Какие свойства металлов и сплавов вы знаете

Физические свойства материалов (их показатели):

• • цвет;
• • плотность;
• • теплопроводность;
• • температура плавления;
• • электропроводность;
• • магнетизм;
• • расширение при нагревании.

К химическим свойствам материалов относится межатомное взаимодействие материала с другими веществами.

Механические свойства материалов:

• • прочность;
• • твердость;
• • упругость;
• • пластичность;
• • вязкость.

Физические свойства

Цвет металла (сплава) является одним из показателей, позволяющих судить о его свойствах. При нагревании металла по цвету поверхности можно примерно определить, до какой температуры он нагрет. Это используется при сварочных работах. Однако некоторые металлы (например, алюминий) при нагревании не изменяют цвет. Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем неокисленного.

Плотность — отношение массы вещества к его объему. Плотность материала является одной из важнейших его характеристик, которая учитывается при проектировании, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими.

Теплопроводность (теплообмен) — способность материала переносить тепловую энергию при неравномерном нагревании, имеет атомно-молекулярный характер, измеряется в Вт/(м • К).

Температура плавления — температура, при которой материал переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы имеют постоянную температуру плавления.

Электропроводность — способность вещества проводить постоянный электрический ток под действием не изменяющегося во времени электрического поля. Так как в автомобилях используются в основном металлические детали, электрическая сеть автомобилей выполняется по однопроводной схеме, вторым проводом является сам автомобиль, т. е. его «масса».

Магнитные свойства металлов широко используются в электрооборудовании автомобиля (генераторе, системе зажигания, электродвигателях, контрольно-измерительных приборах).

Способность металлов расширяться при нагревании — важное свойство, которое также учитывается при коструировании. Например, при сварке происходит местное нагревание лишь небольшого участка, и так как деталь в различных частях имеет не одинаковую температуру, то она деформируется. Детали, изготовленные из разных материалов, при нагревании расширяются по-разному. Это тоже может привести к деформациям и даже к разрушению конструкции.

Усадка — уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. Вследствие усадки сварного шва, например, происходит коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Чем больше усадка, тем труднее получить качественное соединение.

Механические свойства

Механические свойства материалов, как правило, являются основными показателями, которые определяют его пригодность в различных условиях эксплуатации.

Прочность — способность материала в определенных условиях и пределах не разрушаться, воспринимая те или иные воздействия (нагрузки, неравномерное нагревание, магнитные и электрические поля).

Твердость — способность материала сопротивляться местной пластической деформации, возникающей при внедрении в него более твердого тела.

Упругость — свойство тела восстанавливать свою форму и объем после прекращения действия внешней силы (нагрузки, нагревания). Большой упругостью, например, должны обладать рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.

Пластичность — способность тела необратимо изменять форму (деформироваться) под действием механических нагрузок. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность металла, тем он легче куется, штампуется, прокатывается.

Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали несущей системы, подвески, колес автомобилей).

Химические свойства

Химические свойства металлов характеризуют их способность вступать в соединение с различными веществами (химическими элементами), и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с различными химическими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов вследствие химического воздействия среды называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали: коррозионно- и кислотостойкие).

Технологические свойства

Совокупность физических, механических и химических свойств оказывает влияние на технологические свойства материала.

Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.

Свариваемость — свойство металлов создавать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно — другим. Например, дюралюминий хорошо сваривается точечной сваркой и плохо — газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо — дуговой и т. д.

Жидкотекучесть — способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литейную форму.

Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.

Обрабатываемость резанием — способность металла обрабатываться путем механической обработки (резание, фрезерование и т. д.), т. е. острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.).

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,
2. химические,
3. механические,
4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк — серый, олово — блестяще-белый и т. д.

Удельный вес—это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см3.

Плавление — способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение — свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения — отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца. Коэффициент объемного расширения — отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения. Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012, меди — 0,000017, алюминия— 0,000023. Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000012·20 = 1,2 м

2. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000017·20= 1,7 м

3. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С:

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность —способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость — количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на 1°. Удельная теплоемкость — количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1°. Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец. Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

Магнитные свойства — способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.

Химические свойства металлов и сплавов.

Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

1. стойкость против коррозии на воздухе,
2. кислотостойкость,
3. щелочестойкость,
4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов — изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению — азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,
2. твердость,
3. упругость,
4. пластичность,
5. ударная вязкость,
6. ползучесть,
7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

1. вдавливание в материал стального шарика диаметром 2,5; 5 и 10 мм — испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а);
2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса — испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б)
3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды — испытание по Виккерсу (рис. 2,в).

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

где Δl = l1-l0 — абсолютное удлинение образца при разрыве;

δ— относительное удлинение;

 l1—длина образца в момент разрыва;

l0—первоначальная длина образца;

где Ψ—относительное сужение при разрыве;

F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца;

F — площадь образца после разрыва

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α, в этом положении закрепляют защелкой. Стрелку 2, укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3, расположенного у нулевого деления шкалы 4. Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β. При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β— наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α—β характеризует работу излома образца.

Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А, которая затрачена грузом маятника на разрушение образца

А = Р (Н — h) кгс • м

где Н — высота подъема маятника до удара в м

h —высота подъема маятника после удара в м

Р — ударная сила.

Затем определяют ударную вязкость

где ан—ударная вязкость в кГс·м/см2

F — площадь поперечного сечения образца в см2.

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах. Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150—65 0—100°С и при температуре кипения технического жидкого азота. Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497—61 при температуре 20±10°С.

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651—61 при температуре до 1200°С.

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности — σв, предел текучести (физический)—σт, предел текучести условный (технический) —σо,2, истинное сопротивление разрыву—Sк и относительное удлинение — δ.

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5. По вертикальной оси 0—Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение— Δl.

Рассмотрим участки диаграммы:

1. начальный прямолинейный участок 0-Рпц, на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Рпц—нагрузка при пределе пропорциональности)
2. точка резкого перегиба кривой Р’т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
3. участок Р’т — Рт, параллельный горизонтальной оси 0—Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Рт, носящей название нагрузки при пределе текучести
4. точка Рв, отмечающая наибольшую растягивающую силу — нагрузку при пределе прочности
5. точка Рк —сила в момент разрушения образца.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σв— напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:

где F0 — площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм2

Pв— наибольшая растягивающая сила в кгс.

Предел текучести (физический) σт—наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),

Предел текучести условный (технический) σо,2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2%:

Предел пропорциональности σпц— условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:

Истинное сопротивление разрыву Sк—напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F):

Технологические свойства металлов и сплавов.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• обрабатываемость резанием,
• ковкость,
• жидкотекучесть,
• усадка,
• свариваемость,
• прокаливаемость и т.д.

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.