UA-75651220-1

Основні властивості металів

Ьепловози і електровози у процесі експлуатації піддаються впливу різного роду механічних, фізичних і хімічних чинників. Це зумовлює певні вимоги щодо комплексу основних характеристик властивостей металів і сплавів. Вони визначають відповідність обраного матеріалу розрахунковим навантаженням у проектуванні деталей і забезпечують надійність їхньої роботи. Розрізняють механічні властивості, технологічні, фізичні й хімічні.

Поширення набули методи визначення механічних властивостей металів і сплавів. Механічні властивості матеріалів визначають, випробовуючи їх на твердість, розтягування, стискування, кручення, згин, ударну в’язкість, зношування, втому тощо. Випробовують спеціально виготовлені зразки стандартної форми і розмірів на спеціальних приладах і машинах для одержання потрібних характеристик.

До технологічних характеристик відносять здатність металів сприймати технологічні операції обробки, які надають виробам потрібної форми, розмірів і властивостей. Основні технологічні властивості металів - це оброблюваність різанням, здатність до холодної та гарячої обробки тиском (прокатування, кування, штампування), ливарні властивості, зварюваність, прогартовуваність тощо. Технологічні властивості визначають, використовуючи відповідні технологічні проби.

Хімічні властивості. До хімічних властивостей належать хімічна стійкість проти дії зовнішнього середовища (кислот, лугів, води, повітря, газів, високої температури тощо).
Хімічні властивості металів і сплавів характеризують їхню здатність хімічно взаємодіяти з оточуючим робочим середовищем - утворювати сполуки, розчинюватися, піддаватися корозії або чинити опір діям агресивного середовища.

Не всі метали однаково стійкі до корозії. Так, Pb дуже стійкий до дії деяких кислот і лугів, а Fe і Сu таких властивостей не мають, Аu і Рt мають високу хімічну стійкість у воді, а Fе, Сu, Мg у воді руйнуються.

Для досягнення високої хімічної стійкості металевих деталей різних машин виробляють спеціальні нержавіючі кислотостійкі сталі, а також виконують різні захисні покриття.

Фізичні властивості. До фізичних належать теплові властивості (теплоємність, теплопровідність, температура плавлення, теплове розширення), електрична провідність, магнітна проникність, густина, колір тощо.
Теплоємністю називають здатність металу при нагріванні поглинати певну кількість теплоти.

Теплоємності різних металів порівнюють за значенням питомої теплоємності. Питома теплоємність - це кількість теплоти, необхідної для підвищення температури 1 кг металу на 1 °С. Питома теплоємність залежить від температури, хоча в багатьох випадках цією залежністю нехтують.

Теплопровідністю називають здатність металів передавати теплоту від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла.

Теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності λ , Вт/(м × град). Велику теплопровідність при 0 °С мають срібло, алюміній, мідь. Теплопровідність заліза майже у 5 разів менша, ніж міді. Малу теплопровідність мають марганець, вісмут, титан.

Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить теплоту, то при нагріванні та швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) у ньому утворюються тріщини. Деякі деталі машин (лопатки турбін, поршні двигунів) повинні виготовлятися з металів, що мають високу теплопровідність.

Температурою плавлення Тпл називають температуру переходу металу з твердого стану до рідкого.

Залежно від температури плавлення розрізняють:
тугоплавкі метали (W - 3416 °С, Re - 3180 °C, Та - 2950 °С, Nb - 2500 °С, Мо - 2620 °С, Нf - 2222 °С, Сr - 1903 °С, V - 1900 °С, Zr - 1852 °С, Ті - 1725 °С);
легкоплавкі метали (Sn - 232 °С, Рb - 327 °C, Zn - 419,5 °С, Аl - 660 °С).

Найнижчу температуру плавлення (-38,9 °С) має Нg.

До особливо тугоплавких сполук належать TiN - 3200 °С, HfN - 3580 °С, ZrС - 3805 °С, ТаС - 4070 °С, НfС - 4160 °С.

Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірі при нагріванні та зменшуватися при охолоджуванні.

Теплове розширення визначається коефіцієнтом лінійного розширення - α (к. л. р.), який характеризує збільшення одиниці довжини при нагріві на 1 від 0 °С.

Теплове розширення необхідно враховувати при зварюванні, куванні, гарячому штампуванні, при складанні точних з’єднань і приладів, при будівництві мостових форм, роботах з ремонту сільськогосподарської техніки.

Електрична провідність та електричний опір характеризують здатність металів проводити електричний струм. Висока електрична провідність необхідна, наприклад, для проводів електричного струму (Сu, Аl), і навпаки, при виготовленні електронагрівних приладів і печей необхідні сплави з високим електричним опором (ніхром, константан, манганін).

Малий питомий опір електричному струму (мкОм · м) при 20 °С мають: Аg - 0,0159; Сu - 0,0175; Аl - 0,025; великий питомий опір - Мn - 1,85; Ві - 1,068.

За електричною провідністю матеріали поділяють на провідники, напівпровідники та діелектрики. Провідники мають провідність σ > 106 (Ом · м)-1, напівпровідники σ = 10-8-106 (Ом · м) -1, діелектрики - σ < 10-8 (Ом · м) -1.

Електрична провідність металів залежить:
  - від ступеня їх чистоти. У чистих металів питомий опір менший, ніж у сплавів;
  - від температури, при підвищенні якої провідність зменшується.

Магнітні властивості. Магнітна проникність характеризується коефіцієнтом магнітної проникності.

Максимальну магнітну проникність мають Fе (до температури 768 °С), Ni, Со та деякі сплави (наприклад, Fе + Ni). Інші метали мають незначну магнітну проникність, їх вважають практично немагнітними.

Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі та для виготовлення магнітів.

Густина металу характеризується масою в одиниці об’єму. За густиною всі метали поділяють на легкі (менше 4500 кг/м3) і важкі. Густина має велике значення при створенні різних виробів. Наприклад, у літако- та ракетобудуванні прагнуть використовувати легші метали і сплави (алюмінієві, магнієві, титанові), що сприяє зниженню маси виробів.

Кольором називають здатність металів відбивати світлове випромінювання з відповідною довжиною хвилі й набувати при цьому забарвлення. Наприклад, Сu має рожево-червоний колір, Аl - сріблясто-білий.

Механічні властивості. Під механічними властивостями розуміють здатність металу чинити опір дії зовнішніх сил. При виборі матеріалу для виготовлення деталей машин необхідно враховувати його механічні властивості (міцність, пружність, ударну в’язкість, твердість і витривалість), їх визначають за допомогою механічних випробувань, при яких метали піддають дії зовнішніх сил (навантажень).

Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними або циклічними (повторно-змінними). Навантаження викликає у твердих тілах напруження та деформацію.

Напруження - відношення навантаження до одиниці площі поперечного перерізу зразка.

Деформація - зміна форми та розмірів твердого тіла під впливом зовнішніх сил.

Основні види деформації: розтягнення, стиснення, вигин, зріз, крутіння (рис. 1.1.29).
Рис. 1.1.29. Основні види деформації
Для визначення міцності, пружності та пластичності метали у вигляді зразків круглої (плоскої) форми випробовують на статичне розтягнення.

Випробовування проводять на розривних машинах і одержують діаграму розтягнення (рис. 1.1.30). На осі абсцис відкладають значення деформації, на осі ординат - навантаження, прикладене до зразка.
Рис. 1.1.30. Умовна діаграма розтягнення
Міцність - це здатність матеріалу чинити опір руйнуванню під дією навантажень.

Міцність оцінюється максимальним навантаженням, що витримує матеріал без руйнування, навантаженням, при якому відбувається пластична деформація. До характеристик поведінки матеріалу належить навантаження, при якому залишкове видовження досягає 0,05 %, навантаження, до якого застосовується закон Гука, а також навантаження, при якому відбувається руйнування.

Чим вище відносне видовження і звуження для матеріалу, тим він пластичніший. У крихких матеріалів ці значення близькі до нуля. Крихкість конструкційного матеріалу є негативною властивістю.

Ударна в’язкість - здатність матеріалу чинити опір динамічним навантаженням, яка визначається відношенням витраченої на руйнування зразка роботи до площі його поперечного перерізу.

Визначення ударної в’язкості особливо важливе для металів, які працюють при низьких температурах і виявляють схильність до холодноламкості. Чим нижчий поріг холодноламкості, тобто температура, при якій в’язке руйнування матеріалу переходить у крихке, і більший запас в’язкості матеріалу, тим надійнішим є матеріал.

Холодноламкість - це зниження ударної в’язкості при низьких температурах.

Циклічна в’язкість - здатність матеріалу поглинати енергію при повторно-змінних навантаженнях.

Матеріали з високою циклічною в’язкістю швидко гасять вібрації, які є причиною передчасного руйнування. Наприклад, чавун має високу циклічну в’язкість. Для і корпусних деталей чавун цінніший від вуглецевої сталі.

Твердість - здатність матеріалу чинити опір проникненню в нього іншого, твердішого тіла.

Високу твердість мають металорізальні інструменти: різці, свердла, фрези. Твердість металу визначають за Брінеллем, Роквеллом і Віккерсом.

Твердість металу в малих об’ємах оцінюють шляхом визначення мікротвердості. Наконечник приладу являє собою алмазну піраміду (чотиригранну) з кутом при вершині 136°. Мікротвердість оцінюють за величиною діагоналі відбитка.

Утомлюваність - процес поступового накопичення пошкоджень матеріалу під дією повторно-змінних напружень, які призводять до утворення тріщин і руйнувань.

Технологічні властивості.
Технологічні властивості характеризують здатність металу піддаватись обробці в холодному і гарячому стані, їх визначають при технологічних випробуваннях, оцінюючи придатність металу до того чи іншого способу обробки.

Після технологічних випробувань зразок оглядають. За відсутності тріщин, надривів, розшарування, зламу визнається, що він витримав випробування.

До найважливіших технологічних властивостей належать: оброблюваність різанням, зварюваність, ковкість, ливарні властивості тощо.

Оброблюваність різанням - одна з найважливіших технологічних властивостей, оскільки переважна більшість деталей вузлів і конструкцій піддається механічній обробці.

Одні метали обробляються добре, інші, які мають високу твердість - слабо. Дуже в’язкі метали і метали з низькою твердістю також погано обробляються. Покращити обробку сталі різанням можна термічною обробкою.

Зварюваність - здатність металів утворювати нерознімне з’єднання, властивості якого близькі до властивостей основного металу; її визначають випробуванням зварного зразка на вигин або розтяг.

Ковкість - здатність металу оброблюватися тиском у холодному чи гарячому стані без ознак руйнування.

Ковкість визначають випробуваннями на осаджування до заданого ступеня деформації. Якщо на боковій поверхні не утворюється тріщина, метал придатний для обробки тиском.

Ливарні властивості - здатність металів утворювати виливки без тріщин, раковин, інших дефектів.

Основні ливарні властивості - рідкоплинність, усадка, ліквація.

Рідкоплинність - здатність розплавленого металу добре заповнювати порожнину ливарної форми.

Усадка - зменшення об’єму металу при кристалізації. Вона є причиною утворення усадочних раковин і усадочної пористості в зливках і виливках.

Ліквація - неоднорідність хімічного складу сплавів, яка виникає при кристалізації й обумовлена тим, що сплави кристалізуються не при одній конкретній температурі, а в інтервалі температур.

Чим ширший температурний інтервал кристалізації, тим сильніше розвивається ліквація. Найсильнішими ліквуючими домішками є S, О2, Р, С. Вони найбільше впливають на ширину температурного інтервалу кристалізації. Технологічні властивості металів можна подати у вигляді схеми (рис. 1.1.31).
Рис. 1.1.31. Технологічні властивості металів