Как выбирать строительные материалы: свойства и классификация

Физические свойства материалов дают характеристику их строения, а также отношения к любого рода процессам (физического характера), которые исходят из внешней среды. Эти свойства могут быть:

1. Удельными характеристиками строения и структурными характеристиками — истинная, средняя и насыпная плотности; закрытая, открытая или общая плотности.

Все они относятся к основным физическим свойствам материалов и веществ.

Диаграмма растяжения металлов

Разнообразие межатомных связей и состав кристаллической структуры сплава имеют большое значение в физико-химических, электрических, магнитных, механических, оптических и других свойствах. Сплавы на основе железа называются черными на основе других металлических цветов.

Неметаллические материалы — неорганические и органические материалы, композиты на неметаллической основе, клеи, герметики, краски, графит, стекло, керамика.

Полимер — это вещество, полимер которого состоит из множества основных звеньев (мономеров) с одинаковой структурой.

Композит-гетерогенная система (состоящая из фаз с различными физическими и химическими свойствами), полученная из двух или более компонентов при сохранении индивидуальности отдельных компонентов.

• Материал является гомогенным на макромасштабе и неоднородным на микромасштабе (компоненты имеют разные характеристики, и между ними существует четкая связь).
• Одним из компонентов, который имеет непрерывность по всему объему, является матрица. Прерывистые ингредиенты, деленные на объем композиции, считаются усиливающими или усиливающими.

Удельные характеристики

Истинной плотностью называется физическое свойство материалов, которое выражается отношением массы вещества к его объему. При этом исследуемый объект должен пребывать в абсолютной плотности, то есть без пустот и пор. Средней плотностью называют физическую величину, которая определяется отношением массы вещества к объему, занимаемому им в пространстве. При расчете этого свойства объем объекта включает в себя все внутренние и внешние поры и пустоты.

Сыпучим веществам характерно такое физическое свойство материалов, как насыпная плотность. Объем такого объекта исследования включает в себя не только пористость материала, но и образовавшиеся между элементами вещества пустоты.

Пористость материала – это величина, которая выражает степень заполненности общего объема вещества порами.

Гидрофизические свойства

Последствия воздействия на материал воды или морозов во многом зависят от степени его плотности и пористости, которые влияют на уровень водопоглощения, водопроницаемости, морозостойкости, теплопроводности и др.

Водопоглощением называется способность вещества впитывать и удерживать в себе влагу. Высокий уровень пористости при этом играет важную роль.

Влагоотдача является свойством, противоположным водопоглощению, то есть характеризует материал со стороны отдачи влаги в окружающую его среду. Эта величина играет важную роль в обработке некоторых веществ, например, строительных, которые в процессе возведения имеют высокую влажность. Благодаря влагоотдаче они высыхают до тех пор, пока их влажность не сравняется с окружающей средой.

Гигроскопичность – это свойство предусматривающее поглощение объектом водяных паров извне. Например, древесина способна поглощать много влаги, в результате чего растет ее масса, снижается уровень прочности и меняется размер.

Усушка или усадка – это гидрофизическое свойство материалов, которое предусматривает уменьшение его объемов и размера в процессе высыхания.

Водостойкостью называется способность вещества сохранять свою прочность в результате увлажнения.

Морозостойкостью является способность материала, насыщенного водой, многократно выдерживать заморозку и оттаивание без снижения уровня прочности и разрушения.

Свойства стройматериалов

Свойства любого материала зависят от его состава и структуры и могут изменяться в широких пределах. При этом они не являются постоянными, а изменяются с течением времени под воздействием среды, в которой эксплуатируется здание.

Скорость изменений может меняться от очень медленной (например, разрушение горных пород) до быстрой (повышение хрупкости полимеров под воздействием ультрафиолетовых лучей или вымывание из бетона растворимых веществ).

Поэтому при выборе стройматериалов для строительства дома необходимо руководствоваться не только теми свойствами, которыми они обладают в изначальном состоянии, но и их стойкостью, обеспечивающей срок эксплуатации, как отдельного изделия, так и сооружения в целом.

Свойства строительных материалов условно делят на:

• механические;
• физические;
• химические и технологические.

Ниже дана наглядная схема с указанием перечня конкретных свойств, по которым нужно сравнивать и выбирать стройматериалы.

Теплофизические свойства

Как упомянуто выше, такие свойства описывают последствия воздействий тепла или холода на вещества и материалы.

Теплопроводностью называется способность объекта передавать тепло от поверхности к поверхности через свою толщу.

Теплоемкость – свойство вещества, предусматривающее поглощение определенного количества тепла при нагревании и выделение того же количества тепла при охлаждении.

Огнестойкостью называется физическое свойство материала, которое описывает его способность противостоять действию высокой температуры и жидкости при пожаре. В соответствии с уровнем огнестойкости материалы и вещества могут быть несгораемыми, трудносгораемыми и сгораемыми.

Огнеупорность – это способность объекта выдерживать длительные воздействия высокими температурами без последующего расплавления и деформации. В зависимости от уровня огнеупорности вещества могут быть огнеупорными, тугоплавкими и легкоплавкими.

Паро- и газопроницаемостью называется физическое свойство материалов пропускать через себя под давлением воздушные газы либо водяной пар.

Химические свойства

Химическим называются свойства, которые описывают способность материалов реагировать на воздействия окружающей среды, ведущие к изменениям в их химической структуре. Кроме того, к таким свойствам относятся и характеризующие вещества со стороны их влияния на структуры других объектов. С точки зрения химических свойств материалы описываются уровнем растворимости, кислото- и щелочестойкостью, газоустойчивостью и антикоррозийностью.

Растворимостью обозначается способность вещества к растворению в воде, бензине, масле, скипидаре и других растворителях.

Кислотостойкость показывает уровень стойкости материала к воздействию минеральных и органических кислот.

Щелочестойкость учитывается при технологических обработках веществ, так как помогает распознать их природу.

Газостойкостью характеризуют способность объекта противостоять взаимодействию с газами, которые входят в состав атмосферы.

С помощью показателя антикоррозийности можно узнать, насколько вещество поддается разрушению коррозией, возникающей в результате воздействия на него внешней среды.

Прочность и долговечность конструкции

Текучесть характерна только для низкоуглеродистой отожженной стали и некоторых сортов латуни. Нет предела текучести при растяжении высокоуглеродистой стали.

По мере увеличения упругопластической деформации сила сопротивления образца увеличивается и достигает максимального значения в точке В. Для пластиковых материалов локальное сужение образуется в самой слабой части образца в этой точке, и дальнейшая деформация приводит к разрыву образца.

При растяжении определяются показатели прочности и пластичности материала.

Показатель прочности материала характеризуется напряжением, равным отношению нагрузки к площади поперечного сечения образца (в характерной точке на диаграмме растяжения).

Сплав представляет собой твердое вещество, образованное слиянием двух или более компонентов. Сплавы образуются в результате чисто физических процессов (растворение, смешивание) и в результате химических взаимодействий между элементами.

Механические свойства

Механическими свойствами называются реакции материалов на приложенные к ним механические нагрузки.

Физические и механические свойства материалов часто пересекаются, однако существует ряд исключительно механических показателей. Со стороны механики вещества характеризуются упругостью, прочностью, твердостью, пластичностью, усталостью, хрупкостью и др.

Упругостью является способность тел (твердых) к сопротивлению воздействиям, направленным на изменение их объема либо формы. Объект с высокой величиной упругости устойчив к механическим напряжениям и способен самостоятельно восстанавливаться, возвращаясь в исходное состояние после прекращения воздействия.

Прочность показывает, насколько материал устойчив к разрушению. Его максимальный показатель для определенного объекта называется пределом прочности. Пластичность также относится к прочностным показателям. Она является свойством (характерным для твердых тел) бесповоротно изменять свой внешний вид (деформироваться) под влиянием сил, исходящих извне.

Усталостью называется накопительные процесс, при котором в результате повторяющихся механических воздействий растет уровень внутреннего напряжения материала. Этот уровень будет увеличиваться до тех пор, пока не пересечет предел упругости, в результате чего материал начнет разрушаться.

Одним из самых распространенных свойств является твердость. Она представляет собой уровень сопротивления объекта вдавливанию.

Физические, механические и технологические свойства материалов

Физические, механические и технологические свойства конструкционных, природных и искусственных материалов

Конструкционные материалы – материалы, из которых изготавливаются различные конструкции, детали машин, элементы сооружений и т.д.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Неметаллические материалы – это неорганические и органические материалы, графит, пластмассы, стекло, керамика, резина, древесина, ткань, бумага и т.д. Полимеры – вещества, макромолекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинаковой структуры (полиэтилен, полистирол).

Композиционные материалы – (состоящие из различных по физическим и химическим свойствам материалов), полученные из двух и более компонентов ( на металлической или полимерной основе), гетинакс, текстолит, стеклопластик, стеклоткань.

В машиностроении большое применение находят различные неметаллические материалы, такие как пластмассы, резина, стекло, керамика, лакокрасочные и клеевые материалы, причем с развитием химии и новых технологий доля неметаллических материалов в машиностроении постоянно увеличивается.

Выбор пластмасс определяется назначением детали и характерной особенностью ее получения (прессование, литье и другие способы), причем особенности строения, механические и физические свойства пластмасс существенно влияют на конструкцию детали и способ ее изготовления.

Материалы, применяемые в машиностроении

Для изготовления деталей машин применяются различные материалы, называемые конструкционными. От правильного выбора конструкционного материала зависят качество, надежность, экономичность и долговечность деталей и машины в целом. Все конструкционные материалы можно условно разделить на однородные и композиционные, металлические и неметаллические.

Металлы – химические элементы, образующие в свободном состоянии простые вещества с металлической связью между атомами.

Сплавы – твердые вещества, образованные сплавлением двух или более компонентов. Сплав образуется в результате как чисто физических процессов (растворение, перемешивание), так и в результате химического взаимодействия между элементами. Сплавы на основе железа называются черными, на основе других металлов цветными.

Строение металлических конструкционных материалов

В природе существует две разновидности твердых тел, различающиеся по своим свойствам – кристаллические и аморфные.

Кристаллические тела характеризуются упорядоченным расположением в пространстве элементарных частиц, из которых они составлены (металлы); аморфные – хаотичным (стекло)

Металлы и их сплавы в твердом состоянии представляют собой кристаллические тела, в которых атомы располагаются относительно друг друга в определенном, геометрически правильном порядке, образуя кристаллическую структуру. Такое закономерное, упорядоченное пространственное размещение атомов называется кристаллической решеткой.

Рисунок 3.2 – Схемы кристаллических решеток

Характерным признаком кристалла является твердое состояние до температуры плавления, причем процесс плавления происходит при постоянной температуре.

Все металлы делятся на две группы: черные и цветные. К черным металлам относятся железо и его сплавы, марганец и хром, производство которых тесно связано с металлургией чугуна и стали.

Все остальные металлы относятся к цветным. Цветные металлы условно делятся на пять групп:

Основные тяжелые металлы:

медь, никель, свинец, цинк и олово.

Малые тяжелые металлы:

висмут, мышьяк, сурьма, кадмий, ртуть и кобальт.

Легкие металлы:

алюминий, магний, титан, натрий, калий, барий, кальций и стронций. Металлы этой группы имеют самую низкую среди других металлов плотность (удельную массу).

Благородные металлы:

золото, серебро, платина. Эти металлы обладают высокой стойкостью к воздействую окружающей среды и агрессивных сред.

Редкие металлы:

(вольфрам, молибден, тантал, ниобий, цирконий, ванадий, уран)

Черные металлы и сплавы

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (сталь и чугун). Железо в чистом виде в машиностроении не применяется. Сталь это сплав с содержанием углерода до 2 %. Чугун – сплав железа с углеродом при содержании углерода от 2 до 6 %.

В зависимости от химического состава различают стали углеродистые и легированные

Инструментальные стали предназначены для изготовления режущего, измерительного, штампового и прочего инструмента. Эти стали содержат более 0,65% углерода.

Стали с особыми физическими свойствами: с определенными магнитными характеристиками (электротехническая сталь)

Стали с особыми химическими свойствами: нержавеющие, жаростойкие и жаропрочные стали.

Стали бывают обыкновенного качества и качественные. Нержавеющие стали. Имеют легирующие добавки.

называют сплав железа с углеродом и другими элементами, содержащими углерода более 2 %. Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь,

Цветные металлы и сплавы

Цветные металлы и сплавы. Многие цветные металлы (Cu, Al, Mg, Pb, Sn, Zn, Ti) и их сплавы обладают рядом ценных свойств: хорошей пластичностью, вязкостью, высокой электро- и теплопроводностью, прочностью, низкой плотностью, коррозионной стойкостью и другими достоинствами.

Из цветных металлов и в виде сплавов широко используются алюминий, медь, свинец, олово, магний, цинк, титан.

Сортовой прокат

• В машиностроении, строительстве, на транспорте широко применяется металлический прокат: листы, полосы, ленты, рельсы, балки

и т. д. Его получают в результате обжатия слитка металла в горячем или холодном состоянии между вращающимися валками прокатного стана. Таким образом обрабатывают сталь, цветные металлы и их сплавы.

• Профиль проката (форма его поперечного сечения) зависит от формы валков.

Различают следующие профили сортового проката: простые

(круг, квадрат, шестиугольник, полоса, лист);
фасонные
(рельс, балка, швеллер, тавр, двутавр, труба и др.);
специальные
(арматурная сталь и др.).

Чаще всего сортовой прокат используется в качестве заготовок для различных деталей. Например, из шестигранного прутка

делают болты, гайки. Из
круглого проката
вытачивают цилиндрические детали на токарных станках.
Уголковый прокат
применяется в производстве рам, каркасов, стеллажей и т. д.

Очень широко используется древесина. Древесные породы делятся на две группы: хвойные и лиственные. Распиленная на специальной установке (пилораме) древесина называется пиломатериалом (доски, брусья, бруски). Из древесины делают конструкционные материалы – бумагу, фанеру, ДВП и ДСП.

Современной альтернативой натуральным материалам служат композитные составы:

• ДСП (древесно-стружечная плита) — наиболее дешевый, но достаточно прочный материал, который изготавливают методом прессования древесных стружек с добавлением синтетических смол.
• ДВП (древесно-волокнистая плита) — по технологии производства этот материал близок к ДСП, но для него используются опилки.

Свойства конструкционных материалов

Физико-механические свойства конструкционных материалов подразделяются на: конструкционные, технологические и эксплуатационные

К физическим свойствам металлов относятся: цвет, температура плавления, электропроводность, теплопроводность, тепловое расширение и магнитные свойства.

К физическим свойствам древесины относятся: текстура, цвет, блеск, влажность.

К механическим свойствам относятся:

— прочность — это способность материала сопротивляться деформации и разрушению.

— упругость – это способность восстанавливать форму после деформации.

— пластичность – способность материала деформироваться.

— твердость – это сопротивление материала проникновению в его него другого, твердого тела

Деформацией называется изменение размеров и формы тела под действием внешних сил а) сжатие, б) растяжение, в) изгиб, г) срез, д) кручение.

Технологическая обработка металлов давлением: прокат, прессование, волочение, ковка, штамповка.

Вопросы самоконтроля

1. Какие виды конструкционных материалов вы знаете?
2. Чем отличается сталь от чугуна?
3. Какие свойства металлов относятся к механическим свойствам?
4. Назовите основные профили сортового проката?
5. Что такое древесина? Что относится к физическим свойствам древесины?

Виды пиломатериалов: а) пластина, б) четвертина, в) доска, г, д, е, з, и) брус, ж) горбыль.

Методика определения физических свойств

Для того чтобы узнать определенные физические свойства материала, используются различные способы, каждый из которых направлен на исследование какого-то определенного показателя.

Для того чтобы определить плотность образца материала, зачастую пользуются методом гидростатического взвешивания. Он предусматривает измерение объема вещества по массе вытесняемой им жидкости. Истинную плотность рассчитывают математическим путем, разделив массу объекта на его абсолютный объем.

Эксперимент по определению величины водопоглощения производится в несколько этапов. Прежде всего образец материала взвешивается, производится измерение его размеров и вычисляется объем. После этого он погружается в воду на 48 часов для насыщения жидкостью. Спустя 2 дня образец достают из воды и немедленно взвешивают, после чего математическим путем вычисляется водопоглощение материала.

Большинство методов определения физических свойств материалов на практике сводятся к использованию специальных формул.

Свойства конструкционных материалов

Детали машин и механизмов работают под разными нагрузками. Некоторые детали испытывают нагрузки, которые всегда работают в одном направлении. Другие детали-удары, другие детали-нагрузки разных размеров и направлений.

Некоторые детали машины нагружены при высоких или низких температурах. Поэтому для определения механических свойств металлов были разработаны различные методы испытаний. Различают статические и динамические испытания.

Статический тест — это тест, в котором к испытательному материалу применяется постоянная или дополнительная нагрузка.

Динамический тест называется, когда материал подвергается ударной нагрузке.

Наиболее распространенными испытаниями являются твердость, статическое напряжение и ударная вязкость. Кроме того, могут проводиться испытания на усталость, ползучесть и износ. Это дает вам более полную картину свойств металла.

Испытание на растяжение. Статическое испытание на растяжение является распространенным методом для механических испытаний металлов. Эти испытания создают однородное напряженное состояние поперечного сечения образца, и материал подвергается нормальным и касательным напряжениям.

В принципе, статические образцы используют круглый образец или плоский образец 2 (лист). Образец имеет рабочую часть и головку, предназначенные для закрепления на рукоятке прибора для испытания на растяжение.

• Для цилиндрических образцов отношение расчетной начальной длины / 0 к начальному диаметру называется кратностью образца, и от этого зависит конечное удлинение. На практике используются образцы с кратностью. Наиболее распространенным является образец с кратностью 5.

Определение механических характеристик

Механические свойства веществ в значительной степени зависят от их структуры, сил, которые к ним прикладываются, температуры и внешнего давления. Практически все механические характеристики материалов устанавливаются в процессе лабораторных испытаний. Самыми простыми из них являются растяжение, сжатие, кручение, нагружение и изгиб. Так, например, предел прочности материала при изгибе и сжатии определяется при помощи гидравлического пресса.

Кроме того, при определении механических свойств также используют специальные формулы, которые зачастую основываются на массе объекта и его объеме.

Классификация стройматериалов

Все строительные материалы классифицируют по назначению, виду и способу получения:

— по назначению строительные материалы делят на:

Физические, химические, механические, технологические, эксплуатационные, свойства металлов (перечислить).

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
Все свойства металлов и сплавов принято подразделять на группы: физические, химические, технологические, механические и эксплуатационные.

Физические свойства

определяют поведение металлических материалов в тепловых, электромагнитных, радиационных полях.
К физическим свойствам
относятся плотность, температура плавления, теплоемкость, теплопроводность, электропроводность, магнитные характеристики, термическое расширение.

Химические свойства

характеризуют способность материалов вступать в химическое взаимодействие с другими веществами и химическими элементами, а также способность металлов и сплавов сопротивляться воздействию агрессивных сред, в том числе окислению.

Технологические свойства

характеризуют способность материалов подвергаться холодной и горячей обработке, в том числе при обработке резанием, ковке, сварке, литье. К
технологическим свойствам
относятся обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, литейные свойства (
жидкотекучесть
– способность жидкого металла заполнять литейную форму;
усадка
– уменьшение объема металла при переходе из жидкого состояния в твердое;
ликвация
– химическая неоднородность в отливках;
склонность к образованию трещин
– вероятность образования литейных трещин и пор в процессе затвердевания в литейной форме).

К механическим свойствам

относятся твердость, прочность, пластичность, упругость, вязкость.

Эксплуатационные свойства

характеризуют поведение материала в заданных рабочих условиях. К эксплуатационным свойствам относятся жаропрочность, жаростойкость, хладноломкость, усталость, износостойкость.

Для выбора материала и оценки его длительной работоспособности и на-

дежности наиболее важными являются механические и эксплуатационные свойства.

Поэтому именно эти группы свойств и методы их определения будут рассмотрены подробно.

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Многообразие условий службы и обработки материалов определяет необходимость проведения большого числа механических испытаний с целью получения целого комплекса значений механических свойств.

В зависимости от способа нагружения образца различают статические

,
динамические
и
циклические
испытания.

Рассмотрим основные механические свойства и их количественные характеристики.

Твердость – свойство материала сопротивляться воздействию внешних нагрузок при непосредственном соприкосновении.

Все методы измерения твердости имеют одинаковый принцип:

вдавливание в поверхность образца инородного тела (индентора) различной формы, размера с различной нагрузкой.

Различают следующие методы определения твердости:

Метод Бринелля (индентор – стальной шарик);

Метод Роквелла (индентор – алмазный конус или стальной шарик);

Метод Виккерса (индентор – алмазная пирамидка).

Схемы этих методов приведены на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема определения твердости:

по Бринеллю;
6) –
по Роквеллу;
в) –
по Виккерсу

Испытание по методу Бринелля (рис. 4.1, а)

состоит из вдавливания в

испытуемое тело стального шарика диаметром D

под действием постоянной нагрузки
Р ( Р=1000 кг — для цветных металлов; Р—3000 кг — для черных металлов)
и измерении диаметра отпечатка
d
на поверхности образца
.
Число твердости по Бринеллю
НВ
определяется величиной нагрузки
Р,
деленной на сферическую поверхность отпечатка. Чем меньше диаметр отпечатка, тем выше твердость металла. На практике твердость определяют не по формулам, а по специальным таблицам, исходя из диаметра отпечатка
d.
Твердость по Бринеллю обозначается НВ, где Н –

твердость, В – метод Бринелля. Твердость по Бринеллю измеряется в
МПа.
Измерение твердости по этому методу проходит быстрее и удобнее, чем по методу Бринелля, так как значение твердости выводится на шкалу прибора.

При испытании по методу Роквелла (рис. 4.1, б)

индентором служит алмазный конус или для более мягких материалов – стальной шарик. Конус и шарик вдавливаются в металл с различной нагрузкой. На приборе имеются три шкалы. При испытании алмазным конусом и нагрузке Р= 150 кг шкала обозначается
С,
а твердость обозначается
HRC
, при испытании алмазным конусом, но с нагрузкой Р = 60кг шкала обозначается
A
, а твердость –
HRA
, при испытании стальным шариком с нагрузкой 100кг шкала обозначается
В
, а твердость –
HRB
(таблица 4.1).

Свойства металлов – химические, физические, механические

Когда-то пресловутая фраза «люди гибнут за сталь» была символом важности данного материала в жизни людей. Да и сегодня он не потерял своей актуальности.
Он активно используется в самых разных областях жизнедеятельности человека, начиная со строительства и производства высокотехнологичных изделий, заканчивая предметами роскоши и украшениями.

По этой причине свойства интенсивно исследовались и сейчас изучаются ведущими умами и крупнейшими корпорациями.

Что же это такое?

На сегодняшний день известно огромное количество различных металлов. Каждый из них обладает определенными характеристиками, отличающим его от других химических элементов или материалов. Однако существуют определенные признаки, которые однозначно говорят, что мы имеем дело с металлическим компонентом:

1. Высокая теплопроводность и низкое электрическое сопротивление. Другие составы не обладают таким сочетанием. К примеру, графит проводит электричество, но не тепло.
2. Присутствие блеска в области излома.
3. Подверженность ковке.
4. Кристаллы в структуре.

Какие виды встречаются?

Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.

Чермет

Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.

В свою очередь, классифицируется на:

• железные – сюда стоит отнести железосодержащие материалы и основы, а также никелевые и кобальтовые сплавы;
• тугоплавкие основания для сплавов (имеют температуру плавления равную или превышающую 1600 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем);
• низкопрочностные редкоземельные элементы, такие как церий, неодим и другие (активно используются в производстве микроэлектроники).

Цветмет

Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.

Цветные ранжируют на следующие категории:

1. Легкие – литий, натрий и так далее. Они характеризуются небольшой плотностью – до 5 тонн на метр кубический. Это всего в 5 раз больше воды.
2. Тяжелые – свинец, серебро, золото. Их плотность в разы выше легких.
3. Благородные – те же золото и серебро, а также платина, плутоний.

Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.

Сплавы – основная форма представления

В чистом виде подобного рода элементы в природе и жизнедеятельности человека не встречаются. Да и без примесей они не просто неустойчивы, но бесполезны. Даже золотые и серебряные мерные слитки в банках имеют определенный процент добавок, в том числе и для увеличения прочностных характеристик. Кстати, они в буквальном смысле меняются кардинальным образом от варианта метсплава.

Физические свойства металлов

В данном случае речь идет о различных визуальных аспектах, а также параметрах, связанных с физикой. Можно привести сравнительную таблицу:

Показатели	Категории	Примеры
Электрическая проводность	проводникдиэлектрик	железомагний
Температура плавления	низкаявысокая	ртутьхром
Удельный вес	малыйбольшой	берилийосьмий
твердость	мягкийвысокотвердый	натрийвольфрам

На практике знание физических свойств металла описывает сферу использования того или иного мономатериала. В частности, электропроводность определяет область применения в электронике, как вариант, германий – полупроводники, серебро – дорожки микросхем.

К физ. характеристикам также относят цветопередачу – зрительный параметр, который может изменяться под воздействием различных факторов, например, температуры или наличия-отсутствия защитного покрытия. Многие цвета, кстати, были названы в честь хим. элементов – золотой, серебристый, медный и так далее.

Химические свойства металлов

Таблица Менделеева на треть состоит из рассматриваемых в данной статье моноэлементов. С практической точки для обывателя, да и специалиста, эти аспекты определяют их взаимодействие с окружающими агрессивными средами, такими как реагенты из воздушной массы, влажность, перепады температурных показателей, как суточных, так и годовых.

В этом ракурсе металлопозиции утрировано разделяются на следующие группы:

1. Активные. В качестве примеров можно привести литий, калий, барий, кальций, натрий.
2. Среднеактивные – магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, никель, серебро.
3. Малоактивные. Речь идет о меди, золотых слитках, платине и иных инертных компонентах.

Соединение с простыми веществами

Самым популярным в мире соединением, которое формируется между двумя одинаковыми элементами – это, безусловно, оксид. Ярким примером, который считается весьма распространенным и не очень приятным с практической точки зрения, считается окись железа – ржавчина (каждый из нас сталкивался с коррозионными процессами):

2FE + O2 = 2FEO.

Важно знать, что благородные металлоэлементы, такие как серебро, золото и платина, оксиды в обычных условиях не образуют. Это и является одной из основных причин их высокой стоимости.

О взаимодействии с галогенами (фтором, хлором и другими позициями, которые присутствуют в окружающей среде) также не стоит забывать. Вариант: образование солей:

2Na + Cl2 = 2 NaCl.

Реакции со сложными соединениями

Здесь в первую очередь необходимо отметить взаимодействие щелочей с водой. Такие реакции всегда сопровождаются выделение водорода, что на практике чревато формированием взрывоопасной среды.

Среднеактивные также могут реагировать с H2O. Однако происходит это при достаточно высоких температурах, поэтому в обычных условиях повышения концентрации водорода не стоит.

Механические свойства металлов

Данные сведения не рассматриваются как расчетные величины. Они определяются в процессе экспериментальных изысканий, в частности, деформации заготовок на растяжение и сжатие с применением специализированного оборудования.

Основными называют:

1. Прочность. Под этим аспектом принято понимать способность сохранять кристалическую целостность под воздействием мех. нагрузок различного типа, как статических, так и динамических, в том числе ударного формата. Чем прочнее монометалл, тем он долговечнее в тех конструкциях, где материал подвергается серьезным перегрузкам. Особенно это бывает актуально в тех областях, где от прочностных показателей зависит жизнь и здоровье человека, например, на транспорте.
2. Пластичность – характеристика, отражающая потенциал того или иного моноэлемента либо сплава под усилиями от внешних сил изменять свою геометрию и объем. При этом, опять же, физического разрушения кристаллической решетки не должно быть.
3. Твердость. Понятно, что подавляющее большинство металлических брусков руками не проверишь – для железа и алюминия ощущения будут одинаковыми. Для этого используются специальные приспособления – приборы Бриннеля или изобретение Роквелла. В первом случае в образец пытаются «впихнуть» сильнозакаленный шар, во втором – алмазную пирамиду. По размеру следа от давления и устанавливается плотность того или иного состава.

Здесь важно понимать, что прочность и твердость – это разные механические свойства металлов, порой, даже не взаимозначимые. Твердые образцы могут быть хрупкими.

1. Ударная вязкость. Как следует из названия речь идет о возможности противостоять нагрузкам при целенаправленных ударах. Измеряется в джоулях на сантиметр кубический.
2. Упругость. Под действием различного рода сил образец изменяет свою форму и объем. Способность восстановить свои начальные параметры и определяют упругость.

Также к механике относятся конструкторские особенности ­– надежность, живучесть, долговечность.

Технологические характеристики

При оценке целесообразности выбора того или иного металла для решения конкретных практических, производственных задач, необходимо учитывать:

• Ковкость. Под давлением производится обработка изделий. При этом полного разрушения не наблюдается, однако структура кристаллической решетки изменяется. В результате могут меняться механические, физические и даже химические факторы изделий.
• Свариваемость. Возможность формирования сварных соединений с применением стандартных технологий.
• Усадка – определяется соответствующим коэффициентом. При нагреве любой объект расширяется, после охлаждения – уменьшается. Так вот соотношение и определяет данное свойство. Кстати, далеко не всегда малое усадочное значение являет собой благо. К примеру, ртутные термометры работают именно за счет предельно большого коэффициента расширения.
• Податливость режущим инструментам. С технологической точки зрения производственную ценность имеет только тот компонент, который можно сравнительно просто обработать или изготовить этот самый технический инструментарий.

Рассматриваемые направления характеризуют поведение уже готовых производственных изделий, товаров в процессе эксплуатации.

Таким образом, металлы – весьма распространенный материал, который активно используется в самых разных областях жизнедеятельности. Это обусловлено широкой вариативностью физических, химических, механических параметров продукции.

Механические свойства металлов и сплавов

К основным механическим свойствам металлов относятся прочность , вязкость , пластичность , твердость , выносливость, ползучесть, износостойкость. Они являются главными характеристиками металла или сплава .

Рассмотрим некоторые термины, применяемые при характеристике механических свойств. Изменения размеров и формы, происходящие в твердом теле под действием внешних сил, называются деформациями, а процесс, их вызывающий,— деформированием. Деформации, исчезающие при разгрузке, называются упругими, а не исчезающие после снятия нагрузки — остаточными или пластическими.

Напряжением называется величина внутренних сил, возникающих в твердом теле под влиянием внешних сил.

Под прочностью материала понимают его способность сопротивляться деформации или разрушению под действием статических или динамических нагрузок. О прочности судят по характеристикам механических свойств, которые получают при механических испытаниях. К статическим испытаниям на прочность относятся растяжение, сжатие, изгиб, кручение, вдавливание. К динамическим относятся испытания на ударную вязкость, выносливость и износостойкость. Эластичностью называется способность материалов упруго деформироваться, а пластичностью — способность пластически деформироваться без разрушения.

Механические свойства металлов

Основные механические свойства

К основным механическим свойствам относят прочность, пластичность, твердость, ударную вязкость и упругость. Большинство показателей механических свойств определяют экспериментально растяжением стандартных образцов на испытательных машинах.

Прочность – способность металла сопротивляться разрушению при действии на него внешних сил.

Пластичность – способность металла необратимо изменять свою форму и размеры под действием внешних и внутренних сил без разрушения.

Твердость – способность металла сопротивляться внедрению в него более твердого тела. Твердость определяют с помощью твердомеров внедрением стального закаленного шарика в металл (на приборе Бринелля) или внедрением алмазной пирамиды в хорошо подготовленную поверхность образца (на приборе Роквелла). Чем меньше размер отпечатка, тем больше твердость испытуемого металла. Например, углеродистая сталь до закалки имеет твердость 100 . . . 150 НВ (по Бринеллю) , а после закалки – 500 . . . 600 НВ.

Ударная вязкость – способность металла сопротивляться действию ударных нагрузок. Эта величина, обозначаемая КС (Дж/см 2 или кгс • м/см ), определяется отношением механической работы А, затраченной на разрушение образца при ударном изгибе, к площади поперечного сечения образца.

Упругость – способность металла восстанавливать форму и объем после прекращения действий внешних сил. Эта величина характеризуется модулем упругости Е (МПа или кгс/мм 2 ), который равен отношению напряжения а к вызванной им упругой деформации. Высокой упругостью должны обладать стали и сплавы для изготовления рессор и пружин.

Физические, химические, механические и технологические свойства металлов

Чтобы правильно выбрать материал для определённых целей, необходи­мо знать свойства металлов. Так, например, для изготовления режущих инструментов требуются прочные, твердые и износоустойчивые металлические мате­риалы.

Физические свойства металлов и сплавов определяются цве­том, удельным весом, плотностью, температурой плавления, тепло­вым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнит­ными свойствами.

Физические свойства металлов характеризуются определенными числовыми значениями, которые приведены в таблице 1.

Физические свойства некоторых металлов

Металл	Символ	Цвет	Плотность, кг/м3	Температура плавления, °С	Удел. электро- сопротивление при 20 °С, 10-6 Ом∙м
Алюминий	Al	Серебристо-белый	2700	658,7	0,029
Вольфрам	W	Блестящий белый	19300	3380	0,053
Железо	Fe	Серебристо-белый	7800	1539	0,100
Кобальт	Co	Серебристо-белый	8900	1490	0,062
Магний	Mg	Блестящий серебристо-белый	1700	650	0,047
Медь	Cu	Красный	8900	1083	0,017
Никель	Ni	Серебристо-белый с серова­тым оттенком	8900	1452	0,070
Олово	Sn	Серебристо-белый	7300	231,9	0,124
Свинец	РЬ	Синевато-серый	11400	327,4	0,220
Титан	Ti	Серебристо-белый	4500	1668	0,470
Хром	Сr	Блестящий серовато-белый	7100	1550	0,150
Цинк	Zn	Синевато-серый	7100	419,5	0,060

Отношение массы тела к его объему является постоянной вели­чиной для данного вещества и называется плотностью.

Плотность и удельный вес имеют большое значение при вы­боре металлических материалов для изготовления различных из­делий. Так, детали и конструкции в приборостроении, в авиа- и вагоностроении наряду с высокой прочностью должны обладать малой плотностью. Из металлов, наиболее широко применяемых в технике, наименьшую плотность имеют магний и алюминий.

Все металлы как тела кристаллического строения переходят при определенной температуре из твердого состояния в жидкое и наоборот. Температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое, называется температурой плавления.

Температура плавления является важным физическим свой­ством металлов. Знание температуры плавления металлов и спла­вов необходимо в металлургии, в литейном производстве, при горя­чей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических мате­риалов.

Способность металлов передавать тепло­ту от более нагретых частей тела к менее нагретым называется теплопроводностью.

Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. Эти же металлы являются и лучшими проводниками электрического тока.

Теплопроводность металлов имеет большое практическое значе­ние. Из металлов и сплавов, обладающих высокой теплопроводно­стью, изготовляют детали машин, которые при работе поглощают или отдают теплоту.

Металлы и сплавы с низкой теплопроводностью для полного прогрева нуждаются в медленном и длительном нагревании. Быст­рый нагрев и быстрое охлаждение таких металлических материа­лов может вызвать образование трещин. Это необходимо учиты­вать при термической обработке, горячей обработке давлением, литье в металлические формы и т. д.

Различные вещества, в том числе и металлы, при нагревании расширяются, при охлаждении — сжима­ются. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расшире­ния α, который показывает, на какую долю первоначальной длины l0 при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1°С. Единица измерения α — °С-1.

Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изго­товлении и эксплуатации точных измерительных приборов и инст­рументов, изготовлении литейных форм, горячей обработке метал­лов давлением и в других случаях, связанных с нагреванием и охлаждением.

Детали точных приборов и измерительных инструментов изго­тавливаются из материалов с малым коэффициентом линейного расширения, детали автоматически действующих механизмов, которые, удлиняясь, должны замыкать электрическую цепь, делают из мате­риалов с большим коэффициентом линейного расширения.

Электропроводностью называется способность металлов про­водить электрический ток.

Высокой электропроводностью обладают те металлы, которые хорошо, т. е. без потерь на тепло, проводят электрический ток.

Магнитные свойства. Некоторые металлы намагничиваются под действием магнитного поля. После удаления магнитного поля они обладают остаточным магнетизмом. Это явление впервые обнаружено на железе и получило название ферромагнетизма. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают желе­зо, никель, кобальт и их сплавы. Перечисленные выше металличе­ские материалы называют ферромагнитными. У остальных металлов и сплавов магнитные свойства выражены крайне слабо, поэтому практически они считаются немагнитными.

Магнитные превращения не связаны с изменением кристаллической решетки или микроструктуры, они обусловлены изменениями в характере межэлектронного взаимодействия.

Магнитной проницаемостью называют способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля.

При нагреве ферромагнитные свойства металла уменьшаются постепенно: вначале слабо, затем резко, и при определённой температуре (точка Кюри) исчезают (точка Кюри для железа — 768°С, у никеля — 360° С, у кобальта — 1130° С.). Выше этой температуры металлы становятся парамагнетиками (слабомагнитными материалами).

К химическим свойствам металлов следует отнести их спо­собность сопротивляться химическому или электрохимическому воздействию различных сред (коррозии) при нормальных и высо­ких температурах.

Рассмотренные выше физические свойства металлов обна­руживаются в явлениях, не сопровождающихся изменением вещест­ва. Так, например, нагрев металлов или прохождение через метал­лы электрического тока не сопровождается химическими измене­ниями их. При химических же явлениях происходит превращение металлов в другие вещества с иными свойствами.

Многие металлы подвергаются химическому изменению под воз­действием внешней среды, т. е. разрушаются от коррозии. Мерой коррозионной стойкости служит скорость распростране­ния коррозии металлов в данной среде и в данных условиях: чем эта скорость меньше, тем металл более коррозионностоек.

Высокой коррозионной стойкостью в атмосфере и в агрессивных средах обладают никель, титан и их сплавы. Титан и его сплавы по коррозионной стойкости приближаются к благородным ме­таллам.

Прочность — это способность материала сопротивляться дейст­вию внешних сил без разрушения.

Упругость — это способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию.

Пластичность — это способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохра­нять полученные деформации после прекращения действия внеш­них сил.

Механическими свойствами металлов называется совокуп­ность свойств, характеризующих способность металлических мате­риалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).

К механическим свойствам металлических материалов относят­ся: прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость, хруп­кость, усталость, ползучесть и износостойкость.

Твердость — способность металла оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела.

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению под действием внешних сил.

Для определения прочности образец металла установленной формы и размера испытывают на наибольшее разрушающее напряжение при растяжении, которое называют пределом прочности (временное сопротивление).

Пластичность — способность металла, не разрушаясь, изменять форму под нагрузкой и сохранять ее после прекращения действия нагрузки.

Вязкость – способность металла оказывать сопротивление быстровозрастающим (ударным) нагрузкам.

Технологические свойства металлов и сплавов характеризу­ют их способность поддаваться различным методам горячей и хо­лодной обработки. К технологическим свойствам металлов и спла­вов относятся литейные свойства, ковкость, свариваемость, обраба­тываемость режущими инструментами, прокаливаемость.

Обрабатываемость металлов характеризуется их механическими свойствами: твердостью, прочностью, пластичностью.

Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.

Износостойкость – способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.

Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.

Жаростойкость – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.

Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах. Хладоломкостью называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние с понижением температуры. Хладоломкими являются железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемноцентрированную кубическую и гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Красноломкасть — склонность металла к переходу в хрупкое состояние с повышением температуры.

При выборе материала для создания конструкции необходимо полностью учитывать механические, технологические и эксплуатационные свойства.

Зачем нужно знать механические свойства металлов

Металлы относятся к химическим элементам и веществам, которые характеризуются высоким показателем теплопроводности, в большинстве своем имеют жесткость. Под воздействием высоких температур повышается пластичность, обладают ковкостью. Эти характеристики материалов позволяют осуществлять их обработку различными способами.

Металлические материалы и их сплавы характеризуются рядом показателей: химическими, механическими, физическими и эксплуатационными. В совокупности они дают возможность определить фактические характеристики в полном объеме. Выделить наиболее важные из них невозможно. Но для решения определенных задач большее внимание уделяется конкретной группе свойств.

Механические свойства металлов необходимо знать для решения следующих вопросов:

• производство изделия с определенными качествами;
• выбор оптимального процесса обработки заготовки;
• влияние механических характеристик металлических материалов на эксплуатационные свойства продукта.

Для определения конкретных механических свойств применяются различные методы. Испытания металлов и сплавов проводятся с помощью специальных приборов. Это делается в лабораторных условиях. Для достижения точных результатов рекомендуется использовать результаты исследований государственных метрологических организаций.

Механические свойства определяют показатель сопротивляемости того или иного материала на внешние силовые воздействия. Для каждого параметра существует определенные числовые показатели.

Свойства металлов

Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

Технологические свойства металлов

К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.

Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.

Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.

Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.

Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.

Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий.

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. см. раздел «Способы соединения деталей»;
7. 480 Н/мм2 для нагартованных пружин;
8. 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

Таблица «Свойства металлокерамических материалов (РМ)1 для конструкционных деталей»

1. В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;

Таблица «Свойства магнитомягких материалов»

1. Данные относятся только к магнитным кольцам.

Таблица «Свойства магнитомягких ферритов»

1. Нормируемые величины;
2. Потеря материалом магнитных свойств в зависимости от частоты при низкой плотности магнитного потока (В
3. Потери магнитных свойств при высокой плотности магнитного потока; замеряются предпочтительно при f = 25 кГц, В = 200 мТл, Θ = 100°С;
4. Магнитная проницаемость при строго синусоидальном магнитном поле; замеряется при f

Твердость

При воздействии внешних факторов на металлические изделия происходит их деформация – пластическая или упругая. Твердость описывает сопротивление этим факторам, характеризует степень сохранения изначальной формы и свойств материала, изделия.

В зависимости от желаемых результатов проверка материала на твердость осуществляется тремя методами:

• статический. На специальный индикатор, расположенный на поверхности металла, прикладывают механическую силу. Это делается постепенно и одновременно с этим фиксируется степень деформации;
• динамический. Воздействие происходит для фиксации упругой отдачи или формирования отпечатка с определенной конфигурацией;
• кинетический. Схож со статическим. Разница заключается в непрерывном воздействии для построения диаграммы изменения характеристик образца.

Вязкость и хрупкость

Эти характеристики указывают на возможность металла оказывать сопротивление при воздействии ударных нагрузок. Показателем является скорость деформации, т.е. изменение изначальной конфигурации заготовки при внешнем воздействии.

Знание показателя вязкости и хрупкости необходимо для расчета поглощаемой энергии воздействия, которая приводит к деформации металлического образца. В зависимости от необходимых данных различают следующие методы измерения и виды вязкости металлов:

• статическая. Происходит медленное воздействие на материал до момента его разрушения;
• циклическая. Образец подвергают многократным нагрузкам с одинаковым или изменяющимся показателем силы. При этом основной величиной циклической вязкости является количество работы, необходимой для разрушения образца;
• ударная. Для ее расчета применяют маятниковый копер. Заготовку крепят на нижнем основании, маятник с рубящим конусом находится в верхней точке. После его опускания происходит взаимодействие металла и рубящей части. Степень деформации характеризуется вязкостью образца.

В зависимости от системы измерения существуют различные показатели вязкости:

• СИ — м²/с;
• СГС – стокс (СТ) или сантистокс (сСт)

Помимо метода испытания необходимо учитывать другие механические свойства металлов – температура на его поверхности и в структуре, влажность в помещении и т.д.

Хрупкость является обратным показателем вязкости. Она определяет, насколько быстро металл или сплав будет разрушаться под воздействием внешней силы.

Физические и химические свойства металлов

Различают технологические, физические, механические и химические свойства металлов. К физическим относят удельный вес, цвет, электропроводность. К характеристикам этой группы относятся также теплопроводность, плавкость и плотность металла.

К механическим характеристикам относят пластичность, упругость, твердость, прочность, вязкость.

Химические свойства металлов включают в себя коррозийную стойкость, растворимость и окисляемость.

Такие характеристики, как «жидкотекучесть», прокаливаемость, свариваемость, ковкость, являются технологическими.

Физические свойства

1. Цвет. Металлы не пропускают свет сквозь себя, то есть непрозрачны. В отраженном свете каждый элемент обладает своим собственным оттенком – цветом. Среди технических металлов окраску имеет только медь и сплавы с ней. Для остальных элементов характерным является оттенок от серебристо-белого до серо-стального.
2. Плавкость. Эта характеристика указывает на способность элемента под воздействием температуры переходить в жидкое состояние из твердого. Плавкость считается важнейшим свойством металлов. В процессе нагревания все металлы из твердого состояния переходят в жидкое. При охлаждении же расплавленного вещества происходит обратный переход – из жидкого в твердое состояние.
3. Электропроводность. Данная характеристика свидетельствует о способности переноса свободными электронами электричества. Электропроводность металлических тел в тысячи раз больше, чем неметаллических. При увеличении температуры показатель проводимости электричества снижается, а при уменьшении температуры, соответственно, повышается. Необходимо отметить, что электропроводность сплавов будет всегда ниже, нежели какого-либо металла, составляющего сплав.
4. Магнитные свойства. К явно магнитным (ферромагнитным) элементам относят только кобальт, никель, железо, а также ряд их сплавов. Однако в процессе нагревания до определенной температуры указанные вещества теряют магнитность. Отдельные сплавы железа при комнатной температуре не относятся к ферромагнитным.
5. Теплопроводность. Эта характеристика указывает на способность перехода тепла к менее нагретому от более нагретого тела без видимого перемещения составляющих его частиц. Высокий уровень теплопроводности позволяет равномерно и быстро нагревать и охлаждать металлы. Среди технических элементов наибольшим показателем обладает медь.

Металлы в химии занимают отдельное место. Наличие соответствующих характеристик позволяет применять то или иное вещество в определенной области.

Химические свойства металлов

1. Коррозийная стойкость. Коррозией называют разрушение вещества в результате электрохимического или химического взаимоотношения с окружающей средой. Самым распространенным примером считается ржавление железа. Коррозийная стойкость относится к важнейшим природным характеристикам ряда металлов. В связи с этим такие вещества, как серебро, золото, платина получили название благородных. Обладает высокой коррозийной сопротивляемостью никель и прочие цветные металлы. Черные металлы подвержены разрушению быстрее и сильнее, нежели цветные.
2. Окисляемость. Эта характеристика указывает на способность элемента вступать в реакцию с О2 под влиянием окислителей.
3. Растворимость. Металлы, обладающие в жидком состоянии неограниченной растворимостью, при затвердении могут формировать твердые растворы. В этих растворах атомы от одного компонента встраиваются в кристаллическую решетку другого составляющего только в определенных пределах.

Необходимо отметить, что физические и химические свойства металлов являются одними из основных характеристик этих элементов.

Напряжение

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.

Кроме прямого давления на поверхность может наблюдаться касательное. Расчет этого параметра требует более сложных методик.

Выносливость и усталость

При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.

Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.

В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:

• чистый изгиб. Деталь закрепляется на концах и происходит ее вращение, в результате чего она деформируется;
• поперечный изгиб. Дополнительно выполняется вращение образца;
• изгиб в одной плоскости;
• поперечный и продольный изгиб в одной плоскости;
• неравномерное кручение с повторением цикла.

Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.

Для проведения испытаний необходимо руководствоваться принятыми методиками, которые изложены в ГОСТ-1497-84. Особое внимание уделяется отклонению свойств металла от нормы.

Сталь: состав, свойства, применение

Сталь – это сплав железа с углеродом с добавлением различных примесей, оказывающих влияние на основные характеристики продукта. При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, так как механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать.

Сталь – это один из основных промышленных материалов, используемых в разных отраслях, от машиностроения до медицины. Сырье представляет собой сплав, в котором соединяется железо с углеродом. Также добавляются и другие примеси, оказывающие значительное влияние на основные характеристики конечного продукта.

Состав стали

Основа состава – железо и углерод. В сплаве обычно содержится не более 2,14%.

Основной критерий классификации – химический состав. Вся представленная на рынке продукция разделена на два основных вида сырья:

• Углеродистая сталь. В ее составе кроме железа и углерода также есть фосфор, сера, марганец и кремний. В зависимости от процентного содержания углерода сырье разделено на высоко-, средне- и низколегированные марки. Этот материал можно применять, даже если перед вами стоит задача создать инструмент, использующийся под постоянным напряжением и высокими нагрузками.
• Легированная сталь. К основным компонентам добавлены дополнительные легирующие элементы. Среди них – множество типов веществ, от кремния, бора и азота до хрома, циркония, ниобия, вольфрама и титана. Это влияет не только на стоимость, но и на качество продукции, область использования и характеристики. В продаже вы найдете множество типов продукции – жаропрочные, цементуемые, улучшаемые стали. В зависимости от структуры сырье может быть доэвтектоидного, ледебуритного, эвтектоидного и заэвтектоидного типа.

Свойства и применение стали можно определить по ее марке.

В состав стали могут добавляться различные примеси. В зависимости от того, в каком количестве они представлены в рецептуре, выделяются два основных типа продукции:

• Обыкновенного качества. В составе такого сплава углерода не более 0,6%. Основные стандарты, используемые в изготовлении –ГОСТ 14637 и ГОСТ 380-94. Многие виды продукции в маркировке указываются как «Ст», что означает стандартное качество. На рынке этот тип сырья –один из наиболее доступных по стоимости.
• Качественный. К этой категории относятся легированная и углеродистая разновидности. Уже в маркировке указывается особенность состава, количество углерода в сотых долях. Основной стандарт, которого придерживаются изготовители, – ГОСТ 1577. Стоит такая сталь дороже, чем продукт обыкновенного качества. При этом материал намного более пластичен, хорошо сваривается и отлично защищен от механического воздействия.

Основные свойства стали

При заказе материала нужно учитывать, какими свойствами должна обладать сталь, чтобы подойти под конкретную область применения. Если не понимать такой особенности, есть риск покупки сырья, не соответствующего прочности, уровню защиты от коррозии, качеству свариваемости и другим характеристикам.

Рассмотрим основные характеристики материала.

Механические

Показывают, какие варианты обработки можно выбирать и где использовать. Есть несколько основных параметров:

• Прочность. Показывает, какую нагрузку можно прикладывать к детали, пока не появятся первые признаки разрушения. Для каждой марки материала указывается этот параметр, а также предел текучести.
• Предел прочности. Указывает на защищенность материала от механического напряжения.
• Предел текучести. Дает представление о растягиваемости материала. Это помогает понимать, насколько сильно можно растянуть материал до момента, пока процесс будет продолжаться, даже когда нагрузка перестанет прикладываться.
• Пластичность. Чтобы материал можно было использовать в изготовлении различных типов деталей и заготовок. Такая характеристика помогает сырью менять форму, прописывается, чтобы определить параметры относительного угла изгиба и удлинения.
• Ударная вязкость. Напрямую связана с пределами динамических нагрузок. Характеристика указывает, насколько сильный удар сможет выдержать готовое изделие или заготовка, прежде чем начнет окончательно разрушаться.
• Твердость. Показывает предельную нагрузку по площади до момента возникновения вдавливания. Может определяться разными методами, как Бринелля, так и Виккерса.

Физические

Параметры дают понять, возможно ли применение стали в строительстве или различных областях промышленности. Есть три значимых центральных показателя:

• Плотность. В характеристике зашифровано, какая масса стали содержится в указанном объеме. Чем выше прочность, тем больше защищенность от деформации, сильного давления и других потенциальных угроз.
• Теплопроводность. Параметр дает представление, насколько быстро тепло передается по заготовке. Параметр очень важен для промышленности, к примеру, при изготовлении радиаторов или труб для теплотрасс.
• Электропроводность. Позволяет оценить безопасность применения материала в местах, где есть риск удара током. Также сплав можно выбрать и для установки в сферах, где имеют значение его проводниковые характеристики.

Химические

Весь набор параметров дает представление о том, как поведет себя материал в разных температурах или средах с разной степенью агрессивности. Есть четыре основных параметра:

• Окисляемость. Процесс окисления вызывается контактом металла с кислородом, может стимулироваться увеличением температуры. На уровень окисляемости влияет содержание углерода и среда, в которой используются изделия. Чем больше подверженность окислению, тем быстрее на поверхности появится ржавчина.
• Защищенность от коррозии. Указывается для разных сред. Может меняться при использовании на открытом воздухе, а также при контакте с водой или почвой.
• Жаростойкость. Помогает понять, при каком нагреве на металле начинает постепенно развиваться коррозия. Характеристика напрямую связана с окисляемостью.
• Жаропрочность. От жаростойкости отличается тем, что затрагивает не коррозийную стойкость и защиту от окалины, а саму прочность. Знание параметров поможет вам понять, до какой температуры нагреется заготовка, прежде чем ее можно будет сломать или деформировать.

Технологические

Показывают возможность обработки с применением различных технологий. Центральные параметры:

• Ковкость. Чем она выше, тем быстрее можно будет придать форму постоянным внешним механическим воздействием.
• Жидкотекучесть. Если этот параметр находится на высоком уровне, расплавленный материал сможет лучше заполнять пустоты.
• Свариваемость. Помогает соединять различные заготовки между собой. Отличается как в зависимости от типа использованной сварки, так и самого сплава.
• Обрабатываемость резанием. Сталь можно обрабатывать разными видами режущих инструментов для создания металлопроката и деталей с разными параметрами и областью применения.

Применение стали

Механические и химические свойства стали напрямую влияют на то, где ее можно использовать. Проще всего определиться со сферой по марке, указанной на сырье. Так продукцию с хорошей жаропрочностью можно использовать в средах, где есть риск воздействия постоянных высоких температур. То же относится к маркам, отличающимся хорошей свариваемостью и коррозийной стойкостью.

По сферам производства можно выделить несколько основных категорий:

• Строительные. Применяются при создании металлоконструкций различного масштаба, арматуры, обшивки стен. Необходимые характеристики отличаются в зависимости от области применения. Так для одних видов сплава важна стойкость к коррозии во влажных средах, для других – защита от окисления при контакте с почвой. Но все используемые типы сырья должны хорошо свариваться, иметь повышенную прочность при постоянном или периодическом сильном механическом давлении. В сочетании с важной для строителей доступностью стоимости такими параметрами обладают низколегированные сплавы и варианты обычного качества.
• Инструментальные. Применяются для изготовления инструментов различного назначения. Все сплавы разделены на три категории. Первая используется для создания штампованных деталей. Вторая – при производстве режущего инструмента, третья – измерительного с высокой точностью. Лучшим решением станет заказ высоколегированных и высокоуглеродистых материалов. Они не только хорошо защищены от износа, но и отличаются твердостью, хорошей теплопроводностью.
• Конструкционные. Разнообразны по сфере использования: применяются для металлоконструкций, а также для деталей, крупных механических узлов. Лучшее решение – применение сплава с малой долей марганца. Легирование позволяет расширить список полезных характеристик. Эксперты рекомендуют обратить внимание на высокопрочные, автоматные, износостойкие и другие марки.

Также всегда можно заказать материалы со специальными характеристиками для конкретной зоны применения. Это могут быть как сплавы с повышенной жаропрочностью, так и защищенные от окисления при контакте с кислородом, хорошо плавящиеся, электропроводные и многие другие.

Источник https://strata.su/materialovedenie/fizicheskie-i-mehanicheskie-svojstva-materialov.html

Источник https://zpu-tmb.ru/cvetnye-metally-i-splavy/mehanicheskie-svojstva-splavov.html

Источник https://www.adamantsteel.ru/info/articles/stal-sostav-svoystva-primenenie/