1.1. Cвойства материалов
Материаловедение — наука о связях между составом, строением и свойствами материалов и закономерностях их изменений при внешних физико-химических воздействиях.
Все материалы по химической основе делятся на две основные группы — металлические и неметаллические. К металлическим относятся металлы и их сплавы. Металлы составляют более 2/3 всех известных химических элементов. В свою очередь, металлические материалы делятся на черные и цветные. К черным относятся железо и сплавы на его основе — стали и чугуны. Все остальные металлы относятся к цветным. Чистые металлы обладают низкими механическими свойствами по сравнению со сплавами, и поэтому их применение ограничивается теми случаями, когда необходимо использовать их специальные свойства (например, магнитные или электрические).
Практическое значение различных металлов не одинаково. Наибольшее применение в технике приобрели черные металлы. На основе железа изготавливают более 90% всей металлопродукции. Однако цветные металлы обладают целым рядом ценных физико-химических свойств, которые делают их незаменимыми. Из цветных металлов наибольшее промышленное значение имеют алюминий, медь, магний, титан и др.
Кроме металлических, в промышленности значительное место занимают различные неметаллические материалы — пластмассы, керамика, резина и др. Их производство и применение развивается в настоящее время опережающими темпами по сравнению с металлическими материалами. Но использование их в промышленности невелико (до 10%) и предсказание тридцатилетней давности о том, что неметаллические материалы к концу века существенно потеснят металлические, не оправдалось.
Качество материалов и его оценка
Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением. Уровень качества определяется соответствующими показателями, представляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям изготовления и использования. По количеству характеризуемых свойств показатели качества подразделяются на единичные и комплексные. Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали). Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами продукции. При этом продукция считается качественной только в том случае, если весь комплекс оцениваемых свойств удовлетворяет установленным требованиям качества. Примером комплексного показателя качества стали могут служить оценка химического состава, механических свойств, микро- и макроструктуры. Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.
Физические свойства материалов
К физическим свойствам материалов относится плотность, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др.
Рассмотрим некоторые физические свойства подробнее.
Плотность — величина, равная отношению массы вещества к занимаемому им объему. Плотность р (ро), кг/м3, вычисляют по формуле
Р – т/V,
где т — масса материала, кг (г); V — объем материала в плотном состоянии (без пор н пустот), м3.
Плотность, кг/м3, железа равна 7800, меди — 8900, чугуна — 7000, латуни — 8500.
По плотности металлы и сплавы делятся на две группы: легкие, плотность которых меньше 5000 кг/м3, и тяжелые, плотность которых больше 5000 кг/м3. К легким металлам относятся алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, к тяжелым — медь, никель, цинк и сплавы на их основе. При производстве машин и механизмов, чтобы уменьшить их массу, используют металлы и сплавы меньшей плотности.
Пористость — степень заполнения объема материала порами. Пористость П, %, вычисляют но формуле
П = (1 – ρ/ρm)·100%,
где ρm — средняя плотность материала, определяемая отношением массы вещества ко всему занимаемому объему, включая имеющиеся в нем пустоты и поры, кг/м3; ρ — плотность материала, кг/м3.
Теплопроводность, теплоемкость, морозостойкость, водопоглощение зависят от пористости материалов.
Теплопроводность—способность материала передавать через спою Толщу тепловой поток, возникающий вследствие разности температур па противоположных поверхностях. Теплопроводность характеризуется количеством теплоты, проходящей в течение 1 ч через слой материала толщиной 1 м, площадью 1 м2, при разности температур па противоположных плоскопараллельных поверхностях в один градус. Теплопроводность зависит от внутреннего строения материала.
Высокая теплопроводность металлов и сплавов по сравнению с другими материалами объясняется тем, что тепловую энергию в металлах переносят свободные электроны, находящиеся в постоянном движении. Свободные электроны сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом температура быстро выравнивается по всей массе металла. Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее теплота при нагревании распространяется по всему объему. Это свойство учитывают при изготовлении нагревательных приборов, двигателей, которые нагреваются во время работы, при газовой резке металлов н сплавов, при обработке металлов режущим инструментом.
Теплопроводность имеет большое значение при выборе материалов для теплоограждающих конструкций, теплообменных аппаратов, изоляции труб.
Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Переносят электрический ток свободные электроны, поэтому тепло- и электропроводность у чистых металлов пропорциональны одна другой. Электропроводность металлов с повышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании колебания ионов в металле усиливаются, а это мешает движению электронов. При низких температурах, когда колебания ионов уменьшаются, электропроводность резко увеличивается.
Высокой электропроводностью обладают серебро, алюминий, медь и сплавы на их основе, низкой — вольфрам, хром. Из металлов, хорошо проводящих электрический ток, делают электрические провода, токопроводящие детали электрических машин, а из металлов и сплавов, плохо проводящих электрический ток (обладающих большим электросопротивлением), изготовляют электронагревательные приборы, реостаты.
Теплоемкость — свойство материалов поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Показателем теплоемкости служит удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг материала на один градус. Удельная теплоемкость используется при расчете процессов нагрева или охлаждения материалов.
Водопоглощение—способность материала впитывать и удерживать в своих порах воду. Водопоглощение материала зависит от его пористости; чем больше пористость, тем больше водопоглощение. Водопоглощение выражают или степенью заполнения объема материала водой (водопоглощение по объему Wо), или отношением количества поглощенной воды к массе сухого материала (водопоглощение по массе Wм). Водопоглощение, %, вычисляют но формулам:
Wо = [(m2— m1/V] • 100%;
Wм = [(m2— m1/m1] • 100%;
где m1 - масса материала в сухом состоянии, кг; m2 — масса материала в насыщенном водой состоянии, кг; V — объем материала в сухом состоянии, м3.
Насыщение материалов водой изменяет их свойства: увеличивается теплопроводность, снижается морозостойкость.
Влажность материала определяется отношением влаги, содержащейся в образце, к массе этого образца в сухом состоянии. Влажность материала, %, вычисляют по формуле:
W= [(m2 — m1/m1] • 100%;
где m1 - масса сухого образца, кг; m2 — масса влажного образца, кг.
Водопроницаемость — способность материала пропускать через себя воду под давлением. Водопроницаемость характеризуется количеством воды, прошедшей через образец площадью 1 м2 в течение 1 ч при постоянном давлении 1 Н и определенной толщине образца. Водопроницаемость зависит от пористости, плотности материала, формы и размеров пор,
Паро-, газопроницаемость — свойства, которые характеризуются количеством пара или газа (воздуха), прошедшего через образец определенных размеров при заданном давлении.
Морозостойкость — способность материала в насыщенном водой состоянии выдерживать многократное число циклов попеременного замораживания и оттаивания без видимых признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Плотные материалы, а также материалы, обладающие малым водопоглощением, как правило, морозостойки.
Тепловое (термическое) расширение — способность материалов изменять свои размеры в процессе нагревания при постоянном давлении. Это свойство учитывают при прокладке трубопроводов, рельсов железнодорожных путей. Длинные трубо- и паропроводы в нагретом состоянии значительно увеличивают свои размеры. Поэтому, чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясь невредимыми, делают специальные устройства - компенсаторы, которые воспринимают удлинение трубопроводов при тепловом расширении. Па мостах устанавливают подвижные опоры. У зданий и сооружений большой протяженности предусматривают термические швы. Рельсы на крановых и железнодорожных путях укладывают с небольшими промежутками для свободного термического расширения.
Температура плавления — постоянная температура, при которой твердый материал переходит в жидкий расплав при нормальном давлении. Для отсчета температуры применяют две шкалы: термодинамическую, где единицей измерения температуры служит кельвин (обозначается К), и международную практическую, где единицей измерения служит градус Цельсия (обозначается С). Зависимость термодинамической и практической шкал выражается формулой: t = Т—273,15 К где t — температура, °С; Т — температура, К.
Температура плавления материалов зависит от прочности связи между молекулами, ионами и изменяется в очень широких пределах: например, температура плавления ртути -39°С, вольфрама +3410°С. Чистые металлы плавятся при определенных температурах, а большинство материалов в интервале температур.
К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаростойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.
Жаростойкость характеризует способность металлического материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.
Износостойкость — это способность материала сопротивляться разрушению его поверхностных слоев при трении.
Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.
Механические свойства материалов
Механическими свойствами материалов называют их способность сопротивляться деформациям (изменению формы или размеров) и разрушению под действием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть.
Деформации, которые исчезают после снятия нагрузки (при этом материал принимает первоначальную форму), называют упругими. Деформации, которые остаются после снятия нагрузки, называют остаточными.
В зависимости от характера действия приложенных к образцу или изделию сил (нагрузок) различают деформации сжатия, растяжения, изгиба, сдвига (среза), кручения (рис. 1).
Для определения механических свойств материалов специальные образцы или готовые изделия испытывают в соответствии с требованиями ГОСТов. Испытания образцов могут быть статическими, когда на образец действует постоянная или медленно возрастающая нагрузка, динамическими, когда на образец действует мгновенно возрастающая (ударная) нагрузка, и повторно-переменными (усталостными), при которых нагрузка на образец многократно изменяется по величине и направлению. Механические свойства оцениваются численным значением напряжения.
Напряжение — мера внутренних сил, возникающих в образце под влиянием внешних воздействий (сил, нагрузок). Напряжение служит для оценки нагрузки, не зависящей от размеров деформируемого тела.
Напряжения, действующие вдоль оси образна, называют нормальными и обозначают σ (сигма). Нормальные напряжения в паскалях определяются отношением сил Р в ньютонах, действующих вдоль осп детали или образна, к площади их поперечного сечения 5 в квадратных метрах:
σ = Р/S.
Нормальные напряжения в зависимости от направления действующих нагрузок бывают сжимающими (рис. 1, а) и растягивающими (рис. 1, б).
Напряжения, действующие перпендикулярно оси образца, называют касательными и обозначают τ (тау). Под действием касательных напряжений происходит деформация среза (рис. 1,г).
Напряжения, определяемые при механических испытаниях образцов на специальных машинах, используют при расчетах деталей машин на прочность.
Усилия, нагрузки, действующие на детали, создают в них напряжения, которые в свою очередь вызывают деформации детален. Например, канат автомобильного крана при поднятии груза под действием растягивающей нагрузки испытывает напряжение растяжения, поэтому и подвергается деформации растяжения. Под действием сжимающих напряжений деформацию сжатия испытывают станины и фундаменты станков, опорные колонны, колеса и катки машин. В стреле автомобильного или башенного крана, поднимающего груз, возникают напряжения изгиба (рис. 1,в), которые вызывают деформацию изгиба стрелы. Деформации изгиба испытывают балки, на которые положен груз, рельсы под тяжестью поезда, башенного или козлового крана. На срез работают заклепочные соединения, стопорные болты.
Напряжения кручения вызывают деформацию кручения (рис. 1,д), например, когда у стяжных болтов затягивают гайки.
Прочность — способность материалов воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб, кручение, ползучесть и усталость.
Пластичность — способность материалов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры и сохранять остаточные (пластические) деформации после устранения этих сил. Пластические свойства испытываемого образца определяют при испытаниях на растяжение. Под действием нагрузки образцы удлиняются, при этом поперечное сечение их соответственно уменьшается. Чем больше удлиняется образец при испытании, тем более пластичен материал. Характеристиками пластичности материалов служат относительные удлинение и сужение образцов.
Относительным удлинением называется отношение приращения длины образца после разрыва к его первоначальной длине. Относительное удлинение δ (дельта) выражают в процентах и вычисляют по формуле:
δ = [(l1 - lо)/ lо] • 100%;
где lо— длина образца до начала испытания» м; l1— длина образца после разрыва, м.
Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца после разрыва к площади поперечного сечения образца до начала испытания. Относительное сужение φ (пси) выражают в процентах и пычисляют по формуле:
φ = [(Sо-S1)/5о] • 100%;
где Sо - площадь поперечного сечения образца до начала испытания, м2; S1— площадь поперечного сечения образца после разрыва, м2.
Твёрдость - способность материалов сопротивляться пластической деформации или хрупкому разрушению в поверхностном слое при местных контактных силовых воздействиях. Твердость обычно оценивается сопротивлением вдавливанию в поверхность металла индикатора из более твердого материала. Твердость можно определять непосредственно на деталях без их разрушения. Измерение твердости металлов и сплавов используют как метод оценки их механических свойств.
По твердости материала судят о других его свойствах. Например, для многих сплавов чем выше твердость, тем больше прочность на растяжение, выше износостойкость; как правило, сплавы с меньшей твердостью легче обрабатываются резанием.
Ударная вязкость — характеристика материала, по которой оценивают его сопротивление хрупкому разрушению. При ударных нагрузках напряжения, возникающие в материале, действуют мгновенно, поэтому их трудно определить. Ударную вязкость определяют работой, затраченной на разрушение образца.
Многие детали машин и конструкций во время работы подвергаются ударным нагрузкам, действие которых на детали происходит мгновенно. Ударные нагрузки испытывают инструменты типа штампов, некоторые зубчатые передачи и т. д. При ударных нагрузках показатели механических свойств материалов могут существенно отличаться от аналогичных характеристик материала при статических нагрузках. Расчет деталей и конструкций на долговечность в работе при ударных нагрузках производят с учетом ударной вязкости.
Усталость — изменение механических и физических свойств материала под действием циклически изменяющихся во времени напряжении и деформаций.
В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, которые приводят к полному разрушению деталей. Подобное разрушение опасно тем, что может происходить под действием напряжений, намного меньших пределов прочности и текучести.
Свойство противостоять усталости называется выносливостью. Сопротивление усталости характеризуется пределом выносливости, т. е. наибольшим напряжением, которое может выдержать металл без разрушения заданное число раз.
Цель испытаний на усталость - количественная оценка способности материала (образца) работать при циклически изменяющихся нагрузках без разрушения. Цикл напряжений — совокупность переменных значений напряжений за один период их изменения. Заданное число циклов нагружения при испытании называют базой испытания. Обычно база испытания составляет 108 циклов нагружения. Если материал выдержал базовое число циклов без разрушения, то он хорошо противостоит усталости и деталь из этого материала будет работать надежно. Под действием циклически изменяющихся нагрузок работают коленчатые валы двигателей, многие детали машин — валы, шатуны, пальцы, шестерни и т. д.
Ползучесть — способность материалов к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки или напряжения.
Изделия, работающие при повышенных или высоких температурах, обладают меньшей прочностью, чем изделия, работающие при нормальной температуре. При эксплуатации любой материал под действием постоянной нагрузки (напряжения) может в определенных условиях прогрессивно деформироваться с течением времени.
Химические свойства
Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различных афессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.
Химические свойства характеризуются способностью металлов и сплавов отдавать электроны при взаимодействии с другими веществами. При этом происходит окисление металлов. Следовательно, при всех химических взаимодействиях металлы являются восстановителями. По легкости отдачи электронов металлы располагаются в ряд активности: Мg, А1, Zп, Сr, Fе, Со, Ni, Sn, Pb, Н, Сu, Sb, Вi, Аg, Рl, Аu и т. д. Чем левее в ряду активности находится металл, тем легче он окисляется и труднее восстанавливается из своих ионов. Каждый металл, находящийся в ряду активности левее, вытесняет любой последующий из растворов его солей. При этом менее активный металл восстанавливается. При повышении температуры все химические взаимодействия протекают более активно.
Металлы и сплавы взаимодействуют с неметаллами, при этом выделяется большое количество тепла.
Наиболее химически активные металлы и сплавы способны окисляться на воздухе при нормальных условиях и при нагревании. С повышением температуры особенно активно происходит окисление металлов.
Жаростойкость — способность металлов и сплавов противостоять химическому воздействию при высоких температурах. Детали, эксплуатируемые при высоких температурах (летали топок котлов, газовые горелки, клапаны двигателей внутреннего сгорания), изготовляют из специальных сплавов, содержащих Сr, Ni, W, Аl и другие элементы, которые повышают их жаростойкость.
Кислотостойкость — способность металлов и сплавов противостоять действию растворов кислот. Металлы и их сплавы, находящиеся в ряду активности левее водорода, вытесняют его из воды и водных растворов кислот (НСl,Н2SO4), при этом происходит окисление металлов.
Химические свойства металлов широко используют на практике. Санитарно-техническое оборудование, арматура, трубопроводы и детали машин при эксплуатации подвергаются действию различных агрессивных сред. Поэтому их изготовляют из металлов и сплавов, обладающих такими химическими свойствами, которые могут обеспечить надежность деталей в работе.