Общие физические и химические свойства металлов

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 261.

4.2

Средняя оценка: 4.2

Всего получено оценок: 261.

Физические свойства металлов отличают их от неметаллов. Все металлы, кроме ртути, – твёрдые кристаллические вещества, являющиеся восстановителями в окислительно-восстановительных реакциях.

Положение в таблице Менделеева

Металлы занимают I-II группы и побочные подгруппы III-VIII групп. Металлические свойства, т.е. способность отдавать валентные электроны или окисляться, увеличиваются сверху вниз по мере увеличения количества энергетических уровней. Слева направо металлические свойства ослабевают, поэтому наиболее активные металлы находятся в I-II группах, главных подгруппах. Это щелочные и щелочноземельные металлы.

Определить степень активности металлов можно по электрохимическому ряду напряжений. Металлы, стоящие до водорода, наиболее активны. После водорода стоят слабоактивные металлы, не вступающие в реакцию с большинством веществ.

Рис. 1. Электрохимический ряд напряжений металлов.

Строение

Вне зависимости от активности все металлы имеют общее строение. Атомы в простом металле расположены не хаотично, как в аморфных веществах, а упорядоченно – в виде кристаллической решётки. Удерживает атомы в одном положении металлическая связь.

Такой вид связи осуществляется за счёт положительно заряженных ионов, находящихся в узлах кристаллической ячейки (единицы решётки), и отрицательно заряженных свободных электронов, которые образуют так называемый электронный газ. Электроны отделились от атомов, превратив их в ионы, и стали перемещаться в решётке хаотично, скрепляя ионы вместе. Без электронов решётка бы распалась за счёт отторжения одинаково заряженных ионов.

Различают три типа кристаллической решётки. Кубическая объемно-центрированная состоит из 9 ионов и характерна хрому, железу, вольфраму. Кубическая гранецентрированная включает 14 ионов и свойственная свинцу, алюминию, серебру. Из 17 ионов состоит гексагональная плотноупакованная решётка цинка, титана, магния.

Рис. 2. Виды кристаллических решёток.

Свойства

Строение кристаллической решётки определяет основные физические и химические свойства металлов. Металлы блестят, плавятся, проводят тепло и электричество. Промышленность и металлургия нашли применение физическим свойствам металлов в изготовлении деталей, фольги, корпусов машин, зеркал, бытовой и промышленной химии. Особенности металлов и их использование представлены в таблице физических свойств металлов.

Рис. 3. Примеры применения металлов.

Механические свойства металлов

Прочность металлов

Прочность

— свойство твердых тел сопротивляется разрушению, а также необратимыми изменениями формы. Основным показателем прочности является временное сопротивление, определяемое при разрыве цилиндрического образца, предварительно подвергнутого отжигу.

По прочности металлы можно разделить на следующие группы:

непрочные металлы

— (временное сопротивление не превышает 50 МПа) — олово, свинец, висмут, а также мягкие щелочные металлы.

прочные металлы

— (от 50 до 500 МПа) — магний, алюминий, медь, железо, титан и другие металлы, составляющие основу важнейших конструкционных сплавов

высокопрочные металлы

— (более 500 МПа) — молибден, вольфрам, ниобий и др.

К ртути понятие прочности неприменимо, поскольку это жидкость.

Временное сопротивление металлов указано в таблице 10.

Таблица 10. Прочность металлов

Пластичность металлов

Пластичность

— свойство твердых тел сохранять часть деформации при снятии нагрузок, которые их вызвали. В качестве показателя пластичности выборочно относительное удлинение, определяемое при тех же испытаниях, что и временное сопротивление.

По степени пластичности металлы принято подразделять следующим образом:

высокопластичные металлы

— (относительное удлинение превосходит 40 %) — металлы, составляющие основу большинства конструкционных сплавов (алюминий, медь, железо, титан, свинец) и «легкие» металлы (натрий, калий, рубидий идр.)

пластичные металлы

— (относительное удлинение лежит в диапазоне между 3% и 40%) — магний, цинк, молибден, вольфрам, висмут и др. (наиболее обширная группа)

хрупкие металлы

— (относительное удлинение меньше 3%) — хром, марганец, кольбат, сурьма.

Высокая очистка хрупких металлов несколько повышает пластичность. Сплавы, полученные на их основе, почти не поддаются обработке давлением. Промышленные изделия из них часто получают путем литья. Относительное удлинение металлов характеризует таблица 11.

Таблица 11. Пластичность металлов

Твердость

Твердость

— характеристика материала, отражающая его прочность и пластичность, определяемая путем вдавливания шарика (метод Бринелля) или призмы (метод Виккерса). Количественный оценкой твердости является число твердости НВ, равное отношению нагружения (Н) к площади поверхности отпечатка (мм2).

Значения твердости металлов по Бринеллю приведена в таблице 12.

Таблица 12. Твердость металлов

Модуль продольной упругости

Модуль продольной упругости, модуль Юнга, Е

— определяет жесткость металла, т.е. интенсивность увеличения напряжения по мере увеличения упругости деформации.

Таблица 13. Модуль Юнга металлов при 20 oС

Литература по прочности

1. Гуль В. Е., Структура и прочность полимеров, 3 изд., М., 1978;
2. Разрушение, пер. с англ., т. 1, М., 1973;
3. Регель В. Р., Слуцкер А. И., Томашевский Э. Е., Кинетическая природа прочности твердых тел, М., 1974.

к библиотеке к оглавлению FAQ по эфирной физике ТОЭЭ ТЭЦ ТПОИ

Знаете ли Вы,

как разрешается парадокс Ольберса? (Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса — это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды. Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление «усталости света», открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы «устают», отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

Что мы узнали?

Из урока 9 класса узнали о физических свойствах металлов. Кратко рассмотрели положение металлов в периодической таблице и особенности строения кристаллической решётки. Благодаря строению металлы обладают пластичностью, твёрдостью, способностью плавиться, проводить электрический ток и тепло. Свойства металлов неоднородны. Различают лёгкие и тяжёлые металлы, лёгкоплавкие и тугоплавкие, мягкие и твёрдые. Физические свойства используются для изготовления сплавов, электрических проводов, посуды, мыла, стекла, конструкций различной формы.

Вязкость металлов и сплавов

Подробности Категория:

ВЯЗКОСТЬ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

характеризует внутреннее трение между частицами металлов и металлических сплавов в жидком состоянии и пластические их свойства в твердом состоянии. Кроме того, пластические свойства металлов отчасти характеризуются относительным удлинением и поперечным сжатием, определяемыми при испытании на растяжение. При обыкновенной температуре вязкость металла может характеризоваться двумя величинами: 1) скоростью установившегося истечения металла в единицу времени при постоянном давлении и прочих равных условиях (Треска); 2) величиной давления, соответствующей установившемуся истечению, при постоянной скорости деформации (истечения). Н. С. Курниковым и С. Ф. Жемчужным получены (1913 г.) следующие величины для давления истечения (при постоянной скорости истечения твердой струи в 0,00037 см/сек разных металлов в кг/мм2 поверхности поршня при температуре 15—20°, диаметре поршня в давящем приборе D = 8,66 мм и диаметре выпускного отверстия d = 2,86 мм): калий 0,22, натрий 0,28, литий 1,7, таллий 5,8, свинец 8,8, олово 10,5, висмут 21,0, кадмий 31, цинк 75.

Величина давления истечения колеблется в широких пределах в зависимости от размеров D и d, а также от способа кристаллизации и предварительной термической и механической обработки вещества. Этими же учеными для разных металлов установлено соотношение между давлением истечения и твердостью по Бринеллю: оно колеблется между 2,05 и 2,57 и лишь для свинца может доходить до 3,2. Определением вязкости металлов при высоких температурах впервые занялся Шевнар (Chevenard, 1919 г.). Он предложил характеризовать вязкость металлов скоростью удлинения в единицу времени:

где l0 и I — первоначальная и конечная длина, t — температура, v — скорость удлинения. За предел вязкости металла при этом принимается та предельная нагрузка в кг/мм2, при которой еще не получается удлинения по причине одной только вязкости металла (не считая удлинения под влиянием температуры и быстрого удлинения в момент приложения усилия). Для определения вязкости металлов при высоких температурах предложено два типа приборов (вискозиметров): Курно-Сазагава и Обергоффера-Виммера; оба прибора предложены в 1925 году; испытание в них производится в струе азота. В приборе Курно-Сазагава определенный груз, покоящийся на водяной подушке (противодавлением воды компенсируются увеличения усилия на единицу площади поперечного сечения испытуемой проволоки вследствие уменьшения сечения проволоки при ее растяжении), растягивает испытуемую проволоку при разных температурах, причем определяется предел вязкости металла проволоки при каждой данной температуре. Упомянутые авторы и Мацедо Саарес Сильва получили сведенные в табл. 1 значения для предела вязкости металлов, выраженные в кг/мм2 (работы 1925 и 1928 гг.).

Курно и Мацедо Саарес Сильва в 1928 году подвергли испытанию проволоки из алюминия, дюралюминия и альпаки со следующими результатами (см. табл. 2).

Прибор Обергоффера-Виммера служит для определения вязкости металлов в жидком состоянии. Главная часть прибора — маятник (из огнеупорного материала, длиной в 50 мм и диаметром в 10 мм), опущенный на 20 мм в жидкий металл или сплав, приводится в колебательное движение; по убыванию колебаний судят о вязкости металла при температуре испытания. Измерение отклонений маятника производится посредством зеркальца, подвешенного, как и маятник, на тонких платиновых проволоках. Подсчет абсолютного значения вязкости металла производится по формуле:

λ—λ0 = с1δη+с2η+c3δη,

где λ0 и λ — логарифмические декременты колебательного движения в воздухе и испытуемом жидком металле или сплаве, δ — удельный вес испытуемого жидкого металла или сплава, η — вязкость, с1, с2, с3 — константы прибора, определяемые путем производства «холостых» опытов с жидкостью, обладающей известной вязкостью.

Обергоффер и Виммер установили влияние разных элементов на вязкость железо-углеродных сплавов, влияние температуры на вязкость чистых железо-углеродных сплавов и исследовали вязкость ряда применяемых на практике бессемеровских и томасовских чугунов; им удалось установить, что фосфор увеличивает вязкость чугуна, но снижает критические точки начала образования твердых растворов; одновременное возрастание содержания серы и марганца увеличивает вязкость сплавов; кремний, по-видимому, повышает вязкость и температуру начала затвердевания сплавов. Далее этими авторами вычислены, по экспериментальным данным, изменения логарифмического декремента с возрастанием содержания разных примесей для чугунов, при содержании углерода в 2,8% (логарифмический декремент 0,0135):

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 4 — 1928 г.

• < Назад
• Вперёд >