Учебное пособие: Физические и химические свойства

ФИЗИЧЕСКИЕ И ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

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

Цветом называют способность металлов от­ражать световое излучение с определенной дли­ной волны. Например, медь имеет розово-крас­ный цвет, алюминий — серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плот­ности все металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м³ ) и тяжелые. Плотность имеет боль­шое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стре­мятся 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.) V легкоплавкие (олово 232°С, свинец 327°С, цинк 419,5°С, алюминий 660°С). Темпера­тура плавления имеет большое значение при вы­боре металлов для изготовления литых изделий, сварных и паяных соединений, термоэлектриче­ских приборов и других изделий. В единицах СИ температуру плавления выражают в граду­сах Кельвина (К).

Теплопроводностью называют, спо­собность металлов передавать тепло от более на­гретых к менее нагретым участкам тела. Сереб­ро. 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 де­талей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образу­ются трещины. Некоторые детали машин (порш­ни двигателей, лопатки турбин) должны быть из­готовлены из материалов с хорошей тeплопpoводностью. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/ (м*К).

Тепловым расширением называют спо­собность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаж­дении. Тепловое расширение характеризуется коэффициентом линейного расширения α = (l₂ –l₁ ) [l₁ (t₂ – t₁ )], где l₁ и l₂ длины тела при температурах t ₁ и t₂ . Коэффициент объемного расширения равен 3 α. Тепловые расширения должны учитываться при сварке, ковке и горя­чей объемной штамповке, изготовлении литей­ных форм, штампов, прокатных валков, калибров, выполнении точных соединений и сборке приборов, при строительстве мостовых ферм, ук­ладке железнодорожных рельс.

Теплоемкостью называют способность ме­талла при нагревании поглощать определенное количество тепла. В единицах СИ имеет размер­ность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемко­сти — количеству тепла, выраженному в боль­ших калориях, которое требуется для повыше­ния температуры 1 кг металла на 1°С (в едини­цах СИ — Дж/(кг.К).

Способность металлов проводить электриче­ский ток оценивают двумя взаимно противопо­ложными характеристиками — электропро­водностью и электросопротивлени­ем. Электрическая проводимость оценивается в системе СИ в сименсах (См), а удельная электро­проводность — в См/м, аналогично электросо­противление выражают в омах (Ом), а удельное электросопротивление — в Ом/м. Хорошая элек­тропроводность необходима, например, для токоведущих проводов (медь, алюминий). При изго­товлении электронагревателей приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротив­лением (нихром, константан, манганин). С по­вышением температуры металла его электропро­водность уменьшается, а с понижением — увели­чивается.

Магнитные свойства характеризуются абсолютной магнитной проницаемостью или маг­нитной постоянной, т. е. способностью металлов намагничиваться. В единицах СИ магнитная по­стоянная имеет размерность Гн/м. Высокими магнитными свойствами обладают железо, ни­кель, кобальт и их сплавы, называемые ферро­магнитными. Материалы с магнитными свойства­ми применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства. Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов со­противляться окислению или вступать в соеди­нение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами/тем быстрее он разрушается. Хими­ческое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды на­зывают коррозией.

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

Сопротивление металлов коррозии, окалине-образованию и растворению определяют по из­менению массы испытуемых образцов на едини­цу 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.

§ 4. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Способность металла сопротивляться воздейст­вию внешних сил характеризуется механическими свойствами. Поэтому при выборе материала для изготовления деталей машин необходимо прежде всего учитывать его механические свой­ства: прочность, упругость, пластичность, ударную вязкость, твердость и выносливость. Эти свойства определяют по результатам механиче­ских испытаний, при которых металлы подверга­ют воздействию внешних сил (нагрузок). Внеш­ние силы могут быть статическими, динамически­ми или циклическими (повторно-переменными). Нагрузка вызывает в твердом теле напряжение и деформацию.

Напряжение — величина нагрузки, отне­сенная к единице площади поперечного сечения испытуемого образца. Деформация—изме­нение формы и размеров твердого тела под вли­янием приложенных внешних сил. Различают де­формации растяжения (сжатия), изгиба, круче­ния, среза (рис. 8). В действительности матери­ал может подвергаться одному или нескольким видам деформации одновременно.

Для определения прочности, упругости и пластичности металлы в виде образцов круглой или

Рис. 8. Виды деформаций:

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

плоской формы испытывают на статическое рас­тяжение (ГОСТ 1497—73). Испытания проводят на разрывных машинах. В результате испытаний получают диаграмму растяжения (рис. 9). По оси абсцисс этой диаграммы откладывают значе­ния деформации, а по оси ординат — нагрузки, приложенные к образцу.

Прочность — способность материала со­противляться разрушению под действием нагру­зок оценивается пределом прочности и пределом текучести. Важным показателем прочности мате­риала является также удельная прочность — от­ношение предела прочности материала к его плотности. Предел прочности σв (временное со­противление) —это условное напряжение в Па (Н/м² ). соответствующее наибольшей нагруз­ке, предшествующей разрушению образца: σв = Pmax/Fo, где Рmах — наибольшая нагрузка, Н; Fo—начальная площадь поперечного сечения рабочей части образца, м² . Истинное сопротивле­ние разрыву Sk— это напряжение, определяемое отношением нагрузки Рк в момент разрыва к площади минимального поперечного сечения об­разца после разрыва Fк (Sк = Рк/ Fк).

Предел текучести (физический) σ т — это наи­меньшее напряжение (в МПа), при котором об­разец деформируется без заметного увеличения нагрузки: σт = Рт/ Fо, где Рт — нагрузка, при которой наблюдается площадка текучести. Н.

Площадку текучести имеют в основном только малоуглеродистая сталь и латуни. Другие спла­вы площадки текучести не имеют. Для таких ма­териалов определяют предел текучести (услов­ный), при котором остаточное удлинение достига­ет 0,2% от расчетной длины образца: σо = P₀ ,₂ /Fo.

Упругость — способность материала вос­станавливать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки Руп оце­нивают пределом пропорциональности σпц и пре­делом упругости σун.

Предел пропорциональности σпц — напряжение (МПа), выше которого нарушается пропорциональность между прилагаемым напря­жением и деформацией образца σ пц = Рпц / Ро.

Предел упругости (условный) σ_0,05 — это условное напряжение в МПа. соответствую­щее нагрузке, при которой остаточная деформа­ция впервые достигает 0,05 %, от расчетной длины образца lo: σ_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, характери­зуется относительным удлинением и относитель­ным сужением.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--