То, что свинец мягкий, знают все, кто когда-либо читал о нем или держал его в руках. Сведений о свинце в интернете много, но нас будет интересовать только вопрос о его механических свойствах (ну и немного о структуре, поскольку сайт посвящен маталлографии).
В принципе, структура свинца ничем не отличается от структуры других металлов. На рисунке 1,а показана структура свинца. Она похожа на структуру, например, феррита (статья феррит) или многих других чистых металлов. Для примера на рис.1,б показана структура ниобия.
а | б |
Рисунок 1. Структура свинца (а) и ниобия (б).
А вот механические свойства свинца существенно отличаются от свойств других чистых металлов. Свинец отличается высокой коррозионной стойкостью и большой плотностью, чем определяется его исключительно важная роль в технике. Удельный вес свинца 11,3 г/см3. Для сравнения: плотность железа 7,8 г/см3.Температура плавления свинца 327,3оС, температура кипения 1744оС. Предел упругости 0,25 кг/мм2, предел текучести литого свинца 0,5 кг/мм2; предел прочности в литом состоянии 1,1-1,3 кг/мм2, в деформированном – 1,5 кг/мм2. Относительное удлинение литого свинца – 30-40%, деформированного 60-70%. Относительное сужение – 92-100%. Твердость HB 3,2-4,5 кг/мм2 для литого и 3-4,8 кг/мм2 для деформированного. Для сравнения: предел прочности литого алюминия чистотой 99,0% составляет 83 МПа (8,3 кг/мм2), относительное удлинение – 20%. Поскольку свинец имеет низкие механические свойства, он не используется как конструкционный материал. Изменение механических свойств свинца при высоких и низких температурах показано на рис. 2.
Рисунок 2 . 1 - изменение предела прочности (кг/мм2); 2 – изменение относительного удлинения (% *10).
Собственно, механические свойства мы определяем опытным путем при растяжении, сжатии, кручении и пр. Т.е. в основе этих испытаний всегда лежит деформация. Деформации сопутствует наклеп – увеличение прочностных свойств под действием деформации. Поэтому чем больше мы растягиваем металл, тем большее усилие требуется для того, чтобы это растяжение продолжать.
Значит, свинец почему-то не наклепывается.
Чем снять наклеп? Только нагревом. Можно после деформации, можно в процессе деформации. Чем выше температура, при которой мы проводим деформацию, тем меньше наклеп. Логично предположить, что есть такая температура, при которой наклепа вообще не будет. Такая температура существует, и она называется температурой рекристаллизации.
Рекристаллизация – это процесс формирования в деформированном металле новых зерен (взамен старой деформированной структуры) и последующего их роста. На рисунке 3 показаны мелкие, только что образовавшиеся зерна, и более крупные, которые росли более активно.
Рисунок 3. Разнозернистость в свинце
Такое изменение структуры и обеспечивает снятие наклепа. Этот процесс начинается при определенной абсолютной температуре, которая определяется по формуле Бочвара по абсолютной температуре плавления: Трекр.=аТплавл. Коэффициент «а» зависит от состава – чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Для металлов технической чистоты а=0,3-0,4. Для сплавов а=0,8. Для очень чистых металлов а=0,1-0,2.
Если деформировать металл при температуре рекристаллизации и выше, то наклепа не произойдет. Значит, металл будет восприниматься как мягкий.
Температура плавления свинца 600,61 K или 327,46 °C. Значит, температура рекристаллизации свинца составляет порядка -32°C, если принять коэффициент «а» равным 0,4 (технический свинец). Т.е., комнатная температура для свинца – это температура горячего состояния. Поэтому зерна свинца всегда полиэдрические даже после очень сильной деформации. Для примера: температура рекристаллизации алюминия составляет порядка 100°C, алюминиевых сплавов – порядка 460…480°C.
Т.е. свинец при комнатной температуре – горячий.
Как и все металлы в интервале температур между началом рекристаллизации и температурой плавления, свинец имеет низкие механические свойства.