3.1. Механические свойства металлов:
усталостная прочность – способность выдерживать большое количество знакопеременных нагрузок без разрушения;
упругость – свойство металла возвращаться к своей первоначальной форме после прекращения действия нагрузки (пружины);
твердость – свойство металла сопротивляться проникновению в него другого тела, не испытывающего деформации (алмазная пирамида);
вязкость – способность металла выдерживать ударные нагрузки без разрушения;
хрупкость – способность металла разрушаться без заметной пластической деформации;
пластичность – способность металла деформироваться и не разрушаться под воздействием значительных нагрузок.
3.2. Эксплуатационные свойства металлов:
Износоустойчивость – способность металла противостоять механическому износу в процессе трения. Зависит от химического состава, структуры, твердости металла, величины нагрузки и т.д.
Жаропрочность – способность металла противостоять в течение длительного времени ползучести или разрушению при высокой температуре. Чем выше температура плавления, тем выше жаропрочность, т.к. более высокая температура плавления означает более прочные межатомные связи. Основным фактором жаропрочности является также его структура (лопатки турбин).
Жаростойкость – способность металла противостоять в течение длительного времени воздействию окисляющих газов при высокой температуре. Основным фактором жаростойкости является химический состав металла или сплава и склонность его к образованию защитной оксидной пленки (например, Al2O3 на алюминии или Cr2O3 на хроме при работе поршней и компрессионных колец двигателя в агрессивной среде).
Термостойкость – способность металла противостоять без разрушения воздействию резких тепловых ударов. Чем выше теплопроводность металла, тем выше термостойкость. Довольно существенное влияние на термостойкость оказывает величина зерна сплава. В подавляющем большинстве случаев с повышением средней величины зерна термостойкость повышается (нижняя более термически-устойчивая часть двигателя – блок цилиндров – изготавливается из крупнозернистого чугуна), т.к. увеличение зерна ведет к уменьшению протяженности границ между ними, а напряжения, возникающие в результате термических ударов, сосредотачиваются в основном на границах зерен. Кроме того, при мелком зерне создаются благоприятные условия для развития трещин, возникающих при термических ударах (при расширениях).
Красностойкость – сохранение своей твердости при высокой температуре.
Технологичность – способность сплавов подвергаться обработке давлением и резанием. Чем выше пластичность металла, тем легче он поддается обработке давлением (штамповке, ковке, прессованию, прокатке).
3.3. Деформация и прочность сплавов.
Деформация – это изменение размеров и формы тела под действием внешних усилий.
Деформации подразделяют на упругие и пластические. Упругие деформации исчезают, а пластические остаются после окончания действия приложенных сил или напряжений. Напряжение (Р,кгс) – это нагрузка, отнесенная к единице площади сечения изделия.
В основе упругих деформаций лежат обратимые смещения атомов от положений их равновесия, а в основе пластических – необратимые перемещения атомов на значительные расстояния от положений их равновесия. Способность металлов пластически деформироваться называется пластичностью. Пластичность характеризуется следующими параметрами: относительное удлинение δ+ = [(lк – l0)/l0]·100
и относительное сужение δ- = [(S0 – Sк)/S0]·100,
где l0 и S0 – начальные длина и площадь поперечного сечения образца, lк – конечная длина образца, Sк – площадь поперечного сечения в месте разрыва.
При пластической деформации металла одновременно с изменением его формы меняется ряд свойств, в частности, при холодной деформации повышается прочность. Упрочнение металлов при деформации называется наклепом.
Прочность характеризуется отношением соответствующих нагрузок к начальной площади поперечного сечения образца S0 и имеет при этом следующие определения:
предел упругости σупр = Рупр / S0,
или остаточная деформация σ0,001=0,001; σ0,005=0,005; σ0,02=0,02; σ0,05=0,05, (наиболее распространенные ее величины, при которых пластическая деформация достигает заданной малой величины);
предел текучести σТ = РТ / S0;
его же определяют как условный σ0,2 = 0,2% (выбранная пластическая деформация 0,2% весьма точно характеризует переход от упругих деформаций к пластическим);
предел прочности σmax = Рmax / S0,
или временное сопротивление σВ, которое характеризует максимальную несущую способность материала или его прочность, предшествующую разрушению;
допустимое напряжение σдоп< 1,5·σ0,2 или σдоп< 2,5·σmax (обычно используют в расчетах); ударная вязкость KC = K / SK, или вязкость разрушения, равна удельной работе разрушения призматического образца с концентратором (надрезом) посередине при одном ударе маятникового копра. Характеризует сопротивление материала разрушению при динамических нагрузках (К – работа разрушения, SK - площадь поперечного сечения образца в месте концентратора). Оценка чувствительности к надрезу производится сравнением свойств надрезанных и гладких образцов. Высокая чувствительность к надрезу является неблагоприятным фактором.
3.4. Испытание металлов и определение их качества.
ü Испытание на растяжение. Используются образцы цилиндрической или плоской формы с определенными по ГОСТу размерами. Образец своими плоскими или круглыми наконечниками крепится в зажимах разрывной машины. Испытательная машина снабжена самозаписывающим прибором, который вычерчивает диаграмму растяжения, изменения длины образца в зависимости от приложенной нагрузки.
ü Определение твердости. Основано на вдавливании в испытуемый образец стального закаленного шарика (на приборе Бринелля), четырехгранной алмазной пирамиды с углом при вершине 120° (на приборе Роквелла) или алмазной пирамиды с углом 136° (на приборе Виккерса). Твердость по Бриннелю:
,
где D и d – диаметр шарика и диаметр лунки в [мм]; Р – нагрузка в [Н]. Метод Виккерса применяется для металлов высокой твердости и для металлов с тонким покрытием. На шлифованном или полированном образце получается отпечаток, диагональ которого измеряется с помощью микроскопа, которым снабжен прибор Виккерса. Твердость по Виккерсу и по Бринеллю совпадают до 450 единиц (НВ=450), а при большей твердости показания по Виккерсу превышают показания по Бринеллю.
ü Испытание на удар. Проводится на образцах квадратного сечения определенной длины с надрезом (концентратором) глубиной около 2 мм. Образцы укладываются на опоры прибора, называемого маятниковым копром (см.выше определение ударной вязкости).
ü Испытание на усталость. Осуществляется повторными циклами «растяжение-сжатие» или на изгиб с переменным направлением изгиба. Наиболее широко используется изгиб металлического круглого стержня с одновременным его вращением, благодаря чему меняется направление нагрузки. Пределом усталостной прочности служит та нагрузка, которую образец выдерживает без разрушения за определенное число циклов (вращений). Обычно это число принимают: = 5·10⁶ циклов для черных металлов (в частности, для стали) и = 2·10⁷ циклов для цветных металлов.
ü Определение чувствительности к надрезу. Чувствительность к надрезу характеризует конструктивную прочность и является одним из самых важных показателей качества авиационных материалов. При испытании образцов чувствительность к надрезу определяется отношением:
,
т.е предела прочности образца с надрезом к пределу прочности гладкого образца.
ü Технологические пробы. Пробы на выдавливание (пробы Эриксена) или на изгиб плоского тонкого образца вокруг оправки до определенного угла или до полного соприкосновения его сторон.
ü Определение длительной жаропрочности. Определяется величиной или временем нагрузки в условиях нагрева цилиндрических образцов определенного размера до их разрушения. Температура испытаний зависит от материала (для алюминия 300-500°С, для титана 500-700°С …). Длительность испытаний выбирается в зависимости от условий работы конструкций и для авиационных материалов чаще всего принимается в 100 часов.
ü Определение жаростойкости. Заключается в периодическом замере привеса образца нагретого до определенной температуры в камере с окислителем.
ü Испытание на термостойкость. Образец подвергается переменному быстрому нагреву и охлаждению до появления первой трещины. Количество теплосмен, которые выдерживает образец и является характеристикой его термостойкости.
3.5. Физический анализ металлов и сплавов. Важнейшими физическими методами анализа являются определения теплоемкости и теплопроводности и коэффициента линейного расширения.
Теплопроводность – это свойство материала проводить определенное количество тепла в единицу времени через единицу сечения:
,
где 
– количество тепла; 
- длина и сечение материала; 
- температуры в разных точках измерения; 
– время.
Теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо сообщить телу массой m, чтобы нагреть его до определенной температуры Т.
.
Удельная теплоемкость – это количество тепла, которое необходимо для нагревания 1 грамма вещества на 1°С.
Коэффициент линейного расширения – это увеличение длины материала при нагреве до определенной температуры:
.
3.6. Химический анализ металлов и сплавов. Заключается в воздействии на материал различных реактивов с целью разложения его на составные части.
Качественный анализ – дает представление о наличии в материале тех или иных компонентов без определения их точного количества.
Количественный анализ – определяет точное количество компонентов (в наше время с очень большой точностью – до 0,0001%).
Для химического анализа отбирают пробы в виде стружки, которую снимают сверлением или фрезерованием образца. Затем ее очищают.
3.7. Термический анализ металлов и сплавов. Определяет фазовые превращения в сплавах путем построения графиков время – температура. Сплавы подвергаются либо охлаждению расплавленного состояния, либо нагреву до расплавления. Если в сплаве не происходит никаких превращений, график будет носить плавный характер. При наличии же фазовых превращений на графике будут появляться горизонтальные прямые, т.к. фазовые превращения всегда сопровождаются при охлаждении – выделением тепла, а при нагревании – поглощением. Положение этих горизонтальных прямых или перегибов позволяет определить температуры превращений.
3.8. Металлографический анализ металлов и сплавов. С помощью него определяется макро- и микроструктура металлов.
Макроструктура – это строение металла, видимое невооруженным глазом или при небольшом увеличении. Исследование макроструктуры проводят на протравленной или ломаной поверхности образца. Исследуется величина, форма, расположение кристаллов в литом или волокно в деформированном металле, а также наличие рыхлостей, пустот, трещин; оценивают характер излома (пример усталостного излома поршня двигателя).
Микроанализ – определение качественное фазового состава и наличия дефектов с помощью микроскопа (с увеличением до 2000 раз). При воздействии на образец (микрошлиф) химических реактивов (травителей) отдельные фазовые составляющие или границы их зерен приобретают различные окраски, что вызвано неодинаковым отражением света разными компонентами.
3.9. Рентгеновский анализ металлов и сплавов. Основан на свойстве рентгеновских лучей просвечивать металл или сплав с целью определения типа и параметров кристаллической решетки, фазового состава и обнаружения различных дефектов. Рентгеновские лучи имеют ту же природу, что и световые лучи, но их длина волны меньше в 10000 раз, чем у световых, поэтому они обладают способностью глубоко проникать в металл и отражаться от их атомов, выявляя их расположение в пространстве. Отражаясь от атомов, рентгеновские лучи оставляют на фотопленке следы в виде линий и точек (рентгенограмма), расположение которых тесно связано со строением кристаллической решетки.
3.10. Дефектоскопия. Для выявления внутренних и поверхностных дефектов (например, труб газопровода).
Люминесцентный метод – основан на проникновении в поры материала специальных индикаторных жидкостей, называемых люминофорами. Обработанное ими изделие, после выдержки (30-60 минут) рассматривают в ультрафиолетовом свете люминесцентным дефектоскопом.
Магнитная дефектоскопия – основана на регистрации магнитных полей рассеяния специальных магнитных порошков наносимых на дефекты изделия.
Ультразвуковая дефектоскопия – заключается в регистрации осциллографом интенсивности и времени приема отраженных от дефекта эхосигналов.
3.11. Процессы, происходящие в металлах и сплавах при пластической деформации.
Скольжение, сдвиг – основной вид пластической деформации в металлах и сплавах. При скольжении одна часть кристалла смещается параллельно другой вдоль плоскости, называемой плоскостью скольжения. Деформация скольжением развивается по плоскостям, на которых плотность атомов максимальна. Так, в металлах с ГЦК решеткой (Cu, Al, Ni …) скольжение идет по плоскостям {111}, в металлах с ОЦК решеткой – по плоскостям {110}, в металлах с ГПУ решеткой (Mg, Zn) – по плоскости базиса.
Различные направления в плоскостях скольжения создают системы скольжения. Увеличение числа этих систем сопровождается повышением пластичности. Так, например, в ГПУ решетке с уменьшением расстояния между гранями (Zr - цирконий, Ti) скольжение может происходить еще и в вертикальных и в диагональных направлениях, поэтому они более пластичны, чем Mg, Zn, у которых скольжение идет только по плоскостям базиса.
Элементарный сдвиг – это смещение одной части кристалла относительно другой на одно межатомное расстояние. В идеальном кристалле, в котором нет дефектов структуры, в скольжении должны участвовать одновременно все атомы, находящиеся в плоскости сдвига. Низкая прочность реальных кристаллов обусловлена наличием внутренних дислокаций и пластическая деформация вызывает их последовательное перемещение. При постоянно действующем напряжении дислокация как бы по эстафете передается от одной атомной плоскости к другой, последовательно вытесняя при этом каждый соседний «правильный» ряд атомов. Процесс повторяется до тех пор, пока дислокация не выйдет на поверхность кристалла. При этом на поверхности кристалла образуется ступенька. Чем больше краевых дислокаций, тем выше ступенька. Дальнейшее увеличение ступенек (видимых микроскопом) увеличивает расстояние между зернами и может образовывать трещины. Если дополнительно нагреть металл до температуры 0,3·Тпл, дислокации на значительном участке своей длины будут смещаться сразу на десятки плоскостей. Задачей наклепа является снижение количества внутренних дислокаций путем их перемещения к краям структуры зерен и образованием краевых дислокаций (в конечном итоге – повышением прочности металла).
Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую структуру. При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким направлениям скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. С ростом напряжения деформации различия между зернами уменьшаются, они постепенно вытягиваются, и при значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом. Данная ориентация зерен называется текстурой деформации. Она зависит от вида и условий деформирования, структуры металла и наличия примесей.
Так, при волочении возникают аксиальные (направленные осевые) текстуры, когда ориентация зерен оказывается параллельным оси проволоки или прутка. При прокатке направление текстуры имеет некоторый угол к плоскости прокатки, зависящий от диаметра валов стана (об этом позже).
3.12. Свойства пластически деформированных металлов и сплавов.
Итак, в результате наклепа - холодного пластического деформирования металл упрочняется, т.е. увеличиваются σmax (предел прочности), σ0,2 (предел текучести – т.е. деформация, равная 0,2% перехода от упругих деформаций к пластическим будет происходить при большем напряжении Рт); σупр (т.е. становится более упругим), а пластичность КС и вязкость понижаются.
Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой интенсивно наклепываются аустенитная сталь(на основе ϒ-Fe), никелевый, незначительно алюминиевый сплавы. Несмотря на снижение пластичности, улучшается обрабатываемость резаньем вязких и пластичных материалов: латуни (медь + цинк) и алюминиевых сплавов.
Наклепанные материалы легче корродируют.
Образование при наклепе текстуры деформации вызывает анизотропию свойств металла.