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

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.