Уникальные свойства металлов и сплавов
Металлы и сплавы широко используются в промышленности и технике благодаря своим удивительным свойствам. Давайте подробно разберем, какие бывают свойства у металлов и сплавов и что делает их незаменимыми.
Физические свойства металлов и сплавов
К физическим свойствам металлов и сплавов относятся:
- Цвет
- Плотность
- Тепло- и электропроводность
- Температура плавления
- Коэффициент линейного расширения
- Отражательная способность
Цвет металлов обусловлен их способностью поглощать и отражать свет разной длины волны. Например, медь имеет характерный красноватый оттенок, алюминий - серебристо-белый, золото - желтый.
Плотность - это масса единицы объема металла. Чем выше плотность, тем тяжелее металл. По плотности различают легкие металлы (алюминий, магний, титан) и тяжелые (железо, медь, свинец).
Высокая тепло- и электропроводность важна для применения металлов в электротехнике и энергетике. Лучшими проводниками являются серебро, медь и алюминий.
Температура плавления показывает, при какой температуре металлы из твердого состояния переходят в жидкое. Самой высокой температурой плавления обладают вольфрам (3422°C) и тантал (2996°C).
Механические свойства металлов и сплавов
Механические свойства определяют поведение металлов и сплавов под действием внешних механических нагрузок. К ним относятся:
- Прочность
- Твердость
- Пластичность
- Упругость
- Вязкость
- Сопротивление усталости
- Сопротивление ползучести
Прочность - это способность материала сопротивляться разрушению под действием внешних сил. Различают прочность на растяжение, сжатие, изгиб.
Твердость - устойчивость материала к внедрению в него более твердого тела. Чем выше твердость металла, тем лучше он подходит для изготовления режущего инструмента.
Пластичность - это свойство металлов необратимо деформироваться и менять форму без разрушения. Высокопластичные металлы (золото, серебро, медь, алюминий) хорошо подвергаются прокатке, ковке, прессованию.
Упругость - способность металла восстанавливать форму после снятия нагрузки. Высокой упругостью обладает, например, сталь, из которой делают пружины.
Сопротивление усталости важно при циклических и динамических нагрузках на детали машин и механизмов.
Химические свойства металлов и сплавов
Химические свойства металлов проявляются в их взаимодействии с агрессивными средами и определяют коррозионную стойкость. К химическим свойствам относят:
- Сопротивление окислению
- Стойкость к кислотам и щелочам
- Инертность по отношению к неметаллам
Процесс окисления металлов кислородом воздуха называется коррозией. Наиболее устойчивы к коррозии золото, платина, титан. Они практически не взаимодействуют с кислородом при обычных температурах.
Стойкость к кислотам и щелочам важна в химической промышленности. Кислотостойкими считаются никель, хром, тантал. Щелочестойкими - никель, железо, кобальт.
Технологические свойства
Технологические свойства определяют поведение металлов в процессе их обработки давлением, резанием, литьем, сваркой и так далее. К ним относятся:
- Обрабатываемость резанием
- Обрабатываемость давлением
- Свариваемость
- Литейные свойства
Хорошая обрабатываемость резанием означает, что металл легко поддается точению, фрезерованию, сверлению и другим методам. Это важно при изготовлении деталей и инструментов.
Свариваемость характеризует способность металлов создавать прочные соединения при сварке. От свариваемости зависит качество сварных конструкций и изделий.
Литейные свойства (жидкотекучесть, усадка, склонность к образованию трещин) важны при получении отливок из металлов и сплавов.
Магнитные свойства металлов и сплавов
Магнитные свойства проявляются в поведении металлов в магнитном поле. К ним относятся:
- Намагничиваемость
- Магнитная проницаемость
- Коэрцитивная сила
- Остаточная индукция
- Температура Кюри
Намагничиваемость - это способность металла намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. По степени намагничиваемости металлы делят на ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные.
Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз магнитная индукция в металле больше, чем в вакууме при той же напряженности поля. Высокой магнитной проницаемостью обладают ферромагнитные металлы и сплавы.
Электрические свойства металлов и сплавов
К основным электрическим свойствам металлов относятся:
- Электрическое сопротивление
- Температурный коэффициент сопротивления
- Сверхпроводимость
Электрическое сопротивление металлов зависит от их природы и структуры. С увеличением температуры сопротивление возрастает. Наименьшим сопротивлением обладают благородные металлы (серебро, медь, золото).
Некоторые металлы и сплавы при очень низких температурах переходят в сверхпроводящее состояние и имеют нулевое электрическое сопротивление. Это важно для создания сверхпроводящих магнитов.
Зависимость свойств от структуры и состава металлов
Свойства металлов и сплавов во многом определяются их внутренней структурой (кристаллической решеткой, размером зерен, типом дефектов) и химическим составом (основа, легирующие элементы, примеси).
Легирование, то есть добавление определенных элементов, позволяет управлять свойствами. Например, хром, никель, молибден повышают прочность и коррозионную стойкость сталей и сплавов.
Примеси серы и фосфора, наоборот, оказывают вредное влияние, делая материал хрупким и ломким.
Перспективы применения металлов и сплавов
Благодаря уникальным физическим, механическим, химическим и иным свойствам, металлы и сплавы находят широкое применение во всех областях техники, строительства, энергетики, электроники и других отраслях промышленности.
Перспективными направлениями являются создание композиционных и наноструктурных материалов с заранее заданным комплексом требуемых свойств. Это позволит расширить возможности использования металлов и сплавов в современных технологиях.
Применение металлов и сплавов в машиностроении
Благодаря высокой прочности, жаропрочности и другим механическим свойствам металлы и сплавы широко используются в машиностроении для изготовления деталей, узлов и агрегатов.
- Подшипники качения изготавливают из высокоуглеродистых хромистых сталей
- Валы и оси - из легированных конструкционных или инструментальных сталей
- Зубчатые колеса и шестерни - из хромоникелевых или хромомолибденовых сталей
Широко применяются цветные сплавы на медной и алюминиевой основах, например бронзы, латуни, дюралюмины.
Применение металлов и сплавов в строительстве
В строительной отрасли используют в основном сталь и сплавы на ее основе:
- Конструкционные стали для каркасов зданий и сооружений
- Нержавеющая сталь для отделки фасадов и кровель
- Арматурная сталь для железобетонных конструкций
А также цветные металлы и сплавы:
- Медь для электропроводки и водопроводных труб
- Алюминий для оконных и дверных профилей
- Латунь для дверной фурнитуры
Применение металлов и сплавов в электротехнике и электронике
Благодаря высокой электро- и теплопроводности металлы широко применяются в электротехнике и электронной промышленности:
- Медь - для изготовления кабелей и обмоток электродвигателей
- Алюминий - для электропередач и распределительных шин
- Вольфрам, молибден, тантал в электровакуумных и полупроводниковых приборах
Особо чистые металлы (золото, серебро, медь) используются для изготовления печатных плат и электрических контактов, благодаря их высокой электропроводности и коррозионной стойкости.