Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов

К типичным металлам относятся железо и алюминий, медь и свинец, титан и вольфрам и еще множество элементов. Какой из них лучше, какой следует применять в тех или иных условиях эксплуатации? С одной стороны, каждый материал обладает только ему присущим качеством, независимо от того, оцениваем ли мы его или нет. С другой стороны, качество можно охарактеризовать множеством свойств, которые нам кажутся наиболее важными в той или иной ситуации.

Металлы отличаются по внешнему виду, например, алюминий выглядит светло-серебристым, а медь – красной. Магний, алюминий и титан по первому ощущению кажутся легкими, свинец и вольфрам – тяжелыми. При нагревании свинец из кристаллического (твердого) состояния превращается в жидкость уже при 324 °С, тогда как вольфрам остается твердым до температур в 10 раз более высоких (температура плавления вольфрама 3 400 °С).

Поэтому то или иное отдельно взятое свойство еще не может охарактеризовать качество материала. Для более полной характеристики качества определяют несколько свойств, наиболее важных для конкретных условий их применения.

Одной из главных задач материаловедов является правильный подбор материала для изготовления деталей конструкций, инструмента и изделий специального назначения. При разработке и выборе металлов и сплавов руководствуются основными требованиями: необходимый уровень эксплуатационных свойств, достаточные характеристики технологических свойств, приемлемые экономические показатели производства сплавов и изделий из них.

Эксплуатационные свойства определяются назначением изделия, условиями его работы и заданными механическими, физическими, химическими свойствами. К конструкционным материалам предъявляются прежде всего требования по прочности, пластичности и вязкости разрушения. Для контроля термической обработки изделий из конструкционных материалов задаются требования по твердости и глубине упрочненного слоя. К ответственным изделиям предъявляются дополнительные требования по пределу текучести, пределу выносливости, ударной вязкости и другим свойствам. Важнейшей характеристикой при эксплуатации изделий является сопротивление коррозии.

Технологические свойства определяют поведение сплава в процессе производства изделий. К технологическим свойствам относятся литейные свойства, способность к обработке давлением, характеристики обрабатываемости резанием, свариваемость. Низкие технологические свойства выбранного сплава не позволяют изготовить изделия с заданными параметрами. Например, если жидкотекучесть сплава невысокая, то из него невозможно изготовить деталь сложной конфигурации.

Экономические показатели также влияют на поиск материала. Выбранный состав сплава определяет стоимость затрат на получение самого сплава (стоимость металла, легирующих элементов, модификаторов и прочих материалов), а также стоимость изготовления из него отливок, полуфабрикатов и изделий. Необходимо учитывать капитальные затраты, связанные с использованием сплава. Например, если сплав необходимо подвергать упрочняющей термообработке, то предложенная технология приводит к увеличению стоимости расходов, как на дополнительную технологическую обработку, так и на установку нового оборудования. Чрезвычайно высокая стоимость ограничивает применение предлагаемого сплава. Выбор состава сплава определяет затраты не только на производство, но и на эксплуатацию изделий. Снижение эксплуатационных расходов может перекрыть увеличение производственных затрат. Например, деталь из титанового сплава дороже детали из алюминиевого сплава, но срок службы ее без ремонта может быть намного больше, следовательно, использование детали из титанового сплава экономически более выгодно.

Все основные свойства материалов условно можно подразделить на следующие группы: химические, физические и механические.

К химическим характеристикам материалов относят химический состав, в том числе наличие примесей, легирующих элементов; способность к химическому взаимодействию с кислотами и щелочами; коррозионная стойкость, определяемая в различных условиях химически активной воздействующей на материал среды, и некоторые другие свойства.

К физическим свойствам относят плотность (удельный вес) и способность материала изменять ее и размеры изделия при температурном воздействии (тепловое расширение); электропроводность и электросопротивление; комплекс магнитных характеристик, таких, например, как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость. В комплекс теплофизических свойств входят теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоизлучения, степень черноты поверхности и др.

К механическим свойствам относят твердость, определяемую различными методами, в том числе по Бринеллю, Роквеллу, Виккерсу, микротвердость вдавливанием, царапанием. К механическим свойствам, определяемым при растяжении (сжатии, кручении, изгибе) образцов, относят временное сопротивление разрыву (или предел прочности), предел пропорциональности, предел упругости, предел текучести, относительное удлинение и относительное сужение. Характеристика, определяемая при многократных знакопеременных нагрузках при растяжении–сжатии, кручении и изгибе, – предел выносливости. Важной характеристикой, определяемой при динамическом нагружении изгибом, является ударная вязкость. К механическим характеристикам относят также жаропрочность, износостойкость и другие, которые находятся по специальным методикам.

Химические свойства. Химический состав материалов определяет их строение, в том числе фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни, бронзы, медно-никелевые сплавы.

При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов; стали могут быть углеродистые и легированные, например, хромистые, хромоникелевые, хромоникельмолибденовые и др. Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, поэтому количество примесей строго ограничивается. Особенно вредны примеси серы и фосфора, в связи с этим различают стали обыкновенного качества, качественные, высококачественные и особовысококачественные. Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми, что определяется содержанием примесей.

Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов. В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.

Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые, можно всегда определить их химический состав.

Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что отвечает содержанию примесей не более (соответственно) 0,5 %; 0,3 %; 0,2 %; 0,1 %; 0,01 %; 0,001 %.

Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют среднему содержанию углерода в сталях 0,1 %, 0,15 %; 0,2 %; 0,3 %; 0,4 %; 0,4 5% и т.д.

Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 – условный номер. Марки алюминиевых сплавов: АД31; Д16; АК6. Здесь цифры – номер сплава по ГОСТу. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.

Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами – аналитической химии, а также методами физико-химического анализа: спектрального, рентгеноспектрального, спектрально- флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др. Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных. Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическим методом, так называемым методом «меченых атомов», с применением радиоактивных изотопов.

Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами – это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.

Коррозионная стойкость материала характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды, газов, температуры и др.

Высокая коррозионная стойкость обусловлена химическим составом сплава, его структурой, что в свою очередь достигается способом и режимами термической обработки. Коррозионная стойкость является одним из важнейших химических и эксплуатационных свойств материалов, и ее повышение становится одной из главных задач при создании новых сплавов, материалов и покрытий.

Коррозия − процесс самопроизвольного разрушения материалов в результате химического, физико-химического и электрохимического воздействия. По механизму взаимодействия со средой различают коррозию химическую и электрохимическую. По виду агрессивной среды коррозию делят на газовую, атмосферную, в растворах электролитов, подземную и коррозию в жидкостях-неэлектролитах.

По характеру изменения поверхности металла или его физико-химических свойств различают общую (сплошную), местную и избирательную коррозию. Избирательной коррозии подвержены сплавы, содержащие несколько структурных составляющих − структурно-избирательная коррозия, и сплавы типа твердых растворов − компонентно-избирательная коррозия. Сплошная коррозия делится на равномерную и неравномерную, а местная коррозия может быть точечной, подповерхностной, межкристаллитной, ножевой, в виде пятен, язв. Наиболее опасный вид местной коррозии − межкристаллитная коррозия, которая распространяется по границам зерен. Местная коррозия более опасна, чем сплошная, т. к. может привести к нарушению герметичности в локальном месте и к разрушению.

При воздействии рабочих напряжений в конструкциях может развиться опасный вид разрушения − коррозионное растрескивание или коррозия под напряжением. При коррозионном растрескивании под воздействием напряжения могут возникать транскристаллитное (по объему кристалла) и межкристаллитное (по границам кристаллов) разрушения. Коррозионное растрескивание под напряжением характеризуется хрупкими изломами. Проблему коррозионного растрескивания можно решить проведением термической обработки − отжигом для снятия внутренних напряжений или созданием в поверхностной зоне материала напряжений сжатия при поверхностном наклепе (упрочнение при деформации).

Химическая коррозия − процесс разрушения материалов под воздействием жидкостей-неэлектролитов и газовой высокотемпературной среды. Защиту конструкций, работающих в среде неэлектропроводящих жидкостей (спирт, бензол, фенол, бензин, расплавленная сера) ведут либо подбором химического состава материала, либо применяя защитные покрытия. Газовая коррозия наблюдается при работе в условиях высоких температур, она опасна для термического нагревательного оборудования, оборудования для горячей деформации и литья. Газовая коррозия − это прежде всего окислительные процессы, т.е. взаимодействие с кислородом среды. В свою очередь, образующаяся на поверхности материала плотная оксидная пленка может защитить металл от дальнейшего окисления. Основной метод защиты от газовой коррозии − использование жаростойких сталей и сплавов и защита поверхности материала специальными жаростойкими покрытиями, получаемыми при диффузионном насыщении алюминием, хромом, кремнием, либо металлокерамическими покрытиями.

Электрохимическая коррозия возникает при контакте металлов с электролитами, чаще всего во влажной среде через электродные реакции. При нахождении металла в растворе электролита между поверхностью металла и электролитом возникает разность потенциалов, величина которого оказывает большое влияние на характер коррозионного процесса. Разность потенциалов возникает при образовании двойного электрического слоя заряженных частиц на границе раздела фаз металл − электролит, что и вызывает появление некоторой разницы потенциалов между металлом и раствором электролита.

Электродный потенциал определяет термодинамическую устойчивость металлов к коррозии. Каждая электродная реакция имеет свой стандартный потенциал (φ°). Если расположить электродные реакции в соответствии со значениями стандартных потенциалов, то получится электрохимический ряд напряжений металлов:

Li Rb K Ba Sr Ca Na Mg Al Mn Zn Cr Fe Cd Co Ni Sn Pb H₂ Sb Cu Hg Ag Pt Au

Электрохимический ряд напряжений металлов, который применим только для чистых (неокисленных) металлических поверхностей, представляет собой закономерное расположение металлов относительно стандартного электродного потенциала водорода, который принят за ноль. Слева от Н₂ располагаются металлы с отрицательными значениями стандартного электродного потенциала, справа − с положительными. Металл, которому соответствует относительно высокий стандартный потенциал, например, серебро (φ° = +0,80), называется благородным металлом. Металл, которому соответствует низкий стандартный потенциал, например магний (φ° = −2,38), называется неблагородным металлом. Таким образом, более электроотрицательные металлы обладают большей склонностью к электрохимической коррозии.

Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Коррозионную стойкость металлов можно оценить количественно по изменению массы металла при коррозии, отнесенной к единице времени или единице поверхности; по объему выделяющегося или поглощаемого при коррозии газа, отнесенного к единице времени или единице поверхности; по уменьшению толщины образца металла, отнесенной к единице времени (мм/год); по плотности коррозионного тока.

Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.

Физические свойства. Плотность вещества характеризует массу в единице объема и измеряется в кг/м³ (г/см³). Плотность зависит от строения и массы атома, от упаковки атомов в кристаллической решетке вещества и может изменяться при наличии в металле микро- и макродефектов. Следовательно, это свойство может быть использовано для определения количества входящих в состав материала элементов, если известны эти элементы. Кроме того, при известном и постоянном химическом составе материала определение плотности может дать информацию о количестве дефектов в реальном изделии (макро- и микропор, точечных дефектов – вакансий).

Теоретическую плотность материала находят расчетным путем. Реальная плотность материала определяется экспериментально и может быть рассчитана после прямого взвешивания образца и точного измерения его размеров. Основным наиболее точным методом определения плотности, не зависимым от формы исследуемого образца, является метод гидростатического взвешивания в соответствии с законом Архимеда: «На тело, погруженное в жидкость, действует выталкивающая сила, равная весу жидкости, вытесненной телом». Метод реализуется двукратным взвешиванием: на воздухе и жидкости (воде, спирте) с точной известной плотностью при контролируемой температуре с последующим расчетом.

Изменение объема и линейных размеров тела с ростом температуры вызывает изменение плотности и учитывается через характеристику коэффициента линейного и объемного теплового расширения. Коэффициент линейного теплового расширения α измеряется в °С^-1 и является самостоятельной характеристикой физических свойств материалов. Например, для алюминия средний температурный коэффициент линейного расширения от 20 до 100 °С равен 23,8 ·10⁶ °С^-1, для меди – 6,8·106 °С-1. Коэффициент линейного расширения характеризует способность материала к изменению размеров при изменении температуры.

Электропроводность и электросопротивление – это структурно-чувствительные свойства материалов. Удельное электросопротивление ρ измеряется в мкОм·см, например, удельное электросопротивление сплава на основе никеля, константана, равно 0,46 мкОм·м, меди – 0,0172 мкОм·м.

Удельная электропроводность γ (удельная проводимость) – величина обратная удельному электросопротивлению 1/ρ, она измеряется в Ом-1·см-1, мкОм^-1·см^-1.

Электрические свойства зависят от типа металла – основы сплава, от соотношения компонентов в материале, от размеров частиц рассматриваемого материала, от концентрации компонентов в фазах. Измерения электропроводности и электросопротивления дают информацию о структуре сплавов, о развивающихся при технологических переделах процессах перестройки кристаллической решетки, об изменении количества (соотношения) фаз в сплавах при нагревах и охлаждениях.

Кроме того, электрическое сопротивление и электропроводность для электротехнических материалов являются важнейшими эксплуатационными свойствами и, следовательно, могут использоваться в качестве контрольных характеристик, оценивающих качество изделий после их получения согласно тем или иным технологическим процессам получения изделий.

Заданные магнитные свойства материалов могут являться конечной целью определения магнитных характеристик для деталей типа постоянных магнитов, трансформаторной и динамной стали.

Магнитные свойства определяются в результате анализа так называемой «петли магнитного гистерезиса». Основными характеристиками магнитных свойств является W – удельная магнитная энергия (Дж/м³), Вr – остаточная индукция магнитного поля, Тл, Нс – коэрцитивная сила (А/м), μ_н – относительная магнитная проницаемость и др.

Магнитные свойства часто коррелируют с изменением механических характеристик обрабатываемых материалов, поэтому их используют для создания неразрушающих методов контроля качества стальных изделий и других ферромагнитных материалов.

Теплофизические свойства. Основными теплофизическими свойствами конструкционных материалов, являются теплоемкость и теплопроводность веществ. Удельная теплоемкость с р измеряется в Дж/(кг·°С), удельная теплопроводность λ – в Вт/(м·°С). Эти характеристики важны для анализа процессов нагрева и охлаждения в различных условиях получения изделий и в процессах эксплуатации. Их значения зависят от температуры, они определяются прямыми температурными измерениями в условиях выполнения экспериментов с использованием специальных теплообменных устройств и расчетов на основе классических законов термодинамики. Например, теплоемкость алюминиевого сплава АМг6 при температуре 100 °С равна 922 Дж/(кг·°С), а теплопроводность – 122 Вт/(м ·°С). Известные результаты измерений теплоемкости и теплопроводности различных материалов концентрируются в специальных справочных изданиях, которые рекомендуется использовать для любых расчетов, включая процессы теплообмена как внутри рассматриваемого изделия, так и при взаимодействии его поверхности с окружающей технологической средой.

Эксплуатационными называют свойства материала, которые определяют работоспособность деталей машин, приборов или инструментов и их технико-эксплуатационные показатели.

Работоспособность подавляющего большинства деталей машин и изделий обеспечивает уровень механических свойств. Механические свойства характеризуют поведение материала под действием внешней нагрузки. Так как условия нагружения деталей машин чрезвычайно разнообразны, то механические свойства включают большую группу показателей. Работоспособность отдельной группы деталей машин зависит не только от механических свойств, но и от сопротивления воздействию химически активной рабочей среды. Если такое воздействие становится значительным, то определяющими становятся физико-химические свойства материала – жаростойкость и коррозионная стойкость.

Жаростойкость характеризует способность материала противостоять химической коррозии, развивающейся в атмосфере сухих газов при повышенной температуре. У металлов при нагреве на поверхности образуется оксидный слой (окалина). Количественные показатели жаростойкости: скорость окисления, оценивающая интенсивность изменения массы металла (г/м²·ч), или скорость роста толщины оксидной пленки на поверхности (мкм·ч); допустимая рабочая температура металла, при которой скорость его окисления не превышает заданного значения.

Коррозионная стойкость – это способность металла противостоять, например, электрохимической коррозии, которая развивается при наличии жидкой среды на поверхности металла и ее электрохимической неоднородности. Количественные показатели коррозионной стойкости: скорость электрохимической коррозии, оценивающая интенсивность изменения массы металла (г/м²·ч) или линейных размеров образца (мкм/ч); степень изменения механических свойств под влиянием повреждения поверхности.

Технологические свойства. Изготовление изделий из материалов производится различными способами обработки давлением, литьем, механической обработкой. Для оценки возможности использования различных схем обработки необходимо учитывать технологические свойства материалов.

Технологичность оценивается способностью к обрабатыванию резанием, например, отделением стружки при резании, технологической пластичностью при обработке давлением, свариваемостью, жидкотекучестью и усадкой при литье, а также прокаливаемостью, склонностью к деформации и короблению при термической обработке. Технологичность материала имеет важное значение, так как от нее зависит производительность и качество изготовления деталей.

Дата добавления: 2014-01-07