Свойства металлов; химические, физические, механические

Свойства металлов – химические, физические, механические

Когда-то пресловутая фраза «люди гибнут за сталь» была символом важности данного материала в жизни людей. Да и сегодня он не потерял своей актуальности. Он активно используется в самых разных областях жизнедеятельности человека, начиная со строительства и производства высокотехнологичных изделий, заканчивая предметами роскоши и украшениями. По этой причине свойства интенсивно исследовались и сейчас изучаются ведущими умами и крупнейшими корпорациями.

Механические свойства металлов

Характеризуют механическое поведение металлов в определенных условиях. Подразделяются на статические, динамические и усталостные (циклические) свойства

1.1 Статические — определяемые в условиях медленного нагружения

1.1.1 Прочностные — способность сопротивляться пластической деформации (НВ, HRC, σв, σт)

1.1.2 Пластические — способность воспринимать деформацию (δ, ψ)

1.2 Усталостные — сопротивление материала знакопеременным нагрузкам (предел усталости σ-1)

1.3 Динамические — способность сопротивляться ударным нагрузкам (KCU, KCV, KCT)

Методы определения основных механических свойств металлов смотрим здесь

Свойства металлов

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Физические свойства металлов

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.

Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м 3 или г/см 3 .

Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.

Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.

Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.

Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см 2 , длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.

Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).

Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.

Химические свойства металлов

К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

Механические свойства металлов

Основными механическими свойствами металлов является их твердость, упругость, прочность, вязкость и пластичность.

При соприкосновении двух металлов могут образоваться микро вмятины, но более твердый металл способен сильнее противостоять ударам. Такая сопротивляемость поверхности металла ударам извне и есть его твердость.

Чем же твердость металла отличается от его прочности. Прочность, это способность металла противостоять разрушению под действием каких-либо других внешних сил.

Под упругостью металла понимается его способность возвращать первоначальную форму и размер, после того как нагрузка, вызвавшая деформацию металла устранена.

Способность металла менять форму под внешним воздействием называется пластичностью.

Металлы — технологические свойства

К основным технологическим свойствам стоит отнести следующие характеристики:

  • Жидкотекучесть (литейность) — способность материала в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, без оставления пустот.
  • Свариваемость — способность выполнять неразъемные соединения деталей под действием различных видов сварки (газовая, электрическая, давлением).
  • Ковкость (деформируемость) — возможность менять форму изделия в горячем состоянии или при нормальной температуре под воздействием давления.
  • Прокаливаемость — способность улучшения различных свойств металла путем закалки на различную глубину.
  • Возможность выполнения обработки металла при помощи режущего оборудования показывает возможность выполнения токарных и фрезерных операций.

Все эти технологические свойства металлов и сплавов в комплексе и определяют дальнейшую сферу применения.

Ползучесть

Этот показатель определяет степень непрерывной пластической деформации при постоянном воздействии внешних и внутренних факторов. Вычисление этого параметра необходимы для определения жаропрочности металлов и их сплавов.

Для определения ползучести образец нагревают до определенной температуры. После этого наблюдают степень изменения его конфигурации с учетом приложенного напряжения. В зависимости от термического воздействия различают два вида испытаний на ползучесть:

  • низкотемпературное. Степень нагрева образца не превышает 0,4 от температуры его плавления;
  • высокотемпературная. Коэффициент нагрева больше 0,4 температуры нагрева.

Для проведения испытаний используют стандартные образцы прямоугольной или цилиндрической формы. При этом степень погрешности измерения не должна превышать 0,002 мм. В результате испытаний формируется кривая, характеризующая процесс ползучести.

В видеоматериале показан пример работы маятникового копера:

Основные механические показатели

Металлы получили широкое применение благодаря тому, что могут обладать различными эксплуатационными характеристиками. Наибольшее распространение получили следующие:

  1. Твердость определяется несколькими методами при использовании соответствующей оснастки.
  2. Предел прочности учитывается при производстве различных деталей, которые на момент эксплуатации подвержены воздействию различных нагрузок.
  3. Упругость — способность металла или сплава возвращать свою форму после того, как на поверхность перестает воздействовать нагрузка. Металлы обладают относительно невысоким показателем упругости.
  4. Под ударной вязкостью понимают сопротивление материала воздействию ударных нагрузок. Учитывается при производстве деталей, на которые в дальнейшем будет оказываться переменная нагрузка.
  5. Ползучестью называют свойство металла или сплава к медленной пластичной деформации при воздействии нагрузок. Как правило, параметр проявляется при воздействии высокой температуры, когда начинает перестраиваться кристаллическая решетка.
  6. Выделяют и усталость металла. Эта характеристика указывает на то, как материал будет разрушаться при воздействии большого числа повторно-переменных нагрузок. Кроме этого, выделяют выносливость — способность материала выдерживать подобные нагрузки.
  7. Точка плавления. Металлы и сплавы могут переходить из твердого состояния в жидкое при воздействии высокой температуры. Плавка может проходить при различных показателях температуры, которые и называют точной плавления.

Рассмотрим некоторые наиболее важные механические показатели, которые указываются в технической литературе.

Твердость материала

Твердость — характеристика, которая определяет способность одного металла сопротивляться проникновению в него другого твердого тела. Этот показатель один из основных, учитывается при производстве различных деталей, инструментов и изделий.

Выделяют несколько методов определения этого показателя:

  1. По Бринеллю проводится определение твердости поверхности путем плавного увеличения оказываемой нагрузки. Для этого используется стальной шарик, который вдавливается под воздействием определенного давления. После проведения испытания проверяется диаметр отпечатка и высчитывается то, какая твердость у тестируемой поверхности. Измеряется твердость в HB .
  2. По Роквуллу тестирование проводится при использовании алмазного конуса стандартного типа. Кроме этого, подходит и шарик диаметром 1,588 мм из закаленной стали. По данному методу показатель твердости получается в определенных единицах измерения.
  3. По Виккурсу определяют твердость поверхности также при использовании специального алмазного наконечника. Выполнен он в виде пирамиды с четырьмя гранями. Как и при измерении по Бринеллю, на наконечник оказывается давление, после чего измеряется отпечаток и проводятся вычисления показателя твердости.
Читайте также  Что такое цековка

Высокая твердость часто определяет хрупкость структуры. Существует много различных методов повышения твердости поверхности, большая часть предусматривает выполнение термической и химической обработки.

Предел прочности

Под пределом прочности понимают величину, которая численно равна наибольшей нагрузке, приложенной к образу при растяжении, разделенной на площадь поперечного сечения. Указывается в кг/мм 2 .

К особенностям определения этого показателя можно отнести нижеприведенные моменты:

  1. Для проведения теста используется специальная разрывная машина.
  2. На момент прикладывания нагрузки может наблюдаться удлинение образца.
  3. В некоторый момент происходит скачок показателя на растяжение.

После достижения определенного показателя образец начинает удлиняться с большей скоростью. Для более точного определения предела прочности проводится создание графика, на котором и отмечается точка скачка скорости растяжения.

Предел текучести

Практически все металлы и сплавы могут находиться в двух основных агрегатных состояниях: жидком и твердом. Предел текучести — показатель, определяющий напряжение, при котором на момент деформации образца указатель нагрузки на применяемой разрывной машине остается неизменным. Этот показатель учитывается при изготовлении различных заготовок, которые в дальнейшем будут использоваться под нагрузкой.

Свойства стали


Существует 4 основных направления показателей, которыми выделяется сталь и ее сплавы.

Среди этих направлений:

  • химические свойства стали;
  • технологические;
  • механические свойства стали;
  • магнитные свойства стали.

Теперь о каждом подробнее.

Химические свойства стали

  • Окисляемость. Это определение способности соединяться с кислородом. Окисляемость усиливается с повышением температуры металла. Стали с низким содержанием углерода окисляются с образованием ржавчины (оксидов железа) под действием воды или влажного воздуха;
  • Коррозионная стойкость. Соответственно обозначает, что вещество не вступает в химические реакции и не окисляется. Однако важно отметить, что данное свойство есть далеко не у всех сплавов стали и присуще больше исключительным ее маркам;
  • Жаростойкость. Жаростойкость характеризует способность материала не окисляться под воздействием высокой температуры и не образовывать окалины;
  • Жаропрочность. Уровень жаропрочности определяет способность сплава сохранять свои прочностные характеристики при высокой температуре. Соответственно это дает возможность использовать сталь при создании деталей и механизмов, подвергаемых температурным нагрузкам.

Технологические свойства стали

Технологические свойства стали отражают способность металла или сплава подвергаться различным видам обработки. К ним относятся:

  • Обрабатываемость резанием. Все стали довольно хорошо обрабатываются резанием как вручную (слесарной ножовкой, зубилом, напильником), так и на станках (сверление, точение, фрезерование).
  • Ковкость. Это свойство учитывают при прокатке, ковке и штамповке. Достаточно хорошей ковкостью сталь обладает в нагретом состоянии.
  • Свариваемость. Этот технологический процесс применим для всех типов сталей.
  • Жидкотекучесть. Это свойство имеет важное значение для получения полуфабрикатов — отливок, имеющих форму готовой детали и требующих лишь незначительной дальнейшей обработки резанием.
  • Прокаливаемость. Прокаливаемость зависит от размеров деталей и изделий, а также от химического состава сталей. Для увеличения прокаливаемости в сталь добавляют легирующие компоненты: хром, вольфрам.
  • Износостойкость. Для повышения износостойкости трущиеся детали (зубья шестерен) подвергают термической обработке (закалке) и химико-термической обработке (цементации, азотированию). С этой же целью в сталь добавляют легирующие элементы: марганец, кремний.
  • Коррозионная стойкость. Для увеличения этой стойкости в сталь добавляют никель, хром и титан, получая так называемые нержавеющие стали.

Механические свойства стали

  • Прочность. Способность металла выдерживать значительную внешнюю нагрузку. Показатель характеризуется пределом текучести и прочности.
    • Предел прочности. Максимальное механическое напряжение, при превышении которого сталь разрушается.
    • Предел текучести. Данный параметр показывает механическое напряжение, при превышении которого материал продолжает удлиняться в условиях отсутствия нагрузки.
  • Пластичность. Способность изменять свою форму под действием нагрузки и сохранять ее при отсутствии воздействия. Количественно оценивается относительным удлинением при растяжении и углом загиба;
  • Ударная вязкость. Способность металла сопротивляться динамическим нагрузкам. Количественно эта характеристика оценивается работой, которая требуется для разрушения образца, отнесенной к площади его поперечного сечения;
  • Твердость. Способность сопротивляться попаданию в него твердых тел. Количественно характеризуется нагрузкой, отнесенной к площади отпечатка при вдавливании алмазной пирамиды (метод Виккерса) или стального шарика (метод Бринелля).

Магнитные свойства стали

Как известно, практически все стали (кроме некоторых нержавеек) магнитятся.

Стоит сразу сказать, что на самом деле нержавейка магнититься.

Не вся, но все же магнитится. Однозначного утверждения не существует, поскольку магнитные свойства сплавов определяются свойствами их структурных составляющих. Поэтому один сорт нержавейки может успешно ловить магнит, а другой абсолютно к нему равнодушен. Итак, как это работает.

Все дело в структурном составе.

Мартенсит, с точки зрения магнитных свойств, является чистым ферромагнетиком.

Феррит может иметь две модификации. При температурах, которые находятся ниже точки Кюри, он, как и мартенсит, ферромагнетик. Высокотемпературный дельта-феррит – парамагнетик.

Таким образом, коррозионностойкие стали, структура которых состоит из мартенсита, – это магнитная нержавейка. Эти сплавы реагируют на магнит, как обычная углеродистая сталь. А ферритные или феррито-мартенситные стали могут иметь различные свойства, зависящие от соотношения фазовых составляющих, но, чаще всего, и они ферромагнитны.

В результате к магнитным относят хромистые и некоторые хромникелевые сплавы нержавейки.

К немагнитным сплавам относятся хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые стали.

Определить, что перед вами действительно нержавейка достаточно просто. Нужно зачистить поверхность до блеска и нанести и растереть две-три капли концентрированного раствора медного купороса. Если проступило медное покрытие (купорос стал медным напылением) — значит это не нержавейка. Если же нет никаких воздействий и изменений — перед вами самая что ни на есть настоящая нержавеющая сталь.

Важно отметить, что в домашних условиях невозможно определить является ли нержавейка пищевой.

Поэтому не стоит использовать не проверенные металлы для изделий кухонной принадлежности.

Еще немного о свойствах сталей

Широкое использование металла обусловлено рядом выгодных характеристик. Среди них следующие свойства стали:

  • Удельная теплоемкость при 20 °C: 462 Дж/(кг·°C) (110 кал/(кг·°C));
  • Плотность: 7700—7900 кг/м³;
  • Температура плавления: 1450—1520 °C;
  • Удельный вес: 75500—77500 Н/м³ (7700—7900 кгс/м³ в системе МКГСС);
  • Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг);
  • Коэффициент теплопроводности изменяется в зависимости от типа стали и примесей в ее составе, может варьироваться от 15,5 Вт/(м·К) до 54,4 Вт/(м·К);
  • Коэффициент теплового линейного расширения находится в пределах 11,9 · 10 -6 1/ 0 С до 11,0 10 -6 1/ 0 С и зависит от марки и дополнительных компонентов сплава.

Предел прочности определяется для каждого типа сталей в отдельности и имеет следующие показатели, приведенные ниже:

  • Конструкционная 373—412 Мпа;
  • Кремнехромомарганцовистая, используется в производстве инструментов 1,52 Гпа;
  • Углеродистая машиностроительная 314—785 Мпа;
  • Рельсовая 690—785 МПа.

Свойства материала изменяются также в зависимости от содержания углерода. Существуют следующие типы стали:

  • низкоуглеродистые (менее 0,25% углерода);
  • среднеуглеродистые (0,3 – 0,55% углерода);
  • высокоуглеродистые (0,6 – 2% углерода).

Для более широкого применения стали, производится легирование – добавление в расплав стали металлов, которые изменяют свойства сплава (увеличивается механическая прочность, электропроводность, устойчивость к коррозии, а также магнетические и теплопроводные показатели). В качестве легирующих металлов используются молибден, алюминий, хром, никель и ряд других. Различаются следующие типы стали легированной:

  • Низколегированные – включения легирующих металлов не более 4%;
  • Среднелегированные – легирующие металлы составляют не больше 11% включений;
  • Высоколегированные – более 11%.
Читайте также  Сборные металлические гофрированные трубы

Марки стали

Маркировка стали по ГОСТ производится путем буквенного обозначения. Благодаря упорядоченности правил обозначения, знать и читать маркировки сталей по таким обозначениям не сложное дело. Существует ряд следующих установленных обозначений, которые использует маркировка стали по ГОСТ:

  • Н – никель;
  • М – молибден;
  • Т – титан;
  • Х – хром;
  • К – кобальт;
  • В – вольфрам;
  • Т – титан;
  • Д – медь;
  • Г – марганец;
  • С – кремний;
  • Ф – ванадий;
  • Р – бор;
  • А – азот;
  • Б – ниобий;
  • Е – селен;
  • Ц – цирконий;
  • Ю – алюминий;
  • Ч – означает наличие редкоземельных металлов.

Для обозначения различных типов в зависимости от состава и предназначения стали, применяется следующий ряд буквенных обозначений:

  • ПС – полуспокойная;
  • КП – кипящая;
  • СП – спокойная.

Соответственно видя упомянутые обозначения в маркировке сплава, можно определить его состав и понять какой именно материал находится перед нами.

Хорошим подспорьем будет таблица маркировки стали

post_views_count: 3703

  • vote-total: 2
  • vote-rating: 10
  • ytrssenabled_meta_value: no
  • ytremove_meta_value: no
  • ytad1meta: enabled
  • ytad2meta: enabled
  • ytad3meta: enabled
  • ytad4meta: enabled
  • ytad5meta: enabled
  • template_meta: no
  • —>

    Вы не правы. Могу отстоять свою позицию. Пишите мне в ответе.

    Устранение дефектов ковки можно разделить на три подгруппы.

    В первую группу устранения дефектов, входят такие приёмы, как: вырубка, зачистка, вырезка. Все эти способы применяются к верхнему слою заготовки. Таким образом, исправляются зажимы, складки и трещины. Желательно устранять данные дефекты ещё на горячей заготовке. Если этого не сделать, дальнейшая обработка может привести в негодность обрабатываемую поверхность. Удаление дефектов на холодной заготовке, более трудоёмкий процесс.

    Во вторую группу устранения дефектов, входят приёмы протяжки и осадки. К дефектам этой группы относятся отклонения размеров заготовки от чертежей. Отклонения от заданного размера происходят вследствие сварочных работ, быстрого охлаждения заготовки, человеческого фактора. Устранять дефекты размеров, можно как в горячем, так и холодном состоянии заготовки. Искривления заготовки можно исправлять, с помощью гибки и правки на наковальне или с помощью ручного пресса.

    После приобретения нужных размеров, металл не изменяет свои качества.

    Третьё группа связанна с удалением окалин. В неё входят такие способы устранения дефектов, как: травление, ручная очистка, специализированная очистка.

    Для улучшения качества и механических свойств металла, заготовки подвергаются термическому отжигу.