Свойства металлов

Применение того или иного металла в качестве конструкционного материала обусловлено, во-первых, его свойствами и, во-вторых, эконо­мическими факторами, в частности, стоимостью. Например, серебро проводит электричество лучше алюминия. Но последний значительно дешевле. Таким образом, при выборе металла следует добиваться оп­тимального сочетания технических и экономических факторов. При этом исходят из следующей относительной стоимости металлов:

железо (уг­леродистая сталь) - 1;

свинец - 2,5;

цинк - 3;

алюминий - 6;

медь - 7,5;

магний - 8;

марганец - 10;

никель - 17;

хром - 25;

титан - 90;

вольф­рам - 120;

серебро - 500;

золото - 11000.

Для определения технических характеристик проводят механические испытания. Наиболее распрос­транены испытания металлов на прочность и твердость.

Прочность - способность металлов оказывать сопротивление дей­ствию внешних механических сил. В зависимости от вида их приложе­ния различают прочность на растяжение, сжатие, кручение, изгиб и т.д. Один и тот же металл в связи с анизотропностью по-разному реаги­рует на данные нагрузки. Так, чугун, хорошо работающий на сжатие, слабо противостоит ударным нагрузкам.

Дня определения сопротивления металлов усталостному разруше­нию применяют специальные стенды, имитирующие знакопеременные нагрузки.

Твердость - способность металлов сопротивляться вдавливанию другого, более твердого тела. Ее определяют методами Бринелля - путем вдавливания в испытываемый образец стально­го закаленного шарика, Роквелла - вдавлива­нием алмазного конуса при различных нагрузках или стального за­каленного шарика, Виккерса - вдавливанием ал­мазной пирамиды и другими. При данных методах твердость опреде­ляют по величине отпечатка, который оставляет вдавливаемый пред­мет на испытываемом образце.

Из физических свойств чаще пользуются температурой плавле­ния, цветом, тепло- и электропроводностью, линейным расширением. Реже - магнитной проницаемостью, удельной теплоемкостью и др. По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы: легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см³, и тяжелые металлы - все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов приведены в таблице 13.

Таблица 13

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

Название	Атомный вес	Плотность,г/см3	Температура плавления, C
Легкие металлы.
Литий	6,939	0,534	179
Калий	39,102	0,86	63,6
Натрий	22,9898	0,97	97,8
Кальций	40,08	1,55	850
Магний	24,305	1,74	651
Цезий	132,905	1,90	28,5
Алюминий	26,9815	2,702	660,1
Барий	137,34	3,5	710
Тяжелые металлы
Цинк	65,37	7,14	419
Хром	51,996	7,16	1875
Марганец	54,9380	7,44	1244
Олово	118,69	7,28	231,9
Железо	55,847	7,86	1539
Кадмий	112,40	8,65	321
Никель	58,71	8,90	1453
Медь	63,546	8,92	1083
Висмут	208,980	9,80	271,3
Серебро	107,868	10,5	960,8
Свинец	207,19	11,344	327,3
Ртуть	200,59	13,546	-38,87
Вольфрам	183,85	19,3	3380
Золото	196,967	19,3	1063
Платина	195,09	21,45	1769
Осмий	190,2	22,5	2700

Наиболее важными являются технологические свойства метал­лов и сплавов, которые характеризуют их способность поддаваться раз­личным видам обработки: резанию, сварке, пластической деформации, текучести, плавкости, ковкости и т. д.

Ковкость - способность металлов обрабатываться давлением и деформироваться без разрушения. Хорошей ковкостью обладают сталь, медь, алюминий. Чугун таким свойством не обладает, он хрупок.

Жидкотекучесть - способность расплавленных металлов запол­нять литейную форму в самых тонких ее местах, давая при этом отлив­ку с точной конфигурацией поверхности. Жидкотекучие металлы (чугун, цветные сплавы) следует применять при изготовлении фасонных отливок. В противном случае появляется необходимость в нагреве металла до более высокой температуры либо в нагреве самой литейной формы, что приведет к ухудшению экономических показателей работы литейного цеха.

Усадка - сокращение объема расплавленного металла в процессе его кристаллизации и охлаждения. Усадка, составляющая у чугуна 1%, стали 1,5-2%, приводит к образованию в верхней части отливки пусто­ты, называемой усадочной раковиной. С целью уменьшения ее величи­ны литейные формы изготавливают с прибыльной частью в наиболее массивных частях отливки. После затвердевания металла прибыльную часть, в которой сосредоточена большая часть усадочной раковины, удаляют.

Газопоглощение - способность металлов поглощать газы в рас­плавленном состоянии и выделять их при затвердевании и охлаждении. При этом в поверхностном слое отливки образуются газовые раковины, что ведет к повышенному расходу металла.

Свариваемость - способность металлов давать прочное и плот­ное сварное соединение. Удовлетворительной свариваемостью обла­дают стали с содержанием углерода до 0,5-0,7%.

Обрабатываемость - способность металлов подвергаться обра­ботке режущим инструментом для придания поверхности деталей оп­ределенной конфигурации, чистоты и точности. Наиболее хорошо обра­батываются стали с содержанием углерода до 0,5% и цветные метал­лы. Это необходимо учитывать при выборе материала для изготовле­ния деталей сложной конфигурации.

Под коррозийной стойкостью понимают способность металлов про­тивостоять действию агрессивной внешней среды.

Коррозией называют процесс разрушения металла вследствие его химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой. Коррозию классифицируют по трем признакам: по механизму протекания, условиям протекания и характеру коррозийных поражений. По механизму протекания различают химическую и электрохимичес­кую коррозию. Первая протекает в атмосфере сухих газов при высоких температурах или в растворах неэлектролитов, примером является окис­ление стальных конструкций. Электрохимическая коррозия имеет мес­то при контакте с раствором электролита.

По условиям протекания различают газовую коррозию, протекаю­щую при высоких температурах; коррозию в электролитах, атмосфер­ную, морскую, в почве, коррозию внешним током и под напряжением; биокоррозию; фреттингкоррозию (при одновременном воздействии кор­розионной среды и сил трения); контактную коррозию, возникающую при контакте металлов, имеющих различные потенциалы; щелевую, про­текающую в узких щелях и зазорах между деталями.

По характеру коррозионных поражений различают сплошную (об­щую) и местную коррозию. Последняя может быть точечной (питтинг), избирательной, межкристаллитной.

В результате коррозии ежегодно выбывает из технического упот­ребления около 1/3 добываемого в мире металла, часть его перераба­тывается в сталеплавильных агрегатах, а оставшаяся часть, составля­ющая около 10% годового производства, теряется в виде пыли. Еже­годно потери металла в нашей стране составляют 15 млн. тонн. Наи­большие убытки возникают от выхода из эксплуатации конструкций, что подчеркивает необходимость разработки методов борьбы с коррозией.

Наиболее распространенным видом химической коррозии являет­ся газовая, для защиты от которой применяют специальное легирова­ние, то есть в сплав вводят компоненты, повышающие его жаростой­кость. Для изготовления деталей энергетических, химических, метал­лургических и других установок, работающих в условиях высоких тем­ператур, применяют стали, содержащие хром.

В качестве защиты от газовой коррозии применяют покрытия из хрома, алюминия, кремния и жаростойких сплавов, которые наносятся либо при погружении очищенных деталей в порошкообразные смеси (термодиффузионный метод), либо совместной прокаткой (плакирова­ние). Последний метод позволяет получить существенную экономию качественного металла. Себестоимость 1 т биметаллического листа (с плакирующим слоем) на 35-40% ниже, чем листа, изготовленного из высококачественной жаростойкой стали.

С целью защиты от электрохимической коррозии конструкции, ра­ботающие в условиях агрессивных сред, изготовляют из специальных легированных сталей и других сплавов. Например, для оборудования химических заводов применяют сталь, содержащую 17% хрома и 2% никеля.

Распространен также метод защиты, заключающийся в удалении некоторых агрессивных реагентов окружающей среды или в добавле­нии специальных веществ (ингибиторов), замедляющих процесс корро­зии. В качестве ингибиторов применяют нитрит и сульфит натрия, бихромат и хромат калия, которые входят в состав охлаждающих и смазывающих жидкостей. Ингибиторами могут быть и летучие вещества, например, органические аминосоединения, которыми пропитывают обер­точную бумагу,

Для конструкций, работающих в морской воде, почве, применяет­ся электрохимическая защита, которая осуществляется присоединени­ем металла, имеющего более отрицательный потенциал (протектора). Протектором может быть, например, цинковая пластина. При защите приложенным извне током конструкцию присоединяют к минусу источ­ника тока, а дополнительный электрод - к плюсу. Эти методы применя­ют для корпусов морских судов, трубопроводов, рельсов и т.д.

Наиболее распространенным является нанесение на поверхность конструкций металлических, неметаллических и химических защитных. покрытий.

Металлические покрытия подразделяются на катодные, электро­дный потенциал которых положительнее защищаемого металла, и анод­ные, электродный потенциал которых отрицательнее. Первые (медь, никель и др.) лишь механически защищают конструкцию от внешней среды. Вторые же (цинк и др.), кроме этого, защищают конструкцию электрохимическим путем (защищаемый металл играет роль катода и не растворяется). Указанные покрытия наносят на поверхность детали погружением в расплавленный металл, плакированием, гальваническим и другими методами. Для создания на поверхности изделия защитной пленки применяют оксидирование, которое осуществляется чаще элек­тролитическим путем. Оксидная пленка, помимо коррозионной защиты, повышает износостойкость.

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.

Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni, Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять (восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре. Кроме того, нужно иметь в виду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

В качестве неметаллических применяются органические и неор­ганические покрытия. К первым относятся минеральные масла, раство­ры парафинов, битумов, лакокрасочные покрытая, смолы. Ко вторым - цементные и бетонные покрытия, кислоупорные плитки, силикатные эмали.

При выборе метода защиты необходимо учитывать условия эксп­луатации и конструктивные особенности изделий из металла. Так, для деталей, работающих в высокотемпературных ус ловиях, лучше приме­нять металлические покрытия, в то время как для покраски мостов, открытых трубопроводов используют наиболее дешевые и эффектив­ные лакокрасочные покрытия. Из металлических покрытий наиболее дешевым является цинк. Однако его запасы весьма ограничены. По­крытия хромом и никелем относятся к самым дорогим. Покрытия из благородных металлов для технических изделий применяются в осо­бых случаях, например, в радиотехнике и т. д.