Основные сведения о металлах и сплавах

Тема 1.  ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Основными материалами, применяемыми в строении различных металлических конструкций, являются металлы и сплавы.

Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.

Сплавами называются сложные по составу металлические тела, образовавшиеся в результате затвердевания жидкого раствора, состоящие из двух или нескольких металлов и металлоидов.

Металлы и сплавы имеют  различные физические, механические, химические и технологические свойства.

1. К физическим свойствам относятся: цвет, плотность, температура плавления (плавкость), теплопроводность, теплоемкость, тепловое расширение, электропроводность, способность намагничиваться. Рассмотрим некоторые из них.

- Температурой плавления называется температура, при которой металл при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое. Плавкость металлов используют для получения отливок при разливке расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы (например, свинец) применяют в качестве закалочной среды для стали.

- Теплопроводность - это свойство металла проводить тепло. Знание теплопроводности металлов важно для обработки их давлением, для термической обработки и т. п. Лучшие проводники электрического тока являются вместе с тем и лучшими проводниками тепла и наоборот.

- Электропроводностью называется способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) применяют в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением - для ламп накаливания, нагревательных приборов и т. п.

2. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, пластичность, упругость, твердость, вязкость, хрупкость, износостойкость.

- Прочность - это способность металла или сплава сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

- Пластичность - свойство металла или сплава изменять свою форму под действием нагрузки не разрушаясь и сохранять принятую форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, гнуть, вытягивать).

-Упругость отличается от пластичности тем, что после снятия нагрузки материал принимает первоначальную форму.

- Твердость - свойство металла или сплава сопротивляться проникновению в него другого, более твердого материала.

- Ударная вязкость - способность металла выдерживать ударную нагрузку, не разрушаясь.

- Хрупкость - способность металла или сплава разрушаться под действием ударной нагрузки без пластической деформации.

- Износостойкость - способность поверхностного слоя материала противостоять истиранию под влиянием трения.

3. К химическим свойствам металлов относятся жаростойкость, жароупорность и коррозионная стойкость.

Из химических свойств металлов коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (детали химических машин и приборов). Высокой коррозионной стойкостью обладают специальные нержавеющие, кислотостойкие и жаропрочные стали.

4. К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, прокаливаемость, жидкотекучесть.

- Обрабатываемость - свойство металла или сплава, характеризующее его способность подвергаться обработке резанием (определяется по скорости резания, усилию резания и по чистоте обработки).

- Свариваемость - свойство металла давать доброкачественное соединение при сварке, характеризующееся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих к шву зонах.

- Ковкость - способность металла или сплава без разрушения изменять свою форму при обработке давлением.

- Прокаливаемость - способность сплава воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности.

- Жидкотекучесть - способность металла или сплава в расплавленном состоянии заполнять литейную форму.

Рассмотрим более подробно такое механическое свойство, как твердость.

Все методы измерения твердости  можно разделить на две группы в зависимости от вида движения индентора (твердого тела): статические методы и динамические. Наибольшее распространение получили статические методы определения твердости.

Статическим методом измерения  твердости называется такой, при  котором индентор медленно и непрерывно вдавливается в испытуемый металл с  определенным усилием. К статическим  методам относят следующие: измерение  твердости по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу (рис. 1).

.

Рис. 1. Схема определения твердости:

 а) по Бринеллю; б) по Роквеллу; в) по Виккерсу

 

При динамическом испытании контролируется величина отскока испытательного инструмента  от поверхности испытываемого образца. К динамическим методам относят следующие: твердость по Шору, по Польди.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО БРИНЕЛЛЮ

Сущность метода заключается в  том, что шарик (стальной или из твердого сплава) определенного диаметра под  действием усилия, приложенного перпендикулярно поверхности образца, в течение определенного времени вдавливается в испытуемый металл (рис. 1а). Величину твердости по Бринеллю определяют исходя из измерений диаметра отпечатка после снятия усилия.

При измерении твердости по Бринеллю применяются шарики (стальные или из твердого сплава) диаметром 1,0; 2,0; 2,5; 5,0; 10,0 мм.

Подготовка образца, выбор условий  испытания, получение отпечатка, измерение  отпечатка и определение числа  твердости производится в строгом  соответствии ГОСТ 9012-59 (в редакции 1990 г.). Необходимые для замера твердости значения выбираются из таблиц этого ГОСТа.

ИЗМЕРЕНИЯ ТВЕРДОСТИ ПО РОКВЕЛЛУ

Из-за своей простоты этот метод  является наиболее распространённым и  основан на проникновении твёрдого наконечника в материал и  измерении глубины проникновения (таблица 1).

Таблица 1 – Наиболее широко используемые шкалы твердости по Роквеллу

Шкала	Индентор	Нагрузка, кгс
А	Алмазный конус с углом 120° при вершине	60 кгс
В	Шарик диам. 1/16 дюйма из карбида вольфрама (или закаленной стали)	100 кгс
С	Алмазный конус с углом 120° при вершине	150 кгс

 

Измерение твердости по Роквеллу осуществляется в строгом соответствии ГОСТ 9013-59.

ИЗМЕРЕНИЕ ТВЕРДОСТИ ПО ВИККЕРСУ

При испытании на твердость по методу Виккерса в поверхность материала  вдавливается алмазная четырехгранная пирамида с углом при вершине a=136⁰ (Риc. 1в).

После снятия нагрузки вдавливания  измеряется диагональ отпечатка d.

Твердость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки F на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка. Метод Виккерса позволяет определять твёрдость азотированных и цементированных поверхностей, а также тонких листовых материалов.

Основным недостатком метода является зависимость измеряемой твердости  от приложенной нагрузки или глубины внедрения индентора. Особенно сильно эта зависимость проявляется при малых нагрузках.

Регламентируется ГОСТ 2999-75 и ISO 6507.

 

Сопротивление металлов

Сопротивление металлов объясняется столкновениями электронов проводимости с ионами кристаллической решетки. При этом очевидно, чем чаще происходят такие столкновения, т. е. чем меньше среднее время свободного пробега электрона между столкновениями, тем больше удельное сопротивление металла.

В свою очередь, время зависит от расстояния между ионами решетки, амплитуды их колебаний, характера взаимодействия электронов с ионами и скорости теплового движения электронов. С ростом температуры металла амплитуда колебаний ионов и скорость теплового движения электронов увеличиваются. Возрастает и число дефектов кристаллической решетки. Все это приводит к тому, что при увеличении температуры металла столкновения электронов с ионами будут происходить чаще, т.е. время τ уменьшается, а удельное сопротивление металла увеличивается.

Ползучесть  металлов

Ползучесть материалов (последействие) — изменение с течением времени деформации твёрдого тела под воздействием постоянной нагрузки или механического напряжения. Ползучести в той или иной мере подвержены все твёрдые тела — как кристаллические, так и аморфные.

Ползучесть материалов экспериментально изучают прежде всего при простых напряженных состояниях: одноосных растяжении, сжатии, а также чистом сдвиге. Ползучесть при сложных напряженных состояниях изучают обычно на тонкостенных трубчатых образцах.

Ползучесть описывается  так называемой кривой ползучести, которая представляет собой зависимость деформации от времени при постоянных температуре и приложенной нагрузке (или напряжении).

Её условно делят на три участка, или стадии:

АВ — участок неустановившейся (или затухающей) ползучести (стадия I),

BC — участок установившейся  ползучести — деформации, идущей  с постоянной скоростью (стадия II),

CD — участок ускоренной ползучести (стадия III),

E0 — деформация в момент приложения  нагрузки (стадия IV),

точка D — момент разрушения.

Стадии ползучести:

Как общее время до разрушения, так и протяжённость каждой из стадий зависят от температуры и приложенной нагрузки. При температурах, составляющих 40 %-80 % температуры плавления металла (именно эти температуры представляют наибольший технический интерес), затухание ползучести на первой её стадии является результатом деформационного упрочнения (наклёпа). Так как ползучесть происходит при высокой температуре, то возможно также снятие наклёпа — так называемый возврат свойств материала. Когда скорости наклёпа и возврата становятся одинаковыми, наступает II стадия ползучести. Переход в III стадию связан с накоплением повреждения материала (поры, микротрещины), образование которых начинается уже на I и II стадиях.

 

ЧЕРНЫЕ МЕТАЛЛЫИ СПЛАВЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПРОИЗВОДСТВЕ ТРУБ

Производство труб из цветных металлов и сплавов

В настоящее время труба черная является не единственной разновидностью, применяемого сортамента трубопроката. В зависимости от свойств и  особенностей рабочей среды, при  изготовлении труб используются самые различные металлы и сплавы, в том числе достаточно популярными при производстве трубных изделий являются цветные металлы. Причиной этого являются высокие антикоррозийные свойства данных материалов.

Трубы из алюминия

Несмотря на то, что трубы из алюминия не получили массовой популярности, они просто незаменимы в химической промышленности. Сочетание небольшого удельного веса и высокой степени устойчивости в отношении коррозии делает алюминиевые трубы важным технологическим звеном в данном секторе промышленности. В основном по таким трубам транспортируют неорганические и органические кислоты, среди которых азотная, серная, фосфорная, уксусная. В качестве основного недостатка труб из алюминия можно выделить снижение химической стойкости при увеличении температуры перекачиваемых рабочих сред.

Трубы из меди

Труба черная, по сравнению с изготовленной  из меди, значительно проигрывает  по своей устойчивости к воздействию  агрессивных сред. Однако, вследствие своей высокой стоимости, медные трубы не так часто применяются для строительства промышленных трубопроводов. Как правило, к использованию меди прибегают лишь в крайних случаях, заменяя этот металл по возможности легированной или нержавеющей сталью. В настоящее время медные трубы применяются исключительно для транспортировки таких агрессивных сред, как органические кислоты, используемые в химической промышленности.

Трубы из латуни

Латунные трубы используются для  перемещения инертных газов, которые  транспортируются при низких температурах. Объясняется это тем, что такие среды не взаимодействуют с латунью, в отличие от агрессивных жидкостей, которые могут привести к растрескиванию трубопроводов из латуни, в результате действия коррозии. Также латунные трубы не рассчитаны на транспортировку рабочих сред под давлением.

Свинцовые трубы

На сегодняшний день свинцовые  трубы применяются сравнительно редко. В технологических трубопроводах  они используются для перекачивания  неорганических сильных кислот, в  том числе соляной и серной. Причиной этого является высокая  устойчивость данного вида труб к коррозии. В современной промышленности свинцовые трубы уступают место трубам из стекла, пластика или легированных сталей.