8.2 Методи аналізу металевих матеріалів та їх експлуатаційні властивості

Вимоги до металів та їх сплавів ставляться в залежності від їхнього призначення. Наприклад, метал рейок і бандажів повинен бути міцним і стійким проти зносу, метал ресор — пружним, метал заклепок — пластичним, метал електричних проводок повинен мати малий електричний опір, метал зварних конструкцій добре зварюватися і не гартуватися при охолодження на повітрі, а метал деталей, що працюють в агресивних середовищах, бути стійким до корозії.

Область застосування металів визначається їх властивостями. Властивості металів поділяють на:

— механічні (ударна в'язкість, пластичність, міцність і твердість металу);

— технологічні (фізична і технологічна зварюваність, ковкість, плавкість, оброблюваність різанням);

— фізичні (колір, питома маса, теплова і електрична провідність, магнітні якості);

— хімічні (стійкість проти корозії, жароміцність).

Основні фізичні і механічні властивості найпоширеніших металів приведені в таблиці 8.1.

Таблиця 8.1 — Основні фізичні і механічні властивості металів

Метали	Густина,ρ, кг/м3	Температура плавлення, °C	Температура кипіння, °C	Границя міцності, σв, МПа	Відносне видовження,δ, %	Твердість,HB	Лінійний коефіцієнт теплового розширення, α, при 20 °C (10−6/°C)
Залізо	7860	1539	2380	300	21...55	50...70	11,5
Алюміній	2700	660	2500	80...110	40	20...30	23,1
Мідь	8930	1083	2600	220	60	35	16,5
Магній	1740	651	1103	170...200	10...12	25...30	25,7
Нікель	8900	1455	3080	400...500	40	60	13,9
Титан	4500	1665	3260	300...550	20...30	100	1,2
Молібден	10200	2620	4800	800...1200	46	150...160	5,8...6,2

Усі метали (за винятком ртуті) при звичайних умовах є кристалічними речовинами. Їхні атоми розташовані в певному геометричному порядку і утворюють просторову кристалічну ґратку. У вузлах кристалічної ґратки містяться іони металів. Валентні електрони дуже слабо зв'язані з атомами і можуть легко переміщатися по всьому об'єму металу, переходячи від одних іонів до інших.

Легкою рухливістю валентних електронів пояснюється висока електропровідність і теплопровідність металів. На відміну від розчинів і розплавів при проходженні електричного струму через металічний провідник переносу частинок речовини не відбувається. Метали мають електронну електропровідність. За електропровідністю і теплопровідністю метали розміщуються в однаковому порядку. Найкращими провідниками електричного струму є срібло, мідь, золото і алюміній.

Характерна особливість металів — металевий блиск, тобто здатність добре відбивати світло. Але ця здатність проявляється лише тоді, коли метал утворює суцільну і гладку (поліровану) поверхню.

Дуже важливою властивістю більшості металів є пластичність, тобто здатність змінювати зовнішню форму при дії сторонньої сили і зберігати набуту форму після припинення впливу зовнішньої дії. На цій здатності базуються різні способи механічної обробки металів: прокатка, кування, штамповка, волочіння тощо. Однак ця властивість у різних металів виявляється не однаково. Здатність розкатуватись у тоненькі листи і витягуватись у тоненький дріт найкраще виявляється у золота, срібла, міді, алюмінію і олова, трохи гірше в заліза і цинку. Деякі метали зовсім не виявляють пластичності, вони дуже крихкі — це бісмут, манган і особливо стибій (сурма). При ударі вони розпадаються на шматочки.

За густиною метали умовно поділяють на легкі (густина яких менша 5 г/см³) і важкі (густина яких більша 5 г/см³). До найлегших металів належать літій, калій і натрій. Легкі метали — манган, алюміній і титан. Найважчими вважаються ртуть, золото, платина і осмій.

За твердістю метали теж дуже відрізняються один від одного. Найтвердішим металом є хром, який дряпає скло. За ним іде вольфрам, нікель і ін. До найм’якіших металів належать калій і натрій, що легко ріжуться ножем. Дуже м'яким є також свинець

За температурами плавлення метали теж різко відрізняються один від одного. Найнижчу температуру плавлення має ртуть (–39°С), за нею йде цезій (28,5 C), рубідій (38,5°C), калій (62,3 C), а найвищу — вольфрам (3410°C).

За забарвленням метали умовно поділяють на чорні — залізо, манган та їх чисельні сплави (чавун, сталь) і кольорові, до яких відносять усі інші метали. Відповідно до цього і промисловість, що їх добуває, називають чорною і кольоровою металургією.

Характерною особливістю металів за хімічними властивостями є здатність їх атомів віддавати свої валентні електрони і утворювати позитивно заряджені іони. На відміну від неметалів метали негативно заряджених іонів не утворюють. Отже, вільні метали є відновниками. Чим легше даний метал віддає свої валентні електрони, тим він активніший відновник.

За хімічною активністю метали можна розподілити на три групи:

— сильно активні (калій, натрій, барій, кальцій і ін.);

— середньої активності (цинк, залізо, нікель і ін.);

— мало активні (срібло, золото і платина).

Відносну активність металів можна визначити за положенням елемента в періодичній системі Д І. Менделєєва: металічний характер елементів і хімічна активність металів посилюється в періодах справа наліво, а в головних підгрупах згори донизу. Типові металічні елементи перебувають у лівому нижньому куті довгого варіанта періодичної системи.