Основные свойства металлов и сплавов

Металлы в твердом и отчасти в жидком состоянии обладают рядом характерных свойств: высокой теплопроводностью и электрической проводимостью; положительным температурным коэффициентом электрического сопротивления. Большое число металлов обладает сверхпроводимостью (у этих металлов при температуре, близкой к абсолютному нулю, электрическое сопротивление падает скачкообразно, практически до нуля); термоэлектронной эмиссией, т.е. способностью испускать электроны при нагреве; хорошей отражательной способностью: металлы непрозрачны и обладают металлическим блеском; повышенной способностью к пластической деформации.

Наличие этих свойств характеризует так называемое металлическое состояние веществ, обусловленное наличием металлической связи и кристаллическим строением решетки.

Свойства металлов и сплавов можно разделить на физические, механические, химические, технологические и эксплуатационные.

К физическим свойствам относятся цвет, плотность, температура плавления, электро- и теплопроводность, магнитные свойства, теплоемкость, расширение и сжатие при нагревании, охлаждении и фазовых превращениях; к химическим – окисляемость, растворимость, коррозионная стойкость, жароупорность; к механическим – прочность, твердость, упругость, вязкость, пластичность, хрупкость; к технологическим – прокаливаемость, жидкотекучесть, ковкость, свариваемость, обрабатываемость резанием.

Физические свойства

В авиа-, авто- и вагоностроении масса деталей часто является одной из важнейших характеристик. Поэтому сплавы титана, магния и алюминия здесь особенно важны.

Способность плавиться при нагревании используют для получения отливок путем заливки расплавленного металла в формы. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляются в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографских матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров и т.д. Примером легкоплавких сплавов может служить сталь Вуда.

Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линей электропередачи, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов.

Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении и приборостроении.

Теплопроводность металлов дает возможность равномерно нагревать для литья, обработки давлением, термической обработки, обеспечить пайку и сварку металлов.

Механические свойства. Первым требованием, предъявляемым ко всякому изделию, является достаточная прочность.

Прочность – способность материала сопротивляться разрушению и появлению остаточных деформаций под действием внешних сил.

Твердостью называется сопротивление материала деформации в поверхностном слое при местном силовом контактном воздействии.

Упругость – свойство материала восстанавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывающих деформацию.

Вязкостью материала называют его способность поглощать механическую энергию и при этом проявлять значительную пластичность вплоть до разрушения.

Пластичность металлов дает возможность обрабатывать их давлением (ковать, прокатывать, волочить).

Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в агрессивных средах. К химическим свойствам относится также способность к химическому взаимодействию с активными средами и жароупорность.

Технологические свойства. Эти свойства важны при тех или иных видах обработки.

Эксплуатационные свойства. Многие изделия кроме общей прочности должны обладать еще особыми свойствами, характерными для работы данного изделия, например, материалы с особыми упругими свойствами для изготовления пружин, сплавы с малым или заданным коэффициентом теплового расширения для изготовления различных приборов.

Остановимся более подробно на изучении механических свойств, упругой и пластической деформации, механизме их возникновения и методах исследования механических свойств.

Наличие металлической связи придает материалу способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пластической деформации. Поэтому при наличии дефекта в материале возникают концентраторы напряжений и напряжения достигают такой величины, что может возникнуть трещина. Однако из-за высокой пластичности металл пластически продеформируется, упрочнится и процесс разрушения приостановится. У неметаллов этого не наблюдается. При достижении напряжением критической величины произойдет разрушение. Этим обстоятельством и обусловлено то, что металлы являются надежными конструкционными материалами, способными выдерживать большие степени нагружения.

Напряжение и деформация