Свойства металлических изделий: технологические, физические, механические

Свойства металлических изделий зависят от металлов, входящих в их состав. Речь идет про тепло- и электропроводность, хрупкость или, наоборот, пластичность, а также свариваемость, ковкость и другие. Металлические изделия широко используются как в промышленности, так и в быту.

Выбор металлов определяется назначением изделия и тем, в каких условиях оно будет эксплуатироваться. Более подробно о свойствах металлических изделий читайте в нашем материале.

Общая характеристика металлических изделий

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

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

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

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

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

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

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

Технологические свойства металлических изделий

Технологические свойства металлов являются частью их общих физико-химических свойств. Их важно учитывать во время проектирования и производства изделий с улучшенными характеристиками для данного металла или сплава.

Вот ключевые технологические свойства материалов и металлических изделий:

• Обрабатываемость резанием. Предполагает возможность обработки металла или сплава при помощи резца, абразива. Для оценки этого показателя учитывают скорость затупления резца во время работы на определенных режимах резания при получении поверхности необходимой шероховатости. Данный параметр фиксируют в процентах от обрабатываемости стали или свинцовистой латуни повышенной обрабатываемости резанием – здесь все зависит от того, идет речь о сталях или о медных сплавах.
• Обрабатываемость давлением в горячем и холодном состоянии. Для замера данного показателя используют различные технологические пробы: на осадку, на изгиб, на вытяжку сферической лунки, пр. Обязательно учитываются пластичность, твердость, упрочнение материала при конкретной температуре обработки.
• Свариваемость. Так называют способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения, соответствующие необходимым механическим характеристикам. Для оценки свариваемости сопоставляют качества сварных соединений со свойствами основного материала металлического изделия. Чем больше методов сварки может использоваться при работе с конкретным металлом и чем шире выбор среди режимов такой обработки, тем выше показатель свариваемости. Данную характеристику проверяют за счет рассмотрения структуры, механических свойств, вероятности растрескивания металла шва в зоне шва.
• Литейные свойства. Речь идет о сочетании таких показателей, как температура плавления, кипения, заливки и кристаллизации, плотность и жидкотекучесть расплава, литейная усадка, пр.
• Жидкотекучесть представляет собой способность металла заполнять литейную форму и зависит от вязкости, поверхностного натяжения, температуры заливки расплава. Если этот показатель высокий, удается легко заполнить расплавом сложную литейную форму.
• Усадка является разницей между моделью и отливкой в соответствии с их линейными размерами. Чем она ниже, тем меньше вероятность, что в металле появятся усадочные раковины.

• Пластичность, также известная как деформируемость, обозначает способность металла изменять форму в результате гибки, ковки, штамповки, прессования таким образом, чтобы не страдала целостность материала заготовки. За счет оптимальных показателей и учета данного свойства удается производить металлические изделия без видимых и скрытых дефектов.
• Упрочняемость металлов и сплавов зависит от их способности становиться более прочными в результате термической, механической обработки.
• Закаливаемость – это повышение твердости стали в процессе закалки. Есть разновидности металла с плохой закаливаемостью – они остаются недостаточно твердыми после подобной обработки.

• Прокаливаемость – так называют глубину проникновения закалки при обработке массивных изделий. Дело в том, что разные слои металла охлаждаются неравномерно: его поверхность, которая вступает в контакт с закалочной жидкостью, остывает быстрее остального объема. Вполне логично, что медленнее всего остывает центр изделия. Чем выше критическая скорость закалки, тем ниже прокаливаемость стали.

  Углеродистые стали отличаются высокой критической скоростью, из-за чего страдает прокаливаемость. Учитывая данное свойство, их не используют для производства массивных металлических изделий, так как здесь важны хорошие механические характеристики по всему сечению. Для таких целей обычно выбирают легированную сталь, поскольку она отличается более высокой прокаливаемостью.

• Старение или изменение свойств металла, происходящее с течением времени и не предполагающее заметных перемен в микроструктуре. Старение приводит к повышению прочности и твердости, сопровождающимся снижением пластичности и вязкости. Также неизбежно изменение размеров и коробление изделий. Когда процессы проходят при комнатной температуре, старение считается естественным, а при повышенной его называют искусственным. Старению намеренно подвергают станины станков, плунжеры, калибры, скобы и другие изделия, чтобы не допустить их деформации в процессе эксплуатации.

  Термическое старение предполагает изменение растворимости углерода в железе в зависимости от температуры. Деформационное старение происходит в сплаве, подвергнутом пластической деформации при температуре ниже показателя рекристаллизации. В обычных условиях подобный процесс занимает не менее 15 суток, тогда как при +200…+350 °C на него уходит несколько минут.

  Перед проведением искусственного старения закаленных и отпущенных при низкой температуре изделий осуществляют механическую обработку при +100…+180 °C. Последняя предполагает выдержку в течение 18–35 часов и постепенное охлаждение. Естественное старение происходит на открытом воздухе под навесом, где металлические изделия меняют свои свойства на фоне перепадов температуры, влажности, давления воздуха. На весь процесс уходит от трех месяцев до двух лет. Именно так защищают от дальнейших изменений станины прецизионных станков, корпусные детали ответственного назначения, рамы роялей и пианино. В результате снижается внутреннее напряжение металлов, стабилизируются размеры и форма заготовки.

Механические свойства металлических изделий

Речь идет о характеристиках материала, позволяющих ему противостоять воздействию внешних сил. Такие нагрузки бывают статическими, динамическими или циклическими, то есть повторно-переменными. По направлению действия силы принято выделять деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В реальной жизни изделие испытывает на себе воздействие сразу нескольких сил, при этом возникает упругая или пластическая деформация. Первая является обратимой, тогда как вторая необратима.

Основными механическими свойствами металлических изделий считаются прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость. Также на производствах определяют усталость или выносливость металлов, ползучесть и другие показатели.

Статические испытания на растяжение позволяют оценить следующие прочностные свойства материала: предел пропорциональности, упругости, текучести, прочности. Также рассматривается пластичность, которая предполагает относительное удлинение и относительное сужение образца. Для испытания используют образцы, отвечающие требованиям ГОСТ по форме и размерам. В процессе проверки на растяжение их растягивают до разрыва при помощи плавно возрастающей нагрузки. А напряжение, при котором происходит течение пластичного металла/сплава, является пределом текучести и выражается в МПа.

Твердостью называют способность твердого тела противостоять внедрению в его поверхность другого более твердого тела. На производствах в этом случае принято пользоваться тремя методами испытания – все они названы в честь своих изобретателей. Речь идет о методах Бринелля (НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC) и Виккерса (HV). Они позволяют косвенно судить о прочности материалов, стойкости к износу. Также перечисленные подходы дают возможность контролировать качество и сохранение необходимых свойств металлических изделий после термического и химико-термического воздействия и обработки давлением.

Для определения ударной вязкости прибегают к помощи маятниковых копров, где перебивается стандартный образец с надрезом. По работе, затраченной на излом образца (в ДЖ), можно судить об ударной вязкости металла или сплава (KCU, KCV и КСТ).

Циклические испытания на усталость помогают оценить те материалы и детали оборудования, которые испытывают многократные повторно-переменные нагрузки. Речь идет о нагружении – разгружении, растяжении – сжатии, закручивании в противоположные стороны, пр. Усталостному разрушению подвержены, например, пружины, рессоры, валы, шатуны. Способность материала противостоять усталости называют выносливостью. Она оценивается числом циклов нагрузка – разгрузка, которые металл способен выдержать до наступления усталостного разрушения.

Функционирование деталей в условиях высокой температуры и нагрузки приводит к ползучести материала. Тогда наиболее значимым свойством металлического изделия становится стойкость сплава к ползучести.

Физические свойства металлических изделий

В стандартных условиях все металлы, кроме франция и ртути, имеют твердое состояние. Нагревание до определенной температуры приводит к их плавлению, а достижение еще более высоких показателей вызывает переход в газообразное состояние. Твердость, температура плавления металлов зависят от их пространственной кристаллической решетки. Наиболее мягкими являются щелочные металлы – их можно разрезать даже ножом. Самыми твердыми считаются металлы VIВ-группы, главным представителем которой является хром. По твердости он близок к алмазу и может резать стекло.

Такое свойство металлических изделий, как электропроводность, объясняется наличием в металле свободных электронов – наложение электрического тока приводит к их направленному перемещению. Металлы являются проводниками первого рода, так как сохраняют изначальную структуру при проведении тока. Нагревание приводит к снижению электропроводности, поскольку колебательное движение ионов усиливается, соответственно, перемещение электронов затрудняется. Охлаждение позволяет повысить электропроводность, при абсолютном нуле она стремится к бесконечности. Данное явление принято называть сверхпроводимостью.

Теплопроводность представляет собой характеристику, которая обеспечивается взаимодействием электронов проводимости с ионами, расположенными в узлах кристаллической решетки. Описанная выше электропроводность и теплопроводность взаимосвязаны – если у металла высокий первый показатель, то и второй находится на аналогичном уровне.

Пластичность – это легкость деформации металлов, которая проявляется наиболее ярко при высоких температурах. Дело в том, что под внешним воздействием одни слои в кристаллах легко перемещаются относительно других, что не приводит к разрыву. Данное свойство позволяет изготавливать такие металлические изделия, как листы, проволока, кроме того, металлы можно ковать и прессовать. Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Чтобы произошла деформация материалов с механической прочностью, изделия из них должны испытывать серьезные нагрузки.

По плотности металлы делят на легкие и тяжелые. Если данный показатель ниже 5 г/см³, металл относят легким, при его превышении – к тяжелым. Самым легким является литий, его плотность составляет 0,53 г/см³, а самым тяжелым – осмий с плотностью 22,6 г/см³. Легкими считаются щелочные, щелочноземельные металлы, а еще бериллий, алюминий, скандий, иттрий и титан, тогда как все остальные называют тяжелыми.

Магнитные свойства имеют все металлические изделия, так как металлы являются магнетиками. Они изменяют либо приобретают магнитный момент под действием стороннего магнитного поля. Магнитные свойства измеряют при помощи остаточной индукции, коэрцитивной силы и магнитной проницаемости, также известной как магнитная восприимчивость.

На основе магнитных свойств металлы делят на три группы:

• Диамагнетики – выталкиваются из магнитного поля и ослабляют его.
• Парамагнетики – втягиваются в магнитное поле, усиливают его, но незначительно.
• Ферромагнетики – способны серьезно усиливать магнитное поле.

В первую категорию входят медь, серебро, золото, кремний, бериллий и металлы подгруппы цинка, галлия, германия. Они выделяются отрицательной магнитной восприимчивостью, а под действием внешнего магнитного поля в них возникает направленная навстречу ему намагниченность.

Ко второй группе относят металлы с небольшой положительной восприимчивостью, это преимущественно щелочные и щелочноземельные. Они намагничиваются в направлении внешнего поля. Ферромагнетики – это металлы с высокой магнитной восприимчивостью, а именно железо, кобальт, никель.

Нужно понимать, что существуют металлы и сплавы, которые не относятся ни к одной из данных групп. Это ряд редкоземельных металлов, которых называют антиферромагнетиками, и ферриты, то есть соединения оксида железа, пр.