Какими физическими свойствами характеризуются металлы
Прочность и твердость это разные понятия! Алмаз – один из самых твердых материалов, но гвоздь из него сломается, если по нему ударить обычным молотком, а стальной гвоздь – нет, хотя сталь не самый твердый металл. Или напильник из твердых сплавов очень твердый, что позволяет им стачивать что угодно, но он очень хрупкий и может сломаться при падении с высоты верстака. Давайте разберемся с этими понятими.
Прочность – способность всей конструкции или материала противостоять своему разрушению от внешнего воздействия.
Прочность материала выявляют нагрузкой образца из этого материала замером величин его упругих и пластических свойств и зависимости между напряжением и относительным удлинением. Но разные материалы по-разному реагируют на внешнее воздействие.
Материал может быть упругим, т.е. восстанавливать свою первоначальную форму после снятия внешних нагрузок. Численно эта упругость выражается величиной модуля упругости Е = tga, где а – угол наклона линии деформирования металла к оси абсцисс, и пределом упругости, т.е. таким максимальным напряжением, при котором деформации после снятия нагрузки исчезают.
Также материал может быть пластичным — сохранять деформированное состояние после снятия нагрузки, т.е. получать остаточные деформации без разрушения. Мерой пластичности материала служит относительное остаточное удлинение при разрыве. Перед разрушением в образце в месте разрыва образуется «шейка», поперечное сечение образца уменьшается, и в зоне шейки развиваются большие местные пластические деформации. Относительное удлинение при разрыве складывается из равномерного удлинения на всей длине образца и локального удлинения в зоне шейки. Мерой пластичности может также служить относительное сужение при разрыве.
Ну и наконец, материал может быть хрупким — разрушаться при малых деформациях. Выявляется это свойство испытаниями на ударную вязкость на специальных маятниковых копрах. Под действием удара молота копра образец разрушается. Ударная вязкость КС определяется затраченной на разрушение образца работой, отнесенной к площади поперечного сечения. Один и тот же металл может разрушаться как вязко, т.е. с развитием значительных пластических деформаций, так и хрупко, в зависимости от целого ряда факторов. Таким образом, ударная вязкость является комплексным показателем, характеризующим состояние металла (хрупкое или вязкое), сопротивление динамическим (ударным) воздействиям, чувствительность к концентрации напряжений и служит для сравнительной оценки качестве материала.
Если материал подвергать постоянному переменному (циклическому), то при достаточно большом числе циклов разрушение может произойти гораздо раньше. Это явление называется усталостью металла. Поэтому рассчитывают еще и на циклическую прочность.
Твердость – свойство не всего образца, а поверхностного слоя металла сопротивляться упругой и пластической деформациям или разрушению при внедрении в него индентора из более твердого материала.
Обычно чем тверже материал, тем выше его статическая прочность. Так как испытание на твердость проводится без разрушения детали, широко применяют приближенную оценку прочности материала и правильности термообработки по величине твердости.
Твердость по Бринеллю (HB) определяют вдавливанием в испытуемый материал шарика из закаленной стали диаметром 10 мм под нагрузкой 3000 кгс. Число HB равно отношению силы, вдавливающей шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.
Твердость по Роквеллу (HRC) определяют вдавливанием алмазного конуса в закаленную сталь. Число твердости HRC соответствует разности глубин проникновения конуса под действием основной нагрузки (150 кгс) и предварительной (10 кгс).
Ползучесть – свойство материала непрерывно деформироваться во времени без увеличения нагрузки. Ползучесть в металлах проявляется в основном при высоких температурах. Оценка степени ползучести производится по результатам длительных испытаний образцов на растяжение.
Металлы, это группа элементов, в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск. В данной статье все свойства металлов будут представлены в виде отдельных таблиц.
Содержание
Свойства металлов
Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства металлов
К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, теплоемкость, расширяемость при нагревании.
Удельный вес металла — это отношение веса однородного тела из металла к объему металла, т.е. это плотность в кг/м3 или г/см3.
Плавкость металла — это способность металла расплавляться при определенной температуре, называемой температурой плавления.
Электропроводность металлов — это способность металлов проводить электрический ток, это свойство тела или среды, определяющее возникновение в них электрического тока под воздействием электрического поля. Под электропроводностью подразумевается способность проводить прежде всего постоянный ток (под воздействием постоянного поля), в отличие от способности диэлектриков откликаться на переменное электрическое поле колебаниями связанных зарядов (переменной поляризацией), создающими переменный ток.
Магнитные свойства металлов характеризуются: остаточной индукцией, коэрцетивной силой и магнитной проницаемостью.
Теплопроводность металлов — это их способность передавать тепло от более нагретых частиц к менее нагретым. Теплопроводность металла определяется количеством теплоты, которое проходит по металлическому стержню сечением в 1см2, длиной 1см в течение 1сек. при разности температур в 1°С.
Теплоемкость металлов — это количество теплоты, поглощаемой телом при нагревании на 1 градус. Отношение количества теплоты, поглощаемой телом при бесконечно малом изменении его температуры, к этому изменению единицы массы вещества (г, кг) называется удельной теплоёмкостью, 1 моля вещества — мольной (молярной).
Расширяемость металлов при нагревании.Все металлы при нагревании расширяются, а при охлаждении сжимаются. Степень увеличения или уменьшения первоначального размера металла при изменении температуры на один градус характеризуется коэффициентом линейного расширения.
Химические свойства металлов
К химическим — окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.
Окисление металлов — это реакция соединения металла с кислородом, сопровождающаяся образованием окислов (оксидов). Если рассмотреть окисляемость шире, то это реакции, в которых атомы теряют электроны и образуются различные соединения, например, хлориды, сульфиды. В природе металлы находятся в основном в окисленном состоянии, в виде руд, поэтому их производство основано на процессах восстановления различных соединений.
Растворимость металлов — это их способность образовывать с другими веществами однородные системы — растворы, в которых металл находится в виде отдельных атомов, ионов, молекул или частиц. Металлы растворяются в растворителях, в качестве которых выступают сильные кислоты и едкие щелочи. В промышленности наиболее часто используются: серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи — едкий натр и едкий калий.
Коррозионная стойкость металлов — это их способность сопротивляться коррозии.
Механические свойства металлов
К механическим — прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.
Прочностью металла называется его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.
Твердостью металлов называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.
Упругость металлов — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (деформацию).
Вязкость металлов — это способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость — свойство обратное хрупкости.
Пластичность металлов — это свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность—свойство обратное упругости.
Технологические свойства металлов
К технологическим — прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.
Прокаливаемость металлов – это их способность получать закаленный слой определенной глубины.
Жидкотекучесть металлов — это свойство металла в жидком состоянии заполнять литейную форму и воспроизводить ее очертания в отливке.
Ковкость металлов —это технологическое свойство, характеризующее их способность к обработке деформированием, например, ковкой, вальцеванием, штамповкой без разрушения.
Свариваемость металлов — это их свойство образовывать в процессе сварки неразъемное соединение, отвечающее требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией производимого изделия.
Обрабатываемость металлов резанием — это их способность изменять геометрическую форму, размеры, качество поверхности за счет механического срезания материала заготовки режущим инструментом. Обрабатываемость металлов зависит от их механических свойств, в первую очередь прочности и твердости.
Современными методами испытания металлов являются механические испытания, химический анализ, спектральный анализ, металлографический и рентгенографический анализы, технологические пробы, дефектоскопия. Эти испытания дают возможность получить представление о природе металлов, их строении, составе и свойствах, а также определить качество готовых изделий.
Таблицы свойств металлов
Таблица «Свойства металлов: Чугун, Литая сталь, Сталь»
- Предел прочности на растяжение
- Предел текучести (или Rp 0,2);
- Относительное удлинение образца при разрыве;
- Предел прочности на изгиб;
- Предел прочности на изгиб приведен для образца из литой стали;
- Предел усталости всех типов чугуна, зависит массы и сечения образца;
- Модуль упругости;
- Для серого чугуна модуль упругости уменьшается с увеличением напряжения растяжения и остается практически постоянным с увеличением напряжения сжатия.
Таблица «Свойства пружинной стали»
- Предел прочности на растяжение,
- Относительное уменьшение поперечного сечения образца при разрыве,
- Предел прочности на изгиб;
- Предел прочности при знакопеременном циклическом нагружении при N ⩾ 107,
- Максимальное напряжение при температуре 30°С и относительном удлинении 1 2% в течение 10 ч; для более высоких температур см. раздел «Способы соединения деталей»,
- см. раздел «Способы соединения деталей»;
- 480 Н/мм2 для нагартованных пружин;
- Приблизительно на 40% больше для нагартованных пружин
Таблица «Свойства кузовных тонколистовых металлов»
Таблица «Свойства цветных металлов»
- Модуль упругости, справочные данные;
- Предел прочности на растяжение;
- Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
- Предел прочности на изгиб;
- Наибольшая величина;
- Для отдельных образцов
Таблица «Свойства легких сплавов»
- Предел прочности на растяжение;
- Предел текучести, соответствующий пластической деформации 0,2%;
- Предел прочности на изгиб;
- Наибольшая величина;
- Показатели прочности приведены для образцов и для отливок;
- Показатели предела прочности на изгиб приведены для случая плоского нагружения
Таблица «Металлокерамические материалы (PM)1) для подшипников скольжения»
- В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;
- Применительно к подшипнику 10/16 г 10;
- Углерод содержится, главным образом, в виде свободного графита;
- Углерод содержится только в виде свободного графита
Таблица «Свойства металлокерамических материалов (РМ)1 для конструкционных деталей»
- В соответствии со стандартом DIN 30 910,1990 г. издания;
Магнитные материалы
Таблица «Свойства магнитомягких материалов»
- Данные относятся только к магнитным кольцам.
Магнитомягкие металлы
Таблица «Свойства магнитной листовой и полосовой стали»
Материалы для преобразователей и электрических реакторов
Магнитная проницаемость листового сердечника для классов сплавов С21, С22, Е11, Е31 и Е41 для секции тонколистового сердечника EY11
Материалы для реле постоянного тока
Таблица «Свойства материалов для реле постоянного тока»
- Нормируемые величины
Металлокерамические материалы для магнитомягких компонентов
Таблица «Свойства металлокерамических материалов для магнитомягких компонентов»
Магнитомягкие ферриты
Таблица «Свойства магнитомягких ферритов»
- Нормируемые величины;
- Потеря материалом магнитных свойств в зависимости от частоты при низкой плотности магнитного потока (В < 0,1 мТл);
- Потери магнитных свойств при высокой плотности магнитного потока; замеряются предпочтительно при f = 25 кГц, В = 200 мТл, Θ = 100°С;
- Магнитная проницаемость при строго синусоидальном магнитном поле; замеряется при f<; 25 кГц, В = 320 мТл, Θ = 100°С;
- Температура Кюри Θс, при которой начальная магнитная проницаемость μ, снижается ниже 10% от значения при температуре 25°С;
- Нормируемые величины.
Материалы для постоянных магнитов
Таблица «Свойства материалов для постоянных магнитов»
- Нормируемые величины;
- Наименьшее значение;
- В диапазоне температур 273…373 К.
Сравнение материалов для постоянных магнитов и магнитомягких ферритов
Таблица «Диапазон магнитных характеристик некоторых широко используемых кристаллических материалов»
Материалы для пайки
Таблица «Свойства материалов для пайки»
- Нет перечисленных в DIN 1707-100 или DIN EN 29453
- В зависимости от выполняемой операции.
- В зависимости от выполняемых операций
В следующей статье я расскажу о бензине и дизельном топливе.
РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:
Когда-то пресловутая фраза «люди гибнут за сталь» была символом важности данного материала в жизни людей. Да и сегодня он не потерял своей актуальности. Он активно используется в самых разных областях жизнедеятельности человека, начиная со строительства и производства высокотехнологичных изделий, заканчивая предметами роскоши и украшениями. По этой причине свойства интенсивно исследовались и сейчас изучаются ведущими умами и крупнейшими корпорациями.
Что же это такое?
На сегодняшний день известно огромное количество различных металлов. Каждый из них обладает определенными характеристиками, отличающим его от других химических элементов или материалов. Однако существуют определенные признаки, которые однозначно говорят, что мы имеем дело с металлическим компонентом:
- Высокая теплопроводность и низкое электрическое сопротивление. Другие составы не обладают таким сочетанием. К примеру, графит проводит электричество, но не тепло.
- Присутствие блеска в области излома.
- Подверженность ковке.
- Кристаллы в структуре.
Какие виды встречаются?
Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.
Чермет
Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.
В свою очередь, классифицируется на:
- железные – сюда стоит отнести железосодержащие материалы и основы, а также никелевые и кобальтовые сплавы;
- тугоплавкие основания для сплавов (имеют температуру плавления равную или превышающую 1600 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем);
- низкопрочностные редкоземельные элементы, такие как церий, неодим и другие (активно используются в производстве микроэлектроники).
Цветмет
Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.
Цветные ранжируют на следующие категории:
- Легкие – литий, натрий и так далее. Они характеризуются небольшой плотностью – до 5 тонн на метр кубический. Это всего в 5 раз больше воды.
- Тяжелые – свинец, серебро, золото. Их плотность в разы выше легких.
- Благородные – те же золото и серебро, а также платина, плутоний.
Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.
Сплавы – основная форма представления
В чистом виде подобного рода элементы в природе и жизнедеятельности человека не встречаются. Да и без примесей они не просто неустойчивы, но бесполезны. Даже золотые и серебряные мерные слитки в банках имеют определенный процент добавок, в том числе и для увеличения прочностных характеристик. Кстати, они в буквальном смысле меняются кардинальным образом от варианта метсплава.
Физические свойства металлов
В данном случае речь идет о различных визуальных аспектах, а также параметрах, связанных с физикой. Можно привести сравнительную таблицу:
| Показатели | Категории | Примеры |
| Электрическая проводность | проводник диэлектрик | железо магний |
| Температура плавления | низкая высокая | ртуть хром |
| Удельный вес | малый большой | берилий осьмий |
| твердость | мягкий высокотвердый | натрий вольфрам |
На практике знание физических свойств металла описывает сферу использования того или иного мономатериала. В частности, электропроводность определяет область применения в электронике, как вариант, германий – полупроводники, серебро – дорожки микросхем.
К физ. характеристикам также относят цветопередачу – зрительный параметр, который может изменяться под воздействием различных факторов, например, температуры или наличия-отсутствия защитного покрытия. Многие цвета, кстати, были названы в честь хим. элементов – золотой, серебристый, медный и так далее.
Химические свойства металлов
Таблица Менделеева на треть состоит из рассматриваемых в данной статье моноэлементов. С практической точки для обывателя, да и специалиста, эти аспекты определяют их взаимодействие с окружающими агрессивными средами, такими как реагенты из воздушной массы, влажность, перепады температурных показателей, как суточных, так и годовых.
В этом ракурсе металлопозиции утрировано разделяются на следующие группы:
- Активные. В качестве примеров можно привести литий, калий, барий, кальций, натрий.
- Среднеактивные – магний, алюминий, марганец, цинк, хром, железо, никель, серебро.
- Малоактивные. Речь идет о меди, золотых слитках, платине и иных инертных компонентах.
Соединение с простыми веществами
Самым популярным в мире соединением, которое формируется между двумя одинаковыми элементами – это, безусловно, оксид. Ярким примером, который считается весьма распространенным и не очень приятным с практической точки зрения, считается окись железа – ржавчина (каждый из нас сталкивался с коррозионными процессами):
2FE + O2 = 2FEO.
Важно знать, что благородные металлоэлементы, такие как серебро, золото и платина, оксиды в обычных условиях не образуют. Это и является одной из основных причин их высокой стоимости.
О взаимодействии с галогенами (фтором, хлором и другими позициями, которые присутствуют в окружающей среде) также не стоит забывать. Вариант: образование солей:
2Na + Cl2 = 2 NaCl.
Реакции со сложными соединениями
Здесь в первую очередь необходимо отметить взаимодействие щелочей с водой. Такие реакции всегда сопровождаются выделение водорода, что на практике чревато формированием взрывоопасной среды.
Среднеактивные также могут реагировать с H2O. Однако происходит это при достаточно высоких температурах, поэтому в обычных условиях повышения концентрации водорода не стоит.
Механические свойства металлов
Данные сведения не рассматриваются как расчетные величины. Они определяются в процессе экспериментальных изысканий, в частности, деформации заготовок на растяжение и сжатие с применением специализированного оборудования.
Основными называют:
- Прочность. Под этим аспектом принято понимать способность сохранять кристалическую целостность под воздействием мех. нагрузок различного типа, как статических, так и динамических, в том числе ударного формата. Чем прочнее монометалл, тем он долговечнее в тех конструкциях, где материал подвергается серьезным перегрузкам. Особенно это бывает актуально в тех областях, где от прочностных показателей зависит жизнь и здоровье человека, например, на транспорте.
- Пластичность – характеристика, отражающая потенциал того или иного моноэлемента либо сплава под усилиями от внешних сил изменять свою геометрию и объем. При этом, опять же, физического разрушения кристаллической решетки не должно быть.
- Твердость. Понятно, что подавляющее большинство металлических брусков руками не проверишь – для железа и алюминия ощущения будут одинаковыми. Для этого используются специальные приспособления – приборы Бриннеля или изобретение Роквелла. В первом случае в образец пытаются «впихнуть» сильнозакаленный шар, во втором – алмазную пирамиду. По размеру следа от давления и устанавливается плотность того или иного состава.
Здесь важно понимать, что прочность и твердость – это разные механические свойства металлов, порой, даже не взаимозначимые. Твердые образцы могут быть хрупкими.
- Ударная вязкость. Как следует из названия речь идет о возможности противостоять нагрузкам при целенаправленных ударах. Измеряется в джоулях на сантиметр кубический.
- Упругость. Под действием различного рода сил образец изменяет свою форму и объем. Способность восстановить свои начальные параметры и определяют упругость.
Также к механике относятся конструкторские особенности – надежность, живучесть, долговечность.
Технологические характеристики
При оценке целесообразности выбора того или иного металла для решения конкретных практических, производственных задач, необходимо учитывать:
- Ковкость. Под давлением производится обработка изделий. При этом полного разрушения не наблюдается, однако структура кристаллической решетки изменяется. В результате могут меняться механические, физические и даже химические факторы изделий.
- Свариваемость. Возможность формирования сварных соединений с применением стандартных технологий.
- Усадка – определяется соответствующим коэффициентом. При нагреве любой объект расширяется, после охлаждения – уменьшается. Так вот соотношение и определяет данное свойство. Кстати, далеко не всегда малое усадочное значение являет собой благо. К примеру, ртутные термометры работают именно за счет предельно большого коэффициента расширения.
- Податливость режущим инструментам. С технологической точки зрения производственную ценность имеет только тот компонент, который можно сравнительно просто обработать или изготовить этот самый технический инструментарий.
Рассматриваемые направления характеризуют поведение уже готовых производственных изделий, товаров в процессе эксплуатации.
Таким образом, металлы – весьма распространенный материал, который активно используется в самых разных областях жизнедеятельности. Это обусловлено широкой вариативностью физических, химических, механических параметров продукции.