Свойства металлов и сплавов

План
1. Физические свойства металлов и сплавов.
2. Технологические свойства металлов и сплавов.
3. Химические свойства металлов и сплавов.
4. Механические свойства металлов и сплавов.
5. Эксплуатационные свойства металлов и сплавов.
6. Свойства конструкционных материалов.

1. Физические свойства металлов и сплавов
К основным свойствам металлов и сплавов относятся физические, механические, химические, технологические.
Физические делят на:
электрические (электропроводность),
магнитные (ферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики),
тепловые (теплопроводность, температура плавления).

К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:
плотность;
теплопроводность;
электропроводность;
теплоемкость;
тепловое расширение;
температура плавления.
1. Физические свойства металлов и сплавов

1. Физические свойства металлов и сплавов
Физические свойства металлов характеризуются вполне определенными числовыми значениями – «физическими постоянными».
Например, алюминий: плотность – 2,7 г/см3, температура плавления 660 °С, коэффициент линейного расширения – 23,9 · 10–6 и т.д.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Плотность представляет собой величину, равную отношению массы металла к занимаемому им объему: ρ =m/v, кг/м3.
Наибольшей плотностью обладает осмий (ρ= 22600 кг/м3), а наименьшей – литий (ρ= 530 кг/м3).
Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Величина плотности имеет значение при выборе металла для определенных изделий и машин (для самолетов и ракет, подводных лодок, сельскохозяйственных машин).
Температура плавления металлов имеет значение при изготовлении изделий литьем, паянием, сваркой, при нанесении металлических покрытий, обращается внимание на тугоплавкие и легкоплавкие металлы.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Теплопроводностью называют способность металла переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым.
Теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.
Это свойство учитывается при изготовлении нагревательных приборов, двигателей, теплообменных аппаратов.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Не все металлы способны проводить тепло, важно значение высокой теплопроводности для режущих инструментов и трущихся деталей машин. При сравнении теплопроводности отдельных металлов нужно пользоваться как установленными размерностями, так и условными единицами (например, серебро – 1, медь – 0,9, алюминий – 0,5, железо – 0,15).

1. Физические свойства металлов и сплавов
Электропроводностью называется способность металла хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток.
Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий.
Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Велико значение электропроводности металлов для передачи электроэнергии на большие расстояния, для распределения электроэнергии, работы электрического транспорта. Наименьшим сопротивлением электрическому току из промышленных металлов обладают медь и алюминий. Эти же металлы являются лучшими проводниками тепла.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Магнитными свойствами - это способность металлов намагничиваться или не намагничиваться. Способностью хорошо намагничиваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы. Магнитные свойства позволяют использовать металлы для некоторых специальных работ, например, в металлургии для сортировки железных руд, стальных и чугунных заготовок, в динамомашинах и трансформаторах.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Теплоемкость – свойство металлов поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Показатель теплоемкости – удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг металла на 1 градус. Это свойство учитывается при расчете процессов нагрева и охлаждения, например, при конструировании паровых котлов.

1. Физические свойства металлов и сплавов
Тепловое расширение – это приращение объема металла при нагреве, характеризуется коэффициентами линейного и объемного расширения. Тепловое расширение необходимо учитывать при прокладке рельсов, трубопроводов (делаются специальные компенсаторы).

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое.
Температура плавления ртути – 39 °С, вольфрама – 3410 °С. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле.
1. Физические свойства металлов и сплавов

Некоторые физические свойства технически важных металлов

Некоторые физические свойства технически важных металлов

2. Технологические свойства металлов и сплавов
Технологические свойства это группа свойств, определяющих способность металлов и сплавов подвергаться различным видам технологической обработки (таким как давление, резание, литье, сварка).
Технологические свойства определяются с помощью специальных проб. Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом или применять его в тех или иных условиях. Качество металла по технологическим пробам определяется по внешнему виду после испытания (отсутствие трещин, расслоения и излома).

Наиболее распространенными испытаниями являются статическое растяжение, динамические испытания и испытания на твердость.
Статическими называются такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию постоянной силы или силы, возрастающей весьма медленно.
Динамическими называют такие испытания, при которых испытуемый металл подвергают воздействию удара или силы, возрастающей весьма быстро.
В практике производят испытания на усталость, ползучесть и износ, которые дают наиболее полное представление о свойствах металлов.
2. Технологические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видам обработки.
Литейные свойства характеризуются:
1. способностью металлов и сплавов в расплавленном состоянии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизводить ее очертания (жидкотекучестью),
2. величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой),
3. склонностью к образованию трещин и пор,
4. склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии.
2. Технологические свойства металлов и сплавов

2. Технологические свойства металлов и сплавов
Свариваемость определяется способностью материалов образовывать прочные сварные соединения.
Паяемость – способность металлов и сплавов образовывать неразрывные соединения путем паяния.
Ковкость или Обрабатываемость давлением – способность материалов подвергаться обработке давлением без разрушения.

2. Технологические свойства металлов и сплавов
Деформируемость – способность воспринимать пластическую деформацию в процессе обработки без нарушений ее целостности.
Деформация – изменение формы и/или размеров под действием напряжений. Напряжение – это сила, действующая на единицу площади сечения детали. Пластическая (остаточная) деформация – деформация после прекращения действия вызвавших ее напряжений.
Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

3. Химические свойства
металлов и сплавов
Химические свойства металлов и сплавов это группа свойств, определяющая отношение материалов к воздействиям различных сред.
Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ.
С повышением температуры все химические взаимодействия протекают более активно.

3. Химические свойства
металлов и сплавов
К таким химическим взаимодействиям можно отнести коррозионную стойкость, жаропрочность, жаростойкость.
Коррозионностойкость – это способность металлов и сплавов сопротивляться действию агрессивных, кислотных и щелочных сред.
Химическая стойкость – это способность неметаллических материалов сопротивляться действию различных агрессивных сред.

4. Механические свойства металлов и сплавов
Механическими свойствами металлов и сплавов называют группой свойств, характеризующей способность материалов и сплавов выдерживать механические нагрузки.
К таким свойствам относятся: прочность; пластичность; твердость; вязкость (ударная); усталость; ползучесть.
Механические свойства оцениваются численным значением напряжения. Напряжение – мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних сил и нагрузок.

4. Механические свойства металлов и сплавов
Прочность – способность металлов выдерживать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации.
В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на: растяжение (разрыв); сжатие; кручение; ползучесть; усталость.
Пластичность – способность изменять свою форму и размеры под действием нагрузки и сохранять остаточную деформацию.

4. Механические свойства металлов и сплавов
Твердость – способность металлов и сплавов противостоять проникающим нагрузкам (внедрению в него более твердого тела).
По величине твердости металлов или сплавов можно судить и о его пределе прочности.
На практике твердость определяют на приборах Бриннеля, Роквелла и Виккерса (HB, HR, HV).
Усталость – свойство металлов изменять механические и физические характеристики под действием циклически изменяющихся нагружений во времени деформации и напряжений.

4. Механические свойства металлов и сплавов
Вязкость – способность поглощать энергию внешних сил за счет пластической деформации.
Вязкостью называется свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.
Ударная вязкость – способность противостоять ударным нагрузкам.
Упрочняемость – способность улучшать механические свойства в процессе термической обработки.

4. Механические свойства металлов и сплавов
Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои размеры и форму после прекращения действия нагрузки.
Ползучесть – способность сплавов к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки или напряжения. Любой металлический сплав при эксплуатации под действием постоянной нагрузки может деформироваться с течением времени. Особое внимание уделяется этому свойству для деталей, работающих при высоких температурах.
Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.

5. Эксплуатационные свойства металлов и сплавов
Эксплуатационные свойства металлов и сплавов это группа свойств, определяющая долговечность работы материала в конкретных условиях.
К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся износостойкость, жаростойкость, жаропрочность, радиационная стойкость, фрикционность, антифррикционность и др.
Износостойкость - это способность материала сопротивляться износу.
Износ - изменение размеров, формы, массы или состояния поверхности изделия или инструмента вследствие разрушения (изнашивания) поверхностного слоя изделия при трении.

5. Эксплуатационные свойства металлов и сплавов
Жаростойкость - способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высоких температурах.
Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.
Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.

5. Эксплуатационные свойства металлов и сплавов
Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.
Фрикционность – способность образовывать высокие трения.
Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу. Антифрикционные материалы обладают низким коэффициентом трения.

6. Свойства конструкционных материалов
Причиной потери работоспособности детали является качество материала, из которого она изготовлена. Этому может способствовать износ, коррозия, деформация, которые изменяют качество материала.
Следовательно, отказ детали в работоспособности может зависеть от многих факторов. Высокое качество детали может быть достигнуто при возможно полном учете тех особенностей, которые встречаются в процессе работы. В этом случае вводится понятие конструкционной прочности.
Конструкционной прочностью материалов называют комплекс прочностных свойств, которые находятся в наибольшей корреляции со служебными свойствами данного изделия.

6. Свойства конструкционных материалов
Конструкционная прочность деталей зависит от
1) качества материала, выбранным конструктором,
2) конструктивных особенностей детали,
3) технологии ее изготовления и
4) условий эксплуатации.
Основными факторами, влияющими на конструкционную прочность, являются:
1) конструкционные особенности детали (форма, размеры);
2) механизмы разных видов разрушения детали;
3) состояние материала в поверхностных слоях детали;
4) изменения, происходящие в поверхностных слоях детали, приводящие к отказам при работе.

6. Свойства конструкционных материалов
В зависимости от условий работы детали должны быть надежными и долговечными.
Под надежностью понимают сопротивление материала хрупкому разрушению, зависящему от температурного порога хладноломкости, сопротивления распространения трещин, коэффициента интенсивности напряжения и др.
Под долговечностью понимают способность детали сохранять работоспособность в течение заданного времени. Критериями, определяющими долговечность материала, являются усталостная прочность, длительная прочность, износостойкость, сопротивление коррозии и другие в зависимости от характера условий работы детали.