Какие физические свойства металлов используется в технике

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.

Пористость

Среди физических, технологических и механических свойств материалов не последнее место занимает и пористость. Это степень заполнения объема изделия порами.

В данном контексте поры — это мельчайшие ячейки, заполненные водой или воздухом. Они могут быть крупными и мелкими, открытыми и закрытыми. Если мелкие поры, к примеру, заполнены воздухом, это повышает теплоизоляционные свойства материала. Величина пористости помогает судить и о других важных характеристиках — долговечности, прочности, водопоглощении, плотности.

Открытые поры сообщаются как с окружающей средой, так и между собой, могут искусственно заполняться водой при погружении материала в жидкость. Обычно чередуются с закрытыми. В звукопоглощающих материалах, к примеру, искусственно создается открытая пористость и перфорация — для более интенсивного поглощения звуковой энергии.

Закрытые поры по распределению и размеру характеризуется следующим:

• Интегральная кривая распределения объема пор в единице объема по их радиусам.
• Дифференциальная кривая распределения по радиусам объема пор.

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.

Плотность

Одно из важнейших свойств в материаловедении. Плотность разделяется на три категории:

• Истинная. Масса единицы объема материала, признанного абсолютно плотным.
• Средняя. Это уже масса единицы объема при естественном состоянии материала (с порами и пустотами). Таким образом, средняя плотность изделий из одного и того же материала может быть разной — в зависимости от пустотности и пористости.
• Насыпная. Используется для сыпучих материалов — это песок, щебень, цемент. Так называется отношение массы порошкообразных и зернистых материалов к ко всему занимаемому ими объему (включается в расчеты и пространство между частицами).

Вам будет интересно:Трон Ивана Грозного: описание, откуда появился, легенды, с ним связанные

Плотность материала влияет на его технологические характеристики — прочность, теплопроводность. Она будет прямо зависеть от пористости и влажности. С увеличением влажности, соответственно, плотность будет повышаться. Это и характерный показатель для определения экономичности материала.

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.

Какие физические свойства металлов используют в технике?

Техническая сторона вопроса в отношении металлов имеет четкий ответ – используются абсолютно все физические свойства. Меняется только степень влияния определенных свойств. В одном направлении делается упор на плотность, а в другом температуру плавления. Далее я детально остановлюсь на каждом из свойств по физике металлов.

1) Плотность

Базовая физическая величина, которая важна в 95% технических вопросов использования. Обращаясь к терминологии, плотность вещества – отношение массы к значению объема металлического тела. Выражается физическое свойство через граммы, деленные на сантиметры кубические. Реже используются килограммы на метры кубические.

Картинка выше, взятая их технической литературы дает возможность узнать плотность большинства популярных марок сталей, чугуна и прочих черных или цветных сплавов. Для измерения значения плотности нестандартных сплавов, которые не указаны в шаблонных таблицах, в 95%+ случаев используется гидростатический метод. В остальных 5% применяется пикнометрический метод.

ГОСТы по гидростатическому методу измерения плотности:

• 20018-74;
• 25281-82;
• 15239-69;
• ТУ 48-19-76-90.

В основе измерений лежат хорошо смачивающие материалы, которые не вступают в реакции с металлом + не улетучиваются в процессе проведения самих измерений. Обычно используется наиболее простой вариант – дистиллированная вода.

Важно: значение плотности является решающим при изготовлении деталей в авиационной и ракетной технике. Получаемые конструкции просто обязаны сочетать в себе прочность и легкость.

Вопрос оптимизации веса и прочности – одна из главных проблем современного конструирования. Именно плотность в данном вопросе несет решающее значение, а потому данный факт ставит физический параметр металлов в топ-3 по важности из всего прилагаемого списка свойств группы элементов.

2) Температура плавления

Большинство металлов располагают рядом оригинальных свойств, присущих исключительно им. У каждого имеется собственная критическая точка, при которой наступает разрушение кристаллической решетки и переход из твердой формы в жидкую с сохранением объема металлического элемента. Описанный процесс называется плавлением металлов и в металлургической промышленности он является основой производства.

Важно: в технике используются сплавы из чистых металлов и легирующих добавок. Получить нужные свойства без применения процесса плавления невозможно.

Новые соединения образуются в процессе смешивания кристаллических решеток чистых элементов. Температура плавления – величина непостоянная, зависящая от концентрации входящих в сплав компонентов.

В зависимости от температуры плавления, металлы подразделяют на 3 категории – легкоплавкие, среднеплавкие и тугоплавкие. Первые имеют верхний порог расплавки менее 1 000 по Цельсию, а последние более 1500 градусов.

О применении тугоплавких и легкоплавких металлов в технике ниже.

12 физ. и хим. характеристик металла, что плавится в руках

Наиболее популярным и наглядным применением тугоплавких металлов является нити накалывания в лампах. Из металлопроката можно выделить полосы вытяжки, фольгу, трубы и проволоку.

3) Электропроводимость

В основе данного свойства лежит способность металла в проводимости электрического тока. Значение является обратным величине электрического сопротивления. Обозначение параметра в технической литературе – «G», а единица измерения в соответствии с международной системой – сименсы (См).

Наибольшей проводимостью электрического тока может похвастаться серебро (62 500 000 См/м). Так как сам по себе металл относится к группе «благородных», делать из него проводку весьма дорого. В качестве более дешевой альтернативы используется медь (59 500 000 См/м). Ее более высокая температура плавления дает возможность продлить срок службы конструкционного элемента, целью которого является проводимость электричества.

Обратите внимание: любой из сплавов имеет намного меньшую электрическую проводимость нежели чистое вещество.

Причиной тому служит слияние структурной сетки элементов, из-за чего прекращается нормальная работа электронов внутри нового металлического вещества. Формирование базы знаний вокруг рассматриваемого свойства происходило за счет теории электропроводимости металлов.

В нее входит 6 пунктов:

1. Высокая проводимость повязана на количестве свободных электронов;
2. Возникновение тока происходит за счет внешнего воздействия на металл, в результате чего происходит упорядочивание движения электронов внутри элемента.
3. Сила тока, проходящего через металл, рассчитывается на основании закона Ома.
4. Разное число элементарных частиц влияет на значение сопротивления.
5. Ток в цепи возникает сразу же после воздействия на электроны.
6. При повышении температурного режима увеличивается и сопротивление металла.

Наибольшей электропроводимостью могут похвастаться металлы из щелочной группы, но из-за их ограничений по другим свойствам (температура плавления и химическая активность), их применение в технике и промышленности крайне ограничено.

Где используются электроповодимые металлы:

• при заземлении электроустановок;
• с целью выравнивания потенциалов;
• как громоотводы.

Ну и основная функция проводников – это доставка электричества. Обход наукой стороной данного свойства не позволил бы развиваться техническому прогрессу как таковому в принципе.

6 шагов, как отличить медь от латуни в домашних условиях

4) Какие еще физические свойства металлов используют в технике: теплопроводимость

Теплопроводимость веществ – неотъемлемая часть термодинамики. В отношении металла данное свойство показывает на сколько хорошо материал способен распределять тепло по всей плоскости металлического объекта. Транспортировка тепловой энергии происходит за счет движения элементарных частиц внутри элемента – атомы, электроны и так далее.

Справочные значения тепловой проводимости для популярных металлов и сплавов представленный на картинке выше. Более детальные таблицы представлены в специализированной литературе по материаловедению.

Обратите внимание: значения теплопроводимости подают на промежутке от 0 до 600 по Цельсию.

Сказать о тотальном преимуществе металлов с высокой или низкой теплопроводиомстью нельзя. Все зависит от сферы применения материала.

В каких областях важен рассматриваемый параметр:

• строительство. Приоритет на низкую проводимость материалов. В таких помещениях температура будет сохранять оптимальные показатели как летом, так и зимой;
• отопительные системы. Актуально в производстве радиаторов и труб для транспортировки тепла;
• техника. В определенных направлениях приборостроения важна защита от перегрева. При таких требованиях выбор материала-оболочки осуществляется на основании теплопроводимости материала.

Важно понимать, что при образовании новых типов сплавов параметр проводимости тепла изменяется. Чтобы узнать актуальные значения, используются опытные методы определения. Частный выбор зависит от особенностей исследуемого металла.

Базовые физические свойства металлов:

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.

Определение

Физические свойства материала — все свойства, которые присущи веществам без химического воздействия на них.

Любой материал остается неизменным (самим собой) при одном условии — до тех пор, пока неизменен его состав, а также строение его молекул. Если вещество немолекулярное — пока сохраняется одинаковым его состав и связь между атомами. А уже различия в физических свойствах и иных характеристиках материала помогают разделять смеси, состоящие из него.

Вам будет интересно:Праздное любопытство — это безопасно?

Важно знать и то, что физические свойства материала могут быть различными для различных его агрегатных материалов. Скажем, тепловые, электрические, механические, физические, оптические свойства вещества зависят от избранного направления в кристалле.

Влагоотдача

Это способность материала отдавать влагу в окружающую среду. Находясь на воздухе, сырье и изделия сохраняют свою влажность только в определенных условиях — при относительной равновесной влажности воздуха. Если показатель ниже этой величины, то материал начинает отдавать влагу в атмосферу, высушиваться.

Скорость этого процесса зависит от нескольких факторов: от разности между влажностью самого материала и влажностью воздуха (чем она больше, тем интенсивнее высушивание), от свойств самого материала — его пористости, природы, гидрофобности. Так, сырье с крупными порами, гидрофобное будет легче отдать жидкость, нежели материал гидрофильный, с мелкими порами.

Водопроницаемость

Водопроницаемостью называется способность материала отдавать жидкость при его высушивании и поглощать воду при увлажнении.

Во время исследования физических свойств материалов нужно обратить внимание на то, что насыщение водой может проходить двумя путями: при воздействии вещества в жидком состоянии или при воздействии только его пара.

Отсюда выходят и два других важных свойства — это гигроскопичность и водопоглощение.

Воздухостойкость

Воздухостойкостью называется способность материала в течение длительного времени выдерживать многократное систематическое высушивание и увлажнение без потерь своей механической плотности, а также без значительных деформаций.

Какие-то материалы при периодическом увлажнении начинают разбухать, какие-то — дают усадку, какие-то — слишком коробятся. Древесина, например, подвергается знакопеременным деформациям. Цемент при частом увлажнении-высыхании склонен разрушаться, осыпаться.

Гигроскопичность

Как определяется данное физическое свойство материалов в материаловедении? Гигроскопичность — способность поглощать водяные пары и удерживать их внутри себя как следствие капиллярной конденсации. Напрямую зависит от относительной влажности и температуры воздуха, размера, разновидности и количества пор вещества, его природы.

Если материал активно притягивает своей поверхностью молекулы воды, то он называется гидрофильным. Если материал, напротив, отталкивает их от себя, то он носит имя гидрофобного. Помимо этого, отдельные гидрофильные материалы отлично растворяются в воде, в то время как гидрофобные стойко сопротивляются воздействию водных сред.