Прикладная наука, изучающая во взаимосвязи состав, строение и свойства металлов и сплавов, устанавливает зависимость строения и свойств от методов производства и обработки металлов и сплавов, а также изменение их под влиянием механических, термических и других внешних воздействий на металлы называется металловедение.
Свойство (property, quality) - это совокупность характеристик металлов и сплавов от которых зависит пригодность изготовления деталей и конструкций. Одни из них легкие (магний, алюминий, титан), другие тяжелые (свинец). Олово, свинец - металлы, которые легко плавятся, а для расплава железа или платины необходимо потратить много энергии. Прочность является одним из главных факторов при произведенные металла для изготовления деталей, но не все одинаково прочны. Различают физические, химические, механические и технологические свойства металлов:
А) Физические свойства металлов проявляются при действии физических явлений, действуя на металл, не изменяют его состава. Например, при нагревании металл расплавляется, но его состав остается прежним.
Плотность (solidity, strength) - величина, равная отношению массы металла к занимаемому им объему. Например, плотность железа равна 7800 кг/м3, алюминия 2700 кг/м3, свинца 11300 кг/м3.
Цветом называется способность металлов отражать световые лучи, на них попадают. Лучи света, отраженные от различных металлов, действующие на органы зрения по-разному, что создает ощущение того или иного цвета. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - белый.
Теплопроводностью (heat / thermalconductivity) называют способность металлов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу при его нагревании и отдается им при охлаждении. Высокую теплопроводность имеют медь алюминий. Железо, сталь, чугун проводят тепло в 4-6 раз хуже, чем медь.
Теплоемкость (thermal / heatcapacity) определяет количество тепла, необходимого для нагрева металла на 10. Низкую теплоемкость имеют платина и свинец. Теплоемкость стали и чугуна почти в 4 раза выше теплоемкости свинца.
Плавление (melting) - это процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое. Металлы с высокой температурой плавления считают тугоплавкими (вольфрам, хром, платина), а металлы с низкой температурой плавления относятся к легкоплавких (олово, свинец). Например, температура плавления железа-15390, меди-1083, олова-2319, углеродистой стали - 1420-1520 0С.
Тепловое (термическое) расширение означает способность нагреваемого, увеличивать свои размеры.
Электропроводностью называют способность металла проводить электрический ток. Хорошими проводниками тока являются серебро, медь, алюминий. Некоторые металлы и сплавы (нихром) оказывают электрическому току большое сопротивление.
Б) Химические свойства. Это - способность металлов и сплавов взаимодействовать с окружающей средой, вступать в химические соединения, растворяться, корродировать, сопротивляться действию агрессивных сред. Наиболее важные из них - это окисление на воздухе, кислотостойкость, щелочестойкости, жаропрочность.
В) Механические свойства связаны с понятием о нагрузке, деформацию и напряжение. От механических свойств металла зависит его поведение при деформации и разрушении под действием внешних сил конструкций или деталей. Этим свойствам будет подробно рассмотрено далее, потому что именно им уделено основное внимание в этом разделе.
Прочность (durability) - это свойство металлов, не разрушаясь, сопротивляться действию приложенных внешних сил. Прочность металлов характеризуется условной величиной - пределом прочности. Пределом прочности является нагрузка, приложенная к образцу в момент разрыва, отнесенное к площади поперечного сечения образца.
Упругость (resilience) - способность металлов изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил; Отношение нагрузки, при котором образец начинает иметь остаточные удлинения, в плоскости его поперечного сечения называется пределом упругости. Например, предел упругости стали до 300; меди 25; свинца 2,5 МПа.
Пластичность (plasticity) - способность металлов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму, после прекращения действия сил. Сталь в значительной степени пластична, а при нагревании ее пластичность возрастает. Это свойство используют при получении изделий путем проката и ковки.
Утомляемость (tiredness) - изменение механических и физических свойств материалов под действием сил, циклически меняются при напряжений и деформаций. В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, приводящие к полному разрушению деталей. Подобные разрушения опасны тем, что могут проходить под действием напряжений значительно меньших пределов прочности и текучести.
Хрупкость (fragile) - свойство металла разрушаться сразу после действия приложенных к нему сил, не показывая никаких признаков деформации (чугун).
Твердость (hardness) - способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого материала. Чугун и сталь имеют высокую твердость, свинец - низкую. Для проверки твердости металлов существует три метода испытания, названных по именам их изобретателей - Бринелля, Роквелла, Виккерса:
- Испытание по способу Бринелля заключается в том, что в поверхность образца металла, под определенной нагрузкой, вдавливают стальную закаленную шарик диаметром 2,5; 5,0; 10 мм. После вдавливания образца на поверхности остается отпечаток шарика. С помощью специального микроскопа измеряется диаметр отпечатка, а затем определяется число твердости НВ: отношение приложенного к шарику нагрузки к плоскости поверхности отпечатка называется числом твердости по Бринелю НВ. Числа твердости по Бринелю НВ для углеродистой стали - 1300-2800, меди - 300. свинец - 30-80 МПа,
- Испытания образца по способу Роквелла (HR) заключается в том, что с помощью пресса в поверхность образца вдавливают алмазный конус с углом при вершине 1200. Твердость определяется глубиной вдавливания конуса,
- Испытание по способу Виккерса (HV) применяют для измерения твердости на небольших участках термически обработанных металлов. В образец металла с помощью пресса вдавливают правильную четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 1360.
Ударная вязкость - способность металлов или не разрушаться при воздействии на них ударных нагрузок. Ударная вязкость определяется с помощью маятникового копра. Образец стандартной формы устанавливают в опорах и разрушают падающим с высоты грузом.
Г) Технологические свойства определяют способность металлов получать ту или иную обработку. К технологическим свойствам металлов относятся: обработка резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадка, свариваемость.
Ковкость (malleable) называется способность металлов, не разрушаясь, принимать нужную форму под действием внешних сил. Сталь в нагретом состоянии имеет хорошую ковкость.
Редко текучестью (seldom-fluidity) называется способность расплавленных металлов заполнять литейные формы. Высокую жидкотекучесть имеет серый чугун, низкую - медь.
Усадкой (shrinkage) называется способность расплавленных металлов уменьшать свой объем при охлаждении. Это свойство имеет значение в литейном деле. Модели отливок изготавливают с учетом усадки, т.е. больших размеров чем размеры отливки. Кроме того, усадка приводит к образованию трещин в отливках. Наименьшую усадку имеют серый чугун, цинковые и алюминиевые сплавы.
Обработка резанием - это способность металлов подвергаться воздействию режущих инструментов. Учитывая меньшую твердость, некоторые цветные металлы легче обрабатывать резанием, чем черные
Свариваемостью называется способность металлов прочно соединяться путем расплавления места соединения. Хорошо свариваются стали с низким содержанием углерода. Чугун и сплавы цветных металлов свариваются значительно сложнее.