Обзор Металлические материалы — это вещества, состоящие из металлических элементов или преимущественно из металлических элементов и обладающие металлическими свойствами. Эта категория включает чистые металлы, сплавы, интерметаллические соединения и специальные металлические материалы. (Примечание: Оксиды металлов, такие как оксид алюминия, не относятся к металлическим материалам.)

Значение Развитие человеческой цивилизации и прогресс общества тесно связаны с металлическими материалами. Медный и Железный века, пришедшие на смену Каменному веку, известны широким использованием металлов. В современную эпоху огромное разнообразие металлических материалов формирует важнейшую материальную основу для развития человечества.

Классификация Металлические материалы обычно делятся на три основные категории: черные металлы, цветные металлы и специальные металлические материалы.

1. Черные металлы Также известные как железо и стальные материалы, эта категория включает технически чистое железо (содержание железа более 90%), чугун (2–4% углерода), углеродистую сталь (менее 2% углерода), а также различные конструкционные стали, нержавеющие стали, жаропрочные стали, жаропрочные сплавы, прецизионные сплавы и т.д. В широком смысле черные металлы также могут включать хром, марганец и их сплавы.

2. Цветные металлы Эта категория относится ко всем металлам и их сплавам, кроме железа, хрома и марганца. Цветные металлы обычно делятся на легкие металлы, тяжелые металлы, благородные металлы, полуметаллы, редкие металлы и редкоземельные металлы. Сплавы цветных металлов обычно имеют более высокую прочность и твердость по сравнению с чистыми металлами, большее электрическое сопротивление и меньший температурный коэффициент сопротивления.

3. Специальные металлические материалы К ним относятся металлические материалы со специальным структурным или функциональным назначением. Примеры: аморфные металлы, полученные методом быстрой закалки, квазикристаллы, микрокристаллические и нанокристаллические металлические материалы. Также существуют специальные функциональные сплавы для целей малозаметности, устойчивости к водороду, сверхпроводимости, с эффектом памяти формы, износостойкости, демпфирования колебаний и другие, а также металлические композиционные материалы.

Свойства Металлические материалы обладают двумя основными типами свойств: технологическими и эксплуатационными.

• Технологические свойства Это то, как материал ведет себя при определенных условиях холодной или горячей обработки в процессе производства. Хорошие технологические свойства обеспечивают возможность эффективного формования или обработки материала. В зависимости от способа обработки предъявляются требования к литейным свойствам, свариваемости, ковкости, обрабатываемости термической обработкой и обрабатываемости резанием.

• Эксплуатационные свойства Это то, как материал функционирует в условиях реальной эксплуатации. Они включают механические, физические и химические свойства. Эти свойства определяют сферу применения и срок службы материала. Большинство деталей машин работают в условиях нормальной температуры и давления, без сильно агрессивных сред, но при этом подвергаются различным видам нагрузок. Механические свойства — способность материала сопротивляться разрушению под нагрузкой — являются наиболее критичными для проектирования и выбора материала. В зависимости от типа нагрузки (например, растяжение, сжатие, кручение, удар, циклические нагрузки) приоритет отдается различным механическим свойствам.

Распространенные механические свойства включают:

• Прочность

• Пластичность

• Твердость

• Ударная вязкость

• Сопротивление усталости

• Предел выносливости

Усталость Многие компоненты машин работают под действием циклических нагрузок. Даже когда напряжение ниже предела текучести материала, повторяющиеся циклы со временем могут привести к внезапному хрупкому разрушению — явлению, известному как усталость металла. Характеристики усталостного разрушения включают:

1. Действие знакопеременной нагрузки

2. Длительное время приложения нагрузки

3. Внезапный и мгновенный характер разрушения

4. Хрупкое разрушение, независимо от пластичности материала

Усталость является одним из наиболее распространенных и опасных видов разрушения в технике. Усталость можно классифицировать следующим образом:

1. Многоцикловая усталость (Высокоцикловая усталость) Возникает при низких напряжениях (ниже предела текучести или даже упругого предела) при количестве циклов нагружения более 100 000. Это наиболее типичный вид усталостного разрушения, часто называемый просто «усталостью».

2. Низкоцикловая усталость Возникает при высоких напряжениях (близких к пределу текучести) или высоких деформациях, при количестве циклов менее 10 000–100 000. Также известна как пластическая усталость или усталость от деформации, поскольку ключевую роль играет циклическая пластическая деформация.

3. Термическая усталость Вызывается термическими напряжениями из-за циклических изменений температуры.

4. Коррозионная усталость Усталостное разрушение, являющееся результатом совместного действия циклических нагрузок и коррозионной среды (например, кислот, щелочей, морской воды, активных газов).

5. Контактная усталость Возникает на контактных поверхностях деталей машин под действием повторяющегося контактного напряжения, вызывая образование язвовидных выкрашиваний (питтингов) или отслаивание поверхностного слоя.

Пластичность

Пластичность — это способность материала подвергаться остаточной (пластической) деформации без разрушения под действием внешней нагрузки. При растяжении металла его длина увеличивается, а площадь поперечного сечения уменьшается. Поэтому пластичность обычно оценивают по:

• Относительному удлинению (δ)

• Относительному сужению площади поперечного сечения (ψ)

Чем выше эти значения, тем лучше пластичность материала — то есть его способность выдерживать значительную пластическую деформацию без разрушения. Металлы с относительным удлинением более 5% обычно считаются пластичными (например, низкоуглеродистая сталь), в то время как металлы с относительным удлинением менее 5% считаются хрупкими (например, серый чугун).

Хорошая пластичность позволяет металлу подвергаться значительной деформации с одновременным упрочнением в процессе этой деформации (наклепом), что повышает прочность и обеспечивает безопасность при использовании. Она также делает возможными такие процессы формообразования, как штамповка, холодная гибка, волочение и правка. Таким образом, достаточная пластичность является важнейшим критерием при выборе металлических материалов для деталей машин.

Стойкость (Долговечность)

Распространенные типы коррозии металлов в строительных конструкциях включают:

1. Равномерная (сплошная) коррозия Коррозия происходит равномерно по поверхности, приводя к утоньшению сечения. Скорость коррозии часто оценивается по средней потере толщины в год. Сталь, как правило, подвергается равномерной коррозии в атмосферных условиях.

2. Язвенная (точечная) коррозия (Питтинг) Локальная точечная коррозия, образующая углубления (язвы, питты). На ее развитие влияют свойства металла и состав среды (например, среды, богатые хлоридами), а ключевой мерой оценки является максимальная глубина питтинга. Коррозия трубопроводов часто связана именно с язвенной коррозией.

3. Гальваническая коррозия (Коррозия в паре) Возникает в месте соединения разнородных металлов из-за разности их электродных потенциалов.

4. Щелевая коррозия Возникает в узких зазорах или щелях из-за различий в локальной концентрации химических компонентов среды.

5. Коррозионное растрескивание под напряжением (КРН) Вызывается совместным действием растягивающих напряжений и коррозионной среды, приводя к образованию микротрещин, которые могут вызвать внезапное хрупкое разрушение. Высокопрочные стальные канаты в бетоне подвержены КРН.