Какие свойства металлов используют в технике

Обновлено: 05.10.2024

Особенностями строения металлов определяются их характерные физические свойства.

Пластичность. При деформации (изменении формы куска металла) ионы лишь смещаются относительно друг друга, но разрыва не происходит, так как связывающие их электроны, соответственно переместившись, продолжают осуществлять связь между сместившимися ионами. На практике пластичность проявляется в том, что под ударами молота металлы не дробятся на куски, а расплющиваются – они ковки. Самый пластичный металл – золото: его можно вытягивать в тонкие золотые нити, невидимые человеческому глазу или раскатывать в тончайшие полупрозрачные листы.

Электрическая проводимость объясняется способностью электронов легко перемещаться по всему куску металла.

Высокая теплопроводность также обусловлена движением электронов, так как именно они передают теплоту в разные участки куска металла, благодаря электронам металлы обладают характерными оптическими свойствами непрозрачности и металлического блеска. Металлы блестят потому, что отражают от своей поверхности световые лучи, а не пропускают их, как стекло, и не поглощают их как сажа.

Различные свойства проявляются в металлах в неодинаковой степени. Самой лучшей проводимостью обладает серебро, второе место по электронной проводимости занимает медь, далее следует алюминий. С помощью этих металлов можно передавать электрическую энергию на большие расстояния . Но в электротехнике в качестве материала для проводки используются алюминий и медь, так они значительно дешевле серебра.

В таком же порядке металлы располагаются и по теплопроводности: серебро, медь, алюминий.

Из более важных свойств металла стоит обратить внимание на плотность, твёрдость, прочность и температуру плавления. Плотность металла тем больше, чем больше его относительная атомная масса и чем меньше радиус атома и наоборот. Например, у лития – 534 кг/м3, а у осмия – 22500 кг/м3. Металлы с плотностью ниже 5000 кг/м3 называют лёгкими: магний, алюминий, титан. Металлы с большой плотностью: свинец, осмий.

Такие свойства металлов, как прочность, твёрдость и температура плавления зависят от прочности металлической связи. Особенно сильна эта связь у тяжёлых металлов с достраивающимся предпоследним электронным слоем атома: тантала, вольфрама и др. Эти металлы и отличаются высокой твёрдостью и низкой плавкостью.

Температура плавления металлов изменяется от 39˚ С (ртуть) до 3410˚ С (вольфрам). Ртуть является единственным жидким металлом.

Твёрдость металлов изменяется в широких пределах: щелочные металлы достаточны мягкие, а саамы твёрдые металлы не поддаются обработке напильником.

Определение

Физические свойства материала — все свойства, которые присущи веществам без химического воздействия на них.

Любой материал остается неизменным (самим собой) при одном условии — до тех пор, пока неизменен его состав, а также строение его молекул. Если вещество немолекулярное — пока сохраняется одинаковым его состав и связь между атомами. А уже различия в физических свойствах и иных характеристиках материала помогают разделять смеси, состоящие из него.

Важно знать и то, что физические свойства материала могут быть различными для различных его агрегатных материалов. Скажем, тепловые, электрические, механические, физические, оптические свойства вещества зависят от избранного направления в кристалле.

Физические свойства металлов

Все металлы имеют ряд общих, характерных для них свойств. Общими свойствами считаются: высокая электропроводность и теплопроводность, пластичность.

Разброс параметров у металлов очень велик, например, температура плавления может варьировать от 38,87 °C (Hg – ртуть) до 3380 °C (W – вольфрам), плотность – от 0,531 г/см3(Li – литий) до 22,5 г/см3(Os – осмий).

Коэффициент электропроводности металлов храктеризует их способность к проведению электричества. Коэффициент зависит от строения и свойств металла, у каждого металла он индивидуальный. Теория электропроводности состоит в том, что фактором электрического сопротивления металлов являются потери на излучение. Пользуясь теорией, можно вычислить коэффициент для любого металла.

Металлы способны испускать электроны при высокой температуре, это явление называется термоэлектронной эмиссией, возникающее также под воздействием других факторов (электро-магнитое поле, воздействие УФ и др.). Перепад температуры провоцирует в металлах появление электрического тока. Движения электронов в металлах обуславливают их теплопроводность. Отношение теплопроводности металлов и их электрической проводимости является постоянной величиной для всех металлов.

По магнитной восприимчивости металлы делятся на диамагнетики и парамагнетики.

Металлы непрозрачны, обладают металлическим блеском, сочетают в себе такие качества как: пластичность, вязкость, прочность, твердость и упругость. Все эти свойства зависят от целостности кристаллической решетки и состава.

Пластичность металлов находит большое практическое применение. Благодаря ей металлы можно подвергать различным воздействиям – ковке, вытягиванию, прокатке, штамповке. Это свойство можно объяснить специфическими свойствами металлической связи, которая связывает атомы металлов в кристаллической решетке.

Механические свойства реальных металлов характеризуются присутствием дефектов, в первую очередь дислокаций, потому что перемещение дислокаций по плоскостям кристаллической решетки с наиболее плотной упаковкой считается основным механизмом пластической деформации металлов. При взаимодействии дислокаций с другими дефектами вызывается увеличение сопротивления пластической деформации. Во время деформации количество дислокаций растет, одновременно с ними растет сопротивление деформации (деформационное упрочнение или наклеп). Подобные дефекты металла можно устранить при отжиге. В локализациях «сгущения» рост напряжений способен привести к образованию трещин, являющихся очагами разрушения металла.

Химические свойства металлов

Металлы обладают низким потенциалом ионизации и сродством к электрону, поэтому в химических реакциях выступают в качестве восстановителей, в растворах образуют катионы. Электроотрицательность у металлов ниже, чем у неметаллов. Могут входить в состав сложных анионов или комплексов, но при этом являются центрами положительного заряда. Лишь у амфотерных металлов (проявляющих как окислительные, так и восстановительные свойства) – Sn олово, Po полоний, Sb сурьма и др. – существуют соединения с отрицательной степенью окисления. Во всех химических соединениях у металлов химическая ковалентная полярная связь.

Сильно варьируется способность металлов к окислению. Основная часть металлов взаимодействует с кислородом воздуха при комнатной температуре, но скорость и механизм протекания реакции зависят от состава и чистоты металла (чаще образуются оксиды, у щелочных металлов – пероксиды). Некоторые металлы на воздухе образуют оксидную пленку, которая предохраняет металл от дальнейшего окисления (Al – алюминий, Ti – титан, Сr – хром).

Плотность

Одно из важнейших свойств в материаловедении. Плотность разделяется на три категории:

Истинная. Масса единицы объема материала, признанного абсолютно плотным.
Средняя. Это уже масса единицы объема при естественном состоянии материала (с порами и пустотами). Таким образом, средняя плотность изделий из одного и того же материала может быть разной — в зависимости от пустотности и пористости.
Насыпная. Используется для сыпучих материалов — это песок, щебень, цемент. Так называется отношение массы порошкообразных и зернистых материалов к ко всему занимаемому ими объему (включается в расчеты и пространство между частицами).

Плотность материала влияет на его технологические характеристики — прочность, теплопроводность. Она будет прямо зависеть от пористости и влажности. С увеличением влажности, соответственно, плотность будет повышаться. Это и характерный показатель для определения экономичности материала.

Водопроницаемость

Это физическое свойство — способность материалов пропускать через себя жидкость под давлением. Характеризуется объемом воды ,которая за 1 час проходит через 1 кв. м материала под давлением в 1 МПа.

Важно отметить, что встречаются и полностью водонепроницаемые материалы. Это сталь, битум, стекло, основные разновидности пластмасс.

Влагоотдача

Это способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Находясь на воздухе, сырье и изделия сохраняют свою влажность только в определенных условиях — при относительной равновесной влажности воздуха. Если показатель ниже этой величины, то материал начинает отдавать влагу в атмосферу, высушиваться.

Скорость этого процесса зависит от нескольких факторов: от разности между влажностью самого материала и влажностью воздуха (чем она больше, тем интенсивнее высушивание), от свойств самого материала — его пористости, природы, гидрофобности. Так, сырье с крупными порами, гидрофобное будет легче отдать жидкость, нежели материал гидрофильный, с мелкими порами.

Пористость

Среди физических, технологических и механических свойств материалов не последнее место занимает и пористость. Это степень заполнения объема изделия порами.

В данном контексте поры — это мельчайшие ячейки, заполненные водой или воздухом. Они могут быть крупными и мелкими, открытыми и закрытыми. Если мелкие поры, к примеру, заполнены воздухом, это повышает теплоизоляционные свойства материала. Величина пористости помогает судить и о других важных характеристиках — долговечности, прочности, водопоглощении, плотности.

Открытые поры сообщаются как с окружающей средой, так и между собой, могут искусственно заполняться водой при погружении материала в жидкость. Обычно чередуются с закрытыми. В звукопоглощающих материалах, к примеру, искусственно создается открытая пористость и перфорация — для более интенсивного поглощения звуковой энергии.

Закрытые поры по распределению и размеру характеризуется следующим:

Интегральная кривая распределения объема пор в единице объема по их радиусам.
Дифференциальная кривая распределения по радиусам объема пор.

Морозостойкость

Важное физическое свойство в российских реалиях. Так зовется способность материала, насыщенного водой, выдерживать многократные попеременные замораживания и оттаивания без значительного уменьшения прочности, появления видимых признаков разрушения.

Разрушение при этом процессе нередко из-за того, что при замораживании вода увеличивается в своем объеме примерно на 9 %. При этом наибольшее ее расширение при переходе в лед наблюдается при отметке -4 °С. При заполнении пор материала водой, ее расширении и и замерзании, поровые стенки испытывают значительные повреждения, которые и ведут к разрушению материала.

Соответственно, морозостойкость будет определять степень насыщения пор водой, его плотность. Морозостойкими считаются именно плотные материалы. Из пористых в эту категорию можно отнести только те, которые отличаются большим присутствие закрытым пор. Или чьи поры вода заполняет не более чем на 90 %.

Физические свойства способны представить важные способности материалов. Некоторые из них мы уже подробно разобрали в статье. Это способность выдерживать холод, многократные наполнения водой и высушивания, удерживать, впитывать, отдавать жидкость и другие важные характеристики.

Гигроскопичность

Как определяется данное физическое свойство материалов в материаловедении? Гигроскопичность — способность поглощать водяные пары и удерживать их внутри себя как следствие капиллярной конденсации. Напрямую зависит от относительной влажности и температуры воздуха, размера, разновидности и количества пор вещества, его природы.

Если материал активно притягивает своей поверхностью молекулы воды, то он называется гидрофильным. Если материал, напротив, отталкивает их от себя, то он носит имя гидрофобного. Помимо этого, отдельные гидрофильные материалы отлично растворяются в воде, в то время как гидрофобные стойко сопротивляются воздействию водных сред.

4. Применение металлов и их сплавов

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) % ). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.


Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

5 физических свойств металлов, которые используют в технике

Какие физические свойства металлов используют в технике: краткий обзор свойств группы металлов + 5 главных свойств.

Если речь заходит о взаимосвязях между свойствами и применением металлов, то путь лежит к науке «материаловедение». В сегодняшней статье я лишь вкратце расскажу, какие физические свойства металлов используются в технике. Для более глубокого понимания тематики, советую ознакомиться с другими статьями в рамках данного сайта.

Пара слов о группе металлов и ее свойствах

Металлические металлы подразделяются на 2 категории – черные и цветные. К первым относят различные сплавы и чистые вариации с железом, а остальные – это цвет металл. В чистом виде группа металлических элементов имеет низкие показатели механических свойств , из-за чего при 98% случаев в технике и промышленности используются разнообразные сплавы.

Обратите внимание: практическая значимость различных типов металлов сильно варьируется. Наибольшее значение имеет железо. На базе данного материала изготавливается более 88% всей металлургической продукции в мире.

Группа цветных металлов хоть и применяется реже, но ее физические и химические свойства являются более уникальными, и заменить их более доступным аналогом бывает просто невозможно. Среди промышленно значимых цвет металлов наибольшее значение имеет алюминий, медь, магний и титан.

О базовых свойствах металлов расскажу отдельной таблицей.

Категория	Свойство	Описание
Механика	Прочность	Потенциал металлического элемента в сопротивлении к разрушительным действиям из вне.
	Твердость	Потенциал сопротивляться прониканию другого металлического элемента под силой тяжести или под внешней нагрузкой.
	Вязкость	Сопротивление металлического элемента в отношении нагрузок динамического характера.
	Упругость	Уровень восстановления формы + изначальных физических параметров формы после окончания приложения усилия на элемент из вне.
	Пластичность	Уровень пиковых изменений формы без существенных разрушений общей структуры металлического элемента.
	Хрупкость	Разрушение металла в результате воздействия внешних сил при отсутствии деформаций остаточного типа.
Технология	Ковкость	Способность металлического материала выдерживать внешнее воздействие (обработку) под давлением не разрушаясь структурно.
	Свариваемость	На сколько качественные швы способен образовывать выбранный металл в процессе сварочных работ.
	Резка	На сколько хорошо металл обрабатывается инструментами режущего типа (ножницы по металлу и прочее).
Химия	Жаростойкость	Потенциал металла в оказании сопротивления окислительным процессам под воздействием газовой среды в комбинации с высоким температурным воздействием.
	Жаропрочность	Потенциал сохранения механических свойств элемента в условия влияния высокого температурного режима.
	Износостойкость	Предельно допустимые значения сопротивляемости верхнего слоя металла в отношении разрушающего воздействия силы трения.
	Стойкость к радиации	На сколько хорошо внешняя и внутренняя структура материала способна оказывать сопротивление воздействию ядерного облучения.

В твердом состоянии подавляющее большинство металлов имеет кристаллическое строение решетки. Форма может быть одной из трех – кубическая объёмно-центрическая, гранецентрическая или гексагональная с плотной упаковкой атомов.

Какие физические свойства металлов используют в технике?

Техническая сторона вопроса в отношении металлов имеет четкий ответ – используются абсолютно все физические свойства . Меняется только степень влияния определенных свойств. В одном направлении делается упор на плотность, а в другом температуру плавления. Далее я детально остановлюсь на каждом из свойств по физике металлов.

1) Плотность

Базовая физическая величина, которая важна в 95% технических вопросов использования. Обращаясь к терминологии, плотность вещества – отношение массы к значению объема металлического тела . Выражается физическое свойство через граммы, деленные на сантиметры кубические. Реже используются килограммы на метры кубические.

Картинка выше, взятая их технической литературы дает возможность узнать плотность большинства популярных марок сталей, чугуна и прочих черных или цветных сплавов. Для измерения значения плотности нестандартных сплавов, которые не указаны в шаблонных таблицах, в 95%+ случаев используется гидростатический метод. В остальных 5% применяется пикнометрический метод.

ГОСТы по гидростатическому методу измерения плотности:

В основе измерений лежат хорошо смачивающие материалы, которые не вступают в реакции с металлом + не улетучиваются в процессе проведения самих измерений. Обычно используется наиболее простой вариант – дистиллированная вода.

Важно: значение плотности является решающим при изготовлении деталей в авиационной и ракетной технике. Получаемые конструкции просто обязаны сочетать в себе прочность и легкость.

Вопрос оптимизации веса и прочности – одна из главных проблем современного конструирования . Именно плотность в данном вопросе несет решающее значение, а потому данный факт ставит физический параметр металлов в топ-3 по важности из всего прилагаемого списка свойств группы элементов.

2) Температура плавления

Большинство металлов располагают рядом оригинальных свойств, присущих исключительно им. У каждого имеется собственная критическая точка, при которой наступает разрушение кристаллической решетки и переход из твердой формы в жидкую с сохранением объема металлического элемента. Описанный процесс называется плавлением металлов и в металлургической промышленности он является основой производства.

Важно: в технике используются сплавы из чистых металлов и легирующих добавок. Получить нужные свойства без применения процесса плавления невозможно.

Новые соединения образуются в процессе смешивания кристаллических решеток чистых элементов. Температура плавления – величина непостоянная, зависящая от концентрации входящих в сплав компонентов.

В зависимости от температуры плавления, металлы подразделяют на 3 категории – легкоплавкие, среднеплавкие и тугоплавкие. Первые имеют верхний порог расплавки менее 1 000 по Цельсию, а последние более 1500 градусов.

О применении тугоплавких и легкоплавких металлов в технике ниже.

Тугоплавкие металлы	Легкоплавкие металлы
Применение в сварке. Все мы знаем об электродах из вольфрамового сплава. В данном случае металл выступает в качестве основы для расходника.	Жидкометаллические тепловые носители нашли применение в энергетической промышленности и машиностроении.
Элементы в электронике.	Изготовление моделей выплавляемого типа.
Космос и авиация. Некоторые сплавы используются в сверхзвуковой авиации и производстве космических кораблей.	Вакуумная техника. Применение в уплотнениях, пайке швов и прочем подобном.
Военная промышленность. Как правило, конструктивно важные элементы, которые обязаны быть защищены от высоких температур и расплавки, упаковывают в оболочки из тугоплавкого металла.	Микроэлектроника, а именно покрытие различных датчиков, предохранителей и конечно же использование в качестве припоев.
Применяются при разработке техники вакуумного типа.	Используются как основа для расплавляемой смазки для металлов.

Наиболее популярным и наглядным применением тугоплавких металлов является нити накалывания в лампах. Из металлопроката можно выделить полосы вытяжки, фольгу, трубы и проволоку.

3) Электропроводимость

В основе данного свойства лежит способность металла в проводимости электрического тока. Значение является обратным величине электрического сопротивления. Обозначение параметра в технической литературе – «G», а единица измерения в соответствии с международной системой – сименсы (См).

Наибольшей проводимостью электрического тока может похвастаться серебро (62 500 000 См/м) . Так как сам по себе металл относится к группе «благородных», делать из него проводку весьма дорого. В качестве более дешевой альтернативы используется медь (59 500 000 См/м). Ее более высокая температура плавления дает возможность продлить срок службы конструкционного элемента, целью которого является проводимость электричества.

Обратите внимание: любой из сплавов имеет намного меньшую электрическую проводимость нежели чистое вещество.

Причиной тому служит слияние структурной сетки элементов, из-за чего прекращается нормальная работа электронов внутри нового металлического вещества. Формирование базы знаний вокруг рассматриваемого свойства происходило за счет теории электропроводимости металлов.

В нее входит 6 пунктов:

Высокая проводимость повязана на количестве свободных электронов;
Возникновение тока происходит за счет внешнего воздействия на металл, в результате чего происходит упорядочивание движения электронов внутри элемента.
Сила тока, проходящего через металл, рассчитывается на основании закона Ома.
Разное число элементарных частиц влияет на значение сопротивления.
Ток в цепи возникает сразу же после воздействия на электроны.
При повышении температурного режима увеличивается и сопротивление металла.

Наибольшей электропроводимостью могут похвастаться металлы из щелочной группы, но из-за их ограничений по другим свойствам (температура плавления и химическая активность), их применение в технике и промышленности крайне ограничено.

Где используются электроповодимые металлы:

при заземлении электроустановок;
с целью выравнивания потенциалов;
как громоотводы.

Ну и основная функция проводников – это доставка электричества. Обход наукой стороной данного свойства не позволил бы развиваться техническому прогрессу как таковому в принципе.

4) Какие еще физические свойства металлов используют в технике: теплопроводимость

Теплопроводимость веществ – неотъемлемая часть термодинамики. В отношении металла данное свойство показывает на сколько хорошо материал способен распределять тепло по всей плоскости металлического объекта . Транспортировка тепловой энергии происходит за счет движения элементарных частиц внутри элемента – атомы, электроны и так далее.

Справочные значения тепловой проводимости для популярных металлов и сплавов представленный на картинке выше. Более детальные таблицы представлены в специализированной литературе по материаловедению.

Обратите внимание: значения теплопроводимости подают на промежутке от 0 до 600 по Цельсию.

Сказать о тотальном преимуществе металлов с высокой или низкой теплопроводиомстью нельзя. Все зависит от сферы применения материала.

В каких областях важен рассматриваемый параметр:

строительство. Приоритет на низкую проводимость материалов. В таких помещениях температура будет сохранять оптимальные показатели как летом, так и зимой;
отопительные системы. Актуально в производстве радиаторов и труб для транспортировки тепла;
техника. В определенных направлениях приборостроения важна защита от перегрева. При таких требованиях выбор материала-оболочки осуществляется на основании теплопроводимости материала.

Важно понимать, что при образовании новых типов сплавов параметр проводимости тепла изменяется. Чтобы узнать актуальные значения, используются опытные методы определения. Частный выбор зависит от особенностей исследуемого металла.

Базовые физические свойства металлов:

5) Магнетизм

Способность металлов намагничиваться или притягиваться магнитами стоит на втором месте по важности для ниши техники. Существует 2 способа определения уровня магнетизма металлов – магнитно-металлографический метод и магнитная металлография. Второй реализовать проще, ибо в основе лежат проявления магнитных свойств на поверхности исследуемого образца металлического элемента.

О классификации металлических элементов в чистом виде по отношению к магнитным полям расскажу отдельной таблицей.

Группа	Отношение	Представители
Ферромагниты	Могут набирать магнитное поле при воздействии слабых магнитных полей.	Кобальт, железо, никель, гадолиний.
Парамагниты	Практически не набирают магнитное поле вне зависимости от его силы воздействия.	Хром, титан, алюминий, лантан, лютеций и другие лантаноиды.
Диамагниты	Совсем не притягиваются к магнитам + некоторые могут даже отталкиваться.	Олово, висмут, медь.

По факту, магнитными свойствами обладает очень мало металлов, но в повседневности использование магнита указывает нам на противоположный факт. Причина тому 90% промышленности, которая в основе сплавов использует железо, проявляющее крайне сильные ферромагнитные свойства по отношению к магнитным полям.

Где нужны магнитные свойства металлов:

в акустических системах, при производстве реле и бесконтактных датчиков;
при изготовлении бытовой техники – сепараторы и холодильники;
электромашины;
элементы узлов в кодовых замках и охранных сигнализациях;
техногенераторы;
датчики расположения;
приборы для измерения электричества;
периферия на ПК;
узлы в телефонах, видеокамерах и фотоаппаратах;
узлы устройств для обработки воды, топлива и масел. Иными словами – магнитные фильтры.

В дополнение, металлы с магнетизмом – это источник прогресса в медицине и автоматизированных транспортных системах. Ну и не будем забывать о магнитных устройствах, что используются в рекламе, реализациях, выставках и прочих мероприятиях по всему миру.

Некоторые специалисты к физическим свойствам относят также коэффициенты линейного и объемного расширений. Данные параметры характеризуют способность металлов расширяться в процессе нагревания. Особо важно учитывать данный параметр в строительной сфере – мосты, железные дороги, трамвайные пути и тому подобное. Так как свойство является составляющей теплопроводимости, рассматривать отдельно его я не вижу смысла.

На этом разбор вопроса считаю исчерпанным. Теперь вы в полной мере знаете, какие физические свойства металлов используют в технике и прочих сферах деятельности человека. При возникновении вопросов, можете изложить их в комментариях.

Технологические свойства металлов и сплавов -зависимость от химического состава

Все основные качества металлов и их сплавов можно классифицировать по целому ряду показателей, каждый из которых оказывает существенное влияние на определение сферы применения материала.

К физическим свойствам металлов относят их вес, теплоемкость, способность проводить электрический ток и другие подобные показатели. Всем понятно, что применение, например, чугуна невозможно в авиастроении, а любой металл, отлично проводящий электричество не применим в производстве изоляторов.
Механические свойства определяются способностью противостоять различным нагрузкам, к ним относятся твердость, пластичность, упругость и многие другие качества.
Эксплуатационные качества характеризуют возможность применения металла для эксплуатации в различных условиях — стойкость к истиранию, воздействию высоких и низких температур, и так далее.
Химические свойства металлов и сплавов определены способностью элементов, входящих в их состав, вступать в реакции с другими веществами. Так, например, всем известно, что золото не поддается воздействия кислот, чего не скажешь о других видах металла.
Технологические свойства материала определяют перечень производственных процессов, которые применимы к металлу в последующей обработке.

Металлы — технологические свойства

К основным технологическим свойствам стоит отнести следующие характеристики:

Жидкотекучесть (литейность) — способность материала в расплавленном состоянии заполнять литейную форму, без оставления пустот.
Свариваемость — способность выполнять неразъемные соединения деталей под действием различных видов сварки (газовая, электрическая, давлением).
Ковкость (деформируемость) — возможность менять форму изделия в горячем состоянии или при нормальной температуре под воздействием давления.
Прокаливаемость — способность улучшения различных свойств металла путем закалки на различную глубину.
Возможность выполнения обработки металла при помощи режущего оборудования показывает возможность выполнения токарных и фрезерных операций.

Все эти технологические свойства металлов и сплавов в комплексе и определяют дальнейшую сферу применения.

1.3. Технологические и эксплуатационные свойства

К технологическим свойствам относят литейные свойства, ковкость, свариваемость и обрабатываемость режущим инструментом.

Литейные свойства

– способность металла или сплава заполнять литейную форму, обеспечивать получение отливки заданных размеров и конфигурации без пор и трещин во всех ее частях.

– способность металла или сплава деформироваться с минимальным сопротивлением под влиянием внешней приложенной нагрузки и принимать заданную форму. Ковкость зависит не только от структуры материала, но и от внешних факторов, например, температуры нагрева.

Свариваемость

– способность материала образовывать неразъемные сварные соединения. Материалы бывают хорошо и ограниченно свариваемые. Свариваемость зависит от структуры материала и технологии сварки.

Обрабатываемость

– свойство материала поддаваться обработке резанием. Критериями обрабатываемости являются режимы резания и качество обработанной поверхности.

Работоспособность любой детали во многом определяется эксплуатационными свойствами материала. Эти свойства учитывают особенности эксплуатации машины в конкретных условиях.

Прокаливаемость

– способность стали воспринимать закалку; характеризуется глубиной проникновения закаленного (мартенсит, или полумартенсит) слоя в объем закаливаемого изделия. Прокаливаемость определяется критической скоростью закалки, зависящей от состава стали. Легированные стали, вследствие более высокой устойчивости переохлажденного аустенита и соответственно меньшей критической скорости охлаждения, прокаливаются на большую глубину, чем углеродистые. Сильно повышают прокаливаемость Mn, Mo, Cr, Ni. Существует много методик оценки прокаливаемости, наиболее применяемым из которых до настоящего времени является метод торцовой закалки, при котором определяют твердость, как функцию расстояния от охлаждаемого струей закалочной жидкости торца цилиндра с изолированной боковой поверхностью.

Износостойкость

– способность материала сопротивляться поверхностному разрушению (истиранию) под действием внешнего трения.

Жаропрочность

– способность сплава сохранять высокие механические характеристики (ползучесть и прочность) при высоких температурах.

Глава 2. Черные и цветные металлы и сплавы

2.1. Общие сведения о стали

В технике значительно чаще применяют не чистые металлы, а сплавы, состоящие из двух или нескольких элементов. Основными конструкционными материалами для машиностроительного производства служат сталь, чугун и сплавы цветных металлов на основе меди, алюминия, магния, титана.

– сплав железа с углеродом (массовая доля С не более 2,14 %), в который добавляют легирующие элементы для создания сталей с требуемыми механическими, технологическими и особыми эксплуатационными свойствами.

В сталях также содержатся и вредные примеси: сера (вызывает красноломкость) и фосфор (вызывает хладноломкость). Эти примеси не удается полностью удалить со шлаком по природным и технологическим причинам.

Красноломкостью

называется свойство стали давать трещины при горячей обработке давлением (ковка, штамповка, прокатка) в области температур красного или жёлтого каления (850-1150 °С). Красноломкость обусловливается главным образом распределением некоторых примесей (серы и меди) по границам зёрен металла.

Хладноломкостью

называется склонность металла к переходу в хрупкое состояние при понижении температуры. Хладноломкостью обладают железо, вольфрам, цинк и другие металлы, имеющие объемно-центрированную кубическую или гексагональную плотноупакованную кристаллическую решетку.

Рассмотрим влияние температуры Т

(°C) на характер деформации материала, которая оценивается относительным удлинением δ (%) (рис. 5). При температурах материала менее значения
Т
н предел прочности на разрыв меньше предела текучести. В этом случае металл разрушается без предварительной деформации, то есть находится в хрупком состоянии. Переход из хрупкого состояния в вязкое осуществляется в интервале температур от
Т
н до
Т
в, где
Т
н – нижняя, а
Т
в – верхняя границы интервала. При достижении температуры
Т
в и выше, предел прочности металла становится больше предела текучести, что приводит сначала к деформированию, а затем и к разрушению материала. Такое состояние называется вязким.

Основными способами выплавки стали являются: конверторный (55 %), в дуговых электропечах (25 %) и в мартеновских печах (20 %).

Рис. 5. Влияние температуры на состояние материала

Конверторный способ

получения стали позволяет использовать в качестве шихты жидкий чугун, до 50 % металлического лома, руду, флюс. Сжатый воздух под давлением (0,3-0,35 МПа) поступает через специальные отверстия. Теплота, необходимая для нагрева шихты, получается за счет химических реакций окисления углерода и примесей, находящихся в чугуне.

Производство стали в конверторах постепенно вытесняет производство ее в мартеновских печах. Вместимость современных конверторов достигает 600 тонн. Наибольшее развитие получает кислородно-конверторное производство стали, так как использование кислорода обеспечивает резкое (на 40 %) повышение производительности. Недостатки способа: повышенный расход огнеупорных материалов и высокий угар (потеря) металлов.

Огнеупорные материалы – это материалы, отличающиеся повышенной прочностью при высоких температурах и химической инертностью. Они применяются для производства печей, используемых в металлургических процессах, и других высокотемпературных агрегатов (реакторов, двигателей, и т.д.). Состав огнеупорных материалов представляют собой керамическую смесь тугоплавких окислов, силикатов, карбидов, нитридов, боридов, обладающих огнеупорностью не ниже 1580 °C.

Угар – уменьшение массы металлов в процессе плавки. При этом образуются химические соединения металла с веществами, находящимися в зоне плавления, которые переходят затем в шлак и газовую фазу.

Производство стали в электрических печах

– наиболее совершенный способ получения специальных и высококачественных сталей. Сталь выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Наиболее распространены дуговые электропечи вместимостью до 270 тонн. При плавке стали в электропечах используют как стальной скрап (металлические отходы, поступающие в переплавку для изготовления годного металла) и железную руду, так и жидкие стали, поступающие из мартеновской печи или конвертера.

Лом металлов (цветных, чёрных) –

это различные металлические изделия и конструкции, подлежащие повторной переработке. Металлоломом называют также пришедшие в негодность металлические вещи либо специально собираемый на пунктах сбора и приема металлический мусор.

Технологические свойства стали

Сталь считается одним из самых распространенных металлов, ее технологические свойства зависят от химического состава, различные примеси, входящие в нее, могут улучшить или ухудшить данные характеристики.

выполнения этой операции, а также прокатки, содержание углерода не должно превышать 1,4%.

К негативным примесям, существенно влияющим на технологические характеристики, можно отнести серу и фосфор. Излишек данных веществ может привести к красноломкости и хладноломкости соответственно. То есть сталь с избытком серы становится хрупкой при нагреве, а если в ней присутствует большое количество фосфора, то она будет ломаться при отрицательных температурах. Именно поэтому при выплавке стали многие усилия направлены на снижение данных примесей в металле, но, к сожалению, избавиться от них полностью не выходит.

Как видите, химические составляющие стали оказывают огромное значение на ее технологические свойства, поэтому при выборе метода обработки должен выполняться тщательный анализ состава сплава, в противном случае могут возникнуть проблемы, как в производстве, так и при эксплуатации изделия.

Общая характеристика металлических изделий

Современная металлургическая промышленность предлагает большое разнообразие видов металлических изделий. К самым распространенным из них относится металлический прокат, то есть изделия, которые производят на специальных станках методом горячей либо холодной прокатки.

Все разновидности металлического проката объединяются общим понятием «сортамент». Сортамент принято разделять на четыре группы: листовой, сортовой, трубы и специальные виды проката. К последним относятся бандажи, колеса, шары, периодические и гнутые профили. По способу обработки поверхности выделяют калиброванный, шлифованный, зеркальный и матовый сортамент.

Говоря о свойствах металлических изделий, стоит отметить, что сортовой прокат обладает самой разнообразной номенклатурой, где принято выделять простые и фасонные профили.

Прокатные цеха изготавливают примерно две тысячи размеров простых профилей, более тысячи фасонных общего потребления, а также около полутора тысяч размеров профилей специального назначения. Простыми называют профили с сечением в виде геометрических фигур, таких как круг, полукруг, овал, сегмент, шестигранник, квадрат, треугольник, полоса плоского сечения, пр.

Прокат сложного поперечного сечения обозначают как фасонные профили. В данной группе выделяют профили общего или массового потребления и специального назначения. К первым относятся уголки, швеллеры, двутавровые балки, шестигранные профили, пр. Тогда как вторые представлены трамвайными и железнодорожными рельсами широкой и узкой колеи, профилями сельскохозяйственного машиностроения, нефтяной и электропромышленности, пр. Из цветных металлов обычно производятся простые профили.

Размеры являются еще одним важным нюансом, о котором не стоит забывать, говоря на тему свойств металлических изделий. Сортовой прокат делят на:

Крупный. Сюда относят круглую сталь диаметром 80–250 мм, квадратную со стороной 70–200 мм, периодические арматурные профили № 70–80, угловая сталь с шириной полок 90–250 мм, швеллеры и двутавровые балки обычные и облегченные высотой 360–600 мм. Также в эту категорию входят специальные широкополочные двутавры и колонные профили высотой в пределах 1 000 мм, шестигранная сталь до № 100, железнодорожные рельсы массой 43–75 кг на метр длины изделия, полосовая сталь шириной не более 250 мм, пр.
Средний. Речь идет о круглой стали диаметром 32–75 мм, квадратной со стороной 32–65 мм и шестигранной до № 70. Здесь же представлен стальной периодический арматурный профиль № 32–60, двутавровые балки высотой до 300 мм, швеллеры высотой 100–300 мм, рельсы узкой колеи Р18 – Р24, штрипсы с сечением до 8×145 мм и фасонные профили.
Мелкий. Такая круглая сталь имеет диаметр 10–30 мм, квадратная со стороной 3,2–31 мм, сюда же относят периодический арматурный профиль.

В качестве элементов строительных конструкций применяют листовую и сортовую сталь. Нередко используют вторичные профили, то есть сварные, для изготовления которых соединяют полосы или листы, и гнутые. Для изготовления вторых прибегают к холодной гибке полос и листов.

Тяжелые металлы повысили эффективность термоэлектрика

свойства железа и серы (агр.состояние. теплопроводность электропроводность . запах
Все изделия, используемые человеком, способны передавать и сохранять температуру прикасаемого к ним предмета или окружающей среды. Способность отдачи тепла одного тела другому зависит от вида материала, через который проходит процесс. Свойства металлов позволяют передавать тепло от одного предмета другому, с определенными изменениями, в зависимости от структуры и размера металлической конструкции. Теплопроводность металлов — один из параметров, определяющих их эксплуатационные возможности.

Что такое теплопроводность и для чего нужна

Процесс переноса энергии атомов и молекул от горячих предметов к изделиям с холодной температурой, осуществляется при хаотическом перемещении движущихся частиц. Такой обмен тепла зависит от агрегатного состояния металла, через который проходит передача. В зависимости от химического состава материала, теплопроводность будет иметь различные характеристики. Данный процесс называют теплопроводностью, он заключается в передаче атомами и молекулами кинетической энергии, определяющей нагрев металлического изделия при взаимодействии этих частиц, или передается от более теплой части – к той, которая меньше нагрета.

Способность передавать или сохранять тепловую энергию, позволяет использовать свойства металлов для достижения необходимых технических целей в работе различных узлов и агрегатов оборудования, используемого в народном хозяйстве. Примером такого применения может быть паяльник, нагревающийся в средней части и передающий тепло на край рабочего стержня, которым выполняют пайку необходимых элементов. Зная свойства теплопроводности, металлы применяют во всех отраслях промышленности, используя необходимый параметр по назначению.

Применение

Агрегатное состояние материалов имеет отличительную структуру строения молекул и атомов. Именно это оказывает большое влияние на металлические изделия и их свойства, в зависимости от назначения.

Отличающийся химический состав узлов и деталей из железа, позволяет обладать различной теплопроводностью. Это связано со структурой таких металлов как чугун, сталь, медь и алюминий. Пористость чугунных изделий способствует медленному нагреванию, а плотность медной структуры – наоборот, ускоряет процесс теплоотдачи. Эти свойства используют для быстрого отвода тепла или постепенного нагревания продукции инертного назначения. Примером использования свойств металлических изделий является:

кухонная посуда с различными свойствами;
оборудование для пайки труб;
утюги;
подшипники качения и скольжения;
сантехническое оборудование для подогрева воды;
приборы отопления.

Медные трубки широко используют в радиаторах автомобильных систем охлаждения и кондиционеров, применяемых в быту. Чугунные батареи сохраняют тепло в квартире, даже при непостоянной подаче теплоносителя требуемой температуры. А радиаторы из алюминия, способствуют быстрой передаче тепла отапливаемому помещению.

При возникновении высокой температуры, в результате трения металлических поверхностей, также важно учитывать теплопроводность изделия. В любом редукторе или другом механическом оборудовании, способность отводить тепло, позволит деталям механизма сохранить прочность и не быть подвергнутыми разрушению, в процессе эксплуатации. Знание свойств теплопередачи различных материалов, позволит грамотно применить те или иные сплавы из цветных или черных металлов.

Понятие термического сопротивления и коэффициента теплопроводности

Если теплопроводность характеризует способность металлов передавать температуру тел от одной поверхности к иной, то термическое сопротивление показывает обратную зависимость, т.е. возможность металлов препятствовать такой передаче, иначе выражаясь, – сопротивляться. Высоким термическим сопротивлением обладает воздух. Именно он, больше всего, препятствует передаче тепла между телами.

Количественную характеристику изменения температуры единицы площади за единицу времени на один градус (К), называют коэффициентом теплопроводности. Международной системой единиц принято измерять этот параметр в Вт/м*град. Эта характеристика очень важна при выборе металлических изделий, которые должны передавать тепло от одного тела к другому.

Коэффициент теплопроводности металлов при температура, °С

Факторы, влияющие на физическую величину

Способность проводить тепло зависит от ряда факторов, включая температуру, структуру и электрические свойства вещества.

Температура материала

Влияние температуры на способность проводить тепло различается для металлов и неметаллов. В металлах проводимость главным образом связана со свободными электронами. Согласно закону Видемана—Франца теплопроводность металла пропорциональна произведению абсолютной температуры, выраженной в Кельвинах, на его электропроводность. В чистых металлах с увеличением температуры уменьшается электропроводность, поэтому теплопроводность остается приблизительно постоянной величиной. В случае сплавов электропроводность мало изменяется с ростом температуры, поэтому теплопроводность сплавов растет пропорционально температуре.

С другой стороны, передача тепла в неметаллах главным образом связана с колебаниями решетки и обмене решеточными фононами. За исключением кристаллов высокого качества и низких температур, путь пробега фононов в решетке значительно не уменьшается при высоких температурах, поэтому и теплопроводность остается постоянной величиной во всем температурном диапазоне, то есть является незначительной. При температурах ниже температуры Дебая способность неметаллов проводить тепло, наряду с их теплоемкостью, значительно уменьшается.

Фазовые переходы и структура

Когда материал испытывает фазовый переход первого рода, например, из твердого состояния в жидкое или из жидкого в газ, то его теплопроводность может измениться. Ярким примером такого изменения является разница этой физической величины для льда (2,18 Вт/(м*К) и воды (0,90 Вт/(м*К).

Изменения кристаллической структуры материалов также влияют на теплопроводность, что объясняется анизотропными свойствами различных аллотропных модификаций вещества одного и того же состава. Анизотропия влияет на различную интенсивность рассеивания решеточных фононов, основных переносчиков тепла в неметаллах, и в различных направлениях в кристалле. Здесь ярким примером является сапфир, проводимость которого изменяется от 32 до 35 Вт/(м*К) в зависимости от направления.

Электрическая проводимость

Теплопроводность в металлах изменяется вместе с электропроводностью согласно закону Видемана—Франца. Это связано с тем, что валентные электроны, свободно перемещаясь по кристаллической решетке металла, переносят не только электрическую, но и тепловую энергию. Для других материалов корреляция между этими типами проводимости не является ярко выраженной, ввиду незначительного вклада электронной составляющей в теплопроводность (в неметаллах основную роль в механизме передачи тепла играют решеточные фононы).

Процесс конвекции

Воздух и другие газы являются, как правило, хорошими теплоизоляторами при отсутствии процесса конвекции. На этом принципе основана работа многих теплоизолирующих материалов, содержащих большое количество небольших пустот и пор. Такая структура не позволяет конвекции распространяться на большие расстояния. Примерами таких материалов, полученных человеком, являются полистирен и силицидный аэрогель. В природе на том же принципе работают такие теплоизоляторы, как шкура животных и оперение птиц.

Читать также: Как замерить амперы мультиметром на аккумуляторе

Легкие газы, например, водород и гель, имеют высокие значения теплопроводности, а тяжелые газы, например, аргон, ксенон и радон, являются плохими проводниками тепла. Например, аргон, инертный газ, который тяжелее воздуха, часто используется в качестве теплоизолирующего газового наполнителя в двойных окнах и в электрических лампочках. Исключением является гексафторид серы (элегаз), который является тяжелым газом и обладает относительно высокой теплопроводностью, ввиду его большой теплоемкости.

Методы измерения

Для измерения теплопроводности металлов используют два метода: стационарный и нестационарный. Первый характеризуется достижением постоянной величины изменившейся температуры на контролируемой поверхности, а второй – при частичном изменении таковой.

Стационарное измерение проводится опытным путем, требует большого количества времени, а также применения исследуемого металла в виде заготовок правильной формы, с плоскими поверхностями. Образец располагают между нагретой и охлажденной поверхностью, а после прикосновения плоскостей, измеряют время, за которое заготовка может увеличить температуру прохладной опоры на один градус по Кельвину. Когда рассчитывают теплопроводность, обязательно учитывают размеры исследуемого образца.

Нестационарную методику исследований используют в редких случаях из-за того, что результат, зачастую, бывает необъективным. В наши дни никто, кроме ученых, не занимается измерением коэффициента, все используют, давно выведенные опытным путем, значения для различных материалов. Это обусловлено постоянством данного параметра при сохранении химического состава изделия.

Теплопроводность стали, меди, алюминия, никеля и их сплавов

Обычное железо и цветные металлы имеют разное строение молекул и атомов. Это позволяет им отличаться друг от друга не только механическими, но и свойствами теплопроводности, что, в свою очередь, влияет на применение тех или иных металлов в различных отраслях хозяйства.

Сталь имеет коэффициент теплопроводности, при температуре окружающей среды 0 град. (С), равный 63, а при увеличении градуса до 600, он снижается до 21 Вт/м*град. Алюминий, в таких же условиях, наоборот – увеличит значение от 202 до 422 Вт/м*град. Сплавы из алюминия, будут также повышать теплопроводность, по мере увеличения температуры. Только величина коэффициента будет на порядок ниже, в зависимости от количества примесей, и колебаться в пределах от 100 до 180 единиц.

§ 9. Физические свойства металлов

Из курса химии 9 класса вы уже имеете представление о природе химической связи, существующей в кристаллах металлов, — металлической связи. Напомним, что в узлах металлических кристаллических решёток располагаются атомы и положительные ионы металлов, связанные посредством обобществлённых внешних электронов, принадлежащих всему кристаллу. Эти электроны компенсируют силы электростатического отталкивания между положительными ионами и тем самым связывают их, обеспечивая устойчивость металлической решётки.

Металлическая связь обусловливает все важнейшие физические свойства металлов: пластичность, электро- и теплопроводность, металлический блеск и другие свойства, характерные для этого класса простых веществ.

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

Способность расплющиваться от удара или вытягиваться в проволоку под действием силы составляет важнейшее механическое свойство металлов. Оно лежит в основе такой уважаемой большинством народов мира профессии, как профессия кузнеца. Недаром покровителем кузнечного дела у разных народов был бог огня: у греков — Гефест, у римлян — Вулкан, у славян — Сварог.

Пластичность металлов обусловлена способностью одних слоёв атом-ионов в кристаллах под внешним воздействием легко смещаться (как бы скользить) по отношению к другим слоям без разрыва связей между ними (рис. 26). Наиболее пластичны золото, серебро и медь. Например, из золота можно изготовить «золотую фольгу» толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий (рис. 27).

Высокая электропроводность большинства металлов обусловлена присутствием в их кристаллических решётках подвижных электронов, которые направленно перемещаются под действием электрического поля (рис. 28).

При нагревании колебательные движения ионов в кристалле усиливаются, что затрудняет направленное движение электронов и ведёт к снижению электрической проводимости. При охлаждении электропроводность металлов увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Наибольшую электропроводность имеют серебро и медь, наименьшую — марганец, свинец, ртуть и вольфрам.

Такое свойство, как теплопроводность металлов, также связано с высокой подвижностью свободных электронов: сталкиваясь с колеблющимися в узлах решётки ионами, электроны обмениваются с ними энергией. С повышением температуры колебания ионов при посредстве электронов передаются другим ионам, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается.

Для гладкой поверхности металлов характерен металлический блеск — результат отражения световых лучей. В порошкообразном состоянии большинство металлов теряет блеск, приобретая чёрную или серую окраску, и только алюминий и магний сохраняют блеск в порошке. Из алюминия, серебра и палладия, обладающих наиболее высокой отражательной способностью, изготовляют зеркала, в том числе и применяемые в прожекторах.

Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет. Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.

Для большинства металлов характерен белый или серый цвет. Золото и медь окрашены соответственно в жёлтый и жёлто-красный цвет.

Из других физических свойств металлов наибольший практический интерес представляют твёрдость, плотность и температура плавления.

Для всех металлов (кроме ртути) при обычных условиях характерно твёрдое агрегатное состояние. Однако твёрдость их различна. Наиболее твёрдые — металлы побочной подгруппы VI группы (VIB группы) Периодической системы Д. И. Менделеева. Так, хром по твёрдости приближается к алмазу. Самые мягкие — металлы главной подгруппы I группы (IA группы) Периодической системы Д. И. Менделеева — щелочные металлы. Например, натрий и калий легко режутся ножом.

По плотности металлы делят на лёгкие (плотность меньше 5 г/см3) и тяжёлые (плотность больше 5 г/см3). К лёгким относят щелочные, щёлочноземельные металлы и алюминий. Из переходных металлов сюда включают скандий, иттрий и титан. Эти металлы, благодаря лёгкости и тугоплавкости, всё шире применяют в различных областях техники.

Самый лёгкий металл — это литий (р = 0,53 г/см3). Самый тяжёлый — осмий (р = 22,6 г/см3).

Лёгкие металлы обычно легкоплавки, галлий может плавиться уже на ладони руки, а тяжёлые металлы — тугоплавки. Наибольшей температурой плавления, которая равна 3380 °С, обладает вольфрам. Это свойство вольфрама используют для изготовления ламп накаливания (рис. 29, 2). Кроме него в конструкцию лампы входят ещё семь металлов.

В Российской Федерации в настоящее время, как и ранее в Евросоюзе и США, на государственном уровне принято решение о замене привычных ламп накаливания на более экономичные и долговечные современные лампы, например галогенные, люминесцентные и светодиодные. Галогенная лампа (рис. 29, 2) — это та же лампа накаливания с вольфрамовой нитью, заполненная инертными газами с добавкой паров галогенов (брома или иода).

Люминесцентные (рис. 29, 3) — это хорошо знакомые вам лампы дневного света, имеющие один существенный недостаток — они содержат ртуть, а потому нуждаются в соблюдении особых правил утилизации на специальных пунктах приёма. Светодиодные лампы (рис. 29, 4) — самые экономичные и самые долговечные (срок работы до 100 тыс. ч), но пока и самые дорогие из ламп.

В технике, как вы уже знаете, металлы делят на чёрные (железо и его сплавы) и цветные (все остальные, более подробно о них будет рассказано в следующем параграфе) (рис. 30). Золото, серебро, платину и некоторые другие металлы относят к драгоценным металлам (рис. 31). 1

1. Обратитесь к электронному приложению. Изучите материал урока и выполните предложенные задания.

1. Назовите самый легкоплавкий металл.

2. Какие физические свойства металлов используют в технике?

3. Фотоэффект, т. е. свойство металлов испускать электроны под действием лучей света, характерен для щелочных металлов, например для цезия. Почему? Где это свойство находит применение?

4. Какие физические свойства вольфрама лежат в основе его применения в лампах накаливания?

5. Какие свойства металлов лежат в основе образных литературных выражений: «серебряный иней», «золотая заря», «свинцовые тучи»?

Читайте также: