1. Классификация и свойства металлов и сплавов

Металлами называют непрозрачные кристаллические вещества, обладающие прочностью, пластичностью, тепло- и электропроводностью, блеском и другими характерными свойствами, которые обусловлены наличием в их кристаллической решетке большого числа свободных электронов. В нормальных условиях они являются твердыми веществами, исключая ртуть, температура плавления которой минус 39 С.

Чистые металлы в большинстве случаев не обеспечивают необходимого комплекса свойств и поэтому применяются редко. В большинстве случаев в технике используют сплавы, количество которых превышает 10 тысяч наименований.

Металлические сплавы – материалы, состоящие из двух или более компонентов и обладающие свойствами, характерными для металлов. Сплавы создаются в результате расплавления, спекания исходных компонентов и другими методами.

Механические свойства металлов и сплавов

Прочность – это способность материала сопротивляться воздействию внешних сил, не разрушаясь. Прочность оценивается величиной предела прочности при растяжении:

, где

P – сила в ньютонах (Н), при которой образец материала разрушается;

F – площадь поперечного сечения испытуемого стандартного образца (м²). Значение предела прочности определяется в Па или МПа.

Твердость – это способность материала сопротивляться царапанию или вдавливанию в него какого-либо тела. Существуют обоснованные методы определения твердости для металлов: метод Бринелля (вдавливанием стального шарика) и метод Роквелла (вдавливанием конусообразной алмазной пирамиды). Число твердости определяют по специальным таблицам и обозначают соответственно HB и HRC. Твердость по Бринеллю определяется как частное от деления нагрузки (Р) при вдавливании на площадь сферического отпечатка (f), диаметр которого измеряется после снятия нагрузки:

Чем меньше диаметр отпечатка, тем тверже металл.

Упругость – это способность материала изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил. Отношение нагрузки, при которой у образца появляются остаточные удлинения, к площади его поперечного сечения называется пределом упругости. Предел упругости измеряется в МПа. Сталь имеет предел упругости около 30 МПа, а свинец, почти не обладающий упругостью, всего 0,25 МПа.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться динамическим нагрузкам. Определяется как отношение затраченной на излом образца работы W (МДж) к площади его поперечного сечения F (м²) в месте надреза. Для испытания изготавливают специальные стандартные образцы, имеющие форму квадратных брусочков с разрезом. Испытывают образец на маятниковых копрах. Свободно падающий маятник копра ударяет по образцу со стороны, противоположной надрезу. При этом фиксируется работа, затрачиваемая на излом.

Пластичность – это способность материала, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму и сохранять измененную форму после прекращения действия сил. Свинец, например, является одним из наиболее пластичных металлов. Мерой пластичности может служить относительное удлинение. Эта величина измеряется в процентах от первоначальной длины образца при испытании на растяжение.

Хрупкость – это способность материала под действием внешних сил не изменять или почти не изменять своей формы, но быстро разрушаться.

Химические свойства металлов определяются способностью их атомов легко отдавать валентные электроны и переходить в состояние положительно заряженных ионов. Указанное свойство определяет особенности химического взаимодействия металлов и сплавов с агрессивными средами. Химические свойства металлов и сплавов определяются их химическим составом. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей.

К технологическим свойствам металлов и сплавов относится их способность к формоизменению (ковкость, свариваемость и т. д.). Важное значение имеет жидкотекучесть — свойство расплавленного металла заполнять и точно воспроизводить литейную форму.

Функциональные или эксплуатационные свойства включают в себя хладостойкость, жаропрочность, жаростойкость, антифрикционность и другие характеристики материалов, определяемые услови­ями их работы.

Металлы периодической системы химических элементов делят на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные, или точнее, нежелезные (все остальные металлы)

Черные металлы имеют: темно-серый цвет; большую плотность (кроме щелочно-земельных металлов;) высокую температуру плавления; относительно высокую твердость; обладают полиморфизмом (способностью существовать в различном кристаллическом состоянии).

К черным металлам относят железо и сплавы на его основе – чугуны и стали. На их долю приходится 95 % производимой в мире металлопродукции, а на цветные – только 5 %.

Цветные металлы имеют: характерную окраску (красную, желтую, белую; обладают пластичностью; малой плотностью; относительно низкой температурой плавления; характерно отсутствие полиморфизма.

Наиболее типичным металлом этой группы является медь.