Фізико-механічні властивості
Колір. За кольором відрізняються від інших металів тільки мідь (рожево-червона) або золото (жовте). Срібло має характерний білий світ; алюміній, магній, платина, олово, кадмій, ртуть - синювато-білий; залізо, свинець, і миш'як - сіруватий. У сильно подрібненому стані метали мають сірий. Коричневий або чорний колір.
При перебуванні на протязі тривалого часу на повітрі більшість металів окислюється і темніє. Метали, що не окислюються на повітрі (срібло, золото і метали платинової груп), і метали, у яких утворюється на поверхні найтонший захисний шар окису (алюміній і ін.), Не змінюють свого кольору і блиску протягом тривалого часу.
Питома вага. Питомою вагою металів називається вага 1 см 3 речовини, виражений в грамах.
Крім невеликої групи легких металів (алюміній, магній) мають питому вагу менше 3, більшість металів має значну питому вагу (табл.1) окремо.
Завдяки великій питомій вазі платина (21,4) і золото (19,32), що зустрічаються в самородному вигляді, одержують з допомогою відмивання від супроводжуючих їх порівняно легких частинок піску, глини і т.п.
Мала питома вага алюмінію і магнію має виключно важливе значення при будівництві літаків, і тому легкі сплави цих металів особливо ретельно вивчають.
У ливарній справі велика різниця металів іноді викликає труднощі при отриманні однорідних сплавів. При сплаві металів, сильно розрізняються за питомою вагою, більш легкий метал може спливати. Таке явище відбувається, наприклад, при виготовленні свинцевою бронзи, що містить 60% Pb і 40% Cu.
Температура плавлення. Температура, при якій нагрівається метал переходить з твердого стану в стан рідке, називається температурою плавлення (див. Табл. 1).
Необхідно враховувати зміну температури плавлення сплаву при введенні в нього нових складових частин. Температура плавлення платини +1773 o C. і в окислювальному, світлому, некоптящем полум'я платиновий тигель легко витримує температуру полум'я. У коптять небо відновному полум'ї (при неповному горінні), незважаючи на більш низьку температуру полум'я, платина тигля, вступивши в сполуку з надлишком незгорілого вуглецю, може утворити більш легкоплавкую і тендітну вуглецеву платину, і тигель зіпсується. Чисте залізо разом з вуглецем дає порівняно легкоплавкий чавун з температурою плавлення близько 1130 o C. може вийти і зворотне явище, наприклад при сплаву алюмінію і 30% Ni. Раніше вважали обов'язковим починати плавку завжди з розплавлення цього найбільш тугоплавкого металу, але в даному випадку цього робити не можна. Якщо почати з розплавлення нікелю (температура його плавлення 1454 o C) і в нього вводити поступово більш легкоплавкий алюміній (температура плавлення 660 o C), то його сплав затвердіє.
При утриманні 68,5% Ni і 31,5% Al утворюється хімічна сполука AlNiс температурою плавлення близько 1620 o C. тому при сплаву металів, які можуть дати хімічні сполуки з температурою плавлення вище температури плавлення вихідних компонентів, необхідно керуватися діаграмою стану, що вказує, як змінюється температура плавлення сплаву при поступовому зміні його складу, і вести плавку відповідним чином.
Питома теплоємність. Кількість тепла в великих калоріях (ккал - ккал), необхідно для підвищення температури 1 кг металу на 1 o C, називається теплоємністю металу і позначається буквою С.
Теплоємність дещо змінюється з температурою. У таблицях приводиться зазвичай середня температура, наприклад від 0 до 100 o C (см.табл. 1)
Прихована теплота плавлення. Щоб розплавити тверда речовина, тобто перевести його в рідкий стан, потрібно не тільки нагріти його до температури плавлення, але ще затратити додаткову теплову енергію, яка не підвищує температури розплавляється тіла, а йде на руйнування кристалічної структури. Поки тверде речовина не перейде все цілком в рідкий стан, температура не буде підвищуватися вище температури джерела теплової енергії. Підвищена потужність джерела тепла може лише прискорити розплавлення, але температура плавиться речовини буде залишатися незмінною, поки не відбудеться повне розплавлення.
Кількість тепла, що йде на підвищення 1 кг твердої речовини при температурі його плавлення в рідкий стан при тій же температурі, називається прихованою теплотою плавлення і виражається у великих калоріях.
Теплопровідність. Властивість металу проводити тепло називається теплопровідністю теплопровідність характеризується коефіцієнтом теплопровідності, що показує, скільки калорій тепла може пройти в одиницю часу крізь 1 см o C речовини при різниці температур на двох протилежних гранях кубика в 1 o C, і позначається буквою # 955 ;.
Теплопровідність алюмінію в п'ять разів більше теплопровідності чавуну, і тому алюмінієві сплави часто замінюють чавун при виготовленні поршнів двигунів внутрішнього згоряння. Крім того, поршень з алюмінієвого сплаву будучи легше чавунного приблизно в три рази, полегшить ве конструкції. Метали з великою теплопровідністю в той же час є кращими провідниками електрики.
Електроопір. За одиницю електричного опору прийнято опір ртутного стовпа довжиною 106,3 см з поперечним перерізом 1 см 2 C при 0 o C. Ця одиниця називається Омом (позначається # 937;). Чим більше довжина провідника і чим менше поперечний переріз провідника, тим опорі його більше. При одній і тій же довжині і перетині провідники з різних металів мають різне опір, що характеризується питомим опором. Питомий опір показує, який опір має провідник з даного металу довжиною 1 м і перерізом 1 мм 2 C.
Для всіх металів характерно підвищення електроопору з підвищенням температури на відміну від неметалічних матеріалів, елетросопротівленіе яких при нагріванні зменшується.
Мідь і алюміній, володіючи найменшим електроопору з усіх металів (за винятком срібла), є основними металами для електропроводів.
Термічний коефіцієнт лінійного розширення. Приріст довжини предмета на одиницю довжини при нагріванні його на 1 o C називається термічним коефіцієнтом лінійного розширення # 945 ;.
Так як коефіцієнт # 945; дуже малий, то в таблицях його значення зазвичай дається з коефіцієнтом 10 -6 C, тобто в мільйонних частках первинної довжини, зміненої при 0 o C. Властивість металів розширюватися при нагріванні і стискатися при охолодженні необхідно враховувати при виготовленні металевих споруд і деталей машин.
Коефіцієнт лінійного розширення може вважатися майже постійним при невеликих змінах температури. При сильному нагріванні він може значно змінювати свою величину. Є сплави, що володіють особливо малою величиною # 945 ;. Наприклад, сплав "інвар" (35% Fe і 35% Ni) має в межах від -10 до + 90 o C термічний коефіцієнт лінійного розширення # 945 ;, близький до нуля; однак при підвищенні температури вище 100 o C він швидко зростає.
При застиганні відлитих деталей, якщо тонкі частини охолоджуються і стискаються швидше, ніж товсті, можуть вийти тріщини там, де виникають шкідливі внутрішня напруга. Конструктор в уникненні тріщин повинен вміло підбирати розміри перетинів в литві.
Теплове розширення має велике значення і для зварних конструкцій, в яких теж виникає внутрішня напруга.
Особливо ретельно необхідно враховувати лінійне розширення металів при виробництві вимірювальних і прецизійних (точних) приладів, при виготовленні калібрів і деталей машин, що працюють при підвищеній температурі.
Поглинання газів. Багато метали і сплави мають властивість в рідкому стані поглинати і розчиняти гази, і тим сильніше, чим вище перегрітий рідкий метал. При охолодженні і при кристалізації розчинність газів знижується. Вони виділяються в товщині застигаючого металу і можуть утворювати велику кількість газових раковин і інших дефектів. Це викликає шлюб в наслідок недостатньої щільності і міцності лиття. Розчинений в металі кисень може давати хімічні сполуки з металом, теж знижують міцність металу.
Для видалення газів і розкислення рідких металів (наприклад, стали) застосовують елементи, що володіють більшою спорідненістю з киснем і азотом, напрмер металевий алюміній. Він з'єднується з киснем і з азотом, а утворюються при жтом оксиди і нітриди алюмінію піднімається на поверхню розплавленого металу і переходять в шлак. Для розкислення міді і її сплавів часто застосовують фосфористу мідь - сплав з 12-14% Р, використовуючи велику спорідненість фосфору з киснем.
Особливе значення має ретельне розкислення мідних і інших сплавів успішної обробки їх тиском в гарячому або холодному вигляді (прокату, пресування, кування, штампування, волочіння тощо.) І для зниження шлюбу. Однак надлишок раскислителя, переходячи в сплав в якості його компонентів може погіршити властивості сплаву.
Оксиди раскислителя, що утворюються в результаті розкислення сплаву, повинні легко обділяє від нього, спливаючи в вигляді шлаку.
Цьому сприяє достатня різниця питомих ваг сплаву і продуктів розкислення його. Що залишається в сплаві після реакції розкислення невеликий надлишок раскислителя не повинен знижувати обратавиаемость і механічних якостей сплаву.
Як раскислителя не слід вживати дорогі, рідкісні речовини. Розкислювач повинен бути зручним для точного навішування при додаванні його в шихту.
Магнітні властивості. За магнітні властивостям всі метали діляться на дві групи - діамагнітниє і парамагнітні. При внесенні діамагнітного металу в магнітне поле воно зменшується, а при внесенні парамагнітного металу магнітне поле посилюється. До діамагнітним металам відноситься берилій, сурма, вісмут, мідь, золото, срібло, цинк, кадмій, ртуть і ін. До парамагнітним металів алюміній, кальцій, барій, молібден, вольфрам і ін.
Окремим випадком парамагнітних метало є феромагнітні метали - залізо, нікель, кобальт і рідкісний елемент - гадоліній.
Залізо, кобальт і нікель втрачають свої магнітні властивості при високих температурах (залізо при 759 o C, кобальт при 1110 o C і нікель при 350 o C).
Дифузія. Протікає в часі процес вирівнювання складу в газі, в рідини і навіть в твердому тілі шляхом взаємного проникнення їх часток називається дифузією. Оцинкування заліза та інші подібні операції з дифузією рідкого металу в твердий. Тверда речовина також може дифундувати в рідке - розчинятися в ньому. Це має важливе практичне значення і спостерігається, між іншим, при виготовленні сталі та інших сплавів, коли твердий метал розчиняється в рідкому металі або в сплаві.
Дифузією газу в твердий метал широко користуються в таких процесах, як азотування (нітрування), стали, коли аміак, що вводиться в піч, в яку покладені деталі, розкладається при нагріванні до 500-600 o C, а виділяється азот дифундує в тверду сталь, утворюючи на поверхні її дуже тверді нітриди. Тривалість часу нагрівання в аміаку і температура нагріву визначають глибину азотированного шару. Дифузія алюмінію в поверхню залізних, сталевих або чавунних виробів при температурі близько 900 o C ( "алитирование" виробів) викликає підвищення їх корозійної стійкості.
Твердість. Твердістю металу називається опір, який чиниться металом при вдавливании в нього твердих предметів. Найбільш поширеними методами визначення твердості є методи Брінелля і Роквелла.
Пружність. Пружністю металу називають властивість металу відновлювати свою первинну форму і розміри після припинення дії зовнішньої сили, що викликає його деформацію.
Брусок металу, підданий дії розтягуючого зусилля, подовжується. Якщо це зусилля не перевищує певної для даного матеріалу величини, брусок після зняття навантаження отримує свої первинні розміри. Величина цього зусилля називається межею пружності.
Якщо навантаження перейде за межі пружності, то після зняття навантаження форма бруска не відновлюється, і брусок залишиться подовженим; така деформація називається пластичної.
Міцність. Міцністю називається властивість металу чинити опір дії зовнішніх руйнуючих сил. Залежно від характеру цих зовнішніх сил розрізняють міцність на розтягнення, на стиск, на вигин, на кручення і т.д. Умовне напруга, що відповідає найбільшого навантаження, що передує руйнуванню зразка, називається межею міцності, визначаючи максимальне зусилля Р, яке може витримати зразок під час випробування, ділячи його на первісну площа поперечного перерізу зразка F o C.
В'язкість ударна. В'язкість характеризується опором удару.
Питома ударна в'язкість (опір удару) визначається кількістю роботи, необхідної для руйнування бруска за допомогою ударної згинального навантаження на так званому копрі Шарпи, поділеній на поперечний переріз зразка, і виражається в кгм / см 2 C.
Технологічні властивості.
Пластичність. Одним з основних властивостей металу є їх пластичність, тобто здатність металу, поваленого навантаженні, деформуватися під дією зовнішніх сил без руйнування і давати залишкову (зберігається після зняття навантаження) деформацію. Пластичність іноді характеризують величиною подовження зразка при розтягуванні.
Відношення приросту довжини зразка при розтягуванні до його вихідної довжини, яке виражається у відсотках, називається відносним подовженням і позначається # 948 ;,%. Відносне подовження визначається після розриву зразка і вказує здатність металу подовжуватися під дією розтягуючих зусиль.
Гнучкість. Здатність металу без руйнування піддаватися обробці тиском (кування, прокатки, пресуванні і т.п.) називається його ковкістю. Гнучкість металу зависитот його пластичності. Пластичні метали зазвичай мають і гарну ковкість.
Усадка. Усадкою металу називається скорочення обсягу розправленими металу при його застиганні і охолодженні до кімнатної температури.
Відповідну зміну лінійних розмірів, виражене у відсотках, називається лінійної усадкою.
Жидкотекучесть. Здатність розплавленого металу заповнювати форму і давати гарні виливки, точно відтворюють форму, називаються жидкотекучестью. Крім хорошого заповнення форми, найкраща вологотекучість сприяє отриманню здорової щільною виливки завдяки повнішому виділенню з рідкого металу газів і неметалевих включень. Жидкотекучесть металу визначається його в'язкості в розплавленому стані.
Зносостійкість. Здатність металу чинити опір стирання, руйнування поверхні або зміни розмірів під дією тертя називається зносостійкість.
Корозія стійкості. Здатність металу чинити опір хімічному або електрохімічного руйнування його у зовнішньому середовищі під дією хімічних реактивів і при підвищених температурах називається корозійну стійкість.
Оброблюваність. Здатність металу оброблятися за допомогою ріжучих інструментів називається оброблюваністю.