Свойства металлов и сплавов: механические, физические, химические

Периодическая таблица Менделеева

Периодическая система была составлена Дмитрием Менделеевым во второй половине 19 века. Открытие не только позволило упростить работу химиков, она смогла объединить в себе как в единой системе все открытые химические вещества, а также предсказать будущие открытия.

Создание данной структурированной системы бесценно для науки и для человечества в целом. Именно это открытие дало толчок развитию всей химии на долгие годы.

В интервью одному журналисту ученый объяснил, что работал над ней 25 лет и то, что она ему снилась – вполне естественно, но это не значит, что во сне пришли все ответы.

Созданная Менделеевым система делится на две части:

• периоды – столбики по горизонтали в одну или две строки (ряды),
• группы – вертикальные строчки, в один ряд.

Всего в системе 7 периодов, каждый следующий элемент отличен от предыдущего большим количеством электронов в ядре, т.е. заряд ядра каждого правого показателя больше левого на единицу. Каждый период начинается с металла, а заканчивается инертным газом – именно это и есть периодичность таблицы, ведь свойства соединений меняются внутри одного периода и повторяются в следующем. При этом, следует помнить, что 1-3 периоды неполные или малые, в них всего 2, 8 и 8 представителей. В полном периоде (т.е. оставшихся четырех) по 18 химических представителей.

В группе располагаются химические соединения с одинаковой высшей валентностью, т.е. у них одинаковое электронное строение. Всего в системе представлено 18 групп (полная версия), каждая из которых начинается щелочью и заканчивается инертным газом. Все, представленные в системе субстанции, можно разделить на две основные группы – металл или неметалл.

Для облегчения поиска группы имеют свое название, а металлические свойства субстанций усиливаются с каждой нижней строчкой, т.е. чем ниже соединение, тем больше у него будет атомных орбит и тем слабее электронные связи. Также меняется и кристаллическая решетка – она становится ярко выраженной у элементов с большим количеством атомных орбит.

В химии используют три вида таблиц:

1. Короткая – актиноиды и лантаноиды вынесены за границы основного поля, а 4 и все последующие периоды занимают по 2 строчки.
2. Длинная – в ней актиноиды и лантаноиды вынесены за границу основного поля.
3. Сверхдлинная – каждый период занимает ровно 1 строку.

Главной считается та таблица Менделеева, которая была принята и подтверждена официально, но для удобства чаще используют короткую версию. Металлы и неметаллы в таблице Менделеева располагаются согласно строгим правилам, которые облегчают работу с ней.

Классификация

Наиболее распространенной является классификация сталей по их структуре. Выделяют следующие типы коррозионностойких сталей:

• ферритный;
• мартенситный;
• аустенитный;
• ферритно-мартенситный;
• аустенито-мартенситный;
• аустенито-ферритный.

Стоит отметить, что, как правило, в особый класс выделяют коррозионностойкие сплавы на основе никеля, хрома и никеля, никеля и молибдена.

Структуры сталей отличаются благодаря различным способам их охлаждения после высокотемпературной обработки. Структура наряду с химическим составом оказывает большое влияние на стойкость материала к коррозии в тех или иных агрессивных средах, что, в свою очередь, определяет области применения изделий из конкретного сплава или стали. Свойства нержавеющих сталей определяются химическим составом стали, а также ее структурой. Указанные признаки особенно важны для определения среды, в которой стоек тот или иной материал.

Мартенситный и мартенсито-ферритные стали обладают хорошей коррозионностойкие стойкостью в атмосферный условиях, слабоагрессивных средах (например, в слабых растворах солей, кислот), а также имеют высокие механические свойства.

Основной рабочей средой ферритных сталей являются растворы азотной кислоты аммиака, аммиачная селитра, смесь фосфорной, азотной, фтористоводородной кислот, а также некоторые другие окислительные агрессивные среды. Стали данного класса становятся хрупкими при температуре 475 °С, а также имеют сравнительно невысокие показатели прочности и жаропрочности. Стоит отметить плохую свариваемость ферритных сталей и низкую коррозионную стойкость сварных швов.

Аустенитные стали обладают хорошими показателями механических и технологических свойств, а также стойки в большом количестве агрессивных сред. Стали данного класса имеют высокую пластичность и прочность, а также хорошо обрабатываются.

Это интересно: Слесарный шабер по металлу. Назначение, виды и характеристики

Аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные стали по коррозионной стойкости схожи со сталями аустенитного класса, но превосходят их по механическим характеристикам. Так аустенито-ферритные стали имеют повышенный предел текучести, аустенито-мартенситные — повышенную прочность.

Группы по сопротивляемости

По степени сопротивления разрушающему воздействию в разных условиях, нержавейка делится на три группы:

• Коррозионно-стойкая. Надежно работает в обычных и слабоагрессивных бытовых и промышленных средах.
• Жаростойкая. Устойчива против коррозии в сильноагрессивной среде при высокой температуре.
• Жаропрочная. Хорошо сопротивляется механическому разрушению при высокой температуре.

По химическому составу нержавейка делится на:

• Хромистые: мартенситные, мартенситно-ферритные, ферритные.
• Хромоникелевые: аустенитные, аустенитно-ферритные, аустенитно-мартенситные, аустенитно-карбидные.
• Хромомарганцевонинкелевые (классификация аналогична предыдущей).

Стали с двойным названием относятся к двухфазным. Наиболее популярными среди перечисленных видов являются:

• Аустенитные. Не магнитные. Самые распространенные в промышленности. Основные составляющие: хром от 15% до 20%, никель от 5% до 15%. Главное достоинство – отличные рабочие и технологические характеристики. Пластичные, прочные, в большинстве сред устойчивы против коррозии, хорошо свариваются и подвергаются тепловой обработке. Склонны к межкристаллитной коррозии, так как «боятся» прокаливания. После добавки ниобия и титана, становятся стабилизированными. Снижение количества углерода до 0,03% также уменьшает подверженность к данному виду разрушения. Обозначение – А.
• Мартенситные. Могут быть магнитными. Хром – от 10% до 17%, углерод – до 1%. По сравнению с предыдущими, более твердые и сильнее подвержены коррозии, из-за низкого содержания Cr. Хорошо работают в слабоагрессивной среде и под открытым воздухом. Сложнее в обработке. Механические свойства высокие. Упрочняются после закалки. Обозначение – С.
• Ферритные. Магнитные. Хром – от 10% до 30%, углерод – менее 0,1%. Содержат мало углерода, поэтому более мягкие, по сравнению с мартенситными. Достаточно пластичные и прочные, легко обрабатываются. Термообработке не поддаются. Сохраняют прочность и коррозионную устойчивость в окислительных и других агрессивных средах. Недорогие. Обозначение – F.

Среди всех используемых сталей, аустенитные и ферритные составляют 95%. Двухфазные сочетают свойства разных типов. В пищевой промышленности применяются, в основном, стабилизированные аустенитные нержавеющие стали. Для изготовления столовой посуды используют хромоникелевые и хромомарганцевоникелевые разновидности.

Виды сплавов

Сплавами называют материалы, которые состоят из двух и более металлических компонентов. Как правило, сплавы состоят из основы, в которую входят несколько металлов, и так называемых легирующих элементов — они необходимы, чтобы придать сплаву мягкость, эластичность и другие свойства. Чаще всего в промышленности применяются смеси с использованием железа и алюминия, но вообще существует более 5 тысяч разновидностей сплавов.

В большинстве своем металлы, с которыми мы взаимодействуем — это сплавы

Сплавы делятся на два вида: литые и порошковые. Литые сплавы получаются путем смешивания расплавленных компонентов. А порошковый метод получения сплавов подразумевает прессование порошков нескольких металлов и их последующее спекания при высоких температурах.

Из металлических сплавов сегодня изготавливается практически все, вплоть до скамеек

По назначению сплавы делятся на конструкционные, инструментальные и специальные. Конструкционные сплавы предназначены для изготовления деталей автомобилей. Из инструментальных сплавов, как можно понять из названия, изготавливают инструменты — например, различные молотки и ножи. А специальные сплавы используются для изготовления деталей специального назначения — например, для предотвращения трения.

Как видно, металлов очень много и они сильно друг от друга отличаются. На тему металлов также рекомендую почитать материал, в котором я рассказал о самых интересных разновидностях этого материала. Вот знаете ли вы, как называется самый редкий металл на нашей планете и как его добывают?

Интересные факты о металлах

• Самым твердым металлом на Земле является хром. Этот голубовато-белый метал был открыт в 1766 году под Екатеринбургом.
• И наоборот, самыми мягкими металлами являются алюминий, серебро и медь. Благодаря своей мягкости они нашли широкое применение в разных областях, например, в электроаппаратостроении.
• Золото – которое на протяжении веков было самим драгоценным металлом имеет и еще одно любопытное свойство – это самый пластичный металл на Земле, обладающий к тому же отличной тягучестью и ковкостью. Также золото не окисляется при нормальной температуре (для этого его нужно нагреть до 100С), обладает высокой теплопроводностью и влагоустойчивостью. Наверняка все эти физические характеристики делают настоящее золото таким ценным.
• Ртуть – уникальный металл, прежде всего тем, что он единственный из металлов, имеющий жидкую форму. Причем в природных условиях ртути в твердом виде не существует, так как ее температура плавления -38С, то есть в твердом состоянии она может существовать в местах, где просто таки очень холодно. А при комнатной температуре 18С ртуть начинает испаряться.
• Вольфрам интересен тем, что это самый тугоплавкий металл в мире, чтобы он начал плавиться нужна температура 3420С. Именно по этой причине в электрических лампочках нити накаливания, принимающие основной тепловой удар, изготовлены из вольфрама.

Выносливость и усталость

При длительном приложении внешних сил в структуре образца выявляются деформации и дефекты. Они приводят к потере прочности образца и как следствие – к его разрушению. Это называется усталостью металла. Выносливость является обратной характеристикой.

Такое явление наступает в результате появления последовательных напряжений (внутренних или поверхностных) за определенный промежуток времени. Если структура не подвергается изменению – говорят о хорошем показателе выносливости. В противном случае происходит деформация.

В зависимости от точности расчета выполняют следующие испытания образца на выносливость для того, чтобы узнать механические свойства металлов:

• чистый изгиб. Деталь закрепляется на концах и происходит ее вращение, в результате чего она деформируется;
• поперечный изгиб. Дополнительно выполняется вращение образца;
• изгиб в одной плоскости;
• поперечный и продольный изгиб в одной плоскости;
• неравномерное кручение с повторением цикла.

Эти испытания позволяют определить показатель выносливости и рассчитать время наступления усталости детали.

§ 1. Физические и химические свойства металлов и сплавов

В зависимости от назначения изготовляемых изделий металлы и сплавы должны обладать определенными свойствами. Чтобы судить о том, будет ли данный металл или сплав пригоден для изготовления той или иной детали, нужно знать, какие свойства он имеет.

Свойства металла разделяют на физические, химические, механические и технологические.

К физическим свойствам относятся: удельный вес, температура плавления (плавкость), тепловое расширение, электропроводность, электросопротивление, теплопроводность, теплоемкость, способность намагничиваться и др.

Удельным весом металла или сплава называется вес 1 см3 его, выраженного в граммах.

Наименьший удельный вес из всех металлов имеет литий (0,53 Г/см3), магний (1,74 Г/см3), цезий (1,83 Г/см3) и алюминий (2,7 Г/см3).

Тепловое расширение — это способность металлов и сплавов расширяться, т. е. изменять объем и линейные размеры при нагревании.

Способность металла изменять объем и линейные размеры в процессе нагревания и охлаждения нужно учитывать при конструировании и изготовлении точных измерительных инструментов, при горячей штамповке металлов, застывании отливок и во многих других случаях.

Увеличение (приращение) единицы объема металла при повышении его температуры на 1°С называется коэффициентом объемного расширения.

Увеличение (приращение) единицы длины металла при повышении его температуры на 1°С называется коэффициентом линейного расширения.

Температурой плавления называется температура, при которой металл при нагревании переходит из твердого состояния в жидкое. Каждый металл в чистом виде имеет свою определенную температуру плавления. В зависимости от температуры плавления металлы и сплавы делятся на тугоплавкие, обладающие высокой температурой плавления, и легкоплавкие, имеющие низкую температуру плавления.

Температуру плавления металлов учитывают при плавке металлов, изготовлении отливок и нагревающихся в работе деталей машин (например, подшипников скольжения и др.), при паянии, лужении, сварке.

Электропроводностью называется способность металлов и сплавов проводить электрический ток. Сплавы, как правило, обладают меньшей электропроводностью, чем чистые металлы.

Электросопротивлением называется способность металлов сопротивляться прохождению через них электрического тока, характеризуется удельным сопротивлением в омах, показывающим величину сопротивления прохождению тока по проводнику длиной 1 м и сечением 1 мм2.

Теплопроводность — свойство металла проводить тепло. Лучшие проводники электрического тока являются вместе с тем и лучшими проводниками тепла. Теплопроводность металлов и сплавов измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за одну минуту.

Удельная теплоемкость — это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг металла на 1°С.

Некоторые металлы и сплавы обладают магнитными свойствами. Способность металла намагничиваться оценивается величиной, называемой магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость воздуха принята за единицу, а у железа она составляет 2000—3000 единиц. У меди и алюминия магнитная проницаемость близка к единице.

К химическим свойствам металлов и их сплавам относятся окисляемость, растворяемость и коррозионная стойкость. Особенно важна коррозионная стойкость для деталей, приборов и машин, работающих в агрессивных средах (кислоты, щелочи, растворы солей и др.).

Коррозии, т. е. разрушению в результате действия внешней среды — воздуха, влаги, химических веществ и т. д.,— подвержено в большей или меньшей степени большинство металлов и сплавов, кроме так называемых благородных металлов (золото, платина и некоторые другие). Виды коррозии и меры борьбы с ней изложены в главе VIII.

Бериллий

А вот к этому металлическому красавцу лучше не приближаться без средств защиты. Потому что бериллий высокотоксичен, и обладает канцерогенным и аллергическим действием. Если вдыхать воздух, содержащий пыль или пары бериллия, то возникнет заболевание бериллиоз, поражающее легкие.

Однако бериллий несет не только вред, но и благо. Например, добавьте всего 0,5 % бериллия в сталь и получите пружины, которые будут упругими даже если довести их до температуры красного каления. Они выдерживают миллиарды циклов нагрузки.

Бериллий применяют в аэрокосмической промышленности для создания тепловых экранов и систем наведения, для создания огнеупорных материалов. И даже вакуумная труба Большого Адронного Коллайдера сделана из бериллия.

Металлы в природе и способы их добычи

В природе металлы находятся как в свободном состоянии (Си, Au, Ag, Hg, Pt), так и в виде различных соединений — оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов, хлоридов, нитратов и других соединений. При извлечении их из руд и минералов используют различные пути восстановления. На практике те соединения и минералы имеют ценность, из которых промышленность просто и без больших затрат может получить чистый металл. Для получения железа из железной руды используется углерод. Восстановителями могут быть водород, алюминий, кальций, натрий, которые имеют большую способность присоединять кислород. Из сульфидов получение железа проходит в два этапа: сначала получают сульфат, а потом выжигают и переводят в оксиды, затем полученный оксид восстанавливают по технологии получения из оксидов. Из карбонатов сначала раскладывают карбонат при нагревании. Аналогичными действиями могут быть получены различные виды железа из разных природных соединений. Методом электролиза добываются активные металлы, щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний и др. Последние производят при электролизе расплавов (расплавленных солей). При пропускании постоянного электрического тока ионы выделяются на катоде. Трудноплавкие технологические свойства металлов используют для получения их в виде порошка или губчатом состоянии с последующим прессованием при высокой температуре.

Магний, титан и их сплавы

Магний неустойчив к коррозии, зато не существует легче металла, используемого для технических нужд. В основном его добавляют в сплавы с другими материалами: цинком, марганцем, алюминием, которые прекрасно режутся и являются достаточно прочными. Из сплавов с легким металлом магнием изготавливают корпусы фотоаппаратов, различных приборов и двигателей. Титан нашел свое применение в ракетной отрасли, а также машиностроении для химической промышленности. Титаносодержащие сплавы имеют небольшую плотность, прекрасные механические свойства и стойкость к коррозии. Они хорошо поддаются обработке давлением.

Какие виды встречаются?

Свойства металлов во многом зависят от того, к какому виду тот или иной ингредиент относится. В этом ракурсе стоит выделить черные и цветные компоненты.

Чермет

Данная группа считается самой распространенной и востребованной в объемном ракурсе. Свое название они получили благодаря своему цвету – темному. При этом отличительной особенностью черных руд считается низкая стоимость.

В свою очередь, классифицируется на:

• железные – сюда стоит отнести железосодержащие материалы и основы, а также никелевые и кобальтовые сплавы;
• тугоплавкие основания для сплавов (имеют температуру плавления равную или превышающую 1600 градусов Цельсия, что является достаточно высоким показателем);
• низкопрочностные редкоземельные элементы, такие как церий, неодим и другие (активно используются в производстве микроэлектроники).

Цветмет

Принято считать, что эта группа элементов отличается меньшими прочностными характеристиками, температурой плавления, устойчивостью к механическим нагрузкам, но более солидной стоимостью. Понятно, что по всем этим позициям встречаются исключения.

Цветные ранжируют на следующие категории:

1. Легкие – литий, натрий и так далее. Они характеризуются небольшой плотностью – до 5 тонн на метр кубический. Это всего в 5 раз больше воды.
2. Тяжелые – свинец, серебро, золото. Их плотность в разы выше легких.
3. Благородные – те же золото и серебро, а также платина, плутоний.

Также поделить «цветные» разновидности можно на тугоплавкие и легкоплавкие.

Свойства никеля

Плотность и масса

Никель относится к ряду тяжелых металлов. Его плотность в два раза больше, чем у металла титан, но равна по числовому значению плотности меди.

Численное значение удельной плотности никеля составляет 8902 кг/м3. Атомная масса никеля: 58,6934 а. е. м. (г/моль).

Механические характеристики

Никель обладает хорошей ковкостью и тягучестью. Благодаря этим характеристикам он легко подвергается прокату. Из него довольно просто получить тонкие листы и небольшие трубы.

При температуре от 0 до 631 К никель становится ферромагнитным. Происходит этот процесс благодаря особенному строению внешних оболочек атома никеля.

Известны следующие механические характеристики никеля:

• Повышенная прочность.
• Предел прочности равный 450 МПа.
• Высокопластичность материала.
• Коррозионная стойкость.
• Высокая температура плавления.
• Высокая каталитическая способность.

Механические характеристики описываемого металла зависят от наличия примесей. Самыми опасными и вредными считается сера, свинец, висмут, цинк и сурьма. Если никель насытить газами, то его механические свойства станут хуже.

Тепло- и электропроводность

• Металл никель имеет следующую теплопроводность: 90,1 Вт/(м·К) (при температуре 25°C).
• Электропроводность никеля равна 11 500 000 Сим/м.

Коррозионная стойкость

Под коррозионной стойкостью понимается способность металла при воздействии на него агрессивной среды противостоять разрушению. Никель относиться к материалам с высокой стойкостью к коррозии.

Никель не покрывается ржавчиной в нижеперечисленных средах:

• Окружающая атмосфера. Никель обладает хорошей устойчивостью к высоким температурам. Если никель находится в условиях промышленной атмосферы, то он всегда покрывается тонкой пленкой, которая приводит к потускнению никеля.
• Щелочи в горячем и холодном виде, а так же их расплавленные состояния.
• Органические кислоты.
• Неорганические кислоты.

Кроме этого, ржавчиной никель не покрывается в горячих спиртах и жирных кислотах. Благодаря этому этот металл широко используют в пищевой промышленности.

Химическая промышленность то же широко использует никель. Это происходит благодаря коррозионной стойкости никеля к воздействию высокой температуры и большой концентрации растворов.

Повышенной коррозионной стойкостью обладают сплавы из никеля. Особенно соединения этого металла с железом, молибденом, хромом и медью.

Никель подвержен коррозии при следующих окружающих его условиях:

• Морская вода.
• Щелочные растворы гипохлоритов.
• Сера или любая среда, содержащая серу.
• Растворы окислительных солей.
• Гидрат аммиака и аммиачная вода.

Токсичность никеля рассмотрена ниже.

Температуры

Известны следующие термодинамические свойства никеля:

• Температура плавления никеля: 1726 K или 2647 °F или 1453 °C.
• Температура кипения никеля: 3005 K или 4949 °F или 2732 °C.
• Температура литья: 1500-1575 °C.
• Температура отжига: 750 — 900 °C.

Токсичность и экологичность

В больших количествах никель оказывает токсичное действие на организм. Если речь идет о приеме его с пищей, то повышенное содержание этого элемента обязательно вызовет угрозу для здоровья.

Часто встречающие негативное последствие от переизбытка никеля – это аллергия. Так же при воздействии этого металла (в больших количествах) на организм возникают расстройства желудка и кишечника, обязательно повышается содержание эритроцитов. Никель может вызвать хронический бронхит, почечный стресс и нарушение работы легких. Переизбыток никеля провоцирует рак легкого.

Если вода для питья содержит 250 частиц никеля на миллион частиц воды, то такое содержание может вызвать болезнь крови и проблемы с почками. Однако это довольно редко явление.

Никель содержится в табачном дыме. Вдыхание этого дыма или пыли с содержанием никеля приводит к бронхиту и нарушению функционирования легких. Получить это вещество возможно в условиях вредного производства или в неблагоприятных экологически районах.

Токсичность никеля представляет собой опасность только в случае попадания в организм человека в больших количествах. Если никель используется в промышленности и в строительных делах, то он не опасен.

Другие характеристики

Еще никель имеет следующие характеристики:

• Удельное электрическое сопротивление никеля равное 68,8 ном·м.
• В химическом плане никель схож с железом, кобальтом, купрумом и некоторыми благородными металлами.
• Никель взаимодействует с кислородом при температуре в 500 С.
• Если никель переходит в мелкодисперсное состояние, то он может самовоспламениться.
• Никель не реагирует с азотом даже при условии очень высокой температуры.
• Никель медленнее чем железо растворяется в кислотах.

Медные сплавы

Чаще всего под этим термином понимаются разные сорта латуни. Это такие сплавы меди, в которых содержится от 5 до 45% цинка. Если его содержание колеблется в пределах 5-20%, то это красная латунь (томпак). Если же в материале содержится уже 20–36% Zn, то это – желтая латунь.

Эти материалы идеальны в случае необходимости производства и формовки мелких деталей. Малоизвестно, но сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы и обладает большой механической прочностью. Практически тем же характеризуется фосфористая разновидность (к меди прибавляется 5% олова и некоторое количество фосфора). Как и в прошлом случае, отличается высокой прочностью и пружинистыми качествами, а потому идеальна для изготовления мембран и разного рода пружин.