Використовувати метали в повсякденному житті почали ще на початку розвитку людства. Мідь – це перший їхній представник. Вона доступна в природі і чудово обробляється. При археологічних розкопках часто знаходять виготовлені з неї предмети домашнього вжитку та різні вироби. У процесі розвитку людина навчався об'єднувати різні метали, утворюючи сплави більшої міцності. З них робили знаряддя праці, а пізніше використовували для виготовлення зброї. Досліди продовжуються і в наш час, створюються сплави з питомою міцністю металів, придатні для зведення сучасних конструкцій.

Види навантажень

До механічних властивостей металів і сплавів належать такі, які здатні чинити опір дії на них зовнішніх сил або навантажень. Вони можуть бути найрізноманітнішими і за своєму впливу розрізняють:

статичні, які неспішно зростають від нульового значення до максимуму, а потім залишаються постійними або змінюються незначно;

динамічні – виникають внаслідок удару і діють короткий проміжок.

Види деформації

Деформація – це видозміна конфігурації твердого тіла під впливом прикладених до нього навантажень (зовнішніх сил). Деформації, після яких матеріал повертається в колишню форму і зберігає початкові розміри, вважають пружними, в іншому випадку (форма змінилася, матеріал подовжився) – пластичними або залишковими. Існує кілька видів деформації:

Стиснення. Зменшується об'єм тіла в результаті дії на нього здавлюють сил. Таку деформацію відчувають фундаменти котлів і машин.

Розтягнення. Збільшується довжина тіла, коли до його кінців додаються сили, напрям яких збігається з його віссю. Розтягування піддаються троси, приводні ремені.

Зсув або зріз. У цьому випадку сили спрямовані назустріч один одному і при певних умовах настає зріз. Прикладом служать заклепки і болти стяжки.

Кручення. Пара сил, протилежно спрямованих, діє на закріплене одним кінцем тіло (вали двигунів і верстатів).

Вигин. Зміна кривизни тіла при впливі зовнішніх сил. Така дія характерна для балок, стріли підйомних кранів, залізничних рейок.

Визначення міцності металу

Одне з основних вимог, що пред'являють до металу, що застосовується для виробництва металевих конструкцій і деталей, є міцність. Для її визначення береться зразок металу й розтягується на випробувальній машині. Еталон стає тоншим, площа поперечного перерізу зменшується з одночасним збільшенням його довжини. У певний момент зразок починає розтягуватися лише в одному місці, утворюючи «шийку». А через деякий час відбувається розрив в області самого тонкого місця. Так ведуть себе виключно в'язкі метали, тендітні: тверда сталь і чавун розтягуються незначно і у них не утворюється шийка.


Навантаження на зразок визначається спеціальним приладом, який носить назву силоизмеритель, він вмонтований у випробувальну машину. Для обчислення основної характеристики металу, що називається межею міцності матеріалу, треба максимальне навантаження, витриману зразком до розриву, розділити на величину площі поперечного перерізу до розтягування. Ця величина необхідна конструктору для того, щоб визначитися з розмірами виготовленої деталі, і технологу призначити режими обробки.

Найміцніші метали у світі

До високоміцних металів можна віднести наступні:

Титан. Він володіє такими властивостями:

високою питомою міцністю;

стійкістю до підвищених температур;

низькою щільністю;

стійкість до корозії;

механічної і хімічної витривалістю.

Титан знаходить застосування в медицині, військовій промисловості, суднобудуванні, авіації.

Уран. Найвідоміший і міцний метал в світі, є слабким радіоактивним матеріалом. Зустрічається в природі у чистому вигляді і в з'єднаннях. Він відноситься до важких металів, гнучкий, ковкий і щодо пластичний. Широко використовується у виробничих сферах.

Вольфрам. Розрахунок міцності металу показує, що це самий міцний і тугоплавкий метал, що не піддається хімічному впливу. Добре кується, його можна витягнути в тонку нитку. Використовується для нитки розжарювання.

Реній. Тугоплавкий, має високу щільність і твердість. Дуже міцний, не схильний до перепадів температури. Знаходить застосування в електроніці та техніці.

Осмій. Твердий метал, тугоплавкий, стійкий до механічних пошкоджень і агресивних середовищ. Застосовують у медицині, використовують для ракетної техніки, електронної апаратури.

Іридій. В природі у вільному вигляді зустрічається рідко, частіше – у сполуках з осміем. Механічній обробці піддається погано, має високу стійкість до хімічних речовин і міцність. Сплави з металом: титаном, хромом, вольфрамом, використовують для виготовлення ювелірних виробів.

Берилій. Високотоксичний метал з відносною щільністю, має світло-сірий колір. Знаходить застосування в чорній металургії, атомній енергетиці, лазерної та аерокосмічній техніці. Має високу твердість і використовується для легування сплавів.

Хром. Дуже твердий метал з високою міцністю, біло-блакитного кольору, має стійкість до лугів і кислот. Міцність металу і сплавів дозволяють їх використовувати для виготовлення медичного та хімічного обладнання, а також для металорізальних інструментів.

Тантал. Метал сріблястого кольору, має високу твердість, міцність, володіє тугоплавкостью і стійкістю до корозії, пластичний, легко обробляється. Знаходить застосування при створенні ядерних реакторів, в металургії і хімічної промисловості.

Рутеній. Належить до металів платинової групи. Володіє високою міцністю, твердістю, тугоплавкостью, хімічної стійкістю. З нього виготовляють контакти, електроди, гострі наконечники.

Як визначають властивості металів?

Для випробування металів на міцність застосовують хімічні, фізичні і технологічні методи. Твердість визначає, як чинять опір матеріали деформацій. Стійкий метал має більшу міцність і деталі, виготовлені з нього, менше зношуються. Для визначення твердості вдавлюють кулька, алмазний конус або пірамідку в метал. Значення твердості встановлюють по діаметру відбитка або по глибині вдавлювання предмета. Більш міцний метал менше деформується, і глибина відбитка буде менше. А ось зразки на розтяг випробовуються на розривних машинах з плавно наростаючою при розтягуванні навантаженням. Еталон може мати в перерізі коло або квадрат. Для перевірки металу протистояти навантажень ударного характеру проводять випробування на удар. В середині спеціально виготовленого зразка роблять надріз і встановлюють його навпроти ударного пристрою. Руйнування має відбуватися там, де слабке місце. При випробуванні металів на міцність структуру матеріалу досліджують рентгенівськими променями, ультразвуком і за допомогою потужних мікроскопів, а також використовують травлення хімічними речовинами. До технологічних належать найпростіші види випробувань на руйнування, пластичність, кування, зварювання. Випробування на видавлювання дає можливість визначити, чи здатний листовий матеріал піддаватися холодної штампування. З допомогою кульки в металі видавлюють лунку, поки не з'явиться перша тріщина. Глибина ямки до появи руйнування і буде характеризувати пластичність матеріалу. Випробування на вигин дає можливість визначити здатність листового матеріалу приймати потрібну форму. Це випробування використовують для оцінки якості швів при зварюванні. Для оцінки якості дроту використовується проба на перегин. Труби відчувають на розплющування і вигин.

Механічні властивості металів і сплавів

До механічних властивостей матеріалів з металу відносяться наступні:

Міцність. Вона полягає в здатності матеріалу чинити опір руйнуванню під впливом сил ззовні. Вид міцності залежить від того, як діють зовнішні сили. Її поділяють на: стиснення, розтягування, кручення, згин, повзучість, втома.

Пластичність. Це здатність металів і їх сплавів під впливом навантаження змінювати форму, не зазнаючи руйнування, і зберігати її після закінчення впливу. Пластичність матеріалу з металу визначають при його розтягуванні. Чим більше відбувається подовження, при одночасному зменшенні перерізу, тим пластичнее метал. Матеріали, що володіють хорошою пластичністю, чудово обробляються тиском: кування, пресування. Пластичність характеризують двома величинами: відносне звуження і подовження.

Твердість. Така якість металу полягає в здатності чинити опір проникненню в нього чужорідного тіла, що має значну твердість, і не отримати при цьому залишкових деформацій. Зносостійкість і міцність – це основні характеристики металів і сплавів, які тісно пов'язані з твердістю. Матеріали з такими властивостями знаходять застосування для виготовлення інструментів, що застосовуються для обробки металів: різці, напильники, свердла, мітчики. Нерідко по твердості матеріалу визначають його зносостійкість. Так тверді стали при експлуатації зношуються менше, ніж більш м'які сорти.

Ударна в'язкість. Особливість сплавів і металів чинити опір впливу навантажень, що супроводжуються ударом. Це одна з важливих характеристик матеріалу, з якого виготовлені деталі, що зазнають ударну навантаження, під час роботи машини: осі коліс, колінчаті вали.

Втома. Це стан металу, який знаходиться під постійним впливом навантажень. Втома металевого матеріалу відбувається поступово і може закінчитися руйнуванням вироби. Здатність металів чинити опір руйнуванню від втоми називають витривалістю. Це властивість перебуває у залежності від природи сплаву чи металу, стану поверхні, характеру обробки, умов роботи.

Класи міцності і їх позначення

Нормативними документами по механічним властивостям кріпильних виробів введено поняття клас міцності металу і встановлена система позначення. Кожен клас міцності позначається двома цифрами, між якими ставиться крапка. Перше число означає межа міцності, зменшений у 100 разів. Наприклад, клас міцності 5.6 означає, що межа міцності буде 500. Друге число збільшено в 10 разів – це відношення межі текучості до тимчасового опору, вираженого у відсотках (500х06=300), тобто 30 % становить мінімальний межа текучості від межі міцності на розтяг. Всі вироби, використовувані для кріплення, класифікуються за призначенням застосування, формою, використовуваному матеріалу, класу міцності і покриттю. За призначенням використання вони бувають:

Лемішні. Використовуються для сільськогосподарських машин.

Меблеві. Застосовуються в будівництві та меблевому виробництві.

Дорожні. Ними кріплять металоконструкції.

Машинобудівні. Застосовують у машинобудівній промисловості та приладобудуванні.

Механічні властивості кріпильних виробів залежать від сталі, з якої вони виготовлені і якості обробки.

Питома міцність

Питома міцність матеріалу (формула нижче) характеризується відношенням межі міцності до щільності металу. Ця величина показує міцність конструкції при даній його масі. Найбільшу важливість представляє для таких галузей, як авіабудування, ракетобудування та виробництво космічних апаратів. За величиною питомої міцності сплави з титану найміцніші з усіх застосовуваних технічних матеріалів. Титанові сплави вдвічі перевищують питому міцність металів, що належать до легованих сталей. Вони не піддаються корозії на повітрі, у кислотному та лужному середовищі, не бояться морської води і володіють хорошою теплостійкістю. При високих температурах їх міцність вище, ніж у сплавів з магнієм і алюмінієм. Завдяки цим властивостям їх застосування, як конструкційного матеріалу, весь час збільшується і знаходить широке використання в машинобудуванні. Недолік титанових сплавів полягає в їхній низькій оброблюваності різанням. Це пов'язано з фізичними та хімічними властивостями матеріалу і особливою структурою сплавів. Вище наведена таблиця питомої міцності металів.

Використання пластичності і міцності металів

Дуже важливими властивостями металу є пластичність і міцність. Ці властивості знаходяться в прямій залежності один від одного. Вони не дозволяють металу змінювати форму і перешкоджають макроскопическому руйнуванню при дії на нього зовнішніх і внутрішніх сил. Метали, що володіють високою пластичністю, під впливом навантаження поступово руйнуються. Спочатку у них з'являється вигин і тільки потім він починає поступово руйнуватися. Пластичні метали легко змінюють форму, тому їх широко використовують для виготовлення кузовів автомобілів. Міцність і пластичність металів залежить від того, як спрямовані додані до нього сили і в якому напрямку проводилася прокатка при виготовленні матеріалу. Встановлено, що при прокатці кристали металу подовжуються в її напрямку більше, ніж в поперечній спрямованості. У листової сталі міцність і пластичність значно більше в напрямку прокатки. У поперечному напрямку міцність зменшується на 30 %, а пластичність на 50 %, по товщині листа ці показники ще нижчі. Наприклад, поява зламу на сталевому листі при зварюванні можна пояснити паралельністю осі шва і напрямку прокатки. По пластичності і міцності матеріалу встановлюють можливість його використання для виготовлення різних деталей машин, споруд, інструментів, приладів.

Нормативне і розрахункове опір металу

Одним з основних параметрів, які характеризують опір металів впливів сили, є нормативне опір. Воно встановлюється за нормами проектування. Розрахунковий опір виходить в результаті поділу нормативного на відповідний коефіцієнт надійності по даному матеріалу. У деяких випадках враховують ще й коефіцієнт умов роботи конструкцій. В обчисленнях, що мають практичне значення, в основному використовують розрахунковий опір металу.

Шляхи підвищення міцності металу

Існує кілька способів підвищення міцності металів і сплавів:

Створення сплавів і металів, що мають бездефектну структуру. Є розробки по виготовленню ниткоподібних кристалів (вусів) у кілька десятків разів перевищують міцність звичайних металів.

Отримання об'ємного і поверхневого наклепу штучним шляхом. При обробці металу тиском (кування, волочіння, прокатка, пресування) утвориться об'ємний наклеп, а накатка і дробеструйная обробка дає поверхневий наклеп.

Створення легованого металу, використовуючи елементи таблиці Менделєєва.

Очищення металу, від наявних у ній домішок. В результаті цього поліпшуються його механічні властивості, поширення тріщин значно зменшується.

Усунення з поверхні деталей шорсткості.

Цікаві факти

Сплави з титану, питома вага яких перевищує алюмінієві приблизно на 70 %, міцніше їх у 4 рази, тому, по питомій міцності сплави, що містять титан, вигідніше використовувати для літакобудування.

Багато алюмінієві сплави перевищують питому міцність сталей, що містять вуглець. Сплави з алюмінію мають високу пластичність, корозійну стійкість, чудово обробляються тиском і різанням.

У пластмас питома міцність вище, ніж у металів. Але із-за недостатньої жорсткості, механічної міцності, старіння, підвищеної крихкості і малої термостійкості обмежені в застосуванні шаруваті пластики, текстоліти і гетинакси, особливо великогабаритних конструкціях.

Встановлено, що за витривалості до корозії і питомої міцності, чорні метали, кольорові та їх сплави поступаються стеклопластикам.

Механічні властивості металів є найважливішим фактором використання їх в практичних потребах. Проектуючи якусь конструкцію, деталь або машину та добираючи матеріал, обов'язково розглядають всі механічні властивості, якими він володіє.