4. Свойства

Эксплуатационно-технические свойства металлических материалов определя­ются их оригинальным строением. Подчеркнем, прежде всего, его простоту. В твердом состоянии атомы всех металлов и сплавов располагаются в строгом по­рядке, образуя в пространстве правильную кристаллическую решетку (рис. 94). Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, т.е. тела, состоящие из большого количества различно ориентированных кри­сталлических зерен; поперечные размеры этих зерен 0,001...0,1 мм. Для разруше­ния структуры металлического материала требуются значительные усилия. В результате прочностные характеристики металлических материалов, как прави-

Рис. 94. Схемы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов (а — объемно- центрированная кубическая, б — гранцентрированная кубическая)

ло, превышают аналогичные характеристики других материалов, например проч­ность стали в 10 раз и более выше, чем у искусственного камня — бетона, струк­тура которого отличается гораздо большей сложностью.

- Средняя плотность металлических материалов сравнительно высока (напри­мер, стальных — около 7 860 кг/м³, что заметно превышает соответствующий показатель большинства других материалов).

Пористость, гигроскопичность, водопоглощение у металлических материа­лов отсутствуют.

Характерные значения предела прочности стальных материалов при сжа­тии, изгибе, растяжении 300...400 МПа, но могут достигать 1 000 МПа и более. Материалы из алюминиевых сплавов при меньшей средней плотности (около 2 800 кг/м³) могут не уступать характерным прочностным показателям сталь­ных (предел прочности до 670 МПа).

Высокая прочность металлических материалов часто позволяет им отличать­ся меньшими габаритами и массой по сравнению с другими аналогичного назна­чения.

Наряду с высокой прочностью к положительным свойствам металлических материалов (кроме чугуна) относится их пластичность — способность выдержи­вать большие остаточные деформации без разрушения при сохранении прочно­сти. По этой причине металлические материалы незаменимы для многих совре­менных конструкций. При этом учитывают, что напряжения в структуре рас­сматриваемых материалов распределяются неравномерно и концентрируются в местах переходов сечений, возможных дефектов металла и т.д. Вместе с тем ме­таллические профили или листы всегда имеют на поверхности макро- или мик­родефекты (неровности, шероховатости), которые являются концентраторами напряжений, приводящих к снижению конструктивной прочности металла. В ме­талле, не способном к пластической деформации, состояние неравномерного на­пряжения сохраняется, а в местах концентрации напряжений может возникнуть трещина, которая еще более усилит неравномерность распределения напряже­ний и ускорит разрушение. Поэтому для надежной и безопасной эксплуатации нагруженных конструкций необходимо, чтобы металл, наряду с высокой проч­ностью, всегда имел известный запас пластичности.

К основным видам испытаний металлических материалов при статических нагрузках относятся определения прочности при растяжении, твердости, вязко­сти разрушения (см. ниже).

При испытании на растяжение используют стандартные образцы с длиной, равной десяти диаметрам, и площадью поперечного сечения, умноженной на 11,3 (образцы круглого, квадратного или прямоугольного сечения). Соответствующие разрывные машины позволяют автоматически записывать диаграмму растяже­ния. Предел упругости определяют напряжением, при котором остаточная де­формация удлинения не превышает 0,05 %. Предел текучести (достигающий у стали 1 000 МПа и более, а у алюминиевых сплавов 600 МПа и более) характе­ризуется напряжением, при котором остаточная деформация не превышает 0,2 %.

Твердость определяют по величине пластической деформации (отпечатка) при вдавливании под определенной нагрузкой стального шарика, алмазного ко­нуса или пирамиды. В зависимости от вида упомянутых наконечников (инден- торов) и критерия оценки различают твердость по Бринелю (для металлов с твердостью не более 4 500 МПа), Роквеллу и Виккерсу Основная нагрузка при использовании стального шарика 900 Н (шкала В), алмазного конуса 500 Н (шкала А) и 1 400 Н (шкала С).

Вязкость разрушения металла характеризует его трещиностойкость, которая снижается при коррозии и понижении температуры. Испытывают образцы — балочки с нарезом на изгиб, оценивая способность материала сопротивляться распространению трещины или аналогичного дефекта, имеющегося в металле.

Стойкость металлических материалов при динамических нагрузках опреде­ляют, испытывая их на ударный изгиб (образцы определенных размеров с наре­зом — концентратором напряжения посередине) и на способность сопротивлять­ся циклическому нагружению. Максимальное напряжение, которое может выдер­жать металл без разрушения за заданное количество циклов, называют преде­лом выносливости. Этот показатель заметно снижается при наличии концентра­торов напряжения.

Наиболее универсальны с эксплуатационно-технической точки зрения мате­риалы из стали, однако материалы из алюминиевых сплавов имеют ряд преиму­ществ: значительно более высокая коррозионная стойкость в кислой среде — в этом случае коррозионный процесс развивается в 500 раз медленнее; более вы­сокая технологичность; антимагнитность, отсутствие искрообразования при об­работке; более высокая стойкость при низких отрицательных температурах.

Основной недостаток широко применяемых стальных и других металличе­ских материалов — способность к коррозии.

По механизму реакции взаимодействия агрессивных веществ с материалом выделяют два основных типа коррозии металлов: химическую и электрохими­ческую. Особо необходимо отметить биологическую коррозию, идущую под вли­янием продуктов жизнедеятельности бактерий и других микроорганизмов, и ра­диационную коррозию под воздействием радиоактивного излучения. Большинст­во металлов и сплавов неустойчивы в подобных средах.

Для защиты материалов от коррозии применяют защитные покрытия, элект­рохимическую защиту и замедлители коррозии (ингибиторы), изменяющие со­став коррозионной среды.

В строительной практике для защиты конструкций чаще используют лако­красочные покрытия, а также покрытия поверхности на основе полимеров.

Отдельные металлы, например алюминий, сами предохраняют себя от кор­розии в некоторых средах в результате образовавшихся на их поверхности за­щитных пленок при взаимодействии со средой. При помощи защитных покры­тий можно изолировать металл от агрессивной среды искусственным нанесени­ем пленки на поверхность изделия или изменяя химический состав поверхно­сти, сделав металл устойчивым к агрессивной среде. Защитное покрытие долж­но быть сплошным, непроницаемым для агрессивной среды, иметь высокую прочность сцепления с металлом (адгезию), равномерно распределяться по всей поверхности и придавать изделию более высокие твердость, износостойкость и жаростойкость. Коэффициент теплового расширения пленки должен быть бли­зок к коэффициенту расширения металла. Обычно покрытия совмещают защит­ные и отделочные функции.

Сравнительно нестойка акриловая краска. И хотя теплостойкость ее слоя — до +120 °С, срок службы такого покрытия, как правило, не превышает 5-ти лет. Среди полимерных покрытий используют полиэфирную эмаль (полиэстер), по­ливинилхлоридное (пластизоль), модифицированный полиуретан (пурал), смесь поливинилхлорида и акрила (полидифторионат). Такие покрытия, особенно пос­леднее, обладают высокой стойкостью к различным агрессивным средам, они имеют разнообразные цвет и фактуру.

Эстетические характеристики металлических материалов оригинальны и ре­гулируются в широких пределах, причем в ряде случаев цветовая палитра обо­гащается в процессе эксплуатации. Так, медь и ее сплавы, окисляясь кислородом воздуха, покрываются защитной пленкой — патиной, которая с течением време­ни приобретает множество цветовых оттенков. Сам процесс коррозии металла в начальной стадии может использоваться для получения своеобразного стально­го оттенка. После окисления и приобретения красно-коричневого цвета металл покрывают прозрачным защитным лаком.

Цвет стали можно изменять после механической (шлифование или полиро­вание) и термической (при температуре 200...300 °С) обработки поверхности, после которых на ней образуется оранжевая или синеватая пленка, которая од­новременно защищает металл от коррозии. Известны способы изготовления ста­ли золотистого и розового цвета, электролитические процессы окрашивания не­ржавеющей стали в оранжевый, красный, голубой, синий и зеленый цвета.

Часто металлические материалы не нуждаются в отделке поверхности с эс­тетической точки зрения. Черный цвет чугуна, темно-серый стали, золотистый и зеленовато-коричневый бронзы и меди, серебристо-белый алюминия, как прави­ло, отвечают эстетическим требованиям. Но лакокрасочные и металлические по­крытия (анодирование — анодное оксидирование и др.) не только меняют цвет лицевой поверхности, но и защищают металл от коррозии.

Фактура лицевой поверхности металлов может быть рельефной, шерохова­той, гладкой, матовой или блестящей.