Основы металловедения и теории коррозии
Раздел ГРНТИ: Металловедение
Малахов А.И.
Высшая школа, 1978 г.
Ссылка доступна только зарегистрированным пользователям. |
![]() |
Глава II ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ Все СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ и сплавов можно разделить на четыре группы: физические, химические, технологические и механические. К физическим свойствам МЕТАЛЛОВ и сплавов относятся цвет, плотность, плавкость, электро- и теплопроводность, теплоемкость, магнитные и другие свойства. Плотность МЕТАЛЛОВ имеет большое значение для выбора материалов при проектировании машин, аппаратов. Использование легких МЕТАЛЛОВ и сплавов (алюминиевые, магниевые, титановые, бериллиевые) снижает общую массу аппарата, сооружения, что особенно «важно в таких отраслях, как авиапромышленность, ракетостроение, автомобильное и тракторное машиностроение. . "Плавкость МЕТАЛЛОВ определяется температурой их плавления. Легкоплавкие металлы и сплавы используют для отливки типографических матриц, изготовления подшипников и др. металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используют для устройства линий электропередач; сплавы, обладающие высоким электросопротивлением,— для ламп накаливания и нагревательных приборов и др. металлы и сплавы, обладающие магнитными свойствами, применяют при изготовлении динамомашин, электродвигателей, трансформаторов; для изготовления приборов связи: телефонных, телеграфных и других видов аппаратов и машин. металлы и сплавы, обладающие высокой теплопроводностью, равномерно нагреваются при горячей обработке, их легко сваривать и паять. Их широко применяют для изготовления теплообменных аппаратов. Коэффициент линейного расширения — величина, на которую изменяются линейные размеры тела при изменении температуры. Этот Коэффициент должен учитываться при конструировании аппаратуры. Детали, изготовленные из МЕТАЛЛОВ с разным коэффициентом линейного расширения и соединенные между собой, могут разрушаться или дать изгиб при нагревании. Сплавы, имеющие очень малый Коэффициент линейного расширения, используются при изготовлении точных приборов. К химическим свойствам МЕТАЛЛОВ ,и сплавов относятся их окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость. К технологическим — жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом. Технологические СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ и сплавов имеют исключительное значение при выполнении тех или иных операций в производстве и, в частности, при «выборе приемов и методов получения деталей машин. Ковкость — способность МЕТАЛЛОВ и сплавов подвергаться обработке давлением. Это свойство МЕТАЛЛОВ и сплавов связано с их пластической деформацией, особенно при нагревании. С ковкостью связаны такие важнейшие виды обработки, как прокатка, прессование, волочение, ковка н штамповка. Жидкотекучесть — способность МЕТАЛЛОВ и сплавов легко растекаться и заполнять полностью литейную форму. Медь даже при перегреве расплава густа и не растекается, поэтому из нее нельзя готовить изделия методом литья, тогда как сплавы ее (бронзы и латуни) и многие другие металлы (чугун, сталь, магниевые и алюминиевые сплавы) достаточно жидкотекучи. Свариваемость — способность МЕТАЛЛОВ и сплавов давать прочные неразъемные соединения изготовленных из них деталей. Сварку применяют для изготовления сварных конструкций взамен литых, клепанных, восстановления поломанных деталей, исправления брака литья и т. д. Сварные конструкции легче, прочнее и дешевле клепанных. металлы и сплавы подвергаются обработке резанием. Это свойство широко используется в технике, несмотря на большие отходы (стружка) металлов. Объясняется это тем, что получить обработкой резанием нужную форму, точные размеры и чистоту поверхности детали намного рациональнее по сравнению с другими методами. Механические СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ и сплавов характеризуют их прочностное, пластическое и вязкое состояния. Прочность — способность металла или сплава сопротивляться действию прилагаемых внешних сил, не разрушаясь. При конструировании учитывают это свойство, гак как по нему определяются допускаемые напряжения и ведется расчет аппаратуры. Чем прочнее металл или сплав, тем меньше размер детали, ее масса и тем меньше расход металла на ее изготовление. Вязкость — способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Пластичность — свойство металла деформироваться без разрушения при приложении внешних сил. Пластичность и Вязкость не влияют на массу изготовляемых изделий, но при малой пластичности и вязкости изделие при высоких прочностных свойствах становится хрупким и при случайных перегрузках (при ударном приложении нагрузок) будет разрушаться. При понижении прочностных свойств изделия повышаются его Пластичность и вязкость. Следовательно, при определенной прочности изделие должно обладать необходимой (минимумом) пластичностью и вязкостью. На механические СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ и сплавов влияют химический состав, структура и факторы, связанные с эксплуатацией изделий. Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после действия- приложенных внешних сил. Твердость— способность одного тела противостоять проникновению в него другого тела, более твердого. Таким образом, металлы (сплавы), используемые в качестве конструкционных, должны обладать определенными свойствами и выбор металла или сплава для изготовления изделия зависит от всего комплекса этих свойств. В табл. 1 приведены некоторые СВОЙСТВА наиболее широко применяемых металлов. 2. Коррозионная стойкость цветных МЕТАЛЛОВ Алюминий и его сплавы. Стандартный электродный потенциал алюминия (А+±А3+~-Зе-) —1,66 В. На основании этой величины можно предположить, что алюминий весьма активный металл, однако практически он обладает достаточно высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, так как на поверхности металла образуется защитная оксидная пленка. Такая пленка появляется почти мгновенно при соприкосновении свежего среза металла с воздухом, но рост ее продолжается медленно. Толщина пленки зависит от многих условий: для алюминия, хранящегося в помещении, она составляет 0,01—0,02 мкм, при действии сухого кислорода— от 0,02 до 0,04 мкм, а при термической обработке МЕТАЛЛОВ доходит до 0,1 мкм. В зависимости от" окружающих условий поверхностная пленка состоит из аморфного или кристаллического оксида алюминия либо из гидроксида алюминия. Она обладает хорошим сцеплением и удовлетворяет условию сплошности. Таким образом, алюминии устойчив во всех средах, где на его поверхности может существовать защитная пленка, и нестоек там, где эта пленка разрушается, либо нет условии для ее образования. Защитная пленка на алюминии может образовываться даже при отсутствии окислителей; .вода, водные растворы нейтральных солей пассивируют поверхность алюминия. Коррозионная стойкость алюминия определяется рядом факторов — это природа агрессивной среды, ее концентрация, температура, а также влиянием этих факторов на формирование защитной пленки на поверхности металла. В обычной атмосфере Алюминий устойчив и может применяться без особой защиты. В индустриальной атмосфере Алюминий корродирует и требует специальной защиты. В сильнокислых и сильнощелочных средах оксидная пленка на поверхности металла разрушается, и коррозия в этих случаях особенно велика. В отдельных случаях Алюминий проявляет исключительную стойкость в концентрированных кислотах, например, в азотной кислоте высоких концентраций стойкость алюминия выше, чем у нержавеющих сталей. Поэтому Алюминий применяют для аппаратурного оформления процессов производства крепкой азотной кислоты методом прямого синтеза. Наиболее опасными для алюминия являются растворы серной кислоты средних концентраций. В концентрированной кислоте и в высокопроцентном олеуме при 200° С Алюминий достаточно устойчив. Снижение скорости коррозии в кислотах более высокой концентрации связывают с уменьшением концентрации водородных ионов, с затрудненностью диффузии продуктов реакции с поверхности металла, с возможным пассивированием. стойкость алюминия в растворах кислот увеличивается с повышением его чистоты. 1. Коррозионно-стойкие сплавы на железоуглеродистой основе Легированные чугуны. Кремнистые чугуны — это сплавы железа с кремнием (Fe — С — Si), содержащие 14—18% кремния. Они имеют высокую коррозионную стойкость в агрессивных средах. Резкое, усиление коррозионной стойкости характерно для сплавов с содержанием кремния выше 14,5%. В СССР распространены две марки железокремнистых сплавов: С-15 (0,5—0,8% С; 14,5—15,0% Si) и С-17 (0,3—0,8% С; 16,0—18,0% Si). Этим сплавам свойственны высокая твердость, хрупкость; их нельзя прокатывать и обрабатывать резанием. Изготовление аппаратуры или отдельных узлов и деталей из таких сплавов возможно только литьем. сплавы типа С-15 и С-17 весьма чувствительны к резким перепадам температур и не выдерживают быстрого или местного нагрева. Коррозионная стойкость этих сплавов весьма высока, особенно в растворах кислот (например, скорость коррозии сплава С-17 в 40%-ной H2S04 менее 0,5 мм/год, а в 60—94%-ных растворах H2SO4 — менее 0,025 мм/год). Эти сплавы устойчивы в концентрированной азотной кислоте при кипении, в растворах фосфорной кислоты всех концентраций при любых температурах. Высокая коррозионная стойкость железокремнистых сплавов обусловлена образованием на их поверхности защитных пассивных пленок либо S1O2 (при концентрации Si в сплаве больше 16%), либо состоящей в основном из оксидов железа. При механическом повреждении пленка