Физические и химические свойства

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Физические свойства. К физическим свойствам металловотносят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловоерасшире­ние, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.
Цветом называют способность металловот­ражать световое излучение с определенной дли­ной волны. Например, медь имеетрозово-крас­ный цвет, алюминий — серебристо-белый.
Плотность металла характеризуется егомассой, заключенной в единице объема. По плот­ности все металлы делят на легкие(менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет боль­шое значение присоздании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре­мятсяиспользовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые),что способствует снижению массы изделий.
Температурой плавления называюттемпературу, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Потемпературе плавления  различают  тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал2950°С, титан 1725°С. и др.) V легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк419,5°С, алюминий 660°С). Темпера­тура плавления имеет большое значение при вы­бореметаллов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений,термоэлектриче­ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуруплавления выражают в граду­сах Кельвина (К).
Теплопроводностью называют, спо­собностьметаллов передавать тепло от более на­гретых к менее нагретым участкам тела.Сереб­ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имееттеплопроводность при­мерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять разменьше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материаладля де­талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве ибыстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу­ются трещины.Некоторые детали машин (порш­ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из­готовленыиз материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИтеплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).
Тепловым расширением называют спо­собностьметаллов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж­дении.Тепловое расширение характеризуется  коэффициентом  линейного   расширенияα = (l2 –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 должныучитываться при сварке, ковке и горя­чей объемной штамповке, изготовлении литей­ныхформ, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений исборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук­ладке железнодорожныхрельс.
Теплоемкостью называют способность ме­таллапри нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеетразмер­ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величинеудельной 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 проводитьэлектриче­ский ток оценивают двумя взаимно противопо­ложными характеристиками —электропро­водностью и электросопротивлени­ем. Электрическая проводимостьоценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электро­проводность — вСм/м, аналогично электросо­противление выражают в омах (Ом), а удельноеэлектросопротивление — в Ом/м. Хорошая элек­тропроводность необходима,например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго­товленииэлектронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высокимэлектросопротив­лением (нихром, константан, манганин). С по­вышениемтемпературы металла его электропро­водность уменьшается, а с понижением — увели­чивается.
Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитнойпроницаемостью или маг­нитной постоянной, т. е. способностью металловнамагничиваться. 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 вэлектротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства. Химические свойства характеризуютспособность металлов и сплавов со­противляться окислению или вступать в соеди­нениес различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др.Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами/тем быстрее онразрушается. Хими­ческое разрушение металлов под действием на их поверхностьвнешней агрессивной среды на­зывают коррозией.
Металлы, стойкие к окислению присильном нагреве, называют жаростойкими или окалино-стойкими. Такие металлыприменяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зо­не высоких температур.
Сопротивление металлов коррозии,окалине-образованию и растворению определяют по из­менению массы испытуемыхобразцов на едини­цу поверхности за единицу времени.
Химические свойства металловобязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно этоотносится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.
§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
Способность металла сопротивлятьсявоздейст­вию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому привыборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всегоучитывать его механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность,ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют порезультатам механиче­ских испытаний, при которых металлы подверга­ютвоздействию внешних сил (нагрузок). Внеш­ние силы могут быть статическими,динамически­ми или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает втвердом теле напряжение и деформацию.
Напряжение — величина нагрузки, отне­сеннаяк единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация—изме­нениеформы и размеров твердого тела под вли­янием приложенных внешних сил. Различаютде­формации растяжения (сжатия), изгиба, круче­ния, среза (рис. 8). Вдействительности матери­ал может подвергаться одному или нескольким видамдеформации одновременно.
Для определения прочности, упругостии пластичности металлы в виде образцов круглой или
/>
Рис. 8. Виды деформаций:
а — сжатие, б — растяжение, в— кручение, г — срез, д — изгиб
плоской формы испытывают настатическое рас­тяжение (ГОСТ 1497—73). Испытания проводят на разрывныхмашинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По осиабсцисс этой диаграммы откладывают значе­ния деформации, а по оси ординат —нагрузки, приложенные к образцу.
Прочность — способность материала со­противлятьсяразрушению под действием нагру­зок оценивается пределом прочности и пределомтекучести. Важным показателем прочности мате­риала является также удельнаяпрочность — от­ношение предела прочности материала к его  плотности. Пределпрочности 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 поперечногосечения рабочей части образца, м2. Истинное сопротивле­ние разрыву S k — это напряжение, определяемоеотношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечногосечения об­разца после разрыва Fк (Sк = Рк/ Fк).
Предел текучести (физический) σ т— это наи­меньшее напряжение (в МПа), при котором об­разец деформируется беззаметного увеличения нагрузки: σт = Рт/ Fо, где Рт — нагрузка, при которой наблюдается площадкатекучести. Н.
Площадку текучести имеют в основномтолько малоуглеродистая сталь и латуни. Другие спла­вы площадки текучести неимеют. Для таких ма­териалов определяют предел текучести (услов­ный), прикотором остаточное удлинение достига­ет 0,2% от расчетной длины образца:σо = P 0,2/Fo.
Упругость — способность материала вос­станавливатьпервоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оце­ниваютпределом пропорциональности σпц и пре­делом упругости σун.
Предел пропорциональности σпц —напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемымнапря­жением 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 достигает0,05 %, от расчетной длины образца lo:  σ 0,05 = P 0,05  / F 0, где P 0,05 -— нагрузка предела упругости, Н.
Пластичность, т.е. способностьматериала -принимать новую форму и размеры под действием внешних сил неразрушаясь, характери­зуется относительным удлинением и относитель­нымсужением.
Относительное   удлинение   (послеразрыва) δ — это отношение приращения (l k— lo) расчетной длины образца после разрыва к егопервоначальной 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 начальнойплощади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ψ = [(  F 0 – F k) / Fо] 100%.
Чем больше значения относительногоудлине­ния и сужения для материала, тем он более пла­стичен. У хрупкихматериалов эти значения близ­ки к нулю. Хрупкость конструкционного матери­алаявляется отрицательным свойством.
Ударная вязкость, т. е. способностьма­териала сопротивляться динамическим нагруз­кам, определяется как отношениезатраченной 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 брусочковс надрезом. Испы­тывают образец на маятниковых копрах. Свобод­но падающиймаятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этомфиксируется работа.
Определение ударной вязкости особенноваж­но для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах ипроявляющих склон­ность к хладноломкости. Чем ниже порог хлад­ноломкости, т. е.температура, при которой вяз­кое разрушение материала переходит в хрупкое, ибольше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала.Хладноломкость-снижение ударной вязкости при низких темпе­ратурах.
Циклическая вязкость — это способ­ностьматериалов поглощать энергию при пов­торно-переменных нагрузках. Материалы свысо­кой циклической вязкостью быстро гасят вибра­ции, которые часто являютсяпричиной прежде­временного разрушения. Например, чугун, имею­щий высокуюциклическую вязкость, в некото­рых случаях (для станин и других корпусных де­талей)является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.
Твердостью называют способность мате­риаласопротивляться проникновению в него дру­гого, более твердого тела. Высокойтвердостью должны обладать металлорежущие инструмен­ты: резцы, сверла, фрезы, атакже поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способамиБринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).
Способ Бринелля (ГОСТ 9012—59) осно­ванна том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкойстальной
/>
Рис. 10.Определение твердости металла методами Бринеллн (а), Роквелла (б) и Виккерса(в)
закаленный шарик. Диаметр шарика ивеличину нагрузки устанавливают в зависимости от твер­дости и толщиныиспытываемого металла. Твер­дость по Бринеллю определяют на твердомере ГШ(твердомер шариковый). Испытание прово­дят следующим образом. На поверхностиобраз­ца, твердость которого нужно измерить, напиль­ником или абразивным кругомзачищают пло­щадку размером 3—5 см2. Образец ставят на столик прибораи поднимают до соприкоснове­ния со стальным шариком, который укреплен вшпинделе прибора. Груз опускается и вдавлива­ет шарик в испытываемый образец.На поверхно­сти металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металлмягче.
За меру твердости НВ принимаютотношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диа­метром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметраD (см. рис. 10, а).
Числовое значение твердостиопределяют так:
измеряют диаметр отпечатка с помощью оптиче­скойлупы (с делениями) и по полученному зна­чению находят в таблице, приложенной кГОСТу, соответствующее число твердости.
Преимущество способа Бринеллязаключается в простоте испытания и точности получаемых ре­зультатов. СпособомБринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, на­примерзакаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показанияискажаются.
Для испытания твердых материаловприменяют способ Роквелла (ГОСТ 9013—59). В образец вдавливают алмазный конус суглом при вершине 120° или стальной закаленный ша­рик диаметром 1,59мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве­личинаединицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002мм. Испыта­ние проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубинеотпечатка h и отсчиты­вают по циферблатуиндикатора, установленно­му на приборе. Во всех случаях предваритель­наянагрузка Ро равна 100 H.
При испытании металлов с высокойтвердо­стью применяют, алмазный конус и общую на­грузку P = Po + P 1= 1500 H. Твердость отсчитыва­ют пошкале «С» и обозначают HRC.
Если при испытании берется стальнойшарик и общая нагрузка 1000 H, то твердость отсчиты­вается по шкале «В» иобозначается HRB.
При испытании очень твердых илитонких из­делий используют алмазный конус и общую на­грузку 600 Н. Твердостьотсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 -— твердость 50 по шкале «С».
При определении твердости способомВиккерса (ГОСТ 2999—75) в качестве вдавливае­мого в материал наконечникаиспользуют четы­рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. Прииспытаниях применяют на­грузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на­грузки дляопределения твердости тонких изде­лий и твердых, упрочненных поверхностных сло­евметалла). Числовое значение твердости опре­деляют так: замеряют длины обеихдиагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и пополученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблицесоответствующее число твердости. При­мер обозначения твердости по Виккерсу — HV 500.
Для оценки твердости металлов в малыхобъ­емах, например, на зернах металла или его структурных составляющихприменяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) приборапредставляет собой алмаз­ную четырехгранную пирамиду (с углом при вер­шине 136о,таким же как и у пирамиды при испы­тании по Виккерсу). Нагрузка на индентор не­великаи составляет 0,05—5 Н. а размер отпечат­ка 5—30 мкм. Испытание проводят наоптиче­ском микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз­мом нагружения. Микротвердостьоценивают по величине диагонали отпечатка.
Усталостью называют процесс постепен­ногонакопления повреждений материала под действием повторно-переменных  напряжений,приводящий к образованию трещин и разруше­нию. Усталость металла обусловленаконцентра­цией напряжений в отдельных его объемах, в ко­торых имеютсянеметаллические включения, га­зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д.Характерным является усталостный из­лом, образующийся после разрушения образцав результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных повнешнему виду частей. Одна часть / излома с ровной (затертой) поверхностью образуетсявследствие трения по­верхностей в области трещин, возникших от действияповторно-переменных нагрузок, другая
/>
Рис. 11..Устатолостный излом
часть 2 с зернистым изломомвозникает в момент разрушения образца. Испытания на усталость проводят наспециальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен­ногоизгибания вращающегося образца, закреп­ленного одним или обоими концами, атакже ма­шины для испытаний на растяжение — сжатие и на повторно-переменноекручение. В результа­те испытаний определяют предел выносливости,характеризующий сопротивление усталости.
§ 5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ИЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА
 
Технологические свойства. Эти свойства ха­рактеризуют способностьметаллов подвергаться обработке в холодном и горячем состояниях. Тех­нологическиесвойства определяют при техноло­гических пробах, которые дают качественнуюоценку пригодности металлов к тем или иным способам обработки. Образец,подвергнутый технологической пробе (рис. 12), осматривают. Признаком того, чтообразец выдержал испытание, является отсутствие трещин, надрывов, расслоенияили излома. К основным технологическими свойствам относят: обрабатываемостьрезанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства и др.
Обрабатываемость резанием — одна изважнейших технологических свойств, потому  что подавляющее большинствозаготовок, а так же деталей сварных узлов и конструкций подвергаетсямеханической обработке. Одни металлы обрабатываются хорошо до получения чистой и гладкой поверхности, другие же, имеющие высокую твердость, плохо. Оченьвязкие металлы с низкой твердостью также плохо обрабатываются: поверхностьполучается шероховатой, с задира­ми. Улучшить обрабатываемость, например, ста­лиможно термической обработкой, понижая или повышая ее твердость.
Свариваемость — способность металловобразовывать сварное соединение, свойства которого близки к свойствам основногометалла. Ее определяют пробой сваренного образца на загиб илирастяжение.                         
Ковкость — способность металлаобрабатываться давлением в холодном или горячем состо­янии без признаковразрушения. Ее определяют  кузнечной пробой на осадку до заданной степенидеформации. Высота образца для осадки равна обычно двум его диаметрам. Если набоковой поверхности образца трещина не образуется, то и такой образец считаетсявыдержавшим пробу; а  испытуемый металл — пригодным для обработки давлением.
Литейные свойства металловхарактеризуют способность их образовывать отливки, без трещин, раковин и другихдефектов. Основными литейными свойствами являются, жидкотекучесть, усадка иликвация.
 Жидкотекучесть — способностьрасплав-
/>
Рис. 12. Технологическиепробы:
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 заполнятьполость ли­тейной формы.
Усадка при кристаллизации — это умень­шениеобъема металла при переходе из жидкого состояния в твердое; является, причинойобразо­вания усадочных раковин и усадочной пористо­сти (см. рис. 6) в слитках иотливках.
Ликвация — неоднородность химическогосостава сплавов, возникающая при их кристалли­зации, обусловлена тем. чтосплавы в отличие от чистых металлов кристаллизуются не при од­ной температуре,а в интервале температур. Чем шире температурный интервал кристаллизациисплава, тем сильнее развивается ликвация, при­чем наибольшую склонность к нейпроявляют те компоненты сплава, которые наиболее сильно влияют на ширинутемпературного интервала кристаллизации (для стали, например, сера, кис­лород,фосфор, углерод).
Эксплуатационные свойства. Эти свойства оп­ределяют взависимости от условий работы ма­шины специальными испытаниями. Одним изважнейших эксплуатационных свойств является износостойкость.
Износостойкость — свойство материалаоказывать сопротивление износу, т. е. постепен­ному изменению размеров и формытела вслед­ствие разрушения поверхностного слоя изделия при трении. Испытаниеметаллов на износ проводят на образцах в лабораторных условиях, а деталей — вусловиях реальной  эксплуатации. При испытаниях образцов моделируются условиятрения, близкие к реальным. Величину износа об­разцов или деталей определяютразличными спо­собами: измерением размеров, взвешиванием об­разцов и другимиметодами.
К эксплуатационным свойствам следуеттакже отнести хладостойкость, жаропрочность, анти-фрикционность и др. Указанныетехнологические свойства будут рассмотрены в последующих главах