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: = m
v , кг/м3. Наиболь-
шей плотностью обладает осьмий ( = 22600 кг/м3), а наименьшей –
литий ( = 530 кг/м3).
Теплопроводностью называют способность металла передавать
тепловой поток, теплопроводность характеризуется коэффициентом
теплопроводности , 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 (сигма): = 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 (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 () и сужением (), определяемы-
ми при растяжении стандартных образцов:
= [(l1 – l0)/l0] · 100%, где l0 – длина образца до начала, l1 – поле
разрыва.
= [(S0 – S1)/S0] · 100%, где S0 – площадь образца до испытания,
S1 – 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.