Właściwości metali i ich stopów

Najważniejszymi cechami odróżniającymi metale od niemetali są:

• Barwa zmieniająca się w dużej części od czystobiałej jak w przypadku srebra, rtęci albo glinu do szarobiałej jak w przypadku platyny, kadmu czy też ołowiu oraz żółta jak u złota, a także czerwona jak u miedzi. Stopy metali przybierają różne barwy i tak stopy metali białych i szarych są zazwyczaj nadal białe lub szarawe jednak w różnych odcieniach. Miedź stopiona ze srebrem lub cyną zawsze będzie mieć jaśniejszą barwę od czystej miedzi, natomiast stopiona z niklem uzyska barwę białą. Złoto stopione z miedzią przybiera ciemnoczerwony kolor a stopione ze srebrem, jasnożółty z odcieniem zielonego. Złoto stopione z platynowcami ma barwę białą^1-5.
• Połysk, czyli umiejętność odbijania promieni światła. Cechę tą można bardzo dobrze polepszyć przez polerowanie oraz szlifowanie. Powierzchnia srebra i chromu odbija nawet do 95 % światła.
• Plastyczność, czyli podatność na kucie, zginanie, ciągnienie.
• Przewodnictwo cieplne i elektryczne, czyli zdolność do przewodzenia prądu elektrycznego oraz ciepła. Jest to właściwość, do której zdolne są wszystkie metale.

Metale możemy podzielić z uwagi na ich gęstość na;

• Lekkie o gęstości do 4,5 g/cm³, takie jak; magnez, aluminium, tytan.
• Ciężkie, takie jak; cynk, cyna, ołów, kadm, bizmut, antymon, rtęć, żelazo, nikiel, miedź, chrom, wanad, mangan, kobalt, złoto, srebro, platyna, wolfram, molibden, tantal.

Ze względu na temperaturę topnienia metale dzieli się na;

• Łatwo topliwe o temperaturze topnienia do 650^oC, takie jak; cynk, cyna, ołów, kadm, bizmut, antymon, rtęć.
• Trudnotopliwe o temperaturze topnienia od 650^oC do 2000^oC, takie jak; żelazo, nikiel, miedź, chrom, wanad, mangan, kobalt, złoto, srebro, platyna.
• Bardzo trudnotopliwe o temperaturze topnienia powyżej 2000^oC, takie jak; wolfram, molibden, tantal.

Do podstawowych własności fizycznych można zaliczyć barwę i połysk , które decydują o estetycznej wartości metalu. Barwy metali z wyłączeniem miedzi oraz złota zazwyczaj przybierają kolor srebrzystobiały do srebrzystoszarego i mają one metaliczny połysk. w tabeli poniżej podano barwy metali, a także stopów najczęściej spotykanych w wyrobach artystycznych.

Masa właściwa czyli gęstość metalu jest określana jako stosunek jego masy do objętości i wyrażamy ją w g/cm³ lub kg/cm³. Pod względem gęstości metale dzielimy na lekkie do 4,5 g/cm³ oraz ciężkie powyżej tej wartości. w tabeli podano przykładowe gęstości metali.

Dla zwiększenia efektywności barwy oraz połysku, gotowe przedmioty dekoracyjne często pokrywa się cienką warstwą innych metali. Przykładowo srebro lub brąz poddaje się złoceniu, a miedź i mosiądz srebrzeniu. Stosuje się również pokrywanie powierzchni metalu tlenkami lub innymi związkami chemicznymi, co jest nazywane oksydowaniem lub patynowaniem. I tak np. oksydowanie umożliwia uzyskanie odcieni barw żółtych, zielonych, ciemnoniebieskich, fioletowych, czerwonych, brązowych, a także czarnych. Są one bardzo trwałe i odporne na czynniki zewnętrzne.

Temperatura topnienia określa moment (punkt topnienia) przechodzenia metalu ze stanu stałego w stan płynny. Każdy taki punkt równa się punktowi krzepnięcia występującemu w czasie stygnięcia (krzepnięcia) metalu. Wszystkie metale mają stały punkt topnienia ustalany przy określonym ciśnieniu zewnętrznym. Stopy mają inną temperaturę topnienia od składników stopowych.

Metale jak już wcześniej wspomniano można podzielić na łatwo topliwe o temperaturze topnienia do 650^oC, a te o temperaturze topnienia powyżej na trudnotopliwe i bardzo trudnotopliwe^1-6. w tabeli podano wybrane wartości temperatury topnienia.

Inne własności cieplne metali to; temperatura wrzenia^1-7, ciepło właściwe^1-8 oraz ciepło topnienia^1-9. Wzrost temperatury metali uwidacznia zjawisko rozszerzania cieplnego metali o parametr różny dla każdego z nich nazywany współczynnikiem rozszerzalności cieplnej^1-10.

Metale są dobrymi przewodnikami ciepła^1-11 oraz elektryczności^1-12. Do najlepiej przewodzących ciepło a także prąd elektryczny zalicza się w kolejności; srebro, miedź, złoto i aluminium.

Dodatkową cechą fizyczną, łączącą metale jest ich zdolność do wydawania dźwięku przy uderzeniu.

Wytrzymałość (spoistość) jest jedną z najważniejszych cech metali. Właściwość ta decyduje o odporności na różnego rodzaju obciążenia takie jak rozciąganie, skręcanie, zginanie, rozerwanie i inne, które nie powodują uszkodzeń struktury metalu. Do badania wytrzymałości metali przeprowadza się próby rozciągliwości, ściskania, ścinania, zginania oraz skręcania. Rozciągliwość sprawdza się poprze umieszczenie próbki materiału w specjalnym urządzeniu, które stopniowo zwiększa siłę oddziaływania na próbkę, aż do jej rozerwania^1-13.

Sprężystość to właściwość metalu do przyjmowania pierwotnej formy po ustąpieniu obciążenia. Stopniowo zwiększając obciążenie jak np. podczas próby rozciągania, próbka materiału ulega początkowo odkształceniu sprężystemu (rozciągnięciu), a po zaniechaniu przykładania siły próbka skraca się i powraca do pierwotnej długości^1-14. Jeśli próbka pozostanie rozciągnięta to stan taki nazywamy wydłużeniem trwałym. Dalsze zwiększanie obciążenia powoduje pojawienie się zjawiska samoistnego (bez zwiększania obciążenia) wydłużania próbki. Skłonność taka to „płynność”, umożliwia ona obróbkę plastyczną a szczególnie głębokie tłoczenie. I tak np. aluminium i miedź nie wykazują sprężystości.

Plastyczność jest to stopień zdolności do zmian kształtu metalu pod wpływem działania sił, bez pojawiania się oznak zniszczenia takich jak pęknięcia, rozerwania itp. Cechę tą bada się podczas próby rozciągania i określa się ją wielkością wydłużenia próbki. Wysoką plastycznością charakteryzują się metale szlachetne; złoto, srebro, platyna oraz ich stopy a także miedź i cyna.

Twardość jest to właściwość metalu do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym pod wpływem zewnętrznego nacisku wywieranego na powierzchnie materiału ciałem twardszym od niego. Badanie twardości metalu można przeprowadzić za pomocą wielu metod i narzędzi do najbardziej rozpowszechnionych możemy zaliczyć te niżej wymienione.

• Metoda Brinella polegająca na wciskaniu za pomocą specjalnej prasy kuli z hartowanej stali, która pozostawia w metalu wgłębienie (im metal miększy tym powierzchnia wgłębienie większe) o średnicy określanej lupą mierniczą. Następnie z wynikiem tego pomiaru w specjalnej tabeli odnajduje się stopień twardości Brinella.
• Metoda Rockwella polega na wciskaniu w metal diamentowego graniastosłupa lub kulki, a następnie pomiarze głębokość zagłębienia powstałego w metalu i obliczeniu twardość Rockwella. W praktyce pomiar przeprowadza się za pomocą przyrządu – induktora, który umożliwia bezpośredni odczyt wartości.
• Metoda Shora polegająca na spuszczaniu z określonej wysokości specjalnego bijaka na badany metal. Twardość próbki określa się na podstawie wysokości, na jaką odbija się bijak. Im twardszy metal tym większa wysokość odbicia.
• Metoda Mohsa powszechnie stosowana polegająca na określeniu twardości poprzez odporność na zrysowanie materiałów twardszych przez miększe.

Wytrzymałość zmęczeniowa decyduje o odporności metalu na dużą ilość powtarzających się zmiennych obciążeń.

Mechaniczne własności metali ulegają znacznym zmianą w zależności od temperatury i tak np. przy jej wzroście w większości przypadków plastyczność wzrasta, a wytrzymałość maleje. Natomiast przy obniżonej temperaturze zaobserwowano spadek plastyczności większości metali

Własności technologiczne decydują o możliwości stosunkowo łatwego obrabiania metali różnymi sposobami i metodami. Dlatego dość istotnymi mogą być cechy opisane poniżej.

Lejność zapewnia dobre wypełnienie formy płynnym metalem i zależna jest m.in. od ciężaru atomowego, temperatury topnienia czy też napięcia powierzchniowego. Dobrą lejnością charakteryzują się np. cyna, brąz, silumin (stop aluminium z krzemem) i mosiądze odlewnicze. Przeciwieństwem lejności jest gęstopłynność. Cechą tą wyróżniają się m.in. srebro oraz czysta miedź.

Skurcz odlewniczy jest zmniejszeniem objętości metalu podczas krzepnięcia (przechodzenia ze stanu płynnego w stały) oraz stygnięciu metalu w stanie stałym. Należy, zatem zawsze pamiętać, iż odlew jest zawsze mniejszy od modelu, z którego wykonano formę.

Kowalność pozwala na zmianę kształtu pod wpływem uderzeń i nacisku bez uszkodzeń metalu. Cecha ta jest uzależniona od np. plastyczności, temperatury, domieszek itp.

Spawalność jest to łatwość do trwałych połączeń miejscowo podgrzanych i roztopionych krawędzi metalu.

Skrawalność, czyli zdolność do kształtowania metalu metodą szlifowania i polerowania. Skrawaniu dobrze poddaje się np. mosiądz i brązy a szczególnie trudno np. czysta miedź ołów i jego stopy.

Spiekalność umożliwia uzyskiwanie stopów o dużej twardości i wytrzymałości poprzez spieki metali bądź metali z niemetalami.

Metale charakteryzują się dużą aktywnością chemiczną objawiającą się reakcjami z kwasami, ługami, solami itp. w wyniku, których tworzą różnorodne związki chemiczne. Metale szlachetne nie ulegają utlenieniu i są kwasoodporne, dlatego ich wypolerowane powierzchnie zachowują się bez zmian.

Rozpuszczalność jest to skłonność metali do rozpuszczania się w kwasach i ługach. Cechę tą wykorzystuje w artystycznej obróbce metali do np. trawienia przedmiotów w celu otrzymania gładkiej powierzchni.

Utlenianie łączenie się metalu z tlenem i tworzenie tlenków metali. Łatwość wielu metali wchodzenia w reakcję z tlenem skutkuje ich utlenianiem (korozją). w niektórych przypadkach ściśle przylegająca warstwa tlenków chroni metal przed jego dalszym utlenianiem^1-15 tworząc warstwę ochronną.