Министерство образования и науки Украины

Донбасский государственный технический университет

Институт повышения квалификации

КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

по Металловедению

«Классификация металлов»

Алчевск 2009

1. Металлы

Металлическое состояние объясняется электронным строением. Элементы металла, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у металлов внешние электроны непрочно связаны с ядром; кроме того, на наружных электронных оболочках немного (всего 1–2), тогда как у неметаллов электронов много (5–8).

Все элементы, расположенные левее галлииндия и таллия – металлы, а правее мышьяка, сурьмы и висмута – неметаллы.

В технике под неметаллом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском» и пластичностью – характерные свойства.

Кроме этого все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что все они построены в основном из легких атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обуславливает особый характер взаимодействия атомов металла и металлические свойства. Металлы являются хорошими проводниками электрического тока.

Из известных (к 1985 г.) 106 химических элементов 83 – металлы.

2. Классификация металлов

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Данная классификация разработана русским ученым Гуляевым А.П. и может не совпадать с общепринятой.

Все металлы можно разделить на две большие группы – черные и цветные металлы.

Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

Черные металлы в свою очередь можно подразделить следующим образом:

1. Железные металлы – железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Co, Ni, Mu часто применяют как добавки к сплавам железа, а также в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

2. Тугоплавкие металлы , температура плавления которых выше, чем железа (т.е. выше 1539С). Применяют как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов. К ним относят: Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Tc (технеций), Hf (гафий), Ta(тантал), W, Re (рений).

3. Урановые металлы – актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики. К ним относят: Ас(актиний), Th(торий), U(уран), Np(нептуний), Pu(плутоний), Bk(берклий), Cf (калифорний), Md(менделевий), No(нобелий) и др.

4. Редкоземельные металлы (РЗМ) – La(лантан), Ce(церий), Nd(неодим), Sm(санарий), Eu(европий), Dy(диспрозий), Lu(лютеций), Y(иттрий), Sc(сландий) и др., объединяемые под названием лантаноидов. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами, но довольно различными физическими (Тип. и др.). Их применяют как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях они встречаются вместе и трудно разделимы на отдельные элементы. Обычно используется смешанный сплав – 40–45% Се (церий) и 40–45% всех других РЗМ.

5. Щелочноземельные металлы – в свободном металлическом состоянии не применяются, за исключением особых случаев, например, теплоносители в атомных реакторах. Li(литий), Na, K(калий), Rb(рубидий), Cs(цезий), Fr(франций), Ca(кальций), Sr(стронций), Ba(барий), Ra(радий).

Цветные металлы подразделяются на:

1. Легкие металлы – Ве(берилий), Mg(магний), Al(аллюминий), обладающие малой плотностью.

2. Благородные металлы – Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu – полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.

3. Легкоплавкие металлы – Zn(цинк), Cd(кадмий), Hg(ртуть), Sn(олово), Bi(висмут), Sb(сурьма), Pb(свинец), As(мышьяк), In(индий) и т.д., и элементы с ослабленными металлическими свойствами – Ga(галий), Ge(германий).

Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Так как они встречаются в природе в чистом (самородном) виде.

Позднее стали восстанавливать металлы из руд – Sn, Pb, Fe и др.

Наибольшее распространение в технике получили сплавы железа с углеродом: сталь (0,025–2,14% С) чугун (2,14–6,76% С); причина широкого использования Fe-C сплавов связано с рядом причин: малой стоимостью, наилучшими механическими свойствами, возможностью массового изготовления и большой распространенностью руд Fe в природе.

Более 90% изготовленных металлов составляет сталь.

Производство металлов на 1980 г.:

Железо – 718 000 тыс. тонн (в СССР до 150 млн тонн в год)

Марганец – > 10 000 тыс. тонн

Алюминий – 17 000 тыс. тонн

Медь – 9 400 тыс. тонн

Цинк – 6200 тыс. тонн

Олово – 5400 тыс. тонн

Никель – 760 тыс. тонн

Магний – 370 тыс. тонн

Золото – > 1,2 тыс. тонн

Стоимость металла – фактор возможности и целесообразности его применения. В таблице показана относительная стоимость разных металлов (за единицу принята стоимость железа, точнее простой углеродистой стали).

Благородные металлы:

Au, Ag, Pt и их сплавы.

Свое название получили из-за высокой коррозионной стойкости. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость.

Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au – Ag – Cu.

Наиболее распространенными являются сплавы 375, 583, 750 и 916-й проб – это значит, что в этих сплавах на 1000 г. сплава приходится 375, 583, 750 и 916 г. золота, а остальное – медь, серебро, соотношение которых может быть различным.

Сплавы 916-й пробы наиболее мягкие, но и наиболее коррозионостойкие. С уменьшением индекса пробы коррозионная стойкость уменьшается.

Наибольшей твердостью (следовательно износостойкостью) обладают сплавы 583-й пробы, при соотношении Cu и Ag около 1:1.

Сплавы указанных проб имеют цвет золота.

Индийский булат

Конец IV века до н.э., войска Александра Македонского впервые встретились с необыкновенной индейской сталью при походе через Месопотамию (Ирак) и Афганистан в Индию.

«Чакра» – тяжелое плоское стальное кольцо заточено как лезвие, раскручивалось на двух пальцах, и швырялось во врага. Вращалось со страшной скоростью и срезало головы македонцев как головы цветов.

Параметры меча:

длина – 80–100 см

ширина у перекрестья – 5–6 см

толщина – 4 мм

вес – 1,2–1,8 кг

Свойства клинков:

Высокая твердость, прочность и при этом одновременно большая упругость и вязкость. Клинки свободно перерубали гвозди и при этом легко сгибались в дугу. Легко перерезали газовые легкие платки.

При оценке качества булатного оружия большую роль играл рисунок на клинке. В узоре имели значение форма, величина и цвет основного металла (фона).

По форме рисунок подразделяется на полосатый, струйчатый, волнистый, сетчатый и коленчатый. Наиболее высоко ценился коленчатый булат.

Испытывали булатный клинок и на упругость: его клали на голову, после чего оба конца притягивали к ушам и отпускали. После этого остаточной деформации не наблюдалось.

Настоящий булат изготавливался ковкой из литой стали, имеющей естественные узоры.

Сварочный булат (подделка) – получали проковкой скрученных в канат кусков проволоки с разным содержанием углерода и потому разную твердость. После травления появлялся рисунок.

Также расковывали булат из пакетов листовой стали – до 320 слоев: или: рассеянная в разных уровнях получают разный рисунок.

Донские казаки пользовались оружием всего мира – захватывали в боях. Оружие изготовлено было в основном мастерами Кавказа.

Прибалтийский булат:

Раскрыл его проф. Иванов Г.П., а адмирал Макаров С.О. нашел новое применение: при испытании броневых плит

Плита легко пробивалась с мягкой малоуглеродистой стороны, тогда изобрели бронебойный снаряд с мягким наконечником:

Следовательно, из-за этого старые мастера-кузнецы нашивали на очень твердое лезвие мягкую полоску, чтобы пробить стальные латы.

Производство булата связано с традициями и секретами. Очень трудно сварить полосы и прутки разного состава между собой и обеспечить требуемые свойства: гибкость твердость, остроту лезвия. Необходимо выдерживать температуру, скорость ковки, порядок соединения полос, удаление окислов, применение флюсов.

Японский булат

Японский булат был тверже и прочнее дамасской стали. Это связано с присутствием в составе стали молибдена (Мо). Мо – один из немногих элементов, добавка которого в сталь вызывает повышение ее вязкости и твердости одновременно. Все другие элементы, увеличивая прочность и твердость, увеличивают и хрупкость.

Изготовление: выплавленное железо (с Мо) проковывалось в прутья и закаливалось на 8–10 лет в землю. В процессе коррозии из металла выедались, выпадали частички, обогащенные вредными примесями. Заготовки напоминали сыр с дырками. Затем прутки науглероживали и проковывали многократно. Количество тончайших слоев достигало нескольких десятков тысяч.

Как ни странно, но единой классификации металлов не существует и тому есть ряд причин. Один из привычных видов классификации, заключается в разделении материалов следующим образом:

• Черные металлы;
• Стали;
• Чугуны;
• Цветные металлы и сплавы;
• Благородные металлы;
• Редкие цветные металлы;
• Легкие цветные металлы;
• Тяжелые цветные металлы.

На этом сайте использована данная техника классификации металлов и их сплавов с целью упростить для пользователей поиск нужной информации в нашем ресурсе.

Существует также классификация металлов следующего содержания:

• по основному компоненту (железные, алюминиевые, медные, магниевые, титановые и другие);
• по числу содержащихся компонентов (двух, трех и многокомпонентные. по технологии изготовления);
• по плотности (легкие, тяжелые, высокоплотные);
• по температуре плавления (легкоплавкие, тугоплавкие).

Еще один вариант классификации металлов – легкие металлы, тяжелые цветные металлы, благородные металлы, тугоплавкие, рассеянные, радиоактивные и редкоземельные.

Использование металлов

Использование металлов в современном мире является одним из условий к нормальной жизни. Практически в любой сфере деятельности человека активно используются данные материалы. Среди наиболее востребованных — железо и медь, и соответственно их сплавы. Издавна они были первыми в производстве и сегодня около 98%всех металлических сооружений выполнено из этих металлов. Имеет огромное значение алюминий, магний, берилий. В XX веке они с особым размахом стали использоваться во многих областях техники, электротехники, конструкционных металлах. Основными металлами являются также никель, кобальт, марганец. Они открыты менее чем 200 лет назад, но как легирующие элементы они замечательны, так как придают особые свойства прочности, износостойкости, жаропрочности. Из тугоплавких — это 11 металлов: платина, вольфрам, хром и др. Легкие металлы – 16 металлов, натрий, литий, цезий и др. Благородные металлы или, как они сейчас называются, «драгоценные металлы» — золото, серебро, платина и группа платиновых, всего восемь. В редкоземельные входят 17 металлов.

Металлы, краткое описание

Металлы, краткое описание которых содержит главным образом основные, так называемые «металлические свойства», на самом деле не всегда могут определяться по наличию их всех. Каждый из элементов имеет различные показатели электропроводности, пластичности и магнетизма. Общее количество элементов, которых относят к металлам, насчитывается 94 типа. Представляют собой простые химические вещества. Добываются главным образом из руд или в чистом виде (с некоторыми примесями), отдельные типы, как например изотоп осмий-187, возможно получить только в лабораториях.

Подразделяются на техническое железо (содержание углерода в сплаве менее 0,02%), стали (содержание углерода в сплаве от 0,02% до 2,14%) и чугуны (содержание углерода более 2,14%)

Характеристика сталей

Стали - сплавы железа (Fe) с углеродом (С), с содержанием последнего не более 2,14%. Стали характеризуются достаточно высокой плотностью (7,7 - 7,9 г/см 3) и другими физическими величинами:*

• Удельная теплоёмкость при 20°C: 462 Дж/(кг·°C)
• Температура плавления: 1450-1520°C
• Удельная теплота плавления: 84 кДж/кг (20 ккал/кг, 23 Вт·ч/кг)
• Коэффициент линейного теплового расширения при температуре около 20°C: 11,5·10-6 1/°С
• Коэффициент теплопроводности при температуре 100°С: 30 Вт/(м·К)

*Данные характеристики представляют среднее значение. Фактическая величина свойств зависит от содержания углерода и легирующих элементов в стали. Для ее точного определения стоит пользоваться марочниками сталей и сплавов.

На практике используются стали с содержанием углерода не более 1,3%, т.к. при его более высоком содержании увеличивается хрупкость.

Классификация сталей

Стали характеризуются или классифицируются по множеству признаков:

Классификация по химическому составу

• углеродистые стали - классифицируются в зависимости от содержания углерода в %:
  • низкоуглеродистые (< 0,25 %C)
  • среднеуглеродистые (0,25-0,65 %C)
  • высокоуглеродистые (> 0,65 %C)

• легированные стали - классифицируются в зависимости от суммарного содержания легирующих элементов в %:
  • низколегированные (< 2,5%)
  • среднелегированные (2,5-10 %)
  • высоколегированные (> 10 %)

Классификация по назначению

• конструкционные – применяются для изготовления деталей машин и механизмов, содержание углерода <0,8%. Конструкционные подразделяются на цементуемые, с содержанием углерода <0,3% и улучшаемые, с содержанием углерода >0,3%. Основную классификацию и группы конструкционных сталей можно посмотреть
• инструментальные – применяются для изготовления мерительного, режущего инструмента, штампов горячего и холодного деформирования. Содержание углерода >0,8%;
• с особыми свойствами: электротехнические, с особыми магнитными свойствами, жаропрочные, износостойкие и др.

Классификация по структуре

Классификация по Обергофферу - по структуре в равновесном состоянии

Изначально эта классификация содержала только 4 типа сталей:

• доэвтектоидные
• эвтектоидные
• заэвтектоидные
• ледебуритные (имеющие в литом состоянии эвтектику)

Позже были внесены дополнения:

• ферритные
• аустенитные

Равновесное состояние - состояние сплава или стали после медленного охлаждения, чаще всего после отжига

Классификация по Гийе - по структуре после нормализации (нагрева и охлаждения на воздухе)

• перлитные
• мартенситные
• ферритные
• аустенитные
• карбидные

Также могут быть смешанные классы: феррито-перлитный, аустенитно-ферритный и т.д.

Классификация сталей по качеству

Количественным показателем качества является содержания вредных примесей- серы и фосфора:

• обыкновенного качества (S≤0,05, P≤0,04)
• качественные стали (S, P ≤0,035)
• высококачественные (S, P ≤0,025)
• особовысококачественные (S≤0,015, P≤0,025)

Классификация по способу выплавки

• в мартеновских печах
• в кислородных конверторах
• в электрических печах: электродуговых, индукционных и др.

Классификация по степени раскисления

• кипящие (кп)
• полуспокойные (пс)
• спокойные (сп)

Расширенные характеристики и свойства (технологические, физические... химический состав) некоторых марок сталей .

Классификация и маркировка чугунов

Чугунами называют сплавы железа с углеродом, содержащие более 2,14% углерода. Они содержат те же примеси, что и сталь, но в большем количестве.

Классификация чугунов

В зависимости от состояния углерода в чугуне, его подразделяют на следующие виды:

• белый чугун, в котором весь углерод находится в связанном состоянии в виде карбида

Такой чугун может быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом.

• графитизированный чугун, в котором углерод в значительной степени или полностью находится в свободном состоянии в виде графита, что определяет прочностные свойства сплава. Такие чугуны подразделяют на:
  • серые - пластинчатая или червеобразная форма графита (ЧПГ)
  • высокопрочные - с шаровидным графитом (ЧШГ)
  • ковкие - хлопьевидный графит (ЧХГ)
  • чугун с вермикулярным графитом (ЧВГ) - имеет промежуточные свойства между СЧ и ВЧ. По форме графита напоминает СЧ, но имеет более толстые и более короткие пластины с округленными концами

Еще чугуны классифицируются по основе, в которой расположен графит. Основа может быть перлитной, ферритной, феррито-перлитной.

Маркировка чугунов

Чугуны маркируют двумя буквами и двумя цифрами, соответствующими минимальному значению временного сопротивления δв при растяжении в МПа-10. Серый чугун обозначают буквами "СЧ" (ГОСТ 1412-85), высокопрочный - "ВЧ" (ГОСТ 7293-85), ковкий - "КЧ" (ГОСТ 1215-85).

Пример маркировки

СЧ10 - серый чугун с пределом прочности при растяжении 100 МПа;
ВЧ70 - высокопрочный чугун с сигма временным при растяжении 700 МПа;
КЧ35 - ковкий чугун с δв растяжением примерно 350 МПа.

Для работы в узлах трения со смазкой применяют отливки из антифрикционного чугуна АЧС-1, АЧС-6, АЧВ-2, АЧК-2 и др., что расшифровывается следующим образом: АЧ - антифрикционный чугун: С - серый, В - высокопрочный, К - ковкий. А цифры обозначают порядковый номер сплава согласно ГОСТу 1585-79.

Чугуны специального назначения

К этой группе чугунов относятся жаростойкие (ГОСТ 7769-82), жаропрочные и коррозионностойкие (ГОСТ 11849-76) чугуны. Сюда же можно отнести немагнитные, износостойкие и антифрикционные чугуны.

Жаростойкими являются серые и высокопрочные чугуны, легированные кремнием (ЧС5) и хромом (4Х28, 4Х32). Высокой термо- и жаростойкостью обладают аустенитные чугуны: высоколегированный никелевый серый ЧН15Д7 и с шаровидным графитом ЧН15ДЗШ.

К жаропрочным относятся аустенитные чугуны с шаровидным графитом ЧН19ХЗШ и ЧН11Г7Ш.

В качестве коррозионностойких применяют чугуны, легированные кремнием (ферросилиды) - ЧС13, ЧС15, ЧС17 и хромом - 4Х22, 4Х28, 4Х32. Для повышения коррозионной стойкости кремнистых чугунов их легируют молибденом (4С15М4, 4С17МЗ - антихлоры). Высокой коррозионной стойкостью в щелочах обладают никелевые чугуны, например аустенитный чугун 4Н15Д7.

В качестве немагнитных чугунов также применяются аустенитные чугуны.

К износостойким чугунам относятся половинчатые и отбеленные чугуны. К износостойким половинчатым чугунам относится, например, серый чугун марки И4НХ2, легированный никелем и хромом, а также чугуны И4ХНТ, И4Н1МШ (с шаровидным графитом).

Классификация сплавов

ТЕХНОЛОГИЯ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ (ТКМ)

ТКМ – дисциплина, изучающая способы получения различных металлов и неметаллических материалов, а также технологические методы формообразования заготовок и деталей литьем, сваркой обработкой давлением и резанием.

МЕТАЛЛЫ И ИХ СПЛАВЫ

Все известные в настоящее время химические элементы (более 100 наименований) по совокупности свойств подразделяют на металлы и неметаллы. Примерно 80 % общего числа элементов относится к металлам. Некоторые из них (мышьяк, сурьму и др.) иногда называют полуметаллами, так как по одним свойствам их можно отнести к металлам, а по другим – к неметаллам.

Металлы (от греческого металлон – копи, рудники) – вещества неорганического происхождения, многие из которых обладают характерным блеском, высокой плотностью, прочностью и твердостью, пластичностью, хорошей электро- и теплопроводностью.

Классификация металлов

Все существующие металлы условно принято подразделять на черные и цветные.

Черные металлы – промышленное название железа и его сплавов (чугун, сталь, ферросплавы и др.). Черные металлы составляют более 90 % всего объёма, используемых в экономике металлов, из них основную часть составляют различные стали.

Цветные металлы – все остальные, например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний); Ni (никель), Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово), W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина) и т.д.

Цветные металлы в свою очередь подразделяются на следующие группы:

- легкие цветные , например: K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний);

- тяжелые цветные с плотностью более 5 г/см3, например: Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово);

- благородные , например: Au (золото), Ag (серебро), Pt (платина);

- редкие.

Редкие металлы в свою очередь подразделяют на:

Тугоплавкие (с температурой плавления выше 1875 °С), например: W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), Та (тантал);

Легкие, например: Sr (стронций), Sc (скандий), Rb (рубидий), Cs (цезий);

Радиоактивные, например: U (уран); Ra (радий), Ae (актинидий), Pd (палладий);

Редкоземельные, например: Ge (германий), Ga (галлий), Hf (гафний), In (индий), La (лантан), Tl (таллий), Се (церий), Re (рений).

Классификация сплавов

Технически чистые металлы обладают низкой прочностью и поэтому применение их ограничено. В промышленности, как правило, применяются сплавы металлов.

Сплавом (металлов) называют твёрдые и жидкие системы, образованные главным образом сплавлением двух или более металлов, а также металлов с различными неметаллами. Сплавы являются одним из основных конструкционных материалов. Среди них наибольшее значение имеют сплавы на основе железа и алюминия. В технике применяется более 5 тыс. сплавов.

По характеру металла (основы) различают:

Черныеили железоуглеродистые сплавы - стали, чугуны (основа - Fe);

Цветные сплавы (основа - цветные металлы), в т.ч. :

• сплавы на основе цветных металлов, таких как K (калий), Na (натрий), Ca (кальций), Al (алюминий), Mg (магний) называются легкими цветными сплавами;
• на основе цветных металлов, таких как Ni (никель)i, Cu (медь), Pb (свинец), Zn (цинк), Sn (олово) называются тяжёлыми цветными сплавами;
• на основе тугоплавких металлов, таких как W(вольфрам), Ti (титан), Mо (молибден), V (ванадий), Nb (ниобий), Zr (цирконий), и т.д. называются тугоплавкими сплавами;

- сплавы радиоактивных металлов (основа – радиоактивные металлы);

- сплавы редкоземельных металлов (основа – радиоактивные металлы).

В зависимости от количества основных компонентов, входящих в состав сплава, различают сплавы двойные (бинарные) и сложные (тройные, четверные и т. д.)

Примеси сплавов.

Помимо основных компонентов в состав сплавов входят примеси:

Случайные (попадают в сплав во время его приготовления);

Специальные (вводятся в сплав в виде добавок для придания ему необходимых эксплуатационных свойств)

Введение в сплав специальных добавок называется легированием, а сама добавка – лигатурой. Составляющими лигатуры могут быть как отдельные элементы (легирующие элементы), так и сплавы этих элементов (например: ферросплавы FeTi: FeV; FeCr и т.д.).

Помимо этого различают примеси вредные (S, P, O 2 , H 2 , N 2), ухудшающие свойства материалов, и полезные, улучшающие их свойства - (легирующие элементы).

Структура сплавов.

По структуре сплавы разделяют на твердые растворы, механические смеси и химические соединения.

1. Если атомы входящих в состав сплава компонентов имеют незначительные различия в размерах и строении электронной оболочки, то они, как правило, образуют общую кристаллическую решетку. Такая структура называется твердым раствором.
2. Механическая смесь получается в том случае, когда компоненты сплава не могут образовать общую решетку и каждый из них кристаллизуется самостоятельно.
3. Если при химическом взаимодействии компонентов сплава получается новое вещество, свойства которого резко отличаются от свойств исходных компонентов, то такой сплав называют химическим соединением.

В одном сплаве могут одновременно присутствовать все три структуры.

Классификация свойств металлов и сплавов

Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:

1. физические,
2. химические,
3. механические,
4. технологические.

Физические свойства металлов и сплавов.

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.

Цвет.

Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк - серый, олово - блестяще-белый и т. д.

Удельный вес -это вес 1 см 3 металла, сплава или любого другого вещества в граммах. Например, удельный вес чистого железа равен 7,88 г/см 3 .

Плавление - способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).

Тепловое расширение - свойство металлов и сплавов увеличиваться в объеме при нагревании, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Коэффициент линейного расширения - отношение приращения длины образца металла при нагревании на 1° к первоначальной длине образца. Коэффициент объемного расширения - отношение приращения объема металла при нагревании на 1° к первоначальному объему. Объемный коэффициент принимают равным утроенному коэффициенту линейного расширения. Различные металлы имеют различные коэффициенты линейного расширения. Например, коэффициент линейного расширения стали равен 0,000012 , меди - 0,000017 , алюминия- 0,000023 . Зная коэффициент линейного расширения металла, можно определить его величину удлинения:

1. определим, насколько удлинится стальной трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000012·20 = 1,2 м

1. определим, насколько удлинится медный трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000017·20= 1,7 м

1. определим, насколько удлинится алюминиевый трубопровод длиной 5000 м при его нагреве до 20°С :

5000·0,000023·20=2,3 м

(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.

Теплопроводность -способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.

Теплоемкость - количество тепла, потребное для нагревания единицы веса на 1° . Удельная теплоемкость - количество тепла в ккал (килокалориях), необходимое для нагрева 1 кг вещества на 1° . Низкую удельную теплоемкость имеют платина и свинец. Удельная теплоемкость стали и чугуна примерно в 4 раза выше удельной теплоемкости свинца.

Электропроводность - способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.

Магнитные свойства - способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.

Химические свойства металлов и сплавов.

Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:

1. стойкость против коррозии на воздухе,
2. кислотостойкость,
3. щелочестойкость,
4. жаростойкость.

Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.

Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.

Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.

Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.

Старение металлов - изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению - азот и углерод.

Механические свойства металлов и сплавов.

Рис. 1

К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся

1. прочность,
2. твердость,
3. упругость,
4. пластичность,
5. ударная вязкость,
6. ползучесть,
7. усталость.

Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими (рис. 1 ).

Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.

Рис. 2

В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:

1. 2,5 ; 5 и 10 мм - испытание твердости по Бринелю (рис. 2,а );
2. вдавливание в материал стального шарика диаметром 1,588 мм или алмазного конуса - испытание твердости по Роквеллу (рис. 2,б )
3. вдавливание в материал правильной четырехгранной алмазной пирамиды - испытание по Виккерсу (рис. 2,в ).

Рис. 3

Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки (рис. 3 ).

Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.

где Δl = l 1 -l 0 - абсолютное удлинение образца при разрыве;

δ - относительное удлинение;

l 1 -длина образца в момент разрыва;

l 0 -первоначальная длина образца;

где Ψ -относительное сужение при разрыве;

F 0 - первоначальная площадь поперечного сечения образца;

F - площадь образца после разрыва

Рис 4

Ударной вязкостью называют способность металла или сплава сопротивляться действию ударных нагрузок. Испытания производятся на маятниковом костре (рис. 4 ). Перед испытанием маятник 1 отводят на угол подъема α , в этом положении закрепляют защелкой. Стрелку 2 , укрепленную на оси качания маятника, отводят до упора 3 , расположенного у нулевого деления шкалы 4 . Маятник, освобожденный от защелки, падает, разрушает образец 5 и, (продолжая двигаться то инерции, поднимается на другую сторону станины, на некоторый угол β . При обратном движении маятника стрелка 2 отклоняется от нулевого деления и при вертикальном положении маятника указывает величину β - наибольшего угла подъема маятника после разрушения образца. Разность углов α-β характеризует работу излома образца.

Для определения ударной вязкости вначале вычисляют работу А , которая затрачена грузом маятника на разрушение образца

А = Р (Н - h) кгс м

где Н - высота подъема маятника до удара в м

h -высота подъема маятника после удара в м

Р - ударная сила.

Затем определяют ударную вязкость

Где а н -ударная вязкость в кГс·м/см 2

F - площадь поперечного сечения образца в см 2 .

Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).

Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.

Испытания образцов металлов и сплавов на растяжение осуществляют при пониженных, нормальных и повышенных температурах. Испытания при пониженных температурах производят в соответствии с ГОСТ 11150-65 0 -100°С и при температуре кипения технического жидкого азота. Испытания при нормальных температурах осуществляют по Г ОСТ 1497-61 при температуре 20±10°С .

Испытания при повышенных температурах производят по ГОСТ 9651-61 при температуре до 1200°С .

При испытании образцов на растяжение определяют предел прочности - σ в , предел текучести (физический)-σ т , предел текучести условный (технический) -σ о,2 , истинное сопротивление разрыву-S к и относительное удлинение - δ .

Рис. 5

Для усвоения указанных выше величин рассмотрим диаграмму, представленную на рис. 5 . По вертикальной оси 0-Р отсчитываем приложенную нагрузку Р в килограммах (чем выше точка по оси, тем больше нагрузка), а по горизонтальной оси абсолютное удлинение- Δl .

Рассмотрим участки диаграммы:

1. начальный прямолинейный участок 0-Р пц , на котором сохраняется пропорциональность между удлинением материала и нагрузкой (Р пц -нагрузка при пределе пропорциональности)
2. точка резкого перегиба кривой Р’ т называется нагрузкой при верхнем пределе текучести
3. участок Р’ т - Р т , параллельный горизонтальной оси 0-Δl (площадка текучести), в пределах которого удлинение образца происходит при постоянной нагрузке Р т , носящей название нагрузки при пределе текучести
4. точка Р в , отмечающая наибольшую растягивающую силу - нагрузку при пределе прочности
5. точка Р к -сила в момент разрушения образца.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) σ в - напряжение, отвечающее наибольшей нагрузке, предшествовавшей разрушению образца:

где F 0 - площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм 2

P в - наибольшая растягивающая сила в кгс .

Предел текучести (физический) σ т -наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),

Предел текучести условный (технический) σ о,2 - напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2% :

Предел пропорциональности σ пц - условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:

Истинное сопротивление разрыву S к -напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке (F ):

Технологические свойства металлов и сплавов.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:

• обрабатываемость резанием,
• ковкость,
• жидкотекучесть,
• усадка,
• свариваемость,
• прокаливаемость и т.д .

Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.

Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.

Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.

Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.