13.2. Властивості металів

Властивості металів і сплавів визначаються їх будовою та складом. Для металів є характерними особливості кристалічних тіл: анізотропія та здатність існувати у декількох кристалічних формах, які відрізняються розташуванням атомів у елементарній комірці ґратки – алотропія. Особливості кристалічної будови металів обумовлюють їх високу тепло- та електропровідність, характерний металічний блиск. Сплави можуть бути у вигляді твердих розчинів, хімічних сполук компонентів або механічних сумішей їх кристалів. Структура сплаву за певною температурою та співвідношенням компонентів визначається шляхом аналізу діаграм стану.

Вплив складу і структури металів на їх фізико-механічні властивості. До найбільш важливих фізико-механічних властивостей металів і сплавів належать середня густина, теплове розширення, міцність, пружність, пластичність, твердість, ударна в’язкість. На властивості залізовуглецевих сплавів – чавуну та сталі – найбільш суттєво впливає вміст вуглецю. У білих чавунах і сталях вуглець існує у вигляді хімічної сполуки Fе С – цементиту, підвищена кількість якого надає сплавам крихкість і твердість, знищує їх пластичність, ударну в’язкість і дійсну густину. Максимальну міцність сталь набуває за вмістом вуглецю біля 1%, далі міцність знижується у зв'язку із структурними змінами.

До шкідливих домішок залізовуглецевих сплавів належить сірка, яка погіршує литтєві властивості чавуну і підвищує крихкість чавунів і сталей. Фосфор поліпшує литтєві властивості чавунів, однак для сталей він є шкідливою домішкою, тому що надає металу холодноламкість – крихкість у холодному стані. Вміст фосфору у чавунах допускається від 0,1 до 1 %, а в сталях не повинен перевищувати 0,05 %. На якість металів негативно впливають гази – кисень, азот, водень.

Термічна обробка сталі та чавуну. З метою поліпшення структури та отримання заданих механічних властивостей готові металеві деталі піддають термічній обробці. Основними видами термічної обробки с відпалювання, загартовування, відпускання та нормалізація.

Відпалювання здійснюють з метою зняття внутрішніх напружень в металі, подрібнення його зерен, зниження твердості та поліпшення обробності. Під час відпалювання після досягнення певної температури деталі витримуються деякий час в печі та повільно охолоджуються. Прискорений різновид відпалювання має назву нормалізація.

Загартовування полягає у нагріванні металевих виробів до певної температури, ізотермічному витримуванні та швидкому охолодженні. В залежності від режиму загартовування та виду охолоджуючого середовища утворюються різні структури та відповідно змінюються механічні властивості металів. Загартовані вироби з метою зняття внутрішніх напружень, стабілізації структури, зниження твердості та збільшення в’язкості піддають відпусканню. Ця операція полягає в нагріванні загартованої сталі до температури 650 °С, ізотермічному витримуванні та повільному охолодженні.

З метою поверхневого зміцнення сталі здійснюють хіміко-термічну обробку, наприклад цементацію (вуглецювання), азотування.

Маркування металів. Металеві матеріали маркіруються за наступними показниками: способом виробництва, хімічним складом, механічними властивостями. Так, переробний чавун поділяють на класи в залежності від виробництва сталі із нього: мартенівський (М), бесемерівський (Б) тощо. В свою чергу чавун кожної марки поділяють на класи в залежності від вмісту фосфору, на групи – від вмісту марганцю, на категорії – від вмісту сірки. Аналогічно поділяються литтєві чавуни (Лч). Для сірих чавунів (Сч) марку встановлюють в залежності від границі міцності при розтягненні та згинанні, також від твердості та пластичності. Значення перших двох показників наводяться в позначенні марок, наприклад Сч 12–28, Сч 15–32, Сч 18–36 і так далі.

Сталі маркірують за групами: А – сталь, яка постачається за механічними властивостями, Б – за хімічним складом, В – за механічними властивостями та хімічним складом (позначають тільки групи Б і В).

Сталі звичайної якості позначаються буквами Ст і цифрами від 0 до 6. Ступінь розкислення сталі позначають буквами “сп”, “пс” і “кп” (спокійна, напівспокійна та кипляча). Основними механічними властивостями, що нормуються для вуглецевої сталі, є границя текучості, границя міцності при розтягненні та відносне видовження.

Для несучих будівельних конструкцій застосовують звичайно сталі Ст3 та Ст4, із високопластичних сталей Ст1 і Ст2 виготовляють заклепки, резервуари, трубопроводи тощо, а сталі Ст5, Ст6 застосовують для виготовлення деталей підвищеної міцності та твердості.

Якісні вуглецеві стаді поділяють на дві групи: І – з нормальним (до 0,8 %) вмістом марганцю та II – з підвищеним; марки позначають цифрами, що вказують середній вміст вуглецю (соті частки процентів), наприклад, сталь 10 кп (0,1 % С, кипляча).

Для позначення марок легованих сталей наводять вміст вуглецю, вид та вміст легуючого елемента. Наприклад, сталь 12ХН3 містить 0,12 % С, 1 % Сr і 3 % Nі.