5 физических свойств металлов, которые используют в технике
Если речь заходит о взаимосвязях между свойствами и применением металлов, то путь лежит к науке «материаловедение». В сегодняшней статье я лишь вкратце расскажу, какие физические свойства металлов используются в технике. Для более глубокого понимания тематики, советую ознакомиться с другими статьями в рамках данного сайта.
Оглавление
Пара слов о группе металлов и ее свойствах
Металлические металлы подразделяются на 2 категории – черные и цветные. К первым относят различные сплавы и чистые вариации с железом, а остальные – это цвет металл. В чистом виде группа металлических элементов имеет низкие показатели механических свойств, из-за чего при 98% случаев в технике и промышленности используются разнообразные сплавы.
Обратите внимание: практическая значимость различных типов металлов сильно варьируется. Наибольшее значение имеет железо. На базе данного материала изготавливается более 88% всей металлургической продукции в мире.
Группа цветных металлов хоть и применяется реже, но ее физические и химические свойства являются более уникальными, и заменить их более доступным аналогом бывает просто невозможно. Среди промышленно значимых цвет металлов наибольшее значение имеет алюминий, медь, магний и титан.
О базовых свойствах металлов расскажу отдельной таблицей.
| Категория | Свойство | Описание |
|---|---|---|
| Механика | Прочность | Потенциал металлического элемента в сопротивлении к разрушительным действиям из вне. |
| Твердость | Потенциал сопротивляться прониканию другого металлического элемента под силой тяжести или под внешней нагрузкой. | |
| Вязкость | Сопротивление металлического элемента в отношении нагрузок динамического характера. | |
| Упругость | Уровень восстановления формы + изначальных физических параметров формы после окончания приложения усилия на элемент из вне. | |
| Пластичность | Уровень пиковых изменений формы без существенных разрушений общей структуры металлического элемента. | |
| Хрупкость | Разрушение металла в результате воздействия внешних сил при отсутствии деформаций остаточного типа. | |
| Технология | Ковкость | Способность металлического материала выдерживать внешнее воздействие (обработку) под давлением не разрушаясь структурно. |
| Свариваемость | На сколько качественные швы способен образовывать выбранный металл в процессе сварочных работ. | |
| Резка | На сколько хорошо металл обрабатывается инструментами режущего типа (ножницы по металлу и прочее). | |
| Химия | Жаростойкость | Потенциал металла в оказании сопротивления окислительным процессам под воздействием газовой среды в комбинации с высоким температурным воздействием. |
| Жаропрочность | Потенциал сохранения механических свойств элемента в условия влияния высокого температурного режима. | |
| Износостойкость | Предельно допустимые значения сопротивляемости верхнего слоя металла в отношении разрушающего воздействия силы трения. | |
| Стойкость к радиации | На сколько хорошо внешняя и внутренняя структура материала способна оказывать сопротивление воздействию ядерного облучения. |
В твердом состоянии подавляющее большинство металлов имеет кристаллическое строение решетки. Форма может быть одной из трех – кубическая объёмно-центрическая, гранецентрическая или гексагональная с плотной упаковкой атомов.
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.
| Тугоплавкие металлы | Легкоплавкие металлы |
|---|---|
| Применение в сварке. Все мы знаем об электродах из вольфрамового сплава. В данном случае металл выступает в качестве основы для расходника. | Жидкометаллические тепловые носители нашли применение в энергетической промышленности и машиностроении. |
| Элементы в электронике. | Изготовление моделей выплавляемого типа. |
| Космос и авиация. Некоторые сплавы используются в сверхзвуковой авиации и производстве космических кораблей. | Вакуумная техника. Применение в уплотнениях, пайке швов и прочем подобном. |
| Военная промышленность. Как правило, конструктивно важные элементы, которые обязаны быть защищены от высоких температур и расплавки, упаковывают в оболочки из тугоплавкого металла. | Микроэлектроника, а именно покрытие различных датчиков, предохранителей и конечно же использование в качестве припоев. |
| Применяются при разработке техники вакуумного типа. | Используются как основа для расплавляемой смазки для металлов. |
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:
- Высокая проводимость повязана на количестве свободных электронов;
- Возникновение тока происходит за счет внешнего воздействия на металл, в результате чего происходит упорядочивание движения электронов внутри элемента.
- Сила тока, проходящего через металл, рассчитывается на основании закона Ома.
- Разное число элементарных частиц влияет на значение сопротивления.
- Ток в цепи возникает сразу же после воздействия на электроны.
- 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.
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:
5) Магнетизм
Способность металлов намагничиваться или притягиваться магнитами стоит на втором месте по важности для ниши техники. Существует 2 способа определения уровня магнетизма металлов – магнитно-металлографический метод и магнитная металлография. Второй реализовать проще, ибо в основе лежат проявления магнитных свойств на поверхности исследуемого образца металлического элемента.
О классификации металлических элементов в чистом виде по отношению к магнитным полям расскажу отдельной таблицей.
| Группа | Отношение | Представители |
|---|---|---|
| Ферромагниты | Могут набирать магнитное поле при воздействии слабых магнитных полей. | Кобальт, железо, никель, гадолиний. |
| Парамагниты | Практически не набирают магнитное поле вне зависимости от его силы воздействия. | Хром, титан, алюминий, лантан, лютеций и другие лантаноиды. |
| Диамагниты | Совсем не притягиваются к магнитам + некоторые могут даже отталкиваться. | Олово, висмут, медь. |
По факту, магнитными свойствами обладает очень мало металлов, но в повседневности использование магнита указывает нам на противоположный факт. Причина тому 90% промышленности, которая в основе сплавов использует железо, проявляющее крайне сильные ферромагнитные свойства по отношению к магнитным полям.
Где нужны магнитные свойства металлов:
- в акустических системах, при производстве реле и бесконтактных датчиков;
- при изготовлении бытовой техники – сепараторы и холодильники;
- электромашины;
- элементы узлов в кодовых замках и охранных сигнализациях;
- техногенераторы;
- датчики расположения;
- приборы для измерения электричества;
- периферия на ПК;
- узлы в телефонах, видеокамерах и фотоаппаратах;
- узлы устройств для обработки воды, топлива и масел. Иными словами – магнитные фильтры.
В дополнение, металлы с магнетизмом – это источник прогресса в медицине и автоматизированных транспортных системах. Ну и не будем забывать о магнитных устройствах, что используются в рекламе, реализациях, выставках и прочих мероприятиях по всему миру.
Некоторые специалисты к физическим свойствам относят также коэффициенты линейного и объемного расширений. Данные параметры характеризуют способность металлов расширяться в процессе нагревания. Особо важно учитывать данный параметр в строительной сфере – мосты, железные дороги, трамвайные пути и тому подобное. Так как свойство является составляющей теплопроводимости, рассматривать отдельно его я не вижу смысла.
На этом разбор вопроса считаю исчерпанным. Теперь вы в полной мере знаете, какие физические свойства металлов используют в технике и прочих сферах деятельности человека. При возникновении вопросов, можете изложить их в комментариях.
