Физические свойства металлов. К физическим свойствам металлов относят плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства.

Цветом называют способность металла отражать падающие на него световые лучи; например, медь красноватого цвета, алюминий – серебри-сто-белого. Плотность характеризуется массой, заключенной в единице объема. Температура плавления – температура перехода из твердого состояния в жидкое. Температура плавления железа 1539°С, олова – 232°С, меди – 1083°С. Теплопроводность – способность металлов поглощать тепло и отдавать его при охлаждении. Лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Теплопроводность учитывается в теплотехнических расчетах. Тепловое расширение – способность металла расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении. Это свойство учитывают при строительстве мостовых ферм, железнодорожных путей, при изготовлении подшипников скольжения. Теплоемкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество теплоты. Электропроводность – способность металла проводить электрический ток. Для токонесущих проводов используют медь и алюминий с высокой электропроводностью, а в электронагревательных приборах и печах применяют сплавы с высокимэлектросопротивлением (нихром, константан, манганин).

Магнитными свойствами, т. е. способностью намагничиваться, обла-дают железо, никель, кобальт и их сплавы; их называют ферромагнитными. Они имеют огромное промышленное значение: используются в электродвигателях, генераторах, трансформаторах, телефонной, теле-графной технике и т. д. Иногда необходимы немагнитные материалы. Их получают, изменяя состав и внутреннее строение сплавов.

Химические свойства металлов. Химические свойства – это спо-собность металлов и сплавов противостоять окислению и разрушению под действием внешней среды: влаги, воздуха, кислот и т. д. Химическое раз-рушение под действием указанных факторов называют коррозией метал-лов. Коррозия приносит огромный вред.

Механические свойства определяют способность металлов сопро-тивляться воздействию внешних сил. Они зависят от химического состава металлов, их структуры, способа технологической обработки и других факторов. Зная механические свойства, можно судить о поведении металла при обработке и в процессе работы конкретных механизмов. По характеру действия на металл различают три вида нагрузок: статические – действующие постоянно или медленно возрастающие: динамические – действующие мгновенно, принимающие характер удара: циклические или знакопеременные, изменяющиеся или по величине, или по направлению, или одновременно и по величине, и по направлению.

К основным механическим свойствам металлов относят прочность, твердость, упругость, пластичность, ударную вязкость. Прочность – спо-собность металла сопротивляться разрушению или появлению остаточных деформаций под действием внешних сил. Большое значение имеет удельная прочность, ее находят отношением предела прочности к плотности металла. Для стали прочность выше, чем для алюминия, а удельная прочность ниже. Твердость – это способность металла сопротивляться поверхностной деформации под действием более твердого тела. Упругость – способность металла возвращаться к первоначальной форме после прекращения действия сил. Пластичность – свойство металла изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом. Ударная вязкость – способность металла сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Кроме указанных механических свойств можно назвать усталость (выносливость), ползучесть и др.

Характеристики прочности и пластичности металлов обычно определяют при испытаниях на статическое растяжение. При этом ис-пытуемый образец закрепляют в захватах разрывной машины и дефор-мируют при плавно возрастающей (статической) нагрузке.

Рис 1.8. стандартный образец для испытания на растяжение

Чтобы исключить влияние размеров образца, испытание проводят на стандартных образцах с определенным соотношением между расчетной длиной loи площадью поперечного сечения Fo. Наиболее широко приме-няются образцы круглого сечения (рис. 1.8).

По результатам испытаний строят диаграммы растяжения образца в координатах «нагрузка – деформация» (рис. 1.9) или «напряжение – де-формация».

Рис.1.9. Диаграмма растяжения образца из низкоуглеродистой стали

На диаграмме по кривой растяжения определяют следующие ха-рактеристики механических свойств металла:

Предел упругости σу– максимальное напряжение, до которого образец испытывает только упругую деформацию.

σу= Ру/ Fo, МПа.

Если напряжения меньше σу, металл работает в области упругой деформации. У большинства металлов пределы пропорциональности и упругости близки по величине, поэтому в основном указывают предел упругости: σу≈ σ0,02

Предел текучести σт– это напряжение при котором происходит увеличение деформации при постоянной нагрузке.

σт= Рт/ Fo, МПа.

Условный предел текучести σ0,2 – это напряжение, при котором ос-таточная деформация равна 0,2% от начальной длины.

Предел прочности (временное сопротивление разрыву) σв– это на-пряжение максимальной нагрузки, которую выдерживает образец до разрушения:

σв= Рв/ Fo, МПа.

Дальнейшее увеличение нагрузки приводит к разрушению образца.

Кроме характеристик прочности, определяют также характеристики пластичности. Основными характеристиками пластичности металлов являются относительное удлинение и относительное сужение.

Относительное удлинение(δ) измеряется в процентах и определяется по формуле:

где loи lк– начальная и конечная длины образца до и после разрыва.

Относительное сужение (Ψ) также измеряется в процентах и оп-ределяется по формуле:

где Foи Fк– начальная и конечная площади поперечного сечения образца до и после испытания (разрушения).

Испытание на твёрдость – один из основных методов оценки качества изделия. Наибольшее распространение на практике получили методы измерения твёрдости по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу и метод измерения микротвёрдости.

Твёрдость по Бринеллю (НВ) определяют вдавливанием в поверх-ность металла стального закаленного шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм (рис.1.10). Прикладываемая нагрузка задается в зависимости от вида испытуемого материала и размера образца. Число твёрдости НВ определяют отношением нагрузки (Р) к площади сферической поверхности отпечатка (F):

Если вычислить поверхность отпечатка, имеющего форму шарового сегмента, то НВ определится формулой

где Р – приложенная нагрузка, кгс; D – диаметр шарика, мм; d – диаметр отпечатка, мм.

Обычно расчёты не производят, а пользуются готовыми стандартными таблицами, с помощью которых по диаметру полученного отпечатка (лунки) определяют число твёрдости НВ.

Твёрдость по Роквеллуопределяют вдавливанием в поверхность алмазного конуса с углом при вершине 120° или стального закалённого шарика (D = 1,6 мм). Конус применяют для металлов с твёрдостью больше 230 НВ, а шарик – для металлов с твердостью меньше этой величины. Твёрдость определяется по глубине впадины (рис. 1.11).

Твёрдость по Роквеллу в зависимости от твёрдости испытуемых материалов обозначают HRA, HRB, HRC.

Шкала С служит для испытания твердых материалов, имеющих твердость по Бринеллю от 230 до 700 кгс/мм2, например закаленной стали. Алмазный конус вдавливается под нагрузкой 150 кгс. Интервал измерения твердости по шкале С – от 22 до 68 единиц, твердость обозначается HRС.

Шкала А используется при испытании очень твердых материалов, например твердых сплавов или тонких поверхностных слоев (0,5…1,0 мм). Применяют тот же алмазный конус, но вдавливают под нагрузкой в 60 кгс. Значение твердости определяют по шкале С, но обозначают НRА. Интервал измерения твердости по этой шкале от 70 до 85 единиц.

Шкала В предназначена для испытания мягких материалов, имеющих твердость по Бринеллю от 60 до 230 кгс/мм2, например бронзы. Стальной шарик диаметром 1,59 мм вдавливается под нагрузкой в 100 кгс. Твердость измеряется в пределах от 25 до 100 единиц шкалы В и обозначается HRB.

Преимуществами способа измерения твёрдости по Роквеллу являются быстрота измерений, возможность измерять твёрдость закаленных сталей и других очень твердых материалов, а также тонких изделий, покрытий и слоёв толщиной до 0,4 – 0,7 мм.

Твёрдость по Виккерсуопределяют вдавливанием в поверхность алмазной четырехгранной пирамиды с углом между противоположными гранями α = 136°. Нагрузка от 5 до 100 кг. Измеряются обе диагонали отпечатка алмазной пирамиды. Используются таблицы для определения числа твёрдости по среднеарифметической длине диагоналей.

Преимущества метода Виккерса: можно измерять твёрдость как мягких, так и особо твёрдых металлов и сплавов; можно измерять твёрдость поверхностных слоёв после закалки, наклёпа, цементации, азотирования, а также твёрдость покрытий; высокая точность метода.

Метод измерения микротвёрдости предназначен для определения твёрдости структурных составляющих и фаз в металлах, а также очень тонких поверхностных слоёв и покрытий толщиной в сотые доли мил-лиметра. Метод измерения микротвёрдости аналогичен методу Виккерса. Различие в том, что четырехгранная пирамида в первом методе имеет меньшие размеры, и используются меньшие нагрузки: от 5 до 500 г. Прибор для измерения микротвёрдости имеет обозначение ПМТ – 3.

К современным методам оценки сопротивления материала вдавли-ванию относится наноиндентирование, когда с помощью трехгранной или четырехгранной алмазной пирамиды, внедряемой в испытуемый образец с нагрузкой от 0,01 Н до 0,3 Н, строится диаграмма нагружения и снятия нагрузки, позволяющая оценить характеристики мельчайших структурных составляющих – наноразмерных объектов (рис. 1.12).

Рис. 1.12. Отпечатки нанотвердости на поперечном шлифе стали 60 (× 1000) (а) и диаграмма нагружения при наноиндентировании (б)

Оценку ударной вязкости металлов проводят на маятниковых копрах. Для ударных испытаний используют надрезанные образцы. Вязкость оценивают по величине нагрузки, а также по виду излома образцов: кристаллическому – для хрупких материалов и волокнистому – для пластичных. Ударную вязкость обозначают KCV, KCU и KCT, где KC – символ ударной вязкости, третий символ показывает вид надреза: острый (V), с радиусом закругления (U), трещина (Т).

Для проведения испытания образец устанавливают на маятниковом копре (рис. 1.12) надрезом в сторону, противоположную удару маятника, который поднимают на определенную высоту. На разрушение образца затрачивается работа:

A = P·(H – h),

где P – вес маятника, H и h – вы-соты подъема маятника до и по-сле удара.

Значение ударной вязкости определяется по формуле:

где А – работы разрушения, F0 – площади поперечного сечения в месте надреза.

Рис. 1.12. Схема испытания на ударную вязкость

Известно, что большая часть поломок деталей машин вызвана усталостью материала. Как правило, усталостное разрушение происходит как бы внезапно, без заметных признаков пластической деформации. Усталостное разрушение развивается в деталях, работающих при напряжениях меньше предела текучести металла (σТ). Образование усталостной трещины связано со строением металла – наличием различно ориентированных зёрен, неметаллических включений, пор, дислокаций и других дефектов кристаллической решетки. Свойство металла сопротивляться усталости называется выносливостью.

В таблице 1.1. приводятся данные механических свойств некоторых металлов.

Таблица 1.1.

Механические свойства металлов

Технологические свойства характеризуют способность металлов и сплавов подвергаться обработке различными способами (литьем, давлением, сваркой, резанием). К технологическим свойствам относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Технологические свойства определяются при технологических испы-таниях (пробах), которые дают качественную оценку пригодности металлов и сплавов к различным способам обработки.

Готовые изделия и заготовки для дальнейшей обработки производятся путем литья или обработки давлением.

Сплавы, предназначенные для получения деталей литьем, называются литейными. Литейные свойства металлов и сплавов характеризуют их способность образовывать отливки без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются жидкотекучесть, усадка, трещиностойкость, газонасыщение.

Сплавы, предназначенные для получения деталей обработкой дав-лением, называют деформируемыми. Такие сплавы должны обладать деформируемостью (ковкостью) – способностью металла обрабатываться давлением при ковке, штамповке, прокатке, т. е. принимать нужную форму под действием удара или давления в нагретом или холодном состоянии без признаков разрушения.

Для получения неразъемных соединений материалов используется технологический процесс сварки. Свариваемые материалы обладают спо-собностью образовывать прочное сварное соединение – свариваемостью. Хорошей свариваемостью обладает низкоуглеродистая сталь, труднее сварить чугун и цветные металлы.

Обрабатываемостью резанием называют способность металла под-даваться обработке резанием. Металлы и сплавы, имеющие высокую твердость, плохо поддаются обработке резанием. Также плохо обрабаты-ваются резанием вязкие металлы с низкой твердостью.

Эксплуатационные свойства. К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, коррозионная стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического мате-риала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой темпера-туре. Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре. Износостойкость – это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении. Коррозионная стойкость характеризует способность металлов сопротивляться коррозии в различных средах.

МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ