Какие свойства металлов и сплавов лежат в основе образования литературных

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:

1. Высокие показатели теплопроводности. Металлические материалы хорошо проводят электричество.
2. Блеск на изломе.
3. Ковкость.
4. 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:

1. Железные — к представителям этой подгруппы относится железо, никель и кобальт.
2. Тугоплавкие — сюда входят металлы температура плавления которых начинается с 1600 градусов. Их применяют при создании основ для сплавов.
3. 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:

1. Лёгкие — подгруппа, включающая в себя металлы с плотностью до 5000 кг/м3. Это такие материалы, как литий, натрий, калий, магний и другие.
2. Тяжёлые — сюда относится серебро, медь, свинец и другие. Плотность превышает 5000 кг/м3.
3. 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:

1. Устойчивость к низким температурам.
2. Электропроводность.
3. Малый вес заготовок в сравнении с другими металлами.
4. 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:

1. Теплопроводность. От этого зависит насколько поверхность будет передавать тепло при нагревании.
2. Плотность. По этому параметру определяется количество материла, которое содержится в единице объёма.
3. Электропроводность. Возможность металла проводить электрический ток. Этот параметр называется электрическое сопротивление.
4. Цвет. Этот визуальный показатель меняется под воздействием температур.
5. Прочность. Возможность материала сохранять структуру при обработке. Сюда же относится твердость. Эти показатели относятся и к механическим свойствам.
6. 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:

1. Устойчивость к коррозийным процессам. Этот показатель определяет на сколько материал защищён от воздействия воды.
2. Растворимость. Устойчивость металла к воздействию растворителей — кислотам или щелочным составам.
3. 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:

1. Ковкость. Обработка заготовки давлением. Материал не разрушается. Структура изменяется.
2. Свариваемость. Восприимчивость детали к работе сварочным оборудованием.
3. Усадка. Происходит этот процесс при охлаждении заготовки после её разогрева.
4. Обработка режущим инструментом.
5. 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.

Учебник для 11 класса

Естествознание

1. Назовите три исторические эпохи в развитии цивилизации, для которых было характерно производство орудий труда и оружия из соответствующих материалов.
2. Перечислите основные рудные (или металлические) месторождения в России.
3. Объясните, какие металлы называют благородными и почему, какую роль они играли в истории человечества с древнейших времён и до наших дней.
4. Приведите примеры литературных и музыкальных произведений, связанных сюжетно или по названию с металлами и сплавами.

Механизм образования металлической химической связи. Для атомов металлов характерны некоторые отличительные особенности строения. Первая: они, как правило, имеют 1—3 электрона на внешнем энергетическом уровне. Однако у атомов олова и свинца валентных электронов 4, у сурьмы и висмута — 5, а у полония — 6. Почему же эти элементы являются металлами? Ответ получим, зная о второй особенности строения атомов металлов — у них сравнительно большой радиус. Поэтому валентные электроны притягиваются к положительному ядру слабее и легко отрываются от атома.

Атом, от которого «ушли» электроны, превращается в ион. В результате этого в металлическом изделии или кусочке металла формируется совокупность свободных электронов, которые непрерывно перемещаются между ионами. При этом, притягиваясь к положительным ионам металла, электроны вновь превращают их в атомы, затем снова отрываются, превращая в ионы, и так бесконечно. Следовательно, в металлах происходит непрерывный процесс превращения «атом ион», его осуществляют валентные электроны, а частицы, из которых состоят металлы, так и называют — атом-ионы.

То же самое наблюдается и в металлических сплавах.

Эта связь определяет особое кристаллическое строение металлов и сплавов — металлическую кристаллическую решётку, в узлах которой расположены атом-ионы.

Наиболее характерные свойства металлов. Такие свойства металлов, как пластичность, ковкость, электро- и теплопроводность, металлический блеск, способность к образованию сплавов, обусловлены именно металлической кристаллической решёткой и металлической связью.

Пластичность — важнейшее свойство металлов, выражающееся в их способности деформироваться под воздействием механической нагрузки. Это свойство лежит в основе обработки металла давлением (ковка, прокатка и др.), протягивании его в проволоку и т. п.

Пластичность металла объясняется тем, что под внешним воздействием одни слои атом-ионов в кристаллах легко смещаются, как бы скользят относительно друг друга без разрыва связи между ними.

Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Недаром для своего знаменитого опыта, позволившего создать планетарную модель атома, Э. Резерфорд использовал именно золото, из которого была изготовлена фольга толщиной всего 0,003 мм. Такие же тонкие листочки фольги используются для золочения художественных изделий, например деревянной резьбы. Потрясает воображение сиянием золота декор залов Петергофского дворца (рис. 17) под Санкт-Петербургом и резной золочёный деревянный алтарь Успенского собора во Владимире.

Рис. 17. Золочёная резьба по дереву — основной элемент декора аудиенц-зала Большого Петергофского дворца. 1714—1755

Замечательные изделия из золота дошли до нас через тысячелетия (рис. 18).

Рис. 18. Так называемая золотая маска Агамемнона (XIV в. до н. э.), найденная Г. Шлиманом при раскопках в Микенах

Высокая электропроводность металлов объясняется наличием в них подвижных электронов, которые под действием электрического поля начинают двигаться направленно. Лучшими проводниками электрического тока являются золото, серебро и медь, немного уступает им алюминий. Однако в большинстве стран провода и кабели делают в основном не из меди, а из более дешёвого алюминия. Хуже всего электрический ток проводят марганец, свинец, ртуть, вольфрам и некоторые другие тугоплавкие металлы.

Теплопроводность металлов также объясняется высокой подвижностью электронов, которые, сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами металлов, обмениваются с ними тепловой энергией. С повышением температуры эти колебания ионов с помощью электронов передаются другим ионам, и температура металла быстро выравнивается. О практическом значении этого свойства вы можете судить по равномерному нагреванию кухонной металлической посуды.

Гладкая поверхность металла или металлического изделия характеризуется металлическим блеском, который является результатом отражения световых лучей. Высокой световой отражательной способностью обладают ртуть (её раньше использовали для изготовления знаменитых венецианских зеркал), серебро, палладий и алюминий. Последние три металла в настоящее время используются при производстве зеркал, прожекторов и фар.

В порошкообразном виде металлы теряют блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только магний и алюминий сохраняют его. Поэтому из алюминиевой пыли делают краску серебрянку для декоративных покрытий.

Большинство металлов имеет серебристобелый цвет, золото и медь — соответственно жёлтый (червонный) или красно-жёлтый (медный) цвет (рис. 19).

Рис. 19. Самородки: а — золота; б — меди; в — серебра

Металлы также классифицируются в зависимости от своей плотности, температуры плавления и твёрдости. Все металлы при обычных условиях — твёрдые вещества. Исключение составляет жидкая ртуть. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (так, хром по твёрдости приближается к алмазу). Самые мягкие — щелочные металлы, натрий и калий, например, 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 металлов побочных подгрупп — скандий, иттрий и титан. Эти металлы благодаря легкоплавкости и тугоплавкости всё шире применяют в различных областях техники.

Самый лёгкий металл — литий, плотность которого 0,53 г/см3, самый тяжёлый — осмий с плотностью 22,6 г/см3.

Лёгкие металлы обычно легкоплавки (галлий может плавиться уже на ладони руки), а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшая температура плавления — у вольфрама (+3422 °С). Это его свойство (так же как и огромное электрическое сопротивление) используют для изготовления ламп накаливания. Однако сейчас в Российской Федерации, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы — галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, но заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома и иода). Люминесцентные лампы — 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 самые экономичные и самые долговечные (срок их работы — до 100 тыс. ч).

Металлические сплавы и области их применения. Металлическая химическая связь и металлическая кристаллическая решётка характерны не только для чистых металлов, но и для их сплавов. Это отличает металлические сплавы от неметаллических, как искусственных (стекла, керамики, фарфора, фаянса), так и природных (гнейсов, базальтов, гранитов и т. д.).

Ещё в глубокой древности люди заметили, что сплавы обладают другими, нередко более полезными свойствами, чем входящие в их состав чистые металлы. Поэтому металлы в чистом виде используются редко. Например, у первого полученного человеком сплава — бронзы — прочность выше, чем у её составляющих — меди и олова. Сталь и чугун прочнее чистого железа. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди, никеля, называемый дюралюминием, в 4 раза прочнее алюминия и используется в самолётостроении (рис. 20), а потому образно называется «крылатым» металлом.

Рис. 20. Один из самых больших пассажирских самолётов «Конкорд» — 20 тонн дюралюминия

Кроме большей прочности сплавы обладают и лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, а оловянная бронза имеет прекрасные литейные качества — из неё отливают художественные изделия, памятники, которые требуют тонкой проработки деталей (рис. 21).

Рис. 21. Э. Фальконе. Медный всадник — памятник Петру I в Санкт-Петербурге. 1768—1770

Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал (рис. 22).

Рис. 22. Чугунная решётка Летнего сада в Санкт-Петербурге, вы полненная по проекту архитекторов Ю. Фельтена, И. Фока и П. Егорова. 1771—1784

Кроме высоких механических качеств, сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Например, нержавеющая сталь — сплав на основе железа — обладает высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и высокой жаропрочностью.

Начавшаяся примерно 100 лет назад научно-техническая революция, затронувшая и промышленность, и социальную сферу, также тесно связана с производством металлов и сплавов (рис. 23).

Рис. 23. Эйфелева башня в Париже, названная в честь своего конструктора Густава Эйфеля. 1887—1889

На основе вольфрама, молибдена, титана и других металлов начали создавать устойчивые к коррозии, сверхтвёрдые и тугоплавкие сплавы, применение которых значительно расширило возможности машиностроения. В ядерной и космической технике из сплава вольфрама и рения делают детали, выдерживающие температуру до +3000 °С (рис. 24). В медицине используют хирургические инструменты и имплантаты из сплавов тантала и платины.

Рис. 24. Космическая техника, при создании которой используются современные сплавы

В следующем параграфе познакомимся с молекулярно-кинетической теорией, рассмотрим различные агрегатные состояния вещества и взаимные переходы из одного состояния в другое.

Теперь вы знаете

• механизм образования металлической химической связи
• наиболее характерные свойства металлов
• металлические сплавы и области их применения

Теперь вы можете

• объяснить, что такое металлическая химическая связь и как она возникает
• назвать самые пластичные металлы, металлы с самой плохой электропроводностью, самый лёгкий и самый тяжёлый металл, металл с самой высокой температурой плавления
• дать сравнительную характеристику физических свойств металлов и сплавов
• перечислить те отрасли современной промышленности, где находят широкое применение металлические сплавы

Выполните задания

1. Назовите некоторые отличительные особенности, характерные для строения атомов металлов.
2. Дайте определение металлической связи, объясните, что из себя представляют атом-ионы и какую роль они играют в механизме образования химической связи.
3. Объясните, как особенности строения металлов — простых веществ сказываются на их физических свойствах, перечислите основные свойства металлов.
4. Охарактеризуйте тяжёлые и лёгкие металлы, легкоплавкие и тугоплавкие, назовите основные области их применения.
5. Приведите примеры наиболее выдающихся произведений искусства из металлов и сплавов.

Темы для рефератов

1. Типы металлических кристаллических решёток.
2. История возникновения и развития зеркального производства.
3. «Крылатый» металл и история мировой авиации.
4. История металлических денег в России.
5. Драгоценные металлы и сплавы в истории мирового искусства.
6. Роль современных сплавов в науке, технике, медицине, быту.