Какие физические свойства металлов используют в технике

Обновлено: 07.01.2025

В условиях комнатной температуры и без применения давления все вещества обладают твердым состоянием. Но есть галлий, он уже при 30 градусах тепла начинает деформироваться, тает в руках. Можно отметить характеристики:

Высокая пластичность. Хрупкие только марганец, олово и цинк.
Могут быть легкие и тяжелые. Сравни алюминий с осмием.
Температура плавления очень большая. Есть и исключения, например, ртуть, именно по этой причине ее используют в классических термометрах.
Цвет – серый, серебристый, голубоватый. Редкими являются цветные изделия, например, желтые или красные.
Увеличенная проводимость тепла и электричества, особенно у меди, поэтому имеют популярность медные провода.

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.

Классификация и виды металлов

Есть чистые, однокомпонентные структуры и сплавы. Самым классическим примером можно назвать различные виды стали. Они различаются по ГОСТу в соответствии с добавлением легирующих добавок. Чем больше содержание углерода, тем крепче материал. Также есть общепринятое разграничение, ниже представим подтипы.

Черные

Их добывают из металлической руды. В производстве они занимают 90% от всего сырья. Обычно это чугуны и стали. Для изменения характеристик добавляют большее или меньшее количество углерода и легирующие добавки: медь, кремний, хром, никель.

Одним из очень популярных подвидов является нержавейка, которая отличается своим блеском поверхности и уникальными свойствами – легкостью, высокой прочностью и устойчивостью к влажности, температурным перепадам.

Что относится к цветным металлам

Второе название – нежелезные, то есть сплавы не содержат в себе железа, а состоят из более дорогостоящих материалов. Вещества имеют различный цвет, отличаются уникальными качествами:

долговечность;
длительное сохранение свойств;
образование оксидной пленки, которая препятствует коррозии.

Благодаря этому, определенные разновидности можно использовать в медицине, ювелирном деле, химической промышленности, при изготовлении электрических проводов. К цветмету относится алюминий, цинк, олово, свинец, никель, хром, серебро, золото и другие.

Медь и ее сплавы являются популярными металлами

Медная руда была обработана человеком одна из первой, потому что она подвергается холодному методу ковки и штамповки. Податливость привела к востребованности повсеместно. Кислород в составе приводит к красному отливу. Но уменьшение валентности в различных соединениях приведет к желтому, зеленому, синему цвету. Привлекательным качеством считается отличная теплопроводность – на втором месте после серебра, поэтому она применяется для проводов. Соединения могут быть:

твердыми – в сочетании с железом, мышьяком, цинком, фосфором;
с плохой растворимостью с висмутом, свинцом;
хрупкими – с серой или кислородом.

К металлам относятся алюминий и сплавы

Al открыт в 1825 году и отличается легкостью и простотой в металлообработке. Производится из бокситов, при этом запасы этой горной породы практически неиссякаемы. Далее элемент соединяют в различных пропорциях с медью, марганцем, магнием, цинком, кремнием. Реже с титаном, литием, бериллием. Особенности в зависимости от добавок:

хорошая свариваемость;
устойчивость к коррозии;
высокая усталостная прочность;
пластичность.

Его применяют для изготовления ювелирных изделий, столовых приборов, а также для стекловарения, в пищевой и военной промышленности, для создания ракет и для производства водорода и тепла в алюмоэнергетике.

Все о металлах магний, титан и их сплавах

Mg – самое легкое вещество из этой группы. Не обладает прочностью, но есть достоинства, например, пластичность, химическая активность. Благодаря высокой конструкционной способности его добавляют в составы, чтобы увеличивать свариваемость, простоту металлообработки режущим ножом. Необходимо учитывать, что магний очень восприимчив к ржавлению.

Титан имеет похожие качества – легкость, пластичность, серебристый цвет. Но антикоррозийная пленка появляется при первом соприкосновении с кислородом. Отличительные особенности – низкая теплопроводность, электропроводность, отсутствие магнитизма. Металл, содержащий титан, – это вещество, используемое для авиационной, химической, судостроительной промышленности.

Антифрикционные сплавы

Характерная особенность этой группы – удобство применения при механических воздействиях. Они практически не создают трения, а также снижают его у других композитов. Очень часто они выступают в качестве твердой смазки для узлов, например, для подшипников. В составе обычно бывает фторопласт, латунь, бронза, железографит и баббит.

Мягкие

Это те, у которых ослаблены металлические связи. По этой причине они имеют более низкую температуру плавления и кипения, просто деформируются. Иногда можно одним нажатием пальца сделать вмятину, ногтем оставить царапину К ним относятся: медь, серебро, золото, бронза, свинец, алюминий, цезий, натрий, калий, рубидий и другие. Одним из наиболее мягких является ртуть, она находится в природе в жидком состоянии.

Что значит твердый металл

В природе такая руда встречается крайне редко. Порода находится у упавших метеоритов. Один из наиболее популярных – хром. Он тугоплавкий и легко поддается металлообработке. Еще один элемент – вольфрам. Он очень плохо плавится, но при правильной обработке используется в осветительных приборах благодаря устойчивости к теплу и гибкости.

Металлические материалы в энергетике

Мы бы не имели такую развитую электросеть и массу приборов, потребляющих электричество, если бы ряд веществ не отличались наличием свободных электронов, положительных ионов и высокой проводимостью. Провода делают из свинца, меди и алюминия. Отлично бы подошло серебро, но его редкость влияет на стоимость, поэтому редко используется.

Особенности черных вторичных металлов

Это отходы, которые образуются в результате одного из этапа металлообработки – ковки, резки. Это могут быть обрезки или стружки. Они отправляются в сталеплавильные печи, но перед этим должны пройти проверки по ГОСТу. Лом называют чермет, его различают на стальной и чугунный по цене. Его использование очень востребовано вместо обработки руды.

Щелочноземельные сплавы

Это твердые вещества, которые имеют высокую химическую активность. В чистом виде встречаются очень редко, зато применяются в соединениях. Их значение нельзя переоценить с точки зрения анатомии человека и животного. Магний и кальций – необходимые микроэлементы.

Понятие щелочной металл

Они способны растворяться в воде, образуя щелочь. Из-за своей повышенной химической активности (вступление в реакцию происходит с бурным действием, воспламенением, выделением газа, дыма) в природе почти не встречается. Ведь на внешнем уровне всего один электрон, который легко отдается любому веществу. Гидроксиды очень важны в промышленности.

Общая характеристика материалов из d- и f-семейств

Это переходные элементы, которые могут являться как окислителями, так и восстановителями. Свойства зависят от среды, в которой они находятся. Но есть и общие:

на внешнем уровне много электронов;
несколько степеней окисления;
увеличенная валентность;
прочность;
тягучесть;
ковкость.

Из чего состоят побочные подгруппы металлов системы Менделеева

По сути это разновидности предыдущей категории – переходные элементы. Это линейка от скандия до цинка. Они часто выплавляются и обладают фактически такими же характеристиками, как и вышеперечисленные материалы из d- и f-семейств.

Пластичность:

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними.

Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются.

Пластичность зависит и от чистоты металла. Так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.

Сравнение свойств

Вторая часть элементов в периодической системой отличается многообразием характеристик, поэтому почти невозможно привести полную сводную таблицу. Мы предлагаем таблицу, на которой представлено 4 отличительные черты:

Признаки	Металлы	Неметаллы
Положение в П. С.	Под диагональю бор-астат	Над ней
Строение атома	Большой атомный радиус, чисто электронов на последнем слое — от 1 до 3	Маленький, от 4 до 7 — соответственно
Физические св-ва	Электропроводность, теплопроводность, блеск, ковкость, пластичность, по агрегатному состоянию, в основном, твёрдые	Диэлектрики, неблестящие, хрупкие, газы, жидкости и летучие твёрдые вещества
Кристаллические решетки	Металлическая	Молекулярная, атомная
Химические св-ва	Восстановители	Окислительные (иногда восстанов-ли)

Мы рассказали про металл, что это за материал, как он используется. Если вам нужны станки по металлообработке, закажите их в .

Наполнение термина

Физические свойства вещества включают такие как:

Вязкость.
Температура плавления.
Плотность.
Температура кипения.
Теплопроводность.
Цвет.
Консистенция.
Проницаемость диэлектрическая.
Абсорбция.
Теплоемкость.
Эмиссия.
Радиоактивность.
Индуктивность.
Текучесть.
Электропроводность.

А физические свойства материала представлены в основном следующим:

Плотность.
Пустотность.
Пористость.
Гигроскопичность.
Водопроницаемость.
Влагоотдача.
Водопоглощение.
Воздухостойкость.
Морозостойкость.
Термическое сопротивление.
Теплопроводность.
Огнестойкость.
Огнеупорность.
Радиационная стойкость.
Химическая стойкость.
Долговечность.

И физические, и химические, и технологические свойства материалов одинаково важны. Но мы разберем подробнее первую категорию. Представим характеристику самых важных физических свойств конструкционных материалов.

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.

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

Это физическое свойство — способность материалов пропускать через себя жидкость под давлением. Характеризуется объемом воды ,которая за 1 час проходит через 1 кв. м материала под давлением в 1 МПа.

Важно отметить, что встречаются и полностью водонепроницаемые материалы. Это сталь, битум, стекло, основные разновидности пластмасс.

Инструментальные сплавы

Предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие соединения должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Добавление к сплавам веществ, улучшающих их свойства, называют легированием. Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

5 физических свойств металлов, которые используют в технике

Какие физические свойства металлов используют в технике: краткий обзор свойств группы металлов + 5 главных свойств.

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.

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:

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.

4. Применение металлов и их сплавов

О том, что свойства металлов меняются при их сплавлении, стало известно ещё в древности. \(5\) тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.

Свойства чистых металлов, как правило, не соответствуют необходимым требованиям, поэтому практически во всех сферах человеческой деятельности используют не чистые металлы, а их сплавы.

Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких отдельных веществ.

В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы, например, такие как углерод или кремний.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Например, чистое железо — сравнительно мягкий металл. При добавлении в железо углерода твёрдость его существенно возрастает. По количеству углерода, а следовательно, и по твёрдости, различают сталь (содержание углерода менее \(2\) % по массе), чугун (\(С\) — более \(2\) % ). Но не только углерод изменяет свойства стали. Добавленный в сталь хром делает её нержавеющей, вольфрам делает сталь намного более твёрдой, добавка марганца делает сплав износостойким, а ванадия — прочным.

Сплавы, используемые для изготовления различных конструкций, должны быть прочными и легко обрабатываемыми.

Такие сплавы железа, как стали, отличаются высокой прочностью и твёрдостью. Их можно ковать, прессовать, сваривать.

Чугуны используют для изготовления массивных и очень прочных деталей. Например, раньше из чугуна отливали радиаторы центрального отопления, канализационные трубы, до сих пор изготавливают котлы, перила и опоры мостов. Изделия из чугуна изготавливаются с применением литья.

Сплавы алюминия, используемые в конструкциях, наряду с прочностью должны отличаться лёгкостью. Дюралюминий, силумин — сплавы алюминия, они незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.

Для улучшения ударопрочности, коррозионной стойкости, износоустойчивости сплавы легируют — вводят специальные добавки. Добавка марганца делает сталь ударопрочной. Чтобы получить нержавеющую сталь, в состав сплава вводят хром.

Инструментальные сплавы предназначены для изготовления режущих инструментов, штампов и деталей точных механизмов. Такие сплавы должны быть износостойкими и прочными, причём при разогревании их прочность не должна существенно уменьшаться. Таким требованиям отвечают, например, нержавеющие стали, которые прошли специальную обработку (закалку).

Для придания необходимых свойств инструментальные стали, как правило, легируют вольфрамом, ванадием или хромом.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии.

Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов.

Из сплавов меди в электротехнической промышленности и в приборостроении наиболее широкое применение находят латуни и бронзы.

Латуни незаменимы при изготовлении приборов, деталью которых являются запорные краны. Такие приборы используются в сетях подачи газа и воды.

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда. А также в литейном деле для производства выплавляемых моделей, для фиксации костей и протезирования в медицине.

Сплав натрия с калием (температура плавления \(–\)\(12,5\) °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.


Рис. \(7\). Припой (сплав для паяния) имеет невысокую температуру плавления	Рис. \(8\). Легкоплавкие сплавы незаменимы в датчиках пожарной сигнализации

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей.

Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Чистое золото используют очень редко, так как оно слишком мягкое, легко деформируется и царапается.

Из сплавов золота с \(10–30\) % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с \(25–30\) % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Оловянная бронза (сплав меди с оловом) — один из первых освоенных человеком сплавов металлов. Она обладает большей, по сравнению с чистой медью, твёрдостью, прочностью и более легкоплавка. Бронзы успешно применяют для получения сложных по конфигурации отливок, включая художественное литьё. Классической маркой бронзы является колокольная бронза.

Одно из новых направлений в искусстве — производство художественных литых изделий из чугуна. Литые изделия из чугуна существенно превосходят по качеству кованые изделия.

Чугун — металл гораздо более хрупкий и не такой ковкий, как сталь. Но даже из такого, казалось бы, грубого материала можно получать настоящие произведения литейного искусства способом литья, например, такие как литые лестницы или решётки на окна. Такие изделия подвержены лишь поверхностной коррозии и не требуют тщательного ухода.

Какие физические свойства металлов используется в технике

Читайте также: