Физические свойства металлов: твердость, плотность и др.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 261.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 261.

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Таблица твёрдости металлов по шкале Мооса:

Таблица температуры плавления легкоплавких металлов и сплавов:

Таблица температуры плавления среднеплавких металлов и сплавов:

Механические свойства металлических изделий

Речь идет о характеристиках материала, позволяющих ему противостоять воздействию внешних сил. Такие нагрузки бывают статическими, динамическими или циклическими, то есть повторно-переменными. По направлению действия силы принято выделять деформации растяжения, сжатия, изгиба, скручивания и среза. В реальной жизни изделие испытывает на себе воздействие сразу нескольких сил, при этом возникает упругая или пластическая деформация. Первая является обратимой, тогда как вторая необратима.

Основными механическими свойствами металлических изделий считаются прочность, твердость, пластичность, упругость, вязкость. Также на производствах определяют усталость или выносливость металлов, ползучесть и другие показатели.

VT-metall предлагает услуги:

Статические испытания на растяжение позволяют оценить следующие прочностные свойства материала: предел пропорциональности, упругости, текучести, прочности. Также рассматривается пластичность, которая предполагает относительное удлинение и относительное сужение образца. Для испытания используют образцы, отвечающие требованиям ГОСТ по форме и размерам. В процессе проверки на растяжение их растягивают до разрыва при помощи плавно возрастающей нагрузки. А напряжение, при котором происходит течение пластичного металла/сплава, является пределом текучести и выражается в МПа.

Рекомендуем статьи по металлообработке

• Марки сталей: классификация и расшифровка
• Марки алюминия и области их применения
• Дефекты металлический изделий: причины и методика поиска

Твердостью называют способность твердого тела противостоять внедрению в его поверхность другого более твердого тела. На производствах в этом случае принято пользоваться тремя методами испытания – все они названы в честь своих изобретателей. Речь идет о методах Бринелля (НВ), Роквелла (HRA, HRB, HRC) и Виккерса (HV). Они позволяют косвенно судить о прочности материалов, стойкости к износу. Также перечисленные подходы дают возможность контролировать качество и сохранение необходимых свойств металлических изделий после термического и химико-термического воздействия и обработки давлением.

Способность металлов сопротивляться ударным, циклическим (повторно-переменным) нагрузкам и нагрузкам при высоких температурах считаются основными свойствами.

Для определения ударной вязкости прибегают к помощи маятниковых копров, где перебивается стандартный образец с надрезом. По работе, затраченной на излом образца (в ДЖ), можно судить об ударной вязкости металла или сплава (KCU, KCV и КСТ).

Циклические испытания на усталость помогают оценить те материалы и детали оборудования, которые испытывают многократные повторно-переменные нагрузки. Речь идет о нагружении – разгружении, растяжении – сжатии, закручивании в противоположные стороны, пр. Усталостному разрушению подвержены, например, пружины, рессоры, валы, шатуны. Способность материала противостоять усталости называют выносливостью. Она оценивается числом циклов нагрузка – разгрузка, которые металл способен выдержать до наступления усталостного разрушения.

Функционирование деталей в условиях высокой температуры и нагрузки приводит к ползучести материала. Тогда наиболее значимым свойством металлического изделия становится стойкость сплава к ползучести.

Таблица температуры плавления тугоплавких металлов и сплавов:

Плотность:

В зависимости от плотности металлы делят на лёгкие (плотность от 0,53 до 5 г/см³) и тяжёлые (от 5 до 22,6 г/см³).

Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.

Физические свойства неметаллов

Фтор, хлор, кислород, азот, водород и инертные газы представляют собой газообразные вещества, йод, астат, сера, селен, теллур, фосфор, мышьяк, углерод, кремний, бор –твёрдые вещества; бром -жидкость.

Неметаллы находятся в земной коре (в большинстве своем кислород и кремний — 76 % от массы земной коры а также As, Se, I, Te, но в очень езначительных количествах), в воздухе (азот и кислород), в составе растительной массы (98,5 % — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот), а также в основе массы человека (97,6 % — — углерод, водород, кислород, сера, фосфор и азот). Водород и гелий – входят в состав космических объектов, включая Солнце. Чаще всего в природе неметаллы встречаются в виде соединений.

Пластичность:

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.

Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.

Пластичность зависит и от чистоты металла. Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

Общие химические свойства металлов

Сильные восстановители: Me0 – nē → Men+

Ряд напряжений характеризует сравнительную активность металлов в окислительно-восстановительных реакциях в водных растворах.

РЕАКЦИИ МЕТАЛЛОВ С НЕМЕТАЛЛАМИ

1) С кислородом: 2Mg + O2 → 2MgO

2) С серой: Hg + S → HgS

3) С галогенами: Ni + Cl2 –t°→ NiCl2

4) С азотом: 3Ca + N2 –t°→ Ca3N2

5) С фосфором: 3Ca + 2P –t°→ Ca3P2

6) С водородом (реагируют только щелочные и щелочноземельные металлы): 2Li + H2 → 2LiH

Ca + H2 → CaH2

РЕАКЦИИ МЕТАЛЛОВ С КИСЛОТАМИ

1) Металлы, стоящие в электрохимическом ряду напряжений до H восстанавливают кислоты-неокислители до водорода:

Mg + 2HCl → MgCl2 + H2

2Al+ 6HCl → 2AlCl3 + 3H2

6Na + 2H3PO4 → 2Na3PO4 + 3H2

2) С кислотами-окислителями:

При взаимодействии азотной кислоты любой концентрации и концентрированной серной с металлами водород никогда не выделяется!

Zn + 2H2SO4(К) → ZnSO4 + SO2 + 2H2O

4Zn + 5H2SO4(К) → 4ZnSO4 + H2S + 4H2O

3Zn + 4H2SO4(К) → 3ZnSO4 + S + 4H2O

2H2SO4(к) + Сu → Сu SO4 + SO2 + 2H2O

10HNO3 + 4Mg → 4Mg(NO3)2 + NH4NO3 + 3H2O

4HNO3(к) + Сu → Сu (NO3)2 + 2NO2 + 2H2O

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МЕТАЛЛОВ С ВОДОЙ

1) Активные (щелочные и щелочноземельные металлы) образуют растворимое основание (щелочь) и водород:

2Na + 2H2O → 2NaOH + H2

Ca+ 2H2O → Ca(OH)2 + H2

2) Металлы средней активности окисляются водой при нагревании до оксида:

Zn + H2O –t°→ ZnO + H2

3) Неактивные (Au, Ag, Pt) – не реагируют.

ВЫТЕСНЕНИЕ БОЛЕЕ АКТИВНЫМИ МЕТАЛЛАМИ МЕНЕЕ АКТИВНЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ РАСТВОРОВ ИХ СОЛЕЙ:

Cu + HgCl2 → Hg+ CuCl2

Fe+ CuSO4 → Cu+ FeSO4

В промышленности часто используют не чистые металлы, а их смеси — сплавы, в которых полезные свойства одного металла дополняются полезными свойствами другого. Так, медь обладает невысокой твердостью и малопригодна для изготовления деталей машин, сплавы же меди с цинком (латунь) являются уже достаточно твердыми и широко используются в машиностроении. Алюминий обладает высокой пластичностью и достаточной легкостью (малой плотностью), но слишком мягок. На его основе готовят сплав с магнием, медью и марганцем – дуралюмин (дюраль), который, не теряя полезных свойств алюминия, приобретает высокую твердость и становится пригодным в авиастроении. Сплавы железа с углеродом (и добавками других металлов) – это широко известные чугун и сталь.

Металлы в свободном виде являются восстановителями. Однако реакционная способность некоторых металлов невелика из-за того, что они покрыты поверхностной оксидной пленкой, в разной степени устойчивой к действию таких химических реактивов, как вода, растворы кислот и щелочей.

Например, свинец всегда покрыт оксидной пленкой, для его перехода в раствор требуется не только воздействие реактива (например, разбавленной азотной кислоты), но и нагревание. Оксидная пленка на алюминии препятствует его реакции с водой, но под действием кислот и щелочей разрушается. Рыхлая оксидная пленка (ржавчина), образующаяся на поверхности железа во влажном воздухе, не мешает дальнейшему окислению железа.

Под действием концентрированных кислот на металлах образуется устойчивая оксидная пленка. Это явление называется пассивацией. Так, в концентрированной серной кислоте пассивируются (и после этого не реагируют с кислотой) такие металлы, как Ве, Вi, Со, Fе, Мg и Nb, а в концентрированной азотной кислоте – металлы А1, Ве, Вi, Со, Сг, Fе, Nb, Ni, РЬ, Тh и U.

При взаимодействии с окислителями в кислых растворах большинство металлов переходит в катионы, заряд которых определяется устойчивой степенью окисления данного элемента в соединениях (Nа+, Са2+,А13+,Fе2+ и Fе3+)

Восстановительная активность металлов в кислом растворе передается рядом напряжений. Большинство металлов переводится в раствор соляной и разбавленной серной кислотами, но Сu, Аg и Нg – только серной (концентрированной) и азотной кислотами, а Рt и Аи – «царской водкой».

ОПРЕДЕЛЕНИЕ

Неметаллы – химические элементы, атомы которых принимают электроны для завершения внешнего энергетического уровня, образуя при этом отрицательно заряженные ионы.

Электронная конфигурация валентных электронов неметаллов в общем виде — ns2np1−5 Исключение составляют водород (1s1) и гелий (1s2), которые тоже рассматривают как неметаллы.

Неметаллы обычно обладают большим спектром степеней окисления в своих соединениях. Большее число электронов на внешнем энергетическом уровне по сравнению с металлами определяет их большую способность к присоединению электронов и проявлению высокой окислительной активности.

Если в Периодической системе мысленно провести диагональ от бериллия к астату, то в правом верхнем углу таблицы будут находиться элементы-неметаллы. Среди неметаллов есть s-элемент – водород; р-элементы бор; углерод, кремний; азот, фосфор, мышьяк, кислород, сера, селен, теллур, галогены и астат. Элементы VIII группы – инертные (благородные) газы, которые имеют полностью завершенный внешний энергетический уровень и их нельзя отнести ни к металлам, ни к неметаллам.

Неметаллы обладают высокими значениями сродства к электрону , электроотрицательность и окислительно-восстановительный потенциал.

Электропроводность:

Все металлы хорошо проводят электрический ток, обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля.

Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность. По этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также и натрий. В экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.

Общая характеристика металлических изделий

Современная металлургическая промышленность предлагает большое разнообразие видов металлических изделий. К самым распространенным из них относится металлический прокат, то есть изделия, которые производят на специальных станках методом горячей либо холодной прокатки.

Все разновидности металлического проката объединяются общим понятием «сортамент». Сортамент принято разделять на четыре группы: листовой, сортовой, трубы и специальные виды проката. К последним относятся бандажи, колеса, шары, периодические и гнутые профили. По способу обработки поверхности выделяют калиброванный, шлифованный, зеркальный и матовый сортамент.

Говоря о свойствах металлических изделий, стоит отметить, что сортовой прокат обладает самой разнообразной номенклатурой, где принято выделять простые и фасонные профили.

Прокатные цеха изготавливают примерно две тысячи размеров простых профилей, более тысячи фасонных общего потребления, а также около полутора тысяч размеров профилей специального назначения. Простыми называют профили с сечением в виде геометрических фигур, таких как круг, полукруг, овал, сегмент, шестигранник, квадрат, треугольник, полоса плоского сечения, пр.

Прокат сложного поперечного сечения обозначают как фасонные профили. В данной группе выделяют профили общего или массового потребления и специального назначения. К первым относятся уголки, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили, пр. Тогда как вторые представлены трамвайными и железнодорожными рельсами широкой и узкой колеи, профилями сельскохозяйственного машиностроения, нефтяной и электропромышленности, пр. Из цветных металлов обычно производятся простые профили.

Размеры являются еще одним важным нюансом, о котором не стоит забывать, говоря на тему свойств металлических изделий. Сортовой прокат делят на:

• Крупный. Сюда относят круглую сталь диаметром 80–250 мм, квадратную со стороной 70–200 мм, периодические арматурные профили № 70–80, угловая сталь с шириной полок 90–250 мм, швеллеры и двутавровые балки обычные и облегченные высотой 360–600 мм. Также в эту категорию входят специальные широкополочные двутавры и колонные профили высотой в пределах 1 000 мм, шестигранная сталь до № 100, железнодорожные рельсы массой 43–75 кг на метр длины изделия, полосовая сталь шириной не более 250 мм, пр.
• Средний. Речь идет о круглой стали диаметром 32–75 мм, квадратной со стороной 32–65 мм и шестигранной до № 70. Здесь же представлен стальной периодический арматурный профиль № 32–60, двутавровые балки высотой до 300 мм, швеллеры высотой 100–300 мм, рельсы узкой колеи Р18 – Р24, штрипсы с сечением до 8×145 мм и фасонные профили.
• Мелкий. Такая круглая сталь имеет диаметр 10–30 мм, квадратная со стороной 3,2–31 мм, сюда же относят периодический арматурный профиль.

В качестве элементов строительных конструкций применяют листовую и сортовую сталь. Нередко используют вторичные профили, то есть сварные, для изготовления которых соединяют полосы или листы, и гнутые. Для изготовления вторых прибегают к холодной гибке полос и листов.