Сплавы металлов таблица по химии 9 класс

Обновлено: 16.05.2024

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.

§ 10. Сплавы

При плавлении металлы обычно смешиваются, образуя сплавы.

Ещё в глубокой древности люди заметили, что в большинстве случаев сплавы обладают другими, нередко более полезными для человека свойствами, чем составляющие их чистые металлы. Как вы уже знаете, у бронзы, например, прочность выше, чем у составляющих её меди и олова. Сталь и чугун прочнее технически чистого железа. Поэтому в чистом виде металлы используют редко. Значительно чаще применяют их сплавы. Известно немногим более 80 металлов, но из них получены десятки тысяч различных сплавов.

Помимо большей прочности многие сплавы обладают большей коррозионной стойкостью и твёрдостью, лучшими литейными свойствами, чем чистые металлы. Так, чистая медь очень плохо поддаётся литью, из неё трудно получить отливки, и в то же время оловянная бронза — сплав меди и олова — имеет прекрасные литейные свойства: из неё отливают художественные изделия, требующие тонкой проработки деталей. Чугун — сплав железа с углеродом — также великолепный литейный материал. Чистый алюминий — очень мягкий металл, сравнительно непрочный на разрыв. Но сплав, состоящий из алюминия, магния, марганца, меди и никеля, называемый дюралюминием, в четыре раза прочнее алюминия на разрыв.

Помимо более высоких механических качеств сплавам присущи свойства, которых нет у чистых металлов. Примерами могут служить получаемая на основе железа нержавеющая сталь — материал с высокой коррозионной стойкостью даже в агрессивных средах и с высокой жаропрочностью, магнитные материалы, сплавы с высоким электрическим сопротивлением, с малым коэффициентом термического расширения.

Сплавы — это материалы с металлической кристаллической решеткой, обладающие характерными свойствами и состоящие из двух и более компонентов.

Компонентами сплавов могут быть и неметаллы, и соединения.

По состоянию компонентов сплавы могут быть однородными, когда при сплавлении образуется как бы раствор одного металла в другом, например сплавы меди и олова, золота и серебра, и неоднородными, например чугун, представляющий собой механическую смесь железа и углерода.

Сплавы классифицируют по-разному, в зависимости от того, какой признак взят за основу. Чаще всего сплавы подразделяют по составу. Например, выделяют медные, алюминиевые, никелевые, титановые и другие сплавы.

Есть группы сплавов, носящие общие названия: бронзы, латуни и др. Иногда в названии сплава отмечают особо ценные компоненты: бериллиевые бронзы, вольфрамовая сталь и др.

В металлургии железо и все его сплавы выделяют в одну группу под названием чёрные металлы, остальные металлы и их сплавы имеют техническое название цветные металлы.

Подавляющее большинство железных (или чёрных) сплавов содержит углерод. Их разделяют на чугуны и стали.

Чугун — сплав на основе железа, содержащий от 2 до 4,5% углерода, а также марганец, кремний, фосфор и серу. Чугун значительно твёрже железа, обычно он очень хрупкий, не куётся, а при ударе разбивается. Этот сплав применяют для изготовления различных массивных деталей методом литья, так называемый литейный чугун, и для переработки в сталь — передельный чугун.

В зависимости от состояния углерода в сплаве различают серый и белый чугун (табл. 4).

Таблица 4
Виды и свойства чугуна

Сталь — сплав на основе железа, содержащий менее 2% углерода. По химическому составу стали разделяют на два основных вида: углеродистая и легированная.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа главным образом с углеродом, но, в отличие от чугуна, содержание в ней углерода, а также марганца, кремния, фосфора и серы гораздо меньше. В зависимости от количества углерода стали подразделяют на мягкие (содержание углерода не превышает 0,3%), средней твёрдости (углерода несколько больше, чем в мягких) и твёрдые (углерода может быть до 2%). Из стали мягкой и средней твёрдости делают детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки и т. д., а из твёрдой — различные инструменты и посуду.

Легированная сталь — это тоже сплав железа с углеродом, только в него введены специальные, легирующие добавки: хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий и др.

Легирующие добавки придают сплаву особые качества. Так, хромоникелевые стали очень пластичные, прочные, жаростойкие, кислотоупорные, устойчивые против коррозии (ржавления). Их применяют в строительстве (например, облицовка колонн станции «Маяковская» московского метро выполнена из хромоникелевой стали (рис. 32)), а также для изготовления нержавеющих предметов домашнего обихода (ножей, вилок, ложек), всевозможных медицинских и других инструментов.

Рис. 32.
Станция метро «Маяковская», облицовка колонн которой выполнена из хромоникелевой стали

Хромомолибденовые и хромованадиевые стали очень твёрдые, прочные и жаростойкие. Их используют для изготовления трубопроводов, компрессоров, двигателей и многих других деталей машин современной техники. Хромовольфрамовые стали сохраняют большую твёрдость при очень высоких температурах. Они служат конструкционным материалом для быстрорежущих инструментов.

Свойства некоторых легированных сталей и области их применения представлены в таблице 5.

Таблица 5
Свойства некоторых легированных сталей и их применение

Презентация по химии на тему "Сплавы металлов" (9 класс)

СПЛАВЫ
Это материалы с характерными свойствами, состоящие из двух и более компонентов, из которых по крайней мере один – металл.
Системы, состоящие из двух или более металлов и неметаллов, обладают характерными свойствами металлов.

СПЛАВЫ
По состоянию компонентов:
Однородные
Неоднородные
По составу:
Медные
Алюминиевые
Никелевые
Титановые

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
(ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Чугун(Fe, C – 2- 4,5%, Mn, Si, P, S)
Литейный (изготовление различных массивных деталей методом литья)
Передельный (для переработки в сталь)

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
(ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Чугун:
Серый (С – 1,7-4,3%, Si – 1,25-4%, до 1,5% Mn) мягкий
Белый (С – 1,7-4,3%, Si – очень мало, более 4% Mn) твердый, хрупкий

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
(ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Сталь (Fe, менее 2% С):
Углеродистая
Легированная

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
(ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Углеродистая сталь (Fe, C, Mn, Si, P, S):
мягкая (детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки)
средней твердости (детали машин, трубы, болты, гвозди, скрепки)
твердая (инструменты)

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
(ЧЁРНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Легированная сталь (Fe, C + легирующие добавки: Cr, Ni, W, Mo, V): строительство, нержавеющие предметы домашнего обихода, медицинские инструменты, двигатели…)

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
Феррит – содержит небольшое количество углерода (до 0,04 %) и других примесей в железе. Практически это чистое железо. Обладает ценными магнитными и полупроводниковыми свойствами.

СПЛАВЫ ЖЕЛЕЗА
Цементит – железоуглеродистый сплав (карбид железа). Очень твёрд и хрупок.

СПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ
(ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Бронза (Cu, до 20% Sn): машиностроение, художественное литьё

СПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ
(ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Латунь (Cu, 10-50 % Zn): моторостроение, художественные изделия

СПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ
(ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Мельхиор (80% Cu, 20% Ni): столовые приборы, художественные изделия

СПЛАВЫ МЕТАЛЛОВ
(ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ)
Дюралюминий (Al, Cu, Mg, Mn, Ni): самолетостроение, машиностроение

Сплавы золота и их имитация

СПЛАВЫ
Голдин - сплав меди и алюминия.
Симилор - сплав меди (83,7 %), цинка (9,3 %), олова (7 %), желтого цвета.
Штеррометалл - сплав латуни.
Томпак - сплав меди (90 %) и цинка (10 %), может быть и другое соотношение.
Оротон - торговое название похожего на томпак сплава.
Хризокалък или золотая бронза - сплав меди (95- 98 %), цинка (2-5 %). Может быть другого сплава.
Башбронза - бронза с содержанием 6 % олова, годится для позолоты.
Алюминиевая бронза - сплав меди и алюминия (9: 1). Английское название ауфин, аурал, ауфор; - французское название позолоченного на огне серебра.
Гамильтонметалл (хризорин) - сплав меди (66,7 %), цинка (33, 3 %). Хорошо подходит для золочения.
Поликсен - название природной платины с другими металлами.
Платинин - название сплава платины (67 %) и серебра (33 %).
Плакарт - сплав внешне похож на платину, состоит из палладия (78 %), золота (15 %) и серебра (7 %).
Белъгика - сплав, имитирующий платину, состоит из железа (74,5 %), хрома (16,6%) и никеля (8,9 %).
Дюраметалл - сплав меди, цинка и алюминия.
Платинор - сплав, состоящий из меди (57 %), платины (18 %), серебра (10 %), никеля (9 %) и цинка (6 %). Отличается красивым золотистым цветом.
Платиновая бронза - сплав никеля и олова с небольшим добавлением платины, иногда добавляют серебро.
Штеллит - сплав хрома и кобальта, похож на платину.

Виды сплавов в химии и способы их использования

В процессе сплавления металлы изменяют свои физико-химические свойства. Этими знаниями люди обладают с давних времен. К примеру, 5 тысяч лет назад наши предки освоили технологию изготовления бронзы, которая заключается в сплаве олова и меди. В результате полученный бронзовый сплав приобретает большую твердость по сравнению с теми металлами, которые входят в его состав.

Чистые металлы не обладают нужными свойствами. В связи с этим практически во всех сферах хозяйственной деятельности применяют их сплавы. Такой материал является результатом затвердения двух или более расплавленных веществ.

Сплав — является макроскопически однородной смесью металлов, в состав которой входит два и более химических элементов с преобладанием металлических компонентов.

основа в виде одного или более металлов;
малые примеси из легирующих и модифицирующих компонентов.

В процессе получения из материала удаляют следующие примеси:

природные;
технологические;
случайные.

Сплавы часто применяют в качестве конструкционных материалов. Особым спросом пользуются соединения, в основу которых входят железо и алюминий. В технической отрасли используется свыше 5 тысяч сплавов.

Кроме металлов, сплав может включать в состав вещества, которые являются неметаллами. В качестве примера можно привести углерод и кремний. Путем смешивания металлов и неметаллов в определенных соотношениях получают множество материалов, обладающих неодинаковыми эксплуатационными качествами и полезными свойствами.

Отличия сплава от начальных компонентов могут заключаться в следующих характеристиках:

большая механическая прочность и твердость;
повышенная или пониженная температура плавления;
устойчивость к коррозийным процессам;
стабильность при высокотемпературном воздействии;
сохранение формы и размеров во время нагрева или охлаждения.

К примеру, железо в чистом виде является достаточно мягким металлом. Если в расплав железа добавить углерод, то его твердость значительно увеличивается. В зависимости от концентрации углерода различают следующие сплавы железа:

сталь (меньше 2,7% углерода от общей массы);
чугун (более 2,7% углерода в общей массе).

Свойства стали меняют не только путем добавления углерода. С помощью примесей хрома повышают устойчивость стали к коррозии. За счет вольфрама увеличивается твердость материала, благодаря марганцу, сталь становится устойчивой к износу, ванадий повышает прочность сплава.

Классификация сплавов, какие бывают разновидности

В зависимости от метода получения сплавы бывают:

Литые сплавы являются продуктом кристаллизации расплавленных компонентов в смеси. Порошковые сплавы получают в процессе прессования порошкового состава, который затем спекают в условиях высокой температуры. В данном случае составными компонентами могут являться простые вещества и сложные соединения, измельченные в порошок, к примеру, карбиды вольфрама или титана.

Исходя из технологии получения заготовки (изделия), сплавы классифицируют на следующие виды:

литейные (к примеру, чугуны, силумины);
деформируемые (например, стали);
порошковые сплавы.

Сплавы в твердом агрегатном состоянии бывают таких типов, как:

гомогенные (однородные, однофазные — состоят из кристаллитов одного типа);
гетерогенные (неоднородные, многофазные).

Роль основы сплава играет твердый раствор, то есть матричная фаза. Фазовый состав гетерогенного сплава определяется его химическим составом. Составными компонентами могут быть следующие материалы:

твердые растворы внедрения;
твердые растворы замещения;
химические соединения (включая карбиды, нитриды, интерметаллиды);
кристаллиты простых веществ.

Примеры решения задач по сплавам

Одним из способов решения задач по химии на сплавы является использование стандартного алгоритма:

Составление таблицы, в которой требуется указать общую и чистую массы каждого компонента. Как правило, данная информация представлена в условии задания. Неизвестные величины принято обозначать за х и у .
Запись системы уравнений. В процессе соединения сплавов их массы суммируют. Необходимо учитывать общую массу исходных сплавов и чистую массу каждого вещества, которые входят в их состав. Записанную систему требуется решить.
Когда система решена, и неизвестные найдены, следует обратиться к условиям задачи и записать корректно ответ.

Данный способ решения задачи можно рассмотреть на практических примерах.

Предположим, что имеется определенное количество бронзы, которая состоит из меди и олова в разных соотношениях. В одном бронзовом куске 1/12 часть олова. Его сплавили с другим куском, который содержит 1/10 часть олова. В результате получен сплав, содержащий 1/11 часть олова. Требуется определить вес второго куска, если известно, что вес первого составляет 84 к г .

В первую очередь необходимо составить таблицу, обозначив за х массу второго куска:

Далее следует перейти к составлению системы уравнений. Согласно условиям задачи, третий сплав состоит из 1/11 части олова. Таким образом, масса чистого вещества равна:

1 / 12 * 84 + 1 / 10 * х = 1 / 11 * ( 84 + х )

7 + х / 10 = 84 / 11 + х / 11

х / 10 – х / 11 = 7 / 11

По заданию требовалось вычислить вес второго куска. Он равен 70 кг. Можно записать ответ.

Допустим, что имеются два сплава меди со свинцом. Первый сплав состоит на 15% из меди, а второй — на 65% из меди. Нужно вычислить массу каждого сплава, которые необходимы для получения 200 г сплава, состоящего на 30% из меди.

Первым шагом является составление таблицы. Предположим, что первый сплав по массе равен х, а второй — у. Остальную информацию можно взять из условий задачи:

Согласно условиям задания, третий сплав обладает массой 200 г . Таким образом:

Концентрация меди в третьем сплаве равна 30%. Масса чистого вещества составит:

Далее следует составить уравнение с использованием массы чистого вещества из таблицы:

0 , 15 х + 0 , 65 у = 0 , 3 ( х + у )

Затем можно решить систему уравнений:

0 , 15 ( 200 – у ) + 0 , 65 у = 0 , 3 * 200

30 – 0 , 15 у + 0 , 65 у = 60

По заданию требовалось рассчитать массы первого и второго сплава. Запишем ответ.

Ответ: 140 г и 60 г .

Первый сплав содержит 70% меди. Второй сплав состоит из меди на 40%. Требуется определить соотношения сплавов, необходимых для получения нового сплава, который содержит 50% меди.

Обозначив за х массу первого сплава, массу второго сплава приняв за у , можно составить таблицу:

Так как содержание меди в третьем сплаве равно 50%, масса чистого вещества составит:

Данное уравнение можно приравнять с массой чистого вещества в составе третьего сплава. Информация представлена в таблице. Таким образом:

0 , 7 х + 0 , 4 у = 0 , 5 ( х + у )

0 , 7 х + 0 , 4 у = 0 , 5 х + 0 , 5 у

По заданию необходимо рассчитать отношение первого и второго сплавов в третьем сплаве.

Задачи на сплавы можно решать без составления таблицы. При этом также требуется обозначить неизвестные величины за х и у , чтобы составить и решить с их помощью системы уравнений. В качестве примера рассмотрим несколько типичных задач.

Есть два сплава, в состав которых входят серебро и медь. Первый сплав включает в состав 10% серебра. Второй сплав на 25% состоит из серебра. Требуется рассчитать, сколько килограмм второго сплава потребуется соединить с 10 к г первого сплава для получения сплава, содержащего 20% серебра.

Буквой х можно обозначить массу второго сплава, которую требуется найти. За у можно принять массу полученного сплава. Масса серебра в первом сплаве:

10 % · 10 к г = 0 , 1 · 10 к г = 1 к г

Масса серебра во втором сплаве:

25 % · x = 0 , 25 x

Масса серебра в полученном сплаве:

Таким образом, получена система уравнений для поиска х:

10 + x = y 1 + 0 , 25 x = 0 , 2 y ⇒ 10 + x = y 1 + 0 , 25 y = 0 , 2 ( 10 + x ) ⇒ ⇒ 10 + x = y 1 + 0 , 25 x = 2 + 0 , 2 x ⇒ 10 + x = y 0 , 25 x - 0 , 2 x = 2 - 1 ⇒ 10 + x = y 0 , 05 x = 1 ⇒ y = 30 x = 20

В результате при добавлении 10 кг 10% сплава, 20 кг 25% сплава получается 30 кг 20% сплава.

Дано два сплава. Первый сплав состоит на 10% из никеля. Содержание никеля во втором сплаве равно 30%. Данные сплавы используют для получения третьего сплава, масса которого составляет 200 кг. Содержание никеля в третьем сплаве равно 25%. Необходимо вычислить разницу между массами первого сплава и второго сплава.

Согласно условиям задания:

m 1 + 3 m 1 = 200

Масса первого сплава меньше, чем масса второго на 100 кг.

Содержание меди в первом сплаве равно 10%. Второй сплав на 40% состоит из меди. Второй сплав тяжелее, чем первый на 3 кг. Данные сплавы использовали для получения третьего сплава с содержанием меди 30%. Требуется определить массу третьего сплава.

Величину m 2 можно заменить на:

10 20 = m 1 m 1 + 3

1 2 = m 1 m 1 + 3

Третий сплав по массе равен:

m 3 = m 1 + m 2 = 9 .

Способы использования сплавов

Свойства, которые характерны для металлов и сплавов, определяются структурой материалов, то есть кристаллической структурой фаз и микроструктурой. Макроскопические свойства сплавов зависят от микроструктуры и в любом случае отличны от свойств их фаз, которые в свою очередь определяются лишь кристаллической структурой.

Макроскопическая однородность многофазных (гетерогенных) сплавов обеспечена равномерным распределением фаз в металлической матрице. Сплавы способны проявлять свойства металлов, к примеру:

электропроводность;
теплопроводность;
отражательную способность в виде металлического блеска;
пластичность.

Самой важной характеристикой сплавов является свариваемость.

Классификация сплавов в зависимости от назначения:

конструкционные;
инструментальные;
специальные.

В числе конструкционных следующие сплавы:

Конструкционные сплавы могут иметь особые свойства, в том числе искробезопасность, антифрикционные свойства. К таким материалам относят:

Подшипники заливают из баббита. В изготовлении измерительных и электронагревательных приборов применяют манганин и нихром. Режущие инструменты производят из победита. Широкое применение в промышленности нашли следующие виды сплавов:

жаропрочные;
легкоплавкие;
коррозионностойкие;
термоэлектрические;
магнитные;
аморфные.

К прочности и простоте обработки сплавов, которые используют при изготовлении конструкций, предъявляют высокие требования. В сферах строительства и машиностроения активно применяют сплавы железа и алюминия. Сталь отличается высокими прочностными характеристиками и хорошей твердостью. Материал легко подвергается таким обработкам, как:

Из чугунов изготавливают массивные и высокопрочные детали. К примеру, в прошлом чугун использовали для отливки радиаторов центрального отопления, канализационных трубопроводов. В настоящее время сплав применяют в производстве котлов, перил, мостовых опор. Чугунные изделия получают литьем.

Алюминиевые сплавы для производства конструкций обладают не только прочностью, но и легким весом. Дюралюминий и силумин применяют в сборке самолетов, вагонов, судоходного транспорта. Для изготовления определенных узлов авиатранспорта подходят легкие и устойчивые к высоким температурам сплавы магния.

В ракетостроении используют титановые сплавы, которые обладают необходимой легкостью и термостойкостью. С целью повышения ударопрочности, стойкости к износу и коррозии сплавы легируют, то есть добавляют к ним особые модификаторы. Например, марганец повышает механическую прочность стали. Сделать сталь нержавеющей можно путем введения в сплав хрома.

Инструментальные сплавы используют в производстве:

режущих инструментов;
штампов;
деталей точных механизмов.

Инструментальные сплавы отличаются высокой износоустойчивостью и механической прочностью. При высокотемпературном воздействии такие материалы сохраняют стабильность прочностных характеристик. В качестве примера можно привести нержавеющие стали, которые подвергают специальной обработке, то есть закаляют.

Процесс, когда к сплавам добавляют модификаторы, называют легированием. Инструментальные стали обычно легируют с помощью следующих добавок:

Сплавы являются незаменимым ресурсом в производстве приборов с высокой точностью и чувствительностью. Материалы используют для изготовления разных датчиков и преобразователей энергии. К примеру, сердечники трансформаторов и деталей реле производят из никелевых сплавов. Некоторые компоненты электродвигателей состоят из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом называют нихромом. Материал обладает высоким сопротивлением, что является полезным свойством для нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов. Медные сплавы, в том числе, латунь и бронза, нашли широкое применение в электротехнике и приборостроении.

Из латуни производят приборы с запорными кранами. Подобные устройства используют в сборке систем газоснабжения и водоснабжения. Бронзы необходимы для производства пружин и пружинящих контактов.

Легкоплавкие сплавы отличаются низкой температурой плавления. Данное свойство является полезным в процессе пайки микросхем. Легкоплавкие материалы соответствуют строгим требованиям к плотности, прочности на разрыв, химической инертности, теплопроводности. Такие сплавы получают из следующих металлов:

Легкоплавкие сплавы используют в производстве термодатчиков, термометров, пожарной сигнализации. В качестве примера можно привести сплав Вуда. Материалы нашли широкое применение в литейном деле для выплавки моделей, фиксации костей и протезирования в медицине. Сплав натрия с калием применяют в качестве теплоносителя для охлаждения ядерных реакторов.

Чистые драгоценные металлы редко подходят для изготовления ювелирных украшений. Это связано с их высокой стоимостью, специфическими свойствами. Придать изделиям из золота большую твердость и износоустойчивость позволяет сплав с другими металлами. Поэтому, например, помощью серебра снижают температуру плавления, а медь повышает твердость материала.

Характеристика физических и химических свойств металлов

Занимая в таблице Менделеева I-II группы, а также побочные подгруппы III-VIII групп, атомы металлов способны отдавать валентные электроны, тем самым окисляться. По группе сверху вниз число электронных слоев увеличивается, радиус атомов растет, как и способность отдавать электроны (металлические свойства атомов). В периодах слева направо радиус атомов уменьшается, металлические свойства снижаются. Поэтому самыми активными металлами в периодах являются металлы I-II групп.

Физические и химические свойства металлов

Своими физическими, как и химическими, свойствами металлы обязаны строению кристаллической решетки. Она состоит из положительно заряженных ионов, которые постоянно колеблются вокруг определенного положения равновесия. Кроме того, имеются свободные электроны, которые перемещаются по всему объему. Именно благодаря им, для металлов характерны следующие свойства: металлический блеск, ковкость, пластичность, тепло- и электропроводность.

Из металлов изготавливают детали и инструменты, корпуса машин, зеркала, бытовую и промышленную химию.

Такое широкое применение на практике металлы нашли благодаря своим особым свойствам:

Пластичность. Могут легко менять свою форму в нужном направлении, от вытягивания в проволоку до прокатывания в листы.
Характерный блеск и отсутствие прозрачности. Объяснение этому свойству кроется во взаимодействии электронов с падающим на поверхность светом.
Электропроводность. При появлении разности потенциалов движение свободных электронов становится направленным: от отрицательного полюса к положительному. Электропроводность металлов уменьшается с повышением температуры. Происходит это по причине усиления интенсивности колебаний атомов и ионов в узлах кристаллической решетки, что значительно затрудняет осуществление направленного движения частиц.
Теплопроводность. Свободные электроны очень подвижны. Поэтому наблюдается быстрое выравнивание температуры по всей массе металлического тела. Наибольшей теплопроводностью обладают висмут и ртуть.
Твердость. Благодаря такому свойству, металлы нашли применение для изготовления режущих инструментов. Самым твердым металлом является хром, самыми мягкими являются металлы щелочной группы (рубидий, цезий, калий, натрий, литий). Их можно резать обычным ножом. Твердость металла можно определить по специальной шкале Мооса, для металлов эта характеристика находится в интервале от 0,2 до 6,0.
Плотность. Значение плотности зависит от массы и радиуса атома. Самым легким является литий, самым тяжелым — осмий. Для сравнения, их плотность равна 0 , 53 г / с м 3 и 22 , 6 г / с м 3 соответственно. Если плотность металла менее 5 г / с м 3 , то он относится к группе легких.
Температура плавления. Существует металлы легкоплавкие, к примеру, ртуть, и тугоплавкие, например, вольфрам. В целом, те металлы, которые имеют температуру плавления более 1000 о С , отнесены к тугоплавким. Те, для которых она ниже, считаются низкоплавкими.

Подробное описание механических свойств

Механические свойства металлов не определяются расчетным путем. Для них существуют специальные экспериментальные процедуры, в ходе которых проверяется степень деформации, характер прочности, способность к пластичности и т.д.

К основным механическим свойствам относят:

Прочность. Когда говорят, что металл прочен, понимают, что под действием механических факторов он способен сохранять свою кристаллическую структуру. Среди таких факторов числятся: статические (нагрузка в статике), динамические (нагрузка в движении), ударные. Чем выше прочность испытуемого металла, тем конструкция из него будет долговечнее. Это особенно важно в отраслях промышленности, изготавливающих оборудование для использования в жизни людей.
Пластичность. В нуждах производства либо быта часто нужна металлическая пластичность. Это способность металла либо сплавов с его участием изменять свою геометрию, увеличиваться либо уменьшаться в объеме. Такое видоизменение не должно разрушить нормальную кристаллическую решетку.
Твердость. Металлические конструкции почти невозможно повредить либо изменить руками. И все же ощущения от надавливания на алюминий либо железо будут различными. Испытать твердость можно с помощью прибора Бриннеля (как вариант, изобретения Ровелла). Прибор Бриннеля подразумевает определение твердости путем вдавливания в образец металла шара сильной закалки. В изобретении Ровелла используется алмазная пирамида.

Размер следа, возникшего при давлении, позволяет установить твердость исследуемого состава.

Важно обратить внимание на то, что понятие «прочность» не является синонимом «твердости». Не редки варианты, когда твердые предметы являются хрупкими.

Ударная вязкость. Свойство свидетельствует о способности тела противостоять ударам. Единицей измерения является джоуль на с м 3 .
Упругость. На твердое тело могут воздействовать различные силы, в т.ч. вызывающие его деформацию. Упругие материалы способны по окончании воздействия силы восстанавливать свою форму. Это также можно объяснить особенностями строения кристаллической решетки.

К механическим свойствам металлов, например, железа, практики относят также такие характеристики, как наличие надежности, долговечности, практичности, живучести.

Эксплуатационные характеристики

Кроме общих физических свойств, металлы обладают такой особенностью, как эксплуатационные характеристики. Под этим понятием понимается показатель, демонстрирующий надежность, долговечность и практичность детали, конструкции, изготовленной из металла либо его сплава. Такой показатель формируется на основании обобщения результатов технических испытаний, разнопрофильных замеров.

К такой категории показателей относят жаропрочность, хладостойкость, стойкость к коррозии, антифрикционные характеристики, циклическая вязкость и т.п.

Под «износостойкостью» понимают способность материала, из которого изготовлены различные конструкции, противостоять абразивному износу, в т.ч. при наличии процессов трения поверхностей деталей (инструментов) при работе.

Группа металлов с циклической вязкостью способны выдерживать знакопеременные динамические давления. При этом они не разрушаются. Детали, изготовленные из таких металлов, — идеальный вариант для изготовления рессор автомобилей, пружин различных вариаций. Детали, изготовленные из металлов с циклической вязкостью, способны функционировать в неблагоприятных условиях длительные отрезки времени.

Определение понятия «Демпфирование» гласит, что металл способен гасить колебания, рассеивать их, а также противостоять направленным нагрузкам. К таким материалам относят серые литейные чугуны. Они годны для изготовления станин станков, кронштейнов и т.п.

Одной из общих эксплуатационных характеристик является жаропрочность. Краткое описание сводится к способности материалов выдерживать серьезные механические нагрузки, особенно при высоких температурах. Показатель жаропрочности определяется тугоплавкостью химических веществ. Для современных двигателей такая характеристика очень важна. В ходе самого процесса происходит ослабление химических связей, поэтому снижаются упругость, вязкость, твердость. В результате этого деталь постепенно приходит в негодность. Если в не жаропрочные углеродистые стали добавить в определенных количествах алюминий (магний, титан), они повысят жаропрочность до 600оС. Если же в состав материала вводить никель (кобальт), он будет устойчив вплоть до 1000оС.

Жаростойкость характеризует способность металла не подвергаться коррозии. Насколько велика жаростойкость, можно определить по глубине коррозии. Высокой устойчивостью обладают легированные стали, чугуны, сплавы с хромом, никелем, вольфрамом, ванадием. Эти элементы проявляют жаростойкость при 800-1000оС и выше.

Хладностойкость показывает, насколько материал может сохранить вязкость при отрицательных температурах.

Антифрикционность является свойством, показывающим, насколько материал способен снизить трение между соприкасающимися поверхностями в механизмах и деталях. Антифрикционные материалы используют для изготовления подшипников для различных механизмов.

Прирабатываемость — возможность конструкций, изготовленных из определенных материалов, «подстраиваться» в рабочем процессе, например, увеличивать площадь соприкосновения, уменьшать температуру поверхности или давление на нее.

Таблица, примеры

Физические свойства металлов изучались давно и серьезно. Сегодня существуют различные таблицы, содержащие обобщенные данные о химических свойствах, механических и эксплуатационных характеристиках. Например, в электрохимическом ряду напряжения металлов они расположены в порядке уменьшения своей восстановительной способности.

Прочие свойства металлов отражены в таблице.

ρ > 5000 к г / м 3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os

Самый легкий металл — литий:

ρ = 530 к г / м 3 ;

самый тяжелый — осмий:

ρ = 22600 к г / м 3

Твердость некоторых металлов по шкале Мооса:

Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na

самый твердый металл — Cr (режет стекло)

Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe

В ряду наблюдается уменьшение пластичности

Из пластичного золота можно изготовить фольгу толщиной

Тпл > 1000°С – тугоплавкие металлы: Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W;

Самая низкая температура плавления у ртути — 39°С,

самая высокая — у вольфрама — 3410°С

Ag, Cu, Au, Al, W, Fe

В ряду наблюдается уменьшение теплопроводности

В ряду наблюдается уменьшение электропроводности

Существуют таблицы, которые связывают общие физические свойства и электронное строение их атомов, а также положение в таблице Д.И.Менделеева.

Читайте также: