Робота 2.2.3 Визначення металів за їх зовнішніми ознаками та деякими властивостями

Мета роботи

1. Ознайомитись з найпоширенішими в народному господарстві металами та сплавами.

2 Набути навички у визначенні виду металу чи сплаву за його зовнішніми ознаками та деякими властивостями.

Теоретичні відомості

Усі метали поділяються на дві великі групи: чорні та кольорові.

Чорні метали (залізо, кобальт, нікель, марганець) мають темно-сірий колір, значну густину, високу температуру плавлення, віднос­но високу твердість. Найтиповіший і найпоширеніший представник чор­них металів – залізо (Fе). Це – сріблясто-білий поліморфний метал із густиною 7,86 г/см³ і температурою плавлення t_пл ≈1539 ºС, досить м'який, пластичний і маломіцний. У промисло-вості, в основному, використовують сплави на його основі: сталі та чавуни.

Сталь – це сплав заліза з вуглецем, який містить до 2,14 % вуглецю. Залежно від кількості вуглецю сталі бувають низько-, середньо- та високовуглецеві. Низьковуглецеві сталі (до 0,3 % С) є мало­міцними та високопластичними. Вони застосовуються для виготовлення малонавантажених деталей (кріпильних виробів, втулок, осей тощо).

Середньовуглецеві сталі (03...0,6 % С) – міцніші та менш плас­тичніші, застосовуються для виготовлення деталей, що не зазнають значних напружень (зубчасті колеса, шатуни, важелі, стрижні тощо).

Високовуглецеві сталі (вище 0,6 % С) – міцні, з високими пружни­ми властивостями, зносостійкі, застосовуються для виготов-лення де­талей, що працюють в умовах значного тертя та високих статичних навантажень (пружини, ресори, різні інструменти, прокатні валки тощо).

Залежно від призначення вуглецеві сталі поділяються на кон­струкційні та інструментальні. Перші бувають звичайної якості та якісні. Сталі звичайної якості позначаються словом "сталь", буквами "Ст" і цифрами, що вказують номер. Наприклад: Сталь Ст0, Сталь Ст3. Якісні вуглецеві сталі позначаються словом "сталь" і цифрами, що вказують приблизний вміст вуглецю у сотих частках процента. Наприклад, Сталь 30 (0,30 % С),

Інструментальні вуглецеві якісні сталі позначаються буквою "У" і ци­фрами, що вказують вміст вуглецю в десятих частках процента. Наприклад, Сталь У11 (1,1 % С). Якщо сталь є високоякісною, то після цифр вка­зується буква "А". Наприклад, Сталь У11А.

Леговані сталі отримують введенням у вуглецеву сталь спеціальних легуючих домішок (Si , Mn , Cr , W , Ni , Mo тощо).

Для позначення таких сталей застосовується певне сполучення букв і цифр, що відбиває приблизний процентний вміст легуючих елементів. Наприклад, у сталі 30ХНЗ міститься близько 0,3 % вуглецю, 1,0 % хрому та 3,0 % нікелю.

Чавун – сплав заліза та вуглецю – містить 2,14...6,67 % вуглецю. Залежно від вмісту зв'язаного у вигляді цементиту (FeC₃) вуглецю чавуни бувають білими (увесь вуглець знаходиться у зв’язаному стані), сірими (більша частина вуглецю знаходиться у вільному стані у вигляді графіту) та половинчастими (вуглець наполовину зв’язаний із залізом, а наполовину – виділений у вигляді графіту).

Маркуються чавуни буквами і цифрами (букви вказують вид чавуну, цифри – основні механічні властивості: межу міцності σ_в ). Наприклад, чавун СЧ12 – сірий, а найменша межа його міцності на розтяг σ_в =12 кГ/мм² (120 МПа). Чавун КЧ33 – ковкий, причому найменша межа його міцності на розтяг σ_в ≈ 33 кГ/мм² (330 МПа). Чавун ВЧ45 – високоміцний, найменша межа його міцності на розтяг σ_в = 45 кГ/мм² (450 МПа).

Доцільно відзначити, що на будову чавуну можна впливати, змінюючи його хімічний склад і умови кристалізації та термічної обробки, завдяки чому він стає універсальним ливарним матеріалом з широким комплексом експлуатаційних властивостей.

Кольорові метали, як правило, мають характерне забарвлення (червоне, жовте, біле), значну пластичність, малу твердість, відносно низьку температуру плавлення. Вони поділяються на такі групи: легкі, важкі, благородні та рідкісні (рідкоземельні).

До легких металів з густиною менше 5,0 г/см³ належать: магній (1,68 г/см³), берилій (1,8 г/см³ ) , алюміній (2,7 г/см³), титан (4,5 г/см³ ), літій (0,543 г/см³), калій (0,862 г/см³), натрій (0,971 г/см³), кальцій (1,54 г/см³) та ін. На практиці ці метали (за винятком алюмінію) застосовуються у вигляді сплавів. Алюміній і сплави на його основі є найпоширенішими.

Алюміній (Al) – це метал сріблясто-білого кольору (t_пл.≈ 660 ºС), який має високі електро- та теплопровідність, малу густину. Висока електрична провідність (60 % від міді) та низька густина чистого алюмінію обумовили його застосування в електротехніці як провідни­кового матеріалу, а корозійна стійкість – застосування в хімічному машинобудуванні.

За технологічною ознакою алюмінієві сплави поділяються на де­формовані та ливарні. Серед деформованих відрізняють такі, що зміцню­ються термообробкою (дюралюміній, авіаль, алюміній кувальний тощо), та такі, що не зміцнюються (сплави алюмінію з марганцем, магнієм).

Одним з основних деформованих сплавів є дюралюміній – сплав системи Al-Cu-Mg з домішками Мn. Маркується дюралюміній буквами "Д" і цифрами, що вказують номер сплаву. Наприклад, Д1, Д16. Дюралюміній часто застосовується в літакобудуванні як такий, що має значну міцність у поєднанні з малою густиною.

Ливарні сплави алюмінію відрізняються достатньо високою рідкотекучістю, малою усадкою, досить високою механічною міцністю. Кращі властивості мають так звані силуміни – сплави алюмінію з кремнієм (10-13%). Вони маркуються так: АЛ2, АЛ9 (цифра вказує номер сплаву, а букви озна­чають, що це – алюмінієвий ливарний сплав). Із силуміну виготовляють арматуру, кронштейни, литі деталі приладів, фасонне литво тощо.

До важких кольорових металів належать метали з густиною, що перевищує 5,0 г/см³, зокрема: свинець (11,3 г/см³), вісмут (9,84 г/см³), мідь (8,9 г/см³), олово (7,29 г/см³), хром (7,14 г/см³), цинк (7,1 г/см³), сурма (6,62 г/см³) та ін.

Один з найпоширеніших кольорових металів цієї групи – мідь. Це червоно-рожевий мономорфний метал (t_пл. = 1083 °С), який має високу електричну провідність, тому він широко застосовується в електро-техніці. Завдяки значній пластичності міді з неї виготовляють листи, прутки, дріт.

Основні сплави міді – латунь і бронза. За технологічними ознаками вони поділяються на деформовані та ливарні.

Латунь – це сплав міді з цинком (до 43 % Zn). Маркуються латуні буквою "Л" і цифрою, що вказує приблизний вміст міді у відсотках (Л96, Л70 та ін.). У позначеннях легованих латуней після букви "Л" вказують інші букви і цифри, що показують відповідно назву легуючих елементів та їх процентний вміст. Наприклад, ЛС60-1 (60 % Cu, 1 % Pb, решта – Zn). З латуні виготовляють листи, прокат, труби, втулки тощо.

Бронза – це сплав міді з усіма елементами, крім цинку. Вона має достатньо високі ливарні та антифрикційні властивості, корозійну стійкість в прісній і морській воді, а також у газовій атмосфері при високих температурах. Із бронзи виготовляють пружини, підшипники ковзання, арматуру, деталі з високою тепловою та електричною провідністю у по­єднанні з достатньою значною корозійною стійкістю, фасонне та художнє литво.

Бронзи маркуються буквами "Бр", після яких записують буквене позначення легуючих елементів і цифри, що вказують їх процентний вміст. Наприклад, Бр 0ЦС8-4-3 (8 % Sn, 4 % Zn, 3% Pb, решта – мідь).

Досить широко розповсюджені також сплави на основі олова та свинцю – бабіти. Як легуючі елементи до них додаються сурма та мідь. Ці сплави називаються антифрикційними та призначаються для виготовлення підшипників ковзання. Бабіти маркуються буквою "Б" і цифрами, що вказують процентний вміст олова у сплаві (наприклад, Б88, Б83 та ін.). Вони відрізняються хорошою припрацьованістю та невеликим коефіцієнтом тертя. Як антифрикційні матеріали використовуються також чавуни, олов’янисті та свинцевисті бронзи, порошкові матеріали.

До благородних кольорових металів належать метали з високою корозійною стійкістю. Це – золото, платина, паладій, іридій, родій, осмій, рутеній. Вони використовуються для виготовлення сплавів, необхідних в електротехніці, хімічному машинобудуванні, приладо-буду­ванні, медицині, ювелірній справі, а також для антикорозійних покриттів.

До рідкісних належать кольорові метали з особливими властивостями: вольфрам, молібден, тантал, ванадій, індій, германій, цирконій та ін., що використовуються, як правило, у вигляді сплавів.

До рідкоземельних металів (лантаноїдів) належать: лантан, церій, празеодим, неодим, ітрій, тербій, гольмій, ербій, тулій, ітербій, лютецій та ін.

Послідовність виконання роботи

1 Визначити колір виданих зразків металів (у разі необхідності використовувати для зачищення поверхні шліфуваль­ний папір).

2. Визначити об'єм (см³) зразків, що вивчаються, попередньо вимірявши їх необхідні лінійні розміри.

3. Знайти густину (г/см³) металів або сплавів, з яких виготовлені зразки, попередньо зваживши їх.

4. Використовуючи твердоміри типу ТШ і ТК (Бринелля та Роквелла), визначити твердості зразків, що вивчаються.

5. Встановити ступінь взаємодії металу зразків, що вивчаю­ться, з різними агресивними середовищами.

6. Використовуючи таблицю 2.5, що містить деякі дані про власти­вості металів і сплавів і отримані результати, визначити, з яких матеріалів виготовлені зразки, що вивчаються.

7 Ознайомитись з колекцією різних металів і сплавів, що є в лабораторії.

8 Скласти письмовий звіт про виконану роботу.

Таблиця 2.5 – Фізико-хімічні властивості металів і сплавів

Метал	Колір	Густина, г/см^3	Твердість НВ, МПа	Взаємодія з агресивними середовищами
Сталь низько-вуглецева	сірувато - білий	7,8	1300…1700	розчиняться в розчинах кислот і лугів
Сталь середньо-вуглецева	те саме	7,8	1700…2200	те саме
Сталь високо-вуглецева	те саме	7,8	2200…2010	те саме
Чавун	сірувато - чорний	6,6-7,8	1700…2700	корозійна стійкість дещо вища, ніж у сталі
Мідь	червоний	8,9	350	не розчиняється у розчи­нах соляної та сірчаної кислот; розчиняється в азотній кислоті
Латунь	жовто - зелений	8,3-8,6	500-600	те саме
Бронза	жовтий	7,6-8,2	600-1600	те саме
Алюміній	сріблясто- білий	2,7	250	легко руйнуються розчина­ми їдких лугів, соляної та сірчаної кислот; у концентрованій азотній кислоті має високу стій­кість
Дюралюміній	те саме	2,6	490 - 500	те саме
Силумін	сірувато - білий	2,6	500 - 700	те саме
Цинк	блакитно - білий	7,1	300	низько корозійна стійкість у кислотах і лугах
Свинець	синювато-сірий	11,3	40	стійкість до лугів, не стійкий до азотної кислоти
Олово	сріблясто - білий	7,3	50	висока корозійна стійкість; дуже повільно розчиняється в кислотах і лугах
Бабіт	те саме	7,3-10,5	200 – 300	те саме

Обладнання, матеріали, інструменти

1 Твердоміри типу ТШ і ТК-2 (Бринелля і Роквелла).

2 Терези з важками.

3 Штангенциркуль.

4 Колекція різних металів І сплавів.

5 Зразки різних металів і сплавів.

6 Реактиви для травлення (кислоти, луги та їх розчини).

7 Шліфувальний папір.

8 Піпетка.

9 Ванночка з водою.

Зміст звіту

1 Назва і мета роботи.

2 Результати визначення кольору, густини, твердості, хімічної стійкості та висновки про вид матеріалів, що вивчаються, за формою таблиці 2.6.

Таблиця 2.6 – Результати випробувань

№ зразка	Колір	Густина ρ, г/см^3	Твердість НВ, МПа	Взаємодія з агресивними середовищами	Висновок про вид металу

3 Перелік ознак, за якими зроблено висновок про вид матеріалів, що вивчаються.

4. Таблиця, складена за формою таблиці 2.7, в яку крім металів і сплавів, що вивчаються, мають бути внесені всі дані, наведені в таблиці 2.5.

Таблиця 2.7 – Зведена таблиця результатів випробувань

Метал (сплав)	Хімічний склад, %	Механічні властивості					Галузь застосування
		σв , МПа	HB, МПа	δ, %	ψ, %

Контрольні запитання

1. Поняття, про метали та сплави. Як класифікуються метали?

2. Методика визначення виду металу за його зовнішніми ознаками та окремими властивостями.

3. Які основні компоненти входять до складу сплавів, що вивчаються?

4. Охарактеризуйте механічні властивості металів і сплавів, що вивчаються.

5. Галузь застосування металів і сплавів, що вивчаються.