Physikalische Eigenschaften von Metallen. Physikalische Eigenschaften von Metallen - Knowledge Hypermarket Physikalische Eigenschaften von Metallen der Gruppe IVB

Alle Metalle und Metall-Legierungen bestimmte Eigenschaften haben. Eigenschaften Metalle und Legierungen unterteilt in vier Gruppen: physikalisch, chemisch, mechanisch und technologisch.

Physikalische Eigenschaften. Zu physikalischen Eigenschaften Metalle und Legierungen Dazu gehören: Dichte, Schmelzpunkt, Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung, spezifische Wärme, elektrische Leitfähigkeit und Magnetisierbarkeit. Die physikalischen Eigenschaften einiger Metalle sind in der Tabelle aufgeführt:

Physikalische Eigenschaften von Metallen

Name

Spezifisch

Gewicht, g 1cm 3

Schmelzpunkt, °C

Linearer Ausdehnungskoeffizient, α 10 -6

Spezifische Wärmekapazität C, cal/g-grad

Wärmeleitfähigkeit λ,

Kal./cm Sek.-Grad

Elektrischer Widerstand bei 20°, Ohm mm / M

Aluminium

Wolfram

Mangan

Molybdän

Dichte. Die in einer Volumeneinheit enthaltene Stoffmenge wird aufgerufen Dichte. Die Dichte des Metalls kann je nach Herstellungsverfahren und Art der Verarbeitung variieren.

Temperaturschmelzen. Als Temperatur bezeichnet man die Temperatur, bei der ein Metall vollständig vom festen in den flüssigen Zustand übergeht Schmelzpunkt. Jedes Metall oder jede Legierung hat seinen eigenen Schmelzpunkt. Die Kenntnis des Schmelzpunkts von Metallen hilft, thermische Prozesse bei der Wärmebehandlung von Metallen richtig durchzuführen.

Wärmeleitfähigkeit. Die Fähigkeit von Körpern, Wärme von stärker erhitzten Partikeln auf weniger erhitzte zu übertragen, wird als Wärmeleitfähigkeit bezeichnet . Die Wärmeleitfähigkeit eines Metalls wird durch die Wärmemenge bestimmt, die durch einen Metallstab mit einem Querschnitt von 1 cm 2 fließt , 1cm lang innerhalb von 1 Sek. bei einem Temperaturunterschied von 1°C.

ThermalVerlängerung. Durch Erhitzen eines Metalls auf eine bestimmte Temperatur dehnt es sich aus.

Das Ausmaß der Dehnung eines Metalls beim Erhitzen lässt sich leicht bestimmen, wenn der lineare Ausdehnungskoeffizient α des Metalls bekannt ist. Der Volumenausdehnungskoeffizient des Metalls ß beträgt 3α.

SpezifischWärmekapazität. Wärmemenge, die zum Erhöhen der Temperatur 1 erforderlich ist G Stoff pro 1 °C wird als spezifische Wärmekapazität bezeichnet. Metalle haben im Vergleich zu anderen Stoffen eine geringere Wärmekapazität, sodass sie ohne große Hitze erhitzt werden können.

Elektrische Leitfähigkeit. Man bezeichnet die Fähigkeit von Metallen, elektrischen Strom zu leiten elektrische Leitfähigkeit. Die Hauptgröße, die die elektrischen Eigenschaften eines Metalls charakterisiert, ist der spezifische elektrische Widerstand ρ, d. h. der Widerstand, den ein 1 m langer Draht eines bestimmten Metalls dem Strom entgegensetzt und Abschnitt 1 mm 2. Sie wird in Ohm angegeben. Der Kehrwert des elektrischen Widerstands wird aufgerufen elektrLeitfähigkeit.

Die meisten Metalle sind gut leitfähig, beispielsweise Silber, Kupfer und Aluminium. Mit steigender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit ab, mit sinkender Temperatur steigt sie.

Magnetische Eigenschaften. Die magnetischen Eigenschaften von Metallen werden durch folgende Größen charakterisiert: Remanente Induktion, Koerzitivkraft und magnetische Permeabilität.

Restinduktion (INR) ist die magnetische Induktion, die in einer Probe verbleibt, nachdem sie magnetisiert und das Magnetfeld entfernt wurde. Die Restinduktion wird in Gauß gemessen.

Zwangsgewalt (NS) ist die magnetische Feldstärke, die an die Probe angelegt werden muss, um die Restinduktion auf Null zu reduzieren, also die Probe zu entmagnetisieren. Die Koerzitivkraft wird in Oersted gemessen.

Die magnetische Permeabilität μ charakterisiert die Fähigkeit eines Metalls, unter der durch die Formel bestimmten Größe magnetisiert zu werden

Eisen, Nickel, Kobalt und Gadolinium werden von einem äußeren Magnetfeld viel stärker angezogen als andere Metalle und behalten dauerhaft ihre Magnetisierungsfähigkeit. Diese Metalle werden ferromagnetisch (vom lateinischen Wort ferrum – Eisen) genannt und ihre magnetischen Eigenschaften werden Ferromagnetismus genannt. Beim Erhitzen auf eine Temperatur von 768 °C (Curie-Temperatur) verschwindet der Ferromagnetismus und das Metall wird unmagnetisch.

Chemische Eigenschaften. Chemische Eigenschaften von Metallen und Metall-Legierungen Nennen Sie die Eigenschaften, die ihren Zusammenhang mit der chemischen Wirkung verschiedener Wirkmedien bestimmen. Jedes Metall oder jede Metalllegierung verfügt über eine gewisse Fähigkeit, den Auswirkungen dieser Umgebungen zu widerstehen.

Die chemischen Einflüsse der Umwelt äußern sich in unterschiedlicher Form: Eisen rostet, Bronze wird mit einer grünen Oxidschicht überzogen, Stahl oxidiert beim Erhitzen in Härteöfen ohne Schutzatmosphäre, verwandelt sich in Zunder, löst sich in Schwefelsäure auf usw Daher ist es für den praktischen Einsatz von Metallen und Legierungen notwendig, ihre chemischen Eigenschaften zu kennen. Diese Eigenschaften werden durch die Gewichtsänderung der Prüfkörper pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit bestimmt. Beispielsweise wird die Beständigkeit von Stahl gegen Zunderbildung (Wärmebeständigkeit) bestimmt, indem das Gewicht der Proben um 1 in 1 Stunde erhöht wird. dm Oberfläche in Gramm (Zunahme entsteht durch die Bildung von Oxiden).

Mechanische Eigenschaften. Mechanische Eigenschaften bestimmen die Leistung Metall-Legierungen wenn es äußeren Kräften ausgesetzt wird. Dazu gehören Festigkeit, Härte, Elastizität, Duktilität, Schlagzähigkeit usw.

Zur Bestimmung mechanischer Eigenschaften Metall-Legierungen Sie werden verschiedenen Tests unterzogen.

Versuchzugfest(brechen). Dies ist die Hauptprüfmethode zur Bestimmung der Proportionalitätsgrenze σ pts, der Streckgrenze σ S, Zugfestigkeit σ B relative Dehnung σ und relative Kontraktion ψ.

Für die Zugprüfung werden spezielle Proben hergestellt – zylindrisch und flach. Sie können unterschiedlich groß sein, abhängig von der Art der Zugprüfmaschine, mit der das Metall geprüft wird.

Die Funktionsweise der Zugprüfmaschine ist wie folgt: Der Prüfling wird in den Kopfklemmen fixiert und mit steigender Kraft stufenweise gedehnt R bis zur Pause.

Zu Beginn des Tests wird die Probe bei kleinen Belastungen elastisch verformt, ihre Dehnung ist proportional zum Anstieg der Belastung. Die Abhängigkeit der Dehnung einer Probe von der aufgebrachten Belastung nennt man Gesetz der Verhältnismäßigkeit.

Als größte Belastung wird diejenige bezeichnet, der eine Probe standhalten kann, ohne vom Proportionalitätsgesetz abzuweichen VorVerhältnismäßigkeit Brecheisen:

σ pc = Рр/Fo

FÖ mm 2.

Mit zunehmender Belastung weicht die Kurve zur Seite ab, d. h. das Proportionalitätsgesetz wird verletzt. Auf den Punkt gebracht R r die Verformung der Probe war elastisch. Die Verformung wird als elastisch bezeichnet, wenn sie nach Entlastung der Probe vollständig verschwindet. In der Praxis wird die Elastizitätsgrenze für Stahl gleich der Proportionalitätsgrenze angenommen.

Bei einem weiteren Anstieg der Belastung (über den Punkt Re) die Kurve beginnt deutlich abzuweichen. Als geringste Belastung wird diejenige bezeichnet, bei der sich die Probe verformt, ohne dass es zu einer merklichen Belastungszunahme kommt Streckgrenze:

σ S=Ps/Fo

Wo , kgf;

F o - anfängliche Querschnittsfläche der Probe, mm 2. Nach der Streckgrenze steigt die Belastung bis zu einem Punkt an Re, wo es sein Maximum erreicht. Durch Division der maximalen Belastung durch die Querschnittsfläche der Probe erhält man die Zugfestigkeit:

σb=Pb/Fo,

F o - anfängliche Querschnittsfläche der Probe, mm 2. Am Punkt R k die Probe bricht. Anhand der Veränderung der Probe nach dem Bruch wird die Plastizität des Metalls beurteilt, die durch die relative Dehnung δ und die Verengung ψ gekennzeichnet ist.

Unter relativer Dehnung versteht man das Verhältnis des Längenzuwachses der Probe nach dem Bruch zu ihrer Anfangslänge, ausgedrückt in Prozent:

δ= l 1 - l 0 / l 0 · 100%

Wo l 1 - Länge der Probe nach dem Bruch, mm;

l 0 - anfängliche Probenlänge, mm.

Die relative Kontraktion ist das Verhältnis der Verringerung der Querschnittsfläche der Probe nach dem Bruch zu ihrer ursprünglichen Querschnittsfläche

φ= F o- F 1 / F 0 · 100%,

Wo F o - anfängliche Querschnittsfläche der Probe, mm 2;

F 1 - Querschnittsfläche der Probe an der Bruchstelle (Hals), mm 2.

Kriechtest. Kriechen ist eine Eigenschaft Metall-Legierungen unter Dauerbelastung und hohen Temperaturen langsam und kontinuierlich plastisch verformen. Der Hauptzweck des Kriechversuchs besteht darin, die Kriechgrenze zu bestimmen – die Größe der Spannung, die über einen langen Zeitraum bei einer bestimmten Temperatur wirkt.

Für Teile, die längere Zeit bei erhöhten Temperaturen betrieben werden, wird nur die Kriechgeschwindigkeit während eines stationären Prozesses berücksichtigt und Randbedingungen festgelegt, beispielsweise 1°/o pro 1000 Stunden. oder 1°/o pro 10.000 Stunden.

Versuchfür Schlagfestigkeit. Als Widerstandsfähigkeit gegen Stoßbelastungen wird die Fähigkeit von Metallen bezeichnet Schlagfestigkeit. Baustähle werden hauptsächlich der Schlagzähigkeitsprüfung unterzogen, da sie neben einer hohen statischen Festigkeit auch eine hohe Schlagzähigkeit aufweisen müssen.

Nehmen Sie zum Testen eine Probe mit Standardform und -größe. Die Probe wird in der Mitte durchtrennt, so dass sie beim Testen an dieser Stelle bricht.

Die Probe wird wie folgt getestet. Der Prüfling wird auf die Stützen der Pendelramme gelegt Kerbe zum Bett . Pendel Gewicht G auf eine Höhe gehoben H 1 . Beim Fallen aus dieser Höhe zerstört das Pendel die Probe mit der Messerkante und steigt anschließend in die Höhe H 2 .

Die aufgewendete Arbeit wird aus dem Gewicht des Pendels und seiner Hubhöhe vor und nach der Zerstörung der Probe ermittelt. A.

Da wir die Zerstörungsarbeit der Probe kennen, berechnen wir die Schlagfestigkeit:

α Zu=A/F

Wo A- Arbeitsaufwand für die Vernichtung der Probe, kgsm;

F - Querschnittsfläche der Probe an der Einschnittstelle, cm 2.

WegBrinell. Die Essenz dieser Methode ist , Dabei wird mithilfe einer mechanischen Presse eine gehärtete Stahlkugel unter einer bestimmten Belastung in das zu prüfende Metall gedrückt und die Härte wird durch den Durchmesser des resultierenden Abdrucks bestimmt.

Rockwell-Methode. Zur Bestimmung der Härte nach der Rockwell-Methode wird ein Diamantkegel mit einem Spitzenwinkel von 120° verwendet. oder Stahlkugel mit einem Durchmesser von 1,58 mm. Bei dieser Methode wird nicht der Durchmesser des Abdrucks gemessen, sondern die Eindringtiefe eines Diamantkegels oder einer Stahlkugel. Die Härte wird unmittelbar nach Testende durch den Indikatorpfeil angezeigt. Bei der Prüfung gehärteter Teile mit hoher Härte werden ein Diamantkegel und eine Belastung von 150 verwendet. kgf. In diesem Fall wird die Härte auf einer Skala gemessen MIT und bezeichnen H.R.C. Wenn beim Testen eine Stahlkugel und eine Last von 100 kgf verwendet werden, wird die Härte auf einer Skala gemessen IN und bezeichnen HRB. Verwenden Sie zum Testen sehr harter Materialien oder dünner Produkte einen Diamantkegel und eine Last von 60 kgf. Die Härte wird auf einer Skala gemessen A und bezeichnen HRA.

Teile zur Härtebestimmung an einem Rockwell-Gerät müssen gut gereinigt und frei von tiefen Flecken sein. Mit der Rockwell-Methode können Sie Metalle genau und schnell testen.

Vickers-Methode . Bei der Härtebestimmung nach der Vickers-Methode wird eine tetraedrische Diamantpyramide mit einem Grenzflächenwinkel von 136° als Spitze in das Material eingedrückt. Der resultierende Abdruck wird mit einem im Gerät enthaltenen Mikroskop vermessen. Ermitteln Sie dann anhand der Tabelle die Härtezahl H.V. Bei der Härtemessung wird eine der folgenden Belastungen verwendet: 5, 10, 20, 30, 50, 100 kgf. Kleine Belastungen ermöglichen die Bestimmung der Härte dünner Produkte und Oberflächenschichten nitrierter und cyanidierter Teile. Das Vickers-Instrument wird häufig in Labors verwendet.

Methode zur Bestimmung der Mikrohärte . Mit dieser Methode wird die Härte sehr dünner Oberflächenschichten und einiger Strukturbauteile gemessen. Metall-Legierungen.

Die Mikrohärte wird mit dem PMT-3-Gerät bestimmt, das aus einem Mechanismus zum Eindrücken einer Diamantpyramide unter einer Last von 0,005–0,5 besteht kgf und metallographisches Mikroskop. Als Ergebnis des Tests wird die Länge der Diagonale des resultierenden Drucks bestimmt und anschließend der Härtewert aus der Tabelle ermittelt. Als Proben zur Bestimmung der Mikrohärte werden Schliffbilder mit polierter Oberfläche verwendet.

Elastische Rückstoßmethode. Zur Bestimmung der Härte mit der elastischen Rückstoßmethode wird ein Shore-Gerät verwendet, das wie folgt funktioniert. Auf der gut gereinigten Oberfläche des Prüfteils aus großer Höhe N der mit einer Diamantspitze ausgestattete Stürmer fällt. Nach dem Auftreffen auf die Oberfläche des Teils steigt der Schläger in die Höhe H. Die Härtewerte werden anhand der Höhe des Rückpralls des Schlägers berechnet. Je härter das zu prüfende Metall ist, desto größer ist die Rückprallhöhe des Schlagbolzens und umgekehrt. Das Gerät von Shore wird hauptsächlich zur Prüfung der Härte großer Kurbelwellen, Pleuelköpfe, Zylinder und anderer großer Teile eingesetzt, deren Härte mit anderen Geräten nur schwer zu messen ist. Mit dem Gerät von Shore können Sie geschliffene Teile überprüfen, ohne die Oberflächenqualität zu beeinträchtigen. Allerdings sind die erhaltenen Testergebnisse nicht immer genau.

Härteumrechnungstabelle

Abdruckdurchmesser (m

m) nach Brinell, Kugeldurchmesser 10 mm, Belastung 3000 kgf

Härtezahl gem

Brinell NV

Rockwell-Skala

Vickers HV

Kratzmethode. Diese Methode zeichnet sich im Gegensatz zu den beschriebenen dadurch aus, dass es bei der Prüfung nicht nur zu einer elastischen und plastischen Verformung des geprüften Materials, sondern auch zu dessen Zerstörung kommt.

Zur zerstörungsfreien Überprüfung der Härte und Qualität der Wärmebehandlung von Stahlrohlingen und Fertigteilen wird derzeit ein Gerät eingesetzt – ein induktiver Fehlerdetektor DI-4. Dieses Gerät arbeitet mit Wirbelströmen, die durch ein elektromagnetisches Wechselfeld angeregt werden, das von Sensoren in den gesteuerten Teilen und der Referenz erzeugt wird.

Dichte. Dies ist eine der wichtigsten Eigenschaften von Metallen und Legierungen. Entsprechend ihrer Dichte werden Metalle in folgende Gruppen eingeteilt:

Lunge(Dichte nicht mehr als 5 g/cm 3) – Magnesium, Aluminium, Titan usw.:

schwer- (Dichte von 5 bis 10 g/cm 3) - Eisen, Nickel, Kupfer, Zink, Zinn usw. (dies ist die umfangreichste Gruppe);

sehr schwer(Dichte über 10 g/cm3) – Molybdän, Wolfram, Gold, Blei usw.

Tabelle 2 zeigt die Dichtewerte von Metallen. (Diese und die folgenden Tabellen charakterisieren die Eigenschaften jener Metalle, die die Grundlage für Legierungen für den Kunstguss bilden).

Tabelle 2. Metalldichte.

Schmelztemperatur. Je nach Schmelzpunkt wird das Metall in folgende Gruppen eingeteilt:

schmelzbar(Schmelzpunkt überschreitet 600 °C nicht) – Zink, Zinn, Blei, Wismut usw.;

mittelschmelzend(von 600 °C bis 1600 °C) – dazu gehören fast die Hälfte der Metalle, darunter Magnesium, Aluminium, Eisen, Nickel, Kupfer, Gold;

feuerfest(mehr als 1600 °C) – Wolfram, Molybdän, Titan, Chrom usw.

Quecksilber ist eine Flüssigkeit.

Bei der Herstellung künstlerischer Gussteile bestimmt der Schmelzpunkt des Metalls oder der Legierung die Wahl des Schmelzgeräts und des feuerfesten Formmaterials. Beim Einbringen von Zusatzstoffen in ein Metall sinkt in der Regel der Schmelzpunkt.

Tabelle 3. Schmelz- und Siedepunkte von Metallen.

Spezifische Wärme. Dies ist die Energiemenge, die erforderlich ist, um die Temperatur einer Masseneinheit um ein Grad zu erhöhen. Die spezifische Wärmekapazität nimmt mit zunehmender Ordnungszahl eines Elements im Periodensystem ab. Die Abhängigkeit der spezifischen Wärmekapazität eines Elements im festen Zustand von der Atommasse wird näherungsweise durch das Gesetz von Dulong und Petit beschrieben:

m a cm = 6.

Wo, m a- Atommasse; cm- spezifische Wärmekapazität (J/kg * o C).

Tabelle 4 zeigt die spezifische Wärmekapazität einiger Metalle.

Tabelle 4. Spezifische Wärmekapazität von Metallen.

Latente Schmelzwärme von Metallen. Diese Eigenschaft (Tabelle 5) bestimmt zusammen mit der spezifischen Wärmekapazität der Metalle maßgeblich die erforderliche Leistung des Schmelzaggregats. Das Schmelzen eines niedrig schmelzenden Metalls erfordert manchmal mehr Wärmeenergie als das Schmelzen eines hochschmelzenden Metalls. Beispielsweise erfordert das Erhitzen von Kupfer von 20 auf 1133 °C anderthalbmal weniger Wärmeenergie als das Erhitzen der gleichen Menge Aluminium von 20 auf 710 °C.

Tabelle 5. Latente Wärme von Metall

Wärmekapazität. Die Wärmekapazität charakterisiert die Übertragung von Wärmeenergie von einem Körperteil auf einen anderen, genauer gesagt die molekulare Wärmeübertragung in einem kontinuierlichen Medium aufgrund des Vorhandenseins eines Temperaturgradienten. (Tabelle 6)

Tabelle 6. Wärmeleitfähigkeitskoeffizient von Metallen bei 20 °C

Die Qualität des Kunstgusses hängt eng mit der Wärmeleitfähigkeit des Metalls zusammen. Während des Schmelzprozesses ist es wichtig, nicht nur eine ausreichend hohe Temperatur des Metalls sicherzustellen, sondern auch eine gleichmäßige Temperaturverteilung über das gesamte Volumen des Flüssigkeitsbades zu erreichen. Je höher die Wärmeleitfähigkeit, desto gleichmäßiger verteilt sich die Temperatur. Beim Lichtbogenschmelzen erreicht der Temperaturunterschied über den Badquerschnitt trotz der hohen Wärmeleitfähigkeit der meisten Metalle 70–80 °C, bei einem Metall mit geringer Wärmeleitfähigkeit kann dieser Unterschied 200 °C oder mehr erreichen.

Beim Induktionsschmelzen werden günstige Bedingungen für den Temperaturausgleich geschaffen.

Wärmeausdehnungskoeffizient. Dieser Wert, der die Änderung der Abmessungen einer 1 m langen Probe bei Erwärmung um 1 °C charakterisiert, ist wichtig für Emailarbeiten (Tabelle 7)

Die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Metallbasis und Email sollten möglichst nahe beieinander liegen, damit das Email nach dem Brennen nicht reißt. Die meisten Emails, die einen Feststoffkoeffizienten aus Siliziumoxiden und anderen Elementen darstellen, haben einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Wie die Praxis gezeigt hat, haften Emails sehr gut auf Eisen und Gold, weniger fest auf Kupfer und Silber. Man kann davon ausgehen, dass Titan ein sehr gut geeignetes Material zum Emaillieren ist.

Tabelle 7. Wärmeausdehnungskoeffizient von Metallen.

Reflexionsvermögen. Dabei handelt es sich um die Fähigkeit eines Metalls, Lichtwellen einer bestimmten Länge zu reflektieren, die vom menschlichen Auge als Farbe wahrgenommen werden (Tabelle 8). Metallfarben sind in Tabelle 9 aufgeführt.

Tabelle 8. Zusammenhang zwischen Farbe und Wellenlänge.

Tabelle 9. Metallfarben.

Reine Metalle werden in der dekorativen und angewandten Kunst praktisch nicht verwendet. Zur Herstellung verschiedener Produkte werden Legierungen verwendet, deren Farbeigenschaften sich deutlich von der Farbe des Grundmetalls unterscheiden.

Im Laufe der Zeit wurden umfangreiche Erfahrungen mit der Verwendung verschiedener Gusslegierungen für die Herstellung von Schmuck, Haushaltsgegenständen, Skulpturen und vielen anderen Arten des Kunstgusses gesammelt. Der Zusammenhang zwischen der Struktur der Legierung und ihrem Reflexionsvermögen ist jedoch noch nicht geklärt.

Aus dem Chemiekurs der 8. Klasse haben Sie bereits eine Vorstellung von der Natur der chemischen Bindung, die in Metallkristallen besteht – der metallischen Bindung. Erinnern wir uns daran, dass sich an den Knotenpunkten der Metallkristallgitter Atome und positive Ionen von Metallen befinden, die durch gemeinsame Außenelektronen verbunden sind, die zum gesamten Kristall gehören. Diese Elektronen kompensieren die elektrostatischen Abstoßungskräfte zwischen den positiven Ionen und binden sie dadurch, wodurch die Stabilität des Metallgitters gewährleistet wird.

Die metallische Bindung bestimmt alle wichtigen physikalischen Eigenschaften von Metallen: Plastizität, elektrische und thermische Leitfähigkeit, metallischer Glanz und andere Eigenschaften, die für diese Klasse einfacher Stoffe charakteristisch sind.

Unter Plastizität versteht man die Eigenschaft eines Stoffes, unter äußerer Einwirkung seine Form zu verändern und die angenommene Form nach Wegfall dieser Einwirkung beizubehalten.

Die Fähigkeit, durch einen Schlag flachgedrückt oder unter Krafteinwirkung in einen Draht gezogen zu werden, ist die wichtigste mechanische Eigenschaft von Metallen. Es liegt einem Beruf zugrunde, der von den meisten Völkern der Welt respektiert wird, nämlich dem Beruf des Schmieds. Nicht umsonst war der Gott des Feuers bei verschiedenen Völkern der Schutzpatron der Schmiedekunst: bei den Griechen – Hephaistos, bei den Römern – Vulkanier, bei den Slawen – Svarog.

Die Plastizität von Metallen beruht auf der Fähigkeit einiger Schichten von Atomionen in Kristallen, sich unter äußerem Einfluss leicht im Verhältnis zu anderen Schichten zu verschieben (als würden sie gleiten), ohne die Bindungen zwischen ihnen aufzubrechen (Abb. 26).

Reis. 26.
Verschiebung von Schichten in einem Metallkristallgitter unter mechanischer Einwirkung

Am duktilsten sind Gold, Silber und Kupfer. Aus Gold kann beispielsweise eine 0,003 mm dicke „Goldfolie“ hergestellt werden, die zur Vergoldung von Produkten verwendet wird (Abb. 27).

Reis. 27.
Die hohe Duktilität von Gold wird zur Vergoldung der Innenräume von Palästen genutzt

Die hohe elektrische Leitfähigkeit der meisten Metalle beruht auf der Anwesenheit beweglicher Elektronen in ihren Kristallgittern, die sich unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes gerichtet bewegen (Abb. 28).

Reis. 28.
In Metallkristallgittern bewegen sich bewegliche Elektronen unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes und erzeugen so einen elektrischen Strom

Beim Erhitzen nehmen die oszillierenden Bewegungen der Ionen im Kristall zu, was die Richtungsbewegung der Elektronen behindert und zu einer Abnahme der elektrischen Leitfähigkeit führt. Beim Abkühlen erhöht sich die elektrische Leitfähigkeit von Metallen und nahe dem absoluten Nullpunkt geht sie in Supraleitung über. Silber und Kupfer haben die höchste elektrische Leitfähigkeit, Mangan, Blei, Quecksilber und Wolfram die niedrigste.

Eine Eigenschaft wie die Wärmeleitfähigkeit von Metallen ist auch mit der hohen Beweglichkeit freier Elektronen verbunden: Beim Zusammenstoß mit an Gitterplätzen schwingenden Ionen tauschen die Elektronen mit ihnen Energie aus. Wenn die Temperatur steigt, werden die Schwingungen der Ionen über Elektronen auf andere Ionen übertragen und die Temperatur des gesamten Metallobjekts gleicht sich schnell an.

Die glatte Oberfläche von Metallen zeichnet sich durch einen metallischen Glanz aus – das Ergebnis der Reflexion von Lichtstrahlen. Beim Pulverisieren verlieren die meisten Metalle ihren Glanz und werden schwarz oder grau, und nur Aluminium und Magnesium behalten beim Pulverisieren ihren Glanz. Spiegel werden aus Aluminium, Silber und Palladium hergestellt, die das höchste Reflexionsvermögen aufweisen und auch in Scheinwerfern verwendet werden.

Die meisten Metalle zeichnen sich durch eine weiße oder graue Farbe aus. Gold und Kupfer sind gelb bzw. gelbrot gefärbt.

Von den anderen physikalischen Eigenschaften von Metallen sind Härte, Dichte und Schmelzpunkt von größtem praktischem Interesse.

Alle Metalle (außer Quecksilber) zeichnen sich unter normalen Bedingungen durch einen festen Aggregatzustand aus. Allerdings ist ihre Härte unterschiedlich. Am härtesten sind die Metalle der sekundären Nebengruppe der Gruppe VI (Gruppe VIB) des Periodensystems von D. I. Mendelejew. Daher kommt Chrom in seiner Härte der von Diamant nahe. Am weichsten sind die Metalle der Hauptuntergruppe der Gruppe I (Gruppe IA) des Periodensystems von D. I. Mendelejew – die Alkalimetalle. Natrium und Kalium lassen sich beispielsweise leicht mit einem Messer schneiden.

Aufgrund ihrer Dichte werden Metalle in leichte (Dichte unter 5 g/cm3) und schwere (Dichte über 5 g/cm3) unterteilt. Zu den Leichtmetallen zählen Alkali-, Erdalkalimetalle und Aluminium. Zu den Übergangsmetallen gehören Scandium, Yttrium und Titan. Aufgrund ihrer Leichtigkeit und Feuerfestigkeit werden diese Metalle zunehmend in verschiedenen Bereichen der Technik eingesetzt.

Das leichteste Metall ist Lithium (p = 0,53 g/cm3). Am schwersten ist Osmium (p = 22,6 g/cm3).

Leichtmetalle haben normalerweise einen niedrigen Schmelzpunkt, Gallium kann in der Handfläche schmelzen und Schwermetalle sind feuerfest. Wolfram hat den höchsten Schmelzpunkt, der bei 3380 °C liegt. Diese Eigenschaft von Wolfram wird zur Herstellung von Glühlampen genutzt (Abb. 29, 1). Darüber hinaus umfasst das Design der Lampe sieben weitere Metalle.

Reis. 29.
Lampen, bei deren Herstellung verschiedene Metalle verwendet werden: 1 - Glühlampe; 2 - Halogenlampe; 3 - Leuchtstofflampe; 4 - LED-Lampe

In der Russischen Föderation wurde derzeit, wie zuvor in der Europäischen Union und den Vereinigten Staaten, auf Landesebene beschlossen, herkömmliche Glühlampen durch sparsamere und langlebigere moderne Lampen wie Halogen, Leuchtstofflampen und LED zu ersetzen. Eine Halogenlampe (Abb. 29, 2) ist eine Glühlampe mit einem Wolframfaden, gefüllt mit Inertgasen unter Zusatz von Halogendampf (Brom oder Jod). Leuchtstofflampen (Abb. 29, 3) sind Leuchtstofflampen, die Ihnen bekannt sind, aber einen wesentlichen Nachteil haben: Sie enthalten Quecksilber und erfordern daher besondere Entsorgungsvorschriften an speziellen Sammelstellen. LED-Lampen (Abb. 29, 4) sind die wirtschaftlichsten und langlebigsten (Lebensdauer bis zu 100.000 Stunden), aber bisher auch die teuersten Lampen.

Reis. dreißig.
Metalle werden herkömmlicherweise in zwei Gruppen eingeteilt: Eisen (a – Gusseisen; b – Stahl); farbig (c – Kupfer; d – Aluminium)

Wie Sie bereits wissen, werden Metalle in der Technik in Eisen (Eisen und seine Legierungen) und Nichteisenmetalle (auf alle anderen wird im nächsten Absatz näher eingegangen) unterteilt (Abb. 30). Zu den Edelmetallen zählen Gold, Silber, Platin und einige andere Metalle (Abb. 31).

Reis. 31.
Edelmetalle: Gold (1, 2); Platin (3); Silber (4, 5);

Neue Wörter und Konzepte

  1. Plastik.
  2. Elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit.
  3. Metallischer Glanz.
  4. Härte von Metallen.
  5. Dichte von Metallen.
  6. Leicht- und Schwermetalle.
  7. Eisen- und Nichteisenmetalle.
  8. Edelmetalle.

Aufgaben für selbständiges Arbeiten

  1. Nennen Sie das am besten schmelzbare Metall.
  2. Welche physikalischen Eigenschaften von Metallen werden in der Technik genutzt?
  3. Der photoelektrische Effekt, also die Eigenschaft von Metallen, unter dem Einfluss von Lichtstrahlen Elektronen auszusenden, ist charakteristisch für Alkalimetalle, beispielsweise Cäsium. Warum? Wo wird diese Immobilie genutzt?
  4. Welche physikalischen Eigenschaften von Wolfram liegen seiner Verwendung in Glühlampen zugrunde?
  5. Welche Eigenschaften von Metallen liegen figurativen literarischen Ausdrücken zugrunde: „Silberfrost“, „Goldene Morgenröte“, „Bleiwolken“?
Ziel: Den Grund für die besonderen physikalischen Eigenschaften von Metallen aufdecken.
Aufgaben:
1. Berücksichtigen Sie die physikalischen Eigenschaften von Metallen;
2. Die Fähigkeit entwickeln, die physikalischen Eigenschaften von Metallen zu unterscheiden; Eigenschaften definieren;
3. Fördern Sie Kollektivismus, Aufmerksamkeit und Genauigkeit.
Ausstattung: PSHE, Bildmaterial „Metalle“
Unterrichtsart: Neues Material lernen
Methoden: verbal, visuell
Arbeitsformen: individuell, kollektiv
Während des Unterrichts
Zeit organisieren
Begrüßung, Überprüfung der Unterrichtsbereitschaft der Klasse, psychologische Stimmung.
Hausaufgabenbefragung
Frontalvermessung
1. Was bedeutet das Wort „Metall“?
2. Wie viele Metalle enthält PSHE insgesamt? Wo befinden Sie sich?
3. Wie viele Elektronen befinden sich in der äußeren Elektronenschicht in den Atomen der Elemente der Haupt- und Nebennebengruppen? Warum?
4. Wie sind Metallatome miteinander verbunden?
2. Chemisches Diktat
BaCO3, CaO, LiOH, HNO3, SO3, CrO, Fe2O3, NaCl, Al(OH)3, HCl, CaCO3, KNO3
Präsentation von neuem Material
Der große russische Wissenschaftler M. V. Lomonossow sagte über Metalle: „Metall ist ein fester, undurchsichtiger und leichter Körper, der im Feuer geschmolzen und kalt geschmiedet werden kann.“
1. Metallischer Glanz ist eine optische Eigenschaft von Metallen, die durch die Anzahl der Außenelektronen bestimmt wird. Dieses Anwesen wurde von den Menschen schon immer geschätzt und trug sogar zur Entstehung lebendiger künstlerischer Bilder bei. Diese Eigenschaft wird nur bei Kristallen beobachtet; Metalle in Pulverform haben keinen Glanz. Alle Metalle sind glänzend, undurchsichtig und normalerweise grau gefärbt, da der Raum um ihre Kristalle mit Elektronengas gefüllt ist. Wenn Elektronen Licht absorbieren, beginnen sie zu schwingen und emittieren Strahlungswellen, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden. Auch Metalle sind für Radiowellen undurchsichtig: Sie reflektieren sie. Darauf basiert Radar – das Erkennen von Metallobjekten.
2. Elektrische und thermische Leitfähigkeit. Die elektrische Leitfähigkeit wird durch die Anwesenheit frei beweglicher Elektronen bestimmt. Silber und Kupfer haben die höchste elektrische Leitfähigkeit, gefolgt von Gold, Aluminium und Eisen. Merkur hat am wenigsten.
Die Wärmeleitfähigkeit hängt mit der Beweglichkeit der Elektronen und der Schwingungsbewegung der Teilchen im Kristall zusammen. Dank dieser Phänomene gleicht sich die Temperatur im Metallstück schnell an. Ein silberner Löffel erhitzt sich 500-mal schneller als ein Glas.
3. Formbarkeit und Duktilität. Beim Aufprall zerfallen Metalle nicht in kleine Stücke, sondern werden abgeflacht und verändern ihre Form, d. h. zum Schmieden geeignet. Dies liegt daran, dass sich einzelne Atom- und Ionenschichten in einem Metallkristall relativ zueinander bewegen können, ohne dass die Metallbindung aufbricht. Elektronen bewegen sich durch das Metallstück und binden die verschobenen Schichten.
Die Plastizität von Metallen nimmt in der Reihe ab: Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn, Fe.
Gold ist das duktilste Metall: Aus 1 g Gold lassen sich bis zu 2 km Draht ziehen, aus einer streichholzkopfgroßen Probe lässt sich ein Blech mit einer Fläche von 50 m2 rollen.
4. Die Dichte von Metallen ist unterschiedlich. ρ< 5 г/см3 – легкие (Li, Mn, Al, Ti), ρ >5 g/cm3 – schwer (Os, Cr, Zn, Sn, Mn, Fe, Pb, Au, Pt). Am leichtesten ist Lithium (ρ = 0,54 g/cm3), am schwersten ist Osmium (ρ = 22,6 g/cm3).
5. Härte. Metalle sind hart und weich. Alkalimetalle können mit einem Messer geschnitten werden, Schneid- und Bohrwerkzeuge bestehen aus Wolfram, Tantal und Chrom. Sami hart – Chrom.
6. Schmelzpunkt. Metalle, die bei Temperaturen über 10.000 °C schmelzen, werden als feuerfest bezeichnet (Wolfram – 33.90 °C), und darunter sind sie schmelzbar (Quecksilber = –390 °C). Das Alkalimetall Cäsium beginnt in menschlichen Händen zu schmelzen (t = 290 °C).
Anwendung.
Metall ist Präzision.
Metall ist Stärke
Geschwindigkeit, Höhe,
Glitzer und Schönheit.
Metall kam nicht sofort ins Haus,
Ich habe nicht sofort einen Löffel oder eine Gabel benutzt.
Es wurde nicht sofort eine Tasse
Und ein Fabrikspielzeug.
Der Weg des Metalls war lang:
Der Geologe kam zuerst.
Er fand einen Berg mit Erz darin.
Und die Bergleute kamen dorthin.
Und der Fahrer hupt -
Das Erz wird pünktlich an die Öfen geliefert.
Und ein Metallstrom
Ströme aus feurigen Öfen.
Die Arbeit ist noch nicht abgeschlossen:
Sowohl der Drechsler als auch der Schmied werden kommen,
Mechaniker und Stampfer
Schweißer, Fräsmaschinenbediener.
Und jeder wird Arbeit in Metall stecken,
Damit das Metall zu arbeiten beginnt.
Er bringt uns Licht in die Drähte,
Metall – Schlittschuhe, Fahrrad,
U-Bahn, Straßenbahn, Wecker,
Bügeleisen und Kühlschrank. E. Jefimowski.
Wo werden Metalle verwendet? In welchen Berufen arbeiten Menschen mit Metallen?
Ex. 1-10 (mündlich), S. 140
Arbeiten Sie in der Arbeitsmappe, z. 186, 187, 188, S. 58-59
D/z. §29, S. 137-139

 

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