Физические свойства металлов
Весь комплекс физических свойств металлов отражен в табл. 1.
обусловлены структурой энергетических уровней металлов. Близость энергий большого количества занятых и свободных уровней приводит к тому, что любому кванту видимого света
с энергией E = h · v всегда соответствует такая пара энергетических уровней, один из которых находится в валентной зоне, а другой – в зоне проводимости, а разность их энергий равна Е. В этом случае электрон, поглощая квант света из валентной зоны, переходит в зону проводимости. Свет не отражается, а поглощается. Поэтому металлы непрозрачны. В то же время металлам характерен блеск, который появляется в результате испускания света при возвращении возбужденных светом электронов на более низкие энергетические уровни.
Плотность металлов изменяется в очень широких пределах.
s-элементов к d-элементам, находящимся в центре периода, уменьшается. Поэтому максимум плотности приходится на металлы элементов центра периода.
В 6 периоде
плотность металлов еще более увеличивается за счет лантаноидного сжатия радиусов атомов элементов.
Плотность металлов заметно меняется с температурой. Из-за увеличения амплитуды колебаний атомов при повышении температуры среднее равновесное расстояние между атомами увеличивается, а плотность, следовательно, уменьшается. Чем больше доля
металлической связи и меньше доля ковалентной связи в металле, тем выше коэффициент термического расширения металла. Так, например, для Mg, Al, Zn коэффициент термического расширения
в 2–4 раза больше, чем для Cr и Fe. Этот параметр важен при подборе пар металлов, эксплуатируемых в широком интервале температур: значения коэффициентов термического расширения должны быть, как можно ближе друг к другу.
Таблица 1
Физические свойства металлов
Свойство | Значение для некоторых металлов | Примечание | |||
Металлический блеск | – | In и Ag отражают свет лучше других металлов, поэтому применяются для изготовления зеркал | |||
Плотность ρ, кг/м3 (г/см3, г/мл) | ρ < 5 000 кг/м3 – легкие металлы: Li, Ca, Na, Mg, Al ρ > 5 000 кг/м3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os | Самый легкий металл – литий: ρ(Li) = 530 кг/м3 Самый тяжелый – осмий: ρ(Os) = 22 600 кг/м3 | |||
Твердость Н | Твердость некоторых металлов по шкале Мооса: Н(Na) = 0,4; H(Sn) = 1,8; H(Au) = 2,5; H(Al) = 2,9; H(Fe) = 4; H(Ni) = 5; H(Cr) = 9 | Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na (режутся ножом) Самый твердый – Cr (режет стекло) | |||
Пластичность | Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe
Уменьшение пластичности | Из пластичного Au можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм | |||
Температура плавления Тпл, °С | Тпл > 1 000 °C – тугоплавкие металлы: Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W Тпл < 1 000 °C – легкоплавкие металлы: Hg, K, Na, Sn, Pb, Zn, Mg, Al, Ca | Самая низкая Тпл у ртути: Тпл (Hg) = – 39 °С, | |||
Теплопроводность λ | Ag, Cu, Au, Al, W, Fe
Уменьшение λ | – | |||
Электропроводность σ | Ag, Cu, Au, Al, W, Fe
Уменьшение σ | При нагревании σ уменьшается, так как усиливается колебательное движение атомов и ионов в узлах решетки и затрудняется движение электронов |
Твердость металлов – сопротивление проникновению в данный металл другого твердого тела.
При сочетании металлических поверхностей (трущиеся пары, зубчатые колеса) необходимо учитывать относительную твердость металлов, так как это определяет надежность и долговечность контакта. Так, например, в редукторах с червячной передачей материал червяка выбирается более твердым (сталь), чем материал червячного колеса (бронза). При эксплуатации этой пары нарезка зубчатого колеса постепенно прирабатывается по нарезке червяка. Это обеспечивает более высокое значение коэффициента полезного действия передачи, долговечность и бесшумность в работе.
s-элементов меньше твердости p-элемен-тов, твердость последних меньше, чем твердость d-элементов.
В тех случаях, когда рабочие температуры эксплуатации металлических изделий превышают порог 0,3tпл, важна способность металла длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Это свойство металла называется жаропрочностью. Жаропрочность является важным практическим свойством ряда металлов, сплавов и других соединений.
Пластичность металлов также объясняется специфическими свойствами металлической связи. При механическом воздействии на твердое тело отдельные слои его кристаллической решетки смещаются относительно друг друга. В силу высшей степени делокализации электронов при смещении отдельных слоев кристаллической решетки происходит лишь некоторое перераспределение электронной плотности, связывающей друг с другом атомы металла, но разрыва химических связей не происходит – металл деформируется, не разрушаясь.
s-облаков: при механическом воздействии происходит перекрывание облаков, которые не зависят от направленности. Металл меняет свою форму без потери прочности. Механизм образования смещений связан с появлением и движением дислокаций. Хрупкими определенное время считались титан, вольфрам, хром, молибден, тантал, висмут, цирконий. Очищенные от примесей эти металлы – высокопластичные материалы, которые можно ковать, прессовать, прокатывать.
прочностью понимают свойство материала в определенных условиях воспринимать приложенные нагрузки не разрушаясь.
Металлические кристаллы, лишенные дислокаций, обладают весьма высокой прочностью. Такими кристаллами являются выращиваемые в особых условиях нитевидные кристаллы или «усы». Их прочность во много раз превышает прочность обычных образцов соответствующего металла и близка
к теоретической величине, вычисленной для кристаллической решетки металла, не имеющей дефектов структуры. Так, почти идеальные кристаллы меди, называемые медными усами, при 900 °С выдерживают нагрузку в 50 раз большую, чем обычная медь.
наклепа – упрочнения металла под действием пластической деформации. При нагревании сильно деформированного металла искажения его структуры, вызванные сдвигами, постепенно снимаются – металл возвращается в структурно более устойчивое состояние; его пластичность возрастает,
а твердость и прочность снижаются.
Температура плавления металлов. Твердое тело начинает плавиться, когда кинетическая энергия движения его частиц становится соизмеримой с энергией их притяжения друг к другу.
Таким образом, чем меньше прочность химической связи в металлах, тем ниже температуры их плавления. Прочность химической связи в металлах определяется количеством валентных электронов атома элемента, причем увеличение их числа увеличивает прочность связи. Определяющим фактором увеличения с номером периода прочности связи между атомами d-элементов является увеличение (по модулю) энергии s-электронов из-за эффектов проникновения.
Эффект проникновения s-электронов под d— и f-электронные подоболочки стабилизирует состояние электронов и понижает из энергию. Наличие неспаренных (n – 1) d-электронов также увеличивает прочность химической связи в металлах за счет образования дополнительных ковалентных связей. Увеличение размеров атомов действует в противоположном направлении, как и увеличение
координационного числа. Характер изменения температуры плавления металлов по периодам периодической системы во многом близок к изменению их плотности. В целом для металлов соблюдается следующая закономерность:
tпл (s-элементов) < tпл (p-элементов) < tпл (d-элементов),
но встречаются и исключения.
Природа жидкой ртути, как уже говорилось, связывается с релятивистскими эффектами.
тугоплавким. Понятие тугоплавкости широко используется при обсуждении свойств ряда металлов и многих сплавов.
Теплопроводность металлов. Свободные электроны металла, находящиеся в постоянном движении, сталкиваются с колеблющимися атомами в узлах кристаллической решетки и обмениваются
с ними энергией. Усилившиеся при нагревании металла колебания атомов незамедлительно передаются с помощью электронов
соседним и удаленным атомам. В результате происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла. Это и обеспечивает высокую теплопроводность металлов. Высокая теплопроводность металлов, по сути, определяется теми же факторами, что
и электропроводность.
Электропроводность металлов. Высокая электропроводность металлов обусловлена высшей степенью делокализации электронов, наличием в кристаллической решетке электронов проводимости, отличающихся большой подвижностью.
Создание
разности потенциалов в металле приводит к направленному движению электронов – носителей электричества, возникает электрический ток.
s-электроны. (Атомы серебра, меди и золота вследствие проскока
s-электронов имеют электронные конфигурации валентных оболочек атомов щелочных элементов ns1). В этих случаях в компактных металлах реализуется, как правило, металлическая связь. Появление неспаренных p— и d-электронов приводит к увеличению доли направленных ковалентных связей, электропроводимость уменьшается. Атом железа на предвнешней электронной оболочке имеет неспаренные 3d-электроны, которые также образуют ковалентные связи. Кроме этого, когда в кристалле металла, энергетические уровни атомов объединяются в энергетические зоны, 3d— и 4s-зоны пересекаются. Поэтому при определенном возбуждении s-электроны могут перейти на молекулярные орбитали d-зоны и, таким образом, количество носителей заряда может уменьшиться.
Поэтому металлы d-элементов с частично заполненной электронной
d-подоболочкой у атомов имеют несколько более высокое электрическое сопротивление, чем металлы непереходных элементов.
Ваша оценка?
Петр Иваныч
Возможно этот человек ответит на ваши вопросы
Задать вопрос
Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.
Шарик подбирается относительно толщины образца. Нагрузку высчитывают предварительно из принятых норм для соответствующих материалов:
Схематически метод исследования по Роквеллу изображается следующим образом согласно ГОСТ 9013.
Принцип измерения твердости по Роквеллу
Итоговая приложенная нагрузка равна сумме первоначальной и необходимой для испытания. Индикатор прибора показывает разницу глубины проникновения между первоначальной нагрузкой и испытуемой h –h0.
Метод Виккерса регламентирован ГОСТом 2999. Схематически он изображается следующим образом.
Принцип измерения твердости по Виккерсу
Математическая формула для расчета:
HV=0.
189*P/d² МПа
HV=1,854*P/d² кгс/мм²
Прикладываемая нагрузка варьируется от 9,8 Н (1 кгс) до 980 Н (100 кгс). Значения определяются по таблицам относительно измеренного отпечатка d.
Принцип определения твердости по Шору
Метод считается эмпирическим и имеет большой разброс показаний. Но прибор имеет простую конструкцию и его можно использовать при измерении крупногабаритных и криволинейных деталей.
Измерить твердость по Моосу металлов и сплавов можно царапанием. Моос в свое время предложил делать царапины более твердым минералом по поверхности предмета. Он разложил известные минералы по твердости на 10 позиций. Первую занимает тальк, а последнюю алмаз.
После измерения по одной методике перевод в другую систему весьма условен. Четкие значения существуют только в соотношении твердости по Бринеллю и Роквеллу, так как машиностроительные предприятия их широко применяют. Зависимость можно проследить при изменении диаметра шарика.
| d, мм | HB | HRA | HRC | HRB |
| 2,3 | 712 | 85,1 | 66,4 | – |
| 2,5 | 601 | 81,1 | 59,3 | – |
| 3,0 | 415 | 72,6 | 43,8 | – |
| 3,5 | 302 | 66,7 | 32,5 | – |
| 4,0 | 229 | 61,8 | 22 | 98,2 |
| 5,0 | 143 | – | – | 77,4 |
| 5,2 | 131 | – | – | 72,4 |
Как видно из таблицы, увеличение диаметра шарика значительно снижает показания прибора.
Поэтому на машиностроительных предприятиях предпочитают пользоваться измерительными приборами с однотипным размером индентора.
Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, оС |
| Ртуть | -38,83 |
| Франций | 25 |
| Цезий | 28,44 |
| Галлий | 29,7646 |
| Рубидий | 39,3 |
| Калий | 63,5 |
| Натрий | 97,81 |
| Индий | 156,5985 |
| Литий | 180,54 |
| Олово | 231,93 |
| Полоний | 254 |
| Висмут | 271,3 |
| Таллий | 304 |
| Кадмий | 321,07 |
| Свинец | 327,46 |
| Цинк | 419,53 |
Выводы
Металлы — это простые вещества, которые всегда являются восстановителями.
Восстановительная активность металла убывает в ряду напряжений от лития к золоту. По положению металла в ряду напряжений можно определить, как металл реагирует с растворами кислот, с водой, с растворами солей.
Урок 9. Щелочные и щёлочноземельные металлы →
← Урок 7. Понятие об окислительно-восстановительных реакциях
Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, оС |
| Сурьма | 630,63 |
| Нептуний | 639 |
| Плутоний | 639,4 |
| Магний | 650 |
| Алюминий | 660,32 |
| Радий | 700 |
| Барий | 727 |
| Стронций | 777 |
| Церий | 795 |
| Иттербий | 824 |
| Европий | 826 |
| Кальций | 841,85 |
| Лантан | 920 |
| Празеодим | 935 |
| Германий | 938,25 |
| Серебро | 961,78 |
| Неодим | 1024 |
| Прометий | 1042 |
| Актиний | 1050 |
| Золото | 1064,18 |
| Самарий | 1072 |
| Медь | 1084,62 |
| Уран | 1132,2 |
| Марганец | 1246 |
| Бериллий | 1287 |
| Гадолиний | 1312 |
| Тербий | 1356 |
| Диспрозий | 1407 |
| Никель | 1455 |
| Гольмий | 1461 |
| Кобальт | 1495 |
| Иттрий | 1526 |
| Эрбий | 1529 |
| Железо | 1538 |
| Скандий | 1541 |
| Тулий | 1545 |
| Палладий | 1554,9 |
| Протактиний | 1568 |
Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:
| Название металла | Температура плавления, оС |
| Лютеций | 1652 |
| Титан | 1668 |
| Торий | 1750 |
| Платина | 1768,3 |
| Цирконий | 1855 |
| Хром | 1907 |
| Ванадий | 1910 |
| Родий | 1964 |
| Технеций | 2157 |
| Гафний | 2233 |
| Рутений | 2334 |
| Иридий | 2466 |
| Ниобий | 2477 |
| Молибден | 2623 |
| Тантал | 3017 |
| Осмий | 3033 |
| Рений | 3186 |
| Вольфрам | 3422 |
Сравнение свойств
Вторая часть элементов в периодической системой отличается многообразием характеристик, поэтому почти невозможно привести полную сводную таблицу.
Мы предлагаем таблицу, на которой представлено 4 отличительные черты:
| Признаки | Металлы | Неметаллы |
| Положение в П. С. | Под диагональю бор-астат | Над ней |
| Строение атома | Большой атомный радиус, чисто электронов на последнем слое — от 1 до 3 | Маленький, от 4 до 7 — соответственно |
| Физические св-ва | Электропроводность, теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, по агрегатному состоянию, в основном, твёрдые | Диэлектрики, неблестящие, хрупкие, газы, жидкости и летучие твёрдые вещества |
| Кристаллические решетки | Металлическая | Молекулярная, атомная |
| Химические св-ва | Восстановители | Окислительные (иногда восстанов-ли) |
Мы рассказали про металл, что это за материал, как он используется. Если вам нужны станки по металлообработке, закажите их в .
Плотность:
В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).
Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Черные металлы
Твердость по Роквеллу чугуна СЧ20 HRC 22, что соответствует 220 НВ. Сталь: инструментальная – 640-700 НВ, нержавеющая – 250НВ.
Для перевода из одной системы измерения в другую пользуются таблицами. Значения в них не являются истинными, потому что выведены империческим путем. Не полный объем представлен в таблице.
| HB | HV | HRC | HRA | HSD |
| 228 | 240 | 20 | 60.7 | 36 |
| 260 | 275 | 24 | 62. 5 | 40 |
| 280 | 295 | 29 | 65 | 44 |
| 320 | 340 | 34.5 | 67.5 | 49 |
| 360 | 380 | 39 | 70 | 54 |
| 415 | 440 | 44.5 | 73 | 61 |
| 450 | 480 | 47 | 74.5 | 64 |
| 480 | 520 | 50 | 76 | 68 |
| 500 | 540 | 52 | 77 | 73 |
| 535 | 580 | 54 | 78 | 78 |
Значения твердости, даже если они производятся одним и тем же методом, зависят от прилагаемой нагрузки. Чем меньше нагрузка, тем выше показания.
Пластичность:
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.
Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.
Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.
Пластичность зависит и от чистоты металла. Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.
§ 9. Физические свойства металлов
Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки.
Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ.
Пластичность — это свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.
Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог.
Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь.
Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27).
Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28).
При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам.
Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается.
Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.
Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.
Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет.
Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.
Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние.
Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом.
По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники.
Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см3). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см3).
Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам.
Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов.
В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода).
Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп.
В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис.
30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1
1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.
2. Найдите в Интернете электронные адреса, которые могут служить дополнительными источниками, раскрывающими содержание ключевых слов и словосочетаний параграфа. Предложите учителю свою помощь в подготовке нового урока — сделайте сообщение по ключевым словам и слово-сочетаниям следующего параграфа.
1. Назовите самый легкоплавкий металл.
2. Какие физические свойства металлов используют в технике?
3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение?
4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания?
5. Какие свойства металлов лежат в основе образных литературных выражений: «серебряный иней», «золотая заря», «свинцовые тучи»?
- Физические свойства металлов.
Ответы
ОтветыЭлектропроводность:
Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.
Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Понятие твердости
Твердость материала – это стойкость к разрушению при внедрении во внешний слой более твердого материала. Другими словами, способность к сопротивлению деформирующим усилиям (упругой или пластической деформации).
Определение твердости металлов производится посредством внедрения в образец твердого тела, именуемого индентором. Роль индентора выполняет: металлически шарик высокой твердости; алмазный конус или пирамида.
После воздействия индентора на поверхности испытуемого образца или детали остается отпечаток, по размеру которого определяется твердость. На практике используются кинематические, динамические, статические способы измерения твердости.
В основе кинематического метода лежит составление диаграммы на основе постоянно регистрирующихся показаний, которые изменяются по мере вдавливания инструмента в образец. Здесь прослеживается кинематика всего процесса, а не только конечного результата.
Динамический метод заключается в следующем. Измерительный инструмент воздействует на деталь. Обратная реакция позволяет рассчитать затраченную кинетическую энергию. Данный метод позволяет проводить испытание на твердость не только поверхности, но и некоторого объема металла.
Статические методы – это неразрушающие способы, позволяющие определить свойства металлов.
Методы основаны на плавном вдавливании и последующей выдержке в течение некоторого времени. Параметры регламентируются методиками и стандартами.
Прилагаемая нагрузка может прилагаться:
- вдавливанием;
- царапанием;
- резанием;
- отскоком.
Машиностроительные предприятия на данный момент для определения твердости материалов используют методы Бринелля, Роквелла, Виккерса, а также метод микротвердости.
На основе проводимых испытаний составляется таблица, в которой указываются материалы, прилагаемые нагрузки и полученные результаты.
Твердость металла | Zahner — Инновации и сотрудничество для достижения невероятного
РЕСУРСЫ
Твердость металла — это характеристика, определяющая износостойкость поверхности и стойкость к истиранию. Способность материала сопротивляться вмятинам от удара связана с твердостью, а также с пластичностью материала. Различные степени твердости могут быть достигнуты во многих металлах путем отпуска, процесса термической обработки, используемого в холоднокатаных и холоднодеформированных металлах.
По мере того как зернистая структура металла подвергается холодной штамповке, зерна растягиваются и изменяются. Поверхность становится более твердой, сопротивляясь деформации от контакта. Закалка нагревает обрабатываемый металл до температур, при которых зерна начинают растворяться.
Доступны серии стандартных сплавов. Эти состояния и их доступность в конкретном сплаве варьируются в зависимости от природы зерен при их рекристаллизации. Обозначение отпуска фактически определяется размером зерна, а не пределом текучести металла.
Таблица твердости металлов
Приведенная ниже таблица полезна для определения того, какие металлы будут невосприимчивы к царапинам и вмятинам, поскольку она относится к шкале Роквелла и пластичности. Шкала Роквелла — это шкала твердости, основанная на твердости материала при вдавливании. Испытание Роквелла определяет твердость путем измерения глубины проникновения индентора под большой нагрузкой по сравнению с проникновением, сделанным при предварительном нагружении.
Таблица твердости металла на основе шкалы Роквелла и пластичности.
ИЗОБРАЖЕНИЕ © КОМПАНИЯ A. ZAHNER.
Процессы повышения твердости металла
Существует несколько способов упрочнения архитектурного металла: на заводе или в процессе изготовления. Каждый из механизмов упрочнения вносит неровности кристаллической решетки в кристаллическую структуру металла, что затрудняет дислокацию структуры металла. В результате получается более твердая и менее пластичная металлическая поверхность.
Деформационное упрочнение относится к деформации или холодному упрочнению металлической поверхности. По мере многократного изгиба или деформации металла пластичность металла снижается, он становится нагартованным и менее пластичным. Обычно относится к деформационному упрочнению металла при его обработке при комнатной температуре. Сплавы некоторых металлов, такие как никель-титан , не подвергаются деформационному упрочнению, но на самом деле имеют свойство снимать деформацию, когда возвращаются к исходной форме.
Упрочнение твердого раствора относится к металлу в процессе легирования, при котором легирующий компонент вводится в твердый материал. Один или несколько элементарных компонентов могут входить в нагретый, но твердый раствор. Затем металл быстро охлаждают, чтобы захватить элемент в твердом растворе.
Старение это процесс, который происходит быстро в первые несколько дней после отливки, а затем гораздо медленнее в течение следующих нескольких недель. Этот процесс часто называют «естественным старением». Другой искусственный вариант этого процесса может быть использован путем нагревания металла в течение короткого периода времени при высокой температуре. В результате он стабилизирует свойства, дополнительно укрепляя сплав. Этот процесс известен как «искусственное старение» или дисперсионное твердение.
Анодирование , процесс, специфичный для алюминия, имеет эффект упрочнения. Последним этапом создания анодированного алюминия является затвердевание и герметизация поверхности с помощью деионизированной кипящей воды или герметиков на основе солей металлов.
Герметизация необходима для закрытия пор оксидной пленки и обеспечения однородности за исключением легирующих составляющих.
Цементация относится к процессу термической обработки поверхности, используемому для получения твердой, износостойкой поверхности металла. Методы цементации включают науглероживание, цианирование, азотирование, закалку пламенем и электроиндукционную закалку.
Отпуск – это процесс термической обработки, используемый для холоднокатаных и холоднодеформированных металлов. Когда зернистая структура металла подвергается холодной штамповке, зерна растягиваются и изменяются. Поверхность становится более твердой, сопротивляясь деформации от контакта. Закалка нагревает холоднодеформированный металл до температуры, при которой зерна начинают растворяться друг в друге. Доступны серии стандартных темпераций. Эти состояния и их доступность в конкретном сплаве варьируются в зависимости от природы зерен при их рекристаллизации. Обозначение отпуска фактически определяется размером зерна, а не пределом текучести металла.
Обратная пескоструйная обработка металлическая поверхность — это способ выравнивания металла, который также значительно повышает твердость поверхности. Рекомендуется подвергнуть материал обратной струйной очистке после операций формования, потому что после пескоструйной обработки поверхности материал станет труднее обрабатывать и формировать.
Ссылки
- Zahner, L. Архитектурные металлические поверхности. Нью-Йорк: Джон Уайли, 2004. .
- Zahner, L. Архитектурные металлы: руководство по выбору, спецификации и характеристикам. Нью-Йорк: Джон Уайли, 19 лет.95.
Все, что вам нужно знать о твердости материалов
Пригодность материала, используемого для детали, очень важна для того, чтобы деталь могла функционировать в предполагаемой среде. Одним из таких материалов, определяющих пригодность материала для проекта, является твердость материала. Он определяет, требуется ли вашему проекту материал с высокой твердостью, такой как сталь или более мягкие материалы.
Все мы знаем, что использование неправильных материалов в проекте может привести к катастрофическим последствиям, особенно когда производимая деталь является частью более крупного проекта. Поэтому без оценки твердости вашего материала перед производством не обойтись.
Если вам нужен материал, способный выдерживать сильное вдавливание или истирание без деформации, выбирайте твердые материалы. Однако материалы с высокой твердостью не обязательно подходят для всех проектов. Вам необходимо проконсультироваться с опытной обрабатывающей компанией, чтобы узнать, какая из них подходит для вашего проекта.
Что такое твердость материала?Твердость материала — это способность материала выдерживать нагрузку без деформации, царапин, проникновения и вдавливания. Другими словами, это способность материала сохранять свои физические свойства даже перед лицом приложенной силы.
Твердость многих материалов различается, например, сталь имеет более высокую твердость по сравнению с другими материалами, такими как олово. Некоторые другие неметаллические материалы, такие как дерево и пластик, также обладают характеристиками мягкого металла.
Твердость материалов зависит от нескольких факторов, таких как их пластичность, упругая жесткость, пластичность, ударная вязкость, деформация, прочность, вязкоупругость и вязкость.
Какие существуют типы твердости материалов?Материалы ведут себя по-разному в разных условиях. Например, материал может выдержать огромное разовое воздействие, но не выдержать длительной нагрузки. Таким образом, вы должны выполнить твердость материала в соответствии с потребностями вашего проекта.
Мы можем разделить твердость материала на три категории. Материалы имеют разные значения при этих разных типах твердости. Они включают:
- Твердость при царапании
- Твердость по отскоку
- Твердость при вдавливании
Машинисты определяют твердость при царапании как способность материала противостоять царапинам на поверхности.
Царапины представляют собой узкие непрерывные линии на поверхности материалов. Когда острый, более жесткий материал задевает поверхность более мягкого материала, это вызывает царапины на поверхности таких материалов.
Машинисты используют испытание царапанием для хрупких материалов, таких как керамика. Некоторые материалы могут не достичь пластической деформации, но не выдержать царапин. Некоторые конструкции чувствительны к царапинам; таким образом, вам нужен материал с высокой твердостью к царапинам.
Например, для некоторых частей машины может потребоваться трение. Использование материала с низкой стойкостью к царапинам в этом случае может оказаться недостаточным. Это связано с тем, что при небольшом трении материал может потерять свою гладкую поверхность и в конечном итоге повлиять на общую функциональность машины. Это означает, что вам придется тратить больше на ремонт часто. Вы можете предотвратить это, выполнив тест на твердость при царапании, чтобы узнать, выдержит ли материал трение и не потеряет свою гладкую поверхность.
Синонимом этого является динамическая твердость, и это скорее упругая твердость, чем пластическая твердость. Эластичная твердость означает, что материал не деформируется постоянно. Он теряет свою форму только при приложении внешней силы. Как только происходит устранение внешней силы, он автоматически восстанавливает свою первоначальную форму. Это не относится к пластической деформации, когда материал не может восстановить свою первоначальную форму. Таким образом, твердость по отскоку больше относится к упругой твердости.
Измеритель твердости по отскокуТвердость по отскоку требует, чтобы материал поглощал энергию удара и возвращал ее индентору. Машинисты используют индентор для проверки твердости на отскок. Материал, используемый в качестве индентора, уже имеет известную твердость, которую машинисты сравнивают с твердостью измеряемого материала.
Вы можете измерить отскок или динамическую твердость материала, ударив по нему молотком с алмазным наконечником.
Затем они измеряют ограничение молотка после удара о поверхность. Если молот возвращается ближе к исходной высоте падения, материал имеет высокое значение твердости отскока. С другой стороны, если молот не приблизился к высоте падения, материал имеет низкую твердость на отскок.
Машинисты используют твердость при вдавливании для определения твердости материала при деформации. Он требует вдавливания исследуемого материала с непрерывной нагрузкой до образования оттиска. Машинисты проводят тесты на твердость при вдавливании как в микроскопическом, так и в макроскопическом масштабе, в зависимости от тестируемого материала и цели, для которой он должен служить.
Прибор для определения твердости при вдавливании Когда инженеры и металлурги говорят о твердости материала, они часто имеют в виду твердость при вдавливании. Измерение величины вдавливания материала помогает узнать, какую нагрузку может выдержать материал, прежде чем он деформируется.
Некоторые машинисты часто путают единицы измерения твердости в системе СИ с единицами измерения давления. Первый имеет единицу СИ Н/мм², иначе называемую единицей Паскаль. Последний, с другой стороны, имеет единицу СИ (Н/м2, или кг·м-1·с-2).
Каждый из различных типов твердости, обсуждавшихся ранее, имеет разные шкалы измерения. Единицы получены из каждого метода измерения; поэтому они не подходят для прямого сравнения. Тем не менее, есть таблица преобразования, которую вы можете использовать для сравнения. Мы говорим «управлять», потому что сравнение не может быть точным на 100%, но оно дает подходящее указание.
Некоторые распространенные единицы измерения твердости включают число твердости по Бринеллю (HB), число твердости по Роквеллу (HRA, HRB, HRC и т. д.), значение твердости по Леебу (HLD, HLS, HLE и т. д.) и число твердости по Виккерсу (HV). ). Мы сделали сравнение методов измерения в таблице ниже.
Твердость каждого типа материала измеряется по-разному. Ниже описано, как проверить каждый вид твердости:
Тест по БринелюЭто обычный тест на твердость, который используют машинисты. Сначала машинисты знакомятся с испытательной машиной. Он делает все необходимые настройки на мониторе перед выполнением теста.
Принцип заключается в использовании стального шарика диаметром 10 мм для создания оттиска на образце. Затем рассчитывается слепок, чтобы узнать число твердости материала по Бринелю.
Машина опускает шарик на материал для образования углубления и оставляет примерно на 30 секунд. Затем машинист применяет силу к мячу. Тип испытываемого металла определяет приложенную силу.
Для некоторых металлов может потребоваться нагрузка в 500 кг, в то время как для некоторых может потребоваться до 3000 кг, что является стандартной нагрузкой. Если индентор удален, инженер измеряет его размер, наблюдая с помощью микроскопа с малым увеличением.
Он вырезает другие области и вычисляет среднее значение измерений под прямым углом.
После завершения испытания машинисты рассчитывают число твердости по формуле расчета твердости по Бринеллю.
Где,
F – усилие, Н
D – диаметр индентора, мм
d – диаметр индентора, мм
Испытание на твердость по РоквеллуЕще один распространенный вид испытания на твердость. Тип тестируемого материала определяет тип используемой шкалы.
На выбор предлагается 30 различных шкал; поэтому вы можете выбрать любой подходящий для вашего материала. Однако чаще всего используются шкалы «В» и «С».
Тестер сначала прикладывает незначительную нагрузку, прежде чем прикладывать тестовую нагрузку. Незначительная нагрузка помогает надлежащим образом зафиксировать индентор в образце для испытаний и устранить любые неровности поверхности для более точного результата.
Затем он опускает индентор в материал, чтобы создать отпечаток, приложив большую нагрузку.
Он измеряет отпечаток, чтобы определить твердость. Затем тестер определяет увеличенный размер отпечатка, вычисляя значение твердости.
Формула твердости по Роквеллу:
Где,
Н – масштабный коэффициент в зависимости от используемой шкалы
с – масштабный коэффициент в зависимости от используемой шкалы
d – глубина остаточной вмятины по сравнению с незначительной нагрузкой, мм
Тест на твердость по ВиккерсуЭто еще один метод измерения твердости. Он больше подходит для мягких материалов, требующих меньших нагрузок. Поэтому, если вам нужна более высокая точность для мягких материалов, вам лучше всего подойдет тест Виккерса.
Vickers использует один алмазный индентор для всех материалов, что упрощает расчеты.
Тестер должен сначала ознакомиться с машиной перед запуском. Затем деталь помещается на станок, чтобы найти подходящую высоту с помощью микроскопа. Вы можете определить правильное место, проверив изображения на экране.
Когда у вас есть более сфокусированное изображение, значит, оно хорошо поставлено.
Алмазный индентор опускают на деталь и оставляют на определенное время.
Поднимите индентор и измерьте значение вдавливания по следующей формуле:
Где,
F – усилие, Н
d – диагональ вдавливания, мм твердость царапин, это подходящий метод, который вы можете использовать. Традиционно это испытание проводится путем царапания материала эталонным материалом с известной твердостью. В тесте на твердость по Моосу используются десять эталонных материалов с различной твердостью. Тип тестируемого материала определяет тип используемого эталона. Затем результат получают путем присвоения испытательному материалу числового значения твердости.
Самый мягкий используемый материал со значением 1. Самым твердым материалом, с другой стороны, является алмаз со значением 10.
Алмазный индентор Роквелла используется для современного теста на твердость по шкале Мооса. Принцип работы машины аналогичен традиционному методу.
Он включает в себя царапание испытуемого образца в течение определенного периода подходящей нагрузкой.
Склероскоп можно использовать для определения твердости материалов по отскоку. Вы можете выполнить этот тест, подключив полую вертикальную стеклянную трубку к штативу. Затем вы бросите алмазный молоток через трубку на образец. Молоток будет отскакивать, и вы будете измерять и записывать высоту отскока. Материалы с более высокой твердостью будут иметь более высокий отскок, в то время как мягкие материалы будут иметь низкий предел.
Скелероскоп Таблица твердости материала Таблица твердости материала — один из самых простых способов определить твердость некоторых популярных типов материалов. В таблице представлены значения твердости этих различных материалов с использованием различных методов измерения. Например, на приведенной выше диаграмме показаны значения твердости таких металлов, как алюминий и титан, с использованием таких методов измерения, как шкала Бринелля.
Таким образом, вам не нужно оценивать твердость вашего сырья, если вы используете что-то из списка.
Однако вы должны убедиться, что используемая таблица соответствует стандартным условиям.
ЗаключениеЕсли вы хотите выбрать подходящий материал для своего проекта, необходимо провести надлежащее испытание на твердость материала. Существуют различные способы проверки твердости вашего материала. Обратитесь в экспертную компанию за профессиональным советом по поводу твердости вашего материала.
Услуги по обработке RapidDirect RapidDirect Machining ServicesВот где заканчивается ваш поиск, если вы искали компанию, которая может предложить надежные услуги по механической обработке любого материала. В RapidDirect мы бесплатно анализируем твердость вашего материала. Мы подходящая компания для всех ваших услуг по механической обработке.
Мы предлагаем экономичную металлообработку по запросу для мелкосерийных прототипов и крупносерийного производства.