое пластичность металла, какими стандартами характеристиками механических свойств она оценивается? При каких испытаниях и как они определяются?

Пластичность – свойство твердых тел необратимо деформироваться под действием механических нагрузок.

Отсутствие или небольшое значение пластичности называется хрупкостью.

Характеристики пластичности определяют при статических испытаниях. Статическими называют испытания, при которых прилагаемая нагрузка возрастает медленно и плавно. Чаще применяют испытания на растяжение, позволяющие по результатам одного опыта установить нескольких важных механических характеристик металла или сплава. Для испытания на растяжение используют стандартные образцы. Машины для испытания снабжены прибором, записывающим диаграмму растяжения.

Относительное удлинение δ представляет собой отношение приращения длины образца после его разрыва к первоначальной расчетной длине l₀ и выражается в процентах:

,

где l_к – длина образца после разрыва

Под относительным сужением понимают отношение уменьшения поперечного сечения разорванного образца к первоначальной площади поперечного сечения, выраженное в процентах:

,

где F_к – площадь поперечного сечения в месте разрыва.

2. Вычерти диаграмму состояния железо – карбид железа, укажите структурные составляющие во всех областях диаграммы, опишите фазовые и структурны прекращения в сплаве, содержащем 5,4% углерода, при охлаждении из жидкого состояния. Постройте кривую охлаждения (применением правила фаз Гиббса) для этого сплава. Укажите название и структуру сплава при комнатной температуре. По правилу Курнакова определите количественное соотношения фаз в сплаве при температуре 1180 о С.

При определенных условиях в железоуглеродистых сплавах могут существовать в равновесии одновременно три фазы. В системе железо-карбид железа происходят три изотермических превращения (на кривых охлаждения им соответствуют горизонтальные площадки):

Линия HIB (1499 °С) соответствует перитектическому превращению:

Линия ECF (1147 °С) соответствует эвтектическому превращению:

Линия PSK (727 °С) соответствует эвтектоидному превращению

Правило фаз Гиббса устанавливает зависимость между числом степеней свободы, числом компонентов и числом фаз и выражается уравнением:

где С – число степеней свободы системы (вариантность) – количество факторов (температура, концентрация), которые можно произвольно изменять без изменения числа фаз системы;

К – число компонентов, образующих сплав;

F – число фаз в сплаве.

При охлаждении заэвтектического чугуна (4,3

Структура белого заэвтектического чугуна при комнатной температуре – ледебурит и цементит первичный.

По правилу Карнакова количественное соотношение фаз в сплаве:

Для их определения необходимо провести коноду a-b-c (линию, параллельную оси состава диаграммы – абсциссе, и проходящую через двухфазную область).

При температуре 1180 °С (точка b) в сплаве находятся две фазы: жидкий расплав и первичные кристаллы цементита.

Точки пересечения коноды с линиями, ограничивающими данную двухфазную область, определяют химический состав присутствующих в сплаве фаз. Таким образом, проекция точки a – точки пересечения коноды и линии ликвидус – на ось абсцисс покажет состав жидкости (Ж_а). Проекция точки c на ось асцисс покажет состав цементита – 6,67%.

Ордината заданного в условии задачи сплава делит коноду на два отрезка a-b и b-c. Отношение каждого из отрезков к длине всей коноды a-b-c позволит определить количество соответствующей фазы.

Количество жидкости: Ж_а = b-c/a-b-c ;

Количество цементита: Ц_с = a-c/a-b-c ;

Количественное соотношение фаз: Ж/Ц = b-c/a-b.

Рисунок 3: диаграмма железо-цементит; кривая охлаждения для сплава, содержащего 5,4% углерода.

3. Как изменяются структура и свойства сталей 30 и У11 в результате 750 и 850 о С? Объясните с применением диаграммы состояния железо-цементит. Назовите предложенные режимы закалки, выберите оптимальный режим закалки для каждой стали и обоснуйте его.

Исходная структура высокоуглеродистой инструментальной стали У11 до нагрева под закалку – перлит + карбиды.

Критические точки для стали У11: А_c1=730ºС, А_cm=810ºС.

Оптимальный режим нагрева под закалку для заэвтектоидных сталей (%С>0,8%) составляет А_С1+(30÷50º), т.е. для У11 – 760–780ºС. При этом после закалки имеем мелкое зерно, обеспечивающее наилучшие механические свойства стали У11.

Нагрев и выдержка стали У11 при температуре 850ºС перед закалкой приводит к росту зерна и ухудшению механических свойств стали после термической обработки. Крупнозернистая структура вызывает повышенную хрупкость стали, иногда приводит к трещинам.

Закалка доэвтектоидной стали заключается в нагреве стали до температуры выше критической (А_с3), в выдержке и последующем охлаждении со скоростью, превышающей критическую.

Температура точки А_с3 для стали 30 составляет 820°С.

Если доэвтектоидную сталь нагреть выше А_с1, но ниже А_с3, то в ее структуре после закалки наряду с мартенситом будут участки феррита. Присутствие феррита как мягкой составляющей снижает твердость стали после закалки. При нагреве до температуры 750°С (ниже точки А_с3) структура стали 30 – аустенит + феррит, после охлаждения со скоростью выше критической структура стали – мартенсит + феррит.

Доэвтектоидные стали для закалки следует нагревать до температуры на 30-50°С выше А_с3. Температура нагрева стали под закалку, таким образом, составляет 850-870°С. Структура стали 30 при температуре нагрева под закалку – аустенит, после охлаждения со скоростью выше критической – мартенсит.

Для изготовления деталей молотовых штампов выбрана сталь 5ХНМ. Расшифруйте марку, приведите примерный химический состав. Назначьте режим упрочняющей термообработки. Опишите сущность происходящих при термообработке превращений, микроструктуру и главные свойства штампов после термообработки.

Химический состав в % материала 5ХНМ в соответствии с ГОСТом 5950-2000

Для изготовления штампов применяются следующие марки сталей: углеродистые и легированные 5ХНМ и некоторые другие.

Основные требования, предъявляемые к стали для изготовления штампов, следующие:

2) хорошая теплопроводность для быстрого отвода тепла от рабочей поверхности в глубь штампа;

3) значительная прокаливаемость (что особенно важно для крупных штампов);

4) высокая сопротивляемость возникновению трещин разгара, возникающих на рабочей поверхности вследствие периодичности нагрева и охлаждения штампов.

Штампы, изготовленные из углеродистой стали, быстро выходят из строя, вследствие малой глубины закалённого слоя и низкого предела температур (325-350°), до которых штамп может нагреваться во время работы. Поэтому углеродистую сталь можно применять для малых штампов простой формы.

Для изготовления штампов, работающих в тяжёлых условиях, наиболее часто применяется сталь 5ХНМ или её заменитель сталь 5ХГМ. Никель в стали 5ХГМ заменён марганцем, который, сохраняя глубокую прокаливаемость стали, несколько уменьшает ударную вязкость. Для получения необходимой вязкости штампы из стали 5ХГМ отпускают при более высокой температуре, чем штампы из стали 5ХНМ.

Кованые заготовки штампов подвергают отжигу, чтобы снизить твёрдость, снять внутренние напряжения и подготовить структуру для последующей закалки. Поковки, остывающие после их изготовления медленно, в утеплённых ямах или шлаке, можно загружать для отжига в печь, нагретую до требуемой температуры, и греть со скоростью, которую допускает данная печь. Поковки, остывающие после их изготовления быстро, на полу мастерской, загружают в печь при температуре 400-500° и греют до требуемой температуры вместе с печью.

Штампы, поступающие в капитальный ремонт, вместо отжига подвергают высокому отпуску. Для этого штампы закладывают в печь, нагретую до требуемой температуры, выдерживают 2-3 часа, вынимают из печи и оставляют на воздухе до полного охлаждения.

Иногда крупные штампы подвергаются закалке в заготовках (кубиках) до механической обработки. При этом потеря твёрдости компенсируется отсутствием деформации готового штампа. Такие заготовки нагревают под закалку без упаковки.

При закалке полностью обработанных штампов необходимо принять меры для предохранения рабочей поверхности от окисления (рисунок слева). В качестве изолирующей засыпки применяют отработанный карбюризатор или пережжённую чугунную стружку.

Мелкие и средние штампы, а также кубики можно загружать в печь, нагретую до температуры закалки, без опасения образования трещин или деформации, тем более, что рабочая часть штампа прогревается сравнительно медленно, так как находится под слоем засыпки. Прогрев при температуре закалки должен обеспечить полное растворение углерода и других элементов в аустените.

Ниже приводим режим термической обработки штампов, изготовленных из стали 5ХНМ в электропечи Н15, применяемый на одном из заводов в течение ряда лет и полностью себя оправдавший (штамп Ф 150 мм, высотой 140 мм):

1) загрузка в печь, нагретую до температуры 830-850°, и выдержка в течение 2 час.;

2) закалка в масле, выдержка до достижения температуры 100-200° примерно 15-20 мин.;

При загрузке нескольких штампов в печь следует для ускорения нагрева ставить их на расстоянии 100-150 мм один от другого.

Повышение температуры отпуска, как правило, повышает вязкость стали, но снижает ее твердость, прочность и износостойкость. В связи с этим для сохранения износостойкости и твердости стали температуру отпуска выбирают пониженной, однако не ниже температуры разогрева инструмента при эксплуатации.

Источник

Пластичность: свойства, примеры, эксперименты

Содержание:

В пластичность Это технологическое свойство материалов, которое позволяет им деформироваться под действием напряжения растяжения; то есть разделение двух его концов без быстрого разрушения в какой-либо точке в середине удлиненного участка. По мере удлинения материала его поперечное сечение уменьшается, становясь тоньше.

Поэтому из пластичных материалов механическим способом превращаются в нитевидные формы (нити, тросы, иглы и т. Д.). В швейных машинах шпульки с намотанной нитью представляют собой самодельный образец пластичных материалов; в противном случае текстильные волокна никогда бы не приобрели своей характерной формы.

Какова цель пластичности материалов? Способность преодолевать большие расстояния или привлекательные конструкции, будь то инструменты, украшения, игрушки; или для транспортировки некоторой жидкости, такой как электрический ток.

Последнее приложение представляет собой ключевой пример пластичности материалов, особенно металлов. Тонкие медные провода (верхнее изображение) являются хорошими проводниками электричества и наряду с золотом и платиной используются во многих электронных устройствах для обеспечения их работы.

Некоторые волокна настолько тонкие (всего несколько микрометров), что поэтическая фраза «золотые волосы» приобретает все реальное значение. То же верно и для меди и серебра.

Пластичность не была бы возможным свойством, если бы не было молекулярной или атомной перегруппировки, противодействующей падающей растягивающей силе. А если бы его не было, человек никогда бы не узнал, что кабели, антенны, мосты исчезнут, и мир останется в темноте без электрического света (помимо бесчисленных других последствий).

Что такое пластичность?

В отличие от пластичности, пластичность требует более эффективной структурной перестройки.

Зачем? Потому что, когда поверхность, на которой находится натяжение, больше, твердое тело имеет больше средств для скольжения своих молекул или атомов, образуя листы или пластины; тогда как когда напряжение сосредоточено в все меньшем и меньшем поперечном сечении, молекулярное скольжение должно быть более эффективным, чтобы противодействовать этой силе.

Пластичные материалы также могут разрушаться после напряжения. Его можно увеличить, если повысить температуру, так как тепло способствует проскальзыванию молекул (хотя есть несколько исключений). Именно благодаря этим слайдам материал может проявлять пластичность и, следовательно, быть пластичным.

Однако пластичность материала зависит от других переменных, таких как влажность, тепло, примеси и способ приложения силы. Например, свежерасплавленное стекло пластично и принимает нитевидные формы; Но когда он остывает, он становится хрупким и может сломаться при любом механическом ударе.

Свойства

Пластичные материалы обладают собственными свойствами, напрямую связанными с их молекулярным расположением. В этом смысле жесткий металлический стержень и мокрый глиняный стержень могут быть пластичными, хотя их свойства сильно различаются.

Однако у всех них есть кое-что общее: пластичное поведение перед поломкой.В чем разница между пластиковым и эластичным предметом?

Упругий объект деформируется обратимо, что изначально происходит с пластичными материалами; но при увеличении растягивающего усилия деформация становится необратимой, и объект становится пластичным.

С этого момента проволока или резьба принимает определенную форму. После непрерывного растяжения его поперечное сечение становится настолько малым, а растягивающее напряжение слишком высоким, что его молекулярные скольжения больше не могут противодействовать напряжению, и в конечном итоге он ломается.

Если пластичность материала чрезвычайно высока, как в случае золота, с одним граммом можно получить провода длиной до 66 км и толщиной 1 мкм.

Чем более вытянутый провод получается из массы, тем меньше его поперечное сечение (если только тонны золота не доступны для изготовления проволоки значительной толщины).

Примеры пластичных металлов

Металлы относятся к пластичным материалам, которые находят бесчисленное множество применений. Триада состоит из металлов: золота, меди и платины. Один золотой, другой розовато-оранжевый и последний серебряный. Помимо этих металлов, есть и другие менее пластичные:

-Латунь (и другие металлические сплавы)

-Сталь (хотя ее пластичность может быть нарушена в зависимости от состава углерода и других добавок)

-Свинец (но в определенных небольших диапазонах температур)

Без предварительных экспериментальных знаний трудно установить, какие металлы действительно пластичны. Его пластичность зависит от степени чистоты и от того, как добавки взаимодействуют с металлическим стеклом.

Также учитываются другие переменные, такие как размер кристаллических зерен и расположение кристалла. Кроме того, важную роль играет количество электронов и молекулярных орбиталей, участвующих в металлической связи, то есть в «электронном море».

Взаимодействия между всеми этими микроскопическими и электронными переменными делают пластичность концепцией, которая требует тщательного изучения с помощью многомерного анализа; и будет обнаружено отсутствие стандартного правила для всех металлов.

По этой причине два металла, хотя и имеют очень похожие характеристики, могут быть пластичными, а могут и не быть.

Размер зерен и кристаллическая структура металлов

Зерна представляют собой части стекла, в которых отсутствуют заметные неровности (зазоры) в их трехмерном расположении. В идеале они должны быть полностью симметричными и иметь четко выраженную структуру.

Каждое зерно одного и того же металла имеет одинаковую кристаллическую структуру; то есть металл с компактной гексагональной структурой ГПУ имеет зерна с кристаллами с ГПУ-системой. Они расположены таким образом, что под действием силы тяги или растяжения скользят друг по другу, как если бы это были плоскости, сделанные из мрамора.

Обычно, когда плоскости, сделанные из мелких зерен, скользят, они должны преодолевать большую силу трения; в то время как, если они большие, они могут двигаться более свободно. Фактически, некоторые исследователи стремятся изменить пластичность определенных сплавов путем контролируемого роста их кристаллических зерен.

С другой стороны, что касается кристаллической структуры, обычно металлы с кристаллической системой ГЦК (граненый центрированный кубический, или гранецентрированный кубик) являются наиболее пластичными. Между тем металлы с кристаллической структурой ОЦК (объемно центрированный кубический, гранецентрированный куб) или ГПУ, обычно менее пластичны.

Например, и медь, и железо кристаллизуются с расположением ГЦК и более пластичны, чем цинк и кобальт, оба с расположением ГПУ.

Влияние температуры на пластичность металлов

Тепло может уменьшить или увеличить пластичность материалов, исключения также относятся к металлам. Однако, как правило, чем мягче металлы, тем легче их превратить в нити, не ломаясь.

Это связано с тем, что повышение температуры заставляет металлические атомы колебаться, что приводит к объединению зерен; то есть несколько мелких зерен объединяются в одно большое зерно.

С более крупными зернами увеличивается пластичность, и молекулярное скольжение сталкивается с меньшими физическими препятствиями.

Эксперимент по объяснению пластичности для детей и подростков

Пластичность становится чрезвычайно сложной концепцией, если вы начнете анализировать ее под микроскопом. Итак, как вы объясните это детям и подросткам? Таким образом, чтобы это выглядело максимально простым для их посторонних глаз.

Жевательная резинка и пластилин

До сих пор ходили разговоры о расплавленном стекле и металлах, но есть и другие невероятно пластичные материалы: резинка и пластилин.

Чтобы продемонстрировать пластичность жевательной резинки, достаточно схватить две массы и начать их растягивать; один расположен слева, а другой будет перенесен справа. В результате получится подвесной мост из жевательной резинки, который не сможет вернуться к своей первоначальной форме, если его не размять руками.

Однако наступит момент, когда мост в конце концов сломается (и на полу появится жвачка).

На изображении выше показано, как ребенок, нажимая на емкость с дырочками, заставляет пластилин выступать так, как будто это волосы. Сухая шпатлевка менее пластична, чем масляная; Таким образом, эксперимент может состоять просто в создании двух дождевых червей: одного из сухой глины, а другого, смоченного маслом.

Ребенок заметит, что маслянистого червяка легче слепить и увеличить его длину за счет его толщины; Пока червь высыхает, он, скорее всего, снова и снова сломается.

Пластилин также представляет собой идеальный материал для объяснения разницы между пластичностью (лодка, ворота) и пластичностью (волосы, черви, змеи, саламандры и т. Д.).

Демонстрация с металлами

Хотя подростки вообще ничем не будут манипулировать, возможность наблюдать образование медных проводов в первом ряду может быть для них привлекательным и интересным опытом. Демонстрация пластичности будет еще более полной, если продолжить работу с другими металлами и, таким образом, можно будет сравнить их пластичность.

Далее все провода необходимо подвергнуть постоянному растяжению до предела прочности. При этом подросток визуально удостоверит, как пластичность влияет на сопротивление проволоки разрыву.

Ссылки

10 лучших гериатрических резиденций в Мурсии

Источник

Физические основы пластичности металлов

Развитие учения о механических свойствах твердых тел, как известно, шло от механики абсолютно твердого тела, в которой деформации вовсе не учитываются, через теорию упругости, являющуюся первым приближением и пригодную в случаях малых и обратимых деформаций, к разрабатываемой в настоящее время теории малых упруго-пластических деформаций. Теория взаимодействия атомов кристаллической решетки, разработанная свыше 40 лет назад, находилась в резком противоречии с экспериментальными данными относительно прочности кристаллов. Из этого положения было предложено два выхода. Оба они основаны на том, что в реальном кристалле, как и вообще в твердых материалах, имеются неоднородности и несовершенства. Именно вследствие несовершенства строения у реальных тел возникает преждевременная пластичность.

Далее мнения разных исследователей расходились. Одни считали, что реальный кристалл состоит из кусочков идеального кристалла, между которыми имеются слабые места. Пластическое течение происходит только по слабым местам. Другие полагали, что слабые места, если и играют роль в пластичности, то только в качестве источников перенапряжения. Иначе говоря, для пластического течения необходимы большие местные перенапряжения, как это, например, было показано в опытах по управлению образованием пластических сдвигов.

Несомненно, что изучение строения реального кристалла и разнообразных дефектов, которые могут в нем существовать, является важной по своему значению задачей. Однако спорным является положение о том, необходимо ли основывать теорию пластичности на учете этих явлений или же можно разработать теорию пластической деформации идеально правильной кристаллической решетки с последующим рассмотрением роли различных дефектов.

Ряд авторов предпочитает исходить из предположения о наличии в кристаллической решетке закономерно распределенных пороков, обладающих особыми свойствами. Предполагается, что пластическое течение кристаллов представляет собой движение этих пороков (дислокаций) в кристаллической решетке. Последние экспериментальные данные в известной степени подтверждают дислокационные представления. Однако до сих пор остается недостаточно выясненным коренной вопрос о возникновении дислокаций в процессе пластической деформации. Поэтому необходимо уделить особое внимание экспериментальной проверке теории дислокаций. Возможно, что такая проверка и соответствующее уточнение теории будут способствовать сближению различных точек зрения.

Разнообразные материалы, подвергаемые действию внешних механических сил, на самых начальных стадиях нагружения изменяют свои размеры и форму обратимо. Деформации, наблюдаемые при этом, называются упругими. Изучение упругих свойств твердых тел важно в связи с тем, что упругие постоянные являются мерой междучастичных сил в твердых телах.

Явления формоизменения твердых тел под воздействием внешних сил весьма сложны. Конечные изменения, происходящие в твердых телах под воздействием внешних сил, определяются совокупностью ряда процессов, каждый из которых сам по себе еще в полной мере неясен из-за отсутствия удовлетворительных и полных представлений о природе сил связи в твердых телах, об их строении, о характере теплового движения и т. д., иными словами, в виду отсутствия исчерпывающей теории кристаллического состояния. Однако несомненно, что основные и общие явления, происходящие в твердых телах под действием внешних сил, заключаются в атомных и молекулярных смещениях.

Таким образом, разработка физического учения о пластичности требует охвата большого круга явлений, часть из которых была перечислена выше, и неотделима от решения следующих фундаментальных проблем: проблемы общей теории твердого состояния; проблемы междучастичных сил в твердых телах; проблемы идеальной и реальной структуры твердых тел; проблемы теплового движения в твердых телах.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья.

Отсюда следует, что доля местной деформации, а следовательно, и значения дельта l_ост и δ у коротких образцов больше, чем у длинных.

При этом для различных материалов относительная величина равномерной и местной деформаций колеблется в широких пределах. Большинство пластичных материалов деформируется с образованием шейки.

При этом равномерная деформация составляет 5-10% от местной деформации, у сплавов типа дуралюмин 18-20%, у латуней 35-45% и т. д., но не больше 50%.

Относительное удлинение металлов характеризует таблица 2.

Источник