Физические свойства металлов

К ним относятся электрические, магнитные и тепловые свойства.

В первую очередь это материалы, которые используются в электротехнической промышленности. От них требуется высокая электропроводность, или наоборот высокое электросопротивление, или например магнитные свойства. В таких случаях механические свойства материалов второстепенны.

Удельное электросопротивление проводника зависти от его размеров. Чем больше длина и меньше площадь сечения, тем электросопротивление проводника больше.

r = (с*l) /s

где с измеряется в (Ом*мм²) /мм = Ом*см

с - удельное электрическое сопротивление материала из которого изготовляется проводник длиной 1м и площадью сечения 1мм²

Величина обратная удельному сопротивлению называется удельной проводимостью.

для меди с = 1,7*10^-6 Ом*см

для алюминия с = 2,7* 10^-6 Ом*см

Тепловые свойства.

Теплопроводность материала характеризует способность передавать тепловую энергию, от одной части к другой, если между ними возникает разница в температурах.

Для определения теплопроводности, испытуемый материал одним концом помещается в нагревательное устройство, а другим в водяной калорифер.

Явление теплопроводности представляет собой перенос кинетической энергии за счет электронов проводимости и колебаний кристаллической решетки, при этом за счёт электронов передача тепла примерно в 30 раз больше чем за счёт решётки.

Теплопроводность не металлических материалов определяется ионной или ковалентной связью, т.е. только колебанием кристаллической решетки и поэтому теплопроводность в этих материалах на 1-2 порядок ниже, чем у металлов. Эта разница в теплопроводности применение материалов в технике и быту.

Термоэлектрические свойства.

Если 2 проводника из разных металлов соединить концами, а место соединения нагреть до разных температур, то в контуре возникнет ЭДС и пойдет термоэлектрический ток.

Величина ЭДС зависит от разности температур холодных и горячих спаев и природы материалов. Этот эффект используется для определения температур с помощью термопар. Термопара представляет собой спай двух разнородных проводников, для которых экспериментально установлена величина ЭДС в зависимости от температуры. В качестве материала используются следующие пары: хромель (90% никеля, 10% хрома); алюмель (94,5% никеля, 2% алюминия, 2% марганца, 1% кремния, 0,5% кобальта); платина - платинародий (90% платина, 10% родия).

Термическое расширение.

При нагреве материалов наблюдается тепловое расширение. Его величина оценивается коэффициентом объёмного или линейного расширения. Зависимость расширения металла от температуры носит криволинейный характер.

Подбор материала достигается использованием железо - никелевым сплавом. Сплав с содержанием 36% никеля называется инвар, практически не расширяемым. Этот сплав применяется в приборостроении деталей, для которых не допустимы изменения размеров при колебании температуры.

Технологические свойства металлов и сплавов.

Технологические свойства металлов характеризует поведение материалов в процессе изготовления из них деталей.

Под технологичностью понимается лёгкость поведения технологических операций. Основные технологические процессы: литьё, обработка давлением, обработка резанием, сварка.

Жидко текучесть лучше у тех металлов, которые имеют более низкую температуру плавления. Из алюминиевых сплавов хорошими литейными качествами обладают силумины (сплав алюминия с кремнием).

При производстве фасонного литья, т.е. изделия из сложной формы, материал должен обладать малой усадкой, т.е. объем должен мало изменяться при затвердевании. Малой усадкой 1% обладает бронза, т.к она пористая и чугун, который обладает усадкой 1,5%. У стали, процент усадки более 2%.

Обработка давлением

Обрабатываемость давлением зависит от пластичности металлов. Пластичность определяется металлическим, гибким, не направленным типом связи. Пластичность стали тем выше, чем меньше содержание углерода и вредных примесей (сера и фосфор).

Широкое распространение получила технология холодной пластической деформации - это вытяжка, гибкость, штамповка. Для определения возможности материала с ним проводят следующие испытания:

на загиб

на перегиб

на вытяжку

на осадку

на обрабатываемость резанием - проверяется производительность, качество поверхности и вид стружки.

на скручивание

на свариваемость.

Технологическая свариваемость оценивает поведение металлов в процессе сварки и характеризует склонность к окислению металла при сварке и образование холодных и горячих трещин.

Классификация сталей.

Стали классифицируются по: химическому составу, качеству, назначению, видам термообработки, способу поставки.

По качеству нормируется по содержанию сферы и фосфора.

По значению улучшаемые стали, цементуальные, инструментальные, конструкторные, специальные.

Термообработка.

Цель термообработки - получение в детали необходимого комплекса свойств, за счет образования необходимой структуры металла, т.е. изменение свойств материала, а не размеров или формы. Термообработка может быть разупрочняющей или упрочняющей и состоит из нагрева до определенной температуры, выдержки при этой температуре и выдержке.

Отжиг - разупрочняющая обработка, применяется для уменьшения зерна, снятия внутренних напряжений, снижение твёрдости, улучшение обрабатываемости. Отжиг бывает диффузионный (для выравнивания химического состава).

Низкий отжиг для снятия внутренних напряжений и полный отжиг для устранения пороков структуры.

Нормализация применяется для перекристаллизации стали, для устранения крупнозернистой структуры, полученной при литье или ковке.

Закалка - повышение прочности и твердости за счет изменения структуры, не является окончательной операцией, затем идёт отпуск. Результаты закалки во многом зависят от правильного выбора температуры нагрева. При нагреве в электрических печах, скорость нагрева меньше чем в соляных ваннах. При достижении заданной температуры, деталь производит выдержку до полного равномерного её прогрева и затем остужают. В качестве закалочных сред используют воду, водные растворы, воздух, масло и даже свинец. Для увеличения механической прочности иногда применяется обработка холодом до минусовых температур.

Кроме этих процессов происходит поверхностное упрочнение. Поверхность детали насыщают различными элементами, путем диффузии при высокой температуре это производится для поверхностного упрочнения, повышение стойкости против агрессивных сред при нормальной и повышенной температуре.

Цементация - процесс насыщения поверхностного слоя стальной детали углеродом, производится для получения высокой твердости на поверхности при сохранении вязкой сердцевины.

Цианирование - называется процесс одновременного насыщения поверхности детали углеродом и азотом. При повышенной температуре цианирование в поверхностном слое увеличивается содержание углерода, а при понижение температуры увеличивается содержание азота. Цианирование может быть жидким и газовым.

Азотирование - процесс насыщения поверхности стали азотом, производится в среде аммиака. Участки детали, не подлежащие азотированию, зачищаются оловом, которое является непроницаемым для азота.

Диффузионная металлизация - поверхностный слой стали насыщается различными металлами. Среды для насыщения могут быть твердыми, жидкими газообразными.

Например, алюмитирование - насыщение поверхности стали алюминием, при этом деталь приобретает высокую коррозионную стойкость.

Хромирование - проводится для повышения коррозионной стойкости, кислотной стойкости.

Борирование - процесс насыщения стали бором. Очень сильно повышается абразивная износостойкость.

Поверхностная закалка применяется для получения высокой твердости в поверхностном слое с сохранением вязкой сердцевины.

Сущность процесса состоит в том, что поверхностные слои детали быстро нагреваются, создавая не равномерное распределение температур по телу детали, и происходит быстрое охлаждение детали. Скорость нагрева поверхностного слоя должна быть высокой, тогда внутренние слои не успевают нагреться.

Закалка токами высокой частоты (ТВЧ)

При использовании этого способа уменьшается деформация детали, устраняется окисление, значительно повышается производительность.

Недостаток ТВЧ - высокая стоимость оборудования и низкая рентабельность в единичном производстве.

В настоящее время поверхностная закалка лазерным лучом. При этом охлаждение происходит за счет отвода тепла вовнутрь металла.

Виды чугунов

Сплавы железа и углерода, с содержанием углерода более 2, 14% называются чугунами.

Классифицируется в зависимости от того в каком состоянии находиться углерод:

Белые чугуны.

Весь углерод находиться в связанном состоянии (в цементите), на изломе матово-белый.

Серый чугун.

Графит пластинчатой формы, на изломе темно-серый.

Высокопрочные чугуны.

Форма графита шаровидная.

Ковкие чугуны.

Графит имеет хлопьевидную форму.

Серые чугуны обладают наименьшей прочностью, т.к пластинки графита можно рассматривать как трещины, которые нарушают целостность металла. Чем крупнее пластины, тем менее прочен чугун. Предел прочности на сжатие примерно в 5 раз больше, чем на растяжения.

Чугун имеет следующие преимущества перед сталью:

1) Лучше обрабатывается резанием;

2) стружка сыпучая, а не сливная;

3) обладает хорошими антифрикционными св-ми;

4) Графитовые включения в чугуне обеспечивают хорошее демпфирование, т.е. гашение вибраций;

5) Практически не чувствителен к поверхностным эффектам.

Детали из серых чугунов получают отливкой или литьем. Например: станин из станков, поршень, зубчатые колеса и. т.д.

Высокопрочные чугуны получают при добавлении в чугун магния или церия, от этих добавок графит приобретает шаровидную форму. Эта форма графита обеспечивает высокие механические св-ва.

Ковкие чугуны получают из белых чугунов путем отжига, отжиг производиться в две стадии. Для ускорения процесса иногда добавляют алюминий. Применяется для ответственных деталей сложной формы.

Ковкие чугуны маркируются - КЧ

Высокопрочные - ВЧ

Серые чугуны - СЧ.

Две цифры после букв обозначают предел прочности, для повышения прочности чугуна иногда проводят старение. При естественном старении детали выдерживаются около года после старения, при этом внутреннее напряжение снижается на 10%.

Легированные стали.

Легированные стали - это стали, в состав которых добавляется легирующие элементы, эти элементы вводят для изменения ее строения и св-в.

Обозначения легирующих элементов:

Н - никель

Х - хром

К - кобальт

М - молибден

Г - марганец

Д - медь

Р - бор

Б - ниобий

Ц - цирконий

С - кремний

П - фосфор

Ч - редкоземельные металлы

В - вольфрам

Т - титан

Ф - ванадий

Ю - алюминий

Первые две цифры в маркировке показывают содержание углерода в сотых долях процента.

Цифры после букв указывают содержание этого элемента в процентах, если цифра после буквы не стоит, то содержание этого элемента 1%.

Стали бывают: цементуемые; улучшаемые; шарикоподшипниковые, резцорнопружинные.

Для резцов и пружин применяются стали легированные марганцем или кремнием или другими элементами. Например: 50С2; 60СГ; 50ФХА и др.

Стали для сварных конструкций.

Для целостности и прочности сварного соединения опасны трещины, которые могут возникнуть при сварке. Трещины бывают: горячие и холодные. Используются стали: 19Г; 14Г; 15ГФ; и др.

Для увеличения прочности материала около шва вводят алюминий и титан.

Инструментальные стали.

В процессе резания режущие кромки инструмента находятся под воздействием очень высоких контактных напряжений. В таком состоянии материал склонен к пластическому деформированию, Т.о. высокая твердость материала является необходимым св-ом инструментальной стали.

Коэффициент теплового расширения этих сталей должен быть минимальным. Иначе происходит термическая усталость и инструмент выходит из строя, снижается точность обработки.

Инструментальные стали бывают: углеродистые и легированные, кроме того есть быстрорежущие стали, у них основным легирующим элементом является вольфрам или молибден.

Имеются специальные марки стали для измерительного инструмента, они должны иметь высокую твердость, износостойкость, вязкую середину и зачастую устойчивость против коррозий.

Штамповые стали.

Штамповые стали для холодного деформирования должны иметь высокую износостойкость, прочность, вязкость, прокаливаемость. Температурный режим работы деталей инструмента достаточно тяжелые, работают с динамическими нагрузками, поэтому применяются качественные высоко легированные стали. Детали для пресс - форм должны иметь высокую жаропрочность.