Класифікація металів і сплавів. Застосування. Властивості матеріалів: металів, неметалів та сплавів

Ці метали мають темно-сіре забарвлення, високу температуру плавлення, велику твердість. Для деяких з них характерне явище поліморфізму (Fe, Co, Mn, Ti, Zr, U).

Кольорові метали, що мають біле, жовте чи червоне забарвлення, низьку температуру плавлення, невелику твердість.

Найтиповіший представник – мідь.

За природним походженням (тобто за сумісним знаходженням в одних і тих мінералах, гірських породах чи рудних копалинах) метали поділяють на такі групи:

· лужні метали (літій Li, натрій Na, калій K, рубідій Rb, цезій Cs, францій Fr);

· лужноземельні метали (кальцій Ca, стронцій Sr, барій Ba, радій Ra);

· родина заліза – залізо Fe, кобальт Co, нікель Ni;

· платинові метали – рутеній Ru, осмій Os, паладій Pd, родій Rh, іридій Ir, платина Pt;

· лантаноїди – 14 металів, що стоять у періодичній системі елементів після лантану 57La – від церію 58Ce до лютецію 71Lu; інколи до цієї групи відносять і сам лантан; серед лантаноїдів є один радіоактивний метал – прометій 61Pm;

· актиноїди – 14 металів після актинію 89Ac, починаючи від торію 90Th і закінчуючи лоуренсієм 103Lr; як і у випадку лантаноїдів, до родини актиноїдів часто приєднують і актиній; і всі актиноїди належать до радіоактивних елементів, причому у природі знайдені тільки Th, Pa, U, Np, Pu і Ac, а решта, від америцію 95Am до лоуренсію 103Lr, одержані штучно;

· рідкоземельні метали – скандій Sc, ітрій Y, лантан La і лантаноїди.

За конструкційними властивостями з урахуванням механічних, фізичних, хімічних та інших особливостей метали поділяються на численні групи, наприклад:

· важкі метали, густина яких перевищує 5 г/см3, наприклад: мідь Cu, цинк Zn, свинець Pb, ртуть Hg, найважчим металом є осмій Os, густина якого дорівнює 22,6 г/см3;

· легкі метали, що мають густину менше 5г/см3 , наприклад: калій K, натрій Na, магній Mg, алюміній Al, найлегший метал – літій Li з густиною 0,53г/см3 (рис. 14.4);

· легкоплавкі метали, температури плавлення яких не перевищують 1500оС; до них належать францій Fr (Тпл = 18-21оС), цезій Cs (Тпл = 28,5оС), галій Ga (Тпл = 29,1оС), калій K (Тпл = 62,3оС), натрій Na (Тпл = 97,8оС), олово Sn (Тпл = 231,85оС), свинець Pb (Тпл = 327,4оС), а найлегкоплавкішою є ртуть Hg, температура плавлення якої дорівнює Тпл = –38,9оС (рис. 14.4);

· тугоплавкі метали, температури плавлення яких вище 1500оС: залізо Fe (Тпл = 1539оС), молібден Mo (Тпл = 2620оС), осмій Os (Тпл = 3030оС); найтугоплавкіший метал – вольфрам W, температура плавлення якого складає Тпл = 3420оС (рис. 14.4);

· благородні метали, які виявляють підвищену хімічну стійкість до окиснювальних і агресивних реагентів; благородними металами є золото Au, срібло Ag, платина Pt, паладій Pd, родій Rh, іридій Ir, рутеній Ru, осмій Os;

· радіоактивні метали – це метали, усі ізотопи яких мають радіоактивні властивості: технецій 43Tc, прометій 61Pm, полоній 84Po і всі метали з більшими, ніж у полонію, атомними номерами.

Однак деякі метали (золото, мідь, цезій) сильніше поглинають світло з певними довжинами хвиль, тому вони забарвлені у жовті чи червоні кольори. У порошкоподібному стані більшість металів набуває чорного чи темно-сірого кольору. Непрозорість металів пов’язана із наявністю в кристалічній rратці вільних рухливих електронів, які гасять світлові коливання, перетворюючи їх у теплоту чи, в деяких випадках, використовуючи їх енергію для вивільнення електронів зі своєї поверхні (явище фотоефекту).

Парамагнітними є лужні, лужноземельні метали і метали побічних підгруп, а феромагнітними – тільки залізо, кобальт, нікель, гадоліній и диспрозій. Феромагнетизм зберігається лише до певної критичної температури – так званої точки Кюрі, – вище якої залишаються звичайні парамагнітні властивості.

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 знач ення 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.

Щільність металів, які широко застосовуються у техніці, наведена в Таблиці

Температурою плавлення називають температуру, при якій метал переходить з твердого стану в рідкий. За температурою плавлення розрізняють тугоплавкі метали (вольфрам 3416ºС, тантал 2950ºС, титан 1725ºС) і легкоплавкі (олово 232ºС, свинець 327ºС). Температура плавлення має велике значення при виборі металів для виготовлення литих виробів, зварювальних і паяних з'єднань, термоелектричних приладів та інших виробів. Температури плавлення металів, які найчастіше застосовуються у техніці, наведені в Таблиці

Теплопровідністю називають здатність металів передавати тепло від більш нагрітих до менш нагрітих ділянок тіла. Метали на відміну від неметалів є хорошими провідниками тепла. Теплопровідність має велике значення при виборі матеріалу для деталей. Наприклад, якщо метал погано проводить тепло, то при нагріванні і швидкому охолодженні (термічна обробка, зварювання) у ньому утворюються тріщини.

Деякі деталі машин (поршні двигунів, лопатки турбін) мають бути виготовлені з матеріалів з хорошою теплопровідністю. Тепловим розширенням називають здатність металів збільшуватися в розмірах при нагріванні і зменшуватися при охолодженні. Теплове розширення характеризується коефіцієнтом лінійного розширення. Теплові розширення треба враховувати при зварюванні, куванні і гарячому об'ємному штампуванні, виготовленні ливарних форм, штампів, прокатних валків, калібрів, виконанні точних з'єднань і складанні приладів, при будівництві мостових ферм, укладанні залізничних рейок. 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.

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.

Хімічні властивості металів залежать від електронної будови їх атомів, а саме від структури валентних енергетичних підрівнів і великих розмірів атомних радіусів (порівняно із атомними радіусами неметалів). Зовнішні електрони в атомах металів суттєво віддалені від ядра і слабко сполучені з ним, завдяки чому метали мають невисокі значення потенціалів іонізації, які характеризують їх відновлювальні властивості. Метали достатньо легко віддають свої валентні електрони, перетворюючись у позитивно заряджені іони. Однак різним металам відновлювальна здатність притаманна неоднаковою мірою. У загальному випадку відновлювальні властивості металів посилюються у межах підгруп періодичної системи елементів із зростанням порядкового номера, збільшенням атомних радіусів і зменшенням величин енергії іонізації. Деякі метали (наприклад, лужні та лужноземельні) настільки активні, що їх необхідно зберігати у запаяному посуді під шаром гасу, вазеліну чи парафіную.

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.

• Мідь - як конструкційний матеріал, для виготовлення апаратури, електропроводів, речей домашнього вжитку, інструментів, художніх виробів, а також для добування її сплавів - латуні та різних видів бронзи.

• Латунь використовують у військовій та ювелірній справі, суднобудуванні, для виробництва труб, конденсаторів і радіаторів. З бронзи виробляють деталі для авіадвигунів і турбін, підшипників і пружин, побутові вироби, посуд.

• Залізо та його сплави - незамінні матеріали для промислових і житлових будівель, виробництва залізобетону та конструкцій мостів. Їх застосовують у машинобудуванні, як покрівельну жерсть, виготовляють інструменти та побутові вироби.