Характеристика физических и химических свойств металлов
Занимая в таблице Менделеева I-II группы, а также побочные подгруппы III-VIII групп, атомы металлов способны отдавать валентные электроны, тем самым окисляться. По группе сверху вниз число электронных слоев увеличивается, радиус атомов растет, как и способность отдавать электроны (металлические свойства атомов). В периодах слева направо радиус атомов уменьшается, металлические свойства снижаются. Поэтому самыми активными металлами в периодах являются металлы I-II групп.
Физические и химические свойства металлов
Своими физическими, как и химическими, свойствами металлы обязаны строению кристаллической решетки. Она состоит из положительно заряженных ионов, которые постоянно колеблются вокруг определенного положения равновесия. Кроме того, имеются свободные электроны, которые перемещаются по всему объему. Именно благодаря им, для металлов характерны следующие свойства: металлический блеск, ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность.
Из металлов изготавливают детали и инструменты, корпуса машин, зеркала, бытовую и промышленную химию.
Такое широкое применение на практике металлы нашли благодаря своим особым свойствам:
Подробное описание механических свойств
Механические свойства металлов не определяются расчетным путем. Для них существуют специальные экспериментальные процедуры, в ходе которых проверяется степень деформации, характер прочности, способность к пластичности и т.д.
К основным механическим свойствам относят:
Размер следа, возникшего при давлении, позволяет установить твердость исследуемого состава.
Важно обратить внимание на то, что понятие «прочность» не является синонимом «твердости». Не редки варианты, когда твердые предметы являются хрупкими.
К механическим свойствам металлов, например, железа, практики относят также такие характеристики, как наличие надежности, долговечности, практичности, живучести.
Эксплуатационные характеристики
Кроме общих физических свойств, металлы обладают такой особенностью, как эксплуатационные характеристики. Под этим понятием понимается показатель, демонстрирующий надежность, долговечность и практичность детали, конструкции, изготовленной из металла либо его сплава. Такой показатель формируется на основании обобщения результатов технических испытаний, разнопрофильных замеров.
К такой категории показателей относят жаропрочность, хладостойкость, стойкость к коррозии, антифрикционные характеристики, циклическая вязкость и т.п.
Под «износостойкостью» понимают способность материала, из которого изготовлены различные конструкции, противостоять абразивному износу, в т.ч. при наличии процессов трения поверхностей деталей (инструментов) при работе.
Группа металлов с циклической вязкостью способны выдерживать знакопеременные динамические давления. При этом они не разрушаются. Детали, изготовленные из таких металлов, — идеальный вариант для изготовления рессор автомобилей, пружин различных вариаций. Детали, изготовленные из металлов с циклической вязкостью, способны функционировать в неблагоприятных условиях длительные отрезки времени.
Определение понятия «Демпфирование» гласит, что металл способен гасить колебания, рассеивать их, а также противостоять направленным нагрузкам. К таким материалам относят серые литейные чугуны. Они годны для изготовления станин станков, кронштейнов и т.п.
Одной из общих эксплуатационных характеристик является жаропрочность. Краткое описание сводится к способности материалов выдерживать серьезные механические нагрузки, особенно при высоких температурах. Показатель жаропрочности определяется тугоплавкостью химических веществ. Для современных двигателей такая характеристика очень важна. В ходе самого процесса происходит ослабление химических связей, поэтому снижаются упругость, вязкость, твердость. В результате этого деталь постепенно приходит в негодность. Если в не жаропрочные углеродистые стали добавить в определенных количествах алюминий (магний, титан), они повысят жаропрочность до 600оС. Если же в состав материала вводить никель (кобальт), он будет устойчив вплоть до 1000оС.
Жаростойкость характеризует способность металла не подвергаться коррозии. Насколько велика жаростойкость, можно определить по глубине коррозии. Высокой устойчивостью обладают легированные стали, чугуны, сплавы с хромом, никелем, вольфрамом, ванадием. Эти элементы проявляют жаростойкость при 800-1000оС и выше.
Хладностойкость показывает, насколько материал может сохранить вязкость при отрицательных температурах.
Антифрикционность является свойством, показывающим, насколько материал способен снизить трение между соприкасающимися поверхностями в механизмах и деталях. Антифрикционные материалы используют для изготовления подшипников для различных механизмов.
Прирабатываемость — возможность конструкций, изготовленных из определенных материалов, «подстраиваться» в рабочем процессе, например, увеличивать площадь соприкосновения, уменьшать температуру поверхности или давление на нее.
Таблица, примеры
Физические свойства металлов изучались давно и серьезно. Сегодня существуют различные таблицы, содержащие обобщенные данные о химических свойствах, механических и эксплуатационных характеристиках. Например, в электрохимическом ряду напряжения металлов они расположены в порядке уменьшения своей восстановительной способности.
Прочие свойства металлов отражены в таблице.
Свойство
Определение
Значение для некоторых металлов
Примечание
Металлический блеск
Способность поверхности металла отражать световые лучи
—
In и Ag отражают свет лучше других металлов, поэтому применяются для изготовления зеркал
Плотность, ρ
Физическая величина, измеряемая отношением массы тела к его объему
Свойства металлов — общие химические и физические свойства
Физические и химические качества
Каждый так или иначе в жизни сталкивался с химией в быту и химическими реакциями. Это взаимодействие определённого вещества с другим, в результате которого появляется третье. Простейший пример — растворение поваренной соли в воде. Способность металлов реагировать с другими веществами и отношение к воздействиям активных сред — это и есть химические свойства. К ним относятся окисляемость и коррозионная стойкость. Металлы реагируют с кислородом, образуя плёнку, это свойство называется окисляемость. Кристаллическая решётка металлов выглядит таким образом, что они имеют на внешнем уровне один, два или три электрона, которые отдают, проявляя восстановительные свойства.
При перемещении в таблице Менделеева слева направо увеличивается число электронов на внешнем уровне, при этом происходит усиление окислительных свойств. Также все металлы подвержены коррозии. Способность противостоять коррозии — это и есть коррозионная стойкость. К физическим свойствам относятся:
Количество вещества, содержащееся в единице объёма материала, называется плотностью или удельным весом.
Чем меньше удельный вес, тем легче материал.
Лёгкими считаются алюминий, олово, магний, титан. Тяжёлыми являются более 40 существующих в природе элементов. Это хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк, галлий, германий, молибден, кадмий, олово, сурьма, теллур, вольфрам, ртуть, таллий, свинец, висмут.
Способность металла переходить из твёрдого состояния в жидкое называется плавлением. Все материалы имеют разные температуры плавления. Некоторые сплавы — тугоплавкие, другие тягучие и легко превращаются в жидкую массу под действием высоких температур. Теплопроводность характеризует скорость проведения тепла при нагревании. Проводя сравнение с другими материалами, можно заметить, что металлы имеют хорошую теплопроводность. В отличие от диэлектриков металлические сплавы проводят электрический ток, но некоторые из них делают это лучше, некоторые почему-то хуже. Такая способность называется электропроводностью или токопроводимостью и зависит от строения кристаллической решётки. Хорошо проводят ток серебро, медь, золото, алюминий и железо. Эти металлы довольно широко распространены в приборостроении и электротехнической промышленности.
Возможность увеличения объёма при нагревании называется тепловым расширением.
К механическим свойствам металлов относятся твёрдость, прочность, упругость, вязкость и пластичность.
Подробное описание механических свойств
При соприкосновении двух тел образуется микровмятины, но более твёрдый материал способен противостоять ударам в большей степени. Сопротивляемость металлической поверхности к проникновению в неё другого твёрдого тела называется твёрдостью.
Помимо твёрдости, важной характеристикой является прочность. Это способность оказывать сопротивление разрушению под действием каких-либо других внешних сил. При быстром возрастании нагрузки при ударе очень важна вязкость материала — это способность сопротивляться ударным нагрузкам. Металл обладает таким свойством, как упругость. Эта характеристика позволяет вернуть первоначальную форму и размер после того, как действующая сила будет устранена. Следующие понятие — пластичность. Под этим термином понимают способность металла менять форму под внешним воздействием и возвращаться в изначальное состояние, после того как это воздействие будет снято.
Эксплуатационные характеристики
В производственном процессе очень важна технологичность. Это способность подвергаться различным видам обработки с целью создания различных изделий. Технологические свойства:
Под воздействием внешних сил металл может изменять форму как в нагретом, так и в холодном состоянии. Это способность называется ковкостью. Это свойство было обнаружено человеком ещё в древности. В отличие от камня, который при сильных ударах крошится и рассыпается, металлические заготовки хорошо поддаются обработке. Им можно придать определённую форму, используя молот и наковальню. Это обусловлено строением кристаллической решётки.
Две поверхности из металлических сплавов при нагревании можно прочно соединять друг с другом, такая способность называется свариваемостью.
Важная характеристика расплавленного металла называется текучестью. Она характеризует способность материала растекаться по заготовленной форме. Каждый металл может подвергаться закалке на определённую глубину. Это свойство называется прокаливаемость. К основным операциям на производстве для получения заготовок относится обработка режущими инструментами. Подверженность к обработке резанием — ещё одно свойство металлических соединений.
Металлы-рекордсмены
Учёные давно определили, какие материалы и сплавы являются рекордсменами по различным параметрам. Самый твёрдый металл на планете — хром. Этот голубовато-белый материал с характерным блеском был открыт в 1766 году под Екатеринбургом. Минерал назывался «сибирский красный свинец». За ним следуют вольфрам, титан, осмий, иридий. Последний встречается очень редко. Сплавы, содержащие хром в сочетании с никелем, хромом, ванадием, железом, широко используются в промышленности.
Наиболее мягкими минералами считаются алюминий, серебро и медь. Они нашли широкое применение в различных областях, например, в электроаппаратостроении, из-за своих характеристик, так как легко поддаются обработке. Следует перечислить и другие мягкие металлы: это калий, натрий, рубидий, цезий. А какой самый пластичный металл? Все рекорды бьёт золото. На втором месте в этом списке стоит свинец. Кроме пластичности, золото обладает хорошей тягучестью и ковкостью и является лидером в списке тягучих металлов. В чистом виде оно имеет ярко-жёлтый цвет, обладает высокой теплопроводностью, влагоустойчивостью и не окисляется при нормальной температуре. Плёнка из окиси образуется только при нагревании до 100 °C. Золотые слитки ярко блестят. За счёт своих удобных для обработки физических свойств получили широкое применение для ювелирных украшений.
Самым тугоплавким был признан вольфрам с температурой плавления +3420 °C. В электрических лампочках нити накаливания изготовлены именно из него. А самый тугоплавкий сплав состоит из карбидов гафния и тантала. В промышленности металлы в основном применяются в виде сплавов и делятся на чёрные и цветные. Первая группа включает в себя сплавы железа с углеродом. В зависимости от содержания углерода они подразделяются на сталь и чугун. В цветной металлургии широкое применение получили:
В процессе развития химии люди научились делать более прочные сплавы. При помощи современных технологий можно создать ещё более прочные конструктивы на основе общих сравнительных характеристик.
Очень важный параметр при этом — удельная прочность. Для её расчёта берётся образец металла для проведения испытаний на установке. Уменьшается толщина и площадь поперечного сечения, одновременно увеличивается длина. В какой-то момент образец начинает растягиваться только в одном месте, образуя шейку, и происходит разрыв в этой области. Хрупкие материалы, например, сталь твёрдых сплавов и чугун, растягиваются меньше без образования шейки. Специальный прибор вымеряет силу, далее вычисляется предел прочности, для этого максимальную нагрузку до разрыва надо делить на площадь сечения до удлинения. Высокопрочными считаются титан, вольфрам, бериллий, уран, хром и некоторые другие.
Свойства металлов и сплавов делятся на 4 основные группы:
Физические свойства металлов и сплавов.
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся цвет, плотность (удельный вес), плавкость, тепловое расширение, теплопроводность, теплоемкость, электропроводность и способность их намагничиваться. Эти свойства называют физическими потому, что обнаруживаются в явлениях, которые не сопровождаются изменением химического состава вещества, т. е. металлы и сплавы остаются неизмененными по составу при нагревании, прохождении через них тока, тепла, а также при их намагничивании и плавлении. Многие из указанных физических свойств имеют установленные единицы измерения, по которым судят о свойствах металла.
Металлы и сплавы не прозрачны. Даже тонкие слои металлов и сплавов не способны пропускать лучи, но они имеют в отраженном свете внешний блеск, причем каждый из металлов и сплавов имеет свой особый оттенок блеска или, как говорят, цвет. Например, медь имеет розово-красный цвет, цинк — серый, олово — блестяще-белый и т. д.
Плавление — способность металлов и сплавов переходить из твердого состояния в жидкое, характеризуется температурой плавления. Металлы, имеющие высокую температуру плавления, называют тугоплавкими (вольфрам, платина, хром и т.д.). Металлы, имеющие низкую температуру плавления, называют легкоплавкими (олово, свинец и т.д.).
5000·0,000012·20 = 1,2 м
5000·0,000017·20= 1,7 м
5000·0,000023·20=2,3 м
(Во всех трех случаях расчета не принимался во внимание коэффициент трения от собственного веса.) На основании приведенных выше расчетов цветные металлы при нагревании расширяются в большей степени, чем сталь, что необходимо учитывать в процессе сварки.
Теплопроводность —способность металлов и сплавов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу или сплаву при нагревании. При охлаждении металлы и сплавы, обладающие большой теплопроводностью, быстрее отдают тепло. Теплопроводность красной меди в 6 раз выше теплопроводности железа. При сварке металлов и сплавов, имеющих большую теплопроводность, требуется предварительный, а иногда и сопутствующий подогрев.
Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают медь, алюминий и их сплавы.
Магнитные свойства — способность металлов намагничиваться, которые проявляются в том, что намагниченный металл притягивает к себе металлы, обладающие магнитными свойствами.
Химические свойства металлов и сплавов.
Под химическими свойствами металлов и сплавов понимают их способность вступать в соединения с различными веществами и в первую очередь с кислородом. К химическим свойствам металлов и сплавов относят:
Стойкостью металлов и сплавов на воздухе называют способность последних противостоять разрушающему действию кислорода, находящемуся в воздухе.
Кислотостойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушающему действию кислот. Например, соляная кислота разрушает алюминий и цинк, а свинец не разрушает; серная кислота разрушает цинк и железо, но почти не действует на свинец, алюминий и медь.
Щелочестойкостью металлов и сплавов называют способность противостоять разрушающему действию щелочей. Щелочи особенно сильно разрушают алюминий, олово и свинец.
Жаростойкостью называют способность металлов и сплавов противостоять разрушению кислородом при нагреве. Для повышения жаростойкости вводят специальные примеси в металл, как, например, хром, ванадий, вольфрам и т. д.
Старение металлов — изменение свойств металлов во времени вследствие внутренних процессов, обычно протекающее замедленно при комнатной температуре и более интенсивно при повышенной температуре. Старение стали обусловлено выделением по границам зерен карбидов и нитридов, что приводит к повышению прочности и снижению пластичности стали. К элементам, уменьшающим склонность к старению стали, относятся алюминий и кремний, а способствующим старению — азот и углерод.
Механические свойства металлов и сплавов.
К основным механическим свойствам металлов и сплавов относятся
Прочностью называют сопротивление металла или сплава деформации и разрушению под действием механических нагрузок. Нагрузки могут быть сжимающими, растягивающими, скручивающими, срезающими и изгибающими ( рис. 1 ).
Твердостью называют способность металла или сплава оказывать сопротивление прониканию в него другого более твердого тела.
В технике наибольшее применение получили следующие способы испытания твердости металлов и сплавов:
Упругостью называют способность металла или сплава изменять свою первоначальную форму под действием внешней нагрузки и восстанавливать ее после прекращения действия нагрузки ( рис. 3 ).
Пластичностью называют способность металла или сплава, не разрушаясь, изменять форму под действием нагрузки и сохранять эту форму после ее снятия. Пластичность характеризуется относительным удлинением и относительным сужением.
где Δl = l1-l0 — абсолютное удлинение образца при разрыве;
δ — относительное удлинение;
l1—длина образца в момент разрыва;
l0 —первоначальная длина образца;
где Ψ —относительное сужение при разрыве;
F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца;
F — площадь образца после разрыва
А = Р (Н — h) кгс • м
где Н — высота подъема маятника до удара в м
h —высота подъема маятника после удара в м
Р — ударная сила.
Затем определяют ударную вязкость
где ан —ударная вязкость в кГс·м/см 2
Ползучестью называют свойство металла или сплава медленно и непрерывно пластически деформироваться под действием постоянной нагрузки (особенно при повышенных температурах).
Усталостью называют постепенное разрушение металла или сплава при большом числе повторно-переменных нагрузок, а свойство выдерживать эти нагрузки называют выносливостью.
где F0 — площадь поперечного сечения образца перед испытанием в мм 2
Предел текучести (физический) σт —наименьшее напряжение, при котором происходит деформация испытуемого образца без увеличения нагрузки (нагрузка не увеличивается, а образец удлиняется),
Предел текучести условный (технический) σо,2 — напряжение, при котором остаточная деформация образца достигает 0,2% :
Предел пропорциональности σпц — условное напряжение, при котором отступление от линейной зависимости между напряжениями и деформациями достигает определенной степени, устанавливаемой техническими условиями:
Истинное сопротивление разрыву Sк —напряжение в шейке растягиваемого образца, определяемое как отношение растягивающей силы, действующей на образец непосредственно перед его разрывом, к площади поперечного сечения образна в шейке ( F ):
Технологические свойства металлов и сплавов.
К технологическим свойствам металлов и сплавов относятся:
Обрабатываемостью резанием называют способность металлов и сплавов поддаваться механической обработке режущим инструментом.
Ковкостью называют способность металлов и сплавов принимать необходимую форму под действием внешних сил как в холодном, так и в горячем состоянии.
Жидкотекучестью называют способность металлов и сплавов заполнять литейные формы. Высокой жидкотекучестью обладает фосфористый чугун.
Усадкой называют способность металлов и сплавов при остывании уменьшать свой объем при затвердевании из жидкого состояния, охлаждении, спекании спрессованных порошков или сушке.
где Δl = l1-l0 — абсолютное удлинение образца при разрыве;
где Ψ —относительное сужение при разрыве;
где ан —ударная вязкость в кГс·м/см 2
