Какие из свойств металлов и сплавов относятся к физическим
На чтение 5 мин. Обновлено 27.04.2020
Металлические изделия и детали используются в разных сферах промышленности. Существует множество видов металлов и каждый из них обладает сильными и слабыми сторонами. При изготовлении деталей для машин, самолётов или промышленного оборудования мастера обращают внимание на характеристики материала. Поэтому требуется знать свойства металлов и сплавов.
Свойства металлов и сплавов
У металлов есть признаки, которые их характеризуют:
- Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
- Блеск на изломе.
- Ковкость.
- Кристаллическая структура.
Не все материалы прочные и обладают высокими показателя износоустойчивости. Это же касается плавления при высоких температурах.
Классификация металлов
Металлы разделяются на две большие группы — черные и цветные. Представители обоих видов различаются не только характеристиками, но и внешним видом.
Черные
Представители этой группы считаются самыми распространёнными и недорогими. В большинстве своем имеют серый или тёмный цвет. Плавятся при высокой температуре, обладают высокой твердостью и большой плотностью. Главный представитель этой группы — железо. Эта группа разделяется на подгруппы:
- Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
- Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
- Редкоземельные — к ним относятся церий, празеодим и неодим. Обладают низкой прочностью.
Существуют урановые и щелочноземельные металлы, однако они менее популярны.
Цветные
Представители этой группы отличаются яркой окраской, меньшей прочностью, твердостью и температурой плавления (не для всех). Разделяется эта группа на следующие подгруппы:
- Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
- Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
- Благородные — представили этой подгруппы имеют высокую стоимость и устойчивость к коррозийным процессам. К ним относятся золото, палладий, иридий, платина, серебро и другие.
Выделяются тугоплавкие и легкоплавкие металлы. К тугоплавким относится вольфрам, молибден и ниобий, а к легкоплавким все остальные.
Основные виды сплавов
Человечество знакомо с различными металлическими сплавами. Самыми многочисленными из них являются соединения на основе железа. К ним относятся ферриты, стали и чугун. Ферриты имеют магнитные свойства, в чугуне содержится более 2,4% углерода, а сталь — это материал с высокой прочность и твердостью.
Отдельное внимания требуют металлические сплавы из цветных металлов.
Производство стали
Цинковые сплавы
Соединения металлов, которые плавятся при низких температурах. Смеси на основе цинка устойчивы к воздействию коррозийных процессов. Легко обрабатываются.
Алюминиевые сплавы
Популярность алюминий и сплавы на его основе получили во второй половине 20 века. Этот материал обладает такими преимуществами:
- Устойчивость к низким температурам.
- Электропроводность.
- Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
- Износоустойчивость.
Однако нельзя забывать про то, что алюминий плавится при низких температурах. При температуре около 200 градусов характеристики ухудшаются.
Алюминий применяется при изготовлении комплектующих к машинам, производстве деталей для самолётов, составляющих промышленного оборудования, посуды, инструментов. Не многие знают, что алюминий популярен в сфере производства оружия. Связано это с тем, что детали из алюминия не искрят при сильном трении.
Чтобы увеличить прочность детали, алюминий смешивают с медью. Чтобы заготовка выдерживала давление — с марганцем. Кремний добавляют, чтобы получить обычную отливку.
Медные сплавы
Сплавы на основе меди — марки латуни. Из этого материала изготавливаются детали высокой точности, так как латунь легко обрабатывать. В составе сплава может содержаться до 45% цинка.
Свойства сплавов
Чтобы изготавливать детали и конструкции, нужно знать основные свойства металлов и сплавов. При неправильной обработке готовая деталь может быстро выйти из строя и разрушить оборудование.
Двигатель внутреннего сгорания
Физические свойства
Сюда относятся визуальные параметры и характеристики материала, изменяющиеся при обработке:
- Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
- Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
- Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
- Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
- Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
- Восприимчивость к действию магнитов. Это возможность материала проводить через себя магнитные лучи.
Физические основы позволяют определить в какой сфере будет использоваться материал.
Химические свойства
Сюда относятся возможности материала противостоять воздействию химических веществ:
- Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
- Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
- Окисляемость. Параметр указывает на выделение оксидов металлом при его взаимодействии с кислородом.
Обуславливаются эти характеристики химическим составом материала.
Механические свойства
Механические свойства металлов и сплавов отвечают за целостность структуры материала:
- прочность;
- твердость;
- пластичность;
- вязкость;
- хрупкость;
- устойчивость к механическим нагрузкам.
Технологические свойства
Технологические свойства определяют способность металла или сплава изменяться при обработке:
- Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
- Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
- Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
- Обработка режущим инструментом.
- Ликвация (затвердевание жидкого металла при понижении температуры).
Основной способ обработки металлических деталей — нагревание.
Свойства металлов и сплавов отвечают за то, как себя будет вести готовое изделие при эксплуатации. При обработке материалов также важно знать его характеристики.
Вопрос
Механические свойства
К основным механическим свойства относят:
— прочность
— пластичность
— твердость
Прочность – способность материала сопротивляться разрушению под действием нагрузок.
Пластичность – способность материала изменять свою форму и размеры по действием внешних сил.
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него другого тела.
Физические свойства
К физическим свойства относят:
— цвет
— плотность
— температуру плавления
— теплопроводность
— электропроводность
— магнитные свойства
Цвет – способность металлов отражать излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розовато-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.
Плотность металла определяется отношением массы к единице объема. По плотности металлы делят на легкие (менее 4500 кг/м3) и тяжелые.
Температура плавления – температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие (вольфрам – 3416 оС, тантал – 2950 оС и др.) и легкоплавкие (олово – 232 оС, свинец – 327 оС). В единицах СИ температуру плавления выражают в градусах Кельвина (К).
Теплопроводность – способность металлов передавать тепло от более нагретых участков тела к менее нагретым. Большой теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий. В единицах СИ теплопроводность имеет размерность Вт/(м·К).
Способность металлов проводить электрический ток оценивают двумя противоположными характеристиками – электрической проводимостью и электрическим сопротивлением.
Электропроводность оценивается в системе СИ в сименсах (См). Электросопротивление выражают в омах (Ом). Хорошая электропроводность необходима, например, для токонесущих проводов (их изготавливают из меди, алюминия). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (из нихрома, константана, манганина). С повышением температуры металла его электропроводность уменьшается, а с понижением – увеличивается.
Магнитные свойства выражаются в способности металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, которые называют ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.
Химические свойства
Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, растворами щелочей и др.
К химическим свойствам относят:
— коррозионную стойкость
— жаростойкость
Коррозионная стойкость – способность металлов сопротивляться химическому разрушению под действием на их поверхность внешней агрессивной среды (коррозия происходит при вступлении в химическое взаимодействие с другими элементами).
Жаростойкость – способность металлов сопротивляться окислению при высоких температурах
Химические свойства учитывают в первую очередь для изделий или деталей, работающих в химически агрессивных средах:
— емкости для перевозки химических реактивов
— трубопроводы химических веществ
— приборы и инструменты в химической промышленности
Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.
1. Литейные свойства — характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.
Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.
Усадка (линейная и объемная)– характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.
Ликвация – неоднородность химического состава по объему.
2. Способность материала к обработке давлением — это способность материала изменять размеры и форму под влиянием внешних нагрузок не разрушаясь.Она контролируется в результате технологических испытаний, проводимых в условиях, максимально приближенных к производственным. Листовой материал испытывают на перегиб и вытяжку сферической лунки. Проволоку испытывают на перегиб, скручивание, на навивание. Трубы испытывают на раздачу, сплющивание до определенной высоты и изгиб.Критерием годности материала является отсутствие дефектов после испытания.
3. Свариваемость — это способность материала образовывать неразъемные соединения требуемого качества. Оценивается по качеству сварного шва.
4. Способность к обработке резанием — характеризует способность материала поддаваться обработке различным режущим инструментом. Оценивается по стойкости инструмента и по качеству поверхностного слоя.
Эксплуатационные свойства характеризуют способность материала работать в конкретных условиях.
1. Износостойкость– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению под действием внешнего трения.
2. Коррозионная стойкость (см. Электрохимическая и химическая коррозия металлов) – способность материала сопротивляться действию агрессивных кислотных, щелочных сред.
3. Жаростойкость (см. Жаростойкость. Жаростойкая сталь. Жаростойкие сплавы.) – это способность материала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.
4. Жаропрочность – это способность материала сохранять свои свойства при высоких температурах.
5. Хладостойкость – способность материала сохранять пластические свойства при отрицательных температурах.
6. Антифрикционность – способность материала прирабатываться к другому материалу.
Вопрос
Кристаллизация металлов и сплавов
Процесс кристаллизации.
При переходе металла из жидкого состояния в твердое образуются кристаллы. Такой процесс называют кристаллизацией.
Процесс кристаллизации металла можно рассматривать по кривым охлаждения, которые обычно получают опытным путем. Например, для чистого металла, охлаждаемого очень медленно, кривая охлаждения показывает, что, если металл находится в жидком состоянии, температура понижается почти равномерно. Если металл охладить до температуры плавления Тпл (точка а на кривой), то начинается кристаллизация ипадение температуры прекращается, несмотря на непрерывную отдачу тепла окружающей атмосфере. Получаемый горизонтальный участок на кривой охлаждения показывает, что в металле происходит процесс образования кристаллов с выделением тепла, называемый теплотой кристаллизации.Кристаллизация протекает от точки а до точки б, где она заканчивается и металл затвердевает. Дальнейшее падение температуры на кривой указывает на охлаждение затвердевшего слитка (рис. А).
В металлических сплавах кривая охлаждения имеет несколько иной вид. Охладившись до температуры плавления ТПл, сплав еще некоторое время остается жидким. Кристаллизация сплава начинается при температуре переохлаждения Тп, лежащей ниже теоретической температуры плавления. Разность между теоретической и фактической температурами кристаллизации называют степенью переохлаждения.Она зависит от природы сплава, его чистоты и скорости охлаждения. Чем больше скорость охлаждения сплава, тем больше степень переохлаждения. Петля на кривой охлаждения показывает, что кристаллизация сопровождается выделением тепла, которое повышает температуру сплава до температуры плавления, поддерживая ее до полного затвердевания металла. (рис.Б)
Аморфные тела затвердевают постепенно. В этом случае кривая охлаждениябудет плавной, без горизонтальных площадок. (рис.В)
Процесс образования кристаллов состоит из двух одновременно протекающих стадий: появления зародышей — устойчивых центров кристаллизации и роста кристалликов вокруг этих центров.
Сначала каждый кристаллик в жидкости растет свободно, сохраняя правильную геометрическую форму. Так как одновременно образуется много кристаллических центров и рост кристалликов идет по всем направлениям, то смежные кристаллы, увеличиваясь, начинают непосредственно соприкасаться друг с другом и правильная форма их нарушается. В результате кристалл приобретает округленную форму, напоминающую зерно. Такие кристаллы принято называть кристаллитами или зернами.
В зависимости от условий затвердевания зерна могут быть крупными, хорошо различимыми невооруженным глазом, и мелкими, которые можно рассмотреть только при помощи металлографического микроскопа.
Процесс кристаллизации может быть описан количественно, если известны зарождение центров кристаллизации и скорость роста кристалликов. Число центров кристаллизации и скорость роста кристалликов зависят от степени переохлаждения металла. С увеличением степени переохлаждения ∆T число центров и скорость роста также возрастают, достигая максимального значения. Однако характер роста величин числа центров и скорости роста различен.
Если степень переохлаждения невелика, то скорость роста преобладает над числом центров, в результате чего образуется крупнозернистая структура.С увеличением степени переохлаждения скорость роста не изменяется, число центров продолжает расти, что приводит к образованию мелкозернистой структуры.
Свойства металлов.
1.Основные свойства металлов.
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.
К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.
1. Физические и химические свойства.
Цвет. Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.
Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.
Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.
По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.
Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.
Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 2730С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +2320 (олово) до 33700 (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).
Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.
Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).
Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.
Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.
Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 10.
Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 10.
Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.
Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 10 к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10-6 , а свинец 29,5 ·10-6.
Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.
Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.
2. Механические свойства.
Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)
Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.
Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.
В табл. 1 приведены свойства технических металлов.
Таблица 1.
Свойства технических металлов.
3. Значение свойств металлов.
Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, — это достаточная прочность.
Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.
Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.
Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью
Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.
Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).
Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность( отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.
Плавкость используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.
Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.
Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи ( телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.
Теплопроводность металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.
Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.
Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.