Основы металловедения и теории коррозии

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