Контрольные вопросы:

1. В чем сущность кристаллического строения металлов?

2. Назовите типы кристаллических решеток.

3. Какие параметры характеризуют кристаллическую решетку?

4. Как происходит процесс кристаллизации металлов?

5. Что такое анизотропия в кристаллах?

6. Что такое аллотропия металлов?

7. Какие существуют дефекты кристаллического строения?

8. Какие методы наблюдения структуры металлов Вы знаете?

1.5. Свойства металлов и сплавов

1.5.1. Физические свойства

К физическим свойствам относятся цвет, плотность, температура плавления, удельная теплота плавления, теплопроводность, тепловое расширение, теплоемкость, электропроводность, магнитные свойства.

Цветом называют способность металлов отражать световое излучение с определенной длиной волны. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий – серебристо-белый и т.д.

Плотность металла характеризуется его массой, заключенной в единице объема. По плотности все металлы делят на легкие ( менее 4500 кг/м³) и тяжелые. Плотность имеет большое значение при создании различных изделий. Например, в самолето- и ракетостроении стремятся использовать более легкие металлы и сплавы, что способствует снижению массы изделия.

Для пористых тел и порошков определяется так называемый насыпной вес, численно равный отношению массы тела к его полному объему, включая и объем пор.

Размерность в системе СИ - кг/м³.

Температура плавления это температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. По температуре плавления различают тугоплавкие металлы (вольфрам 3416⁰С, тантал 2950⁰С) и легкоплавкие (олово 232⁰С, галлий 30⁰С, свинец 327⁰ С). Температура плавления имеет большое значение при выборе металлов для изготовления литых изделий, сварных и паянных соединений, термоэлектрических приборов и т.д. Размерность в системе СИ - градусы Кельвина (К).

Удельная теплота плавления - количество энергии необходимой для превращения при температуре плавления 1 кг твердого кристаллического вещества в жидкость. Размерность системе Си - Дж/кг.

Теплопроводность - один из видов теплообмена, при котором перенос энергии в форме теплоты от одной части тела к другой носит атомно-молекулярный характер. При теплопроводности осуществляется перенос энергии в результате непосредственной передачи энергии частицами с большей энергией частицам с меньшей энергией. Другими словами это передача тепла от более нагретых тел (участков тел) к менее нагретым.

Такие металлы как серебро, алюминий, медь обладают большей теплопроводностью, чем скажем железо (Fe<Cu в 3 раза, Fe<Al в 5 раз). Теплопроводность имеет большое значение при выборе материала для деталей. Например, если металл плохо проводит тепло, то при нагреве и быстром охлаждении (термическая обработка, сварка) в нем образуются трещины. Некоторые детали машин должны быть изготовлены из материалов с высокой теплопроводностью (например, поршни двигателей, лопасти турбин). Размерность в системе СИ – Вт/(м*К).

Тепловое расширение – изменение размеров тела в процессе его нагревания. Для характеристики теплового расширения тел вводится коэффициент линейного теплового расширения α и коэффициент объемного расширения β.

При постоянном давлении

l =l₀*(1 +T),

где - l₀ линейные размеры тела при T = 273 К;

Т = (Т – Т₀)

Изменение объема при нагревании тела

V = V₀ *(1 + T),

где -   3. Причем, это равенство справедливо и для жидкостей.

Для газов важно, при каком процессе идет нагревание, например, при изотермическом или изобарическом.

Тепловое расширение металлов важно учитывать при сварке, ковке, горячей штамповке, при изготовлении прокатных валков, при строительстве мостов, укладке железнодорожных рельсов, т.е. везде, где имеют место переменные температурные условия. Размерность в системе СИ – К^-1.

Теплоемкость - способность металла(материала) при нагревании поглощать определенное количество тепла. В системе СИ имеет размерность Дж/К. Теплоемкость различных металлов сравнивают по величине удельной теплоемкости – количеству тепла, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 градус. ( В системе СИ – Дж/кг*К). Следует отметить, что количество теплоты, поглощенное телом при изменении его состояния, зависит не только от начального и конечного состояния, но и от способа, которым был осуществлен этот переход (особенно для газов). Объяснение этих явлений, а также особенности поведения теплоемкости при очень низких температурах дает квантовая теория.

Электропроводимость - способность материалов (металлов) проводить электрический ток под воздействием электрического поля. В системе СИ измеряется в сименсах (См), а удельная электропроводимость в См/м. На практике часто используется величина обратная удельной электропроводимости – удельное сопротивление, размерность которого в системе СИ - Ом/м.

Электропроводимость большинства проводников (металлов, полупроводников, плазмы) обусловлена наличием в них свободных электронов (в плазме электроны + ионы). Ионная электропроводимость свойственна электролитам.

Как электропроводимость, так и электросопротивление зависят от температуры. С повышением температуры металла его электропроводимость уменьшается, а с понижением - увеличивается.

Отдельно следует выделить явление сверхпроводимости – явления, при котором электросопротивление практически падает до нуля (при сверхнизких температурах, например для алюминия примерно 1,14⁰ К).

Хорошая электропроводимость необходима для токонесущих проводов (медь, алюминий). При изготовлении электронагревательных приборов и печей необходимы сплавы с высоким электросопротивлением (нихром, константан).

Магнитные свойства. Наибольшее значение в технике имеют ферромагнитные, ферримагнитные материалы – это железо, никель, кобальт, их сплавы, соединения хрома, марганца, и ферриты (соединения окиси железа с окислами других металлов)

Важную роль ферромагнетики и их сплавы играют в производстве электрических машин, трансформаторов, приборов экранирующих электромагнитные поля, магнитопроводов. В этом случае важную роль играют такие характеристики как кривая намагничивания, петля гистерезиса, потери энергии на перемагничивание, магнитная индукция, магнитная проницаемость, коэрцитивная сила и т.д.

При перемагничивании магнитных материалов наблюдается изменение их размеров и формы – такое явление называется магнитострикцией. Это явление играет важную роль в производстве датчиков, реле и т.д.

К физическим свойствам материалов следует отнести также влагостойкость, которая характеризуется гигроскопичностью, водопоглощаемостью, влагопроницаемостью, смачиваемостью. Некоторые материалы характеризуются гидрофобностью.

Гигроскопичность – способность материала впитывать в себя влагу из окружающего воздуха.

Водопоглощаемость - свойство материала впитывать в себя влагу находясь в воде.

Водопроницаемость - способность материала пропускать сквозь себя пары воды (эта характеристика особенно важна для защитных материалов - оболочки кабеля, покровы, шланги и т.д.)

Смачиваемость - способность материала притягивать молекулы воды и удерживать их на поверхности. Молекулы воды имеют полярное строение и поэтому притягиваются материалами имеющими любое строение кроме нейтрального строения молекул (парафин).

Способность материала отталкивать молекулы воды называется гидрофобностью. Смачиваемость и гидрофобность влияют на величину поверхностного сопротивления.

Морозостойкость – способность материалов работать без ухудшения эксплуатационной надежности при низких температурах, т.е. без значительного снижения механической прочности, изменения эластичности , образования трещин.