Введение. (Основные понятия, техника, технология, механизм, машина, конструкционные материалы)
Техника — Совокупность средств человеческой деятельности, созданная для осуществления процессов производства и обеспечения непроизводственных потребностей общества. Техника развивается по мере развития науки и технологии.
Технология – совокупность методов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, применяемых в процессе производства для получения готовой продукции.
Конструкционные материалы – материалы, применяемые для изготовления деталей машин и механизмов, транспортных средств, сооружений, приборов. В качестве конструкционных материалов используются пластмассы, бетон, стекло, древесина, резина, композиционные материалы и т.д.
Механизм – совокупность подвижно соединенных звеньев, совершающих под действием приложенных сил определенные целесообразные движения. По структурно-конструктивным признаком различают кулачковые, зубчатые, винтовые, гидравлические и т.д.
Машины – механические устройства с согласованно работающими частями осуществляющие определенные целесообразные движения для преобразования энергии, материалов, информации, совокупность двигательного, передаточного, исполнительного механизма, образующая машину.
Деталь – изделие изготовленное из однородного материала без применения сборочных операций.
Основные свойства металлов и сплавов.
При выборе материала для конструкции исходят из комплекса свойств, которые подразделяются на механические, физические, технологические, эксплуатационные и антикоррозионные свойства.
Механические свойства характеризуют способность данного материала и изготовленных из него деталей сопротивляться действующей на него внешней нагрузки.
Основными механическими характеристиками являются:1)Прочность – способность материала сопротивляться деформации и разрушению под действием постоянной или переменной по величине и направлению внешней силе. Для определения прочности при статической нагрузке образцы испытывают на растяжение, сжатие, изгиб, кручение (на растяжение обязательно).
2)Пластичность – способность материала под действием внешних сил пластически (необратимо) деформироваться без разрушения.
3)Ударная вязкость – способность материала выдерживать ударные нагрузки без разрушения.
4)Твердость – способность материала сопротивляться внедрению в него других более твердых тел.
Физические свойства характеризуют способность материала проводить электрический ток, нагреваться и т.д.
1)Плотность – отношение массы тела к объему тела. Характеризует относительную прочность материала и способность материала находиться на плаву.
2)Тепловое расширение – характеризует способность материала деформироваться под действием температуры.
3)Теплопроводность – способность материала проводить тепло от нагретых деталей.
4)Электропроводность – способность материала проводить электрический ток.
5)Намагничивание – способность материала обладать магнитными свойствами после воздействия на него магнитного поля.
6) Цвет – декоративное свойство, а также влияет на способность поглощать или отражать лучи.
Технологические свойства – способность материала воспринимать различные методы обработки, характеризуются литейными свойствами, ковкостью, сваримостью, обработкой режущим инструментом.
1)Литейные свойства определяются жидкотекучестью и склонностью к ликвации и усадке.
2)Ковкость – способность деформироваться при наименьшем сопротивлении и принимать необходимую форму при внешней нагрузке без разрушения.
3)Свариваемость – способность металлов и сплавов образовывать неразъемные соединения с требуемыми свойствами. Свариваемость определяется содержанием углерода.
4)Обрабатываемость режущим инструментом – способность материала воспринимать технические обработки точением, фрезерованием, шлифованием, сверлением и т.д.
Эксплуатационные свойства проявляться в процессе эксплуатации машины и зависят от свойств материала, из которых изготовлены ее детали и узлы.
1)Прирабатываемость – улучшение характеристик поверхности в процессе работы.
2)Фрикционность – повышенный коэффициент трения.
3)Ударопрочность — способность материала сохранять прочность при высокой температуре.
4)Износостойкость – способность детали сохранять свои физические и геометрические параметры при сопряженной работе детали.
5)Жаропрочность – способность деталей сохранять прочность при высоких температурах.
Антикоррозионные свойства оцениваются коррозионной стойкостью и жаростойкостью.
1)Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться химическому воздействию окружающей среды.
2)Жаростойкость – устойчивость против коррозии при высокой температуре.
1.2. Основные свойства металлов и сплавов
Металлы и сплавы характеризуются комплексом физических, механических, химических и технологических свойств.
Физические свойства металлов и сплавов – блеск, плотность, температура плавления, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства, расширяемость при нагревании и фазовых превращениях.
Механические свойства металлов и сплавов – твердость, упругость, прочность, хрупкость, пластичность, вязкость, износостойкость, сопротивление усталости, ползучесть.
Химические свойства металлов и сплавов определяют их способность сопротивляться воздействию окружающей среды. При контакте с окружающей средой металлы и сплавы подвергаются коррозии, растворяются окисляются и снижают свою жаропрочность.
Технологические свойства металлов и сплавов – ковкость, свариваемость, прокаливаемость, склонность к обезуглероживанию, обрабатываемость резанием, жидкотекучесть, закаливаемость. Они характеризуют способность металлов и сплавов обрабатываться различными методами. Кроме того, они позволяют определить, насколько экономически эффективно можно изготовить изделие.
Ковкость – способность металла и сплава обрабатываться путем пластического деформирования.
Свариваемость – способность металла и сплава образовывать неразъемное соединение, свойства которого близки к свойствам основного металла (сплава).
Прокаливаемость – способность металла и сплава закаливаться на определенную глубину.
Склонность к обезуглероживанию металла и сплава – возможность выгорания углерода в поверхностных слоях изделий из сплавов и сталей при нагреве в среде, содержащей кислород и водород.
Обрабатываемость резанием – поведение металла и сплава под воздействием режущего инструмента.
Жидкотекучесть – способность расплавленного металла и сплава заполнять литейную форму.
Закаливаемость – способность металла и сплава к повышению твердости при закалке (нагрев и быстрое охлаждение).
Физические свойства металлов и сплавов важны для самолетостроения, автомобилестроения, медицины, строительства, изготовления космических аппаратов и часто являются основными характеристиками, по которым определяют возможность использования того или иного металла или сплава.
Блеск – способность поверхности металла и сплава направленно отражать световой поток.
Плотность – масса единицы объема металла или сплава. Величину, обратную плотности, называют удельным объемом.
Температура плавления – это температура, при которой металл или сплав целиком переходит в жидкое состояние.
Теплопроводность – количество теплоты, проходящее в секунду через сечение в 1см2, когда на расстоянии в 1см изменение температуры составляет в 10С.
Теплоемкость
Электрическая проводимость – величина, обратная электрическому сопротивлению. Под удельным электрическим сопротивлением понимают электрическое сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения в 10-6м2 при пропускании по нему электрического тока.
К магнитным свойствам металлов и сплавов относятся: начальная магнитная проницаемость, максимальная магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, индукция насыщения, остаточная магнитная индукция, точка Кюри, петля гистерезиса.
При помещении стального образца в магнитное поле возникающая в нем магнитная индукция (b) является функцией напряженности магнитного поля (Нm).
Намагниченность (М) пропорциональна напряженности магнитного поля. Эти величины связаны между собой коэффициентом , который называется магнитной восприимчивостью стали или сплава.
(1)
Между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля существует аналитическая связь
(2)
где — магнитная проницаемость вакуума.
Для ферромагнетиков (сплавов, способных намагничиваться до насыщения в малых магнитных полях) , где- коэффициент магнитной проницаемости.
При намагничивании ферромагнитных материалов (стали, полученные соединением ферромагнетиков с парамагнетиками) намагниченность сначала плавно возрастает, потом резко повышается и постепенно достигает насыщения. При уменьшении напряженности магнитного поля Нm после намагничивания и реверсирования (изменение направления поля) его кривая изменения индукции образует замкнутую петлю. Эта петля называется петлей гистерезиса.
Основными
параметрами начальной кривой и петли
гистерезиса являются
Наибольшее значение индукции на петле гистерезиса называется индукцией насыщения .
Ферромагнетики при нагреве до определенной температуры переходят в парамагнитное состояние (в состояние с малой магнитной восприимчивостью). Эта температура называется точкой Кюри. Точка Кюри определяется в основном химическим составом сплава или стали и не зависит от давлений, напряжений и других факторов.
Все характеристики ферромагнитных материалов можно разделить на структурно нечувствительные и структурно чувствительные. К структурно нечувствительным характеристикам относятся точка Кюри, намагниченность насыщения, зависящие от произвольной намагниченности, к структурно чувствительным – магнитная проницаемость, остаточная индукция и коэрцитивная сила.
Структурно нечувствительные характеристики ферромагнитных материалов зависят в основном от химического состава и числа фаз и практически не зависят от кристаллической структуры, размера частиц зерна металла. Следовательно, измерение точки Кюри, намагниченности насыщения и т.д. необходимо для качественного фазового анализа стали и сплава.
Измерение структурно чувствительных характеристик необходимо при изучении структурных изменений в сплавах и сталях при термической или механической обработке.
Магнитная проницаемость, коэрцитивная сила и остаточная индукция изменяются при обработке сплавов и сталей. Расширение при нагревании изделий из сталей и сплавов – изменение размеров и формы зерен, характеризуется температурными коэффициентами объемного расширения и линейного расширения. Расширение при нагревании в интервале температур фазовых превращений сталей и сплавов характеризуется коэффициентом линейного расширения отдельных фаз. Внутренние (фазовые и структурные) превращения в металлах и сплавах характеризуются изменением объема, линейных размеров и коэффициента расширения. При фазовых превращениях в металлах и сплавах происходит выделение или поглощение скрытой теплоты превращения, изменяется теплоемкость изделия. Поэтому при изменении структуры металла или сплава, нагреваемого или охлаждаемого с постоянной скоростью, могут появиться отклонения от нормальной кривизны на кривых изменения температуры по времени. По этим кривым, называемым термическими кривыми, определяют температуру (температурный интервал) превращения.
Не секрет, что все вещества в природе делятся на три состояния: твердые, жидкие и газообразные. А твердые вещества в свою очередь делятся на металлы и неметаллы, разделение это нашло свое отображение и в таблице химических элементов великого химика Д. И. Менделеева. Наша сегодняшняя статья о металлах, занимающих важное место, как в химии, так и во многих других сферах нашей жизни.
Химические свойства металлов
Все мы, так или иначе, но сталкиваемся с химией в нашей повседневной жизни. Например, во время приготовления еды, растворение поваренной соли в воде является простейшей химической реакцией. Вступают в разнообразные химические реакции и металлы, а их способность реагировать с другими веществами это и есть их химические свойства.
Среди основных химических свойств или качеств металлов можно выделить их окисляемость и коррозийную стойкость. Реагируя с кислородом, металлы образуют пленку, то есть проявляют окисляемость.
Аналогичным образом происходит и коррозия металлов – их медленное разрушение по причине химического или электрохимического взаимодействия. Способность металлов противостоять коррозии называется их коррозийной стойкостью.
Физические свойства металлов
Среди основных общих физических свойств металлов можно выделить:
- Плавление.
- Плотность.
- Теплопроводность.
- Тепловое расширение.
- Электропроводность.
Важным физическим параметром металла является его плотность или удельный вес. Что это такое? Плотность металла – это количество вещества, которое содержится в единице объема материала. Чем меньше плотность, тем металл более легкий. Легкими металлами являются: алюминий, магний, титан, олово. К тяжелым относятся такие металлы как хром, марганец, железо, кобальт, олово, вольфрам и т. д. (в целом их имеется более 40 видов).
Способность металла переходить из твердого состояния в жидкое, именуется плавлением. Разные металлы имеют разные температуры плавления.
Скорость, с которой в металле проводится тепло при нагревании, называется теплопроводностью металла. И по сравнению с другими материалами все металлы отличаются высокой теплопроводностью, говоря по-простому, они быстро нагреваются.
Помимо теплопроводности все металлы проводят электрический ток, правда, некоторые делают это лучше, а некоторые хуже (это зависит от строения кристаллической решетки того или иного металла). Способность металла проводить электрический ток называется электропроводностью. Металлы, обладающие отличной электропроводностью, это золото, алюминий и железо, именно поэтому их часто используют в электротехнической промышленности и приборостроении.
Механические свойства металлов
Основными механическими свойствами металлов является их твердость, упругость, прочность, вязкость и пластичность.
При соприкосновении двух металлов могут образоваться микро вмятины, но более твердый металл способен сильнее противостоять ударам. Такая сопротивляемость поверхности металла ударам извне и есть его твердость.
Чем же твердость металла отличается от его прочности. Прочность, это способность металла противостоять разрушению под действием каких-либо других внешних сил.
Под упругостью металла понимается его способность возвращать первоначальную форму и размер, после того как нагрузка, вызвавшая деформацию металла устранена.
Способность металла менять форму под внешним воздействием называется пластичностью.
Технологические свойства металлов
Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.
Среди основных технологических свойств можно выделить:
- Ковкость.
- Текучесть.
- Свариваемость.
- Прокаливаемость.
- Обработку резанием.
Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.
Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.
Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.
Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.
Интересные факты о металлах
- Самым твердым металлом на Земле является хром. Этот голубовато-белый метал был открыт в 1766 году под Екатеринбургом.
- И наоборот, самыми мягкими металлами являются алюминий, серебро и медь. Благодаря своей мягкости они нашли широкое применение в разных областях, например, в электроаппаратостроении.
- Золото – которое на протяжении веков было самим драгоценным металлом имеет и еще одно любопытное свойство – это самый пластичный металл на Земле, обладающий к тому же отличной тягучестью и ковкостью. Также золото не окисляется при нормальной температуре (для этого его нужно нагреть до 100С), обладает высокой теплопроводностью и влагоустойчивостью. Наверняка все эти физические характеристики делают настоящее золото таким ценным.
- Ртуть – уникальный металл, прежде всего тем, что он единственный из металлов, имеющий жидкую форму. Причем в природных условиях ртути в твердом виде не существует, так как ее температура плавления -38С, то есть в твердом состоянии она может существовать в местах, где просто таки очень холодно. А при комнатной температуре 18С ртуть начинает испаряться.
- Вольфрам интересен тем, что это самый тугоплавкий металл в мире, чтобы он начал плавиться нужна температура 3420С. Именно по этой причине в электрических лампочках нити накаливания, принимающие основной тепловой удар, изготовлены из вольфрама.
Металлы, видео
И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.
Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка
При написании статьи старался сделать ее максимально интересной, полезной и качественной. Буду благодарен за любую обратную связь и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Также Ваше пожелание/вопрос/предложение можете написать на мою почту [email protected] или в Фейсбук, с уважением автор.
1. Классификация и свойства металлов и сплавов
Металлами называют непрозрачные кристаллические вещества, обладающие прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью, блеском и другими характерными свойствами, которые обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа свободных электронов. В нормальных условиях они являются твердыми веществами, исключая ртуть, температура плавления которой минус 39 С.
Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают необходимого комплекса свойств и поэтому применяются редко. В большинстве случаев в технике используют сплавы, количество которых превышает 10 тысяч наименований.
Металлические сплавы – материалы, состоящие из двух или более компонентов и обладающие свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами.
Механические свойства металлов и сплавов
Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность оценивается величиной предела прочности при растяжении:
,
где
P – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается;
F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца (м2). Значение предела прочности определяется в Па или МПа.
Твердость – это способность материала сопротивляться царапанию или вдавливанию в него какого-либо тела. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бринелля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно HB и HRC. Твердость по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки (Р) при вдавливании на площадь сферического отпечатка (f), диаметр которого измеряется после снятия нагрузки:
Чем меньше диаметр отпечатка, тем тверже металл.
Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его поперечного сечения называется пределом упругости. Предел упругости измеряется в МПа. Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.
Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м2) в месте надреза. Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с разрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затрачиваемая на излом.
Пластичность – это способность материала, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение.
Хрупкость – это способность материала под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться.
Химические свойства металлов определяются способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и переходить в состояние положительно заряженных ионов. Указанное свойство определяет особенности химического взаимодействия металлов и сплавов с агрессивными средами. Химические свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей.
К технологическим свойствам металлов и сплавов относится их способность к формоизменению (ковкость, свариваемость и т. д.). Важное значение имеет жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять и точно воспроизводить литейную форму.
Функциональные или эксплуатационные свойства включают в себя хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и другие характеристики материалов, определяемые условиями их работы.
Металлы периодической системы химических элементов делят на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные, или точнее, нежелезные (все остальные металлы)
Черные металлы имеют: темно-серый цвет; большую плотность (кроме щелочно-земельных металлов;) высокую температуру плавления; относительно высокую твердость; обладают полиморфизмом (способностью существовать в различном кристаллическом состоянии).
К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – чугуны и стали. На их долю приходится 95 % производимой в мире металлопродукции, а на цветные – только 5 %.
Цветные металлы имеют: характерную окраску (красную, желтую, белую; обладают пластичностью; малой плотностью; относительно низкой температурой плавления; характерно отсутствие полиморфизма.
Наиболее типичным металлом этой группы является медь.
Уильям Д. Нильсен-младший
Western Reserve Manufacturing Co., Inc.
На основные свойства медных сплавов в значительной степени влияют свойства самой меди. Известно, что медь обладает определенными уникальными качествами, которые делают ее лучшим инженерным материалом для применения в подшипниках. Это:
- Высокая теплопроводность
- Превосходная пластичность и , ударная вязкость в широком диапазоне температур
- Отличная коррозионная стойкость во многих различных средах
Атомная структура меди
Все три вышеперечисленных качества напрямую связаны со структурой и поведением структуры меди в атомном масштабе.
Рисунок 1. Модель гранецентрированной кубической кристаллической структуры меди, показывающая одну элементарную ячейку. Расстояние между центрами угловых атомов составляет 3,6 ангстрем (ссылка 1). Атом меди очень похож на атом золота или серебра, которые вместе с медью составляют группу в периодической таблице элементов. Все знают об отличной электрической проводимости меди, которая является результатом атомной структуры меди. Внутри решетки атомов меди облако свободных электронов уникально доступно для передачи электрического тока.Это же облако электронов также способствует эффективному переносу тепловой энергии.Твердую медь можно описать как расположение атомов меди в гранецентрированной кубической (ГЦК) конфигурации. Атом меди находится в каждом углу и в центре каждой грани куба, как показано на Рисунок 1 . Это элементарная ячейка, которая повторяется в трехмерном пространстве, чтобы сформировать кристаллическую структуру металла.
Атомы удерживаются на месте в структуре с помощью энергии атомного притяжения между ними.Именно это конкретное гранецентрированное кубическое расположение атомов придает меди высокую пластичность и ударную вязкость. Все металлы деформируются с помощью механизма, называемого скольжением. Когда происходит скольжение, сила на металле заставляет атомы скользить мимо друг друга группами. В ГЦК-структуре меди это движение происходит преимущественно в любом или во всех трех направлениях вдоль определенной геометрической плоскости атомов в решетке, как показано в на рисунке 2 .
Рисунок 2. Единица ГЦК меди с удаленным угловым атомом, чтобы показать плоскость скольжения, на которой имеет место деформация.Это место воплощает самую плотную упаковку атомов, которая является геометрически возможной (ссылка 1). Медная ячейка имеет четыре таких плоскости. Если движение может происходить в трех направлениях на всех четырех плоскостях, существует двенадцать возможностей возникновения скольжения. Оказывается, это максимальное количество возможностей скольжения, найденных в любой металлической конструкции. Чем выше вероятность того, что металл может испытывать существенное скольжение, тем больше вероятность его деформации, чем разрушения и разрушения. Следовательно, медь обладает превосходной пластичностью и ударной вязкостью и устойчива к усталости и ползучести.Дополнительным преимуществом является то, что медь, поскольку она является гранецентрированной структурой, не страдает от охрупчивания при низких (минусовых) температурах; явление, характерное для других кристаллических структур. КомбинацияCopper электронных и кристаллографических структур обеспечивает отличную устойчивость к коррозии. Облако свободных электронов легко доступно для формирования когерентных пленок на поверхности металла, которые защищают решетку от дальнейшей коррозии.
ГЦК структура, которая генерирует плоскости скольжения, придает еще одну характеристику этим самым плоскостям.Атомы на плоскостях скольжения упакованы настолько близко друг к другу, насколько это возможно в любой металлической системе (, Рисунок 2, ). Это эффективное расположение атомов упаковывает большую часть вещества в данное пространство (как пчелы, кажется, знают, когда строят соты). Ионам водорода очень трудно пробиться сквозь небольшие промежутки между атомами и вызвать коррозионное растрескивание под напряжением, за исключением самых агрессивных сред.
Мы видели, как медь, основной металл для литой бронзы, при рассмотрении в атомном масштабе, придает важные характеристики для хороших подшипниковых материалов.Но подшипники сделаны не из чистой меди, а из широкого спектра медных сплавов, которые сейчас доступны. Каждый из этих сплавов улучшает характеристики чистой меди и дополнительно адаптирует новый материал к конкретным условиям. Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных систем сплавов в отношении металлургии материала и его назначения в конструкции подшипников.
Литые бронзовые сплавы
Марки подшипников из литой бронзы можно разделить металлургически на три категории:
- Однофазные твердые растворы
- Многофазные сплавы
- Композитные материалы
Чтобы понять характеристики различных сплавов, мы должны сначала понять, что происходит с основной структурой меди, когда добавляются небольшие количества легирующих металлов.Реакции происходят во время затвердевания и охлаждения сплавов из их расплавленного состояния.
Проще говоря, окончательное расположение легирующих металлов относительно нормальной ГЦК-решетки из меди определяет свойства материала сплава.
Легирующие металлы находят свое место в медной решетке тремя основными способами:
- Они заменяют атомы меди в ГЦК решетке.
- Они соединяются с медью и образуют локализованные области (фазы), где кристаллическая структура имеет форму, которая отличается от ГЦК-кристалла меди.
- Они отклоняются затвердевающей медной решеткой, но попадают в кристаллы сплава по мере их замерзания и роста.
Исследования привели к графическому представлению того, как реагируют простые системы бинарных сплавов. Это представление называется фазовой диаграммой. Фазовые диаграммы некоторых бинарных систем, относящихся к бронзе, показывают поведение легирующих элементов, которое обычно приводит к одному из трех упомянутых ранее случаев. Диаграмма состояния равновесия медь-олово (, рисунок 3, ) иллюстрирует случаи (1) и (2).
Рисунок 3. Фазовая диаграмма равновесия между медью и оловом (ссылка 2).Дело (1) — Замена
Рисунок 4. Микроструктура однофазного (альфа) медно-оловянного сплава (88Cu-8Sn-4Zn). Структура показывает линии скольжения. Обратите внимание также на следы дельта-фазы (более темные острова) (ссылка 2). Обращаясь к фиг.3, при содержании олова менее 11% (например, при 8% олова) видно, что сплав при охлаждении затвердевает в диапазоне температур и становится полностью твердым, когда температура падает ниже примерно 850 ° C.В условиях равновесия медленного охлаждения образующаяся твердая фаза представляет собой гранецентрированный кубический кристалл (альфа-фаза). Атомы олова замещают непосредственно в решетке вместо атомов меди. Атомы олова фактически укрепляют чистую медь, потому что они деформируют решетку, то есть они изменяют обычное расстояние между атомами меди. В коммерческих условиях довольно медленного затвердевания почти весь металл затвердеет в виде альфа-фазы (, рис. 4, ).Это явление замещения приводит к получению однофазного твердого раствора олова в меди. Кристаллическая структура, хотя и более прочная, чем чистая медь из-за деформации решетки, все еще является ГЦК. Следовательно, характеристики скольжения остаются очень хорошими. Поэтому однофазные твердые растворы сплавов меди сохраняют высокую пластичность, несмотря на очень значительное увеличение прочности. Такие материалы находят широкое применение в условиях, когда материал может подвергаться значительному напряжению, но где разрушение будет катастрофическим (например, фитинги в системах морской воды ядерного реактора).Примером такого однофазного коммерческого сплава является сплав C
| C | |||
|---|---|---|---|
| Cu | 99,9 | 88,0 | |
| Sn | — | 8,0 | |
| Zn | — | 4,0 | |
| T.S., KSI | 28 | 45 | |
| г.S., ksi | 8 | 23 | |
| Элонг,% в 2 дюймах. | 45 | 25 | |
| Твердость, BHN | 40 | 77 | |
| (Значения даны для непрерывного литья материала диаметром менее 3 дюймов.) | |||
Корпус (2) — многофазный
Если содержание олова увеличивается до 11% или более, часть альфа-фазы преобразуется, когда металл охлаждается ниже 400 ° C.Появляется новая фаза, вкрапленная по всем нормальным ГЦК-альфа-кристаллам. Эта фаза, называемая дельта, может сохраняться в материале с довольно быстрым охлаждением (, рис. 5, ).
Рисунок 5 . Микроструктура непрерывного литья олова бронза сплава CДельта-фаза (хотя все еще в основном ГЦК) содержит гораздо больше олова в пропорции к меди, чем в альфа-фазе, и очень твердый и сильный, но ему не хватает пластичности. В лучших условиях он проявляется в виде тонкодисперсных островков по всей микроструктуре материала.Влияние этой второй фазы на механизм скольжения является существенным, благодаря чему происходит закрепление плоскостей скольжения после малых степеней движения. Но дельта-фаза также значительно увеличивает износостойкость материала, о чем свидетельствует значительное увеличение твердости. Популярные алюминиевые бронзовые сплавы (C95400 и C95500) и марганцевые бронзы (C86300 и C86400) приобретают одинаково высокую прочность и твердость, хотя актеры разные. Тем не менее, свойства являются результатом дисперсии другой фазы (или фаз) в основной ГЦК-решетке, причем почти во всех случаях дисперсная фаза намного тверже и прочнее, чем объем окружающего матричного материала.Эти «инженерные разрывы» в материале служат для закрепления плоскостей скольжения и ограничения их движения.
Эти материалы известны как многофазные сплавы и отличаются более высокой прочностью, твердостью и износостойкостью, чем альфа-сплавы; но они показывают гораздо меньшую пластичность, как показано в таблице ниже. В результате они лучше всего подходят для частей поверхности управления, где целостность размеров наиболее важна, и для тяжелых нагрузок и ударных нагрузок при низких скоростях, например, подшипников шасси самолетов.
Дополнительной характеристикой многофазных сплавов является то, что их свойства могут варьироваться в зависимости от температуры в значительной степени по сравнению с однофазными материалами. Такие сплавы часто подвергаются термообработке. Посредством манипулирования микроструктурой сплава, как показано на фазовой диаграмме равновесия, путем «короткого замыкания» равновесия можно получить определенные свойства, которые отсутствуют в состоянии после литья.
| однофазный | многофазный | |||
|---|---|---|---|---|
| C | C | |||
| C92500 | C95400 | |||
| Cu | 88 | 89 | 87 | 85 |
| Sn | 8 | 11 | 11 | |
| Pb | 1 | |||
| Zn | 4 | |||
| А1 | 11 | |||
| Ni | 1 | |||
| Fe | 4 | |||
| т.S., ksi | 49 | 52 | 50 | 85 |
| YS., KSI | 23 | 29 | 25 | 35 |
| Элонг,% в 2 дюймах. | 25 | 18 | 20 | 18 |
| Твердость, BHN | 77 | 95 | 83 | 170 |
| (Значения приведены для материала непрерывного литья менее 3 дюймов).в диаметре, за исключением C95400, которые предназначены для литья.) | ||||
В любом случае, многофазные материалы, которые не содержат значительного количества свинца, должны использоваться только в качестве подшипников на стальных сопряженных поверхностях, которые сами были закалены термической обработкой. В случае применений из алюминиевой бронзы или марганцевой бронзы часто рекомендуется, чтобы вал был хромирован или изготовлен из биметаллического материала, подобного тому, который используется для валков сталелитейного завода.
Корпус(3) — Композитные смеси
Рисунок 6. Фазовая диаграмма равновесия между медью и свинцом (ссылка 2). Наиболее широко используемые материалы подшипников — это действительно композиты. По сути, они могут иметь либо однофазные, либо многофазные структуры, служащие матрицей вокруг частиц или глобул свободного свинца. Взгляд на фазовую диаграмму равновесия медь-свинец (, рис. 6 ) показывает, что свинец практически полностью отбрасывается решеткой меди при ее замерзании. Тем не менее, как металлурги, так и литейщики приложили большие усилия, чтобы захватить свинец между кристаллами материала на основе меди, поскольку эти кристаллы замерзают и растут, потому что получающийся в результате сплав имеет очень хорошие подшипники.Типичная микроструктура, показывающая рассеянный свинец, показана на , рис. 7, .В настоящее время возможно получение материала на основе меди с содержанием свинца более 30%, при этом размер частиц свинца является микроскопическим в масштабе. С другой стороны, если применение подшипника указывает на то, что более крупные частицы свинца являются более желательными, также можно получить сплав в такой форме.
Рисунок 7. Микроструктура непрерывного литья из оловянно-бронзового сплава C94100 (20% Pb).Частицы свинца указаны (ссылка 3).Lead выполняет три важные функции подшипников, каждая из которых служит для защиты вала и повышения производительности оборудования. Первостепенное значение имеет способность частиц свинца снижать коэффициент трения между подшипником и валом. Механизм, с помощью которого это достигается, довольно интересен. Частицы свинца могут свободно срезаться с поверхности подшипника микроскопическими неровными краями на поверхности вала. Стальной вал покрывается свинцом, который постепенно перераспределяется, чтобы заполнить низкие пятна на валу.Как только это будет достигнуто, коэффициент трения снова возрастет лишь незначительно, как указано в таблице ниже (ссылка 4). Это же явление имеет дополнительное преимущество в том, что температура, возникающая в точках контакта между подшипником и сопряженной деталью, ограничена температурой плавления свинца 327, С). Очевидно, что это свойство этилированных сплавов очень ценно в отсутствие смазки (плановой или случайной) или в случае, если рабочая среда машины сама по себе подвержена широким экстремальным температурам, например, на самолетах или в арктическом нефтяном оборудовании.
| Коэффициент трения (скольжение) | |
|---|---|
| Сталь на меди | 0,9 |
| Сталь по C94300 (23% Pb) | 0,18 |
| Сталь на C94300 после длительного использования | 0,30 |
| Сталь по стали | 1,00 |
Вторая важная функция свинца — поглощать грязь, которая попадает в интерфейс, хотя этой проблемы можно избежать, если это возможно, благодаря конструкции правильно уплотненных подшипников.
В-третьих, этилированные сплавы, имеющие несколько меньшую прочность, чем неэтилированные медно-оловянные сплавы, и значительно более низкую прочность, чем медно-алюминиевые или медно-цинковые сплавы, демонстрируют высокую степень совместимости. То есть подшипник изменит свою форму, чтобы обеспечить плохое выравнивание или вибрацию. Эта характеристика в сочетании с описанными ранее позволяет сказать, что этилированные сплавы будут очень хорошо «изнашиваться», что особенно желательно для червячных передач, и это лишь один пример.Свинец-содержащие бронзы также легко поддаются механической обработке.
Инженер должен напомнить себе, что эти сплавы не так прочны, как неэтилированные материалы, и при этом они не обладают такой большой стойкостью к растиранию и последующей усталости, которые приводят к разрушению. Однако одно утешительное соображение заключается в том, что из-за «мягкости» этих сплавов полный отказ подшипника вряд ли разрушит вал или закроет машину.
Выбрав подходящую матрицу, в которую будут отлиты частицы свинца, инженер может выбрать из довольно широкого диапазона прочности материала, совместимого с умеренными и легкими нагрузками и высокими скоростями, как показано в таблице ниже.Значения приведены для непрерывной разливки диаметром менее 3 дюймов.
| C83600 | C93200 | C93700 | C93800 | C94300 | |
|---|---|---|---|---|---|
| Cu | 85 | 83 | 80 | 78 | 70 |
| Sn | 5 | 7 | 10 | 7 | 5 |
| Pb | 5 | 7 | 10 | 15 | 25 |
| Zn | 5 | 3 | |||
| т.S., ksi | 45 | 45 | 41 | 34 | 27 |
| YS., KSI | 21 | 24 | 24 | 23 | 13 |
| Элонг,% в 2 дюймах. | 28 | 16 | 10 | 12 | 15 |
| Твердость, BHN | 72 | 72 | 80 | 62 | 48 |
Свойства литой бронзы
Давайте теперь рассмотрим семейства подшипниковых бронзовых сплавов с помощью двух таблиц, в которых сравниваются некоторые из их наиболее важных инженерных свойств. В таблице 1 приведены химические составы и свойства применения. Таблица 2 указывает на более распространенное использование этих материалов и их эксплуатационные качества в тех областях применения, в которых они находят наибольшее применение.
| Состав% | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alloy Family | Cu | Sn | Pb | Zn | Ni | Fe | Mn | АЛ | |
| Красная латунь | |||||||||
| C84400 | 81 | 3 | 7 | 9 | |||||
| C83600 | 85 | 5 | 5 | 5 | |||||
| оловянная бронза с выводами | |||||||||
| C93200 | 83 | 7 | 7 | 3 | |||||
| C93700 | 80 | 10 | 10 | ||||||
| оловянные бронзы с высоким содержанием свинца | |||||||||
| C93800 | 78 | 7 | 15 | ||||||
| C94300 | 70 | 5 | 25 | ||||||
| оловянные бронзы | |||||||||
| C | 88 | 8 | 4 | ||||||
| C | 88 | 10 | 2 | ||||||
| C | |||||||||
| 89 | 11 | ||||||||
| C92500 | 87 | 11 | 1 | 1 | |||||
| C92700 | 88 | 10 | 2 | ||||||
| C92900 | 84 | 10 | 2.5 | 3,5 | |||||
| C94700-HT ** | 88 | 5 | 2 | 5 | |||||
| Алюминиевая бронза | |||||||||
| C95400 | 85 | 4 | 11 | ||||||
| C95400-HT | 85 | 4 | 11 | ||||||
| C95500 | 81 | 4 | 4 | 11 | |||||
| C95500-HT | 81 | 4 | 4 | 11 | |||||
| Марганцевая бронза | |||||||||
| C86300 | 63 | 25 | 3 | 3 | 6 | ||||
| C86400 | 59 | 1 | 40 | ||||||
| * BTU / фут2 / фут / час / F ** HT — термообработка | |||||||||
| Непрерывное литье Свойства (Типичное) | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Alloy Family | T.S., KSI | YS., KSI | Удлин., % | BHN | Обрабатываемость Индекс | Compressive YS., KSI | Thermal Проводимость * | |
| Красная латунь | ||||||||
| C84400 | 37 | 16 | 23 | 55 | 90 | 28 | 41 | |
| C83600 | 45 | 21 | 18 | 72 | 100 | 34 | 41 | |
| оловянная бронза с выводами | ||||||||
| C93200 | 45 | 24 | 16 | 72 | 100 | 30 | 33 | |
| C93700 | 41 | 24 | 10 | 80 | 100 | 25 | 27 | |
| оловянная бронза с высоким содержанием свинца | ||||||||
| C93800 | 34 | 23 | 12 | 62 | 100 | 23 | 30 | |
| C94300 | 27 | 13 | 15 | 48 | 100 | 20 | 36 | |
| оловянные бронзы | ||||||||
| C | 49 | 23 | 25 | 77 | 25 | 36 | 43 | |
| C | 51 | 29 | 18 | 92 | 25 | 29 | 43 | |
| C | ||||||||
| 51 | 29 | 18 | 95 | 20 | 38 | 41 | ||
| C92500 | 49 | 26 | 17 | 80 | 30 | 32 | 42 | |
| C92700 | 48 | 20 | 18 | 80 | 80 | 28 | 40 | |
| C92900 | 53 | 31 | 15 | 100 | 85 | 38 | 34 | |
| C94700-HT ** | 90 | 66 | 9 | 180 | 20 | 71 | 31 | |
| As-Cast Properties | ||||||||
| Алюминиевая бронза | ||||||||
| C95400 | 85 | 35 | 18 | 170 | 60 | 50 | 34 | |
| C95400-HT | 105 | 54 | 8 | 195 | 20 | 75 | 34 | |
| C95500 | 100 | 44 | 12 | 195 | 50 | 60 | 24 | |
| C95500-HT | 120 | 68 | 10 | 230 | 15 | 80 | 24 | |
| Марганцевая бронза | ||||||||
| C86300 | 115 | 70 | 15 | 225 | 8 | 80 | 20 | |
| C86400 | 65 | 25 | 20 | 90 | 65 | 40 | 51 | |
| * BTU / фут2 / фут / час / F ** HT — термообработка | ||||||||
| Качественный подшипник Операционная среда | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Сплав № | Скорость | Груз | Окружающая среда | Твердость вала | Типичные применения |
| C94300 | (Низкий) (Высокий) | (нижний) | (больше абразива) (меньше абразива) | (Низкий) | Авиационные топливные насосы |
| C93800 | Шахтный водяной насос, износные накладки | ||||
| C93700 | Высокоскоростные подшипники с высокой нагрузкой | ||||
| C93200 | Подшипники общего назначения | ||||
| C83600 | Подшипники вала глубинного насоса, шестерни | ||||
| C92700 | Поршневые кольца | ||||
| C | Шестерни, направляющие клапанов, рабочие колеса насоса | ||||
| C92900 | Шестерни, направляющие клапанов, заменитель стали | ||||
| C | Компоненты клапанов, паровые фитинги | ||||
| C | |||||
| Gears | |||||
| C95400 | Поверхности управления | ||||
| C95500 | Поверхности управления | ||||
| C86300 | Гайки с винтовой накаткой прокатного стана | ||||
Все сплавы, показанные в таблицах, по сути являются вариациями основных материалов, которые обсуждались.В некоторых случаях возможно добавление свинца для улучшения обрабатываемости (C92500 против C
Экономика
Несколько слов об относительной экономике легирующих материалов важны. Все компоненты сплава подвержены влиянию мировых рынков, где их уровни цен определяются спросом, предложением, государственным контролем и спекулятивным интересом. Колебания на мировом рынке этих компонентов, в конечном счете, отражаются на стоимости композитных металлов для сплавов, и это также влияет на стоимость лома материала при его снятии с эксплуатации. В таблице 3 приведены приблизительные общие относительные значения меди и основных легирующих материалов на момент написания этой статьи.
| Приблизительная Относительная стоимость | Приблизительная Относительная стоимость | ||
|---|---|---|---|
| первичных металлов | Вторичный лом | ||
| Медь | 1.0 | оловянная бронза с выводами | 0,9 |
| Олово | 7,8 | Олово бронза | 1,0 |
| Свинец | 0,2 | Алюминиевая бронза | 0,3 |
| Цинк | 0,5 | Марганцевая бронза | 0,3 |
| Никель | 4,0 | ||
| Алюминий | 0,9 | Предварительно легированный слиток | |
| C93200 | 1.2 | ||
| C | |||
| 2,0 | |||
| C98400 | 1,2 |
Методы изготовления
Сплавы подшипниковой меди из меди доступны во многих формах, изготовленных различными способами изготовления. Методы производства отливок приведены в Таблица 4 .
Продукты для формовки песка и льда
| способ производства | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Alloy Family | Песок | Chill Mold | Центробежный | Непрерывный | кованых |
| Красные латуни | X | X | X | X | N / A |
| оловянная бронза | X | X | X | X | X * |
| Оловянные бронзы с высоким содержанием свинца S = Pb сегрегация может быть проблемой | S | S | S | X | N / A |
| Оловянные бронзы | X | X | X | X | X ** |
| Алюминиевые бронзы | X | X | X | X | X |
| Марганцевые бронзы | X | X | X | X | X |
| * Ограничено до 4% Pb ** Кованые сплавы C51000, C52100, C52400. | |||||
Литье в песчаные или кокильные формы — это идеальные методы производства, идеально подходящие для очень маленьких серий или очень мелких деталей, и иногда они являются обязательными для очень больших деталей, таких как гребные винты.
Все обсуждаемые сплавы доступны в этих формах, хотя могут возникнуть проблемы с серьезной сегрегацией свинца, когда содержание свинца приближается к 16%. Широкий диапазон размеров и сложных форм могут быть отлиты. Этим способом изготавливаются красные латуни, которые очень популярны в качестве сантехнических материалов, в основном в форме корпусов клапанов и фитингов.
Центробежно-литые изделия
Опять же, все рассматриваемые сплавы легко изготавливаются методом центробежного литья, за исключением оловянных бронз с высоким содержанием свинца, в которых содержание свинца приближается к 20%. Проблемы сегрегации свинца чувствительны к размеру отливки. Этим способом изготавливаются очень большие втулки. Вполне вероятно, что большинство втулок старше 14 дюймов. О.Д. и до 100 дюймов. О.Д. являются центробежными отливками. Такие отливки могут быть сделаны длиной более 100 дюймов.Тем не менее, небольшие центробежные отливки также являются предметами большого объема. Многие из больших фланцевых подшипников или заготовок зубчатых колес изготавливаются этим способом. Несмотря на чувствительность к количеству продукции, небольшие партии могут быть очень экономичными. Распределители заготовок ведут инвентаризацию полуфабрикатных центробежных отливок, в основном стандартных размеров и особенно сплавов C95400 и C93200.
Изделия из непрерывного литья
Все сплавы доступны в виде непрерывной литой заготовки; сегрегация свинца, как правило, не является проблемой.Для предотвращения потери зазоров или допусков при изготовлении и использовании может потребоваться снять нагрузку на определенные отливки с очень тонкими стенками, особенно если это сплав C95400, C95500 или C86300. Доступен широкий ассортимент размеров из твердого, трубчатого и изготавливаемого на заказ поперечного сечения. Диаметры колеблются от менее 0,500 дюйма до около 14 дюймов в наружном диаметре, при длине до около 13 футов. Возможно изготовление очень тонкостенных стержней, порой менее 1/4 дюйма, в зависимости от оптического диаметра. Эти продукты идеально подходят для дальнейшего изготовления с использованием автоматических станков.
Большие количества изделий из непрерывного литья значительно экономичнее, но опять же распределители заготовок поглощают большую часть этого бремени, особенно когда речь идет о сплавах C95400, C93200 и C
Кованые изделия
Сплавы из деформируемой фосфористой бронзы (C51000, C52100, C52400, C54400) иногда используются в подшипниках. Эти сплавы также доступны в виде непрерывных отливок в отожженном состоянии. Кованая фосфористая бронза обычно ограничена до 3 дюймов.Наружный диаметр и под. C54400 имеет самое высокое доступное содержание свинца, около 4%. Невозможно экструдировать или прокатывать сплавы с более высоким содержанием свинца.
Алюминиевые и марганцево-бронзовые сплавы также имеют кованые аналоги. Кованые сплавы имеют очень сильные механические свойства, они были подвергнуты жесткой обработке экструзией, волочением, прокаткой или ковкой и широко используются в аэрокосмической промышленности. Некоторые из этих сплавов используются в качестве сварочных материалов. Эти сплавы также доступны в различных экструдированных формах, хотя разнообразие зависит от количества.Термическая обработка литых сплавов дает механические свойства, аналогичные деформируемым материалам, а также непрерывное литье алюминиевых бронз. Вообще говоря, большие объемы производства необходимы для того, чтобы сделать кованые изделия экономичными, хотя дистрибьюторы, занимающиеся складированием, взяли на себя это бремя для конечного потребителя меньших количеств.
Готовые подшипники
Некоторые производители, а также многие дистрибьюторы складов и подшипниковые склады ведут инвентаризацию стандартных готовых втулок, особенно из сплава C93200.Эти детали массового производства и легко доступны.
Подшипники специального назначения
Ряд механических мастерских специализируется на производстве подшипников, в частности нестандартных конструкций и критических сплавов на заказ. В этих цехах работают сложные обрабатывающие центры. Используя самое лучшее из доступного оборудования, они способны с высочайшей степенью точности при производстве деталей и поддерживать высокие стандарты контроля качества материалов. Такие заведения обслуживают те заведения OEM и отделы технического обслуживания крупных корпораций, которые предпочитают не производить собственные подшипники.Они обеспечивают экономичное обслуживание и достаточно хорошо осведомлены о технологии и источниках сплавов из подшипниковых сплавов, которые лучше всего подходят для производства данного подшипника.
Резюме
Металлургическое машиностроение, хотя оно и наука, но и искусство. Исследования, обширный опыт и глубокое понимание свойств, которые легирующие элементы могут придать базовому металлу меди, имеют важное значение для хорошей конструкции материала. Не менее важно понимание экономики, связанной с материалами, производством деталей и эксплуатацией конечного оборудования.Замечательные свойства меди, латуни и бронзы принесли пользу промышленности во всем мире благодаря их надежным рабочим характеристикам, общедоступности и экономическому качеству.
Рекомендации
- Р.А. Flinn , Отливки из меди, латуни и бронзы, Общество основателей цветных металлов, Inc., Кливленд (1961).
- R. Hultgren и P.D. Desai , Избранные термодинамические значения и фазовые диаграммы для меди и некоторых ее бинарных сплавов, Incra Monograph I, Международная ассоциация исследований меди, Inc.Нью-Йорк (1971).
- W.A. Glaeser и K.F. Dufrane , Конструкция подшипников из литой бронзы со смазкой на границе, Институт подшипников из литой бронзы, Inc. (1978).
- F. Боуден и D. Табор , Трение и смазывание твердых тел, Кларендон Пресс, Оксфорд (1950).
9.2: металлы и неметаллы и их ионы
За исключением водорода, все элементы, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций, называются металлами. Таким образом, металлы являются электроположительными элементами с относительно низкими энергиями ионизации. Они характеризуются ярким блеском, твердостью, способностью резонировать звук и являются отличными проводниками тепла и электричества. Металлы являются твердыми веществами в нормальных условиях, кроме ртути.
Физические свойства металлов
Металлы блестящие, ковкие, пластичные, хорошие проводники тепла и электричества.Другие свойства включают в себя:
- Состояние : Металлы — это твердые вещества при комнатной температуре, за исключением ртути, которая является жидкой при комнатной температуре (галлий является жидким в жаркие дни).
- Блеск : Металлы имеют качество отражения света от их поверхности и могут быть отполированы, например, золото, серебро и медь.
- Ковкость: Металлы способны выдерживать удары и могут быть изготовлены из тонких листов, известных как фольга.Например, кусок золота размером с кубик сахара можно растолочь в тонкий лист, который будет покрывать футбольное поле.
- Пластичность: Металлы можно вытягивать в провода. Например, 100 г серебра можно вытянуть в тонкую проволоку длиной около 200 метров.
- Твердость: Все металлы твердые, кроме натрия и калия, которые мягкие и могут быть разрезаны ножом.
- Валентность: Металлы обычно имеют от 1 до 3 электронов во внешней оболочке своих атомов.
- Проводимость : Металлы — хорошие проводники, потому что у них есть свободные электроны. Серебро и медь — два лучших проводника тепла и электричества. Свинец — самый плохой проводник тепла. Висмут, ртуть и железо также являются плохими проводниками
- Плотность : Металлы имеют высокую плотность и очень тяжелые. Иридий и осмий имеют самую высокую плотность, тогда как литий имеет самую низкую плотность.
- Точки плавления и кипения : Металлы имеют высокие температуры плавления и кипения.Вольфрам имеет самые высокие температуры плавления и кипения, тогда как ртуть имеет самые низкие. Натрий и калий также имеют низкие температуры плавления.
Химические свойства металлов
Металлы — это электроположительные элементы, которые обычно образуют основных или амфотерных оксидов с кислородом. Другие химические свойства включают в себя:
- Электроположительный характер : Металлы, как правило, имеют низкие энергии ионизации, а обычно теряют электроны (т.е.е. окислены (), когда они подвергаются химическим реакциям Они обычно не принимают электроны. Например:
- Щелочных металлов всегда 1 + (потеря электрона в с подоболочек)
- Щелочноземельные металлы всегда 2 + (потеря обоих электронов за с подоболочек)
- Ионы переходных металлов не следуют очевидной схеме, обычно встречается 2 + (теряют оба электрона в с подоболочек), и также наблюдаются 1 + и 3 +
\ [\ ce {Na ^ 0 \ rightarrow Na ^ + + e ^ {-}} \ label {1.{-}} \ label {1.3} \ nonumber \]
Соединения металлов с неметаллами имеют тенденцию быть ионных в природе. Большинство оксидов металлов являются основными оксидами и растворяются в воде с образованием гидроксидов металлов :
\ [\ ce {Na2O (s) + h3O (l) \ rightarrow 2NaOH (aq)} \ label {1.4} \ nonumber \]
\ [\ ce {CaO (s) + h3O (l) \ rightarrow Ca (OH) 2 (aq)} \ label {1.5} \ nonumber \]
Оксиды металлов проявляют свою химическую природу , основную , взаимодействуя с кислотами с образованием металлов , солей и воды:
\ [\ ce {MgO (s) + HCl (aq) \ rightarrow MgCl2 (aq) + h3O (l)} \ label {1.{2 -} \), таким образом \ (Al_2O_3 \).
Пример \ (\ PageIndex {2} \)
Вы ожидаете, что он будет твердым, жидким или газообразным при комнатной температуре?
Решения
Оксиды металлов характерно твердые при комнатной температуре
Пример \ (\ PageIndex {3} \)
Напишите сбалансированное химическое уравнение для реакции оксида алюминия с азотной кислотой:
Решение
Оксид металла + кислота -> соль + вода
\ [\ ce {Al2O3 (s) + 6HNO3 (aq) \ rightarrow 2Al (NO3) 3 (aq) + 3h3O (l)} \ nonumber \]
,2.11: металлы, неметаллы и металлоиды
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Металлы
- Физические свойства металлов
- Химические свойства металлов
- Неметаллы
- Физические свойства неметаллов:
- Химические свойства неметаллов
- Металлоиды
- Физические свойства металлоидов
- Химические свойства металлов
- Химические свойства металлов
- Тенденции в металлическом и неметаллическом характере
- Участники
навыков для развития
- Чтобы понять основные свойства, отделяющие металлы от неметаллов и металлоидов
Элемент — это самая простая форма материи, которая не может быть разделена на более простые вещества или построена из более простых веществ любым обычным химическим или физическим методом.Нам известно 110 элементов, из которых 92 встречаются в природе, а остальные были подготовлены искусственно. Элементы далее подразделяются на металлы, неметаллы и металлоиды.
Металлические элементы | Неметаллические элементы |
|---|---|
Отличительный блеск (блеск) | Не блестящие, различные цвета |
Податливая и пластичная (гибкая) как твердое вещество | хрупкий, твердый или мягкий |
Проводить тепло и электричество | плохие проводники |
Оксиды металлов основные, ионные | Кислоты неметаллические кислотные, соединения |
катионов в водном растворе | Анионы, оксианионы в водном растворе |
Металлы
Все элементы, кроме водорода, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций, называются металлами.Таким образом, металлы являются электроположительными элементами. Они характеризуются ярким блеском, твердостью, способностью резонировать звук и являются отличными проводниками тепла и электричества. Металлы являются твердыми веществами в нормальных условиях, кроме ртути.
Физические свойства металлов
Металлы блестящие, ковкие, пластичные, хорошие проводники тепла и электричества. Другие свойства включают в себя:
- Состояние : Металлы — это твердые вещества при комнатной температуре, за исключением ртути, которая является жидкой при комнатной температуре (галлий является жидким в жаркие дни).
- Блеск : Металлы имеют качество отражения света от своей поверхности и могут быть отполированы, например, золото, серебро и медь.
- Ковкость: Металлы способны противостоять ударам и могут быть превращены в тонкие листы, известные как фольга (кусочек сахара в виде кубика сахара можно растолочь в тонкий лист, который будет покрывать футбольное поле).
- Пластичность: Металлы можно вытягивать в провода. 100 г серебра можно вытянуть в тонкую проволоку длиной около 200 метров.
- Твердость: Все металлы твердые, кроме натрия и калия, которые мягкие и могут быть разрезаны ножом.
- Валентность: Металлы имеют от 1 до 3 электронов во внешней оболочке своих атомов.
- Проводимость : Металлы — хорошие проводники, потому что у них есть свободные электроны. Серебро и медь — два лучших проводника тепла и электричества. Свинец — самый плохой проводник тепла. Висмут, ртуть и железо также являются плохими проводниками
- Плотность : Металлы имеют высокую плотность и очень тяжелые.Иридий и осмий имеют самые высокие плотности, тогда как литий имеет самую низкую плотность.
- Точки плавления и кипения : Металлы имеют высокую температуру плавления и кипения. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления, где серебро имеет низкую температуру кипения. Натрий и калий имеют низкие температуры плавления.
Химические свойства металлов
Металлы — это электроположительные элементы, которые обычно образуют основные или амфотерные оксиды с кислородом. Другие химические свойства включают в себя:
- Электроположительный характер : Металлы, как правило, имеют низкую энергию ионизации, и обычно теряют электроны (т.е.- \]
- Щелочные металлы всегда 1
7,6: металлы, неметаллы и металлоиды
- Последнее обновление
- Сохранить как PDF
- Металлы
- Физические свойства металлов
- Химические свойства металлов
- Неметаллы
- Физические свойства неметаллов:
- Химические свойства неметаллов
- Металлоиды
- Тенденции в металлическом и неметаллическом характере
навыков для развития
- Чтобы понять основные свойства, отделяющие металлы от неметаллов и металлоидов
Элемент — это самая простая форма материи, которую нельзя разделить на более простые вещества или построить из более простых веществ любым обычным химическим или физическим методом.Нам известно 110 элементов, из которых 92 встречаются в природе, а остальные были подготовлены искусственно. Элементы далее подразделяются на металлы, неметаллы и металлоиды.
| Металлические элементы | Неметаллические элементы |
|---|---|
| Отличительный блеск (блеск) | Не блестящие, различные цвета |
| Податливая и пластичная (гибкая) как твердое вещество | хрупкий, твердый или мягкий |
| Проводить тепло и электричество | Плохие проводники |
| Оксиды металлов основные, ионные | Кислоты неметаллические кислотные, соединения |
| катионов в водном растворе | Анионы, оксианионы в водном растворе |
металлов
Все элементы, кроме водорода, которые образуют положительные ионы, теряя электроны во время химических реакций, называются металлами.Таким образом, металлы являются электроположительными элементами. Они характеризуются ярким блеском, твердостью, способностью резонировать звук и являются отличными проводниками тепла и электричества. Металлы являются твердыми веществами в нормальных условиях, кроме ртути.
Физические свойства металлов
Металлы блестящие, ковкие, пластичные, хорошие проводники тепла и электричества. Другие свойства включают в себя:
- Состояние : Металлы — это твердые вещества при комнатной температуре, за исключением ртути, которая является жидкой при комнатной температуре (галлий является жидким в жаркие дни).
- Блеск : Металлы имеют качество отражения света от своей поверхности и могут быть отполированы, например, золото, серебро и медь.
- Ковкость: Металлы обладают способностью противостоять ударам и могут быть изготовлены из тонких листов, известных как фольга (кусок золота в виде кусочка сахара можно растолочь в тонкий лист, который будет покрывать футбольное поле).
- Пластичность: Металлы можно вытягивать в провода. 100 г серебра можно вытянуть в тонкую проволоку длиной около 200 метров.
- Твердость: Все металлы твердые, кроме натрия и калия, которые мягкие и могут быть разрезаны ножом.
- Валентность: Металлы имеют от 1 до 3 электронов во внешней оболочке своих атомов.
- Проводимость : Металлы — хорошие проводники, потому что у них есть свободные электроны. Серебро и медь — два лучших проводника тепла и электричества. Свинец — самый плохой проводник тепла. Висмут, ртуть и железо также являются плохими проводниками
- Плотность : Металлы имеют высокую плотность и очень тяжелые.Иридий и осмий имеют самые высокие плотности, тогда как литий имеет самую низкую плотность.
- Точки плавления и кипения : Металлы имеют высокую температуру плавления и кипения. Вольфрам имеет самую высокую температуру плавления, где серебро имеет низкую температуру кипения. Натрий и калий имеют низкие температуры плавления.
Химические свойства металлов
Металлы — это электроположительные элементы, которые обычно образуют основные или амфотерные оксиды с кислородом.- \ label {1.3} \]
- Щелочные металлы всегда 1 + (потеря электрона в с подоболочки)
- Щелочноземельные металлы всегда 2 + (потеря обоих электронов за с подоболочки)
- Ионы переходных металлов не следуют очевидной схеме, обычно встречается 2 + , а также наблюдаются 1 + и 3 +
Соединения металлов с неметаллами имеют тенденцию быть ионными в природе.Большинство оксидов металлов являются основными оксидами и растворяются в воде с образованием гидроксидов металлов :
Оксид металла + вода -> гидроксид металла
\ [Na_2O _ {(s)} + H_2O _ {(l)} \ rightarrow 2NaOH _ {(aq)} \ label {1.4} \]
\ [CaO _ {(s)} + H_2O _ {(l)} \ rightarrow Ca (OH) _ {2 (aq)} \ label {1.5} \]
Оксиды металлов проявляют свою химическую природу , основную , реагируя с кислотами с образованием солей и воды:
Оксид металла + кислота -> соль + вода
\ [MgO _ {(s)} + HCl _ {(aq)} \ rightarrow MgCl_ {2 (aq)} + H_2O _ {(l)} \ label {1.{2 -} \), таким образом \ (Al_2O_3 \).
Пример \ (\ PageIndex {2} \)
Вы ожидаете, что он будет твердым, жидким или газообразным при комнатной температуре?
Решения
Оксиды металлов характерно твердые при комнатной температуре
Пример \ (\ PageIndex {3} \)
Напишите сбалансированное химическое уравнение для реакции оксида алюминия с азотной кислотой:
Решение
Оксид металла + кислота -> соль + вода
\ [Al_2O_ {3 (s)} + 6HNO_ {3 (aq)} \ rightarrow 2Al (NO_3) _ {3 (aq)} + 3H_2O _ {(l)} \]
Неметаллы
Элементы, которые имеют тенденцию приобретать электроны для образования анионов во время химических реакций, называются неметаллами.Это электроотрицательные элементы. Это не блестящие, хрупкие и плохие проводники тепла и электричества (кроме графита). Неметаллы могут быть газообразными, жидкими или твердыми.
Физические свойства неметаллов:
- Физическое состояние : Большинство неметаллов существует в двух из трех состояний вещества при комнатной температуре: газы (кислород) и твердые вещества (углерод).
- Non-Malleable и Ductile : Неметаллы очень хрупкие, их нельзя свернуть в проволоку или толкнуть в листы.
- Проводимость : Они плохие проводники тепла и электричества.
- Блеск: Они не имеют металлического блеска и не отражают свет
- Проводимость : плохие проводники тепла и электричества
- Точки плавления и кипения : Точки плавления неметаллов , как правило, на ниже металлов
- Семь неметаллов существуют в стандартных условиях как двухатомных молекул :
- H 2 ( г, )
- N 2 ( г, )
- O 2 ( г, )
- F 2 ( г, )
- Cl 2 ( г, )
- Br 2 ( л )
- I 2 ( л ) (летучая жидкость — легко испаряется)
Химические свойства неметаллов
- Неметаллы имеют тенденцию приобретать или делиться электронами с другими атомами.Они электроотрицательны по своему характеру.
Неметаллы при реакции с металлами имеют тенденцию приобретать электроны (обычно , достигая конфигурации электронов благородных газов) и превращаются в , анионы : , ,
.Неметалл + Металл -> Соль
\ [3Br_ {2 (l)} + 2Al _ {(s)} \ rightarrow 2AlBr_ {3 (s)} \]
Соединения, состоящие полностью из неметаллов, являются молекулярными веществами (не ионными). Обычно они образуют кислые или нейтральные оксиды с кислородом, которые, растворяясь в воде, реагируют с образованием кислот:
Неметаллический оксид + вода -> кислота
\ [CO_ {2 (g)} + H_2O _ {(l)} \ rightarrow \ underset {\ text {carbonic acid}} {H_2CO_ {3 (aq)}} \]
(газированная вода слабо кислая)
Оксиды неметаллов могут соединяться с основаниями с образованием солей.
Неметаллический оксид + основание -> соль
\ [CO_ {2 (g)} + 2NaOH _ {(aq)} \ rightarrow Na_2CO_ {3 (aq)} + H_2O _ {(l)} \]
металлоидов
Свойства промежуточного между металлами и неметаллами. Металлоиды полезны в полупроводниковой промышленности.
| металлов | Неметаллы | металлоидов |
|---|---|---|
| золото | Кислород | Кремний |
| Серебро | Carbon | бор |
| Медь | Водород | Мышьяк |
| Железо | Азот | Сурьма |
| Меркурий | Сера | Германий |
| цинк | Фосфор |
Металлоиды все твердые при комнатной температуре.Некоторые металлоиды, такие как кремний и германий, могут действовать в качестве электрических проводников при правильных условиях, поэтому их называют полупроводниками. Кремний , например, выглядит блестящим, но не является податливым или пластичным (это хрупкий — характеристика некоторых неметаллов). Это гораздо более плохой проводник тепла и электричества, чем металлы. Они могут образовывать сплавы с другими металлами.
Их физические свойства имеют тенденцию быть металлическими, но их химические свойства имеют тенденцию быть неметаллическими.Степень окисления элемента в этой группе может варьироваться от +3 до -2, в зависимости от группы, в которой он находится.
Тенденции в металлическом и неметаллическом характере
Металлический символ является сильнейшим для элементов в самой левой части периодической таблицы и имеет тенденцию к уменьшению при перемещении вправо на в любой период (неметаллический символ увеличивается с увеличением значений ионизации). Внутри любой группы элементов (столбцов), , , металлический символ увеличивается сверху вниз, , (значения ионизации обычно уменьшаются, когда мы движемся вниз по группе). Эта общая тенденция , а не , обязательно наблюдается с переходными металлами .
,