Základní vlastnosti kovů: chemické, fyzikální, mechanické — SpektrTsvet (Moskva)

Základní vlastnosti kovů jsou souborem výkonnostních charakteristik, na kterých závisí jejich vhodnost pro výrobu dílů, mechanismů, zařízení a konstrukcí. Některé z nich jsou lehké (hořčík, hliník, titan), jiné jsou těžké (olovo). Cín se snadno taví, ale roztavení železa nebo platiny vyžaduje hodně energie. Pro výrobu některých dílů je zvláštní pozornost věnována pevnosti a tvrdosti kovů, v jiných případech je důležitá tažnost nebo tepelná vodivost.

Existuje několik zajímavých faktů o vlastnostech kovů:

• Nejtvrdším kovem na Zemi je chrom. Tvrdost chrómu umožňuje vytvářet na kovových výrobcích ochranné povlaky zvyšující jejich životnost.
• Některé z nejměkčích kovů jsou hliník, stříbro a měď. Vzhledem k jejich nízké hmotnosti a plasticitě jsou široce používány v takových oblastech, jako je energetika, stavba lodí, letadla a raketová technika;
• zlato jako drahý kov má další důležitou vlastnost – tažnost, tažnost a kujnost. Zlato za normálních podmínek nekoroduje – aby v kovu začal proces oxidace, musí se zahřát na 100°C. Hodnota zlata je dána nejen jeho estetickými vlastnostmi, ale také vysokou odolností proti vlhkosti a tepelnou vodivostí;
• rtuť je jediný kov, který má přirozeně kapalnou formu (bod tání -38°C) a při teplotě 18 stupňů přechází do plynné fáze;
• Wolfram je nejvíce žáruvzdorný kov na světě. K vytvoření taveniny budete potřebovat teplotu 3420°C. Z tohoto důvodu se kov používá při výrobě dílů, které nesou hlavní tíhu tepelného šoku.

Možnost jejich použití při výrobě zařízení, strojů, stavebních materiálů, domácích potřeb nebo dekorativních výrobků závisí na vlastnostech kovů.

Klasifikace vlastností kovů

Vlastnosti všech kovů a jejich slitin přítomných v periodické tabulce jsou rozděleny do několika hlavních skupin, které umožňují rozlišit jejich fyzikální, chemické a technologické vlastnosti.

Fyzikální vlastnosti

Do kategorie fyzikálních vlastností patří schopnosti kovů, které se projevují pod vlivem jevů, které nemění jejich složení. Takže během procesu tavení kov přechází do kapalné fáze, ale jeho složení zůstává nezměněno. Mezi fyzikální vlastnosti patří:

• hustota je indikátor rovný poměru hmotnosti kovu k objemu, který zaujímá. Takže hustota železa je 7800, hliníku 2700, olova – 11300 kg / m3;
• barva je schopnost kovů odrážet světelné paprsky, které dopadají na jejich povrch. Naše zrakové orgány tedy vnímají hliník jako šedobílý a měď jako růžovočervený;
• tepelná vodivost je vlastnost kovů distribuovat teplo. Čím vyšší je tepelná vodivost, tím rychleji se teplo při zahřívání šíří kovem a uvolňuje se při ochlazování. Nejvíce tepelně vodivé kovy jsou měď a hliník. Železné kovy a jejich slitiny vedou teplo 5x hůře;
• Tepelná kapacita určuje množství tepla potřebného k zahřátí 1 kg kovu o jeden stupeň. Platina a olovo mají nízkou tepelnou kapacitu. Tepelná kapacita oceli a litiny je 4krát vyšší než u olova;
• Tavení je proces přechodu kovu z pevného skupenství do kapalné fáze. Kovy, které se za vysokých teplot mění v kapalinu, se nazývají žáruvzdorné (wolfram, chrom, platina). Nízkotavitelné materiály zahrnují cín a olovo. Teplota tání železa je -1539 stupňů Celsia, mědi -1083, cínu – 2319, uhlíkové oceli – od 1420 do 1520 °C;
• tepelná (tepelná) roztažnost – schopnost kovu zvětšovat svou velikost při zahřívání.

Fyzikální vlastnosti zahrnují elektrickou vodivost – schopnost kovu propouštět elektrický proud skrz sebe. Elektrická vodivost závisí na typu krystalové mřížky, struktuře kovu a vazbě mezi atomy a valenčními elektrony. Stříbro, měď a hliník jsou považovány za dobré proudové vodiče. Nichrome má vysokou odolnost vůči proudu a má nízkou elektrickou vodivost.

Chemické vlastnosti

Schopnost kovů a slitin interagovat s prostředím, interagovat s jinými látkami, rozpouštět se, korodovat a odolávat agresivním vlivům prostředí je dána jejich chemickými vlastnostmi. Mezi nejdůležitější chemické vlastnosti kovů patří:

• oxidace při styku se vzduchem a vodou, což má za následek rozvoj korozních procesů na povrchu kovů. Některé z nejodolnějších vůči vnější oxidaci jsou kortenové oceli, které patří do skupiny konstrukčních ocelí a obsahují legující přísady mědi a fosforu;
• odolnost vůči kyselinám a zásadám – schopnost kovů odolávat destruktivním účinkům chemicky aktivních sloučenin. Hliník je odolný vůči kyselinám a zásadám, stejně jako nerezová ocel s chromovaným povrchem;
• tepelná odolnost – vlastnost kovu nebo slitiny udržovat chemické vazby při vystavení vysokým teplotám.

Odolnost vůči elektrochemické korozi (destrukce kovu v prostředí elektrolytu) určuje možnost použití kovu při stavbě lodí a stavbě hydraulických konstrukcí. Za nejodolnější vůči elektrochemické korozi jsou považovány kovy patřící do „ušlechtilé“ skupiny – zlato, platina.

Mechanický výkon

Pojem základních mechanických vlastností kovů a slitin spojených se schopností materiálu odolávat zatížení, deformacím a vnitřním pnutím. Provozní rezerva a spolehlivost kovových výrobků závisí na mechanických vlastnostech. Patří sem:

• pevnost je vlastnost kovu odolávat působení vnějších sil bez zničení jeho struktury. Vlastnost je charakterizována konvenčním pojmem – mez pevnosti, který určuje celkové zatížení působící na zkušební vzorek do okamžiku přetržení ve vztahu k jeho průřezu. Ukazatel pevnosti závisí na typu deformace (tlak/tah, kroucení, smyk, ohyb);
• elasticita je vlastnost kovů měnit pod vnějším vlivem svůj tvar a obnovit jej po odeznění deformačního zatížení. Indikátor meze pružnosti je určen poměrem zatížení, při kterém se v kovu objeví trvalé prodloužení, k průřezu vzorku. Mez pružnosti oceli je tedy 300; měď – 25; olovo -2.5 MPa;
• plasticita je schopnost kovů, aniž by došlo k porušení, změnit svůj tvar vlivem vnějších mechanických sil a udržet si jej po odstranění zátěže. Příkladem tvárného kovu je ocel. Jeho tažnost se zvyšuje po zahřátí kovu, který je široce používán při výrobě válcovaných a kovaných ocelových výrobků;
• únava – změna mechanických vlastností materiálů vlivem cyklického namáhání a deformačního zatížení. Únava je nebezpečná, protože kovové části vystavené cyklické deformaci mohou být zničeny, i když zatížení nedosahuje maximálních hodnot pevnosti a tekutosti;
• křehkost je schopnost kovu podstoupit strukturální destrukci při zatížení bez známek deformace. Litina je považována za křehkou;
• tvrdost je vlastnost kovu odolávat vtlačení jiného, ​​tužšího materiálu do něj. Litina a ocel mají vysokou tvrdost, olovo nízkou tvrdost. Index tvrdosti se stanovuje v laboratorních podmínkách pomocí zkušebních metod Brinell, Rockwell a Vickers.

Mezi mechanické vlastnosti kovů patří také rázová houževnatost – jejich vlastnost, že se při rázovém zatížení nezničí. Rázová houževnatost se určuje zkouškou na kyvadlovém rázovém utahováku. Standardní vzorek je umístěn na podpěry a zničen břemenem padajícím z výšky.

Technologické charakteristiky

Schopnost kovů a slitin podstoupit různé druhy zpracování je dána jejich technologickými vlastnostmi. Mezi technologické vlastnosti kovů patří:

• kujnost je vlastnost kovů být kujný, nezbortit se a získat požadovaný tvar pod vlivem vnějšího zatížení. Vyhřívaná ocel má vysokou kujnost;
• vzácná tekutost – schopnost roztavených kovů plnit slévárenské formy. Šedá litina má vysokou rychlost vzácné tekutosti, měď má nízkou rychlost;
• smršťování je vlastnost roztavených kovů při ochlazení zmenšovat svůj objem a také vytvářet trhliny. Tato charakteristika se také používá ve slévárenském procesu. Formy a modely odlitků jsou vyráběny s ohledem na smrštění kovu. Šedá litina, zinek a slitiny hliníku vykazují nejmenší smrštění;
• řezání je schopnost kovů řezat, soustružit nebo řezat. Vezmeme-li v úvahu hlavní mechanické vlastnosti (nízká tuhost a tažnost), mnohé neželezné kovy se řežou snadněji než železné kovy.
• Svařitelnost je vlastnost kovů vytvářet pevné spojení vytvořením taveniny ve svařované zóně. Oceli s nízkouhlíkovou strukturou mají dobrou svařitelnost. Litina a slitiny neželezných kovů se svařují mnohem obtížněji.

Je třeba poznamenat, že v tomto článku jsme zvažovali pouze hlavní vlastnosti kovů. Existuje řada speciálních charakteristik, které se používají při výpočtech složitých technických kovových konstrukcí. Například pro stanovení vlastností feromagnetik se bere v úvahu magnetická permeabilita, koercitivní síla, indukce saturace, Curieův bod a hysterezní smyčka.

Neželezné kovy mají nižší hustotu, nižší tvrdost a nižší bod tání. Patří mezi ně měď a její slitiny – bronz, mosaz, zinek a hliník a jejich slitiny. Mají dobrou plasticitu, kvalitu, dobrou elektrickou vodivost a také vysokou tepelnou a odrazivou schopnost, proto se již dlouhou dobu hojně používají v různých oblastech lidské činnosti.

Korozivzdorné slitiny na bázi železa, mědi a hliníku se vyznačují pozoruhodnou kombinací tepelných, elektrických a mechanických vlastností a jsou vhodné pro provoz při nízkých absolutních teplotách od -269 do +20 stupňů. Kromě toho existují magnetické slitiny s feromagnetismem a také nemagnetické typy.

Fyzikální vlastnosti kovů a slitin

Kovy a slitiny mají mnoho různých fyzikálních, chemických, mechanických a technologických vlastností. Mezi fyzikální vlastnosti patří hustota, bod tání, tepelná a elektrická vodivost, roztažnost při zahřívání a magnetizace. Nejvodivější kovy jsou čisté kovy, včetně mědi, hliníku a železa. V závislosti na hustotě lze kovy rozdělit na těžké a lehké. Nejlehčí z nich je lithium s hustotou 0,531 kg/m3.

Tepelná vodivost – je schopnost kovů přenášet teplo z teplejších do chladnějších míst určitou rychlostí. Vysoká tepelná vodivost kovů umožňuje jejich rychlé a rovnoměrné ohřev a ochlazování. Mezi technickými materiály má měď nejvyšší tepelnou vodivost. Tepelná vodivost železa je výrazně nižší a u oceli se může měnit v závislosti na složkách obsažených v jejím složení. S rostoucí teplotou tepelná vodivost klesá a s klesající teplotou se zvyšuje.

Chemické vlastnosti kovů a slitin

Chemické vlastnosti kovů a slitin jim umožňují vykazovat odolnost vůči oxidaci a slučování s různými látkami, jako je atmosférický kyslík, kyselé roztoky a alkalické roztoky. Patří sem zejména takové chemické vlastnosti, jako je odolnost proti korozi, odolnost vůči kyselinám, odolnost vůči alkáliím a tepelná odolnost. Pro zlepšení jejich vlastností se do kovu přidávají speciální nečistoty, jako je chrom, vanad a wolfram.

Mechanické vlastnosti kovů a slitin

Mechanické vlastnosti – Toto jsou vlastnosti, které jsou určeny působením síly. Tento seznam zahrnuje pevnost, tvrdost, tažnost, pružnost, rázovou houževnatost a tepelnou odolnost kovů. Stanovují se pomocí různých zkoušek, jako jsou: zkoušky tahem, tlakem, ohybem, krutem a smykem, tvrdoměry, zkoušky kalením a tepelnou odolností. Pevnost, tvrdost a rázová houževnatost mají největší význam pro vlastnosti materiálů a jejich použití.

Pružnost — je schopnost kovu obnovit svůj tvar a objem po ukončení působení sil zvenčí. Tato schopnost je velmi důležitá pro výrobu pružin. Je také nutné stanovit plasticitu kovů, protože právě ta umožňuje, aby kovy byly vystaveny tlaku a kovány do požadovaného tvaru, aniž by došlo k jejich destrukci. Křehké kovy se při zatížení ničí, aniž by se změnil jejich tvar. Proto jsou k výrobě strojních součástí potřeba nejen pevné, ale i plastické kovy. Plastická deformace se používá k výrobě různých součástí a výrobků lisováním kovu nástrojem. To umožňuje výrazné zlepšení mechanických a dalších vlastností kovů.

Zpracování kovů plasty je proces, který zahrnuje různé metody, jako je válcování, tažení, lisování, kování a ražení. Válcování má zvláštní význam, protože tato výrobní metoda produkuje produkty, které jsou připraveny k použití v dodávce bez dalšího zpracování ve stavebnictví, strojírenství a zemědělství (např. štětovnice, kolejnice, profily pro strojírenství).

Technologické vlastnosti kovu

Technologické vlastnosti Vlastnosti materiálu umožňují jeho zpracování různými způsoby, a to za studena i za tepla. Mezi ně patří tvárnost, svařitelnost, zpracovatelnost, odolnost proti opotřebení a plnitelnost tvaru. Tvarovatelnost je schopnost kovu nebo slitiny nabývat požadovaného tvaru vlivem vnějších sil. Svařitelnost umožňuje vytváření vysoce kvalitních svarových spojů. Obrobitelnost umožňuje mechanické zpracování řezným nástrojem. Odolnost proti opotřebení charakterizuje schopnost materiálu odolávat mechanickým, fyzikálním nebo chemickým vlivům v průběhu času. Plnitelnost tvaru umožňuje kovu a slitinám vyplňovat licí formy. Pro zvýšení odolnosti materiálu proti opotřebení se často používají speciální prostředky ke zlepšení vlastností kovu a také výztužné struktury, které pomáhají kompenzovat opotřebení a rovnoměrně ho rozkládat.

Výzkum materiálu za účelem zjištění jeho vhodnosti pro další zpracování se nazývá technologické testyJedním typem takových zkoušek je ohybová zkouška ocelových trubek, která je určena k určení jejich schopnosti ohýbat se bez trhlin a trhlin. Předtím se vzorek naplní čistým suchým říčním pískem nebo jiným plnivem a poté se hladce ohýbá, dokud se nedosáhne určitého úhlu. Vzorek se považuje za vyhovující zkoušce, pokud se na něm nenajdou žádné zlomeniny, trhliny ani delaminace. Dalším typem technologických zkoušek je zkouška olemování trubek, která umožňuje určit jejich schopnost ohýbat se tímto způsobem. K tomu se používá trn, jehož poloměr zakřivení se rovná dvojnásobku tloušťky stěny trubky. Vhodnost pro olemování se posuzuje podle přítomnosti trhlin a trhlin na přírubě.

Test pro zploštění trubek je prostředek pro stanovení jejich pevnostních charakteristik. Za tímto účelem se konec trubky nebo její úsek o délce 20–50 mm zploští mezi dvěma rovnoběžnými rovinami plynulou rychlostí nepřesahující 25 mm/min. Úspěšnost zkoušky se prokazuje absencí trhlin nebo trhlin na vzorku. Pokud je trubka svařovaná, měly by být švy během zkoušky umístěny podél vodorovné osy.

Barva jisker závisí na druhu oceli a její odstín se pohybuje od tmavě žluté u nízkouhlíkové oceli po světle žlutou u nástrojové oceli. Rychlořezná ocel se vyznačuje tmavě červenou barvou jisker, které jsou přerušované a občas slabě rozvětvené. Vlastnosti kovů a slitin, které jim umožňují výraznou plastickou deformaci, je činí nezbytnými a užitečnými v technologii. Tlakové zpracování kovů jim dodává potřebný formát a velikost a také zlepšuje jejich mechanické vlastnosti.

Plastické tlakové zpracování kovů zahrnuje řadu metod, včetně válcování, tažení, lisování a kování. Válcování má zvláštní význam, protože produkuje produkty, které lze přímo použít ve stavebnictví, strojírenství a zemědělství (např. štětovnice, kolejnice, profily a mnoho dalšího).