Химические свойства металлов и сплавов

Содержание:

Прежде, чем рассмотреть основные свойства металлов и сплавов, в первую очередь необходимо определиться с основными понятиями. Что же собой представляют термины «металл» и «сплав»?

Определение металлов и сплавов.

Основные химические элементы подразделяются на металлы и неметаллы, однако между ними нельзя провести четкую границу. Металл можно описать как химический элемент, который обладает металлическим блеском и который в электролизе несет положительный заряд, высвобождающийся на катоде.

Сплав представляет собой однородный металлический материал, но он не является единственным химическим элементом. Сплав образует соединение или смесь двух или более металлов. В некоторых случаях он может состоять из одного или более металлов и неметаллов. Например, сплав железа с углеродом образует сталь.

В процессе работы с металлами и сплавами очень важно правильно определять тип сварки или механической обработки, от которого напрямую зависит качество и успех конечного результата. И вот для того, чтобы сделать правильный выбор, необходимо знать основные свойства металлов и сплавов, среди которых можно выделить 4 большие группы.

Физические свойства.

Данная группа свойства связаны с атомной структурой и плотностью материала и их измерение не вызывает остаточной деформации тела.

• Цвет – по этому признаку можно судить о некоторых других свойствах. Например, большинство металлов при нагревании меняют цвет. Аналогичная ситуация наблюдается и при окислении.
• Теплопроводность – способность материала проводить или передавать тепло.
• Электропроводность – аналогично предыдущему свойству, однако вместо тепла выступает электричество.
• Магнитная восприимчивость – проводит ли материал магнитное поле, когда он намагничен.
• Температура плавления – показатель температуры, при достижении которой вещество переходит в жидкое состояние из твердого. У чистых металлов она является постоянной, а для сплавов – это интервал температур.
• Плотность – это количество вещества, которое содержится в одной единице объема.
• Удельная теплоемкость– представляет собой количество тепла, которое необходимо, чтобы поднять температуру 1г вещества на 1°С.

Химические свойства.

К данному виду относятся те свойства, которые определяют их отношение к химическим воздействиям таких сред, как вода, воздух, кислоты, щелочи и другие.

• Растворимость – способность материала растворяться в каком-либо растворителе (как правило, сильные кислоты и едкие щелочи).
• Окисляемость– способность металла образовывать оксиды (соединяться с кислородом).
• Коррозийная стойкость – насколько материалы способны сопротивляться разрушению во время химического воздействия окружающей среды.

Механические свойства.

При измерении механических свойств, тело, как правило, подвергается разрушению или необратимой деформации.

• Прочность – материал способен сопротивляться разрушению, когда на него воздействуют внешние силы.
• Упругость – материал способен принимать первоначальную форму, когда действие внешней нагрузки закончилось.
• Пластичность – материал способен изменять свои размеры и форму когда действие внешней нагрузки закончилось. Новые размеры и форма сохраняются, материал не разрушается.
• Вязкость – материал способен оказывать сопротивление, когда на него воздействуют резко возрастающие нагрузки.
• Твердость – материал не позволяет проникать в себя другому материалу, который является более твердым.
• – материал способен сохранять свою поверхность неизменной, если на него воздействовать силой трения.

Технологические свойства.

Данный вид свойств определяет, насколько к металлу или сплаву подходят тот или иной вид обработки.

• Обрабатывание резанием – металл или сплав подвержен обработке режущим инструментом при механической обработке.
• Ковкость – материал способен принимать другую форму, если его обрабатывать давлением. Разрушение материала при этом отсутствуют.
• Свариваемость – металл подходит для сварки, образуя неразъемные соединения без трещин и других пороков.
• Жидкотекучесть – расплавленные металлы спокойно принимают именно ту форму, в которую их заливают.
• Усадка– процесс, противоположный тепловому расширению. Представляет собой уменьшение объема материала при его охлаждении.

• Ликвация – материал из жидкого состояния при понижении температуры переходит в твердое состояние и в результате распадается на отдельные соединения, у которых точки плавления различны.

Металлы используются человеком уже много тысячелетий. По именам металлов названы определяющие эпохи развития человечества: Бронзовый Век, Железный Век, Век Чугуна и т.д. Ни одно металлическое изделие из числа окружающих нас не состоит на 100% из железа, меди, золота или другого металла. В любом присутствуют сознательно введенные человеком добавки и попавшие помимо воли человека вредные примеси.

Абсолютно чистый металл можно получить только в космической лаборатории. Все остальные металлы в реальной жизни представляют собой сплавы — твердые соединения двух или более металлов (и неметаллов), полученные целенаправленно в процессе металлургического производства.

Классификация

Металлурги классифицируют сплавы металлов по нескольким критериям:

1. метод изготовления:
2. литые;
3. порошковые;
4. технология производства:
5. литейные;
6. деформируемые;
7. порошковые;
8. однородность структуры:
9. гомогенные;
10. гетерогенные;

Виды сплавов по их основе

Металлы и сплавы на их основе имеют различные физико-химические характеристики.

Металл, имеющий наибольшую массовую долю, называют основой.

Свойства сплавов

Свойства, которыми обладают металлические сплавы, подразделяются на:

1. Структурно — нечувствительные. Они обуславливаются свойствами компонентов, и их процентным содержанием. К ним относятся :
2. плотность;
3. температура плавления;
4. тепловые и упругие характеристики;
5. коэффициент термического расширения;
6. структурно — чувствительные. Определяются свойствами элемента — основы.
7. https://youtu.be/qgzo40bfL1o
8. Все сплавные материалы в той или иной мере проявляют характерные металлические свойства:
9. блеск;
10. пластичность;
11. теплопроводность;
12. электропроводность.
13. Кроме того, свойства подразделяют на:
14. Химические, определяемые взаимоотношениями материала с химически активными веществами.
15. Механические, определяемые взаимодействием с другими физическими телами.

Для количественного выражения этих свойств вводят специальные физические величины и константы, такие, как предел упругости, модуль Гука, коэффициент вязкости и другие.

Основные виды сплавов

Самые многочисленные виды сплавов металлов изготавливаются на основе железа. Это стали, чугуны и ферриты.

Сталь — это вещество на основе железа, содержащее не более 2,4% углерода, применяется для изготовления деталей и корпусов промышленных установок и бытовой техники, водного, наземного и воздушного транспорта, инструментов и приспособлений. Стали отличаются широчайшим диапазоном свойств. Общие из них — прочность и упругость. Индивидуальные характеристики отдельных марок стали определяются составом легирующих присадок, вводимых при выплавке. В качестве присадок используется половина таблицы Менделеева, как металлы , так и неметаллы. Самые распространенные из них — хром, ванадий, никель, бор, марганец, фосфор.

Если содержание углерода более 2,4% , такое вещество называют чугуном. Чугуны более хрупкие, чем сталь. Они применяются там, где нужно выдерживать большие статические нагрузки при малых динамических. Чугуны используются при производстве станин больших станков и технологического оборудования, оснований для рабочих столов, при отливке оград, решеток и предметов декора. В XIX и в начале XX века чугун широко применялся в строительных конструкциях. До наших дней в Англии сохранились мосты из чугуна.

Вещества с большим содержанием углерода, имеющие выраженные магнитные свойства, называют ферритами. Они используются при производстве трансформаторов и катушек индуктивности.

Сплавы металлов на основе меди, содержащие от 5 до 45% цинка, принято называть латунями. Латунь мало подвержена коррозии и широко применяется как конструкционный материал в машиностроении.

Если вместо цинка к меди добавить олово, то получится бронза. Это, пожалуй, первый сплав, сознательно полученный нашими предками несколько тысячелетий назад. Бронза намного прочнее и олова, и меди и уступает по прочности только хорошо выкованной стали.

Вещества на основе свинца широко применяются для пайки проводов и труб, а также в электрохимических изделиях, прежде всего, батарейках и аккумуляторах.

Двухкомпонентные материалы на основе алюминия, в состав которых вводят кремний, магний или медь, отличаются малым удельным весом и высокой обрабатываемостью. Они используются в двигателестроении, аэрокосмической промышленности и производстве электрокомпонентов и бытовой техники.

Цинковые сплавы

Сплавы на основе цинка отличаются низкими температурами плавления, стойкостью к коррозии и отличной обрабатываемостью. Они применяются в машиностроении, производстве вычислительной и бытовой техники, в издательском деле. Хорошие антифрикционные свойства позволяют использовать цинковые сплавы для вкладышей подшипников.

Титан не самый доступный металл, он сложен в производстве и тяжело обрабатывается. Эти недостатки искупаются его уникальными свойствами титановых сплавов: высокой прочностью, малым удельным весом, стойкостью к высоким температурам и агрессивным средам. Эти материалы плохо поддаются механической обработке, но зато их свойства можно улучшить с помощью термической обработки.

Легирование алюминием и небольшими количествами других металлов позволяет повысить прочность и жаростойкость. Для улучшения износостойкости в материал добавляют азот или цементируют его.

Область применения титановых сплавов

Металлические сплавы на основе титана используются в следующих областях:

Алюминиевые сплавы

Если первая половина XX века была веком стали, то вторая по праву назвалась веком алюминия.

Трудно назвать отрасль человеческой жизнедеятельности, в которой бы не встречались изделия или детали из этого легкого металла.

Алюминиевые сплавы подразделяют на:

2. Литейные (с кремнием). Применяются для получения обычных отливок.
3. Для литья под давлением (с марганцем).
4. Увеличенной прочности, обладающие способностью к самозакаливанию (с медью).

Основные преимущества соединений алюминия:

2. Доступность.
3. Малый удельный вес.
4. Долговечность.
5. Устойчивость к холоду.
6. Хорошая обрабатываемость.
7. Электропроводность.

Основным недостатком сплавных материалов является низкая термостойкость. При достижении 175°С происходит резкое ухудшение механических свойств.

Еще одна сфера применения — производство вооружений. Вещества на основе алюминия не искрят при сильном трении и соударениях. Их применяют для выпуска облегченной брони для колесной и летающей военной техники.

Весьма широко применяются алюминиевые сплавные материалы в электротехнике и электронике. Высокая проводимость и очень низкие показатели намагничиваемости делают их идеальными для производства корпусов различных радиотехнических устройств и средств связи, компьютеров и смартфонов.

Слитки из алюминиевых сплавов

Присутствие даже небольшой доли железа существенно повышает прочность материала, но также снижает его коррозионную устойчивость и пластичность. Компромисс по содержанию железа находят в зависимости от требований к материалу. Отрицательное влияние железа скомпенсируют добавлением в состав лигатуры таких металлов, как кобальт, марганец или хром.

Конкурентом алюминиевым сплавам выступают материалы на основе магния, но ввиду более высокой цены их применяют лишь в наиболее ответственных изделиях.

Медные сплавы

Обычно под медными сплавами понимают различные марки латуни. При содержании цинка в 5-45% латунь считается красной (томпак), а при содержании в 20-35%- желтой.

Благодаря отличной обрабатываемости резанием, литьем и штамповкой латунь — идеальный материал для изготовления мелких деталей, требующих высокой точности. Шестеренки многих знаменитых швейцарских хронометров сделаны из латуни.

Малоизвестный сплав меди и кремния называют кремнистой бронзой. Он отличается высокой прочностью. По некоторым источникам, из кремнистой бронзы ковали свои мечи легендарные спартанцы. Если вместо кремния добавить фосфор, то получится отличный материал для производства мембран и листовых пружин.

Это устойчивые к износу и обладающие высокой твердостью материалы на основе железа, к тому же сохраняющие свои свойства при высоких температурах до 1100 о С.

В качестве основной присадки применяются карбиды хрома, титана, вольфрама, вспомогательными являются никель, кобальт, рубидий, рутений или молибден.

Основными сферами применения являются:

2. Режущий инструмент (фрезы, сверла, метчики, плашки, резцы и т.п.).
3. Измерительный инструмент и оборудование (линейки, угольники, штангенциркули рабочие поверхности особой ровности и стабильности).
4. Штампы, матрицы и пуансоны.
5. Валки прокатных станов и бумагоделательных машин.
6. Горное оборудование (дробилки, шарошки, ковши экскаваторов).
7. Детали и узлы атомных и химических реакторов.
8. Высоконагруженные детали транспортных средств, промышленного оборудования и уникальных строительных конструкций, таки, например, как башня Бурж — Дубай.

Области применения твердых сплавов

Существуют и другие области применения твердосплавных веществ.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

для настоящих автомобилистов

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.

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/м 3 или г/см 3 .

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 1см 2 , 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.