Физические свойства металлов паучок и башмачки

Обновлено: 05.10.2024

Автор: Ячейко Ольга Аркадьевна
Должность: преподаватель
Учебное заведение: государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение "Пермский машиностроительный колледж"
Населённый пункт: г. Пермь, Пермский край
Наименование материала: методическая разработка
Тема: Практическая работа "Основные свойства металлических материалов"
Раздел: среднее профессиональное

государственное бюджетное профессиональное образовательное учреждение «Пермский машиностроительный колледж» Методическая разработка практической работы на тему «Основные свойства металлических материалов» по дисциплине Материаловедение для обучающихся второго курса специальности 13.02.08 Электроизоляционная, кабельная и конденсаторная техника Автор преподаватель Ячейко Ольга Аркадьевна Выполнение практических работ при подготовке специалистов среднего звена преследует цель формирование специальных и общих навыков работы с теоретическим материалом учебников, справочников, учебной и справочной литературой. Главной целью выполнения практической работы является развитие познавательных способностей, мышления, памяти, а как следствие, способности к анализу, выделению наиболее существенного. Выполнение всех практических работ является обязательным условием для допуска обучающего к сдаче экзамена по дисциплине. При подготовке практической работы была использована литература: 1. Журавлева Л.В. Электроматериаловедение : учебник для студ. учреждений сред. проф. Образования / Л.В.Журавлева. – 10-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2014. 2. Моряков О.С. Материаловедение : учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / О.С.Моряков. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2010. Приложение
ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА

2
«Основные свойства металлических материалов»
1 ЦЕЛЬ:
Закрепить теоретические знания по теме. Приобрести практические навыки по определению свойств металлических материалов и их классификации.
Образовательные результаты, заявленные в ФГОС третьего поколения:
Обучающийся должен
уметь:
- определять свойства конструкционных и сырьевых материалов, применяемых в производстве, по маркировке, внешнему виду, происхождению, свойствам, составу, назначению и способу приготовления и классифицировать их;
Физические свойства материалов
знать:
- классификацию, основные виды, маркировку, область применения и виды обработки конструкционных материалов, основные сведения об их назначении и свойствах, принципы их выбора для применения в производстве; - методы измерения параметров и определения свойств материалов; - основные сведения о назначении и свойствах металлов и сплавов, о технологии их производства.
2 ЗАДАНИЕ:
1. Используя информационный банк, заполните схему, представленную на рисунке. СВОЙСТВА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ Физические Химические Механические Технологические Информационный банк: твердость, прочность, пластичность, теплопроводность, ударная вязкость, цвет, химическая коррозия, ковкость, плотность, свариваемость, трещиностойкость, обрабатываемость, теплоемкость, электропроводность, вязкость, усталость, ползучесть, жидкотекучесть, обрабатываемость, текучесть, формуемость, усадка, хрупкость. 2. Дорисуйте «башмачки» к «лапкам паучка». Укажите в них физические свойства металлов. 3. Запишите по горизонтали названия технологических свойств металлов и сплавов, а также их механических свойств, определяемых с помощью технологических испытаний. Прочтите по вертикали термин, обозначающий эти названия.
4. Ответить на вопросы Дать определение механическим свойствам. Какие механические свойства металлов вам известны? С какой целью определяют механические свойства металлов? Охарактеризуйте химические свойства металлических материалов. Какие химические свойства металлов и сплавов вам известны? Что такое обрабатываемость металла? К каким свойствам относится, дать определение данного свойства. Как определяются характеристики прочности материала?
3 ЗАКЛЮЧЕНИЕ
(подведение итогов практической работы)
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОСНОВА ПРАКТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ
Для характеристики технических материалов используют их свойства. К основным свойствам металлов и сплавов относятся физические, механические, химические, технологические.
К физическим свойствам
металлов и сплавов относятся: плотность, теплопроводность, электропроводность, теплоемкость, тепловое расширение, температура плавления, магнитные характеристики. Физические свойства определяют поведение материалов в тепловых, гравитационных, электромагнитных и радиационных полях. Температура плавления металлов имеет значение при изготовлении изделий литьем, паянием, сваркой, при нанесении металлических покрытий, обращается внимание на тугоплавкие и легкоплавкие металлы. Теплопроводность – это способность тела (металла) проводить тепло при нагревании или охлаждении. Коэффициент теплопроводности проводников прямо пропорционален их удельной проводимости. Чем выше электропроводность металла, тем больше его теплопроводность. Поэтому теплоотводящие устройства, например, мощных резисторов, полупроводниковых приборов, изготавливают из металлов с высокой электропроводностью (медь, алюминий и сплавы на их основе).
Велико значение электропроводности металлов для передачи электроэнергии на большие расстояния, для распределения электроэнергии, работы электрического транспорта. Наименьшим сопротивлением электрическому току из промышленных металлов обладают медь и алюминий. Эти же металлы являются лучшими проводниками тепла. Магнитные свойства, т.е. способность хорошо намагничиваться, позволяют использовать металлы для некоторых специальных работ, например, в металлургии для сортировки железных руд, стальных и чугунных заготовок, в динамомашинах и трансформаторах. Обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы. Плотность представляет собой величину, равную отношению массы металла к занимаемому им объему. Наибольшей плотностью обладает осьмий, а наименьшей – литий. Теплоемкость – свойство металлов поглощать при нагревании определенное количество теплоты. Показатель теплоемкости – удельная теплоемкость, равная количеству теплоты (в джоулях), которое необходимо для нагревания 1 кг металла на 1 градус. Это свойство учитывается при расчете процессов нагрева и охлаждения, например, при конструировании паровых котлов. Тепловое расширение – это изменение объема (линейных размеров) тела при повышении температуры при постоянном давлении. Тепловое расширение материалов оценивают коэффициентом объемного или линейного расширения. Температурой плавления и кипения называют температуру, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое.
Механическими свойствами
металлов и сплавов называют их способность сопротивляться деформациям (изменению формы и размеров) под действием внешних нагрузок. К таким свойствам относятся: прочность, пластичность, твердость, вязкость (ударная), усталость, ползучесть, хрупкость. Прочность – способность металлов воспринимать, не разрушаясь, различные виды нагрузок, вызывающих внутренние напряжения и деформации. В зависимости от характера действия внешних сил различают прочность на: растяжение (разрыв), сжатие, кручение, ползучесть, усталость. Пластичность – способность сплавов под действием внешних сил изменять, не разрушаясь, свою форму и размеры. Пластичность является свойством, обратным упругости. Для количественной оценки пластичности электрорадиоматериалов используют относительное удлинение образца и относительное сужение площади поперечного сечения образца. Трещиностойкость - свойство материалов сопротивляться развитию трещин при механических и других воздействиях. Трещины в материалах могут быть металлургического и технологического происхождения, а также возникать и развиваться в процессе эксплуатации. В случае возможности хрупкого разрушения для безопасной работы элементов конструкций необходимо количественно оценивать размеры допустимых трещиноподобных дефектов.
Твердость – способность металлов и сплавов сопротивляться внедрению в него более твердого тела. По величине твердости металлов или сплавов можно судить и о его пределе прочности. На практике твердость определяют на приборах Бриннеля, Роквелла и Виккерса (HB, HR, HV). Различают макро- и микротвердость. Измеренная макротвердость характеризует твердость всего металла или сплава, а микротвердость – отдельных зерен, структурных составляющих или очень мелких деталей (часов, приборов). Вязкость (ударная) – это свойство сплава, по которому оценивают его сопротивление хрупкому разрушению. Испытания производят с помощью маятникового копра на специальных образцах. Ударная вязкость определяется работой, затраченной на разрушение образца. Ползучесть – способность сплавов к медленной и непрерывной пластической деформации при действии постоянной нагрузки или напряжения. Любой металлический сплав при эксплуатации под действием постоянной нагрузки может деформироваться с течением времени. Особое внимание уделяется этому свойству для деталей, работающих при высоких температурах. Хрупкость – это свойство материалов разрушаться под действием внешних сил без остаточных деформаций.
Химические свойства
металлов и сплавов характеризуются способностью металлов и сплавов взаимодействовать с внешней средой и окисляться. С повышением температуры все химические взаимодействия протекают более активно. К таким химическим взаимодействиям можно отнести коррозионную стойкость, жаропрочность, жаростойкость. Коррозионная стойкость – это способность металлов сопротивляться разрушению под действием внешних факторов. Под действием воздуха, влаги и других факторов поверхность металлов с течением времени окисляется, в результате чего металл разрушается. Разрушение металлов происходит также под действием кислот и щелочей, при прокатке из-за появления окалины. Процесс разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с внешней средой называется коррозией.
Технологические свойства
характеризуются способностью металлов и сплавов подвергаться различным видам технологической обработки, таким как давление, резание, литье, сварка. Технологические свойства определяются с помощью специальных проб. Они определяют возможность производить те или иные технологические операции с данным металлом или применять его в тех или иных условиях. Качество металла по технологическим пробам определяется по внешнему виду после испытания (отсутствие трещин, расслоения и излома). Наиболее распространенными являются пробы на выдавливание, перегиб, завивание, на осадку, пробы труб на сплющивание, загиб, бортование. Жидкотекучесть – это способность расплавленного металла заполнять литейную форму. Ковкость – это способность металлов и сплавов подвергаться различным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость – это свойство материалов образовывать сварное соединение.
Обрабатываемость резанием характеризуется такими показателями качества обработки материалов, как шероховатость и точность размеров обрабатываемой поверхности; сопротивление резанию; стойкость инструмента. Показатели качества определяют путем сравнения обработанного образца с эталоном. Обрабатываемость давлением определяют в процессе технологических испытаний материалов на пластическую деформацию. Методы оценки обрабатываемости давлением зависят от вида материалов и технологии их переработки. Обрабатываемость давлением порошковых материалов характеризуется текучестью, формуемостью и усадкой. Литейные свойства материалов – это совокупность технологических показателей, которые характеризуют формирование отливок путем заливки расплавленных материалов в литейную форму. Литейные свойства материалов определяются жидкотекучестью, кристаллизацией и литейной усадкой.

Физические свойства металлов

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Положение в таблице Менделеева

Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.

Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.

Строение

Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.

Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.

Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.

Свойства

Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.

Свойства

Особенности

Примеры

Применение

Способность отражать солнечный свет

Наиболее блестящими металлами являются Hg, Ag, Pd

Лёгкие – имеют плотность меньше 5 г/см 3

Na, K, Ba, Mg, Al. Самый лёгкий металл – литий с плотностью 0,533 г/см 3

Изготовление облицовки, деталей самолётов

Тяжёлые – имеют плотность больше 5 г/см 3

Sn, Fe, Zn, Au, Pb, Hg. Самый тяжёлый – осмий с плотностью 22,5 г/см 3

Использование в сплавах

Способность изменять форму без разрушений (можно раскатать в тонкую фольгу)

Наиболее пластичные – Au, Cu, Ag. Хрупкие – Zn, Sn, Bi, Mn

Формовка, сгибание труб, изготовление проволоки

Мягкие – режутся ножом

Изготовление мыла, стекла, удобрений

Твёрдые – сравнимы по твёрдости с алмазом

Самый твёрдый – хром, режет стекло

Изготовление несущих конструкций

Легкоплавкие – температура плавления ниже 1000°С

Hg (38,9°С), Ga (29,78°С), Cs (28,5°С), Zn (419,5°C)

Производство радиотехники, жести

Тугоплавкие – температура плавления выше 1000°С

Cr (1890°С), Mo (2620°С), V (1900°С). Наиболее тугоплавкий – вольфрам (3420°С)

Изготовление ламп накаливания

Способность передавать тепло другим телам

Лучше всего проводят ток и тепло Ag, Cu, Au, Al

Приготовление пищи в металлической посуде

Способность проводить электрический ток за счёт свободных электронов

Передача электричества по проводам

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Металлическая связь и особенности кристаллического строения обуславливают особые физические свойства металлов.

Металлическая связь основана на обобществлении электронов, входящих в состав атомов металла. Все электроны на внешних энергетических уровнях атомов металлов обобществленные, т.е. принадлежат всем атомам вещества. И эти электроны легко отрываются и попадают на энергетические уровни таких же атомов металлов. Постоянно перемещаясь по кристаллической решетке, электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительно заряженными ионами и тем самым связывают их в устойчивую металлическую решетку.

Содержимое разработки

9. Физические свойства металлов

Металлическая связь – это связь в металлах и сплавах между атом-ионами посредством обобществленных электронов.

Разобраться в том, какой электрон принадлежал какому атому, просто невозможно, так как все оторвавшиеся электроны становятся общими, соединяясь с ионами. Эти электроны временно образуют атомы, потом снова отрываются и соединяются с другим ионом. Этот процесс продолжается бесконечно. Таким образом, в металлических соединениях атомы непрерывно превращаются в ионы и наоборот.

Именно строением металлической связи обусловлены физические свойства металлов.

К физическим свойствам металлов относятся:

Металлический блеск.

Электропроводность и теплопроводность.

Пластичность.

Высокая плотность и температура плавления.

Рассмотрим каждое из свойств более подробно.

Металлический блеск обусловлен металлической связью между атомами, для которой свойственны обобществленные электроны. Они как раз и испускают под воздействием света свои, вторичные волны излучения, которые мы воспринимаем как металлический блеск.

В порошкообразном состоянии большинство металлов теряют металлический блеск и приобретают серую или черную окраску.

Металлический блеск в порошкообразном состоянии сохраняют алюминий и магний.

Прекрасно отражают свет палладий Pd, ртуть Hg, серебро Ag, медь Cu.

Из алюминия, серебра и палладия, основываясь на их отражательной способности, изготавливают зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Все металлы хорошо проводят электрический ток и имеют высокую теплопроводность, также благодаря наличию металлической связи. При нагревании металла, увеличивается скорость движения электронов. Быстро движущиеся по кристаллической решетке электроны выравнивают температуру по всей поверхности металла, проводя тепло. Высокая теплопроводность металлов используется для изготовления из них посуды.

Высокая электропроводность металлов обусловлена направленным движением электронов в кристаллической решетке при воздействии электрического тока. Серебро Ag, медь Cu, золото Au и алюминий Al обладают наибольшей электропроводностью, поэтому медь Cu и алюминий Al используют в качестве материала для изготовления электрических проводов.

Наименьшей электропроводностью обладают марганец Mn, свинец Pb, ртуть Hg и вольфрам W.

Пластичность – это физической свойство вещества изменять форму под внешним воздействием и сохранять принятую форму после прекращения этого воздействия.

Большинство металлов пластично, так как слои атом-ионов металлов легко смещаются относительно друг друга и между ними не происходит разрыва связи.

Наиболее пластичные металлы – золото Au, серебро Ag, медь Cu. Из золота Au можно изготовить тонкую фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий.

Именно на пластичности металлов основано кузнечное дело и возможность изготавливать различные предметы с помощью механического воздействия на металл.

Все металлы (кроме ртути) при нормальных условиях представляют собой твердые вещества. Твердость металлов различна. Наиболее твердыми являются металлы побочной подгруппы шестой группы Периодической системы Д.И. Менделеева. Наименее твердыми являются щелочные металлы.

По плотности металлы классифицируют на легкие (их плотность от 0,53 до 5 г/см 3 ) и тяжелые (плотность этих металлов от 5 до 22,6 г/см 3 ). Самым легким металлом является литий Li, плотность которого 0,53 г/см 3 . Самыми тяжелыми металлами в настоящее время считают осмий Os и иридий Ir (плотность около 22,6 г/см 3 ).

Температура плавления.

Температура плавления металлов находится в диапазоне от 39 (ртуть Hg) до 3410 о С (вольфрам W). Температура плавления большинства металлов высока, однако некоторые металлы, например, олово Sn и свинец Pl, можно расплавить на электрической плите.

Физические свойства металлов и в настоящее время широко используются в промышленности и электронике.

В технике все металлы делятся на черные, к ним относятся железо и его сплавы, и цветные.

Изделия из различных видов металлов используются повсеместно благодаря их пластичности, но чаще всего в сплавах.

К драгоценным металлам относят золото, серебро, платину и некоторые другие редко встречающиеся металлы.

-82%

Металлы

К металлам относится большая часть элементов периодической системы – 82 химических элементов. Какими свойствами они обладают, и чем отличаются от неметаллов?

Общая характеристика

Металлами называют группу элементов, в виде простых веществ, которые обладают металлическими свойствами (пластичность, ковкость, блеск, электронная проводимость и т. д.)

Основное отличие элементов-металлов – они обладают только восстановительными свойствами, а в реакциях могут только окисляться. В соединениях они могут иметь только положительные степени окисления как в элементарных положительно заряженных ионах, так и в сложных ионах, где они образуют положительные центры.

Рис. 1. Список металлов.

Как правило, на внешнем уровне элементов металлов находится небольшое число электронов (1-3), значения электроотрицательности невысокие. К металлам относятся все s-элементы (кроме водорода и гелия), d- и f-элементы, а также p-элементы под чертой бор-астат. Для типичных металлов характерен большой размер атомов, что способствует легкости отдачи валентных электронов. Образующиеся положительные ионы устойчивы, так как имеют завершенную внешнюю электронную оболочку.

Физические и химические свойства

Все металлы, кроме ртути, при нормальных условиях в виде простых веществ находятся в твердом агрегатном состоянии и образуют металлическую кристаллическую решетку.

Рис. 2. Металлы в таблице Д.И. Менделеева.

Таблица «Металлы»

В следующей таблицы представлены группы основных металлов:

Группа металлов	Металл
Щелочные	литий, натрий, калий и т.д.
Щелочноземельные	кальций, стронций, барий и т.д.
Переходные	уран, титан, железо, платина и т.д.
постпереходные	алюминий, свинец, олово и т.д.
Тугоплавкие	молибден, вольфрам
Цветные	медь, титан, магний и т.д.
Благородные	золото, серебро и т.д.

Металлы пластичны и ковки, особенно если на внешнем электронном уровне атомов по одному электрону: слои атомов перемещаются относительно друг друга без разрушения кристаллической решетки (щелочные металлы, медь, серебро, золото). В атомах непластичных хрупких металлов хрома и марганца – большое число валентных электронов.

Плотность, твердость, температура плавления металлов изменяются в широком диапазоне и зависят от атомной массы, строения атома и геометрии кристаллической решетки. Самый легкий металл – литий (плотность 0,53 г/см 3 ), самый тяжелый – осмий (плотность 22,5 г/см 3 ). Металлы с плотностью больше 5 г/см 3 относят к тяжелым, меньше 5 г/см 3 – к легким металлам.

Самая низкая температура плавления у ртути (-39 градусов по Цельсию), самый тугоплавкий металл – вольфрам (температура плавления 3410 градусов по Цельсию.) Энергия атомизации вольфрама составляет 836 кДж/моль, а температура кипения его 5930 градусов.

Металлы вступают в реакцию как с простыми, так и со сложными веществами. Как типичные восстановители металлы реагируют почти со всеми неметаллами-окислителями (кислород, сера, азот и т. д.):

Также металлы реагируют с такими сложными веществами, как оксиды и гидроксиды, разбавленные растворы кислот, с растворенными в воде щелочами.

В пределах одного и того же периода металлические свойства ослабевают, а неметаллические усиливаются; в пределах одной и той же группы (в главной подгруппе) металлические свойства усиливаются, а неметаллические ослабевают

Рис. 3. Металлы главных подгрупп.

Нахождение металлов и способы их получения

Самый распространенный на земле элемент-металл – алюминий. За ним следуют железо, кальций, натрий.

Некоторые металлы встречаются в природе в самородном состоянии (золото, ртуть, платина), но в основном они находятся в природе в виде оксидов и солей.

Получение металлов происходит с помощью металлургии (получение из руд), пирометаллургии (получение с помощью реакции восстановления при высокой температуре), гидрометаллургии (извлечение из руд в виде растворимых соединений), электрометаллургии (получение металлов электролизом расплавов и растворов их соединений).

Металлы – вещества, которые обладают высокой электро- и теплопроводностью, ковкостью, пластичностью и металлическим блеском. В данной статье по химии 9 класса рассматриваются их физические и химические свойства, формулы класса металлов, а также способы получения.

Читайте также: