Физические свойства металлов и сплавов – 2. Физические свойства металлов и сплавов. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

Содержание

2 .Физические свойства металлов.

Строение металлов

Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом. Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки. Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1…2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью. Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку. Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств. Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.

Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами. В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл. Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001…0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.

Группы металлов.

В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из

них — металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в

виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов,

составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые

это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, —

писал он, — тела твердые, ковкие блестящие».

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду

наличие у него определенного комплекса свойств:

1. Плотная кристаллическая структура.

2. Характерный металлический блеск.

3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.

5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко

отдавать электроны.

6. Ковкость и тягучесть.

7. Способность к образованию сплавов.

Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно

разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы —

железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими

сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые

легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель,

вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в

легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования

получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной

прочностью, в других — высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих —

коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием

внешней среды.

Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили

такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-

красная, никель, олово, серебро — белые, свинец — голубовато-белый, золото

-желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза — сплав

меди с оловом и другими металлами, латунь — сплав меди с цинком, баббит —

сплав олова с сурьмой и медью и др.

Это деление на черные

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего

особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью

сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно

только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу.

Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в

порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный

или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и

электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток

располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники — серебро и медь,

худшие — свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность

падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая

механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются,

вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с

особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям,

кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных

электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно

себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты

ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны.

Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются

вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с

определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов

они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает

электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая

теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны

постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому

колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания,

сейчас же передаются соседним ионам, от них — следующим и т.д., и тепловое

состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает

одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы:

легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы —

все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов

приведены в таблице №1.

Таблица №1

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

| | |г/см3 |плавления, C | и8.

|Литий |6,939 |0,534 |179 |

|Калий |39,102 |0,86 |63,6 |

|Натрий |22,9898 |0,97 |97,8 |

|Кальций |40,08 |1,55 |850 |

|Магний |24,305 |1,74 |651 |

|Цезий |132,905 |1,90 |28,5 |

|Алюминий |26,9815 |2,702 |660,1 |

|Барий |137,34 |3,5 |710 |

|Цинк |65,37 |7,14 |419 |

|Хром |51,996 |7,16 |1875 |

|Марганец |54,9380 |7,44 |1244 |

|Олово |118,69 |7,28 |231,9 |

|Железо |55,847 |7,86 |1539 |

|Кадмий |112,40 |8,65 |321 |

|Никель |58,71 |8,90 |1453 |

|Медь |63,546 |8,92 |1083 |

|Висмут |208,980 |9,80 |271,3 |

|Серебро |107,868 |10,5 |960,8 |

|Свинец |207,19 |11,344 |327,3 |

|Ртуть |200,59 |13,546 |-38,87 |

|Вольфрам |183,85 |19,3 |3380 |

|Золото |196,967 |19,3 |1063 |

|Платина |195,09 |21,45 |1769 |

|Осмий |190,2 |22,5 |2700 |

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны

особым типом химической связи — так называемой металлической связью. Она

определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между

нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными

электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не

отдельных частиц, а их агрегатов.

Химические свойства металлов.

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов

легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно

заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их

ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны,

типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов

далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем

он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими

веществами.

Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк

начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается

уравнением:

Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией

окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка

отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым

превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в

виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить

кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет.

Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче

отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые

было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их

убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В

настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.

В таблице №2 представлены значения стандартных электродных

потенциалов некоторых металлов. Символом Me+/Me обозначен металл Me,

погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов,

выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак «-», а

знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов, являющихся

окислителями.

Таблица №2

Стандартные электродные потенциалы металлов.

|Электрод |Е0,В |Электрод |Е0,В |

|Li+/Li |-3,02 |Co2+/Co |-0,28 |

|Rb+/Rb |-2,99 |Ni2+/Ni |-0,25 |

|K+/K |-2,92 |Sn2+/Sn |-0,14 |

|Ba2+/Ba |-2,90 |Pb2+/Pb |-0,13 |

|Sr2+ /Sr |-2,89 |H+/1/2h3 |0,00 |

|Ca2+/Ca |-2,87 |Sb3+/Sb |+0,20 |

|Na+/Na |-2,71 |Bi3+/Bi |+0,23 |

|La3+/La |-2,37 |Cu2+/Cu |+0,34 |

|Mg2+/Mg |-2,34 |Cu+/Cu |+0,52 |

|Al3+/Al |-1,67 |Ag+/Ag |+0,80 |

|Mn2+/Mn |-1,05 |Pd2+/Pd |+0,83 |

|Zn2+/Zn |-0,76 |Hg2+/Hg |+0,86 |

|Cr3+/Cr |-0,71 |Pt2+/Pt |+1,20 |

|Fe2+/Fe |-0,44 |Au3+/Au |+1,42 |

|Cd2+/Cd |-0,40 | | |

Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных

электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений

металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni,

Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его

восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей

те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный

потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода,

способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение

металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре.

Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность

металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например,

ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом

отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с

исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению

с ионами других щелочных металлов.

studfiles.net

Физико-механические свойства металлов и сплавов

Цвет. По цвету отличаются от других металлов только медь (розовато-красная) или золото (желтое). Серебро имеет характерный белый свет; алюминий, магний, платина, олово, кадмий, ртуть — синевато-белый; железо, свинец, и мышьяк — сероватый. В сильно измельченном состоянии металлы имеют серый. Коричневый или черный цвет.

При пребывании в течении длительного времени на воздухе большинство металлов окисляется и темнеет. Металлы, не окисляющиеся на воздухе (серебро, золото и металлы платиновой групп), и металлы, у которых образуется на поверхности тончайший защитный слой окиси (алюминий и др.), не изменяют своего цвета и блеска в течении длительного времени.

Удельный вес. Удельным весом металлов называется вес 1 см³ вещества, выраженный в граммах.

Кроме небольшой группы легких металлов (алюминий, магний) имеющих удельный вес менее 3, большинство металлов имеет значительный удельный вес (табл.1) отдельно.

Благодаря большому удельному весу платина (21,4) и золото (19,32), встречающиеся в самородном виде, добываются путем отмывки от сопровождающих их сравнительно легких частиц песка, глины и т.п.

Малый удельный вес алюминия и магния имеет исключительно важное значение при постройке самолетов, и поэтому легкие сплавы этих металлов особенно тщательно изучают.

В литейном деле большая разница металлов иногда вызывает затруднения при получении однородных сплавов. При сплавлении металлов, сильно различающихся по удельному весу, более легкий металл может всплывать. Такое явление происходит, например, при изготовлении свинцовой бронзы, содержащей 60 % Pb и 40% Cu.

Температура плавления. Температура, при которой нагреваемый металл переходит из твердого состояния в состояние жидкое, называется температурой плавления (см. табл. 1).

Необходимо учитывать изменение температуры плавления сплава при введении в него новых составных частей. Температура плавления платины 1773 ^oC , и в окислительном, светлом, некоптящем пламени платиновый тигель легко выдерживает температуру пламени. В коптящем восстановительном пламени (при неполном горении), несмотря на более низкую температуру пламени, платина тигля, вступив в соединение с избытком несгоревшего углерода, может образовать более легкоплавкую и хрупкую углеродистую платину, и тигель испортится. Чистое железо вместе с углеродом дает сравнительно легкоплавкий чугун с температурой плавления приблизительно 1130 ^oC. может получиться и обратное явление, например при сплавлении алюминия и 30 %Ni. Ранее считали обязательным начинать плавку всегда с расплавления этого наиболее тугоплавкого металла, но в данном случае этого делать нельзя. Если начать с расплавления никеля (температура его плавления 1454^oC) и в него вводить постепенно более легкоплавкий алюминий (температура плавления 660 ^oC), то его сплав затвердеет.

При содержании 68,5 % Ni и 31,5 % Al образуется химическое соединение AlNiс температурой плавления около 1620 ^oC. поэтому при сплавлении металлов, которые могут дать химические соединения с температурой плавления выше температуры плавления исходных компонентов, необходимо руководствоваться диаграммой состояния, указывающей, как изменяется температура плавления сплава при постепенном изменении его состава, и вести плавку соответственным образом.

Удельная теплоемкость. Количество тепла в больших калориях (килокалориях — ккал), необходимо для повышения температуры 1 кг металла на 1 ^oC, называется теплоемкостью металла и обозначается буквой С.

Теплоемкость несколько изменяется с температурой. В таблицах приводиться обычно средняя температура, например от 0 до 100 ^oC (см.табл. 1)

Скрытая теплота плавления. Чтобы расплавить твердое вещество, т.е. перевести его в жидкое состояние, требуется не только нагреть его до температуры плавления, но еще затратить дополнительную тепловую энергию, которая не повышает температуры расплавляемого тела, а идет на разрушение кристаллической структуры. Пока твердое вещество не перейдет все целиком в жидкое состояние, температура не будет повышаться выше температуры источника тепловой энергии. Повышенная мощность источника тепла может лишь ускорить расплавление, но температура плавящегося вещества будет оставаться постоянной, пока не произойдет полное расплавление.

Количество тепла, идущего на повышение 1 кг твердого вещества при температуре его плавления в жидкое состояние при той же температуре, называется скрытой теплотой плавления и выражается в больших калориях.

Теплопроводность. Свойство металла проводить тепло называется теплопроводностью теплопроводность характеризуется коэффициентом теплопроводности, показывающим, сколько калорий тепла может пройти в единицу времени сквозь 1 см ^oC вещества при разности температур на двух противоположных гранях кубика в 1 ^oC, и обозначается буквой λ.

Теплопроводность алюминия в пять раз больше теплопроводности чугуна, и поэтому алюминиевые сплавы часто заменяют чугун при изготовлении поршней двигателей внутреннего сгорания. Кроме того, поршень из алюминиевого сплава будучи легче чугунного примерно в три раза, облегчит ве конструкции. Металлы с большой теплопроводностью в то же время являются лучшими проводниками электричества.

Электросопротивление. За единицу электрического сопротивления принято сопротивление ртутного столба длиной 106,3 см с поперечным сечением 1 см ²C при 0 ^oC. Эта единица называется омом (обозначается Ω). Чем больше длина проводника и чем меньше поперечное сечение проводника, тем сопротивлении его больше. При одной и той же длине и сечении проводники из разных металлов имеют различное сопротивление, что характеризуется удельным сопротивлением. Удельное сопротивление показывает, какое сопротивление имеет проводник из данного метала длиной 1 м и сечением 1 мм²C.

Для всех металлов характерно повышение электросопротивления с повышением температуры в отличие от неметаллических материалов, элетросопротивление которых при нагревании уменьшается.

Медь и алюминий, обладая самым малым электросопротивления из всех металлов (за исключением серебра), являются основными металлами для электропроводов.

Металлами и сплавами с высоким сопротивлением пользуются, когда хотят электрическую энергию превратить в тепловую. Количество теплоты, выделяемое в проводнике током определенной силы, прямо пропорционально сопротивлению проводника. Сплавами для элементов обычных нагревательных приборов (электропечей, плит, чайников, утюгов, электропаяльников) служат нихром и др. Для нити в лампах накаливания применяют вольфрам, который, не плавясь, выдерживает температуру более 2000 ^oC. Однако такую нить модно нагревать лишь в вакууме. Кислород воздуха ее окисляет

Термический коэффициент линейного расширения. Приращение длины предмета на единицу длины при нагревании его на 1 ^oC называется термическим коэффициентом линейного расширения α.

Так как коэффициент α очень мал, то в таблицах его значение обычно дается с коэффициентом 10^-6C, т.е. в миллионных долях первоначальной длины, измененной при 0 ^oC. Свойство металлов расширяться при нагревании и сжиматься при охлаждении необходимо учитывать при изготовлении металлических сооружений и деталей машин.

Коэффициент линейного расширения может считаться почти постоянным при небольших изменениях температуры. При сильном нагревании он может значительно изменять свою величину. Имеются сплавы, обладающие особенно малой величиной α. Например, сплав «инвар» (35 % Fe и 35 %Ni) имеет в пределах от -10 до + 90 ^oC термический коэффициент линейного расширения α, близкий к нулю; однако при повышении температуры выше 100 ^oC он быстро растет.

При застывании отлитых деталей, если тонкие части охлаждаются и сжимаются быстрее, чем толстые, могут получиться трещины там, где возникают вредные внутренние напряжения. Конструктор во избежании трещин должен умело подбирать размеры сечений в отливке.

Тепловое расширение имеет большое значение и для сварных конструкций, в которых тоже возникают внутренние напряжения.

Особенно тщательно необходимо учитывать линейное расширение металлов при производстве измерительных и прецизионных (точных) приборов, при изготовлении калибров и деталей машин, работающих при повышенной температуре.

Поглощение газов. Многие металлы и сплавы обладают свойством в жидком состоянии поглощать и растворять газы, и тем сильнее, чем выше перегрет жидкий металл. При охлаждении и при кристаллизации растворимость газов понижается. Они выделяются в толщине застывающего металла и могут образовывать большое количество газовых раковин и других дефектов. Это вызывает брак в следствие недостаточной плотности и прочности литья. Растворенный в металле кислород может давать химические соединения с металлом, тоже понижающие прочность металла.

Для удаления газов и раскисления жидких металлов (например, стали) применяют элементы, обладающие большим сродством с кислородом и азотом, напрмер металлический алюминий. Он соединяется с кислородом и с азотом, а образующиеся при жтом окислы и нитриды алюминия поднимается на поверхность расплавленного металла и переходят в шлак. Для раскисления меди и ее сплавов часто применяют фосфористую медь — сплав с 12-14% Р, используя большое сродство фосфора с кислородом.

Особенное значение имеет тщательное раскисление медных и других сплавов успешной обработки их давлением в горячем или холодном виде (проката, прессовка, ковка, штамповка, волочение и пр.) и для снижения брака. Однако избыток раскислителя, переходя в сплав в качестве его компонентов может ухудшить свойства сплава.

Окислы раскислителя, образующиеся в результате раскисления сплава, должны легко оделяться от него, всплывая в виде шлака.

Этому способствует достаточная разность удельных весов сплава и продуктов раскисления его. Остающийся в сплаве после реакции раскисления небольшой избыток раскислителя не должен понижать обратавыаемость и механических качеств сплава.

В качестве раскислителя не следует употреблять дорогостоящие, редкие вещества. Раскислитель должен быть удобным для точной навески при добавлении его в шихту.

Магнитные свойства. По магнитны свойствам все металлы делятся на две группы — диамагнитные и парамагнитные. При внесении диамагнитного металла в магнитное поле оно уменьшается, а при внесении парамагнитного металла магнитное поле усиливается. К диамагнитным металлам относится бериллий, сурьма, висмут, медь, золото, серебро, цинк, кадмий, ртуть и др. к парамагнитным металлам алюминий, кальций, барий, молибден, вольфрам и др.

Частным случаем парамагнитных метало являются ферромагнитные металлы — железо, никель, кобальт и редкий элемент — гадолиний.

Железо, кобальт и никель теряют свои магнитные свойства при высоких температурах (железо при 759 ^oC, кобальт при 1110 ^oC и никель при 350 ^oC).

Диффузия. Протекающий во времени процесс выравнивания состава в газе, в жидкости и даже в твердом теле путем взаимного проникновения их частиц называется диффузией. Оцинковка железа и другие подобные операции с диффузией жидкого металла в твердый. Твердое вещество также может диффундировать в жидкое — растворяться в нем. Это имеет важное практическое значение и наблюдается, между прочим, при изготовлении стали и других сплавов, когда твердый металл растворяется в жидком металле или в сплаве.

Диффузией газа в твердый металл широко пользуются в таких процессах, как азотирование (нитрирование), стали, когда аммиак, вводимый в печь, в которую положены детали, разлагается при нагревании до 500-600 ^oC, а выделяющийся азот диффундирует в твердую сталь, образуя на поверхности ее очень твердые нитриды. Продолжительность времени нагревания в аммиаке и температура нагрева определяют глубину азотированного слоя. Диффузия алюминия в поверхность железных, стальных или чугунных изделий при температуре около 900 ^oC («алитирование» изделий) вызывает повышение их коррозионной стойкости.

Твердость. Твердостью металла называется сопротивление, оказываемое металлом при вдавливании в него твердых предметов. Наиболее распространенными методами определения твердости являются методы Бринелля и Роквелла.

Упругость. Упругостью металла называют свойство металла восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешней силы, вызывающей его деформацию.

Брусок металла, подвергнутый действию растягивающего усилия, удлиняется. Если это усилие не превосходит определенной для данного материала величины, брусок после снятия нагрузки получает свои первоначальные размеры. Величина этого усилия называется пределом упругости.

Если нагрузка перейдет за пределы упругости, то после снятия нагрузки форма бруска не восстанавливается, и брусок останется удлиненным; такая деформация называется пластической.

Прочность. Прочностью называется свойство металла сопротивляться действию внешних разрушающих сил. В зависимости от характера этих внешних сил различают прочность на растяжение, на сжатие, на изгиб, на кручение и т.д. Условное напряжение, отвечающее наибольшей нагрузки, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности, определяя максимальное усилие Р, которое может выдержать образец во время испытания, деля его на первоначальную площадь поперечного сечения образца F _oC.

Вязкость ударная. Вязкость характеризуется сопротивлением удару.

Удельная ударная вязкость (сопротивление удару) определяется количеством работы, необходимой для разрушения бруска посредством ударной изгибающей нагрузки на так называемом копре Шарпи, деленной на поперечное сечение образца, и выражается в кгм/см ²C.

Технологические свойства.

Пластичность. Одним из основных свойств металла является их пластичность, т.е. способность металла, повергнутого нагрузке, деформироваться под действием внешних сил без разрушения и давать остаточную (сохраняющуюся после снятия нагрузки) деформацию. Пластичность иногда характеризуют величиной удлинения образца при растяжении.

Отношение приращения длины образца при растяжении к его исходной длине, выражаемое в процентах, называется относительным удлинением и обозначается δ, %. Относительное удлинение определяется после разрыва образца и указывает способность металла удлиняться под действием растягивающих усилий.

Ковкость. Способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, прокатке, прессовке и т.п.) называется его ковкостью. Ковкость металла зависитот его пластичности. Пластичные металлы обычно обладают и хорошей ковкостью.

Усадка. Усадкой металла называется сокращение объема расправленного металла при его застывании и охлаждении до комнатной температуры.

Соответствующее изменение линейных размеров, выраженное в процентах, называется линейной усадкой.

Жидкотекучесть. Способность расплавленного металла заполнять форму и давать хорошие отливки, точно воспроизводящие форму, называются жидкотекучестью. Кроме хорошего заполнения формы, лучшая жидкотекучесть способствует получению здоровой плотной отливки благодаря более полному выделению из жидкого металла газов и неметаллических включений. Жидкотекучесть металла определяется его вязкости в расплавленном состоянии.

Износостойкость. Способность металла сопротивляться истиранию, разрушению поверхности или изменению размеров под действием трения называется износостойкостью.

Коррозия стойкости. Способность металла сопротивляться химическому или электрохимическому разрушению его во внешней среде под действием химических реактивов и при повышенных температурах называется коррозионной стойкостью.

Обрабатываемость. Способность металла обрабатываться при помощи режущих инструментов называется обрабатываемостью.

www.uzcm.ru

ingenerov.net

2. Физические свойства металлов и сплавов. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

Физические свойства металлов

Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (T_кип > 1000С) и легкоплавкие (T_кип < 1000С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Физические свойства металлов IА группы

Металлы, расположенные в IA группе, называют щелочными. Все щелочные металлы легкие (обладают небольшой плотностью), очень мягкие (за исключением Li легко режутся ножом и могут быть раскатаны в фольгу), имеют низкие температуры кипения и плавления (с ростом заряда ядра атома щелочного металла происходит понижение температуры плавления).

В свободном состоянии Li, Na, K и Rb – серебристо-белые металлы, Cs – металл золотисто-желтого цвета.

Щелочные металлы хранят в запаянных ампулах под слоем керосина или вазелинового масла, поскольку они обладают высокой химической активностью.

Щелочные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, что обусловлено наличием металлической связи и объемоцентрированной кристаллической решетки

Физические свойства металлов IIА группы

Металлы, расположенные в IIA группе, называют щелочноземельными. В свободном состоянии Be – металл серо-стального цвета, обладающий плотной гексагональной кристаллической решеткой, достаточно твердый и хрупкий. На воздухе Be покрывается оксидной пленкой, что придает ему матовый оттенок и снижает его химическую активность.

Магний в виде простого вещества представляет собой белый металл, который, также, как и Be, при нахождении на воздухе приобретает матовый оттенок за счет образующейся оксидной пленки. Mg мягче и пластичнее бериллия. Кристаллическая решетка Mg – гексагональная.

Ca, Ba и Sr в свободном виде – серебристо-белые металлы. При нахождении на воздухе мгновенно покрываются желтоватой пленкой, которая представляет собой продукты их взаимодействия с составными частями воздуха. Кальций – достаточно твердый металл, Ba и Sr – мягче.

Ca и Sr имею кубическую гранецентрированную кристаллическую решетку, барий – кубическую объемоцентрированную кристаллическую решетку.

Все щелочноземельные металлы характеризуются наличием металлического типа химической связи, что обуславливает их высокую тепло- и электропроводность. Температуры кипения и плавления щелочноземельных металлов выше, чем щелочных металлов.

Физические свойства металлов IIIА группы

Металлы, находящиеся в IIIA группе – Al, Ga, In, Tl – в свободном виде представляют собой металлы серебристого цвета с характерным металлическим блеском, обладающие высокими значениями тепло- и электропроводности. За счет образования оксидной пленки при пребывании на воздухе Tl темнеет.

При переходе от Al к Tl, т.е. с ростом заряда ядра атома химического элемента, происходит уменьшение температур кипения и плавления простых веществ.

Физические свойства металлов IVА группы

Металлы, находящиеся в IVA группе – Ge, Sn, Pb. В свободном виде Ge представляет собой металл серебристо-белого цвета, Pb – металл сине-серого цвета. Для олова характерно явление аллотропии, так, различают белое и серое олово, различающиеся строением кристаллической решетки (тетрагональная у белого олова и кубическая у серого).

Физические свойства металлов IVВ группы

В эту группу входят Ti, Zr и Hf, которые в свободном состоянии и в виде слитков представляют собой металлы серебристо-белого цвета, характеризующиеся ковкостью и пластичностью, хотя присутствие примесей, даже незначительное резко изменяет их характеристики – твердые и хрупкие. Для этих металлов характерна гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка, низкие температуры плавления (тугоплавкие металлы) и кипения, а также невысокая электропроводность.

Физические свойства металлов VВ группы

Ванадий, ниобий и тантал – представители металлов VВ группы. В свободном виде V, Nb, Ta – металлs бледно-серого («стального») цвета. Для ванадия характерны: твердость, пластичность, высокая плотность, легкость, высокая температура плавления. Твердость, ковкость и тугоплавкость – основные характеристики Nb и Ta.

Физические свойства металлов VIВ группы

Для металлов VIB группы характерны высокая электропроводность и твердость, они являются парамагнетиками и в свободном виде представляют собой светло-серые металлы. При переходе от Cr к W, т.е. с увеличением заряда ядра атома химического элемента, значения температур плавления и кипения, а также плотности увеличиваются. Cr, Mо и W обладают объемно-центрированной кубической кристаллической решеткой.

Физические свойства металлов VIIВ группы

Металлы, входящие в VIIВ группу – Mn, Tc и Re – в свободном виде – серебристо-белые металлы, для них, как и для металлов VIВ группы с увеличением заряда ядра атома химического элемента характерно увеличение значений температур плавления и кипения, а также плотности. Для технеция и рения характерна плотная гексагональная кристаллическая решетка. Tc – хрупкий металл, Re – более пластичен.

Для марганца характерно несколько модификаций, в зависимости от структуры кристаллической решетки: сложная кубическая – α-марганец, примитивная кубическая – β- марганец, гранецетрированная кубическая – γ- марганец, объемно-центрированная кубическая – δ- марганец.

Физические свойства металлов VIIIВ группы

Металлы, входящие в состав VIII группы – Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt – условно разделяют на 2 подгруппы: элементы подгруппы железа (Fe, Co, Ni) и элементы подгруппы платины (Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt).

Железо – металл серебристо-белого цвета, кобальт и никель – металлы серовато-белого цвета. Для железа характерны 4 модификации, для кобальта – две, для никеля – одна, в зависимости от структуры кристаллической решетки и температуры, до которой нагревают эти металлы.

Выделяют α- (объемно-центрированная кристаллическая решетка, характерны ферромагнитные свойства, T<910C), β- (объемно-центрированная кристаллическая решетка, характерны парамагнитные свойства, T=769C), γ- (кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка, T=769-910 C), и δ- железо (кубическая объемно-центрированная кристаллическая решетка, T=1400C). Для железа характерны, ковкость, пластичность и тугоплавкость.

Различают α- (гексагональная кристаллическая решетка, T<427C) и β-модификации кобальта (кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка T>427C). Для кобальта характерны, ковкость и тягучесть.

Для никеля характерна кубическая гранецентрированная кристаллическая решетка. В отличие от железа и кобальта, магнитные свойства никеля значительно ниже.

Элементы подгруппы платины, в зависимости от значений их плотности, разделяют на легкие (Ru, Rh, Pd) и тяжелые (Os, Ir, Pt), для них характерны серовато-белый цвет, тугоплавкость, твердость, хрупкость и высокая плотность.

Примеры решения задач

ru.solverbook.com

Физические свойства металлов и сплавов :: Книги по металлургии

В учебнике рассмотрены физические свойства металлов и сплавов и их зависимость от структуры и состава реальных объектов.

Понятия «физические свойства» и «структура» условны и нуждаются в уточнении.

Один из важнейших признаков структуры —это дефекты кристаллического строения, т. с. вакансии, дислокации, дефекты упаковки, примесные атомы в небольших количествах. Значительное количество атомов, введенных в металл, изменяет его со став и не может рассматриваться как дефект структуры. В этом случае следует говорить о легировании, которое изменяет фазовое состояние металла. Кроме того, внутренние напряжения и границы зерен также могут влиять на физические свойства металла. Однако современное модельное описание напряжений и границ зерен сводит их к совокупности дефектов кристаллического строения. Таким образом, рассматривая влияние структуры на свойства, мы прежде всего подразумеваем их зависимость от дефектов строения. К структурным особенностям поликристаллических тел, влияющим на свойства, относится и кристаллическая текстура. Степень ее совершенства или отсутствие текстуры влияют на значение свойства, чувствительного к анизотропии кристалла. Кроме текстуры, связанной с кристаллической анизотропией, на структурно чувствительные свойства двух- и многофазных сплавов влияет также текстура, связанная с относительным рас положением структурных составляющих. Все свойства как структурно чувствительные, так и структурно нечувствительные, зависят от фазового состояния, т. е. от состава, количественного соотношения и кристаллической структуры фаз, из которых состоят металлические тела. Например, однофазный ферромагнитный сплав, представляющий собой твердый раствор, может быть неупорядоченным или в различной степени упорядоченным, т. е. находиться в различном фазовом состоянии. В зависимости от степени упорядочения изменяется такое свойство, как намагниченность насыщения, хотя оно структурно нечувствительно. Состав сплава —это характеристика фазового состояния. Часто трудно отделить влияние структуры от влияния фазового состояния на то или иное свойство, однако при сочетании структурного анализа и измерения этого свойства такое разделение воз можно. Например, при холодной деформации упорядоченного твердого раствора его электрическое сопротивление возрастает, причем под влиянием двух действующих факторов. Во-первых, уменьшается Степень порядка (фазовое изменение) и, во-вторых, увеличивается плотность дислокаций и других дефектов (структурное изменение). Разделить указанные два воздействия возможно, если, изменяя Степень деформации, на одних и тех же образцах измерять электросопротивление и определять Степень упорядочения и искажения решетки рентгеновским или каким-либо другим структурным методом. Следует остановиться также и на понятии «физические свойства». Это понятие также условно. Физические свойства противопоставлены механическим. Разумеется, все свойства вещества физические, среди них и механические. Однако есть признак, хотя и чисто внешний, позволяющий разделить все свойства на так называемые физические и механические. Этот признак основан на некоторых результатах измерения свойств. В данном учебнике приведены выводы теории физических свойств, но главным образом рассмотрено влияние на них реальной структуры и состава.

markmet.ru

Физические свойства металлов и сплавов – 2. Физические свойства металлов и сплавов. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

2 .Физические свойства металлов.

Физико-механические свойства металлов и сплавов

Технологические свойства.

2. Физические свойства металлов и сплавов. Металлы и сплавы, применяемые в полиграфии

Похожие главы из других работ:

1.2 Физические свойства

I. Строение атомов металлов. Положение металлов в периодической системе. Группы металлов.

Физические свойства металлов.

Химические свойства металлов.

2. Физические свойства

1.1. Физические свойства

Свойства сплавов

Физические свойства сплавов

1. Люминесцентные свойства европия в сложных соединениях. Влияние алюминия на люминесцентные свойства редкоземельных металлов

3. Химические свойства металлов и сплавов.

1. Физические свойства

Физические свойства

1.3 Методы защиты металлов и сплавов

3. Физические свойства

2.3 Физические свойства