Тема 1.4 Физические и химические свойства материалов
advertisement
Тема 1.4 Физические и химические свойства материалов К физическим относится свойствам плотность, плавления, теплопроводность, материалов температура электропроводность, магнитные свойства, коэффициент температурного расширения и др. Плотностью называется отношение массы однородного материала к единице его объема. Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые конструкции должны быть легкими и прочными. Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже темпе ратура плавления металла, тем легче протекают процессы его плавления, сварки и тем они дешевле. Электропроводностью называется способность материала хорошо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, особенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важным свойством, используемом в электроизоляционных материалах. Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы. Магнитными свойствами, т.е. способностью хорошо намагничиваться, обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы. Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризуют способность материала расширяться при нагревании. Это свойство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке железнодорожных и трамвайных путей и т.д. Разброс параметров у металлов очень велик, например, температура плавления может варьировать от 38,87 °C (Hg – ртуть) до 3380 °C (W – вольфрам), плотность – от 0,531 г/см3(Li – литий) до 22,5 г/см3(Os – осмий). Свойство Определение Значение для некоторых металлов Способность поверхности Металличе металла ский блеск отражать световые лучи Физическая величина, измеряемая Плотность, отношением массы тела к ρ его объему Примечание In и Ag отражают свет лучше других металлов, поэтому применяются для изготовления зеркал ρ < 5000 кг/м3 – легкие металлы: Li, Ca, Na, Mg, Al; ρ > 5000 кг/м3 – тяжелые металлы: Zn, Fe, Ni, Cr, Pb, Ag, Au, Os Самый легкий металл – литий: ρ = 530 кг/м3; самый тяжелый – осмий: ρ = 22600 кг/м3 Свойство Твердость, Н Пластичность Определение Значение для некоторых металлов Примечание Способность (свойство) твердого тела сопротивляться проникновению в него другого тела Твердость некоторых металлов по шкале Мооса: Н(Na) = 0,4; H(Sn) = 1,8; H(Ni) = 5; H(Cr) = 9 Самые мягкие металлы: K, Rb, Cs, Na (режутся ножом); самый твердый металл – Cr (режет стекло) Способность тела изменять форму под действием внешних сил без разрушения Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe В ряду наблюдается уменьшение пластичности Из пластичного золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм Значение для некоторых металлов Свойство Определение Температура плавления, Тпл Температура, при которой осуществляется процесс перехода вещества из твердого состояния в жидкое Тпл > 1000°С – тугоплавкие металлы: Au, Cu, Ni, Fe, Pt, Ta, Nb, Mo, W; Тпл < 1000 °C – легкоплавкие металлы: Hg, K, Sn, Pb, Zn, Mg, Al Самая низкая температура плавления у ртути – 39°С, самая высокая – у вольфрама – 3410°С Способность тела передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым Ag, Cu, Au, Al, W, Fe В ряду наблюдается уменьшение теплопроводности - Теплопроводн ость Примечание Свойство Определение Электроп Свойство вещества роводнос проводить электрический ток ть (обусловлено наличием в нем свободных электронов) Значение для некоторых металлов Примечание Ag, Cu, Au, Al, W, Fe В ряду наблюдаетс я уменьшение электропров одности При нагревании электропроводность уменьшается, так как усиливается колебательное движение атомов и ионов в узлах решетки и затрудняется движение электронов Химические свойства Характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способностью материалов действию этих веществ. . противостоять вредному Растворимость. Это - способность вещества растворятся в том или ином растворителе. Металлы растворяются в сильных кислотах и едких щелочах. В промышленном производстве наиболее часто употребляется серная, азотная и соляные кислоты, смесь азотной и соляной кислот (царская водка), а также щелочи - едкий натр и едкое кали. Растворение может быть частичным, затрагивающим только поверхностные слои, или полным, когда металл полностью переходит в раствор. Частичное растворение происходит, например, при травлении изделий для получения гладкой поверхности или для нанесения рисунка на изделие, полное - при растворении цинка в соляной кислоте в целях получения флюса для пайки. Окисляемость. Она характеризует способность металлов соединяться с кислородом и образовывать оксиды. Интенсивность окисления металлов пропорциональна энтальпии их оксидов (таблица 14). Для сравнения отметим, что энтальпия монооксида углерода СО составляет 111 кДЖ/моль Таблица 14. Устойчивость оксидов. Оксид Энтальпия, кДЖ/моль Оксид Энтальпия, кДЖ/моль CuO 157 MgO 602 FeO 265 TiO 944 ZnO 351 Al2O3 1533 SnO2 581 - - В ряде случаев образование прочной оксидной пленки на поверхности изделия желательно, так как пленка предохраняет металл от дальнейшего окисления. При пайке и сварке алюминиевых сплавов пленка препятствует соприкосновению припоя с чистой поверхностью металла. Коррозионная стойкость. Это - способность металла сопротивляться разрушению, которое вызвано химическим воздействием окружающее среды. Чисто химическая коррозия определяется главным образом окислением, электрохимическая коррозия возникает из-за физико-химической неоднородности металлов в присутствии жидкости, способной проводить электрический ток. Электрохимическая активность металлов характеризуется электронным потенциалом, измеренным относительно водорода (таблица 15). Таблица 15. Электрохимический ряд напряжений. Металл Электрически й потенциал Металл Электрически й потенциал Калий -2,92 Олово -0,14 Магний -1,55 Свинец -0,13 Алюминий -1,32 Водород 0 Цинк -0,76 Медь +0,34 Хром -0,51 Серебро +0,81 Железо -0,44 Ртуть +0,86 Никель -0,25 Золото +1,50 Взаимодействие металлов с газами. Количество отливки во многом зависит от взаимодействия металлов (особенно их жидких расплавов) с газами. Это взаимодействие представляет собой комплекс сложных физико-химических процессов, направленных в строну равновесия. Таблица 16. Взаимодействие жидких металлов с газами и углеродом. Sn Pb Zn Mg Al Cu Mn Ni Fe Ti Водород - - - + + + + + + + Кислород - - - - - + + + + + Азот - - - - - - + + + + Углерод - - - - - - + + + + Газ Взаимодействие с простыми веществами С кислородом большинство металлов образует оксиды – амфотерные и основные: 4Li + O2 = 2Li2O, 4Al + 3O2 = 2Al2O3. Щелочные металлы, за исключением лития, образуют пероксиды: 2Na + O2 = Na2O2. С галогенами металлы образуют соли галогеноводородных кислот, например, Cu + Cl2 = CuCl2. С водородом самые активные металлы образуют ионные гидриды – солеподобные вещества, в которых водород имеет степень окисления -1. 2Na + H2 = 2NaH С серой металлы образуют сероводородной кислоты: Zn + S = ZnS. сульфиды – соли С азотом некоторые металлы образуют нитриды, реакция практически всегда протекает при нагревании: 3Mg + N2 = Mg3N2. С углеродом образуются карбиды: 4Al + 3C = Al3C4. С фосфором – фосфиды: 3Ca + 2P = Ca3P2. Металлы могут взаимодействовать между собой, образуя интерметаллические соединения: 2Na + Sb = Na2Sb, 3Cu + Au = Cu3Au.
