Основные свойства металлов и сплавов

К основным свойствам металлов и сплавов относятся физичес-

кие, механические, химические, технологические.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:

– плотность;

– теплопроводность;

– электропроводность;

– теплоемкость;

– тепловое расширение;

– температура плавления.

Знакомясь с физическими свойствами металлов, необходимо рас-

крыть сущность этого названия. Обратить внимание на то, что физи-

ческие свойства металлов характеризуются вполне определенными

числовыми значениями – «физическими постоянными». Например,

алюминий: плотность – 2,7 г/см3, температура плавления 660 С, ко-

эффициент линейного расширения – 23,9 · 10–6 и т.д.

Указать на значение плотности при выборе металла для опреде-

ленных изделий и машин (для самолетов и ракет, подводных лодок,

сельскохозяйственных машин).

Температура плавления металлов имеет значение при изготовле-

нии изделий литьем, паянием, сваркой, при нанесении металличес-

ких покрытий, обращается внимание на тугоплавкие и легкоплавкие

металлы.

В объяснении неодинаковой способности металлов проводить

тепло подчеркнуть исключительно важное значение высокой теп-

лопроводности для режущих инструментов и трущихся деталей ма-

шин. При сравнении теплопроводности отдельных металлов нужно

пользоваться как установленными размерностями, так и условными

единицами (например, серебро – 1, медь – 0,9, алюминий – 0,5, желе-

зо – 0,15).

Велико значение электропроводности металлов для передачи

электроэнергии на большие расстояния, для распределения электро-

энергии, работы электрического транспорта. Наименьшим сопротив-

лением электрическому току из промышленных металлов обладают

медь и алюминий. Эти же металлы являются лучшими проводника-

ми тепла.

Магнитные свойства позволяют использовать металлы для неко-

торых специальных работ, например, в металлургии для сортировки

железных руд, стальных и чугунных заготовок, в динамомашинах и

трансформаторах.

Плотность представляет собой величину, равную отноше-

нию массы металла к занимаемому им объему: ρ = m

v, кг/м3. Наиболь-

шей плотностью обладает осьмий (ρ = 22600 кг/м3), а наименьшей –

литий (ρ = 530 кг/м3).

Теплопроводностью называют способность металла передавать

тепловой поток, теплопроводность характеризуется коэффициентом

теплопроводности β, вт/(м · град). Это свойство учитывается при изго-

товлении нагревательных приборов, двигателей, теплообменных ап-

паратов.

Электропроводность характеризует способность металла прово-

дить электрический ток.

Теплоемкость – свойство металлов поглощать при нагревании

определенное количество теплоты. Показатель теплоемкости – удель-

ная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое

необходимо для нагревания 1 кг металла на 1 градус. Это свойство

учитывается при расчете процессов нагрева и охлаждения, напри-

мер, при конструировании паровых котлов.

Тепловое расширение – это приращение объема металла при на-

греве, характеризуется коэффициентами линейного и объемного рас-

ширения. Тепловое расширение необходимо учитывать при проклад-

ке рельсов, трубопроводов (делаются специальные компенсаторы).

Температурой плавления называют температуру, при которой

металл переходит из твердого состояния в жидкое. Температура плав-

ления ртути – 39 С, вольфрама – 3410 С.

Механическими свойствами металлов и сплавов называют их

способность сопротивляться деформациям (изменению формы и разме-

ров) под действием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся:

– прочность;

– пластичность;

– твердость;

– вязкость (ударная);

– усталость;

– ползучесть.

Механические свойства оцениваются численным значением на-

пряжения. Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в об-

разце под влиянием внешних сил и нагрузок. Напряжения, действу-

ющие вдоль оси образца, называют нормальными и обозначают бук-

вой σ (сигма): σ = p

s.

Нормальные напряжения в зависимости от направления действу-

ющих нагрузок бывают растягивающими и сжимающими, а напря-

жения, действующие перпендикулярно оси образца, называют каса-

тельными и обозначают τ (тау), т.е. происходит деформация среза.

Прочность – способность металлов воспринимать, не разруша-

ясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряже-

ния и деформации.

В зависимости от характера действия внешних сил различают

прочность на:

– растяжение (разрыв);

– сжатие;

– кручение;

– ползучесть;

– усталость.

Пластичность – способность сплавов под действием внешних

сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры. Она характери-

зуется относительным удлинением (δ) и сужением (ψ), определяемы-

ми при растяжении стандартных образцов:

δ = [(l 1 – l 0)/ l 0] · 100%, где l 0 – длина образца до начала, l 1 – поле

разрыва.

ψ = [(S 0 – S 1)/ S 0] · 100%, где S 0 – площадь образца до испытания,

S 1 – после испытания.

Твердость – способность металлов и сплавов сопротивляться

внедрению в него более твердого тела. По величине твердости метал-

лов или сплавов можно судить и о его пределе прочности. На практи-

ке твердость определяют на приборах Бриннеля, Роквелла и Виккер-

са (HB, HR, HV). Различают макро- и микротвердость. Измеренная

макротвердость характеризует твердость всего металла или сплава, а

микротвердость – отдельных зерен, структурных составляющих или

очень мелких деталей (часов, приборов). Для этих целей используется

прибор ПМТ–3.

Вязкость (ударная) – это свойство сплава, по которому оценива-

ют его сопротивление хрупкому разрушению. Испытания производят

с помощью маятникового копра на специальных образцах. Ударная

вязкость определяется работой, затраченной на разрушение образца.

Усталость представляет собой свойство металлов изменять ме-

ханические и физические характеристики под действием циклически

изменяющихся нагружений во времени деформации и напряжений,

а свойство противостоять усталости называется выносливостью.

Циклы нагружений при испытании могут доходить до 100 мил-

лионов. Если сплав выдержал это число циклов без разрушения, то

деталь будет работать надежно. Это важно для таких деталей, как ва-

лы, шатуны, кольца, шестерни.

Ползучесть – способность сплавов к медленной и непрерывной

пластической деформации при действии постоянной нагрузки или

напряжения. Любой металлический сплав при эксплуатации под

действием постоянной нагрузки может деформироваться с течением

времени. Особое внимание уделяется этому свойству для деталей, ра-

ботающих при высоких температурах.

Химические свойства металлов и сплавов характеризуются

способностью металлов и сплавов взаимодействовать с внешней сре-

дой и окисляться. С повышением температуры все химические взаи-

модействия протекают более активно. К таким химическим взаимо-

действиям можно отнести коррозионную стойкость, жаропрочность,

жаростойкость.

Технологические свойства характеризуются способностью ме-

таллов и сплавов подвергаться различным видам технологической

обработки, таким как давление, резание, литье, сварка. Технологи-

ческие свойства определяются с помощью специальных проб. Они

определяют возможность производить те или иные технологические

операции с данным металлом или применять его в тех или иных ус-

ловиях. Качество металла по технологическим пробам определяется

по внешнему виду после испытания (отсутствие трещин, расслоения

и излома).

Наиболее распространенными являются пробы на выдавлива-

ние, перегиб, завивание, на осадку, пробы труб на сплющивание, за-

гиб, бортование.

При испытании на свариваемость два бруска испытуемого метал-

ла сваривают и испытывают на растяжение, после чего сравнивают

результаты, с теми, которые соответствуют цельному (несваренному)

образцу из этого же металла. При хорошей свариваемости сопротив-

ление разрыву сварного шва должно составлять не менее 80% от пре-

дела прочности цельного бруска.

Из всего многообразия свойств металлов студент должен полу-

чить лишь общие понятия о методах определения механических и

технологических свойств, которые будут необходимы для успешного

освоения последующих разделов курса.

Наиболее распространенными испытаниями являются статичес-

кое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.

Статическими называются такие испытания, при которых испы-

туемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы,

возрастающей весьма медленно.

Динамическими называют такие испытания, при которых испы-

туемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастаю-

щей весьма быстро.

В практике производят испытания на усталость, ползучесть и

износ, которые дают наиболее полное представление о свойствах ме-

таллов.

Для испытаний на растяжение применяют цилиндрические или

плоские образцы, форма и размер которых установлены ГОСТом.