Какие свойства определяют у металлов
Главная > Новости > Какой металл лучше выбрать для поставленной цели?
Металлы отличаются друг от друга различными параметрами. Принято выделять физические и химические свойства металла.
Физические свойства определяют внешние характеристики металла. К ним относят: вес, цвет, электропроводность. Также физические свойства характеризуют то, насколько металл проводит тепло, какая у него плотность и пластичность.
Химические свойства связаны с реакцией металлов на определенные воздействия. Например, насколько сильно металл подвержен коррозиям, как он окисляется и способен ли растворяться в жидкостях.
Рассмотрим более подробно характеристики каждого из свойств.
- Цвет. Это характеристика, которая отображает оттенки металлов – серебристый, белый, стальной, желтый. Интересно то, что металлы не пропускают через себя свет. Они его отражают. Большая часть известных металлов имеет серебристо-белые оттенки. По цвету металлы подразделяются на черные и цветные.
- Способность плавиться. Одно из главных и основных свойств металлов. Характеризует реакцию металла на повышения и понижение температуры. Плавкость показывает, как быстро металл из твердого состояния, может превратиться в жидкое и наоборот. И какие температуры при этому нужны. Температуру при плавлении разных металлов часто меняют с определенными интервалами. Иногда, чтобы расплавить металл, нужно постепенно повышать температуру. Если это сделать сразу, качество изделия из этого металла может быть на низком уровне. Знание характеристик плавкости того или иного металла позволяет применять сплавы для создания специальных матриц, которые защищают различные приборы от возгорания.
- Электропроводность показывает, насколько металл способен пропускать и переносить электричество. Все металлы, по сравнению с другими материалами, отличаются огромной электропроводностью. Кстати, чем больше температура воздействия на металл, тем меньше он проводит через себя электричество. Сплавы из разных металлов характеризуются меньшей электропроводностью.
- Магнитные характеристики. Магнитностью обладают небольшое количество металлов – железо, николь, кобальт. Но при повышении температуры и эти металлы теряют свойство магнитности. На магнитные характеристики особое внимание уделяется во время создания машин и приборов связи.
- Теплопроводимость – способность металлов проводите тепло.
- Вес – он измеряется в граммах, расчет идет по одному кубическому сантиметру. Металлы подразделяются на тяжелые и легкие. Самый маленький удельный вес у магния, самый большой у вольфрама. В машиностроении данная характеристика металла является очень важным элементом.
Кстати, ртуть это единственный жидкий металл. Все остальные металлы относятся к твердым. Исключения составляют сплавы разным металлов.
Знание физических свойств металлов, позволяет применять их по назначению, выбирать способы обработки и прогнозировать сроки службы.
Рассмотрим подробнее химические свойства металлов.
Химические свойства зависят от того, как располагаются атомы. Тип кристаллической решетки также влияет на химию металла. Все металлы с легкостью отдают электроны.
Устойчивость к коррозиям. Коррозия – это изменение (разрушение) металлов в ходе какого-то воздействия. Воздействие может быть физическим, химическим. Всем известны пример коррозии – появление ржавчины на металлах. Стойкость к разрушению является очень важной характеристикой при выборе металла. Благородные металлы практически не подвергаются коррозии (например, золото, платина). Цветные металлы в меньшей степени подвержены разрушению. Больше всего поддаются коррозийным изменениям черные металлы. Для того, чтобы достичь высокой стойкости к разрушению, часто используют специальные покрытия и определяют, какой металл лучше подойдет для поставленной цели.
Способность к окислению. Данная характеристика отображает, как металл взаимодействует с кислородом с применением различных окислителей.
Способность к растворению. Есть группы металлов, которое при определенных условиях хорошо растворяются. Из них можно получить твердый раствор. Для растворения применяют различные кислоты. Также существует анодное растворение. Для этих целей применяется раствор электролита.
Ниже в Таблице 1 рассмотрены все физические показатели трех металлов.
Физические свойства металла | Алюминий | Железо | Медь | |
1 | Состояние | твердый | твердый | твердая |
2 | Цвет (оттенок) | серебристо-белый | серый | с красным оттенком |
3 | Пластичность | высоко-пластичный | пластичный | самый пластичный |
4 | Твердость | <2,5 | Диапазон от 2,5 до 5 | < 2,5 |
5 | Блеск | блестит | блестит на свежем срезе | блестит, если потереть |
6 | t плавления | Легкоплавкий (660) | Тугоплавкий (1540) | Средний (1080) |
7 | Плотность | Легкий (2,7) | Тяжелый (7,7) | Тяжелый (9) |
8 | Теплопроводность | + | + | + |
9 | Электропроводность | + | + | + |
Таблица 1. Сравнение физических свойств разных металлов.
(Условные обозначения: + «хорошая»)
Из данной таблицы видно, что сравниваемые металлы по одним свойствам одинаковые или очень схожи, а по другим явно отличаются друг от друга. Одни металлы можно отличить друг от друга по внешнему виду (цвет, блеск, состояние). А другие свои отличия проявляют в процессе воздействия на них (повышение/понижение температуры, физическое воздействие). Все эти свойства позволяют выбрать тот металл, который соответствует необходимым требованиям в производстве различных металлических изделий.
Рассмотрим химические свойства данных металлов.
- Алюминий – активный металл. При попадании на открытый воздух на поверхности появляется пленка оксида. Коррозия алюминия случается в очень редких случаях. Относится к металлам не подверженным к разрушению. Он хорошо взаимодействует с кислородом, галогенами, серой (при повышении температуры), с углеродом (при повышении температуры). Ртуть способна разрушить поверхность алюминия. Алюминий применяется как покрытие на изделиях с целью защиты от окисления во время нагревания.
- Железо – относится к металлам средней активности. При обычной температуре не взаимодействует с кислородом и водой. Но если воздух влажный, то железо очень быстро подвергается коррозии. На поверхности появляется ржавчина и темные пятна. С различными металлами железо легко образует сплавы. Взаимодействует с галогенами, серой, кислотами.
- Медь – при попадании на воздух сверху покрывается пленкой карбоната. Он предотвращает дальнейшее окисление почвы. При повышении температуры способна вступать в реакцию с простыми и сложными веществами.
Все металлы обладают определенными свойствами и характеристиками. Знание этих свойств необходимо для правильного применения металлов. Не все металлы одинаково реагируют на внешние условия, физическое воздействие, температуру. Физические и химические свойства относятся к самым главным характеристикам металлов.
Для исследования свойств металлов в наше время применяют различные методы. Проводят следующие виды анализа: химический, спектральный, механический, технологический. Это самые часто используемые методы, которые позволяют оценить качество изделия, и получить информацию о происхождении металла и его основные параметры.
06.09.2019
7
1782
На чтение 5 мин.
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.
Подробности
Подробности
Опубликовано 27.05.2012 13:19
Просмотров: 57810
Чтобы машина работала долго и надежно в различных условиях, необходимо ее детали изготовлять из материалов, имеющих определенные физические, механические, технологические и химические свойства.
Физические свойства. К этим свойствам относятся: цвет, удельный вес, теплопроводность, электропроводность, температура плавления, расширение при нагревании.
Цвет металла или сплава является одним из признаков, позволяющих судить о его свойствах. При нагреве по цвету поверхности металла можно примерно определить, до какой температуры он нагрет, что особо важно для сварщиков. Однако некоторые металлы (алюминий) при нагреве не меняют цвета.
Поверхность окисленного металла имеет иной цвет, чем не окисленного.
Удельный вес — вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах. Например, углеродистая сталь имеет удельный вес, равный 7,8 г/см. В авто- и авиастроении вес деталей является одной из важнейших характеристик, поскольку конструкции должны быть не только прочными, но и легкими. Чем больше удельный вес металла, тем более тяжелым (при равном объеме) получается изделие.
Теплопроводность — способность металла проводить тепло — измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1 см2 за 1 мин. Чем больше теплопроводность, тем труднее нагреть кромки свариваемой детали до нужной температуры.
Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чистые металлы плавятся при одной постоянной температуре, а сплавы — в интервале температур.
Расширение металлов при нагревании является важной характеристикой. Поскольку при сварке происходит местный нагрев (нагрев лишь небольшого участка изделия), то изделие в различных частях нагревается до разных температур, что приводит к деформированию (короблению) изделия. Две детали, изготовленные из разных металлов и нагретые до одинаковой температуры, будут расширяться по-разному. Поэтому, если эти детали будут скреплены между собой, то при нагревании могут изогнуться и даже разрушиться.
Усадка — уменьшение объема расплавленного металла при его охлаждении. В процессе усадки металла сварного шва наблюдается коробление детали, появляются трещины или образуются усадочные раковины. Каждый металл имеет свою величину усадки. Чем она больше, тем труднее получить качественное соединение.
Механические свойства. К механическим свойствам металлов и сплавов относятся прочность, твердость, упругость, пластичность, вязкость.
Эти свойства обычно являются решающими показателями, по которым судят о пригодности металла к различным условиям работы.
Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.
Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого более твердого тела.
Упругость — свойство металла восстанавливать свою форму и размеры после прекращения действия нагрузки. Высокой упругостью должна обладать, например, рессоры и пружины, поэтому они изготовляются из специальных сплавов.
Пластичность — способность металла изменять форму и размеры под действием внешней нагрузки и сохранять новую форму и размеры после прекращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости. Чем больше пластичность, тем легче металл куется, штампуется, прокатывается.
Вязкость — способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам. Вязкость — свойство, обратное хрупкости. Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергаются ударной нагрузке (детали вагонов, автомобилей и т. п.).
Механические свойства выявляются при воздействии на металл растягивающих, изгибающих или других сил. Механические свойства металлов характеризуются: 1) пределом прочности в кг/мм2; 2) относительным удлинением в %;3) ударной вязкостью в кгм/см2; 4) твердостью; 5) углом загиба. Перечисленные основные свойства металлов определяются следующими испытаниями: 1) на растяжение; 2) на загиб; 3) на твердость; 4) на удар. Все эти испытания производятся на образцах металла при помощи специальных машин.
Испытание на растяжение. Испытанием на растяжение определяют предел прочности и относительное удлинение металла. Пределом прочности называется усилие, которое надо приложить на единицу площади поперечного сечения образца металла, чтобы разорвать его.
Для испытания на растяжение изготовляют образцы, форма и размеры которых установлены ГОСТ 1497-42. На рисунке представлены размеры и форма цилиндрических образцов для испытания на растяжение на специальных разрывных машинах» Головки образца закрепляют в захваты машины, после чего дают нагрузку, растягивающую образец до разрушения. Если величину разрушающего усилия выраженного в килограммах, разделить на число квадратных миллиметров поперечного сечения образца Fo9 то получим величину предела прочности в килограммах на квадратный миллиметр (предел прочности обозначается ов):
Для испытания листового металла изготовляют плоские образцы. На рисунке, в показаны размеры и форма плоских образцов для испытания сварных соединений. Малоуглеродистые стали имеют предел прочности около 40 кг/мм2 стали повышенной прочности и специальные — 150 кг/мм2. Для вычисления относительного удлинения, обозначаемого Ъ, определяют сначала абсолютное удлинение образца. Для этого разорванные части образца плотно прикладывают друг к другу и замеряют расстояние между метками границ расчетной длины (получают размер /). Затем из полученной длины вычитают первоначальную расчетную длину образца /о, остаток делят на первоначальную расчетную длину и умножают на 100.
Относительное удлинение металла есть выраженное в процентах отношение остающегося после разрыва увеличения длины образца К его первоначальной длине.
Относительное удлинение малоуглеродистой стали примерно равно 20%. Относительное удлинение характеризует пластичность металла, оно снижается с повышением предела прочности.
Испытание на твердость. В нашей промышленности для определения твердости металла чаще всего применяется прибор Бринеля или Роквелла. Твердость по Бринелю определяют следующим образом. Твердый стальной шарик диаметром 10,5 или 2,5 мм вдавливается под прессом в испытуемый металл. Затем при помощи бинокулярной трубки измеряют диаметр отпечатка, который получился под шариком на испытуемом металле. По диаметру отпечатка и по соответствующей таблице определяют твердость по Бринелю.
Твердость некоторых сталей в единицах по Бринелю:
Малоуглеродистая сталь……ИВ 120—130
Сталь повышенной прочности …. ИВ 200—300 Твердые закаленные стали…..ИВ 500—600
С увеличением твердости пластичность металла снижается. Испытание на удар. Этим испытанием определяют способность металла противостоять ударным нагрузкам. Испытанием на удар определяют ударную вязкость металла.
Ударная вязкость определяется путем испытания образцов на специальных маятниковых копрах. Для испытания применяются специальные квадратные образцы с надрезом (фиг. 11,е). Чем меньше ударная вязкость, тем более хрупок и тем менее надежен в работе такой металл. Чем выше ударная вязкость, тем металл лучше. Хорошая малоуглеродистая сталь имеет ударную вязкость, равную 10—15 кгм/см2.
Во многих случаях для проверки пластичности металлов или сварных соединений применяют технологические испытания образцов, к которым относятся испытания на угол загиба, на сплющивание, продавливание и др.
Испытания на загиб. Для проведения испытания на загиб образец из металла укладывается на шарнирных опорах и нагрузкой, приложенной посредине, изгибается до появления трещин на выпуклой стороне образца. После этого испытание прекращают и измеряют величину внешнего угла а. Чем больше угол загиба, тем пластичнее металл. Качественная малоуглеродистая сталь дает угол загиба 180°.
Для определения пластичности сварного соединения вырезают такой же плоский образец со сварным швом, расположенным посредине, и со снятым усилением.
Испытанием на сплющивание определяют способность металла деформироваться при сплющивании. Этой пробе обычно подвергают отрезки сварных труб диаметром 22—52 мм со стенками толщиной от 2,5 до 10 мм. Проба заключается в сплющивании образца под прессом до получения просвета между внутренними стенками трубы, равного учетверенной толщине стенки трубы. При этом испытании образец не должен давать трещин.
Технологические свойства. В эту группу свойств входят свариваемость, жидкотекучесть, ковкость, обрабатываемость резанием и другие. Технологические свойства имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций и определяют пригодность металла к обработке тем или иным способом.
Свариваемость — свойство металлов давать доброкачественные соединения при сварке, характеризующиеся отсутствием трещин и других пороков металла в швах и прилегающих зонах, причем иногда металл хорошо сваривается одним методом и неудовлетворительно— другим. Например, дюралюминий удовлетворительно сваривается точечной сваркой и плохо — газовой, чугун хорошо сваривается газовой сваркой с подогревом и плохо — дуговой и т. д.
Жидкотекучесть — способность расплавленных металлов и сплавов заполнять литерную форму.
Ковкость — способность металлов и сплавов изменять свою форму при обработке давлением.
Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом (резцом, фрезой, ножовкой и т. д.) при различных операциях механической обработки (резание, фрезерование и т. д.).
Химические свойства. Под химическими свойствами металлов подразумевается их способность вступать в соединение с различными веществами и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с вредными для него элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов под действием окружающей их среды (воздуха, влаги, растворов солей, кислот, щелочей) называется коррозией. Для достижения высокой коррозионной стойкости изготавливаются специальные стали (нержавеющие, кислотостойкие и т. п.).