Основные свойства металлов – это совокупность эксплуатационных характеристик, от которых зависит их пригодность для изготовления деталей, механизмов, приборов и конструкций. Одни из них легкие (магний, алюминий, титан), другие тяжелые (свинец). Олово легко плавится, а чтобы добиться расплава железа или платины нужно затратить много энергии. Для производства одних деталей обращают особое внимание на прочность и твердость металлов, в других случаях важна пластичность или теплопроводность.
Существует несколько интересных фактов о характеристиках металлов:
- самым твердым металлом на Земле является хром. Твердость хрома делает возможным создания из него защитных покрытий на металлических изделиях, увеличивая их эксплуатационный ресурс.
- одни из самых мягких металлов – алюминий, серебро и медь. Благодаря малой массе и пластичности, они нашли широкое применение в таких областях, как энергетика, судо-, авиа- и ракетостроении;
- золото, являющееся драгоценным металлом, обладает еще одним важным свойством – пластичностью, тягучестью и ковкостью. Золото в нормальных условиях не корродирует - чтобы в металле начался процесс окисления, его нужно нагреть до 100°C. Ценность золота определяют не только его эстетические качества, но высокие показатели влагостойкости и теплопроводности;
- ртуть – единственный металл, имеющий в естественных условиях жидкую форму (температура плавления -38°C), а при t 18 градусов он переходит в газообразную фазу;
- вольфрам является самым тугоплавким металлом в мире. Для образования расплава понадобится температура 3420°C. Именно по этой причине металл применяется в производстве деталей, принимающих на себя основной тепловой удар.
От того, какими свойствами обладают металлы, зависит возможность их применения в производстве оборудования, техники, строительных материалов, товаров для дома или декоративных изделий.
Классификация свойств металлов
Свойства всех металлов и их сплавов, присутствующих в периодической системе, делятся на несколько основных групп, которые позволяют выделить их физические, химические и технологические особенности.
Физические свойства
К категории физических свойств относятся способности металлов, проявляющиеся под воздействием явлений, не изменяющих их состав. Так в процессе плавки металл переходит в жидкую фазу, но при этом его состав остается неизменным. К физическим свойствам относятся:
- плотность – показатель, равный отношению массы металла к занимаемому им объему. Так плотность железа составляет 7800, алюминия 2700, свинца - 11300 кг/м3;
- цвет - способность металлов отражать световые лучи, которые попадают на их поверхность. Так наши органы зрения воспринимают алюминий серо-белым, а медь розово-красной;
- теплопроводность - свойство металлов распространять тепло. Чем больше показатель теплопроводности, тем быстрее тепло распространяется по металлу при нагреве и отдается во время охлаждения. Самыми теплопроводными металлами являются медь и алюминий. Черные металлы и их сплавы проводят тепло в 5 раз хуже;
- теплоемкость определяет количество тепла, необходимого для нагревания 1 кг металла на один градус. Низкую теплоемкость имеют платина и свинец. Теплоемкость стали и чугуна в 4 раза выше, чем у свинца;
- плавление – процесс перехода металла из твердого состояния в жидкую фазу. Металлы, превращающиеся в жидкость при высокой температуре, называются тугоплавкими (вольфрам, хром, платина). К легкоплавким относят олово, свинец. Температура плавления железа составляет-1539 градусов Цельсия, меди -1083, олова - 2319, углеродистой стали - от1420 до1520°C;
- тепловое (термическое) расширение - способность металла при нагреве увеличивать свои размеры.
К физическим характеристикам относится электропроводность – свойство металла пропускать через себя электрический ток. Электропроводность зависит от типа кристаллической решетки, структуры металла, а также связи между атомами и валентными электронами. Хорошими проводниками тока считаются серебро, медь, алюминий. Нихром оказывает току большое сопротивление и обладает низкой электропроводностью.
Химические свойства
Способность металлов и сплавов взаимодействовать с окружающей средой, вступать во взаимодействие с другими веществами, растворяться, корродировать, сопротивляться агрессивным действиям сред определяют их химические свойства. К наиболее важным из химических свойств металлов относятся:
- окисление при контакте с воздухом и водой, результатом которого является развитие коррозионных процессов на поверхности металлов. Одними из самых стойких к внешнему окислению являются кортеновые стали, относящиеся к группе конструкционных и содержащие легирующие добавки меди и фосфора;
- кислото-, щелочестойкость – способность металлов противостоять разрушительному воздействию химически активных соединений. Стойким к кислотам и щелочам является алюминий, а также нержавеющая сталь с хромированной поверхностью;
- жаропрочность – свойство металла или сплава сохранять химические связи при воздействии высоких температур.
Стойкость к электрохимической коррозии (разрушению металла в среде электролитов) определяет возможность применять металл в судостроении, строительстве гидротехнических сооружений. Самыми стойкими к электрохимической коррозии считаются металлы, относящиеся к «благородной» группе – золото, платина.
Механические показатели
Понятие основных механических свойств металлов и сплавов связанные с возможностью материала противостоять нагрузкам, деформациям и внутренним напряжениям. От механических свойств зависит эксплуатационный резерв и надежность металлических изделий. К ним относятся:
- прочность - свойство металла сопротивляться действию внешних сил без разрушения его структуры. Свойство характеризуется условным термином – предельная прочность, определяющая общую нагрузку, приложенную к испытуемому образцу до момента разрыва, в отношении к его поперечному сечению. Показатель прочности зависит от вида деформации (сжатие/растяжение, кручение, срез, изгиб);
- упругость – свойство металлов изменять свою форму под внешним воздействием и восстанавливать ее после прекращения деформационной нагрузки. Показатель границы упругости определяется отношением нагрузки, при котором в металле появляется остаточное удлинение, к поперечному сечению образца. Так предел упругости стали составляет 300; меди - 25; свинца -2.5 МПа;
- пластичность – способность металлов, не разрушаясь, изменять под действием внешних механических сил, свою форму и сохранять ее после прекращения действия нагрузки. Примером пластичного металла может служить сталь. Ее пластичность увеличивается после нагрева металла, что широко используется в процессе производства проката и кованных стальных изделий;
- утомляемость – изменение механических свойств материалов под воздействием циклических напряжений и деформационных нагрузок. Утомляемость опасна тем, что металлические детали, подвергающиеся циклическим деформациям, могут разрушаться, даже если нагрузки не достигают предельных показателей прочности и текучести;
- хрупкость – способность металла к структурному разрушению под действием нагрузок без признаков деформации. Хрупким считается чугун;
- твердость – свойство металла сопротивляться вдавлению в него другого, более жесткого материала. Чугун и сталь обладают высокой твердостью, свинец – низкой. Показатель твердости определяется в лабораторных условиях с использованием методик испытаний по Бринелю, Роквеллу и Виккерсу.
К механическим свойствам металлов относится и ударная вязкость – их свойство не разрушаться при воздействии ударных нагрузок. Ударная вязкость определяется испытаниями на маятниковом копре. Стандартный образец размещают на опорах и разрушают падающим с высоты грузом.
Технологические характеристики
Способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки определяется их технологическими свойствами. К технологическим свойствам металлов принадлежат:
- ковкость – свойство металлов быть податливыми, не разрушаться и принимать нужную форму под воздействием внешних нагрузок. Нагретая сталь обладает высокой ковкостью;
- редкотекучесть – способность расплавленных металлов заполнять литейные формы. Высокий показатель редкотекучести имеет серый чугун, низкий – медь;
- усадка – свойство расплавленных металлов уменьшать свой объем при охлаждении, а также создавать трещины. Характеристика также используется в литейном процессе. Формы и модели отливок изготавливаются с учетом усадки металла. Наименьшую усадку дает серый чугун, цинковые и алюминиевые сплавы;
- резка – это способность металлов подвергаться раскрою, точению, резанию. Учитывая главные механические характеристики (небольшую жесткость и пластичность), многие цветные металлы лучше поддаются резке, чем черные.
- свариваемость – свойство металлов создавать прочное соединение путем создания расплава в сварной зоне. Хорошей свариваемостью обладают стали с низкоуглеродистой структурой. Чугун и сплавы цветных металлов свариваются гораздо сложнее.
Следует отметить, что в данной статье мы рассмотрели только главные свойства металлов. Существует целый ряд особых характеристик, которые используются в расчетах сложных технических конструкций из металла. Например, для определения свойств ферромагнетиков учитывается магнитная проницаемость, коэрцитивная сила, индукция насыщения, точка Кюри, петля гистерезиса.
