ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПОСОБЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ
К металлам относится железо и алюминий, медь и свинец, титан и вольфрам, и еще множество элементов. Каждый материал обладает только ему присущим качеством, независимо от того, оцениваем ли мы его или нет. С другой стороны, качество можно охарактеризовать множеством свойств, которые нам кажутся наиболее важными в той или иной ситуации. По внешнему виду, например, алюминий выглядит светло-серебристым, а медь — красной. Магний, алюминий и титан по первому ощущению кажутся легкими, свинец и вольфрам тяжелыми. При нагревании свинец из кристаллического (твердого) состояния превращается в жидкость уже при 324 ?С, тогда как вольфрам остается твердым до температур в 10 раз более высоких (температура плавления вольфрама 3400 ?С).
Поэтому то или иное отдельно взятое свойство еще не может охарактеризовать качество материала. Поэтому, для более или менее полной характеристики качества определяют несколько свойств, наиболее важных для конкретных условий их применения. Все основные свойства материалов условно можно подразделить на следующие группы: химические, физические и механические.
К химическим характеристикам материалов относят:
- химический состав, в том числе наличие примесей, легирующих элементов;
- способность к химическому взаимодействию с кислотами и щелочами;
- коррозионная стойкость, определяемая в различных условиях химически активной воздействующей на материал среды, и некоторые другие свойства.
К физическим свойствам относят:
- плотность (удельный вес) и способность материала изменять ее и размеры изделия при температурном воздействии (тепловое расширение);
- электропроводность и электросопротивление;
- комплекс магнитных характеристик, таких, например, как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость и др.;
- комплекс теплофизических свойств, таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоизлучения, степень черноты поверхности и др.
К механическим свойствам относят:
- твердость, определяемая различными методами, в том числе по Бринеллю, Роквеллу, микротвердость вдавливанием, царапанием и др.;
- комплекс механических свойств, определяемых при растяжении (сжатии, кручении, изгибе) образцов, включающий (при растяжении) значения временного сопротивления разрыву (или предела прочности), предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести, характеристик относительного удлинения и относительного сужения;
- предел выносливости, как характеристика, определяемая при многократных знакопеременных нагрузках при растяжении-сжатии, кручении и изгибе;
- ударная вязкость, определяемая при динамическом нагружении изгибом;
- жаропрочность;
- износостойкость и др.
Химические свойства
Механические свойства металов на примере диаграммы растяжения
... свойства материалов. Поэтому материалы испытывают на растяжение, сжатие, сдвиг, кручение, изгиб и твердость. Большинство механических характеристик металла определяют ... Dlост) остается (рис. 2). Рис. 2. Диаграмма растяжения металла При деформировании твердого тела внутри него ... нагружения сопротивление малым пластическим деформациям характеризуется пределом упругости, при длительном статическом или ...
Химический состав материалов определяет их строение, в том числе их фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни и бронзы и т.д.
При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов, но уже здесь можно назвать стали углеродистые и легированные, например, хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые и др. Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, в связи с чем количество примесей резко ограничивается. В связи с этим, например, различают стали обычного качества, стали качественные и стали повышенного качества. Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми с различной степенью чистоты.
Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями Государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов. В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.
Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые можно всегда определить их химический состав. Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что соответствует содержанию примесей не более (соответственно) 0,05%; 0,3%; 0,2%; 0,1%; 0,01%; 0,001%.
Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют содержанию углерода в сталях 0,1%, 0,15%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,45% и т.д. Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 — просто номер. Такие же примеры из области алюминиевых сплавов АЛ5; АЛ4; АЛ9. Здесь цифры — номер сплава по ГОСТ. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.
Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами — аналитической химии, а также методами физико-химического: спектрального, рентгеноспектраотного, спектрально-флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др. Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных. Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическими методами — так называемым методом «меченых атомов», с применением радиоактивных изотопов.
Алюминий и сплавы на его основе
... использовать алюминий для различных теплообменников. Коррозионная стойкость определила применение алюминия в пищевой промышленности (посуда, цистерны для молока). Применение алюминия как конструкционного материала ... их выпускают в виде листов, труб, прессованных и катаных профилей. Таблица 8.1 Химический состав и механические свойства дуралюминов Марка сплава (стали). Химический состав, % масс. ...
Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами — это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.
Коррозионная стойкость материала — его эксплуатационное свойство. Она характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды и др.
Высокая коррозионная стойкость обеспечивается определенным химическим составом сплава, его структурой, что, в свою очередь определяется способом и режимами термической обработки. Поэтому коррозионная стойкость является одним из важнейших химических свойств материалов, потому что ее повышение часто становится главной задачей при создании новых сплавов, материалов и покрытий.
Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.
Физические свойства
Плотность характеризует массу вещества в единице объема. Она, с одной стороны, зависит от строения и массы атома, а с другой — упаковкой атомов в кристаллической решетке вещества, а кроме того может изменяться при наличии в металле дефектов ( микро- и макродефектов).
Следовательно, это свойство может быть использовано для определения количества входящих в состав материала компонентов, если известны эти элементы. Кроме того, при известном и постоянном химическом составе материала определение плотности может дать информацию о количестве дефектов в реальном изделии (макро- микропор, точечных дефектов — вакансий).
Теоретическую плотность материала определяют расчетным путем по количеству входящих в него компонентов и их атомному весу. Реальная плотность материала определяется экспериментально и может быть рассчитана после прямого взвешивания образца и точного измерения его размеров. Основным наиболее точным методом определения плотности является метод гидростатического взвешивания согласно закону Архимеда, согласно которому «на тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости вытесненной телом». Метод реализуется двукратным взвешиванием: на воздухе и жидкости (воде, спирте) с точной известной плотностью при контролируемой температуре с последующим расчетом.
Изменение объема и линейных размеров тела с ростом температуры вызывает изменение плотности и учитывается через характеристику коэффициента линейного и объемного теплового расширения. Этот коэффициент становится самостоятельной характеристикой физических свойств материалов.
Электропроводность и электросопротивление — это структурночувствительные свойства материалов. Они зависят не только от типа металла — основы сплава, но и от соотношения компонентов в материале, от размеров частиц рассматриваемого материала, от концентрации компонентов в фазах. Измерения электропроводности и электросопротивления дают информацию о структуре сплавов, о развивающихся при технологических переделах процессах перестройки кристаллической решетки, об изменении количества (соотношения) фаз в сплавах при нагревах и охлаждениях.
Классификация горюче-смазочных материалов, их свойства и сферы применения
... и применения эффективных присадок, повышающих функциональные свойства нефтепродуктов. Порядок снабжения ГСМ и спецжидкостями Снабжение организаций горюче-смазочными материалами осуществляется как централизованно, так и ... по предупреждению порчи горючего и масел: периодический контроль качественного состояния и освежение запасов. Порядок заправки автомобилей ГСМ Заправка автомобилей производится на ...
Кроме того, электросопротивление и электропроводность для электротехнических материалов являются важнейшими эксплуатационными свойствами, и, следовательно, могут использоваться в качестве контрольных характеристик, оценивающих качество изделий после их получения согласно тем или иным технологическим процессам получения изделий.
Заданные магнитные свойства материалов могут являться конечной целью определения магнитных характеристик для деталей типа постоянных магнитов, трансформаторной и динамной стали. Основные магнитные свойства определяются в результате анализа так называемой «петли магнитного гистерезиса».
Основными характеристиками магнитных свойств является намагниченность насыщения, коэрцитивная сила, магнитная проницаемость, магнитная восприимчивость и др.
Кроме того, магнитные свойства часто коррелируют с изменением механических характеристик обрабатываемых материалов, в связи с чем их используют для создания неразрушающих методов контроля качества стальных изделий и других ферромагнитных материалов.
Теплофизические свойства
Основными теплофизическими свойствами конструкционных материалов, как уже указывалось, являются теплоемкость и теплопроводность веществ. Эти характеристики важны для анализа процессов нагрева и охлаждения в различных условиях получения изделий и в процессах эксплуатации. Их значения определяются прямыми температурными измерениями в условиях выполнения экспериментов с использованием специальных теплообменных устройств и расчетов на основе классических законов термодинамики. Известные результаты измерений теплоемкости и теплопроводности различных материалов концентрируются в специальных справочных изданиях, которые рекомендуется использовать для любых расчетов, включая процессы теплообмена как внутри рассматриваемого изделия, так и при взаимодействии его поверхности с окружающей технологической средой.
Механические свойства
Механические свойства характеризуют способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием приложенных нагрузок.
Простейшим механическим свойством является твердость.
Твердость — это способность материала сопротивляться вдавливанию в него более твердого тела под действием внешних сил. Простейший пример: глина, размоченная в воде, и глина, высохшая на солнце. При надавливании на поверхность глины, размоченной в воде остается ямка (отпечаток).
Чем мягче глина, тем больше отпечаток. В высохшую глину вдавить палец невозможно. Размер отпечатка равен нулю. Эта глина «твердая».
Для испытания твердости металлических материалов вдавливают пирамиду, конус или шарик, в связи с чем различают методы испытаний, соответственно, по Виккерсу, Роквеллу и Бринеллю. Кроме того, существуют менее распространенные методы испытания твердости: метод упругого отскока (по Шору), метод сравнительной твердости (Польди) и некоторые другие.
Сравнительная оценка потребительских свойств шампуня
... - первый бесщелочной шампунь для волос, формула которого стала основой многих современных шампуней. Производство шампуней и других средств, ... состав шампуней входят синтетические моющие вещества, которые придают шампуням хорошие моющие и пенообразующие свойства. Однако такие шампуни ... в конце концов компенсируется усилением работы сальных желез. Шампуни для жирных волос содержат добавки, ...
Твердость по Виккерсу определяют путем вдавливания в металл алмазной пирамиды с углом при вершине 136 ? под действием постоянной нагрузки: 5, 10, 20, 30, 50 или 100 кгс и выдержки под нагрузкой 10-15 с (30с для цветных сплавов).
После снятия нагрузки с помощью микроскопа прибора определяют длину диагонали отпечатка. В ГОСТ 2999-75 имеется таблица зависимости твердости от величины нагрузки и длины диагонали. Поэтому на практике расчетов не производят, а пользуются готовой расчетной таблицей.
По методу Бринелля вдавливают шарик диаметром 10, 5 или 2,5 мм под действием нагрузок 3000, 1000, 750, 250 или 62,5 кгс (ГОСТ 9012-59).
Полученный круглый отпечаток измеряют и по таблицам находят величину твердости по Бринеллю, значение которой до 400 — 450 НВ почти совпадают со значениями твердости по Виккерсу, но при больших значениях отклоняются вследствии деформации стального шарика.
По методу Роквелла (ГОСТ 9013-59) вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120 ? (шкалы А и С) или стальной шарик диаметром 1,5875 мм (шкала В).
При этом определяют твердость, соответственно HRA, HRC и HRB.
При испытаниях измеряют глубину восстановленного отпечатка. Шкалы А и С между собой совпадают, поскольку испытания проводят одним и тем же индентором — алмазным конусом, но при разных нагрузках: 60 и 150 кгс, соответственно.
Механические свойства металлов при растяжении
Испытание на растяжение проводят в соответствии с ГОСТ 1497-84. Для испытаний применяют специальный образец, вырезанный из детали или специально изготовленный. Размеры образцов регламентированы указанным стандартом. Растяжение образца производят на специальных машинах, позволяющих фиксировать величину прилагаемой нагрузки и изменение длины образца при растяжении. Эти же машины позволяют записывать изменение длины образца при увеличении нагрузки (рисунок 1.4).
Измеряя величину нагрузки в характерных точках диаграммы испытаний на растяжение определяют следующие характеристики механических свойств:
у р — предел пропорциональности;
у 0,05 — предел упругости;
у т — предел текучести;
у в — временное сопротивление разрыву или предел прочности материала.
Очень важной характеристикой механических свойств является ударная вязкость, характеризующая работу, затрачиваемую на разрушение образца при ударе. Ударная вязкость испытывается на маятниковом копре с постоянным запасом работы маятника (ГОСТ 9454-60 — испытание на удар при комнатной температуре; ГОСТ 9455 — 60 — при низких температурах, ниже нуля градусов Цельсия; ГОСТ 9456-60 — при повышенных температурах).
На разрушение ударом образца затрачивается только часть энергии маятника, в связи с чем маятник после разрушения образца продолжает двигаться, отклоняясь на определенный угол. Чем больше величина работы, затрачиваемой на разрушение образца, тем на меньший угол он отклоняется от вертикали после разрушения. Величиной этого угла и определяют работу, затраченную на разрушение. Работу разрушения относят к площади поперечного сечения образца в месте излома. Ударная вязкость обозначается KCU и имеет размерность МДж/м 2 (МДж/см2 ) или кгсМм/см2 .
Атомно-кристаллическое строение металлов
... атомами. В связи с этим в металле атомы располагаются закономерно, образуя правильную кристаллическую решетку, что соответствует минимальной энергии взаимодействия атомов. Металлические состояния характеризуются высокой энергией связи между ...
Кристаллическая структура металлов
Изучение металлов в соответствии с периодической системой элементов Менделеева показывает, что за исключением Mn и Hg элементы подгруппы А, в том числе переходные металлы и большинство редкоземельных элементов, а также металлы подгрупп IB и IIB и некоторые элементы группы IIIB, в том числе Al образуют одну из следующих типичных металлических структур:
А 1 — кубическая гранецентрированная решетка (ГЦК)
А 2 — кубическая объемно-центрированная решетка (ОЦК)
А 3 — гексагональная плотноупакованная решетка (ГПУ)
Кубической гранецентрированной решеткой обладают следующие металлы: — Fe, Al, Cu, Ni, — Co, Pb, Ag, Au, Pt и др.
В кубической гранецентрированной решетке атомы располагаются по вершинам элементарной ячейки и в центрах ее граней.
Рассматриваемая кристаллическая решетка имеет два вида пустот, (междоузлий, в которых могут располагаться более мелкие атомы других элементов в сплавах) образующих твердые растворы внедрения.
Наибольшие междоузлия или пустоты находятся в центре куба и посередине его ребер. Каждая из этих пустот окружена шестью атомами ГЦК решетки, занимающими места в вершинах правильного октаэдра. В связи с этим, они называются октаэдрическими пустотами. Такие положения различных элементов в гранецентрированной кубической решетке занимают атомы Na и Cl в решетке NaCl. Такие же положения занимает углерод в решетке — Fe.
Размеры тетраэдрических и октаэдрических пустот можно ощутить, если предположить, что решетка построена из жестких шаров, радиусом r, соприкасающихся друг с другом; в этом случае в имеющиеся промежутки можно было бы поместить сферы, радиусом 0,41 r и 0,225 r соответственно для октаэдрической и тетраэдрической пустот.
Наиболее плотноупакованными плоскостями в структуре гранецентрированного куба являются плоскости изображенные на рисунке. Объемно-центрированную кубическую решетку А 2 (ОЦК) имеют металлы — Fe, хром, вольфрам, молибден, ванадий, натрий, литий и другие. Структура А2 является менее плотноупакованной.
В структуре ОЦК также имеются 2 типа пустот. Крупные занимают положения на гранях куба. Они окружены 4 атомами, располагающимися в вершинах тетраэдра, ребра которых попарно равны. Более мелкие пустоты, окруженные 6 атомами, занимающими места в вершинах неправильного октаэдра, располагаются посередине ребер и граней ячейки. Если структуру ОЦК решетки построить из жестких шаров, то в тетраэдрические пустоты можно поместить сферы радиусом 0,292 r, а в октаэдрические — 0,154 r.
Таким образом, максимальный размер сферы, которую можно поместить в пустоты более плотно упакованной решетки ГЦК оказывается большим, чем в решетку ОЦК.
Внедрение других атомов в октаэдрическую пору ОЦК решетки вызывает смещение двух атомов в направлении параллельном ребру куба, что вызывает расширение решетки в этом направлении. В структуре мартенсита, где атомы углерода внедряются в октаэдрические пустоты, расположенные только на ребрах, параллельных оси С и в центрах граней, перпендикулярных этой оси, это приводит к тетрагональному искажению решетки — Fe.
Наиболее плотноупакованными плоскостями ОЦК являются 12 плоскостей семейства 110. В этих плоскостях имеются 2 направления, в которых жесткие шары могут соприкасаться.
Материаловедение и технология металлов
... для важнейшей в металловедении диаграммы состояния железоуглеродистых сплавов. Открытием аллотропических превращений в стали, Чернов ... -центрированной кубической решетки - 0,68, для гранецентрированной кубической решетки - 0,74) Рис.1.1. Схема кристаллической ... свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее ...
Гексагональной плотноупакованной решеткой А 3 (ГПУ) обладают такие металлы, как Zn, — Co, Cd, Mg, — Ti, — Zr.
Гексагональная решета построена из отдельных слоев, причем таким образом, что каждый атом любого слоя окружен 6 расположенными на равных расстояниях соседями, принадлежащими этому же слою, и, кроме того, имеет по три ближайших соседа в слоях, расположенных выше и ниже данного слоя.
Расстояние между атомами в гексагональных слоях обозначается через а, высота ячейки через с. Большинство металлов с гексагональной плотноупакованной решеткой имеет отношение осей с/а = 1,56 — 1,63. Исключения составляют Zn и Cd (1,86; 1,89).
Это связано с тем, что электронные облака атомов Zn и Cd не обладают сферической симметрией и вытянуты вдоль оси С. В гексагональной плотноупакованной решетке, также как и в ГЦК, имеется 2 вида пустот: октаэдрические и тетраэдрические.
Диаметры жестких сфер, которые могут быть помещены в эти пустоты также как и для ГЦК равны 0,41 r и 0,225 r.
Разница в энергетическом отношении между этими двумя решетками незначительна и, в связи с этим, последовательность чередования слоев может легко нарушиться при пластической деформации, а также в результате возникновения дефектов кристалла во время его роста, так называемых дефектов упаковки.
Углерод в виде алмаза, кремний, германий, — олово (серое) имеют двойную кубическую решетку типа алмаза. Она отличается от ГЦК решетки наличием в четырех из восьми тетраэдрических пустот дополнительно четырех атомов. В результате, структура оказывается более рыхлой.
Каждый атом алмаза окружен лишь четырьмя ближайшими соседями, располагающимися в углах правильного тетраэдра. Координационное число такой структуры равно 4.
Как было показано выше, одни и те же металлы при разных температурах могут иметь разное кристаллическое строение, что вызвано их аллотропией.
Аллотропическим (полиморфным) превращением называют изменение пространственной решетки кристаллического тела.
В качестве примеров аллотропических превращений можно привести превращение низкотемпературной аллотропической формы — Fe с объемно-центрированной кубической решеткой в высокотемпературную форму — Fe с гранецентрированной кубической решеткой, при температуре 910 С и последующее превращение при температуре 1392 С — Fe в — Fe с объемно-центрированной кубической решеткой, аналогичной — Fe. Аналогичные превращения можно наблюдать в титане, цирконии и т.д. В титане и цирконии низкотемпературной аллотропической формой являются — Ti, — Zr с гексагональной плотноупакованной решеткой. При температуре выше 882 С для титана и 862 С для циркония образуются — Ti и — Zr, обладающие объемно-центрированной решеткой.
Как вы видели, аллотропическое превращение заключается в том, что атомное строение кристаллического тела изменяется при нагреве и охлаждении. Сам процесс перестройки кристаллической решетки происходит изотермически при постоянной температуре, кривая охлаждения сплава претерпевающего аллотропические превращения, аналогична кривой, наблюдаемой при затвердевании жидкого металла. Температура перехода называется критической точкой превращения. При температуре (Т 0 ) наблюдается фазовое равновесие двух аллотропических разновидностей.
Полиморфные превращения металлов
н. полиморфных (аллотропических) модификациях). В результате полиморфного превращения атомы кристаллического тела, имеющего решетку одного типа, перестраиваются таким образом, что образуется кристаллическая решетка другого типа. Полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, для большинства металлов принято ...
Аналогично процессу кристаллизации аллотропическое превращение идет с поглощением тепла при нагреве и выделением его при охлаждении. Аллотропическое превращение (также по аналогии с процессом кристаллизации) происходит путем образования зародышей и их последующего роста, в связи с чем оно протекает всегда с наличием переохлаждения (при охлаждении) и перенагрева при нагреве.
Аллотропическое превращение происходит, так же как и процесс кристаллизации, в связи со стремлением системы к уменьшению свободной энергии.
