Глава 4. Метали і сплави
4.1 Властивості металів і сплавів
Метали - хімічні речовини, в яких перенос електричного заряду здійснюється тільки електронами. За іншими властивостями метали можуть бути дуже різноманітними:
- хімічно активними (Na, K, Li) і пасивними (Au, Pt);
- за механічними властивостями - твердими (U, Fe, Ni, Cr), м'якими (K, Na, Hf) і рідкими (Hg);
- негорючими (Ni, Ti, W) і горючими (Na, K, Al, Mg);
- радіоактивними (Sr, U, Ra);
- виділяти токсичні пари (Hg).
Сплави - сполучення металів з металами і неметалами, які зберігають електронну провідність. Сплави звичайно одержують сплавленням, і їхні властивості, як правило, відрізняються від властивостей компонентів.
Метали і металеві сплави поділяють на 2 групи:
1) чорні - метали і сплави, у яких основним компонентом є залізо (наприклад, сплав заліза з вуглецем);
2) кольорові - всі інші метали і сплави, де основним компонентом є не залізо, а якийсь інший елемент (мідні, алюмінієві, цинкові, олов‘яні і т.д.).
Структурно метали і сплави являють собою кристалічні решітки з дальнім чи ближнім порядком атомів. Тип решітки залежить від виду елементів та температури, тобто при нагріванні чи охолодженні можливі алотропічні зміни – перебудова елементарних чарунок решітки, що обумовлює появу нових механічних та фізичних властивостей.
Макроструктура металів і сплавів залежить від способу отримання. В основному, на вигляд зразки металів і сплавів щільні та безпористі.
У будівництві значення того чи іншого сплаву визначається, перш за все, його механічними властивостями, такими як міцність, пружність, пластичність, твердість, крихкість, в‘язкість. Ці характеристики оцінюються за даними статичних і динамічних випробувань. Із статичних важливішими є випробування на розтягнення та твердість.
Випробування на розтягнення здійснюють, руйнуючи спеціальні зразки (див. рис. 1.1.и) на розривних машинах. Діаметр зразків для знаходження площі перерізу вимірюють з точністю до 0.5 %. Результати випробувань подають у вигляді діаграми залежності напруги від подовження, приклад якої наведений на рис.4.1. На діаграмі розтягнення розрізняють характерні точки, яким відповідає стан матеріалу:
п – границя пропорційності – напруга, менше якої зберігається її лінійна залежність від деформації (ділянка ОА). На цій ділянці діаграма розтягнення характеризується прямою. Це означає, що після зняття деформуючої сили розміри зразка відновлюються;
Е – границя пружності – напруга, при якій після зняття деформуючої сили у зразку виникають залишкові деформації, що не перевищують допусків, встановлених технічними умовами. Наприклад, коли встановлюється допуск 0.001 %, границя пружності визначається 0.001. Вище межі пружності виявляється пластичність зразка, і ділянка діаграми вже не є прямолінійною (ділянка АБ);
т – границя текучості – напруга, яка відповідає нижній границі площадки текучості (ділянка БВ) на діаграмі розтягнення. Коли при випробуванні цю площадку неможливо винайти, визначають умовну межу текучості, яка звичайно відповідає залишковій деформації 0.2 %. Її позначають 0.2;
в – границя міцності – напруга, що відповідає найбільшому навантаженню, яке викликало руйнування зразка (точка Г);
р – напруга розриву – фактична напруга, при якій зруйнувався зразок (точка Д).
За діаграмою розтягнення можна судити про властивості матеріалу. Чим більше нахил прямої ділянки (ОА), тим м'якіший матеріал. Пластичні матеріали мають велику нелінійну ділянку. В них може не бути площадки текучості БВ, і тоді ділянки АБ та ВГ поєднуються. У крихких матеріалів не тільки відсутня площадка текучості БВ, але й графік залежності напруги від деформації являє майже пряму лінію, і границя міцності тотожна до напруги розриву (див. рис. 4.1.1).
Твердість визначається для м‘яких металів методом Бринеля, коли в зразок втискують сталеву кульку і вимірюють площу відбитку, а для твердих металів – методом Роквела – за втисненням у зразок алмазного конусу з кутом 120о і вимірюванням залишкової глибини його занурювання.