Физические свойства. К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расшире-ние, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов от-ражать световое излучение с определенной дли-ной волны. Например, медь имеет розово-крас-ный цвет, алюминий -- серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот-ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые. Плотность имеет боль-шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре-мятся использовать более легкие металлы и сплавы (алюминиевые, магниевые, титановые), что способствует снижению массы изделий.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416° С, тантал 2950°С, титан 1725°С. и др.) и легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера-тура плавления имеет большое значение при вы-боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче-ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду-сах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, спо-собность металлов передавать тепло от более на-гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб-ро. медь, алюминий обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для де-талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу-ются трещины. Некоторые детали машин (порш-ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из-готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).

Тепловым расширением называют спо-собность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж-дении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения

б = (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 б. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горя-чей объемной штамповке, изготовлении литей-ных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук-ладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность ме-талла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размер-ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемко-сти -- количеству тепла, выраженному в боль-ших калориях, которое требуется для повыше-ния температуры 1 кг металла на 1°С (в едини-цах СИ -- Дж/(кг.К).

Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), удельная электро-проводность -- в См/м.

Электросо-противление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление - в Ом/м.

Хорошая элек-тропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго-товлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротив-лением (нихром, константан, манганин). С по-вышением температуры металла его электропро-водность уменьшается, а с понижением -- увели-чивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или маг-нитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная по-стоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, ни-кель, кобальт и их сплавы, называемые ферро-магнитными. Материалы с магнитными свойства-ми применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов со-противляться окислению или вступать в соеди-нение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем быстрее он разрушается. Хими-ческое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды на-зывают коррозией.

Металлы, стойкие к окислению при сильном нагреве, называют жаростойкими или окалино-стойкими. Такие металлы применяют для изготовления деталей, которые эксплуатируются в зо-не высоких температур.

Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по из-менению массы испытуемых образцов на едини-цу поверхности за единицу времени.

Химические свойства металлов обязательно учитываются при изготовлении тех или иных изделий. Особенно это относится к изделиям или деталям, работающим в химически агрессивных средах.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Напряжение -- величина нагрузки, отне-сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация - изме-нение формы и размеров твердого тела под вли-янием приложенных внешних сил. Различают деформации растяжения (сжатия), изгиба, круче-ния, среза (рис. 8).

Рис. 8. Виды деформаций:

а -- сжатие, б -- растяжение, в -- кручение, г -- срез, д - изгиб

В действительности матери-ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или плоской формы испытывают на статическое рас-тяжение. Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения. По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе-ния деформации, а по оси ординат -- нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность -- способность материала со-противляться разрушению под действием нагру-зок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате-риала является также удельная прочность - от-ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности у в (временное со-противление) - это условное напряжение в Па (Н/м2). соответствующее наибольшей нагруз-ке, предшествующей разрушению образца: у в = P max / F о, где Рmах -- наибольшая нагрузка, Н; Fо - начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м2.

Истинное сопротивле-ние разрыву S к - это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об-разца после разрыва F к (S к = Р к/ F к).

Предел текучести (физический) у т -- это наи-меньшее напряжение (в МПа), при котором об-разец деформируется без заметного увеличения нагрузки:

у т = Р т F о, где Р т -- нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести, Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие спла-вы площадки текучести не имеют. Для таких ма-териалов определяют предел текучести (услов-ный), при котором остаточное удлинение достига-ет 0,2 % от расчетной длины образца: у 0,2 = P 0,2 / F 0.

Упругость - способность материала вос-станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Р уп оце-нивают пределом пропорциональности у пц и пре-делом упругости у ун.

Предел пропорциональности у пц - напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря-жением и деформацией образца у пц = Р пц / Р 0.

Предел упругости (условный) у 0,05 - это условное напряжение в Мпа, соответствую-щее нагрузке, при которой остаточная деформа-ция впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: у 0,05 = P 0,05 / F 0, где P 0,05 --- нагрузка предела упругости, Н.

Пластичность, т.е. способность материала принимать новую форму и размеры под действием внешних сил не разрушаясь, характери-зуется относительным удлинением и относитель-ным сужением.

Относительное удлинение (после разрыва) д -- это отношение приращения (l k-- lo) расчетной длины образца после разрыва к его первоначальной расчетной длине lo, выраженное в процентах:

д = ((1к -1о)/1о] 100 %.

Относительное сужение (после разрыва) Ш -- это отношение разности начальной и минимальной площадей (Fo - Fк) поперечного сечения образца после разрыва к начальной площади Fo поперечного сечения, выраженное в про центах: Ш = [( F 0 - F k) / Fо] 100%.

Чем больше значения относительного удлине-ния и сужения для материала, тем он более пла-стичен. У хрупких материалов эти значения близ-ки к нулю. Хрупкость конструкционного матери-ала является отрицательным свойством.

Ударная вязкость, т. е. способность ма-териала сопротивляться динамическим нагруз-кам, определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (в МДж) к площади его поперечного сечения F (в м2) в месте надре-за KC=W/F.

Для испытания изготовляют специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с надрезом. Испы-тывают образец на маятниковых копрах. Свобод-но падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа.

Определение ударной вязкости особенно важ-но для некоторых металлов, работающих при минусовых температурах и проявляющих склон-ность к хладноломкости. Чем ниже порог хлад-ноломкости, т. е. температура, при которой вяз-кое разрушение материала переходит в хрупкое, и больше запас вязкости материала, тем больше ударная вязкость материала. Хладноломкость-снижение ударной вязкости при низких темпе-ратурах.

Циклическая вязкость -- это способ-ность материалов поглощать энергию при пов-торно-переменных нагрузках. Материалы с высо-кой циклической вязкостью быстро гасят вибра-ции, которые часто являются причиной прежде-временного разрушения. Например, чугун, имею-щий высокую циклическую вязкость, в некото-рых случаях (для станин и других корпусных де-талей) является более ценным материалом, чем углеродистая сталь.

Твердостью называют способность мате-риала сопротивляться проникновению в него дру-гого, более твердого тела. Высокой твердостью должны обладать металлорежущие инструмен-ты: резцы, сверла, фрезы, а также поверхностно-упрочненные детали. Твердость металла определяют способами Бринелля, Роквелла и Виккерса (рис. 10).

Рис. 10. Определение твердости металла методами Бринелля (а), Роквелла (б) и Виккерса (в)

Способ Бринелля осно-ван на том, что в плоскую поверхность металла вдавливают под постоянной нагрузкой стальной закаленный шарик. Диаметр шарика и величину нагрузки устанавливают в зависимости от твер-дости и толщины испытываемого металла. Твер-дость по Бринеллю определяют на твердомере ТШ (твердомер шариковый). Испытание прово-дят следующим образом. На поверхности образ-ца, твердость которого нужно измерить, напильником или абразивным кругом зачищают пло-щадку размером 3--5 см2. Образец ставят на столик прибора и поднимают до соприкоснове-ния со стальным шариком, который укреплен в шпинделе прибора. Груз опускается и вдавлива-ет шарик в испытываемый образец. На поверхно-сти металла образуется отпечаток. Чем больше отпечаток, тем металл мягче.

За меру твердости НВ принимают отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка диа-метром d и глубиной t, который образуется при вдавливании силой Р шарика диаметра D (см. рис. 10,а).

Числовое значение твердости определяют так: измеряют диаметр отпечатка с помощью оптиче-ской лупы (с делениями) и по полученному зна-чению находят в таблице, приложенной к ГОСТу, соответствующее число твердости.

Преимущество способа Бринелля заключается в простоте испытания и точности получаемых ре-зультатов. Способом Бринелля не рекомендуется измерять твердость материалов с НВ>450, на-пример закаленной стали, так как при измерении шарик деформируется и показания искажаются.

Для испытания твердых материалов применяют способ Роквелла. В образец вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120° или стальной закаленный ша-рик диаметром 1,59 мм. Твердость по Роквеллу измеряется в условных единицах. Условная ве-личина единицы твердости соответствует осевому перемещению наконечника на 0,002 мм. Испыта-ние проводят на приборе ТК. Значение твердости определяется по глубине отпечатка h и отсчиты-вают по циферблату индикатора, установленно-му на приборе. Во всех случаях предваритель-ная нагрузка Ро равна 100 H.

При испытании металлов с высокой твердо-стью применяют, алмазный конус и общую на-грузку P = Po + P 1= 1500 H. Твердость отсчитыва-ют по шкале «С» и обозначают HRC.

Если при испытании берется стальной шарик и общая нагрузка 1000 H, то твердость отсчиты-вается по шкале «В» и обозначается HRB.

При испытании очень твердых или тонких из-делий используют алмазный конус и общую на-грузку 600 Н. Твердость отсчитывается по шкале «А» и обозначается HRA. Пример обозначения твердости по Роквеллу: HRC 50 --- твердость 50 по шкале «С».

При определении твердости способом Виккерса (ГОСТ 2999--75) в качестве вдавливае-мого в материал наконечника используют четы-рехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136°. При испытаниях применяют на-грузки от 50 до 1000 Н (меньшие значения на-грузки для определения твердости тонких изде-лий и твердых, упрочненных поверхностных сло-ев металла). Числовое значение твердости опре-деляют так: замеряют длины обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки и с помощью микроскопа и по полученному среднему арифметическому значению длины диагонали находят в таблице соответствующее число твердости. При-мер обозначения твердости по Виккерсу -- HV 500.

Для оценки твердости металлов в малых объ-емах, например, на зернах металла или его структурных составляющих применяют способ определения микротвердости. Наконечник (индентор) прибора представляет собой алмаз-ную четырехгранную пирамиду (с углом при вер-шине 136о, таким же как и у пирамиды при испы-тании по Виккерсу). Нагрузка на индентор не-велика и составляет 0,05--5 Н, а размер отпечат-ка 5 -30 мкм. Испытание проводят на оптиче-ском микроскопе ПМТ-3, снабженном механиз-мом нагружения. Микротвердость оценивают по величине диагонали отпечатка.

Усталостью называют процесс постепен-ного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящий к образованию трещин и разруше-нию. Усталость металла обусловлена концентра-цией напряжений в отдельных его объемах, в ко-торых имеются неметаллические включения, га-зовые пузыри, различные местные дефекты и т. д. Характерным является усталостный из-лом, образующийся после разрушения образца в результате многократного нагружения (рис. 11) и состоящий из двух разных по внешнему виду частей. Одна часть 1 излома с ровной (затертой) поверхностью образуется вследствие трения по-верхностей в области трещин, возникших от действия повторно-переменных нагрузок, другая часть 2 с зернистым изломом возникает в момент разрушения образца.

Рис. 11. .Устатолостный излом

Испытания на усталость проводят на специальных машинах. Наиболее распространены машины для повторно-перемен-ного изгибания вращающегося образца, закреп-ленного одним или обоими концами, а также ма-шины для испытаний на растяжение -- сжатие и на повторно-переменное кручение. В результа-те испытаний определяют предел выносливости, характеризующий сопротивление усталости.

Выносливость -- свойство материала про-тивостоять усталости. Предел выносливости -- это максимальное напряжение, которое может выдержать металл без разрушения заданное чи-сло циклов нагружения. Между пределом вынос-ливости и пределом прочности существует при-ближенная зависимость:

у -1 ? 0,43 у в; у -1р ? 0,36 у в, где у -1 и у -1р -- соответственно пределы вынос-ливости при изгибе и растяжении -- сжатии.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА