Основные свойства металлов и способы их определения
Из вышеизложенного становится понятным, что такое металл. К ним относится железо и алюминий, медь и свинец, титан и вольфрам, и еще множество элементов. Какой из них лучше, что следует применять в тех или иных условиях эксплуатации? Каждый материал обладает только ему присущим качеством, независимо от того, оцениваем ли мы его или нет. С другой стороны, качество можно охарактеризовать множеством свойств, которые нам кажутся наиболее важными в той или иной ситуации. По внешнему виду, например, алюминий выглядит светло-серебристым, а медь - красной. Магний, алюминий и титан по первому ощущению кажутся легкими, свинец и вольфрам тяжелыми. При нагревании свинец из кристаллического (твердого) состояния превращается в жидкость уже при 324 ˚С, тогда как вольфрам остается твердым до температур в 10 раз более высоких (температура плавления вольфрама 3400 ˚С).
Поэтому то или иное отдельно взятое свойство еще не может охарактеризовать качество материала. Поэтому, для более или менее полной характеристики качества определяют несколько свойств, наиболее важных для конкретных условий их применения. Все основные свойства материалов условно можно подразделить на следующие группы: химические, физические и механические.
К химическим характеристикам материалов относят:
химический состав, в том числе наличие примесей, легирующих элементов; способность к химическому взаимодействию с кислотами и щелочами; коррозионная стойкость, определяемая в различных условиях химически активной воздействующей на материал среды, и некоторые другие свойства.
К физическим свойствам относят:
плотность (удельный вес) и способность материала изменять ее и размеры изделия при температурном воздействии (тепловое расширение); электропроводность и электросопротивление; комплекс магнитных характеристик, таких, например, как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость и др.; комплекс теплофизических свойств, таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоизлучения, степень черноты поверхности и др.
К механическим свойствам относят:
твердость, определяемая различными методами, в том числе по Бринеллю, Роквеллу, микротвердость вдавливанием, царапанием и др.; комплекс механических свойств, определяемых при растяжении (сжатии, кручении, изгибе) образцов, включающий (при растяжении) значения временного сопротивления разрыву (или предела прочности), предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести, характеристик относительного удлинения и относительного сужения; предел выносливости, как характеристика, определяемая при многократных знакопеременных нагрузках при растяжении-сжатии, кручении и изгибе; ударная вязкость, определяемая при динамическом нагружении изгибом; жаропрочность; износостойкость и др.
Химические свойства
Химический состав материалов определяет их строение, в том числе их фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни и бронзы и т.д.
При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов, но уже здесь можно назвать стали углеродистые и легированные, например, хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые и др. Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, в связи с чем количество примесей резко ограничивается. В связи с этим, например, различают стали обычного качества, стали качественные и стали повышенного качества. Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми с различной степенью чистоты.
Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями Государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов. В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.
Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые можно всегда определить их химический состав. Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что соответствует содержанию примесей не более (соответственно) 0,05%; 0,3%; 0,2%; 0,1%; 0,01%; 0,001%.
Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют содержанию углерода в сталях 0,1%, 0,15%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,45% и т.д. Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 - просто номер. Такие же примеры из области алюминиевых сплавов АЛ5; АЛ4; АЛ9. Здесь цифры - номер сплава по ГОСТ. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.
Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами - аналитической химии, а также методами физико-химического: спектрального, рентгеноспектраотного, спектрально-флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др. Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных. Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическими методами - так называемым методом "меченых атомов", с применением радиоактивных изотопов.
Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами - это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.
Коррозионная стойкость материала - его эксплуатационное свойство. Она характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды и др.
Высокая коррозионная стойкость обеспечивается определенным химическим составом сплава, его структурой, что, в свою очередь определяется способом и режимами термической обработки. Поэтому коррозионная стойкость является одним из важнейших химических свойств материалов, потому что ее повышение часто становится главной задачей при создании новых сплавов, материалов и покрытий.
Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.
Физические свойства
Плотность характеризует массу вещества в единице объема. Она, с одной стороны, зависит от строения и массы атома, а с другой - упаковкой атомов в кристаллической решетке вещества, а кроме того может изменяться при наличии в металле дефектов ( микро- и макродефектов). Следовательно, это свойство может быть использовано для определения количества входящих в состав материала компонентов, если известны эти элементы. Кроме того, при известном и постоянном химическом составе материала определение плотности может дать информацию о количестве дефектов в реальном изделии (макро- микропор, точечных дефектов - вакансий).
Теоретическую плотность материала определяют расчетным путем по количеству входящих в него компонентов и их атомному весу. Реальная плотность материала определяется экспериментально и может быть рассчитана после прямого взвешивания образца и точного измерения его размеров. Основным наиболее точным методом определения плотности является метод годростатического взвешивания согласно закону Архимеда, согласно которому "на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости вытесненной телом". Метод реализуется двукратным взвешиванием: на воздухе и жидкости (воде, спирте) с точной известной плотностью при контролируемой температуре с последующим расчетом.
Изменение объема и линейных размеров тела с ростом температуры вызывает изменение плотности и учитывается через характеристику коэффициента линейного и объемного теплового расширения. Этот коэффициент становится самостоятельной характеристикой физических свойств материалов.
Электропроводность и электросопротивление - это структурночувствительные свойства материалов. Они зависят не только от типа металла - основы сплава, но и от соотношения компонентов в материале, от размеров частиц рассматриваемого материала, от концентрации компонентов в фазах. Измерения электропроводности и электросопротивления дают информацию о структуре сплавов, о развивающихся при технологических переделах процессах перестройки кристаллической решетки, об изменении количества (соотношения) фаз в сплавах при нагревах и охлаждениях.
Кроме того, электросопротивление и электропроводность для электротехнических материалов являются важнейшими эксплуатационными свойствами, и, следовательно, могут использоваться в качестве контрольных характеристик, оценивающих качество изделий после их получения согласно тем или иным технологическим процессам получения изделий.
Заданные магнитные свойства материалов могут являться конечной целью определения магнитных характеристик для деталей типа постоянных магнитов, трансформаторной и динамной стали. Основные магнитные свойства определяются в результате анализа так называемой "петли магнитного гистерезиса".
Основными характеристиками магнитных свойств является намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, магнитная восприимчивость и др.
Кроме того, магнитные свойства часто коррелируют с изменением механических характеристик обрабатываемых материалов, в связи с чем их используют для создания неразрушающих методов контроля качества стальных изделий и других ферромагнитных материалов.
Теплофизические свойства
Основными теплофизическими свойствами конструкционных материалов, как уже указывалось, являются теплоемкость и теплопроводность веществ. Эти характеристики важны для анализа процессов нагрева и охлаждения в различных условиях получения изделий и в процессах эксплуатации. Их значения определяются прямыми температурными измерениями в условиях выполнения экспериментов с использованием специальных теплообменных устройств и расчетов на основе классических законов термодинамики. Известные результаты измерений теплоемкости и теплопроводности различных материалов концентрируются в специальных справочных изданиях, которые рекомендуется использовать для любых расчетов, включая процессы теплообмена как внутри рассматриваемого изделия, так и при взаимодействии его поверхности с окружающей технологической средой.
Механические свойства
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.
Простейшим механическим свойством является твердость.
Твердость - это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела под действием внешних сил. Простейший пример: глина, размоченная в воде, и глина, высохшая на солнце. При надавливании на поверхность глины, размоченной в воде остается ямка (отпечаток). Чем мягче глина, тем больше отпечаток. В высохшую глину вдавить палец невозможно. Размер отпечатка равен нулю. Эта глина "твердая".
Для испытания твердости металлических материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик, в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.
Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания в металл алмазной пирамиды с углом при вершине 136 ˚ под действием постоянной нагрузки: 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой 10-15 с (30с для цветных сплавов). После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора определяют длину диагонали отпечатка, а твердость HV рассчитывают по формуле: 
В ГОСТ 2999-75 имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике расчетов не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей.
По методу Бринелля вдавливают шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 250 или 62,5 кгс (ГОСТ 9012-59). Полученный круглый отпечаток измеряют и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой до 400 - 450 НВ почти совпадают со значениями твердости по Виккерсу, но при больших значениях отклоняются вследствии деформации стального шарика. Твердость НВ - это также величина напряжений сопротивления вдавливанию:
,
где t - глубина сегмента отпечатка.
По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120 ˚ (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В). При этом определяют твердость, соответственно HRA, HRC и HRB.
При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором - алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс, соответственно. Твердость в этом случае определяется как:
.
По шкале В (нагрузка 100 кгс, шарик):
.
Шкалы HRC и HRA используются для высокой твердости, HRB-для низкой.