Технологические свойства

Лекция №3

Понятие о металлах. Классификация металлов. Физические и химические свойства металлов.

Общая характеристика

В огромном ряду материалов, с незапамятных времен известных человеку и широко используемых им в своей жизни и деятельности, металлы всегда занимали особое место.

Подтверждение этому и в названиях эпох (золотой, серебряный, бронзовый, железный века), на которые греки делили историю человечества, и в археологических находках металлических изделий (кованые медные украшения, сельскохозяйственные орудия); и в повсеместном использовании металлов и сплавов в современной технике.

Причина этого - в особых свойствах металлов, выгодно отличающих их от других материалов и делающих во многих случаях незаменимыми.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определённым набором свойств:

· «металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

· пластичность;

· высокая теплопроводность;

· высокая электропроводность;

· кристаллическое строение в твердом состоянии.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объёму металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Металлические материалы подразделяют на две большие группы: железо и его сплавы (чугун и сталь) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными. Кроме того, все цветные металлы, применяемые в технике, в свою очередь, подразделяют на следующие группы:

· лёгкие металлы (Mg, Be, Al, Ti) с плотностью до 5 г/см3;

· тяжелые металлы (Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os) с плотностью, превышающей 10 г/см3;

· легкоплавкие металлы (Sn, Pb, Zn) с температурой плавления соответственно 232; 327, 768^o С.

тугоплавкие металлы (W, Mo, Ta, Nb) с температурой плавления значительно выше, чем у железа (свыше 1536^o С.);

· благородные металлы (Au, Ag, Pt) с высокой устойчивостью против коррозии;

· урановые металлы, или актиноиды (актиниды), используемые в атомной технике;

· редкоземельные металлы – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

· щелочные и щелочноземельные металлы (Na, K, Li, Ca), в свободном состоянии применяемые в качестве жидкометаллических теплоносителей в атомных реакторах; натрий также используется в качестве катализатора в производстве искусственного каучука, а литий – для легирования легких и прочных алюминиевых сплавов, применяемых в самолетостроении.

Физические свойства

К физическим свойствам металлов относят цвет, плотность, температуру плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства и др.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий – серебристо-белый.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делятся на легкие и тяжелые. Например, в самолёто- и ракетостроении стремятся использовать более легкие титановые, алюминиевые и магниевые сплавы.

Температурой плавления называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие и легкоплавкие металлы.

Теплопроводностью называют способность металлов передавать тепло от более нагретых участков к менее нагретым участкам тела. Серебро, алюминий, медь обладают большой теплопроводностью. Железо имеет теплопроводность примерно в три раза меньше, чем алюминий, и в пять раз меньше, чем медь. Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, при нагреве и быстром охлаждении (при закалке, сварке) образуются трещины. Некоторые детали машин (поршни двигателей, лопатки турбин) должны быть изготовлены из материалов с хорошей теплопроводностью.

Тепловым расширением называют способность металлов увеличиваться в размерах при нагревании и уменьшаться при охлаждении. Оно характеризуется коэффициентом линейного расширения. Тепловое расширение должно учитываться при сварке, ковке и горячей объемной штамповке, изготовлении литейных форм, штампов, прокатных валков, выполнении точных соединений и сборке приборов, укладке железнодорожных рельсов.

Теплоёмкостью называют способность металла при нагревании поглощать определенное количество тепла.

Электропроводимость – способность металлов проводить электрический ток. Хорошая электропроводимость необходима для токонесущих проводов (медь, алюминий).

Магнитные свойства характеризуются способностью металлов намагничиваться. Высокими магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы, называемые ферромагнитными. Материалы с магнитными свойствами применяют в электротехнической аппаратуре и для изготовления магнитов.

Химические свойства

Химические свойства характеризуют способность металлов и сплавов сопротивляться окислению или вступать в соединение с различными веществами: кислородом воздуха, растворами кислот, щелочей и др. Чем легче металл вступает во взаимодействие с другими веществами, тем быстрее он разрушается. Химическое разрушение металлов под действием на их поверхность внешней агрессивной среды называют коррозией.

Технологические свойства

Технологические свойства характеризуют способность материала подвергаться различным способам холодной и горячей обработки.

1. Литейные свойства.

Характеризуют способность материала к получению из него качественных отливок.

Жидкотекучесть – характеризует способность расплавленного металла заполнять литейную форму.

Усадка (линейная и объемная) – характеризует способность материала изменять свои линейные размеры и объем в процессе затвердевания и охлаждения. Для предупреждения линейной усадки при создании моделей используют нестандартные метры.

Ликвация – неоднородность химического состава по объему.

2. Способность материала к обработке давлением – ковкость