§ 1

Свойства металлов

Физические свойства. Для металлов характерны следующие признаки: металлический блеск, ковкость, тягу­честь, большая плотность, плавкость, высокая теплопровод­ность и электропроводность. К группе металлов относятся алюминий, вольфрам, железо, золото, иридий, кобальт, магний, марганец, медь, молибден, никель, ниобий, олово, платина, ртуть, свинец, серебро, сурьма, титан, торий, хром, цинк, цирконий и др. Углерод, хлор, фтор, азот, кислород, сера, фосфор, кремний, селен, теллур и др. являются неме­таллами.

Различают черные и цветные металлы. К черным метал­лам относят железо и его сплавы с углеродом (чугун, сталь, ферросплавы). К цветным — все остальные металлы, за исключением благородных и редкоземельных. Благород­ными металлами считают серебро, золото, родий, палладий, иридий и платину; они не окисляются на воздухе. К редко­земельным относят церий, европий, тулий, лютеций и др. — всего 15 элементов. Основные физические свойсГва метал­лов следующие. ' ’

Плотность — масса единицы объема, измеряемая в г/см3. Различают легкие и тяжелые металлы. К легким от­носят металлы, плотность которых менее 3,5 г/см3 (аДюми - ний, магний, литий, бериллий и др.). -

Теплоемкость — количество тепла, необходимое для на­грева 1 г вещества на 1°С, выражаемое в кал/г-град. С по­вышением температуры теплоемкость возрастает.

Теплопроводность — количество тепла в калориях, про­ходящее за 1 сек через площадку 1 см2 при разности темпе-

ратур в 1° на 1 см перпендикулярно к этой площадке; из­меряется в кал! см-сек-град. Теплопроводность зависит от температуры, поэтому всегда указывают пределы темпера­тур, в которых определена теплопроводность.

Тепловое расширение металла происходит при нагрева­нии, при остывании металл, наоборот, сжимается. Коэффи­циентом линейного расширения называют величину в мил­лиметрах, на которую удлиняется (или укорачивается) :тержень длиной 1 м при нагревании или охлаждении на ГС. Если длина стержня до нагревания (или охлажде­ния) /0, то при температуре t она равна:

If —• /о ( 1 ifc &t),

где а — коэффициент линейного расширения (греч. «альфа»).

Изменение объема металла при нагревании (или ох­лаждении) определяется коэффициентом объемного расши - эения, который равен утроенной величине а.

Удельное электрическое сопротивление (обозначают > — греч. «ро»)—способность металла проводить электри­ческий ток. Измеряют в омах на 1 м длины проводника се­чением 1 мм2. Чем выше удельное сопротивление, тем хуже металл проводит ток.

Металл, притягиваемый магнитом, обладает магнитны­ми свойствами (например, железо при температуре до 768°С, никель, хром и их сплавы). Немагнитными являют­ся цветные металлы (медь, алюминий и их сплавы) и желе­зо при температуре выше 768° С.

По температуре плавления металлы делят на легко­плавкие (алюминий, магний, свинец, олово и др.), с темпе­ратурой плавления ниже 800° С, и тугоплавкие (медь, желе­зо, никель и др.) —выше 800°С. В табл. 1 приведены физи - чесг х металлов.

являются кристаллическими телами и характеризуются определенным расположением атомов. Порядок расположе­ния атомов характеризуется пространственной кристалли­ческой решеткой. Твердые тела, у которых атомы располо­жены хаотически, называются аморфными (стекло, пласт­массы, клей и др.).

Кристаллы образуются при охлаждении жидкого метал­ла в центрах первичной кристаллизации, где в результате охлаждения атомы собираются в группы в том порядке,

те X я Ч >о те

 

как они будут расположены в кристаллической решетке. По мере охлаждения кристаллы растут за счет присоедине­ния новых. Кристаллы с неправильной или округленной формой называют кристаллитами (зернами). Чем выше скорость охлаждения, тем мелкозернистее структура. Мел­козернистое строение повышает прочность и вязкость ме­талла. Это обусловлено тем, что при деформации и разру­шении металла перемещение атомов происходит по плоско­стям скольжения (спайности) кристаллов; чем мельче кристаллы, тем больше в них плоскостей спайности, прочнее связь и выше сопротивление металла усилиям.

Кристаллические решетки могут иметь различную форму. Например, железо имеет две кристаллические решетки — объемно - центрированный куб (рис. 12, а) и гранецен­трированный куб (рис. 12, б). В первом слу­чае атомы железа расположены в вершинах. куба и один в центре, во втором — в вершинах уба и в центре каждой грани. Решетку бъемноцентрированного куба имеет так на­зываемое a-железо (альфа-железо), или фер­рит, при температуре до 910° С. При более высокой температуре (от 910 до 1400° С) a-железо переходит в ужелезо (гамма-желе­зо), так называемый аустенит, имеющий ре­шетку гранецентрированного куба. При на- ,греве от 1400°С до температуры плавления 1535°С) образуется 6-железо (дельта-желе­зо, имеющее такую же решетку, как и уже - лезо). Изменение кристаллической решетки металла в процессе нагревания или охлаждения проирходит вследствие образования новых центров кристаллизации и кристаллов с иным расположением атомов. Такой процесс называется вторичной кристаллизацией, а происходящие при этом изменения свойств металла — аллотропическими превращениями. Аллотропические превращения твердого a-железа в ужелезо (феррита в аустенит и обратно), проис­ходящие при температуре 768° С, обусловлены. вторичной кристаллизацией.

При изменении кристаллической решетки изменяются свойства металлов — прочность, пластичность, устойчи­вость против коррозии, магнитность и др. При прокатке, ковке, штамповке и других способах обработки давлением
металл получает пластические деформации, в результате которых его атомы перемещаются по плоскостям скольже­ния кристаллов, кристаллические решётки деформируются, а зерна приобретают вид волокон, вытянутых в направле­нии прокатки. От этого металл получает наклеп и становит­ся более прочным, но менее пластичным. Если наклепанный металл нагреть до определенной температуры, то происхо­дит восстановление первоначальной кристаллической ре­шетки и возникают новые зерна. Такой процесс называют рекристаллизацией, а соответствующую ему температуру — температурой рекристаллизации. Чем выше температура нагрева, тем крупнее зерна, полученные в процессе рекрис­таллизации металла.

Степень пластической деформации металла при обработ­ке также влияет на размеры зерен после рекристалли­зации.

Процессы вторичной кристаллизации (термообработку) широко используют в технике для придания металлам и сплавам необходимых механических свойств.

При расплавлении металлы могут смешиваться в опре­деленных соотношениях, образуя сплавы, которые при зас­тывании дают однородные твердые растворы металлов. Растворяться в металлах могут также неметаллические ве­щества— углерод, кремний, сера, фосфор и др. В твердых растворах атомы составных элементов могут или заменять друг друга в кристаллической решетке, или внедряться в решетку основного вещества между его атомами. В первом случае имеем твердый раствор замещения, во втором — раствор внедрения. Элементы, находящиеся в сплавах в ви­де химических соединении, образуют - с твердым раствором механическую смесь.

Обычно сплавы называют по виду образующих их эле­ментов: железоуглеродистые (чугун и стали), медноцинко­вые (латуни), алюминиевомагниевые и др.

Если отполировать поверхность металла (сплава) и про­травить соответствующими реактивами, то можно невоору­женным глазом различить расположение зерен металла, называемое макроструктурой.

Макроструктура выявляет непровары, шлаковые вклю­чения, раковины, поры, трещины, несплавление и другие дефекты сварки.

Микроструктурой называют строение металла, видимое под микроскопом при увеличении от 100 до 2000 раз. По­верхность шлифа должна быть тщательно отполирована и

протравлена [6]. Микроструктура обнаруживает в сварном шве перегрев и пережог металла, наличие окислов по гра­ницам зерен, изменение состава металла от выгорания эле­ментов при сварке, микроскопические трещины, поры и пр.

Механические свойства. Качество металлов ха­рактеризуется механическими свойствами, к которым отно­сятся следующие.

Предел прочности, или временное сопротивление,— на­пряжение при наибольшем растягивающем усилии, при ко­тором наступает разрушение образца. Напряжением назы­вают нагрузку в кгс, приходящуюся на 1 мм2 площади се­чения материала [7]. Предел прочности измеряется в кгс/мм2 и обозначается ов (греч. «сигма»).

Пример. Сечение образца 80 мм2; при растяжении он разорвал­ся под действием силы 3200 кгс; предел прочности

3200

ов =■-------- = 40 кгс/ммг.

в 80

Для испытания изготовляют образец круглого (рис. 13, а) или прямоугольного (рис. 13,6) сечения, ко­торый растягивают. на разрывной машине.

Расчетная длина 10 образца диаметром do равна 1а = 10с? о(длинные образцы) или /0 = 5d0 (короткие образ­цы). Для испытания литого и прокатанного основного мег талла применяют длинные образцы диаметром do = 10 и 20 мм. При испытании наплавленного металла используют короткие круглые образцы диаметром d0 = 6 мм, (образцы Гагарина). Для длинных плоских образцов 10 = 11,3]/Ft, для коротких /о = 5,65 /F0] здесь Fo — начальная площадь поперечного сечения образца.

Для сталей характерной величиной является предел те­кучести— нагрузка в килограмм-силах на 1 лізі2 площади поперечного сечения образца, вызывающая начало пласти­ческой деформации стали (удлинения) при постоянной ве­личине растягивающего усилия. В этот момент образец на­чинает удлиняться («течет»), в то время как растягиваю-

щее усилие не увеличивается. Через некоторое время удлинение прекращается и разрывающее усилие вновь воз­растает до тех пор, пока образец не разорвется. Для низко­углеродистой стали марки Ст. 3 предел текучести 22— 24 кгс/мм2, в то время как предел прочности этой стали 38—47 кгс/мм2. С повышением прочности и уменьшением пластичности предел текучести повышается, приближаясь по своему значению к пределу прочности. Предел текучести обозначается <гт.

Относительное удлинение (обозначается б — греч. «дель­та») — удлинение образца при растяжении, выраженное в процентах от первоначальной длины; характеризует плас-

а)

а

Ф

Рис. 13. Образцы для испытания на растяжение и диаграмма растяжения малоуглеродистой стали: а — цилиндрический, б — плоский, в — диаграииа растяжения

тичность металла, г. е. способность подвергаться деформа­ции, не разрушаясь при этом.

Пример. Длина образца /о=ЮО мм; до разрыва ои удлинился

до 125 мм; относительное удлинение

125—100

&= ----- —----- = 0,25, или 25%,

100

Относительное удлинение зависит от длины образца. Поэтому при указании величины удлинения около знака 6 ставят: для длинного образца цифру 10 (6ю), для коротко­го цифру 5 (65), показывающие отношение длины образца к диаметру.

На рис. 13, в показана диаграмма растяжения низко­углеродистой стали. До точки А напряжение пропорцио­нально относительному удлинению. Напряжение оп назы­вается пределом пропорциональности, или пределом упру­гости. На участке АВ в образце появляются остаточные деформации и пропорциональность между напряжением и относительным удлинением исчезает. Точка В с напряже­нием сгт будет соответствовать пределу текучести, так как на участке ВС образец продолжает удлиняться («течет») при постоянном напряжении от. В точке D напряжение дос­тигнет наибольшей величины и будет соответствовать пре­делу прочности сгв; в этот момент на образце образуется шейка, а разорвется он в точке D' при напряжении, мень­шем предела прочности.

Для изделий, подвергающихся ударным нагрузкам, должны применяться нехрупкие (вязкие) металлы. Это свойство характеризуется ударной вязкостью, которая вы­ражается работой в килограмм-сила-метрах (кгс-м), прихо­дящейся на 1 см2 сечения образца и вызывающей излом образца при ударе падающим грузом. Ударная вязкость обозначается ан.

Пример. При испытании на ударную вязкость излом образца площадью поперечного сечения 1 см2 произошел при падении груза 10 кгс с высоты 0,6 м. Ударная вязкость

10-0,6

а„ =------- - --- = 6 кгс-м/см*.

Испытание на ударную вязкость производят на специ­альных машинах — маятниковых копрах. Поднятый на за­данную высоту маятник получает определенный запас энергии. При падении маятник ударяет в середину образца и ломает его. Работа, затраченная на изгиб или излом об-

разца, определяется по разности высоты подъема маятника до и после удара. Образец для испытания на ударную вяз­кость (рис. 14) имеет прямоугольное сечение размером 10 X Ю мм и длину 55 мм. В середине образца на одной стороне делается надрез с радиусом закругления 1 мм.

Твердость. Для деталей, работающих на истирание, важна твердость, которая измеряется по диаметру отпечат­ка, получаемого при вдавливании в поверхность металла стального шарика (метод Бринелля), или по глубине вдав-

ливания: алмазного конуса (метод Рокведла) или алмаз­ной пирамиды (метод Виккерса). Твердость может также определяться по высоте отскакивания от поверхности ме­талла бойка со стальным или алмазным наконечником (ме­тод упругой отдачи). В технике применяют и другие мето­ды определения твердости. По твердости судят также о пределе прочности стали, который можно вычислить с достаточной точностью по формуле

ав = НВ (0,33 - г 0,36),

где ов — временное сопротивление, кгс/мм2;

НВ — твердость по Бринеллю.

При определении твердости используют приборы — пресс Бринелля, прибор Роквелла, прибор Виккерса. В прессе Бринелля шарик вдавливается под действием гру­зов. Диаметр отпечатка шарика (лунки) измеряется с по­мощью специальной лупы, а затем по таблице находят ве­личину твердости, обозначаемую НВ.

В приборе Роквелла алмазный конус имеет при вершине угол 120°. Конус вдавливается под действием грузов 150, 100 и 60 кгс. Глубина вдавливания отмечается стрелкой из­мерительного прибора— индикатора. Величину твердости определяют по разности глубин вдавливания конуса при полной и предварительной (10 кгс) нагрузках. Твердость

по Роквеллу обозначается HRA HRB HRC. Буквы А, В и С обозначают стандартные шкалы, соответствующие на­грузкам 60, 100 и 150 кгс. Наиболее употребительна на­грузка 150 кгс, соответствующая шкале С. Шкалу А ис­пользуют для очень твердых металлов. Для мягких метал­лов (например, цветных металлов) применяют нагрузку 100 кгс (шкалу В), а вместо алмазного конуса — стальной шарик диаметром 1,59 мм (1/16 дюйма).

Твердость по Виккерсу определяют по отношению вдав­ливающей нагрузки (от 5 до 120 кгс) к поверхности отпе­чатка, образуемого в исследуемом материале алмазной че­тырехгранной пирамидой с углом между гранями при вер­шине 136°. Площадь отпечатка определяют по таблицам,

Таблица 2 Механические свойства некоторых металлов и сплавов Металлы и сплавы Предел прочности V кгс/мм7 Относи­тельное удлинение St0. % Ударная вязкость ан, кгс»м/смг Твердость по Бри неллю ИВ Железо технически чистое типа «армко» ................................... 25—30 26—30 20—25 60—70 Сталь низкоуглеродистая лис­товая марки МСт 3 . . 38-47 21-23 14-19 140—150 Сталь качественная конструк­ционная марки 08, нормали­зованная...................... 32 33 17—18 136 То же, марки 40, нормализо­ванная... 50—54 15-19 6—9 160-200 Сталь нержавеющая хромонике­левая 1Х18Н9......................... 60-65 45 12,5—16 140-170 Чугун серый СЧ 12-28 . . При рас- 0,5 — 143-229 Чугун ковкий КЧ 37-12 ... тяжении 12; при изгибе 28 37 12 149 Медь М3, мягкая........................ 25 43 16—18 45 Латунь Л62, мягкая. . . 40 50 12—14 60 Бронза алюминиевая, горячека­таная Бр А5 .... 33—40 50—65 11 60 Алюминиевомагниевый сплав АМц, мягкнн.................................. 10-12 32—40 4—5 15—25 Дюралюминий Д-1Т после за­калки и естественного старе - ния........ ............. 38-42 15—18 3 100 Свинец листовой.......................... !,Б 50 _ _ 4 Олово литое.................................. 2,5-4 45—60 _ _ 5,6 Титан технический........................ 45—56 25 — 140—200

зная длину его диагонали, измеряемой микроскопом. Твер­дость по Виккерсу обозначается HV. Данные о механичес­ких свойствах некоторых металлов и сплавов приведены в табл. 2.

При определении твердости тонких слоев (например, на­клепанного слоя, защитного покрытия) или отдельных зе­рен металла применяют испытание на микротвердость. Его производят с помощью приборов, представляющих собой совмещение микроскопа с механизмом для вдавливания в поверхность металла алмазной пирамиды при небольших нагрузках (от 5 до 200 гс). После вдавливания пирамиды измеряют под микроскопом диагональ отпечатка. Микро­твердость вычисляют по таблицам и обозначают НД.

Испытание на выносливость (усталость). При действии нагрузок, переменных по величине и направ­лению, деталь - может разрушиться при напряжениях ниже предела прочности или предела текучести. Это вызывается усталостью металла под действием многократно изменяю­щейся нагрузки.

Для испытания на усталость изготовляют образцы, ко­торые подвергают вращению при одновременном воздейст­вии одной или двух изгибающих нагрузок, вызывающих переменные напряжения растяжения и сжатия. Для вос­произведения длительного действия нагрузок образец под­вергают большому количеству знакопеременных нагрузок (циклов), достигающих для черных металлов 107, для цвет­ных (3+5) • 107. Напряжение, выдерживаемое металлом при данном числе циклов без разрушения, называют преде­лом выносливости.

Технологические пробы. Если необходимо опре­делить пригодность металла для данного вида обработки, его подвергают технологической пробе. Обычно эти испыта­ния проводят для выявления пластичности металла при операциях, вызывающих значительные деформации.

На рис. 15 показаны некоторые виды технологических проб. При испытании пластичности металла шва (рис. 15,а) измеряют угол а (рис. 15 6), при котором на по­верхности шва показывается первая трещина. Чем больше угол а, тем выше пластичность. Лучшим считается металл, у которого угол загиба 180°. Для ответственных'конструк­ций из стали считается допустимым угол загиба а не ме­нее 70°.

Для определения способности металла к деформации применяют осадку в холодном состоянии (рис. 15,в). Ме­талл считается пригодным для холодной осадки, если при сжатии образца с высоты А до высоты А, (А, < А) в нем не возникли трещины или изломы.

Для испытания труб применяют сплющивание (рис. 15, г) до размера b или вплотную образца трубы, у которого длина равна диаметру. В образцах из сварных

Сима Рис. 15. Некоторые виды технологических проб

труб продольный шов располагают в плоскости, перпенди­кулярной к линии действия силы. Испытание труб на загиб в холодном состоянии (рис. 15,(9) производят вокруг оправ­ки, радиус R которой указывается в технических условиях. Трубу заполняют сухим песком или заливают расплавлен­ной канифолью. После изгиба на 90° в трубе не должно быть трещин,-надрывов и расслоений. Применяют также технологические пробы труб на обжатие и бортование.

Проволоку испытывают навиванием на круглую оправ­ку или многократным перегибом в тисках до излома.

Листовой металл до 2 мм подвергают пробе на вытяги­вание (метод Эриксена). Для этого вырезают пластинку,

зажимают в приборе и подвергают вдавливанию шпинде­лем с шариком на конце. Чем больше перемещение шпин­деля (вытяжка металла) до появления мелких трещин на наружной поверхности образца, тем пластичнее металл.

Самой простой пробой листового металла является из­гиб в холодном состоянии на 180° до соприкосновения сто­рон. Пластичный металл при этом не должен давать трещин.

§ 2