Tipos de materiais metálicos
Os materiais metálicos são geralmente divididos em metais ferrosos, metais não ferrosos e materiais metálicos especiais.

(1) O metal negro, também conhecido como materiais de aço, inclui ferro puro industrial com mais de 90% de teor de ferro, ferro fundido com 2% -4% de teor de carbono, aço carbono com menos de 2% de teor de carbono, bem como aço estrutural, aço inoxidável, aço resistente ao calor, ligas de alta temperatura, aço inoxidável, ligas de precisão, etc. para diversos fins.Em termos gerais, os metais negros também incluem cromo, manganês e suas ligas.

(2) Metais não ferrosos referem-se a todos os metais e suas ligas, exceto ferro, cromo e manganês, geralmente divididos em metais leves, metais pesados, metais preciosos, semimetais, metais raros e metais de terras raras.A resistência e a dureza das ligas não ferrosas são geralmente superiores às dos metais puros e possuem alta resistência e baixo coeficiente de resistência à temperatura.

(3) Materiais metálicos especiais, incluindo materiais metálicos estruturais e funcionais para diversos fins.Entre eles estão materiais metálicos amorfos obtidos através de processo de condensação rápida, bem como materiais metálicos quasicristalinos, microcristalinos, nanocristalinos, etc;Existem também ligas funcionais especiais, como furtividade, resistência ao hidrogênio, supercondutividade, memória de forma, resistência ao desgaste, redução e amortecimento de vibração, bem como materiais compósitos com matriz metálica.

Propriedades do material metálico
Geralmente é dividido em duas categorias: desempenho do processo e desempenho de uso.O chamado desempenho do processo refere-se ao desempenho de materiais metálicos sob condições específicas de trabalho a frio e a quente durante o processo de usinagem e fabricação de peças mecânicas.A qualidade do desempenho tecnológico dos materiais metálicos determina sua adaptabilidade ao processamento e conformação durante o processo de fabricação.Devido às diferentes condições de processamento, o desempenho do processo exigido também varia, como desempenho de fundição, soldabilidade, maleabilidade, desempenho de tratamento térmico, desempenho de corte, etc.

O chamado desempenho refere-se ao desempenho dos materiais metálicos exibidos pelas peças mecânicas sob condições de uso, incluindo propriedades mecânicas, propriedades físicas, propriedades químicas, etc.Na indústria de fabricação mecânica, as peças mecânicas são geralmente usadas em temperatura normal, pressão normal e meios altamente corrosivos, e cada peça mecânica suportará cargas diferentes durante o uso.A resistência dos materiais metálicos à falha sob carga é chamada de propriedades mecânicas (anteriormente também conhecidas como propriedades mecânicas).As propriedades mecânicas dos materiais metálicos são a base principal para o projeto e seleção de materiais das peças.As propriedades mecânicas exigidas para materiais metálicos também variarão dependendo da natureza das cargas aplicadas (como tensão, compressão, torção, impacto, carregamento cíclico, etc.).As propriedades mecânicas comuns incluem resistência, plasticidade, dureza, resistência ao impacto, resistência a impactos múltiplos e limite de fadiga.

Características dos materiais metálicos
1. Fadiga
Muitas peças mecânicas e componentes de engenharia funcionam sob cargas alternadas.Sob a ação de cargas alternadas, embora o nível de tensão seja inferior ao limite de escoamento do material, após um longo período de ciclos de tensão repetidos, também pode ocorrer fratura frágil repentina, que é chamada de fadiga dos materiais metálicos.As características da fratura por fadiga de materiais metálicos são:
(1) A tensão de carga é alternada.
(2) O tempo de ação da carga é relativamente longo.
(3) A fratura ocorre instantaneamente.
(4) Tanto os materiais plásticos quanto os frágeis são frágeis na zona de fratura por fadiga.Portanto, a fratura por fadiga é a forma mais comum e perigosa de fratura na engenharia.

O fenômeno de fadiga de materiais metálicos pode ser dividido nos seguintes tipos de acordo com diferentes condições:

#1.Fadiga de alto ciclo
Refere-se à falha por fadiga com ciclos de tensão superiores a 100.000 sob condições de baixa tensão (tensão de trabalho inferior ao limite de escoamento do material, ou mesmo inferior ao limite elástico).É o tipo mais comum de falha por fadiga.A fadiga de alto ciclo é geralmente chamada de fadiga.

#2 Fadiga de baixo ciclo
Refere-se à fadiga com ciclos de tensão abaixo de 10.000 a 100.000 sob alta tensão (tensão de trabalho próxima ao limite de escoamento do material) ou condições de alta deformação.Devido ao papel significativo da deformação plástica alternada neste tipo de falha por fadiga, ela também é conhecida como fadiga plástica ou fadiga por deformação.

#3.Fadiga térmica
O dano por fadiga causado pela ação repetida do estresse térmico causado pelas mudanças de temperatura.

#4 Fadiga por corrosão
A falha por fadiga dos componentes da máquina sob a ação combinada de cargas alternadas e meios corrosivos (como ácidos, álcalis, água do mar, gases ativos, etc.).

#5 Fadiga de contato
Isto se refere à ocorrência de descascamento por picada ou descascamento por esmagamento superficial na superfície de contato das peças da máquina sob a ação repetida de tensão de contato, resultando na falha e danos das peças.

2. Plasticidade
Plasticidade refere-se à capacidade de um material metálico sofrer deformação permanente (deformação plástica) sob cargas externas sem ser destruído.Quando os materiais metálicos são submetidos à tensão, tanto o seu comprimento quanto a área da seção transversal mudam.Portanto, a plasticidade dos metais pode ser medida por dois indicadores: alongamento do comprimento (alongamento) e encolhimento da seção transversal (redução da seção transversal).

Quanto maior o alongamento e o encolhimento transversal de um material metálico, melhor será sua plasticidade, o que significa que o material pode suportar deformações plásticas significativas sem danos.Materiais metálicos com alongamento superior a 5% são geralmente chamados de materiais plásticos (como aço de baixo carbono), enquanto materiais metálicos com alongamento inferior a 5% são chamados de materiais frágeis (como ferro fundido cinzento).Um material com boa plasticidade pode gerar deformação plástica em uma ampla faixa macroscópica e, ao mesmo tempo, fortalece o material metálico devido à deformação plástica, melhorando assim a resistência do material e garantindo o uso seguro das peças.Além disso, materiais com boa plasticidade podem passar suavemente por certos processos de conformação, como estampagem, dobra a frio, trefilação a frio, endireitamento, etc. Portanto, ao selecionar materiais metálicos como peças mecânicas, certos indicadores de plasticidade devem ser atendidos.

3. Durabilidade
As principais formas de corrosão dos metais de construção:
(1) Corrosão uniforme.A corrosão na superfície do metal causa um adelgaçamento uniforme da seção transversal.Portanto, o valor médio anual de perda de espessura é comumente usado como um indicador de desempenho de corrosão (taxa de corrosão).O aço geralmente apresenta corrosão uniforme na atmosfera.
(2) Erosão dos poros.O metal corrói em um padrão pontilhado e forma buracos profundos.A ocorrência de corrosão por pites está relacionada à natureza do metal e ao seu meio.A corrosão dos poros é propensa a ocorrer em meios contendo sais de cloreto.A profundidade máxima do furo é comumente usada como um índice de avaliação para corrosão por pites.A corrosão de tubulações geralmente considera a questão da corrosão por picadas.
(3) Corrosão galvânica.Corrosão causada por diferentes potenciais nos pontos de contato de diferentes metais.
(4) Corrosão de lacuna.A corrosão local em superfícies metálicas ocorre frequentemente em fendas ou outras áreas ocultas devido a diferenças na composição e concentração de meios entre as diferentes partes.
(5) Corrosão sob tensão.Sob a ação combinada de meios corrosivos e alta tensão de tração, a superfície do metal sofre corrosão e se expande para dentro em microfissuras, muitas vezes levando a fraturas repentinas.Barras de aço de alta resistência (fios de aço) em concreto podem sofrer tais danos.

4. Dureza
A dureza representa a capacidade de um material resistir à pressão de objetos duros em sua superfície.É um dos importantes indicadores de desempenho dos materiais metálicos.Quanto maior a dureza, melhor será a resistência ao desgaste.Os indicadores de dureza comumente usados ​​incluem dureza Brinell, dureza Rockwell e dureza Vickers.

Dureza Brinell (HB): uma bola de aço endurecido de um determinado tamanho (geralmente 10 mm de diâmetro) é pressionada na superfície do material sob uma determinada carga (geralmente 3.000 kg), mantida por um período de tempo e, após a descarga, a proporção da carga na área de indentação é o valor de dureza Brinell (HB), medido em quilogramas por metro quadrado (N/mm2).

Dureza Rockwell (HR): quando HB>450 ou a amostra é muito pequena, o teste de dureza Brinell não pode ser usado e a medição de dureza Rockwell deve ser usada.É um cone de diamante com ângulo superior de 120 ° ou uma esfera de aço com diâmetro de 1,59 e 3,18 mm, pressionada na superfície do material testado sob uma determinada carga, e a dureza do material é calculada a partir da profundidade de o recuo.De acordo com as diferentes durezas dos materiais de teste, diferentes penetradores e pressão total de teste podem ser usados ​​para formar várias escalas de dureza Rockwell diferentes.Cada escala é indicada com uma letra após o símbolo de dureza Rockwell HR.As escalas de dureza Rockwell comumente usadas são A, B e C (HRA, HRB, HRC).A escala C é a mais utilizada entre elas.

HRA: é a dureza obtida utilizando um penetrador cônico diamantado com carga de 60kg, utilizado para materiais com dureza extremamente alta (como ligas duras).
HRB: é a dureza obtida utilizando uma carga de 100kg e uma esfera de aço temperado de 1,58mm de diâmetro, utilizada para materiais de menor dureza (como aço recozido, ferro fundido, etc.).
HRC: é uma dureza obtida utilizando uma carga de 150kg e um penetrador cônico diamantado, utilizado para materiais com alta dureza (como aço temperado).

Dureza Vickers (HV): um penetrador de cone quadrado diamantado com ângulo superior de 136 ° e carga de até 120kg é usado para pressionar a superfície do material.O valor de dureza Vickers (HV) é obtido dividindo o produto superficial das cavidades de indentação do material pelo valor da carga.O teste de dureza é o método de teste mais simples e viável em testes de desempenho mecânico.Para substituir certos testes de desempenho mecânico por testes de dureza, é necessária uma relação de conversão mais precisa entre dureza e resistência na produção.A prática provou que existe uma relação aproximada e correspondente entre vários valores de dureza de materiais metálicos, bem como entre valores de dureza e valores de resistência.Como o valor da dureza é determinado pela resistência à deformação plástica inicial e pela resistência à deformação plástica contínua, quanto maior a resistência do material, maior a resistência à deformação plástica e maior o valor da dureza.

As propriedades dos materiais metálicos
O desempenho dos materiais metálicos determina sua aplicabilidade e racionalidade de aplicação.O desempenho dos materiais metálicos é dividido principalmente em quatro aspectos, a saber: desempenho mecânico, desempenho químico, desempenho físico e desempenho do processo.

1. Propriedade mecânica
Tensão: A força suportada por unidade de área da seção transversal dentro de um objeto é chamada de tensão.A tensão causada por forças externas é chamada de tensão de trabalho, e a tensão que é equilibrada dentro do objeto sob a condição de nenhuma força externa é chamada de tensão interna (como tensão tecidual, tensão térmica, tensão residual remanescente após a conclusão do processamento).

Propriedades mecânicas: A capacidade de um metal de resistir à deformação e fratura sob forças externas (cargas) sob certas condições de temperatura é chamada de propriedades mecânicas do material metálico (também conhecidas como propriedades mecânicas).Existem várias formas de cargas que os materiais metálicos podem suportar, que podem ser cargas estáticas ou dinâmicas, incluindo tensão de tração, tensão de compressão, tensão de flexão, tensão de cisalhamento, tensão de torção, bem como fricção, vibração, impacto e assim por diante, que pode ser suportado isoladamente ou simultaneamente.Portanto, os principais indicadores para medir as propriedades mecânicas dos materiais metálicos são os seguintes.

1. Força
Esta é a capacidade máxima de um material para resistir à deformação e falha sob forças externas, que pode ser dividida em limites de resistência à tração (σ b) Limite de resistência à flexão (σ Bb) Resistência à compressão final (σ BC), etc. regularidade da deformação até a falha de materiais metálicos sob forças externas, testes de tração são geralmente usados ​​para medição.Ou seja, os materiais metálicos são transformados em amostras de determinadas especificações e esticados em uma máquina de teste de tração até que a amostra se rompa.Os indicadores de força medidos incluem principalmente:

(1) Limite de resistência: a tensão máxima que um material pode resistir à fratura sob forças externas, geralmente referindo-se à resistência à tração sob força de tração σ B representa o limite de resistência correspondente ao ponto mais alto b na curva de teste de tração, comumente medido em megapascais (MPa).A relação de conversão é: 1MPa=1N/m2=(9,8) -1kgf/mm2 ou 1kgf/mm2=9,8MPa.

(2) Limite de resistência ao escoamento: quando a força externa suportada por uma amostra de material metálico excede o limite elástico do material, embora a tensão não aumente mais, a amostra ainda sofre deformação plástica significativa.Este fenômeno é denominado escoamento, o que significa que quando o material suporta uma força externa até certo ponto, sua deformação deixa de ser proporcional à força externa e ocorre uma deformação plástica significativa.A tensão na qual ocorre o escoamento é chamada de limite de limite de escoamento, que é determinado por σ S representa o ponto de escoamento correspondente ao ponto S na curva de teste de tração.Para materiais com alta plasticidade, há um ponto de escoamento claro na curva de tração, enquanto para materiais com baixa plasticidade, não há um ponto de escoamento claro, tornando difícil determinar o limite de escoamento com base na força externa no ponto de escoamento.Portanto, no método de ensaio de tração, a tensão na qual o comprimento de referência na amostra produz 0,2% de deformação plástica é geralmente especificada como o limite de escoamento condicional, usando σ 0,2 representa.O índice limite de rendimento pode ser usado como base de projeto para exigir que as peças não sofram deformações plásticas significativas durante a operação.No entanto, para algumas peças importantes, considera-se também que é necessária uma relação de resistência à flexão (ou seja, σ S/ σ b). Deve ser pequena para melhorar sua segurança e confiabilidade, mas neste momento, a taxa de utilização de materiais também é baixa.

(3) Limite elástico: a capacidade de um material se deformar sob forças externas, mas ainda recuperar ao seu estado original após a remoção da força externa, é chamada de elasticidade.A tensão máxima na qual os materiais metálicos podem manter a deformação elástica é o limite elástico, correspondente ao ponto e na curva de ensaio de tração σ E representa, em megapascals (MPa): σ Na equação e=Pe/Fo, Pe representa o máximo externo força enquanto mantém a elasticidade (ou a carga na deformação elástica máxima do material).

(4) Módulo de elasticidade: é a tensão do material dentro da faixa do limite elástico σ E deformação δ A razão entre a deformação unitária correspondente à tensão, expressa em E, em megapascais (MPa): E= σ/δ= TG α。 Na fórmula α O ângulo entre a linha oe na curva de teste de tração e o eixo horizontal ox.O módulo de elasticidade é um indicador que reflete a rigidez dos materiais metálicos (a capacidade dos materiais metálicos de resistir à deformação elástica quando submetidos à força é chamada de rigidez).

2. Plasticidade
A capacidade máxima dos materiais metálicos de sofrer deformação permanente sem danos sob forças externas é chamada de plasticidade, geralmente medida pelo alongamento do comprimento nominal da amostra durante o teste de tração δ (%) e taxa de redução da área da amostra ψ Taxa de alongamento (%) δ = [(L1-L0)/L0] x100%, que é a razão da diferença (aumento) entre o comprimento de referência L1 e o comprimento de referência original L0 da amostra após a superfície de fratura da amostra ser alinhada durante o teste de tração .Em testes reais, o alongamento medido por amostras de tração do mesmo material, mas com especificações diferentes (diâmetro, formato da seção transversal - como quadrado, circular, retangular e comprimento de referência) pode variar, portanto, geralmente são necessárias notas especiais.Por exemplo, o alongamento medido quando o comprimento de referência inicial da amostra de seção transversal circular mais comumente usada é 5 vezes o diâmetro da amostra é expresso como: δ 5, e o alongamento medido quando o comprimento de referência inicial é 10 vezes o diâmetro da amostra é expressa como δ 10. Redução da área ψ= [(F0-F1)/F0] x100%, que é a razão da diferença (redução na seção transversal) entre a área da seção transversal original F0 do amostra após a fratura e a área transversal mínima F1 no colo da fratura durante o teste de tração para F0.Na prática, os corpos de prova de seção circular mais utilizados geralmente podem ser calculados através da medição do diâmetro: ψ= [1- (D1/D0) 2] x 100%, onde: D0- diâmetro original da amostra;D1- O diâmetro mínimo no colo da fratura após a separação da amostra.δ Relacionado a ψ Quanto maior o valor, melhor será a plasticidade do material.

3. Resiliência
A capacidade dos materiais metálicos de resistir a danos sob cargas de impacto é chamada de tenacidade.Normalmente, é utilizado o teste de impacto, que caracteriza a tenacidade de um material pela energia de impacto consumida por unidade de área da seção transversal na superfície de fratura quando uma amostra de metal de determinado tamanho e formato é submetida a uma carga de impacto e fraturada em um determinado tamanho e formato. tipo de máquina de teste de impacto α K=Ak/F.Unidade J/cm2 ou Kg · m/cm2, 1Kg · m/cm2=9,8J/cm2.α K é chamada de resistência ao impacto dos materiais metálicos, Ak é a energia de impacto e F é a área da seção transversal original da fratura.

4. Desempenho de fadiga
A resistência final à fadiga dos materiais metálicos é geralmente menor do que a resistência final ao escoamento sob tensão repetida de longo prazo ou tensão alternada σ s) O fenômeno de fratura que ocorre sem deformação significativa é chamado de falha por fadiga ou fratura por fadiga, que é causado por vários motivos que causar danos localizados à superfície da peça σ S é ainda maior que σ A tensão de b (concentração de tensão) causa deformação plástica ou microfissuras na área local.À medida que o número de tensões alternadas repetidas aumenta, as fissuras gradualmente se expandem e se aprofundam (concentração de tensão na ponta da fissura), resultando em uma diminuição na área real da seção transversal da área de suporte de tensão na área local até que a tensão local seja maior do que σ B causa fratura.Em aplicações práticas, a tensão máxima que uma amostra pode suportar sem fratura dentro de um número especificado de ciclos (geralmente 106-107 vezes para aço e 108 vezes para metais não ferrosos) sob tensões repetidas ou alternadas (como tensão de tração, tensão de compressão , tensão de flexão ou torção, etc.) é geralmente considerado como o limite de resistência à fadiga que σ-1 representa em MPa.

Além dos indicadores de desempenho mecânico mais comumente usados ​​mencionados acima, para alguns materiais com requisitos particularmente rigorosos, como materiais metálicos usados ​​na indústria aeroespacial, indústria nuclear, usinas de energia, etc., também serão necessários os seguintes indicadores de desempenho mecânico.

Limite de fluência: o fenômeno no qual um material sofre deformação plástica lentamente ao longo do tempo a uma certa temperatura e carga de tração constante é chamado de fluência.O teste de fluência por tração em alta temperatura é geralmente usado, que se refere à tensão máxima na qual o alongamento por fluência (alongamento total ou alongamento residual) da amostra dentro de um tempo especificado sob temperatura constante e carga de tração constante, ou em um estágio onde o alongamento por fluência a taxa é relativamente constante e não excede um determinado valor especificado, como o limite de fluência, expresso em MPa, onde τ é a duração do experimento, t é a temperatura, δ para alongamento, σ para tensão;Alternativamente, V representa a taxa de fluência.
Limite de resistência à tração em alta temperatura: A tensão máxima na qual uma amostra atinge uma duração especificada sem fratura sob temperatura constante e carga de tração constante.

Coeficiente de sensibilidade do entalhe metálico: em K τ A razão de tensão entre uma amostra entalhada e uma amostra lisa sem entalhes para a mesma duração (teste de resistência à tração em alta temperatura).

Resistência ao calor: a resistência de um material a cargas mecânicas em altas temperaturas.

2. Propriedades químicas
A característica de um metal que causa reações químicas com outras substâncias é chamada de propriedades químicas.Em aplicações práticas, as principais considerações são a resistência à corrosão e a resistência à oxidação dos metais (também conhecida como resistência à oxidação, que se refere especificamente à resistência ou estabilidade dos metais à oxidação a altas temperaturas), bem como a influência dos compostos formados entre diferentes metais e entre metais e não metais nas propriedades mecânicas.As propriedades químicas dos metais, especialmente a sua resistência à corrosão, têm implicações significativas nos danos por fadiga e corrosão dos metais.

3. Propriedade física
As propriedades físicas dos metais consideram principalmente:
(1) Densidade (gravidade específica): ρ= P/V, em gramas por centímetro cúbico ou toneladas por metro cúbico, onde P é peso e V é volume.Em aplicações práticas, além de calcular o peso das peças metálicas com base na densidade, é importante considerar a resistência específica do metal (resistência σ B e densidade ρ Para auxiliar na seleção de materiais e impedância acústica (densidade) em ensaios não destrutivos relacionados teste acústico ρ O produto da velocidade do som C e o fato de que substâncias com diferentes densidades em testes radiográficos têm diferentes capacidades de absorção de energia de radiação, etc.

(2) Ponto de fusão: a temperatura na qual um metal se transforma de sólido em líquido, que tem um impacto direto na fusão e no trabalho a quente de materiais metálicos, e está intimamente relacionada ao desempenho em alta temperatura do material.

(3) Expansão térmica: o fenômeno em que o volume de um material também muda (expande ou contrai) com as mudanças de temperatura é chamado de expansão térmica, que muitas vezes é medida pelo coeficiente de expansão linear, ou seja, a razão entre o aumento ou diminuição no comprimento do material quando a temperatura muda em 1 ℃ para seu comprimento em 0 ℃.A expansão térmica está relacionada ao calor específico do material.Em aplicações práticas, o volume específico (o aumento ou diminuição do volume por unidade de peso de um material devido a influências externas como a temperatura, ou seja, a relação entre volume e massa) também deve ser considerado, especialmente para peças metálicas que trabalham em ambientes de alta temperatura. ou alternância de ambientes frios e quentes, o impacto do seu desempenho de expansão deve ser levado em consideração.

(4) Magnetismo: a propriedade que pode atrair objetos ferromagnéticos é chamada de magnetismo, que se reflete em parâmetros como permeabilidade, perda de histerese, força residual de indução magnética, força coercitiva, etc. materiais magnéticos macios e magnéticos duros.

(5) Desempenho elétrico: considerando principalmente sua condutividade, que tem impacto em sua resistividade e perda de correntes parasitas em ensaios eletromagnéticos não destrutivos.

4. Desempenho do processo
A adaptabilidade dos metais a vários métodos de processamento é chamada de desempenho do processo, que inclui principalmente os quatro aspectos a seguir:
(1) Desempenho de corte: reflete a dificuldade de usar ferramentas de corte (como torneamento, fresamento, aplainamento, retificação, etc.) para cortar materiais metálicos.

(2) Forjabilidade: reflete a dificuldade de formação de materiais metálicos durante o processamento sob pressão, como o nível de plasticidade do material quando aquecido a uma determinada temperatura (manifestada como a resistência à deformação plástica), a faixa de temperatura permitida para processamento sob pressão a quente, as características de expansão e contração térmica e os limites de deformação crítica relacionados à microestrutura e propriedades mecânicas, bem como a fluidez e condutividade térmica do metal durante a deformação a quente.

(3) Castabilidade: reflete a dificuldade de fusão e fundição de materiais metálicos em peças fundidas, manifestada em fluidez, absorção de gás, oxidação, ponto de fusão no estado fundido, uniformidade e densidade da microestrutura de fundição, bem como taxa de contração a frio.

(4) Soldabilidade: reflete a dificuldade dos materiais metálicos serem rapidamente aquecidos localmente, causando rápida fusão ou semi-fusão da área de ligação (exigindo pressão), unindo assim firmemente a área de ligação e formando um todo.Manifesta-se no ponto de fusão, absorção de gases durante a fusão, oxidação, condutividade térmica, características de expansão e contração térmica, plasticidade, correlação com a microestrutura da junta e dos materiais próximos e seu impacto nas propriedades mecânicas.