Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Легирующие добавки в составе сплавов

Это вещества, намеренно добавляемые в расплав для улучшения свойств сплава и доведения его параметров до требуемых. Одни из них добавляются в больших количествах (более процента), другие — в очень малых. Наиболее часто применяю следующие легирующие добавки:

• Хром. Применяется для повышения прокаливаемости и твердости. Доля – 0,8-0,2%.
• Бор. Улучшает хладноломкость и радиационную стойкость. Доля – 0,003%.
• Титан. Добавляется для улучшения структуры Cr-Mn сплавов. Доля – 0,1%.
• Молибден. Повышает прочностные характеристики и коррозионную стойкость, снижает хрупкость. Доля – 0,15-0,45%.
• Ванадий. Улучшает прочностные параметры и упругость. Доля – 0,1-0,3%.
• Никель. Способствует росту прочностных характеристик и прокаливаемости, однако при этом ведет к увеличению хрупкости. Этот эффект компенсируют одновременным добавлением молибдена.

Читать также: Где заправить бытовой газовый баллон в воронеже

Металлурги используют и более сложные комбинации легирующих добавок, добиваясь получения уникальных сочетаний физико-механических свойств стали. Стоимость таких марок в несколько раз (а то и десятков раз) превышает стоимость обычных низкоуглеродистых сталей. Применяются они для особо ответственных конструкций и узлов.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Современное производство нуждается в большом количестве прочных стальных изделий. При строительстве мостов, домов, сложных конструкций используют различные стали. Одним из главнейших вопросов является расчет прочности металла и значения величины напряжения стальной арматуры. Чтобы конструкции служили долго и были безопасны необходимо точно знать предел текучести стального материала, который подвергается основной нагрузке.

Напряжение

Виды напряжений

Напряжением называется возникновение внутренних сил с различными векторами направленности при внешнем воздействии. Эта величина может быть внутренняя или поверхностная. Является обязательным для расчета при изготовлении несущих стальных конструкций или элементов оборудования, подвергающихся постоянным нагрузкам.

Главным условием для измерения этого показателя является равномерная нагрузка, действующая в определенном направлении. При этом возникает напряженное состояние образца, который подвергается воздействию уравновешенных сил. Помимо этого, воздействие может быть односекторным или много векторным.

Существуют следующие виды напряжения материалов и их сплавов:

• остаточное. Формируется уже после окончания воздействия внешних факторов. К ним относятся не только механические силы, но и быстрый нагрев или охлаждение образца;
• временные. Возникают только при внешних нагрузках. После их прекращения изделие приобретает изначальные характеристики;
• внутреннее. Чаще всего происходит в результате неравномерного нагрева заготовок.

Напряжение является отношением силы воздействия на площадь, на которую она прилагается.

Классы прочности и их обозначения

Нормативными документами по механическим свойствам крепежных изделий введено понятие класс прочности металла и установлена система обозначения. Каждый класс прочности обозначается двумя цифрами, между которыми ставится точка. Первое число означает предел прочности, уменьшенный в 100 раз. Например, класс прочности 5.6 означат, что предел прочности будет 500. Второе число увеличено в 10 раз – это отношение предела текучести к временному сопротивлению, выраженному в процентах (500х0,6=300), т. е. 30 % составляет минимальный предел текучести от предела прочности на растяжение. Все изделия, используемые для крепежа, классифицируются по назначению применения, форме, используемому материалу, классу прочности и покрытию. По назначению использования они бывают:

• Лемешные. Их используются для сельскохозяйственных машин.
• Мебельные. Применяются в строительстве и мебельном производстве.
• Дорожные. Ими крепят металлоконструкции.
• Машиностроительные. Применяют в машиностроительной промышленности и приборостроении.

Механические свойства крепежных изделий зависят от стали, из которой они изготовлены и качества обработки.

Твёрдость

Механическое свойство материала при внешнем воздействии не испытывать пластической деформации называется твёрдостью. В первую очередь оно зависит от механических характеристик материала, в частности структуры, модуля упругости, предела прочности и т.д. Количественную связь твердости от данных характеристик устанавливает общая физическая теория упругости.

Методы, с помощью которых экспериментально устанавливают твердость бывают как статическими (например, в поверхность вдавливается твердый предмет или же она царапается), так и динамическими. К статическим методам также относятся измерения твёрдости по Бринеллю (вдавление шарика в поверхность), Виккерсу (вдавление алмазного наконечника) и Роквеллу (для материалов с высокой твердостью используется алмазный конус, с низкой — шарик из стали). Также к статическим методам относится склерометрия — царапание алмазной структурой в виде конуса, пирамиды, или же карандашом различной твердости — оценивается нагрузка, которую необходимо приложить, чтобы создать царапину, а также размеры созданной царапины.

При динамических методах установления твердости материала благодаря ударной нагрузке наносится отпечаток шариком (по принципу маятника) и величина твердости характеризуется тем, как материал сопротивляется деформации от удара или же параметрами отскока шарика от поверхности, в том числе затуханию маятниковых колебаний.

Таблицы свойств металлов

Таблица «Свойства металлов: Чугун, Литая сталь, Сталь»

1. Предел прочности на растяжение
2. Предел текучести (или Rp 0,2);
3. Относительное удлинение образца при разрыве;
4. Предел прочности на изгиб;
5. Предел прочности на изгиб приведен для образца из литой стали;
6. Предел усталости всех типов чугуна, зависит массы и сечения образца;
7. Модуль упругости;
8. Для серого чугуна модуль упругости уменьшается с увеличением напряжения растяжения и остается практически постоянным с увеличением напряжения сжатия.

Таблица «Свойства пружинной стали»

1. Предел прочности на растяжение,
2. Относительное уменьшение поперечного сечения образца при разрыве,
3. Предел прочности на изгиб;
4. Предел прочности при знакопеременном циклическом нагружении при N ⩾ 107,
5. Максимальное напряжение при температуре 30°С и относительном удлинении 1 2% в течение 10 ч; для более высоких температур см. раздел «Способы соединения деталей»;
6. 480 Н/мм2 для нагартованных пружин;
7. Приблизительно на 40% больше для нагартованных пружин

Таблица «Свойства цветных металлов»

1. Модуль упругости, справочные данные;
2. Предел прочности на растяжение;
3. Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
4. Предел прочности на изгиб;
5. Наибольшая величина;
6. Для отдельных образцов

Таблица «Свойства легких сплавов»

1. Предел прочности на растяжение;
2. Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
3. Предел прочности на изгиб;
4. Наибольшая величина;
5. Показатели прочности приведены для образцов и для отливок;
6. Показатели предела прочности на изгиб приведены для случая плоского нагружения

Таблица «Металлокерамические материалы (PM)1) для подшипников скольжения»

1. В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;
2. Применительно к подшипнику 10/16 г 10;
3. Углерод содержится, главным образом, в виде свободного графита;
4. Углерод содержится только в виде свободного графита

Свойства сплавов

Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.

Двигатель внутреннего сгорания

Физические свойства

Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:

1. Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
2. Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
3. Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
4. Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
5. Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
6. Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.

Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.

Химические свойства

Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:

1. Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
2. Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
3. Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.

Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.

Механические свойства

Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:

• прочность;
• твердость;
• пластичность;
• вязкость;
• хрупкость;
• устойчивость к механическим нагрузкам.

Технологические свойства

Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:

1. Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
2. Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
3. Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
4. Обработка режущим инструментом.
5. Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).

Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.

Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации

При обработке материалов также важно знать его характеристики

Испытания механических свойств металлов

Растворение может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимых соединениях, то есть химическим путем. Некоторые могут разжижаться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Железо способно образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав. Для получения картины изменения свойств с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. Предварительно нагретому веществу дают остывать и каждый час замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, по оси ординат – температуру. Если в системе при охлаждении не изменяются технологические свойства металлов, сопровождающиеся выделением теплоты, то снижение температуры происходит постепенно. Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в остывании системы, вызванная фазовыми переходами. С помощью термического анализа по кривым охлаждения возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов.

Ползучесть.

Ползучестью (или крипом) называется медленное нарастание пластической деформации металла под действием постоянной нагрузки

С появлением воздушно-реактивных двигателей, газовых турбин и ракет стали приобретать все более важное значение свойства материалов при повышенных температурах. Во многих областях техники дальнейшее развитие сдерживается ограничениями, связанными с высокотемпературными механическими свойствами материалов

При нормальных температурах пластическая деформация устанавливается почти мгновенно, как только прикладывается соответствующее напряжение, и в дальнейшем мало увеличивается. При повышенных же температурах металлы не только становятся мягче, но и деформируются так, что деформация продолжает нарастать со временем. Такая зависящая от времени деформация, или ползучесть, может ограничивать срок службы конструкций, которые должны длительное время работать при повышенных температурах.

Чем больше напряжения и чем выше температура, тем больше скорость ползучести. Типичные кривые ползучести представлены на рис. 3. После начальной стадии быстрой (неустановившейся) ползучести эта скорость уменьшается и становится почти постоянной. Перед разрушением скорость ползучести вновь увеличивается. Температура, при которой ползучесть становится критической, неодинакова для разных металлов. Предметом забот телефонных компаний является ползучесть подвесных кабелей в свинцовой оболочке, работающих при обычных температурах окружающей среды; в то же время некоторые специальные сплавы могут работать при 800° С, не обнаруживая чрезмерной ползучести.

Срок службы деталей в условиях ползучести может определяться либо предельно допустимой деформацией, либо разрушением, и конструктор должен всегда иметь в виду эти два возможных варианта. Пригодность материалов для изготовления изделий, рассчитанных на длительную работу при повышенных температурах, например лопаток турбин, трудно оценить заранее. Испытания за время, равное предполагаемому сроку службы, зачастую практически невозможны, а результаты кратковременных (ускоренных) испытаний не так просто экстраполировать на более длительные сроки, поскольку может измениться характер разрушения. Хотя механические свойства жаропрочных сплавов постоянно улучшаются, перед металлофизиками и материаловедами всегда будет стоять задача создания материалов, способных выдерживать еще более высокие температуры. См. также

МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЕ.

Основные виды сплавов

Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.

Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.

Производство стали

Цинковые сплавы

Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.

Алюминиевые сплавы

Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:

1. Устойчивость к низким температурам.
2. Электропроводность.
3. Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
4. Износоустойчивость.

Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.

Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.

Медные сплавы

Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.

3.2. Характеристика сплавов, применяемых в ортопедической стоматологии

В настоящее время в стоматологии используется свыше 500 сплавов.

Международными стандартами (ISO, 1989) все сплавы металлов разделены на группы.

1. Сплавы благородных металлов на основе золота.

2. Сплавы благородных металлов, содержащих 25—50% золота или плати или других драгоценных металлов.

3. Сплавы неблагородных металлов.

4. Сплавы для металлокерамических конструкций:

─   с высоким содержанием золота (>75%);

─   с высоким содержанием благородных металлов (золота и платины или золота и палладия — >75%);

─   на основе палладия (более 50%);

─   на основе неблагородных металлов:

• кобальта (+ хром >25%, молибден >2%),
• никеля (+ хром >11%, молибден >2%).

Более упрощенно выглядит классическое подразделение на благородные и неблагородные сплавы.

В специальной литературе до последнего времени встречается лексическая подмена двух терминов — благородный металл и драгоценный металл, которые не являются синонимами: драгоценный указывает на стоимость металла, а благородный — относится к его химическим свойствам. Поэтому элементы золото и платина являются как благородными, так и драгоценными, палладий – благородный, но намного дешевле. Серебро завоевало место в классификации драгоценных металлов, но не является благородным металлом.

Кроме того, применяемые в ортопедической стоматологии сплавы можно классифицировать по другим признакам:

─   назначению (для съемных, металлокерамических, металлополимерных протезов);

─   количеству компонентов сплава;

─   физической природе компонентов сплава;

─   температуре плавления;

─   технологии переработки и т.д.

Обобщая изложенное выше о металлах и сплавах металлов, нужно еще раз подчеркнуть основные общие требования, предъявляемые к сплавам металлов, применяемым в клинике ортопедической стоматологии:

─   биологическая индифферентность и антикоррозионная стойкость к воздействию кислот и щелочей в небольших концентрациях;

─   высокие механические свойства (пластичность, упругость, твердость, высокое сопротивление износу и др.);

─   наличие набора определенных физических (невысокой температуры плавления, минимальной усадки, небольшой плотности и т.д.) и технологических (ковкости, текучести при литье и др.) свойств, обусловленных конкретным назначением.

Металлический каркас — это основа зубного протеза, которая должна полностью противостоять жевательным нагрузкам. Кроме того, он должен перераспределять и дозировать нагрузку, обладать определенными деформационными свойствами и не менять своих первоначальных свойств в течение длительного времени функционирования зубного протеза. То есть, кроме общих требований, к сплавам предъявляются и специфические требования.

Если сплав металлов предназначен для облицовывания керамикой (см. гл. 4), он должен отвечать следующим специфическим требованиям:

─   быть способным к сцеплению с фарфором (см. табл. 31);

─   температура плавления сплава должна быть выше температуры обжига фарфора;

─   коэффициенты термического расширения (КТР) сплава и фарфора должны быть сходными.

Особенно важно соответствие коэффициентов термического расширения двух материалов, что предупреждает возникновение силовых напряжений в фарфоре, которые могут привести к отколу или трещине покрытия. В среднем коэффициент термического расширения у всех типов сплавов, которые используются для облицовывания керамикой, колеблется от 13,8·10-6°С-1 до 14,8·10-6°С-1

Коэффициент термического расширения керамической массы можно менять, вводя определенные добавки. Так, фирма «Дентсплай» (США) запатентовала методику введения лейцита в керамическую массу, которая позволяет изменять коэффициент термического расширения от 12,5·10-6°С-1 до 16·10-6°С-1

Сочетание высоких прочностных свойств литого металлического каркаса зубного протеза и внешнего вида облицовки (см. с. 99), достаточно точно имитирующей внешний вид натуральных зубов, позволяет создать эффективные и эстетичные зубные протезы.

Как указывалось выше, применяющиеся в ортопедической стоматологии сплавы делятся на две основные группы — благородные и неблагородные.

Сплавы на основе благородных металлов подразделяются на:

─   золотые;

─   золото-палладиевые;

─   серебряно-палладиевые.

Сплавы металлов благородных групп имеют лучшие литейные свойства и коррозионную стойкость, однако по прочности уступают сплавам неблагородных металлов.

Сплавы на основе неблагородных металлов включают:

─   хромоникелевую (нержавеющую) сталь;

─   кобальтохромовый сплав;

─   никелехромовый сплав;

─   кобальтохромомолибденовый сплав;

─   сплавы титана;

Общая характеристика металлических изделий

Современная металлургическая промышленность предлагает большое разнообразие видов металлических изделий. К самым распространенным из них относится металлический прокат, то есть изделия, которые производят на специальных станках методом горячей либо холодной прокатки.

Все разновидности металлического проката объединяются общим понятием «сортамент». Сортамент принято разделять на четыре группы: листовой, сортовой, трубы и специальные виды проката. К последним относятся бандажи, колеса, шары, периодические и гнутые профили. По способу обработки поверхности выделяют калиброванный, шлифованный, зеркальный и матовый сортамент.

Говоря о свойствах металлических изделий, стоит отметить, что сортовой прокат обладает самой разнообразной номенклатурой, где принято выделять простые и фасонные профили.

Прокатные цеха изготавливают примерно две тысячи размеров простых профилей, более тысячи фасонных общего потребления, а также около полутора тысяч размеров профилей специального назначения. Простыми называют профили с сечением в виде геометрических фигур, таких как круг, полукруг, овал, сегмент, шестигранник, квадрат, треугольник, полоса плоского сечения, пр.

Прокат сложного поперечного сечения обозначают как фасонные профили. В данной группе выделяют профили общего или массового потребления и специального назначения. К первым относятся уголки, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили, пр. Тогда как вторые представлены трамвайными и железнодорожными рельсами широкой и узкой колеи, профилями сельскохозяйственного машиностроения, нефтяной и электропромышленности, пр. Из цветных металлов обычно производятся простые профили.

Размеры являются еще одним важным нюансом, о котором не стоит забывать, говоря на тему свойств металлических изделий. Сортовой прокат делят на:

• Крупный. Сюда относят круглую сталь диаметром 80–250 мм, квадратную со стороной 70–200 мм, периодические арматурные профили № 70–80, угловая сталь с шириной полок 90–250 мм, швеллеры и двутавровые балки обычные и облегченные высотой 360–600 мм. Также в эту категорию входят специальные широкополочные двутавры и колонные профили высотой в пределах 1 000 мм, шестигранная сталь до № 100, железнодорожные рельсы массой 43–75 кг на метр длины изделия, полосовая сталь шириной не более 250 мм, пр.
• Средний. Речь идет о круглой стали диаметром 32–75 мм, квадратной со стороной 32–65 мм и шестигранной до № 70. Здесь же представлен стальной периодический арматурный профиль № 32–60, двутавровые балки высотой до 300 мм, швеллеры высотой 100–300 мм, рельсы узкой колеи Р18 – Р24, штрипсы с сечением до 8×145 мм и фасонные профили.
• Мелкий. Такая круглая сталь имеет диаметр 10–30 мм, квадратная со стороной 3,2–31 мм, сюда же относят периодический арматурный профиль.

В качестве элементов строительных конструкций применяют листовую и сортовую сталь. Нередко используют вторичные профили, то есть сварные, для изготовления которых соединяют полосы или листы, и гнутые. Для изготовления вторых прибегают к холодной гибке полос и листов.

Технологические свойства стали

Сталь считается одним из самых распространенных металлов, ее технологические свойства зависят от химического состава, различные примеси, входящие в нее, могут улучшить или ухудшить данные характеристики.

• Увеличение в составе стали углерода значительно повышает ее прокаливаемость, в тоже время она понижает ее пригодность к ковке. Для

  выполнения этой операции, а также прокатки, содержание углерода не должно превышать 1,4%.

• Добавление в сталь марганца существенно снижает теплопроводность материала, что снижает ее способность к свариванию. В тоже время, при осуществлении правильного равномерного нагрева (не слишком быстрого) такие стали хорошо поддаются ковке.
• Применение никеля способно улучшить пластичные качества сплава, поэтому он способствует ковке. Но следует учитывать тот факт, что тот же никель образует устойчивую окалину в процессе нагрева. При ковке она не разрушается, поэтому может быть вкована в металл, что существенно снизит качество изделия.
• Повышение содержания хрома приводит к увеличению прочности, поэтому ковка и пригодность к прокату у таких сплавов удовлетворительна, существует большая вероятность образования трещин.
• Излишек молибдена приводит к снижению теплопроводности, что делает сталь очень чувствительной к температурному режиму обработки, нагревать и охлаждать ее следует в строгом соблюдении с технологией. Для ковки данных металлов необходимо применять более мощное оборудование.
• А вот применение ванадия, наоборот, улучшает ковкость и делает сталь более устойчивой к перегреву.

К негативным примесям, существенно влияющим на технологические характеристики, можно отнести серу и фосфор. Излишек данных веществ может привести к красноломкости и хладноломкости соответственно. То есть сталь с избытком серы становится хрупкой при нагреве, а если в ней присутствует большое количество фосфора, то она будет ломаться при отрицательных температурах. Именно поэтому при выплавке стали многие усилия направлены на снижение данных примесей в металле, но, к сожалению, избавиться от них полностью не выходит.

Как видите, химические составляющие стали оказывают огромное значение на ее технологические свойства, поэтому при выборе метода обработки должен выполняться тщательный анализ состава сплава, в противном случае могут возникнуть проблемы, как в производстве, так и при эксплуатации изделия.

Физические свойства

Среди основных общих физических свойств металлов можно выделить:

• Плавление.
• Плотность.
• Теплопроводность.
• Тепловое расширение.
• Электропроводность.

Важным физическим параметром металла является его плотность или удельный вес. Что это такое? Плотность металла – это количество вещества, которое содержится в единице объема материала. Чем меньше плотность, тем металл более легкий. Легкими металлами являются: алюминий, магний, титан, олово. К тяжелым относятся такие металлы как хром, марганец, железо, кобальт, олово, вольфрам и т. д. (в целом их имеется более 40 видов).

Способность металла переходить из твердого состояния в жидкое, именуется плавлением. Разные металлы имеют разные температуры плавления.

Скорость, с которой в металле проводится тепло при нагревании, называется теплопроводностью металла. И по сравнению с другими материалами все металлы отличаются высокой теплопроводностью, говоря по-простому, они быстро нагреваются.

Помимо теплопроводности все металлы проводят электрический ток, правда, некоторые делают это лучше, а некоторые хуже (это зависит от строения кристаллической решетки того или иного металла). Способность металла проводить электрический ток называется электропроводностью. Металлы, обладающие отличной электропроводностью, это золото, алюминий и железо, именно поэтому их часто используют в электротехнической промышленности и приборостроении.

Прочность

Этот перечень можно было бы продолжить, но и так ясно, насколько многолико понятие о прочности. От каких же причин зависит прочность металла? Причины эти известны уже давно. «Весь процесс обработки металла определяется только кристаллами, из которых сложен металл»,— писал Д. К. Чернов. В кристаллах и разгадка прочности.

Мы знаем, что все вещества состоят из атомов. Однако в подавляющем большинстве веществ атомы располагаются не в произвольном, а в очень строгом порядке — так, чтобы находиться возможно ближе друг к другу. Но не вплотную, этому мешают межатомные силы отталкивания.

Попробуйте произвести такой опыт: возьмите восемь шариков от настольного тенниса и расположите их так, чтобы они занимали как можно меньший объем. Очень скоро вы убедитесь, что для этого надо из шариков сложить правильную геометрическую фигуру — куб. Правда, этот опыт несовершенен: при большем количестве шариков возможны и другие, более плотные их «упаковки». Они тоже представляют правильные объемные геометрические фигуры, но более сложной формы. Несовершенство нашего опыта еще и в том, что сложенные шарики не держатся, рассыпаются. Они ведь практически не притягиваются друг к другу. А вот атомы притягиваются. Но только до определенного расстояния. Если сблизить их еще больше — они начинают отталкиваться. В результате атомы размещаются так, чтобы силы притягивания и отталкивания уравновесились. При этом в каждом веществе атомы образуют свою, присущую только этому веществу объемную геометрическую фигуру. Если мы нарисуем, как располагаются, скажем, несколько атомов железа, и соединим их воображаемыми линиями, то получим некую объемную клетку. Это так называемая кристаллическая решетка, или элементарная ячейка. В ее узлах и находятся атомы. Эта решетка изображена на рисунке.

Вот из таких элементарных ячеек и состоят кристаллы. Если сравнить кристалл со зданием, то ячейка — один кирпич. Каждый кристалл, сложенный из ячеек, представляет собой как бы зернышко. Когда расплавленный металл застывает, то кристаллизация начинается с образования таких зернышек. Сцепляясь друг с другом, они и образуют структуру металла. Но беда в том, что затвердевание металла начинается одновременно во многих местах и зернышки растут в разных направлениях. Представьте себе дом, в котором кирпичи сложены как попало: правильными квадратами, веерами, зигзагами… Недолго простоит такое сооружение. Нечто подобное происходит и при затвердевании жидкого металла. Кристаллические решетки в зернышках оказываются повернутыми друг к другу под разными углами. А это не обеспечивает достаточно прочной связи между ними. Вернемся еще раз к нашему дому из кирпичей, положенных кое-как. В пустоты между кирпичами обязательно будет забиваться грязь, пыль, попадать вода. И все это будет постепенно разрушать кирпичи, ослаблять их сцепление друг с другом. А в металле на границах зерен обычно скапливаются различные посторонние примеси и газовые пустоты. Все это еще более ослабляет связь зерен друг с другом. Вот почему плохо очищенный металл легко разрушается под нагрузкой.

Уже несколько тысяч лет металлурги знают, как важно не допускать посторонние примеси в металл. Но только в наше время, после работ Чернова и других ученых, стало ясно, насколько же сильно посторонние примеси ухудшают свойства металлов

Например, никель в чистом виде очень пластичный материал. Но достаточно к нему подмешать 0,005 процента серы, чтобы никель сделался хрупким. Так же и железо. В химически чистом виде оно пластично даже при температуре жидкого гелия — 269°С. Однако достаточно примеси 0,0001 процента водорода, чтобы железо стало хрупким даже при плюсовой температуре! Ничтожные примеси углерода делают хрупкими вольфрам и молибден. А свойства германиевого полупроводника изменяются даже тогда, когда имеется хотя бы один атом примеси на миллиард атомов германия!

В начале 30-х годов нашего столетия ученые задумались: а какова должна быть прочность абсолютно чистого металла? Это был отнюдь не теоретический интерес. Как известно, абсолютно чистый металл создать невозможно: какое-то количество примесей всегда будет. Но если знать, какую прочность должен был бы иметь абсолютно чистый металл, то можно заранее вычислить прочность металла с той или иной степенью загрязнения. А это неоценимо для практики: в зависимости от назначения изделия можно заранее рассчитать технологию изготовления металла с максимально допустимым количеством посторонних примесей. Иными словами, всегда можно изготовить металл самым экономичным способом.

Определение прочности металла

Одно из основных требований, которое предъявляют к металлу, применяемому для производства металлических конструкций и деталей, является прочность. Для ее определения берется образец металла и растягивается на испытательной машине. Эталон становится тоньше, площадь поперечного сечения уменьшается с одновременным увеличением его длины. В определенный момент образец начинает растягиваться лишь в одном месте, образуя «шейку». А через некоторое время происходит разрыв в области самого тонкого места. Так ведут себя исключительно вязкие металлы, хрупкие: твердая сталь и чугун растягиваются незначительно и у них не образуется шейка.

Нагрузка на образец определяется специальным прибором, который носит название силоизмеритель, он вмонтирован в испытательную машину. Для вычисления основной характеристики металла, называемой пределом прочности материала, надо максимальную нагрузку, выдержанную образцом до разрыва, разделить на величину площади поперечного сечения до растяжения. Эта величина необходима конструктору для того, чтобы определиться с размерами изготовляемой детали, и технологу назначить режимы обработки.

Значения механических свойств металлов и их описание

Прочность

Способность металлов оказывать сопротивление деформации. Очень прочным металлическим сплавом является сталь, которая практически не деформируется при воздействии. В производстве машинного оборудования и различных деталей сталь должна обладать высокой прочностью и упругостью, но также она должна обладать пластичностью. Исходя из многочисленных испытаний выявлено, что характеристики прочности менее всего у ртути.

Пластичность

Пластическая деформация в машинах и сооружениях недопустима, но это свойство используют для легкой прокатки, штамповки и куйки. Способность металла деформироваться без разрушения и будет показатель его пластичности. Примером пластичного металла служит свинец.

Твердость

Местное сопротивление к проникновению индентора внутрь материала и есть свойство твердости металла. При изготовлении инструментов из металла это свойство рассматривается первоначально.

Ударная вязкость

При влиянии ударных нагрузок металл способен разрушатся. Материалы с такими свойствами применяются при ударной нагрузке изделий, например для несущей системы, подвески или колес автотранспорта

Стоит обратить внимание, что малоуглеродистая сталь при неверном применении проявляет качество вязкости

Ползучесть

Таким свойством обладают практически все конструкционные материалы. Чем выше поднимается температура, тем выше показатели, что зависит от температуры плавления самого металла. · Усталость Многократное воздействие одинаковых по силе и продолжительности нагрузок может вызывать усталость материала. Выносливость сопротивлению нагрузок считают показателем усталости.

Износостойкость

Способность при влиянии силы трения противостоять истиранию имеет большое значение при изготовлении деталей, которые по своей специфике работают на износ.

Хрупкость

Отсутствие пластического изменения состояния при высокой температуре. При выраженной хрупкости остаются разрушения и большие объемы остаточных деформаций. Например, если труба склонна к хрупкости, то характерным признаком станет значительное утонение стенки в месте разрыва. Наиболее хрупким в этом отношении считают чугун.

Упругость

Возвращение материала в первоначальное состояние после воздействия на него определенной силы или нагревания. Большой упругостью должны обладать подвески и пружины, именно поэтому их изготавливают из определенных сплавов.