Основы металловедения и теории коррозии

Малахов А.И.

Высшая школа, 1978 г.

Глава II ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ 1. СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ Все СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ и сплавов можно разделить на четыре группы: физические, химические, технологические и механические. К физическим свойствамМЕТАЛЛОВ и сплавов относятся цвет, плотность, плавкость, электро- и теплопроводность, теплоемкость, магнитные и другие свойства. ПлотностьМЕТАЛЛОВ 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 свойствамМЕТАЛЛОВ ,и сплавов относятся их окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость. К технологическим — жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость режущим инструментом. Технологические СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ 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 — способностьМЕТАЛЛОВ и сплавов подвергаться обработке давлением. Это свойствоМЕТАЛЛОВ и сплавовсвязано с их пластической деформацией, особенно при нагревании. С ковкостьюсвязаны такие важнейшие виды обработки, как прокатка, прессование, волочение, ковка н штамповка. Жидкотекучесть — способностьМЕТАЛЛОВ и сплавов легко растекаться и заполнять полностью литейную форму. Медь даже при перегреверасплава густа и не растекается, поэтому из нее нельзя готовить изделияметодом литья, тогда как сплавы ее (бронзы и латуни) и многие другие металлы (чугун, сталь, магниевые и алюминиевые сплавы) достаточно жидкотекучи. Свариваемость — способностьМЕТАЛЛОВ и сплавов давать прочные неразъемные соединения изготовленных из них деталей. Сварку применяют для изготовления сварных конструкций взамен литых, клепанных, восстановления поломанных деталей, исправления бракалитья 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 СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ и сплавов характеризуют их прочностное, пластическое и вязкое состояния. Прочность — способностьметалла 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 расходметалла на ее изготовление. Вязкость — способностьметалла 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 вязкостиизделие при высоких прочностныхсвойствах становится хрупким и при случайных перегрузках (при ударном приложении нагрузок) будет разрушаться. При понижении прочностныхсвойствизделия повышаются его Пластичность и вязкость. Следовательно, при определенной прочностиизделие должно обладать необходимой (минимумом) пластичностью и вязкостью. На механические СВОЙСТВАМЕТАЛЛОВ и сплавов влияют химический состав, структура и факторы, связанные с эксплуатацией изделий. Упругость — свойствометалла 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 стойкостьцветныхМЕТАЛЛОВАлюминий и его сплавы. Стандартныйэлектродныйпотенциалалюминия (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 срезаметалла 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 обработкеМЕТАЛЛОВ доходит до 0,1 мкм. В зависимости от" окружающих условийповерхностнаяпленка состоит из аморфного или кристаллического оксидаалюминия 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 стойкостьалюминия определяется рядом факторов — это природа агрессивной среды, ее концентрация, температура, а также влиянием этих факторов на формирование защитной пленки на поверхности металла. В обычной атмосфереАлюминий устойчив и может применяться без особой защиты. В индустриальной атмосфереАлюминий корродирует и требует специальной защиты. В сильнокислых и сильнощелочных средах оксидная пленка на поверхностиметалла 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 концентрацииводородных ионов, с затрудненностью диффузиипродуктовреакции с поверхности металла, с возможным пассивированием. стойкостьалюминия 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, скоростькоррозиисплава 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