Свойства металлов

Свойства металлов.

1.Основные свойства металлов.

Свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: цвет, удельный вес, плавкость, электропроводность, магнитные свойства, теплопроводность, расширяемость при нагревании.

К химическим – окисляемость, растворимость и коррозионная стойкость.

К механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность.

К технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариемость, обрабатываемость резанием.

1. Физические и химические свойства.

Цвет
. Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет.

Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски.

Удельный вес.
Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом.

По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки.

Плавкость.
Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный.

Электропроводность.
Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 2730
С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +2320
(олово) до 33700
(вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля).

Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов.

Магнитные свойства.
Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами).

Теплопроводность.
Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать.

Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается.

Теплоёмкость.
Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 10
.

Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 10
.

Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур.

Расширяемость при нагревании.
Отношение приращения длины тела при его нагревании на 10
к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10-6
, а свинец 29,5 ·10-6
.

Коррозионная стойкость.
Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа.

Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.

2. Механические свойства.

Прочность.
Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь.

Твердость.
Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела.

Упругость.
Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.)

Вязкость.
Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости.

Пластичность.
Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости.

В табл. 1 приведены свойства технических металлов.

Таблица 1.

Свойства технических металлов.

3. Значение свойств металлов.

Механические свойства.
Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность.

Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов.

Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы.

Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью

Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке.

Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать).

Физические свойства.
В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность( отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали.

Плавкость
используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров.

Металлы с высокой электропроводностью
(медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства
металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи ( телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов.

Теплопроводность
металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов.

Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения
, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать,что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение.

Химические свойства.
Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия.

Технологические свойства.
Имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций.

Цветные металлы и их сплавы.

1.

Свойства и применение цветных металлов.

Медь –
высокая пластичность, электропроводность, теплопроводность, повышенная коррозионная стойкость является ценнейшими свойствами меди.

Высокая пластичность меди позволяет легко производить её обработку давлением: прокатку, волочение и штамповку.

Вследствие высокой электропроводности медь является самым лучшим металлом для электромашиностроения, изготовления кабелей и проводов для передачи электроэнергии.

Для изготовления состоянии она мало подвижна и плохо заполняет форму.

Медь служит основой для изготовления различных сплавов, широко применяется в машиностроении.

Алюминий -
легкий металл, обладает высокой пластичностью, хорошей электропроводностью и коррозионной стойкостью. Поэтому он применяется для изготовления электропроводов, посуды, для предохранения других металлов и сплавов от окислений путем плакирования.

Магний –
очень легкий металл. Это его большое и единственное преимущество.

Главным недостатком магния является его малая стойкость против коррозии. Будучи нагрет на воздухе до температуры 550-6000
магний вспыхивает и горит ярким пламенем, поэтому резку его нужно производить очень осторожно. Кроме того, он имеет малую пластичность. Ввиду этих недостатков чистый магний не нашёл применения в технике, а применяется в качестве основы для производства весьма легких сплавов.

Свинец –
очень мягкий и тягучий металл, легко обрабатывается в холодном состоянии и хорошо отливается; активно сопротивляется действию кислот. Применяется для изготовления труб, аккумуляторных пластин, а также для получения подшипниковых сплавов.

Цинк –
при нормальной температуре хрупок, при нагреве до 100-1500
- пластичен и легко обрабатывается давлением, при дальнейшем нагреве (свыше 2500
) вновь становится хрупким и может быть измельчен в порошок. В расплавленном состоянии обладает жидкотекучестью. Применяется для защиты железа от коррозии ( оцинкованное железо) и в сплавах.

Олово
обычно применяемое, является очень мягким и вязким металлом, хорошо обрабатывается давлением, на воздухе почти не окисляется. Используется для лужения, пайки и для получения различных сплавов. В расплавленном состоянии хорошо заполняет формы.

Руды олова редки и запасы их ограничены, поэтому олово является весьма дефицитным металлом.

Примерное назначение некоторых марок цветных металлов

(по ГОСТ)

Таблица № 2

Твёрдые сплавы.

Твердые сплавы в течение последних двух десятилетий получили очень широкое распространение в промышленности. Они используются в горной промышленности – для бурения, металлообрабатывающей промышленности – для резания, штамповки и волочения, а также для наплавки быстроизнашивающихся деталей.

Широкое распространение твердых сплавов в промышленности объясняется тем, что инструменты, оснащенные твердыми сплавами, позволяют во много раз повысить производительность имеющегося оборудования и снизить себестоимость изготовляемых изделий и что детали, направленные твердыми сплавами, работают на истирание значительно (иногда в десятки раз) дольше ненаплавленных деталей.

Основной составляющей всех сплавов являются карбиды металлов: вольфрама, молибдена, хрома, титана, марганца. Карбиды придают сплавам высокую твердость и износоустойчивость. Кроме того, в состав твердых сплавов входят кобальт, никель, железо.

Твердые сплавы делятся на литые, порошкообразные и металлокерамические.

1.Литые и порошкообразные твердые сплавы.

Эти сплавы применяются для наплавки быстроизнашивающихся деталей.

Литые твердые сплавы
– стеллиты и стеллитоподобные – отличаются высокой коррозионной стойкостью, в частности в серной кислоте; сохраняют стойкость при высоких температурах (стеллиты – до 8000
, стеллитоподобные до – 6000
).

Стеллиты и сормайт широко применяются в машиностроении для наплавки деталей и инструментов, работающих без ударов, и там, где деталь после механической обработки должна быть ровной и чистой ( главным образом при трении скольжения), например: для гибочных и вытяжных матриц, центров станков, измерительных скоб, колец для протяжки. Ввиду высокой жаропрочности этих сплавов их применяют также для наплавки деталей, работающихся при высоких температурах, например: для деталей металлургического оборудования, ножей для горячей резки, клапанов двигателей внутреннего сгорания.

Наплавку литых твердых сплавов можно производить на стальные (железные) и чугунные детали независимо от их сечения и конфигурации. Покрытие рабочей поверхности детали слоем сплава производится с помощью газовой горелки ацетилено – кислородным пламенем.

Порошкообразные твёрдые сплавы –
вокар и сталинит – применяются главным образом для наварки деталей производящих грубую работу, где допускается максимальное количество пор и раковин и обработка наваренной поверхности не является обязательной (щеки дробилок, зубья экскаваторов, землечерпалок и др.).

Вокар содержит 86% вольфрама, 9,5 – 10,5% углерода, до 0,5% кремния и до 2,5% железа; сталинит – 16 – 20% хрома, 8 – 10% углерода, 13 – 17% марганца до 3% кремния, остальное – железо.

Наварка порошкообразных твердых сплавов производится электрицеской дугой постоянного тока по способу Бенардоса (с применением угольного электрода). Поверхность, подлежащая наварке, устанавливается горизонтально, на нее наносят тонкий(0,2 – 0,3мм)слой флюса (прокаленной буры) и слой порошкообразного твердого сплава (шихты) толщиной 3 – 5мм.Электрод соединяется с отрицательным полюсом, деталь – с положительным. Электрическая дуга, образующаяся между электродом и деталью, расплавляет шихту и близлежащие слои основного металла, при этом образуется небольшая ванночка расплавленного твердого сплава и основного металла. Электроду сообщают поступательное зигзагообразное движение, причем дуга непрерывно переносится по поверхности твердого сплава.

2. Металлокерамические твердые сплавы.

Эти сплавы применяются в виде пластинок к режущему инструменту. Инструменты с пластинками твердых сплавов в настоящее время широко применяется в заводской практике для скоростного резания металлов.

Характерной особенностью металлокерамических твердых сплавов является их высокая твердость и способность сохранять режущиеся свойства при температуре до 1000 – 11000
.

Основной режущей составляющей металлокерамических твердых сплавов является карбиды вольфрама; некоторые марки сплавов содержат, кроме того, карбиды титана. В качестве связующего металла применяется кобальт.

Для изготовления пластинок металлокерамических твердых сплавов порошкообразные составляющие тщательно перемешиваются и смесь прессуется под давлением от 1000 до 4200кгсм2
. Полученные в прессформах полуфабрикаты помещаются в электропечи, где при температуре 1400 – 15000
происходит их спекание. При спекании связующий металл (кобальт) расплавляется и, обволакивая зерна карбидов, связывает их. При производстве твердых сплавов операции прессования и спекания часто заменяют одной операцией – горячим прессованием.

Пластинки твердых сплавов служат для оснащения резцов, сверл, фрез, зеркеров и других инструментов. Оснащения производится путём напайки пластин на державки или путем механического крепления пластинок к державкам.

Легкие металлы и их сплавы.

3.Алюминиевые литейные сплавы.

В качестве литейных сплавов чаще всего применяются алюминиевые сплавы с кремнием, с медью и с марганцем.

Сплавы алюминия с кремнием.
Называемые также силуминами, в технике находят применение силумины, близкие к эвтектическому составу (от 6 до 13% ). Эти сплавы обладают хорошими литейными свойствами (высокой жидкотекучестью и малой усадкой), большой плотностью и повышенными механическими свойствами по сравнению с алюминием. Повышенные механические свойства достигаются путем модифицирования, состоящего в обработке расплавленного силумина модификатором ( металлическим натрием или смесью фторных солей натрия и калия). Небольшое количество модификатора (около 0,01% по весу) резко меняет структуру силумина: кристаллы становятся мелкими, а излом приобретает бархатистый вид. Силумины, не подвергаются модифицированию, имеют грубозернистую структуру и худшие механические свойства.

При введении в состав силуминов небольшого количества магния и марганца их механические свойства ещё более улучшаются, некоторые марки силуминов с указанием области их применения приведены в таблице 3.