Свойства металлов и сплавов, их измерители

Различают физические, химические, механические и технологические свойства металлов и сплавов.

Физические свойства металлов определяются их фи­зическим состоянием или отношением к различным фи­зическим процессам (действию высоких и низких темпе­ратур, электрического тока и др.). К ним относятся плотность, температура плавления, кристаллизации, те­плопроводность, температурное расширение, электриче­ское сопротивление, электрическая проводимость и др.

Плотность — это масса единицы объема металла в абсолютно плотном состоянии (кг/м³). Абсолютная плот­ность называется также удельным весом (массой).

Температура плавления — это температура, при ко­торой металл из твердого состояния переходит в жидкое (расплавленное). Температура, при которой металл при охлаждении переходит из расплавленного состояния в твердое, называется температурой кристаллизации,

Способность материала передавать тепло через тол­щу от одной своей поверхности к другой называется теплопроводностью. Она определяется коэффициентом теплопроводности, показывающим количество тепла, проходящее через образец материала толщиной 1 м и площадью 1 м² в течение часа при разнице температур на противоположных сторонах образца 1°C.

Температурное расширение — это способность мате­риала расширяться вследствие нагревания. Она харак­теризуется коэффициентом линейного расширения, по­казывающим, на какую долю первоначальной длины расширился материал при повышении температуры на 1°C.

Электрическое сопротивление определяется способ­ностью материала сопротивляться прохождению элек­трического тока. Оно измеряется в омах (Ом).

Электрическая проводимость — способность мате­риала проводить электрический ток. Единица — сименс (См).

Химические свойства металлов определяются их со­противляемостью воздействию окружающей среды, кис­лот, щелочей и других химических реагентов. Для оцен­ки степени разрушения металлов в различных средах служит показатель, который называется коррозионной стойкостью. Он определяется скоростью коррозии, т. е. массой материала, превращенной в ржавчину с единицы поверхности за единицу времени, либо толщиной разру­шенного слоя (мм/год). Характеристиками коррозионной стойкости могут быть также изменение массы изделия, его механических свойств, электросопротивления и коли­чество выделившегося водорода за определенный период времени.

Механические свойства металлов определяют их спо­собность сопротивляться действию внешних механиче­ских сил. К ним относятся прочность, пластичность, твердость, хрупкость, выносливость, усталость, упру­гость, истираемость, сопротивление износу и ползучесть.

Прочность — это свойство материала сопротивляться разрушению под действием приложенных механических сил.

Пластичность —свойство металла необратимо дефор­мироваться без нарушения сплошности под действием механических нагрузок, поглощая при этом механиче­скую энергию.

Твердость — это свойство материала сопротивляться проникновению в него другого, не получающего остаточ­ной деформации тела.

Хрупкость определяется способностью материала раз­рушаться без заметного поглощения механической энер­гии.

Свойство материала выдерживать, не разрушаясь, большое число повторно переменных напряжений назы­вается выносливостью. Постепенное разрушение мате­риала при большом числе повторно-переменных напря­жений называется усталостью.

Упругость — свойство материала восстанавливать свою форму и объем после снятия нагрузки. Она обу­словлена взаимодействием между атомами и их тепло­вым движением.

Истираемость — свойство материала сопротивляться действию внешних механических сил (сил трения), вы­зывающих постепенное разрушение его поверхности.

Сопротивление износу — свойство материала сопро­тивляться одновременному действию истирания и уда­ров.

Ползучесть — свойство материала медленно и непре­рывно деформироваться при постоянном напряжении и повышенной температуре.

Для определения механических свойств металлов проводят статические испытания на растяжение, сжа­тие, изгиб и кручение, динамические испытания на удар­ную вязкость, а также испытания на усталость, ползу­честь, длительную прочность и твердость.

Основными характеристиками механических свойств, определяемыми статическими испытаниями на растяже­ние, сжатие, изгиб и кручение, являются пределы теку­чести, пропорциональности, упругости, истинное и вре­менное сопротивление разрыву, измеряемые в паскалях (Па), а также относительное и остаточное удлинение и относительное сужение.

Динамические испытания позволяют определить важнейшую механическую характеристику металлов, подвергающихся воздействию ударных нагрузок, — ударную вязкость (Дж/м²).

Испытания на усталость проводят для металлов, эксплуатируемых в условиях длительных повторно-пере­менных нагрузок, результатом которых является возник­новение на поверхности и разрастание трещин, приводя­щих в конечном счете к разрушению. Испытания на усталость позволяют определить предел выносливости (Па).

Испытания на ползучесть и длительную прочность необходимы для металлов, эксплуатируемых в условиях высоких температур и длительных нагрузок. При этом основными характеристиками являются условный пре­дел ползучести и длительная прочность.

Наиболее распространенными методами определения механических свойств металлов являются испытания на твердость. Они основаны на статическом вдавливании стального закаленного шарика (метод Бринелля), ал­мазного конуса или стального закаленного шарика (ме­тод Роквелла) или алмазной пирамиды (метод Виккер­са) на специальных приборах, называемых твердомера­ми. Соответственно определяется число твердости по Бринеллю (HB), Роквеллу (HR) и Виккерсу (HV),

Для определения твердости отдельных зерен метал­ла или разных частей одного зерна производят испыта­ние на микротвердость. Измерения производят на спе­циальных приборах вдавливанием алмазной пирамиды и исследованием получаемого отпечатка при помощи ме­таллографического микроскопа.

Известны также динамические методы измерения твердости.

К ним относятся метод упругого отскока бойка (по Шору), а также измерение твердости способом ударно­го отпечатка. Максимальная твердость материалов, по Шору, равняется 100 единицам.

Технологические свойства металлов определяют их способность подвергаться различным методам обработ­ки. К ним относятся обрабатываемость резаньем и дав­лением, свариваемость, упрочняемость, а также литей­ные и другие свойства.

Обрабатываемость резаньем оценивается скоростью затупления резца при точении на заданных режимах с обеспечением необходимых параметров получаемой

поверхности. Она измеряется в процентах к скорости обработки стали или свинцовистой латуни.

Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии оценивают технологическими пробами на усадку, изгиб, вытяжку сферической лунки и др., а так­же показателями пластичности, твердости и упрочняемости.

Свариваемость — это свойство металлов образовы­вать неразъемные соединения с требуемыми механиче­скими свойствами.

Литейные свойства определяются совокупностью та­ких показателей, как температура плавления и кристал­лизации, плотность, жидкотекучесть, усадка, и Др.

Упрочняемость — это способность металлов приобре­тать более высокие механические показатели после ме­ханической и термической обработок.