Физические и химические свойства

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

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

Цветом называют способность металлов от­ражать световое излучение с определенной дли­ной волны. Например, медь имеет розово-крас­ный цвет, алюминий — серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот­ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м³) и тяжелые. Плотность имеет боль­шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре­мятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) V легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера­тура плавления имеет большое значение при вы­боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче­ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду­сах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, спо­собность металлов передавать тепло от более на­гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб­ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность при­мерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де­талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу­ются трещины. Некоторые детали машин (порш­ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из­готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).

Тепловым расширением называют спо­собность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж­дении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α = (l_>2> –l _>1>) [l _>1 >(t _>2 >– t _>1>)], где l _>1> и l _>2> длины тела при температурах t _>1> и t _>2>. Коэффициент объемного расширения равен 3 α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горя­чей объемной штамповке, изготовлении литей­ных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук­ладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность ме­талла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размер­ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемко­сти — количеству тепла, выраженному в боль­ших калориях, которое требуется для повыше­ния температуры 1 кг металла на 1°С (в едини­цах СИ — Дж/(кг.К).

Способность металлов проводить электриче­ский ток оценивают двумя взаимно противопо­ложными характеристиками — электропро­водностью и электросопротивлени­ем. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электро­проводность — в См/м, аналогично электросо­противление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая элек­тропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго­товлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротив­лением (нихром, константан, манганин). С по­вышением температуры металла его электропро­водность уменьшается, а с понижением — увели­чивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или маг­нитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная по­стоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, ни­кель, кобальт и их сплавы, называемые ферро­магнитными. Материалы с магнитными свойства­ми применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов со­противляться окислению или вступать в соеди­нение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами/тем быстрее он разрушается. Хими­ческое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды на­зывают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалино-стойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зо­не высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по из­менению массы испытуемых образцов на едини­цу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздейст­вию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механиче­ских испытаний, при которых металлы подверга­ют воздействию внешних сил (нагрузок). Внеш­ние силы могут быть статическими, динамически­ми или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение — величина нагрузки, отне­сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация—изме­нение формы и размеров твердого тела под вли­янием приложенных внешних сил. Различают де­формации растяжения (сжатия), изгиба, круче­ния, среза (рис. 8). В действительности матери­ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или

Рис. 8. Виды деформаций:

а — сжатие, б — растяжение, в — кручение, г — срез, д - изгиб

плоской формы испытывают на статическое рас­тяжение (ГОСТ 1497—73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе­ния деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность — способность материала со­противляться разрушению под действием нагру­зок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате­риала является также удельная прочность — от­ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σв (временное со­противление) —это условное напряжение в Па (Н/м²). соответствующее наибольшей нагруз­ке, предшествующей разрушению образца: σв = Pmax/Fo, где Рmах — наибольшая нагрузка, Н; Fo—начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м². Истинное сопротивле­ние разрыву S k — это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об­разца после разрыва Fк (Sк = Рк/ Fк).

Предел текучести (физический) σ т — это наи­меньшее напряжение (в МПа), при котором об­разец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σт = Рт/ Fо, где Рт — нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести. Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие спла­вы площадки текучести не имеют. Для таких ма­териалов определяют предел текучести (услов­ный), при котором остаточное удлинение достига­ет 0,2% от расчетной длины образца: σо = P _>0>,_>2>/Fo.

Упругость — способность материала вос­станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оце­нивают пределом пропорциональности σпц и пре­делом упругости σун.

Предел пропорциональности σпц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря­жением и деформацией образца σ пц = Рпц / Ро.

Предел упругости (условный) σ _>0,05> — это условное напряжение в МПа. соответствую­щее нагрузке, при которой остаточная деформа­ция впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: σ _>0,05 >= P _>0,05 >/ F _>0,> где P _>0,05> -— нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность, т.е. способность материала -принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характери­зуется относительным удлинением и относитель­ным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) δ — это отношение приращения (l _>k>— lo) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах: δ = ((1к -1о)/1о] 100%.

Относительное сужение (после разрыва) Ψ — это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo - Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ψ = [( F _>0 >– F _>k>) / Fо] 100%.

Чем больше значения относительного удлине­ния и сужения для материала, тем он более пла­стичен. У хрупких материалов эти значения близ­ки к нулю. Хрупкость конструкционного матери­ала является отрицательным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность ма­териала сопротивляться динамическим нагруз­кам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м²) в месте надре­за KC=W/F.

Для испытания (ГОСТ 9454—78) изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испы­тывают образец на маятниковых копрах. Свобод­но падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

Определение ударной вязкости особенно важ­но для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склон­ность к хладноломкости. Чем ниже порог хлад­ноломкости, т. е. температура, при которой вяз­кое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость-снижение ударной вязкости при низких темпе­ратурах.

Циклическая вязкость — это способ­ность материалов поглощать энергию при пов­торно-переменных нагрузках. Материалы с высо­кой циклической вязкостью быстро гасят вибра­ции, которые часто являются причиной прежде­временного разрушения. Например, чугун, имею­щий высокую циклическую вязкость, в некото­рых случаях (для станин и других корпусных де­талей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердостью называют способность мате­риала сопротивляться проникновению в него дру­гого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструмен­ты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).

Способ Бринелля (ГОСТ 9012—59) осно­ван на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринеллн (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твер­дости и толщины испытываемого металла. Твер­дость по Бринеллю определяют на твердомере ГШ (твердомер шариковый). Испытание прово­дят следующим образом. На поверхности образ­ца, твердость которого нужно измерить, напиль­ником или абразивным кругом зачищают пло­щадку размером 3—5 см². Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкоснове­ния со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавлива­ет шарик в испытываемый образец. На поверхно­сти металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диа­метром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10,а).

Числовое значение твердости определяют так:

измеряют диаметр отпечатка с помощью оптиче­ской лупы (с делениями) и по полученному зна­чению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых ре­зультатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, на­пример закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла (ГОСТ 9013—59). В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный ша­рик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве­личина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испыта­ние проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчиты­вают по циферблату индикатора, установленно­му на приборе. Во всех случаях предваритель­ная нагрузка Ро равна 100 H.

При испытании металлов с высокой твердо­стью применяют, алмазный конус и общую на­грузку P = Po + P _>1>= 1500 H. Твердость отсчитыва­ют по шкале «С» и обозначают HRC.

Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 H, то твердость отсчиты­вается по шкале «В» и обозначается HRB.

При испытании очень твердых или тонких из­делий используют алмазный конус и общую на­грузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 -— твердость 50 по шкале «С».

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999—75) в качестве вдавливае­мого в материал наконечника используют четы­рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют на­грузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на­грузки для определения твердости тонких изде­лий и твердых, упрочненных поверхностных сло­ев металла). Числовое значение твердости опре­деляют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. При­мер обозначения твердости по Виккерсу — HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объ­емах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмаз­ную четырехгранную пирамиду (с углом при вер­шине 136^о, таким же как и у пирамиды при испы­тании по Виккерсу). Нагрузка на индентор не­велика и составляет 0,05—5 Н. а размер отпечат­ка 5—30 мкм. Испытание проводят на оптиче­ском микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз­мом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепен­ного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разруше­нию. Усталость металла обусловлена концентра­цией напряжений в отдельных его объемах, в ко­торых имеются неметаллические включения, га­зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный из­лом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть / излома с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения по­верхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая

Рис. 11. .Устатолостный излом

часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен­ного изгибания вращающегося образца, закреп­ленного одним или обоими концами, а также ма­шины для испытаний на растяжение — сжатие и на повторно-переменное кручение. В результа­те испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

§ 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА

Технологические свойства. Эти свойства ха­рактеризуют способность металлов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Тех­нологические свойства определяют при техноло­гических пробах, которые дают качественную оценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец, подвергнутый технологической пробе (рис. 12), осматривают. Признаком того, что образец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоения или излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.

Обрабатываемость резанием — одна из важнейших технологических свойств, потому что подавляющее большинство заготовок, а так же деталей сварных узлов и конструкций подвергается механической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Очень вязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхность получается шероховатой, с задира­ми. Улучшить обрабатываемость, например, ста­ли можно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.

Свариваемость — способность металлов образовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб или растяжение.

Ковкость — способность металла обрабатываться давлением в холодном или горячем состо­янии без признаков разрушения. Ее определяют кузнечной пробой на осадку до заданной степени деформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если на боковой поверхности образца трещина не образуется, то и такой образец считается выдержавшим пробу; а испытуемый металл — пригодным для обработки давлением.

Литейные свойства металлов характеризуют способность их образовывать отливки ,без трещин, раковин и других дефектов. Основными литейными свойствами являются, жидкотекучесть, усадка и ликвация.

Жидкотекучесть — способность расплав-

Рис. 12. Технологические пробы:

а изгиб на определенный угол, б изгиб до параллельности сторон, в — изгиб до соприкосновения сторон, г — на навивание, д — на сплю­щивание труб, е - на осадку

ленного металла хорошо заполнять полость ли­тейной формы.

Усадка при кристаллизации — это умень­шение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является, причиной образо­вания усадочных раковин и усадочной пористо­сти (см. рис. 6) в слитках и отливках.

Ликвация — неоднородность химического состава сплавов, возникающая при их кристалли­зации, обусловлена тем. что сплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при од­ной температуре, а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава, тем сильнее развивается ликвация, при­чем наибольшую склонность к ней проявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширину температурного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кис­лород, фосфор, углерод).

Эксплуатационные свойства. Эти свойства оп­ределяют в зависимости от условий работы ма­шины специальными испытаниями. Одним из важнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.

Износостойкость — свойство материала оказывать сопротивление износу, т. е. постепен­ному изменению размеров и формы тела вслед­ствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытание металлов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — в условиях реальной эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условия трения, близкие к реальным. Величину износа об­разцов или деталей определяют различными спо­собами: измерением размеров, взвешиванием об­разцов и другими методами.

К эксплуатационным свойствам следует также отнести хладостойкость, жаропрочность, анти-фрикционность и др. Указанные технологические свойства будут рассмотрены в последующих главах