Свойства металлов

МЕТАЛЛ

Человек начал использовать металлы и сплавы еще за несколько тысячелетий до нашей эры. Но только в XVIII веке появились отдельные научные работы, позволяющие говорить о начале осмысленного изучения всего того, что накопило человечество за все время использования металлов. Таким образом, в материаловедении выделилось новое научное направление – металловедение.

Металловедение – постоянно развивающаяся наука, непрерывно обогащающаяся за счет разработки новых сталей и сплавов, в свою очередь стимулирующих прогресс во всех областях науки и техники. Только за последние десятилетия созданы новые полупроводники, сверхпроводящие материалы, аморфные сплавы, композиционные материалы, сплавы высокой жаропрочности и радиационной стойкости, без которых невозможно развитие авиации и космонавтики, электроники, радиотехники и других отраслей промышленности и экономики, в том числе гидрометеорологии. Кроме того, гидрологам надо учитывать свойства металлов и сплавов, когда возводят плотины и устанавливают малые водопропускные сооружения (водосливы), строят мостовые переходы и забивают сваи для гидрометрических измерений, эксплуатируют турбины и прокладывают трубопроводы и при прочих видах работ. Например, представлять, что твердость железа в условных единицах равна 50–80, а при введении в железо углерода с получением железоуглеродистого сплава, именуемого чугуном, твердость повышается до 230–410, при сплаве железа с углеродом и хромом в виде инструментальной стали твердость составляет 450–700.

При эксплуатации металлических сооружений происходит взаимодействие их со средой, которое может привести к ухудшению свойств металла, этот процесс называется коррозией металлов. Некоторые примеры последствий коррозии металлических сооружений: сквозная перфорация (свищи) металлических стенок; порча качества воды попадающей в нее ржавчиной; нарастание на металлических стенках толстых слоев твердых продуктов коррозии, что, например, приводит к сужению рабочего сечения трубопровода; не пригодность для использования гидрометрических приборов. Поэтому необходимо так же знать причины, механизм коррозии, способы оценки и методы защиты от нее.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Hg, Си). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра – 13,5 т, золота – 112 кг.

Металлические материалы обычно делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы – цветными.

Кроме того, цветные металлы можно еще поделить на следующие основные подгруппы:

– легкие металлы Mg, Be, Al, Ti с плотностью до 5 г/см³;

– тяжелые металлы Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Та, Ir, Os с плотностью, превышающей 10 г/см³;

– легкоплавкие металлы Sn, Pb, Zn с температурой плавления соответственно 232, 327, 410°С;

– тугоплавкие металлы W, Мо, Та, Nb с температурой плавления существенно выше, чем у железа (> 1536°С);

– благородные металлы Au, Ag, Pt с высокой устойчивостью против коррозии;

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

– редкоземельные металлы (РЗМ) – лантаноиды, применяемые для модифицирования стали;

– щелочные и щелочноземельные металлы Na, К, Li, Ca в свободном состоянии применяются 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.

Свойства металлов разнообразны. Например, ртуть замерзает при температуре –38,8°С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000°С (Т _пл = 3410 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца. Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства. К ним относятся:

– высокая пластичность;

– высокие тепло- и электропроводность;

– положительный температурный коэффициент электрического сопротивления, означающий рост сопротивления с повышением температуры, и сверхпроводимость многих металлов;

– хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);

– термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

– кристаллическое строение в твердом состоянии.

Сплавы – это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами и неметаллами. Кроме основного компонента, преобладающего в сплаве, различают еще легирующие компоненты, вводимые в состав сплава для получения требуемых свойств. Например, для улучшения механических свойств и коррозионной стойкости латуни (сплав меди с цинком) в нее добавляют алюминий, кремний, железо, марганец, олово, свинец и другие легирующие компоненты. Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Самое широкое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом – стали (углерода менее 2%) и чугуны (углерода более 2%). Для улучшения химических и механических свойств стали в качестве легирующих компонентов применяются (табл. 3): хром, никель, вольфрам, ванадий, молибден, кобальт, титан, ниобий, алюминий, медь, кремний и марганец.

Таблица 3.

Влияние легирующих компонентов на свойства стали

Легирующий компонент	Свойства стали
улучшает	ухудшает
Хром	Твердость, прочность, коррозионную стойкость	пластичность
Никель	Прочность, пластичность, повышает ударную вязкость, увеличивает прокаливаемость, устойчивость против коррозии	Уменьшается коэффициент линейного расширения, при большом содержании сталь становится немагнитной
Вольфрам	Твердость	Увеличивает стоимость
Ванадий	Увеличивает плотность, измельчает зерно, повышает твердость и прочность	Увеличивает стоимость
Молибден	Упругость, прочность, коррозионную стойкость	–
Титан	Повышает прочность, плотность, измельчает зерно, повышает коррозионную стойкость	–

Дата добавления: 2014-11-29