Физико-механические свойства металлов и сплавов

Физико-механические свойства

Цвет. По цвету отличаются от других металлов только медь (розовато-красная) или золото (желтое). Серебро имеет характерный белый свет; алюминий, магний, платина, олово, кадмий, ртуть - синевато-белый; железо, свинец, и мышьяк - сероватый. В сильно измельченном состоянии металлы имеют серый. Коричневый или черный цвет.

При пребывании в течении длительного времени на воздухе большинство металлов окисляется и темнеет. Металлы, не окисляющиеся на воздухе (серебро, золото и металлы платиновой групп), и металлы, у которых образуется на поверхности тончайший защитный слой окиси (алюминий и др.), не изменяют своего цвета и блеска в течении длительного времени.

Удельный вес. Удельным весом металлов называется вес 1 см³ вещества, выраженный в граммах.

Кроме небольшой группы легких металлов (алюминий, магний) имеющих удельный вес менее 3, большинство металлов имеет значительный удельный вес (табл.1) отдельно.

Благодаря большому удельному весу платина (21,4) и золото (19,32), встречающиеся в самородном виде, добываются путем отмывки от сопровождающих их сравнительно легких частиц песка, глины и т.п.

Малый удельный вес алюминия и магния имеет исключительно важное значение при постройке самолетов, и поэтому легкие сплавы этих металлов особенно тщательно изучают.

В литейном деле большая разница металлов иногда вызывает затруднения при получении однородных сплавов. При сплавлении металлов, сильно различающихся по удельному весу, более легкий металл может всплывать. Такое явление происходит, например, при изготовлении свинцовой бронзы, содержащей 60 % Pb и 40% Cu.

Температура плавления. Температура, при которой нагреваемый металл переходит из твердого состояния в состояние жидкое, называется температурой плавления (см. табл. 1).

Необходимо учитывать изменение температуры плавления сплава при введении в него новых составных частей. Температура плавления платины 1773 ^oC , и в окислительном, светлом, некоптящем пламени платиновый тигель легко выдерживает температуру пламени. В коптящем восстановительном пламени (при неполном горении), несмотря на более низкую температуру пламени, платина тигля, вступив в соединение с избытком несгоревшего углерода, может образовать более легкоплавкую и хрупкую углеродистую платину, и тигель испортится. Чистое железо вместе с углеродом дает сравнительно легкоплавкий чугун с температурой плавления приблизительно 1130 ^oC. может получиться и обратное явление, например при сплавлении алюминия и 30 %Ni. Ранее считали обязательным начинать плавку всегда с расплавления этого наиболее тугоплавкого металла, но в данном случае этого делать нельзя. Если начать с расплавления никеля (температура его плавления 1454^oC) и в него вводить постепенно более легкоплавкий алюминий (температура плавления 660 ^oC), то его сплав затвердеет.

При содержании 68,5 % Ni и 31,5 % Al образуется химическое соединение AlNiс температурой плавления около 1620 ^oC. поэтому при сплавлении металлов, которые могут дать химические соединения с температурой плавления выше температуры плавления исходных компонентов, необходимо руководствоваться диаграммой состояния, указывающей, как изменяется температура плавления сплава при постепенном изменении его состава, и вести плавку соответственным образом.

Удельная теплоемкость. Количество тепла в больших калориях (килокалориях - ккал), необходимо для повышения температуры 1 кг металла на 1 ^oC, называется теплоемкостью металла и обозначается буквой С.

Теплоемкость несколько изменяется с температурой. В таблицах приводиться обычно средняя температура, например от 0 до 100 ^oC (см.табл. 1)

Скрытая теплота плавления. Чтобы расплавить твердое вещество, т.е. перевести его в жидкое состояние, требуется не только нагреть его до температуры плавления, но еще затратить дополнительную тепловую энергию, которая не повышает температуры расплавляемого тела, а идет на разрушение кристаллической структуры. Пока твердое вещество не перейдет все целиком в жидкое состояние, температура не будет повышаться выше температуры источника тепловой энергии. Повышенная мощность источника тепла может лишь ускорить расплавление, но температура плавящегося вещества будет оставаться постоянной, пока не произойдет полное расплавление.

Количество тепла, идущего на повышение 1 кг твердого вещества при температуре его плавления в жидкое состояние при той же температуре, называется скрытой теплотой плавления и выражается в больших калориях.

Теплопроводность. Свойство металла проводить тепло называется теплопроводностью теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, показывающим, сколько калорий тепла может пройти в единицу времени сквозь 1 см ^oC вещества при разности температур на двух противоположных гранях кубика в 1 ^oC, и обозначается буквой λ.

Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчит ве конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.

Электросопротивление. За единицу электрического сопротивления принято сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см с поперечным сечением 1 см ²C при 0 ^oC. Эта единица называется омом (обозначается Ω). Чем больше длина проводника и чем меньше поперечное сечение проводника, тем сопротивлении его больше. При одной и той же длине и сечении проводники из разных металлов имеют различное сопротивление, что характеризуется удельным сопротивлением. Удельное сопротивление показывает, какое сопротивление имеет проводник из данного метала длиной 1 м и сечением 1 мм²C.

Для всех металлов характерно повышение электросопротивления с повышением температуры в отличие от неметаллических материалов, элетросопротивление которых при нагревании уменьшается.

Медь и алюминий, обладая самым малым электросопротивления из всех металлов (за исключением серебра), являются основными металлами для электропроводов.

Металлами и сплавами с высоким сопротивлением пользуются, когда хотят электрическую энергию превратить в тепловую. Количество теплоты, выделяемое в проводнике током определенной силы, прямо пропорционально сопротивлению проводника. Сплавами для элементов обычных нагревательных приборов (электропечей, плит, чайников, утюгов, электропаяльников) служат нихром и др. Для нити в лампах накаливания применяют вольфрам, который, не плавясь, выдерживает температуру более 2000 ^oC. Однако такую нить модно нагревать лишь в вакууме. Кислород воздуха ее окисляет

Термический коэффициент линейного расширения. Приращение длины предмета на единицу длины при нагревании его на 1 ^oC называется термическим коэффициентом линейного расширения α.

Так как коэффициент α очень мал, то в таблицах его значение обычно дается с коэффициентом 10^-6C, т.е. в миллионных долях первоначальной длины, измененной при 0 ^oC. Свойство металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении необходимо учитывать при изготовлении металлических сооружений и деталей машин.

Коэффициент линейного расширения может считаться почти постоянным при небольших изменениях температуры. При сильном нагревании он может значительно изменять свою величину. Имеются сплавы, обладающие особенно малой величиной α. Например, сплав "инвар" (35 % Fe и 35 %Ni) имеет в пределах от -10 до + 90 ^oC термический коэффициент линейного расширения α, близкий к нулю; однако при повышении температуры выше 100 ^oC он быстро растет.

При застывании отлитых деталей, если тонкие части охлаждаются и сжимаются быстрее, чем толстые, могут получиться трещины там, где возникают вредные внутренние напряжения. Конструктор во избежании трещин должен умело подбирать размеры сечений в отливке.

Тепловое расширение имеет большое значение и для сварных конструкций, в которых тоже возникают внутренние напряжения.

Особенно тщательно необходимо учитывать линейное расширение металлов при производстве измерительных и прецизионных (точных) приборов, при изготовлении калибров и деталей машин, работающих при повышенной температуре.

Поглощение газов. Многие металлы и сплавы обладают свойством в жидком состоянии поглощать и растворять газы, и тем сильнее, чем выше перегрет жидкий металл. При охлаждении и при кристаллизации растворимость газов понижается. Они выделяются в толщине застывающего металла и могут образовывать большое количество газовых раковин и других дефектов. Это вызывает брак в следствие недостаточной плотности и прочности литья. Растворенный в металле кислород может давать химические соединения с металлом, тоже понижающие прочность металла.

Для удаления газов и раскисления жидких металлов (например, стали) применяют элементы, обладающие большим сродством с кислородом и азотом, напрмер металлический алюминий. Он соединяется с кислородом и с азотом, а образующиеся при жтом окислы и нитриды алюминия поднимается на поверхность расплавленного металла и переходят в шлак. Для раскисления меди и ее сплавов часто применяют фосфористую медь - сплав с 12-14% Р, используя большое сродство фосфора с кислородом.

Особенное значение имеет тщательное раскисление медных и других сплавов успешной обработки их давлением в горячем или холодном виде (проката, прессовка, ковка, штамповка, волочение и пр.) и для снижения брака. Однако избыток раскислителя, переходя в сплав в качестве его компонентов может ухудшить свойства сплава.

Окислы раскислителя, образующиеся в результате раскисления сплава, должны легко оделяться от него, всплывая в виде шлака.

Этому способствует достаточная разность удельных весов сплава и продуктов раскисления его. Остающийся в сплаве после реакции раскисления небольшой избыток раскислителя не должен понижать обратавыаемость и механических качеств сплава.

В качестве раскислителя не следует употреблять дорогостоящие, редкие вещества. Раскислитель должен быть удобным для точной навески при добавлении его в шихту.

Магнитные свойства. По магнитны свойствам все металлы делятся на две группы - диамагнитные и парамагнитные. При внесении диамагнитного металла в магнитное поле оно уменьшается, а при внесении парамагнитного металла магнитное поле усиливается. К диамагнитным металлам относится бериллий, сурьма, висмут, медь, золото, серебро, цинк, кадмий, ртуть и др. к парамагнитным металлам алюминий, кальций, барий, молибден, вольфрам и др.

Частным случаем парамагнитных метало являются ферромагнитные металлы - железо, никель, кобальт и редкий элемент - гадолиний.

Железо, кобальт и никель теряют свои магнитные свойства при высоких температурах (железо при 759 ^oC, кобальт при 1110 ^oC и никель при 350 ^oC).

Диффузия. Протекающий во времени процесс выравнивания состава в газе, в жидкости и даже в твердом теле путем взаимного проникновения их частиц называется диффузией. Оцинковка железа и другие подобные операции с диффузией жидкого металла в твердый. Твердое вещество также может диффундировать в жидкое - растворяться в нем. Это имеет важное практическое значение и наблюдается, между прочим, при изготовлении стали и других сплавов, когда твердый металл растворяется в жидком металле или в сплаве.

Диффузией газа в твердый металл широко пользуются в таких процессах, как азотирование (нитрирование), стали, когда аммиак, вводимый в печь, в которую положены детали, разлагается при нагревании до 500-600 ^oC, а выделяющийся азот диффундирует в твердую сталь, образуя на поверхности ее очень твердые нитриды. Продолжительность времени нагревания в аммиаке и температура нагрева определяют глубину азотированного слоя. Диффузия алюминия в поверхность железных, стальных или чугунных изделий при температуре около 900 ^oC ("алитирование" изделий) вызывает повышение их коррозионной стойкости.

Твердость. Твердостью металла называется сопротивление, оказываемое металлом при вдавливании в него твердых предметов. Наиболее распространенными методами определения твердости являются методы Бринелля и Роквелла.

Упругость. Упругостью металла называют свойство металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы, вызывающей его деформацию.

Брусок металла, подвергнутый действию растягивающего усилия, удлиняется. Если это усилие не превосходит определенной для данного материала величины, брусок после снятия нагрузки получает свои первоначальные размеры. Величина этого усилия называется пределом упругости.

Если нагрузка перейдет за пределы упругости, то после снятия нагрузки форма бруска не восстанавливается, и брусок останется удлиненным; такая деформация называется пластической.

Прочность. Прочностью называется свойство металла сопротивляться действию внешних разрушающих сил. В зависимости от характера этих внешних сил различают прочность на растяжение, на сжатие, на изгиб, на кручение и т.д. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности, определяя максимальное усилие Р, которое может выдержать образец во время испытания, деля его на первоначальную площадь поперечного сечения образца F _oC.

Вязкость ударная. Вязкость характеризуется сопротивлением удару.

Удельная ударная вязкость (сопротивление удару) определяется количеством работы, необходимой для разрушения бруска посредством ударной изгибающей нагрузки на так называемом копре Шарпи, деленной на поперечное сечение образца, и выражается в кгм/см ²C.

Технологические свойства.

Пластичность. Одним из основных свойств металла является их пластичность, т.е. способность металла, повергнутого нагрузке, деформироваться под действием внешних сил без разрушения и давать остаточную (сохраняющуюся после снятия нагрузки) деформацию. Пластичность иногда характеризуют величиной удлинения образца при растяжении.

Отношение приращения длины образца при растяжении к его исходной длине, выражаемое в процентах, называется относительным удлинением и обозначается δ, %. Относительное удлинение определяется после разрыва образца и указывает способность металла удлиняться под действием растягивающих усилий.

Ковкость. Способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.п.) называется его ковкостью. Ковкость металла зависитот его пластичности. Пластичные металлы обычно обладают и хорошей ковкостью.

Усадка. Усадкой металла называется сокращение объема расправленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры.

Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.

Жидкотекучесть. Способность расплавленного металла заполнять форму и давать хорошие отливки, точно воспроизводящие форму, называются жидкотекучестью. Кроме хорошего заполнения формы, лучшая жидкотекучесть способствует получению здоровой плотной отливки благодаря более полному выделению из жидкого металла газов и неметаллических включений. Жидкотекучесть металла определяется его вязкости в расплавленном состоянии.

Износостойкость. Способность металла сопротивляться истиранию, разрушению поверхности или изменению размеров под действием трения называется износостойкостью.

Коррозия стойкости. Способность металла сопротивляться химическому или электрохимическому разрушению его во внешней среде под действием химических реактивов и при повышенных температурах называется коррозионной стойкостью.

Обрабатываемость. Способность металла обрабатываться при помощи режущих инструментов называется обрабатываемостью.