Способы определения физических свойств металлов

Самоучитель по химии › Неорганическая химия

Известно, что все простые вещества условно можно разделить на простые вещества-металлы и простые вещества-неметаллы.

МЕТАЛЛЫ, по определению М. В. Ломоносова — это «светлые тела, которые ковать можно». Обычно это ковкие блестящие материалы, обладающие высокой тепло- и электропроводностью. Эти физические и многие химические свойства металлов связаны со способностью их атомов ОТДАВАТЬ электроны.

НЕМЕТАЛЛЫ, напротив, способны ПРИСОЕДИНЯТЬ электроны в химических процессах. Большинство неметаллов проявляют противоположные металлам свойства: не блестят, не проводят электрический ток, не куются. Являясь противоположными по свойствам, металлы и неметаллы легко реагируют друг с другом.

Эта часть Самоучителя посвящена краткому освещению свойств металлов и неметаллов. Описывая свойства элементов, желательно придерживаться следующей логической схемы:

1. Вначале описать строение атома (указать распределение валентных электронов), сделать вывод о принадлежности данного элемента к металлам или неметаллам, определить его валентные состояния (степени окисления) — см. урок 3;

2. Затем описать свойства простого вещества, составив уравнения реакций

• с кислородом;
• с водородом;
• с металлами (для неметаллов) или с неметаллами (для металлов);
• с водой;
• с кислотами или со щелочами (там, где это возможно);
• с растворами солей;

3. Затем нужно описать свойства важнейших соединений (водородных соединений, оксидов, гидроксидов, солей). При этом вначале следует определить характер (кислотный или основной) данного соединения, а затем, вспомнив свойства соединений этого класса, составить необходимые уравнения реакций;

4. И наконец нужно описать качественные реакции на катионы (анионы), содержащие этот элемент, способы получения простого вещества и важнейших соединений этого химического элемента, указать практическое применение изучаемых веществ этого элемента.

Так, если вы определите, что оксид кислотный, то он будет реагировать с водой, основными оксидами, основаниями (см. урок 2.1) и ему будет соответствовать кислотный гидроксид (кислота). При описании свойств этой кислоты также полезно заглядывать в соответствующий раздел: урок 2.2.

Внутреннее строение и физические свойства металлов

Металлы — это простые вещества, атомы которых могут только отдавать электроны.

Такая особенность металлов связана с тем, что на внешнем уровне этих атомов мало электронов (чаще всего от 1 до 3) или внешние электроны расположены далеко от ядра.

Чем меньше электронов на внешнем уровне атома и чем дальше они расположены от ядра, — тем активнее металл (ярче выражены его металлические свойства).

Задание 8.1. Какой металл активнее:

Назовите химические элементы А, Б, В, Г.

Металлы и неметаллы в Периодической системе химических элементов Менделеева (ПСМ) разделяет линия, проведённая от бора к астату. Выше этой линии в главных подгруппах находятся неметаллы (см. урок 3). Остальные химические элементы — металлы.

Задание 8.2. Какие из следующих элементов относятся к металлам: кремний, свинец, сурьма, мышьяк, селен, хром, полоний?

Вопрос. Как можно объяснить тот факт, что кремний — неметалл, а свинец — металл, хотя число внешних электронов у них одинаково?

Существенной особенностью атомов металлов является их большой радиус и наличие слабо связанных с ядром валентных электронов. Для таких атомов величина энергии ионизации* невелика.

* ЭНЕРГИЯ ИОНИЗАЦИИ равна работе, затрачиваемой на удаление одного внешнего электрона из атома (на ионизацию атома), находящегося в основном энергетическом состоянии.

Часть валентных электронов металлов, отрываясь от атомов, становятся «свободными». «Свободные» электроны легко перемещаются между атомами и ионами металлов в кристалле, образуя «электронный газ» (рис. 28).

В последующий момент времени любой из «свободных» электронов может притянуться любым катионом, а любой атом металла может отдать электрон и превратиться в ион (эти процессы показаны на рис. 28 пунктирами).

Таким образом, внутреннее строение металла похоже на слоёный пирог, где положительно заряженные «слои» атомов и ионов металла чередуются с электронными «прослойками» и притягиваются к ним.

Наилучшей моделью внутреннего строения металла является стопка стеклянных пластинок, смоченных водой: оторвать одну пластинку от другой очень трудно (металлы прочные), а сдвинуть одну пластинку относительно другой очень легко (металлы пластичные) (рис. 29).

Задание 8.3. Сделайте такую «модель» металла и убедитесь в этих свойствах.

Химическая связь, осуществляемая за счёт «свободных» электронов, называется металлической связью.

«Свободные» электроны обеспечивают также такие физические свойства металлов, как электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость), а также металлический блеск.

Задание 8.4. Найдите дома металлические предметы.

Выполняя это задание, вы легко найдёте на кухне металлическую посуду: кастрюли, сковородки, вилки, ложки. Из металлов и их сплавов делают станки, самолёты, автомобили, тепловозы, инструменты.

Без металлов невозможна современная цивилизация, так как электрические провода также делают из металлов — Cu и Al. Только металлы годятся для получения антенн для радио- и телеприёмников, из металлов делают и лучшие зеркала.

При этом чаще используют не чистые металлы, а их смеси (твёрдые растворы) — СПЛАВЫ.

Сплавы

Металлы легко образуют сплавы — материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов (простых веществ), из которых хотя бы один является металлом.

Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других компонентов.

В принципе, чёткую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других химических элементов.

Все перечисленные выше предметы — станки, самолёты, автомобили, сковородки, вилки, ложки, ювелирные изделия — делают из сплавов.

Металлы-примеси (легирующие компоненты) очень часто изменяют свойства основного металла в лучшую, с точки зрения человека, сторону. Например, и железо и алюминий — довольно мягкие металлы.

Но, соединяясь друг с другом или с другими компонентами, они превращаются в сталь, дуралюмин и другие прочные конструкционные материалы. Рассмотрим свойства самых распространённых сплавов.

Сталь — это сплавы железа с углеродом, содержащие последнего до 2 %. В состав легированных сталей входят и другие химические элементы — хром, ванадий, никель.

Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно перечислить.

Малоуглеродистая сталь (менее 0,25 % углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55 %) идет на изготовление режущих инструментов: бритвенные лезвия, сверла и др.

Железо составляет основу чугуна. Чугуном называется сплав железа с 2–4 % углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей и др.

Бронза — сплав меди, обычно с оловом как основным легирующим компонентом, а также с алюминием, кремнием, бериллием, свинцом и другими элементами, за исключением цинка. Оловянные бронзы знали и широко использовали ещё в древности.

Большинство античных изделий из бронзы содержат 75–90 % меди и 25–10 % олова, что делает их внешне похожими на золотые, однако они более тугоплавкие. Это очень прочный сплав. Из него делали оружие до тех пор, пока не научились получать железные сплавы.

С применением бронзы связана целая эпоха в истории человечества: Бронзовый век.

Латунь — это сплавы меди с Zn, Al, Mg. Это цветные сплавы с невысокой температурой плавления, их легко обрабатывать: резать, сваривать и паять.

Мельхиор — является сплавом меди с никелем, иногда с добавками железа и марганца. По внешним характеристикам мельхиор похож на серебро, но обладает большей механической прочностью.

Сплав широко применяют для изготовления посуды и недорогих ювелирных изделий.

Большинство современных монет серебристого цвета изготавливают из мельхиора (обычно 75 % меди и 25 % никеля с незначительными добавками марганца).

Дюралюминий, или дюраль — это сплав на основе алюминия с добавлением легирующих элементов — медь, марганец, магний и железо. Он характеризуется своей стальной прочностью и устойчивостью к возможным перегрузкам. Это основной конструкционный материал в авиации и космонавтике.

Металлы легко отдают электроны, т. е. являются восстановителями. Поэтому они легко реагируют с окислителями.

Вопросы

1. Какие атомы являются окислителями?
2. Как называются простые вещества, состоящие из атомов, которые способны принимать электроны?

Таким образом, металлы реагируют с неметаллами. В таких реакциях неметаллы, принимая электроны, приобретают обычно НИЗШУЮ степень окисления.

Рассмотрим пример. Пусть алюминий реагирует с серой:

Вопрос. Какой из этих химических элементов способен только отдавать электроны? Сколько электронов?

Алюминий — металл, имеющий на внешнем уровне 3 электрона (III группа!), поэтому он отдаёт 3 электрона:

Поскольку атом алюминия отдает электроны, атом серы принимает их.

Вопрос. Сколько электронов может принять атом серы до завершения внешнего уровня? Почему?

У атома серы на внешнем уровне 6 электронов (VI группа!), следовательно, этот атом принимает 2 электрона:

Таким образом, полученное соединение имеет состав:

В результате получаем уравнение реакции:

Задание 8.5. Составьте, рассуждая аналогично, уравнения реакций:

• кальций + хлор (Cl2);
• магний + азот (N2).

• Составляя уравнения реакций, помните, что атом металла отдаёт все внешние электроны, а атом неметалла принимает столько электронов, сколько их не хватает до восьми.
• Названия полученных в таких реакциях соединений всегда содержат суффикс ИД:

Корень слова в названии происходит от латинского названия неметалла (см. урок 2.4).

Металлы реагируют с растворами кислот (см. урок 2.2). При составлении уравнений подобных реакций и при определении возможности такой реакции следует пользоваться рядом напряжений (рядом активности) металлов:

1. Металлы, стоящие в этом ряду до водорода, способны вытеснять водород из растворов кислот:

Задание 8.6. Составьте уравнения возможных реакций:

• магний + серная кислота;
• никель + соляная кислота;
• ртуть + соляная кислота.

• Все эти металлы в полученных соединениях двухвалентны.
• Реакция металла с кислотой возможна, если в результате её получается растворимая соль. Например, магний практически не реагирует с фосфорной кислотой, поскольку его поверхность быстро покрывается слоем нерастворимого фосфата:
• Металлы, стоящие после водорода, могут реагировать с некоторыми кислотами, но водород в этих реакциях не выделяется:

Задание 8.7. Какой из металлов — Ва, Mg, Fе, Рb, Сu — может реагировать с раствором серной кислоты? Почему? Составьте уравнения возможных реакций.

1. Металлы реагируют с водой, если они активнее железа (железо также может реагировать с водой). При этом очень активные металлы (Li – Al) реагируют с водой при нормальных условиях или при небольшом нагревании по схеме:
2. где х — валентность металла.

Задание 8.8. Составьте уравнения реакций по этой схеме для К, Nа, Са. Какие ещё металлы могут реагировать с водой подобным образом?

Возникает вопрос: почему алюминий практически не реагирует с водой? Действительно, мы кипятим воду в алюминиевой посуде, — и… ничего! Дело, в том, что поверхность алюминия защищена оксидной пленкой (условно — Al2O3).

Если её разрушить, то начнётся реакция алюминия с водой, причём довольно активная. Полезно знать, что эту плёнку разрушают ионы хлора Cl–.

А поскольку ионы алюминия небезопасны для здоровья, следует выполнять правило: в алюминиевой посуде нельзя хранить сильно солёные продукты!

Вопрос. Можно ли хранить в алюминиевой посуде кислые щи, компот?

• Менее активные металлы, которые стоят в ряду напряжений после алюминия, реагируют с водой в сильно измельчённом состоянии и при сильном нагревании (выше 100 °C) по схеме:
• Металлы, менее активные, чем железо, с водой не реагируют!
• Металлы реагируют с растворами солей. При этом более активные металлы вытесняют менее активный металл из раствора его соли:

Задание 8.9. Какие из следующих реакций возможны и почему:

1. серебро + нитрат меди II;
2. никель + нитрат свинца II;
3. медь + нитрат ртути II;
4. цинк + нитрат никеля II.

Составьте уравнения возможных реакций. Для невозможных поясните, почему они невозможны.

1. Следует отметить (!), что очень активные металлы, которые при нормальных условиях реагируют с водой, не вытесняют другие металлы из растворов их солей, поскольку они реагируют с водой, а не с солью:
2. А затем полученная щёлочь реагирует с солью:
3. Поэтому реакция между сульфатом железа и натрием НЕ сопровождается вытеснением менее активного металла:

Коррозия металлов

Коррозия — самопроизвольный процесс окисления металла под действием факторов окружающей среды.

В природе практически не встречается металлов в свободном виде. Исключение составляют только «благородные», самые неактивные металлы, например золото, платина. Все остальные активно окисляются под действием кислорода, воды, кислот и др. Например, ржавчина образуется на любом незащищённом железном изделии именно в присутствии кислорода или воды. При этом окисляется железо:

• а восстанавливаются компоненты атмосферной влаги:
• В результате образуется гидроксид железа (II), который, окисляясь, превращается в ржавчину:

Подвергаться коррозии могут и другие металлы, правда, ржавчина на их поверхности не образуется. Так, нет на Земле металла алюминия — самого распространённого металла на планете.

Но зато основу многих горных пород и почвы составляет глинозём Al2O3. Дело в том, что алюминий мгновенно окисляется на воздухе.

Коррозия металлов наносит колоссальный ущерб, разрушая различные металлические конструкции.

Чтобы уменьшить потери от коррозии, следует устранить причины, которые её вызывают. В первую очередь, металлические предметы следует изолировать от влаги. Это можно сделать разными способами, например, хранить изделие в сухом месте, что далеко не всегда возможно.

Кроме того, можно поверхность предмета покрасить, смазать водоотталкивающим составом, создать искусственную оксидную плёнку. В последнем случае в состав сплава вводят хром, который «любезно» распространяет собственную оксидную плёнку на поверхность всего металла.

Сталь становится нержавеющей.

Изделия из нержавеющей стали дороги. Поэтому для защиты от коррозии используют тот факт, что менее активный металл не изменяется, т. е. не участвует в процессе. Поэтому если к сохраняемому изделию приварить более активный металл, то, пока он не разрушится, изделие корродировать не будет. Этот способ защиты называется протекторной защитой.

Выводы

Металлы — это простые вещества, которые всегда являются восстановителями. Восстановительная активность металла убывает в ряду напряжений от лития к золоту. По положению металла в ряду напряжений можно определить, как металл реагирует с растворами кислот, с водой, с растворами солей.

Характеристики основных механических свойств металлов и сплавов и способы их определения

Любое вещество, будь то газ, жидкость или твердое тело, обладает рядом специфических, только ему присущих свойств. Однако эти свойства позволяют не только индивидуализировать элементы, но и объединять их в группы по принципу схожести.

Посмотрите на металлы: с обывательской точки зрения это блестящие элементы, с высокой электро- и теплопроводностью, не восприимчивые к внешним физическим воздействиям, ковкие и легко свариваемые при высоких температурах. Достаточен ли этот перечень.

чтобы объединить металлы в одну группу? Конечно же нет, металлы и их производные (сплавы) гораздо сложнее и обладают целым набором химических, физических, механических и технологических свойств.

Сегодня мы поговорим лишь об одной группе: механических свойствах металлов.

Основные механические свойства металлов

Что это за свойства? Под механическими понимают такие свойства субстанции, которые отражают ее умение противостоять действиям извне. Известно девять основных механических свойств металлов:

— Прочность — означает, что приложение статической, динамической или знакопеременной нагрузки не приводит к нарушению внешней и внутренней целостности материала, изменению его строения, формы и размеров.

— Твердость (часто путают с прочностью) — характеризует возможность одного материала противостоять прониканию другого, более твердого предмета.

— Упругость — означает способность к деформированию без нарушения целостности под действием определенных сил и возвращению первоначальной формы после освобождения от нагрузки.

— Пластичность (часто путают с упругостью и наоборот) — также способность к деформации без нарушения целостности, однако в отличие от упругости, пластичность означает, что объект способен сохранить полученную форму.

— Стойкость к трещинам — под воздействием внешних сил (ударов, натяжений и пр.) материал не образует трещин и сохраняет наружную целостность.

— Вязкость или ударная вязкость — антоним ломкости, то есть возможность сохранять целостность материала при возрастающих физических воздействиях.

— Износостойкость — способность к сохранению внутренней и внешней целостности при длительном трении.

— Жаростойкость — длительная возможность противостоять изменению формы, размера и разрушению при воздействии больших температур.

— Усталость — время и количество циклических воздействий, которые материал может выдержать без нарушения целостности.

Часто, говоряо тех или иных свойствах, мы путаем их названия: технологические свойства относим к физическим, физические к механическим и наоборот. И это неудивительно, ведь несмотря на глубинные отличия, лежащие в основе той или иной группы свойств, механические свойства не только крайне тесно связаны с другими характеристиками металлов, но и напрямую зависят от них.

Физические свойства металлов

Наиболее взаимозависимы между собой механические и химические свойства металлов, ведь именно химический состав металла или сплава, его внутреннее строение (особенности кристаллической решетки) диктуют все остальные его параметры. Если говорить о механических и физических свойствах металлов, то их чаще других путают между собой, что обусловлено близостью данных определений.

Физические свойства часто неотделимы от механических. К примеру, тугоплавкие металлы еще и самые прочные. Главное же отличие лежит в природе свойств. Физические свойства — те что проявляется в покое, механические — только под воздействием извне.

Не хуже других связаны механические и технологические свойства металлов. Например, механическое свойство металла «прочность» может быть результатом его грамотной технологической обработки (с этой целью нередко используют «закалку» и «старение»).

Обратная взаимосвязь не менее важна, к примеру, ковкость проявление хорошей ударной вязкости.

Делая вывод, можно сказать, что зная некоторые химические, физические или технологические свойства можно предугадать, как будет вести себя металл под воздействием нагрузки (т.е. механически), и наоборот.

В чем отличия механических свойств металлов и сплавов?

Различаются ли механические свойства металлов и сплавов? Безусловно. Ведь любой металлический сплав изначально создается с целью получения каких-либо конкретных свойств.

Некоторые сочетания легирующих элементов и основного металла в сплаве способны мгновенно преобразить легируемый элемент. Так алюминий ( не самый прочный и твердый металл в мире) в сочетании с цинком и магнием образует сплав по прочности сравнимый со сталью.

Все это дает практически неограниченные возможности в получении веществ наиболее близких к требуемым.

Отдельное внимание следует уделить механическим свойствам наплавленных металлов. Наплавленным считается металл, с помощью которого производилась сварка двух или более частей какого-то металлического элемента или конструкции.

Этот металл словно нитки соединяет разорванные части. От того, как будет вести себя «шов» под нагрузкой, будет зависеть безопасность и надежность всей конструкции.

Исходя из этого, крайне важно, чтобы свойства наплавленного металла были не хуже, чем у главного металла.

Как определить механические свойства?

• Экспериментальным путем. Среди основных методов определения механических свойств металлов можно выделить:
• — испытания на растяжение;
• — метод вдавливания по Бринеллю;

1. — определение твердости металла по Роквеллу;
2. — оценка твердости по Виккерсу;
3. — определение вязкости с помощью маятникового копра;

Механические свойства имеют весьма серьезное значение. Их знание позволяет использовать металлы и их сплавы с наибольшей эффективностью и отдачей.

Свойства металлов и методы их определения

Свойства металлов, как и других материалов, принято делить на физические, химические, механические и технологические. Все свойс­тва металлов зависят от их химического состава и строения (структу­ры).

Физические свойства металлов характеризуются плотностью, тем­пературой плавления, теплопроводностью, тепловым расширением, удельной теплоемкостью, электропроводностью и способностью намагни­чиваться.

Химические свойства определяются отношением металлов к химическим воздействиям различных сред. Физические свойства изуча­ются в курсе физики, а химические — коррозионная стойкость, окали­ностойкость и др.

— рассматриваются в соответствующих главах данно­го пособия.

Важнейшее значение для определения пригодности металлов в ка­честве конструкционных материалов имеют их механические свойства. К механическим свойствам относятся:

прочность — способность металла оказывать сопротивление дейс­твию внешних сил, не разрушаясь. Отношение прочности к плотности называют удельной прочностью. Сопротивление металла действию мно­гократно повторяющегося нагружения носит название усталостной проч­ности;

• упругость — свойство металла восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызвавших изменение формы (дефор­мацию);
• пластичность — свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять измененную форму после прек­ращения действия сил. Пластичность — свойство, обратное упругости;
• твердость — способность металла оказывать сопротивление про­никновению в него более твердого тела;
• вязкость — способность металла оказывать сопротивление ударным нагрузкам. Вязкость — свойство, противоположное хрупкости;

износостойкость — сопротивление металла изнашиванию вследствие процессов трения. Износ определяется по изменению размеров или мас­сы деталей.

Значения характеристик рассмотренных механических свойств оп­ределяется статическим растяжением, а также испытаниями на твер­дость, ударную вязкость, усталость и износ.

Испытание на растяжение (ранее ГОСТ 1497-73). При этом виде испытаний обычно применяют круглые образцы диаметром 10 и 20 мм. Расчетная длина образцов берется равной деся­тикратному или пятикратному диамет­ру.

Испытываемый образец материала с первоначальной площадью попереч­ного сечения Fo, мм2, постепенно растягивается возрастающей силой Р.Испытание на растяжение (ранее ГОСТ 1497-73). При этом виде испытаний обычно применяют круглые образцы диаметром 10 и 20 мм. Расчетная длина образцов берется равной десятикратному или пятикратному диаметру.

Испытываемый образец материала с первоначальной площадью поперечного сечения F0, мм2, постепенно растягивается возрастающей силой Р, Н.

Рис.2.1. Диаграмма растяжения образца из мягкой стали.

Результаты испытаний изображаются диаграммой растяжения (рис. 2.1). На диаграмме по оси ординат откладывается растягивающая сила P, а по оси абсцисс – абсолютное удлинение образца (деформация). С возрастанием нагрузки растет и напряжение σ, которое характеризуется отношением величины нагрузки к площади поперечного сечения образца и выражается с паскалях (1 Па = 1 Н/м2).

Прямая линия ОР на диаграмме показывает, что до точки Р удлинение образца возрастает пропорционально росту нагрузки. Эта закономерность носит название закона пропорциональности.

Наибольшее напряжение, до которого испытываемый образец деформируется без отклонения от закона пропорциональности, называется пределом пропорциональности. До этой точки деформация бывает упругой, так как полностью исчезает после снятия нагрузки.

При дальнейшем растяжении образца наблюдается отклонение от закона пропорциональности.

Точка Е соответствует пределу упругости, т.е. напряжению, при котором образец при снятии нагрузки обнаруживает первые признаки остаточной деформации.

При дальнейшем возрастании усилия растяжения у пластичных материалов на диаграмме наблюдается горизонтальный участок Т-Т1, указывающий на то, что образец продолжает удлиняться без заметного возрастания нагрузки (материал как бы «течет). Напряжение, при котором образец продолжает деформироваться при временном постоянстве, называется пределом текучести.

1. Предел текучести σт определяется:
2. σт = P1/F0,
3. где P1 — нагрузка, соответствующая пределу текучести, Н;
4. F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2 .

Высокоуглеродистые стали и некоторые неметаллические материалы не дают площадки текучести на диаграмме растяжения. Для таких металлов за предел текучести условно принимают напряжение, вызывающее остаточное удлинение, равное 0,2% начальной длины. Это так называемый условный предел текучести (σ0,2 ).

Точка В показывает наибольшее значение усилия растяжения во время испытания образца. Условное напряжение, которое соответствует наибольшей нагрузке, предшествующей разрушению образца, называется пределом прочности при растяжении (временное сопротивление разрыву). Предел прочности σв определяется по формуле

• σв = Pв/F0,
• где Pв – наибольшее значение нагрузки, Н;
• F0 — первоначальная площадь поперечного сечения образца, м2 .

У металлов разрыв образца происходит при более низкой нагрузке, чем Pв (точка К на диаграмме). Это объясняется образованием «шейки», т.е. резким уменьшением сечения образца в одном месте , в котором напряжение продолжает расти до момента разрыва образца.

1. Отношение нагрузки в момент разрыва к площади поперечного сечения в шейке образца называется истинным сопротивлением разрыву:
2. Sк = Pк/Fк ,
3. где Pк – нагрузка в момент разрыва образца, Н;
4. Fк — площадь поперечного сечения шейки образца после разрыва, м2 .
5. Диаграмма растяжения дает представление о пластичности материала, которая характеризуется относительным удлинением δ и относительным сужением площади поперечного сечения образца ψ.
6. Относительным удлинение называется отношение приращения длины образца к первоначальной его длине, выраженное в процентах:
7. δ = (l1 – l0) 100/l0 ,
8. где l0 — первоначальная расчетная длина образца, мм;
9. l1 — длина образца после растяжения, мм.
10. Относительным сужением называется отношение уменьшения площади поперечного сечения образца к первоначальной площади, выраженное в процентах:
11. ψ = (F0 – F1) 100 / F0 ,
12. где F0– первоначальная площадь поперечного сечения образца, мм2;
13. F1 — наименьшая площадь поперечного сечения образца после растяжения, мм2.

Испытание на ударный изгиб (ударная вязкость ранее ГОСТ 8454-78). В лабораторных условиях изделия испытывают ударом (динамические испытания) на маятниковом копре.

При испытании металлов образец стандартной формы 10 Х 10 Х 55 мм, обычно с надрезом глубиной 2 мм, устанавливают на опорах копра, причем надрез располагают строго против того места, где маятник ударит по образцу. Затем маятник весом G поднимают на высоту Н. В таком положении запас потенциальной энергии маятника А = GH, Дж.

Затем маятник освобождают. Падая, он разрушает образец. Неизрасходованная энергия поднимает маятник с другой стороны на высоту h, совершая работу а = Gh, Дж.

• Работа, затраченная на разрушение образца, определится
• Ан = А-а = G(H-h).
• Если эту работу отнести к площади поперечного сечения, то получим удельную работу удара, Дж/м2, или ударную вязкость:
• ан = Ан/F.
• Материалы, легко разрушающиеся под действием удара и имеющие значения ан менее 0,3 МДж/м2, называются хрупкими, а хорошо сопротивляющиеся удару — вязкими.

Испытание на ударный изгиб (ударная вязкость ранее ГОСТ 8454-78). В лабораторных усло­виях изделия испытывают ударом (динамические испытания) на ма­ятниковом копре.

При испытании металлов образец ста­ндартной формы 10 Х 10 Х 55 мм, обычно с надрезом глубиной 2 мм, устанавливают на опорах копра, причем надрез располагают стро­го против того места, где маят­ник ударит по образцу. Затем маятник весом G поднимают на высоту Н. В таком положении за­пас потенциальной энергии маятника А = GH, Дж.

Затем маятник освобождают. Падая, он разрушает образец. Неизрасходованная энергия поднимает маятник с другой стороны на высоту h, совершая работу f = Gh, Дж.

1. Работа затраченная на разрушение образца, определится Ан = А-а = G(H-h).
2. Если эту работу отнести к площади поперечного сечения, то по­лучим удельную работу удара, Дж/м2, или ударную вязкость:
3. ан = Ан/F.
4. Материалы, легко разрушающиеся под действием удара и имеющие значения ан менее 0,3 МДж/м2, называются хрупкими, а хорошо сопро­тивляющиеся удару — вязкими.

Определение твердости (ра­нее ГОСТ 9012-59).Для определе­ния твердости незакаленных ста­лей, чугуна и цветных металлов обычно применяют метод Бринелля.

По этому методу опре­деления твердости стальной за­каленный шарик диаметром D вдавливается с силой Р в по­верхность испытываемого метал­ла.

В результате на поверхности образца остается отпечаток в виде шарового сегмента диамет­ром d с площадью поверхности F

Твердость по Бринеллю, Па (Н/м2), определяют НВ = Р/F.

Для определения твердости в практической деятельности пользуются специальными табли­цами, в которых приведены зна­чения твердости в зависимости от диаметра вдавливаемого шари­ка.

По методу Роквелла (ранее ГОСТ 9013-59) твердость определяют: для относительно мягких материалов с твердостью до 2400 МПа — вдав­ливанием стального шарика диаметром 1,59 мм при нагрузке 1000 Н; для более твердых металлов — вдавливанием алмазного конуса при наг­рузке 1500 Н (HRC) или 600 Н (НRА).

Величину твердости устанавлива­ют с помощью индикатора, циферблат которого имеет две шкалы: крас­ную В — для испытаний стальным шариком; черную С — для испытаний алмазным конусом. Твердость по Роквеллу измеряется в условных еди­ницах.

С помощью специальных таблиц показания твердости по Роквеллу могут быть переведены на показания по Бринеллю.

Испытание на усталость. Рессоры, шейки осей локомотивов и ва­гонов, пальцы кривошипов, коленчатые валы двигателей и другие дета­ли испытывают нагрузки, изменяющиеся по величине и направлению. Ис­пытания на усталость (выносливость) металла производятся обычно на машинах, обеспечивающих знакопеременный изгиб, попеременное сжатие и растяжение, кручение и повторную ударную нагрузку.

Основные свойства металлов и способы их определения

Из вышеизложенного становится понятным, что такое металл. К ним относится железо и алюминий, медь и свинец, титан и вольфрам, и еще множество элементов.

Какой из них лучше, что следует применять в тех или иных условиях эксплуатации? Каждый материал обладает только ему присущим качеством, независимо от того, оцениваем ли мы его или нет.

С другой стороны, качество можно охарактеризовать множеством свойств, которые нам кажутся наиболее важными в той или иной ситуации. По внешнему виду, например, алюминий выглядит светло-серебристым, а медь — красной.

Магний, алюминий и титан по первому ощущению кажутся легкими, свинец и вольфрам тяжелыми. При нагревании свинец из кристаллического (твердого) состояния превращается в жидкость уже при 324 ˚С, тогда как вольфрам остается твердым до температур в 10 раз более высоких (температура плавления вольфрама 3400 ˚С).

Поэтому то или иное отдельно взятое свойство еще не может охарактеризовать качество материала. Поэтому, для более или менее полной характеристики качества определяют несколько свойств, наиболее важных для конкретных условий их применения. Все основные свойства материалов условно можно подразделить на следующие группы: химические, физические и механические.

• К химическим характеристикам материалов относят:
• химический состав, в том числе наличие примесей, легирующих элементов; способность к химическому взаимодействию с кислотами и щелочами; коррозионная стойкость, определяемая в различных условиях химически активной воздействующей на материал среды, и некоторые другие свойства.
• К физическим свойствам относят:

плотность (удельный вес) и способность материала изменять ее и размеры изделия при температурном воздействии (тепловое расширение); электропроводность и электросопротивление; комплекс магнитных характеристик, таких, например, как коэрцитивная сила, намагниченность насыщения, магнитная проницаемость и др.; комплекс теплофизических свойств, таких как теплоемкость, теплопроводность, коэффициент теплоизлучения, степень черноты поверхности и др.

К механическим свойствам относят:

твердость, определяемая различными методами, в том числе по Бринеллю, Роквеллу, микротвердость вдавливанием, царапанием и др.

; комплекс механических свойств, определяемых при растяжении (сжатии, кручении, изгибе) образцов, включающий (при растяжении) значения временного сопротивления разрыву (или предела прочности), предела пропорциональности, предела упругости, предела текучести, характеристик относительного удлинения и относительного сужения; предел выносливости, как характеристика, определяемая при многократных знакопеременных нагрузках при растяжении-сжатии, кручении и изгибе; ударная вязкость, определяемая при динамическом нагружении изгибом; жаропрочность; износостойкость и др. Химические свойства

Химический состав материалов определяет их строение, в том числе их фазовый состав, структуру и их свойства. В связи с этим различают сплавы на основе железа: стали и чугуны, сплавы на основе алюминия: силумины, дуралюмины, сплавы на основе меди: латуни и бронзы и т.д.

При дальнейшем изучении курса мы познакомимся с классификацией сталей и сплавов, но уже здесь можно назвать стали углеродистые и легированные, например, хромистые, хромо-никелевые, хромо-никель-молибденовые и др.

Наличие примесей в стали или сплаве резко изменяет свойства сплавов, в связи с чем количество примесей резко ограничивается. В связи с этим, например, различают стали обычного качества, стали качественные и стали повышенного качества.

Металлы могут быть химически чистыми, технически чистыми с различной степенью чистоты.

Химический состав металлов и сплавов строго регламентируется требованиями Государственных стандартов, которые являются обязательными для заводов-изготовителей этих материалов.

В последнее время, в связи с интеграционными процессами, большое количество материалов у нас в стране изготавливается для поставок на экспорт, что требует оценки их химического состава и свойств согласно требованиям зарубежных стандартов.

Каждому материалу по государственным стандартам присваиваются марки, используя которые можно всегда определить их химический состав. Например, алюминий технический различной степени чистоты обозначается А5; А7; А8; А9; А99; А999, что соответствует содержанию примесей не более (соответственно) 0,05%; 0,3%; 0,2%; 0,1%; 0,01%; 0,001%.

Стали марок 10, 15, 20, 30, 40, 45 и т.д. соответствуют содержанию углерода в сталях 0,1%, 0,15%; 0,2%; 0,3%; 0,4%; 0,45% и т.д.

Марки не всегда определяют химический состав стали или сплава, а бывают просто условными обозначениями, например, сталь марки Ст3. Здесь цифра 3 — просто номер. Такие же примеры из области алюминиевых сплавов АЛ5; АЛ4; АЛ9.

Здесь цифры — номер сплава по ГОСТ. То же в титановых сплавах: ВТ3; ВТ5; ВТ6; ВТ22; ВТ14.

Определение химического состава сплавов производится чисто химическими методами — аналитической химии, а также методами физико-химического: спектрального, рентгеноспектраотного, спектрально-флюоресцентного, атомно-абсорбционного и др.

Методы микрорентгеноспектрального анализа позволяют определять не только средний химический состав материала, но и содержание компонентов в каждой частице структуры сплава, что очень важно для гетерогенных материалов, в том числе композиционных.

Распределение элементов в материале может быть определено радиометрическими методами — так называемым методом «меченых атомов», с применением радиоактивных изотопов.

Способность к взаимодействию с кислотами и щелочами — это еще одно химическое свойство материалов, которое широко используется в технологиях получения микросхем на полупроводниковых приборах, методах электрохимической обработки поверхности, а также для выявления структуры материалов при металлографическом травлении.

Коррозионная стойкость материала — его эксплуатационное свойство. Она характеризует устойчивость материала в условиях эксплуатации при воздействии внешней агрессивной среды: атмосферного воздуха, влаги, морской воды и др.

Высокая коррозионная стойкость обеспечивается определенным химическим составом сплава, его структурой, что, в свою очередь определяется способом и режимами термической обработки. Поэтому коррозионная стойкость является одним из важнейших химических свойств материалов, потому что ее повышение часто становится главной задачей при создании новых сплавов, материалов и покрытий.

Определение коррозионной стойкости чаще всего производят в условиях, близких к условиям эксплуатации реальных изделий. Важнейшими характеристиками коррозионной стойкости являются сопротивление общей коррозии, склонность к межзеренному разрушению (межкристаллитная коррозия), склонность к коррозии под напряжением, жаростойкость, окалиностойкость и др.

Физические и химические свойства металлов

Металлы широко распространены в природе и могут встречаться в различном виде: в самородном состоянии (Ag, Au, Rt, Cu), в виде оксидов (Fe3O4, Fe2O3, (NaK)2O×AlO3), солей (KCl, BaSO4, Ca3(PO4)2), а также сопутствуют различным минералам (Cd – цинковые руды, Nb, Tl – оловянные и т.д.).

Физические свойства металлов

Всем металлам присущи металлический блеск (однако In и Ag отражают свет лучше других металлов), твердость (самый твердый металл – Cr, самые мягкие металлы – щелочные), пластичность (в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe наблюдается уменьшение пластичности), ковкость, плотность (самый легкий металл – Li, самый тяжелый – Os), тепло – и электропроводность, которые уменьшаются в ряду Ag, Cu, Au, Al, W, Fe.

В зависимости от температуры кипения все металлы подразделяют на тугоплавкие (Tкип > 1000С) и легкоплавкие (Tкип < 1000С). Примером тугоплавких металлов может быть – Au, Cu, Ni, W, легкоплавких – Hg, K, Al, Zn.

Среди металлов присутствуют s-, p-, d- и f-элементы. Так, s- элементы – это металлы I и II групп Периодической системы (ns1, ns2), р- элементы – металлы, расположенные в группах III – VI (ns2np1-4). Металлы d-элементы имеют большее число валентных электронов по сравнению с металлами s- и p-элементами.

Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов d-элементов – (n-1)d1-10ns2. Начиная с 6 периода появляются металлы f-элементы, которые объединены в семейства по 14 элементов (за счет сходных химических свойств) и носят особые названия лантаноидов и актиноидов.

Общая электронная конфигурация валентных электронов металлов f-элементов – (n-2)f1-14(n-1)d0-1ns2.

Химические свойства металлов

• Металлы способны реагировать с простыми веществами, такими как кислород (реакция горения), галогены, азот, сера, водород, фосфором и углеродом:
• 2Al + 3/2 O2 = Al2O3 (оксид алюминия)
• 2Na + Cl2 = 2NaCl (хлорид натрия)
• 6Li + N2 = 2Li3N (азид лития)
• 2Li+2C = Li2C2 (карбид лития)
• 2K +S = K2S (сульфид калия)
• 2Na + H2 = NaH (гидрид натрия)
• 3Ca + 2P = Ca3P2 (фосфид кальция)
• Металлы взаимодействуют друг с другом, образуя интерметаллические соединения:
• 3Cu + Au = Cu3Au
• Щелочные и некоторые щелочноземельные металлы (Ca, Sr, Ba) взаимодействуют с водой с образованием гидроксидов:
• Ba + 2H2O = Ba(OH)2 + H2↑
• 2Na + 2H2O = 2NaOH + H2↑

В ОВР металлы являются восстановителями – отдают валентные электроны и превращаются в катионы. Восстановительная способность металла — его положение в электрохимическом ряду напряжений металлов. Так, чем левее в ряду напряжений стоит металл, тем более сильные восстановительные свойства он проявляет.

1. Металлы, стоящие в ряду активности до водорода способны реагировать с кислотами:
2. 2Al + 6HCl = 2AlCl3 + 3 H2↑
3. Zn + 2HCl = ZnCl2 + 2H2↑
4. Fe + H2SO4 = FeSO4 + H2↑

Получение металлов

• Щелочные, щелочноземельные металлы и алюминий получают электролизом расплавов солей или оксидов этих элементов:
• 2NaCl = 2Na + Cl2↑
• CaCl2 = Ca + Cl2↑
• 2Al2O3 = 4Al + 3O2↑
• Тяжелые металлы получают восстановлением из руд при высоких температурах и в присутствии катализатора (пирометаллургия) (1) или восстановлением из солей в растворе (гидрометаллургия) (2):
• Cu2O + C = 2Cu + CO (1)
• CuSO4 + Fe = Cu + FeSO4 (2)
• Некоторые металлы получают термическим разложением их неустойчивых соединений:
• Ni(CO)4 = Ni + 4CO

Примеры решения задач

ФИЗИЧЕСКИЕ, ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ

СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И МЕТОДЫ ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Одним из основных факторов, обеспечивающих выпуск надежной и качественной продукции машиностроительных предприятий, является правильный выбор металлов для различных изделий и конструкций. Для этого надо хорошо знать условия работы деталей и конструкций и свойства предназначаемых, для них металлов.

Свойства металлов и сплавов делятся на несколько групп: физические, механические, химические, технологические, специальные.

Физические свойства металлов. Плотность (кг/м3) — отношение массы металла к его объему. Металлы с малой плотностью применяют при изготовлении легких конструкций, например сплавы магния и алюминия в самолетостроении.

Температура плавления (°С) — температура, при которой металл переходит в жидкое состояние. Легкоплавкие сплавы — алюминий с Тпл 660°С, олово с Тпл 232°С, тугоплавкие — вольфрам с Тпл 3416°С, железо с Тпл 1539°С.

Тепловое расширение — равномерное увеличение объема (длины) тела при нагревании. Характеризуется коэффициентом расширения α (град -1). Этот коэффициент показывает относительное изменение линейных размеров тела при изменении температуры на один градус.

• Обычно определяют средний коэффициент линейного расширения ее, характеризующий тепловое расширение в широком интервале температур: от 0° или 20°С до заданной.
• Коэффициент объемного расширения в три раза больше коэффициента линейного расширения.
• Тепловое расширение при выборе металлов учитывают для конструкций, работающих при переменных и повышенных температурах.
• Коэффициент линейного расширения углеродистой стали при 20°С составляет 12 ×10-6, вольфрама — 4,3×10-6 дуралюмина — 22×10-6 град-1.
• Теплопроводность [Вт/(м×К)] — способность передавать теплоту от нагретых зон более холодным.
• Коэффициент теплопроводности λ показывает, какое количество теплоты может пройти перпендикулярно площади 1 м2 на расстояние 1 м при разности температур 1К на противоположных сторонах куба.

Теплопроводность учитывается при конструировании узлов, в которых металл не должен перегреваться. Коэффициент теплопроводности стали 45,4, алюминия 209,3, серебра 418,7 Вт/(м×К).

Электропроводность — способность металла проводить электрический ток.

С повышением температуры электропроводность уменьшается, с понижением — повышается. Электропроводность учитывается при выборе материала для изготовления электрических проводов и различных датчиков.

Удельное электросопротивление алюминия 2,69×10-6, вольфрама — 5,5×10-6, меди — 1,67 ×10-6 Ом/см при 20°С.

Магнитные свойства характеризуются магнитной восприимчивостью — способностью вещества намагничиваться в магнитном поле. Хорошо намагничивающиеся вещества называют ферромагнетиками. Это железо, никель, кобальт и ряд сплавов. Их применяют в электротехнике и приборостроении.

Химические свойства металлов. К этим свойствам относят способность металлов вступать в реакцию с рабочей средой.

Распространенным явлением является коррозия — разрушение металлов вследствие химического и электрохимического взаимодействия их с внешней средой. Из-за коррозии ежегодно теряется ~1,5% всего эксплуатируемого металла.

Поэтому применяют специальные методы защиты металлов от коррозии, а также коррозионно-стойкие в различных средах сплавы.

Технологические свойства металлов. Пригодность металла для изготовления различных конструкций и деталей не всегда можно оценить по физическим и механическим свойствам. Для более точной оценки качества металла проводят определение его технологических свойств.

К ним относятся литейные свойства, свариваемость, способность обрабатываться давлением и резанием. Определение технологических свойств проводится с помощью специальных проб. Ниже рассматриваются некоторые из них. Известно, что сталь одной марки, но разных плавок может иметь различную пластичность.

Для выбора способа горячей обработки давлением необходима предварительная оценка пластичности.

Определение ковкости проводят на пробах массой до 1 кг, отлитых по ходу плавки или разливки. Процесс определения ковкости заключается в том, что пробы в форме стаканчика проковывают на квадратный стержень сечением 15×15 мм. Затем стержень загибают молотком на 180° до соприкосновения сторон.

Ковкость считается хорошей при отсутствии на пробе надрывов, трещин и других дефектов, Ковкость считается удовлетворительной при появлении на наружных гранях пробы незначительных надрывов. Считают, что при разрушении пробы или появлении больших надрывов и трещин сталь непригодна для горячей обработки давлением.

Проба на свариваемость служит для определения способности стали принимать заданный по размерам и форме загиб по месту сварки.

Испытание заключается в загибе сваренного образца в месте сварки по одному из следующих вариантов: загиб до определенного угла, загиб вокруг оправки до параллельности сторон; загиб до соприкосновения сторон образца. Сталь считают выдержавшей пробу при отсутствии в образце после загиба трещин, надрывов, расслоений или излома. Такая сталь, имеющая сварные швы, может подвергаться пластической деформации.

Листовая сталь испытывается на загиб по такой же схеме, но без разрезки и сварки образца. Сохранение сплошности после испытания считается признаком того, что образец выдержал пробу.

Существует ряд других технологических проб, применяемых в различных производствах.