Метали і сплави є основними матеріалами сучасного машинобудування. Щоб правильно вибрати матеріал для виготовлення різних деталей машин та інструментів, треба знати властивості металів. Так, наприклад, для виготовлення ріжучих інструментів потрібні міцні, тверді і витривалі металеві матеріали. Цим вимогам відповідають швидкорізальні сталі, тверді сплави та ін. Всі властивості металів діляться на фізичні, хімічні, механічні та технологічні. Фізичні властивості металів і сплавів визначаються кольором, питомою вагою, щільністю, температурою плавлення, тепловим розширенням, тепло- і електропровідністю, а також магнітністю. Фізичні властивості металів обумовлені будовою металевої кристалічної ґратки. У вузлах ґраток розміщуються атоми і позитивні іони металів, пов'язані за допомогою поєднаних зовнішніх електронів, які належать усьому кристалу. Фізичні властивості металів характеризуються цілком певними числовими значеннями - «фізичними постійними». Кольором називають здатність металів відображати світлове випромінювання з певною довжиною хвилі. Наприклад, мідь має рожево-червоний колір, алюміній - сріблясто-білий. Щільність металу характеризується його масою, закладеною в одиниці об'єму. За щільністю всі метали ділять на легкі (менше 4,5 г/см3) і важкі. Щільність має велике значення при виборі металевих матеріалів для виготовлення різних виробів. Так, деталі і конструкції в приладобудуванні, в авіа- і вагонобудуванні поряд з високою міцністю повинні мати малу щільність. З металів, найуживаніших у техніці, найменшу щільність мають магній і алюміній. Ось чому в зазначених вище галузях машинобудування широко застосовуються сплави на основі алюмінію і магнію.
При вимірах точними вимірювальними приладами (мікрометр, штангенциркуль та ін.) необхідно враховувати вплив, який чинить температура на результати вимірювання. Теплоємністю називають здатність металів при нагріванні поглинати певну кількість тепла. Теплоємність різних металів порівнюють за величиною питомої теплоємності - кількості тепла, вираженого у великих калоріях, потрібного для підвищення температури 1 кг металу на 1ºС. Електропровідністю називається здатність металів проводити електричний струм, який є впорядкованим рухом вільних електронів. Хороша електропровідність потрібна, наприклад, для струмопровідних проводів. Електричний опір - це здатність металів протидіяти проходженню через них електричного струму. Електричний опір металів є результатом зіткнення рухомих електронів з атомами й іонами. Високий електричний опір властивий сплавам нікелю і хрому (ніхроми), тому з них виготовляють нагрівальні пристрої електричних печей, опору і спіралі електронагрівальних приладів. Високий електричний опір вольфраму використовується для виготовлення з нього нитки розжарення електричних ламп. Електроопір металів залежить від температури – при підвищенні її опір збільшується. У чистих металів при нагріванні до 100ºС електроопір збільшується на 40-50%. У сплавів він збільшується менше. При дуже низьких температурах, близьких до абсолютного нуля (-273ºС), опір проходження електричного струму у багатьох металів різко падає практично до нуля. Це явище отримало назву надпровідності. Ефект надпровідності виявлено у свинцю (при температурі 7,3º К), ртуті (4,12º К), алюмінію, титані, олові та інших металах. Магнітні властивості характеризуються абсолютною магнітною проникністю або магнітною постійною, тобто здатністю металів намагнічуватися. Високі магнітні властивості мають залізо, нікель, кобальт і їхні сплави, які називають феромагнітними. Матеріали з магнітними властивостями застосовують в електротехнічній апаратурі для виготовлення магнітів. У решти металів і сплавів магнітні властивості виражені вкрай слабо, тому практично вони вважаються немагнітними. Магнітні властивості феромагнітних матеріалів яскраво проявляються при низькій температурі. При нагріванні заліза, нікелю, кобальту та їх сплавів магнітні властивості стають менш помітними. При певній температурі усі феромагнітні матеріали практично втрачають свої магнітні властивості. Магнітні властивості дозволяють застосовувати метали для деяких спеціальних робіт, наприклад, в металургії для сортування залізних руд, перенесення чавунних і сталевих заготовок і виробів. Застосування електромагнітів полегшує виконання багатьох трудомістких робіт. Розглянуті вище фізичні властивості металів є в явищах, що не супроводжуються зміною речовини. Так, наприклад, нагрів металів або проходження через метали електричного струму не супроводжується хімічними змінами їх. При хімічних же явищах відбувається перетворення металів в інші речовини з іншими властивостями. 10 Таблиця 2. Температури плавлення металів Метал t плавлення, °C Метал t плавлення, °C Молібден Мідь Нікель Залізо Титан Алюміній Магній Свинець Олово Ртуть 2620 1083 1455 1539 1665 660 651 328 232 -39 11 Хімічні властивості характеризують здатність металів і сплавів опиратися окисленню або вступати у з'єднання з різними речовинами – киснем повітря, розчинами кислот, лугів та ін. Багато металів піддаються хімічній зміні під впливом зовнішнього середовища, тобто руйнуються від корозії. Хімічне руйнування металів під дією на їхню поверхню зовнішнього агресивного середовища називають корозією. Корозія металів може відбуватися в атмосфері, в агресивних середовищах (розчинах кислот, лугів, солей), в сухих газах при високих температурах. Результати корозії металів можна спостерігати, наприклад, у вигляді іржі на сталі і чавуні, зеленого нальоту на міді, білого нальоту на сплавах алюмінію. Метал або сплав вважається корозійностійким, якщо він добре опирається впливові зовнішнього агресивного середовища. Один і той самий метал або сплав неоднаково опирається корозії в різних середовищах. Так, наприклад, алюміній стійкий в атмосфері і прісній воді та нестійкий в розчинах лугів, деяких кислот і в морській воді. Залежно від корозійної стійкості в тому чи іншому середовищі металеві матеріали поділяють на кілька груп: а) Корозійностійкі (нержавіючі) матеріали, стійкі до корозії в атмосфері, ґрунті, в морській і прісній воді та в інших середовищах; б) Жаростійкі (окалиностійкі) матеріали, стійкі до корозії в газових середовищах при температурах вище 550ºС і працюють в ненавантаженому або слабо навантаженому стані; в) Жароміцні матеріали, що працюють в навантаженому стані при високих температурах протягом визначеного часу, і які володіють при цьому достатньою жаростійкістю; г) Кислотостійкі матеріали, стійкі проти корозії в агресивних кислотних середовищах (в сірчаної, соляної, азотної, фосфорної кислотах і їх сумішах різної концентрації). Хімічні властивості металів обов'язково враховуються при виготовленні тих чи інших виробів. Особливо це стосується виробів або деталей, які працюють в хімічно агресивних середовищах. Високою корозійною стійкістю в атмосфері і в агресивних середовищах володіють нікель, титан та їх сплави. Титан і його сплави за корозійною стійкістю наближені до благородних металів. Механічними властивостями металів називається сукупність властивостей, що характеризують здатність металевих матеріалів чинити опір впливові зовнішніх зусиль (навантажень). До механічних властивостей металевих матеріалів належать: міцність, твердість, пластичність, пружність, в'язкість і крихкість. Ці властивості можуть бути виявлені тільки під дією зовнішніх навантажень на тіла. Всі деталі машин та інструменти піддаються дії зовнішніх сил (навантажень), які можуть бути різної величини і тривалості та викликати різні зміни форми тіл, на які вони впливають; змінена форма (деформація) може зникати після припинення дії зовнішнього навантаження, але може і зберегтися; в першому випадку деформація буде пружною, у другому – пластичною; основними видами деформації є розтяг, стиск, вигин, крутіння, зрушення або зріз. Існує багато типів механічних випробувань металів, залежно від способу додатків та дії зусиль. Зовнішні сили можуть бути статичними, динамічними чи циклічними (повторнозмінними). Мета механічних випробувань - визначити міцність металів, їх пружність, пластичність, твердість та інші властивості, важливі з точки зору вибору металів для виготовлення виробів. Важливе місце серед механічних випробувань займають статичні випробування на розтяг, за допомогою яких можна оцінювати міцність, пружність, пластичність металів і сплавів. Міцність - це здатність матеріалу чинити опір дії зовнішніх сил без руйнування. Пружність - це здатність матеріалу відновлювати свою первинну форму і розміри після припинення дії зовнішніх сил, що викликають деформацію. Пластичність - це здатність матеріалу змінювати свою форму і розміри під дією зовнішніх сил, не руйнуючись, і зберігати отримані деформації після припинення дії зовнішніх сил. Статичним випробуванням на розтяг піддають зразки стандартної форми і розмірів на спеціальних розривних машинах. Розтягують зусилля розривної машини, викликають подовження зразка аж до його руйнування.