Ковкость металлов: суть, примеры, механизм и влияние факторов

Способность материала образовывать тонкие листы при ковке или прокатке — классический индикатор ковкости. Неметаллы этим свойством не обладают. При ударе молота ковкие металлы гнутся и принимают различные формы, в то время как нековкие могут расколоться на осколки. Примеры ковких металлов: золото, железо, алюминий, медь, серебро, свинец.

В статье подробно разбираются следующие вопросы:

• Что такое ковкость?
• Примеры ковких металлов.
• Механизм ковкости (кристаллическая структура).
• Обладают ли неметаллы ковкостью?
• Разница между ковкостью и вязкостью (ductility).
• Ковкость и твердость: взаимосвязь.
• Влияние температуры на ковкость.
• Влияние легирования на ковкость.
• Методы измерения ковкости.

Что такое ковкость?

Ковкость — это способность металлов деформироваться под сжатием (ковкой, прессованием, прокаткой) в тонкие листы без разрыва. Иначе говоря, способность металла менять форму под действием компрессионных напряжений не разрушаясь. Мера ковкости — величина давления (компрессионного напряжения), которую металл выдерживает без разрушения. Различия в кристаллической решетке обуславливают различия в ковкости различных металлов.

Из ковких материалов изготавливают металлическую фольгу (leaf). Золотая фольга — классический пример. Многие высококовкие металлы также обладают высокой вязкостью (ductility). Но есть исключения: свинец обладает высокой ковкостью, но низкой вязкостью. Ковкость — физическое свойство вещества, преимущественно металлов. В современной периодической таблице оно характерно для групп 1–12.

Ковкость металлов критична для приборостроения и автопрома: изготовление корпусов холодильников, микроволновок, духовок, плоских и изогнутых металлоизделий.

Примеры ковких металлов

На молекулярном уровне при компрессионных напряжениях атомы ковких металлов смещаются относительно друг друга в новые позиции без разрыва металлических связей. При сильном напряжении атомы «перекатываются» друг через друга и закрепляются в новом положении. К ковким металлам относятся: золото, серебро, железо, алюминий, медь, олово, индий, литий. Из них производят ковкие материалы: золотая фольга, литиевая фольга, индийские гранулы.

Золото и серебро — экстремально ковки. Нагретое железо под молотом принимает форму листа. Неметаллы ковкостью не обладают. Нековкие металлы при ударе могут расколоться. Цинк ковок при 100–200 °C, но ломок при более высоких температурах.

Механизм ковкости: роль кристаллической структуры

Ковкость металлов обусловлена их кристаллической структурой. Уплотненные структуры — гексагонально-уплотненная (hcp) и гранецентрированная кубическая (fcc) — более ковки, чем открытые, например, объемно-центрированная кубическая (bcc).

Золото, серебро, магний (fcc/hcp) ковчее ванадия или хрома (bcc). В уплотненных структурах атомы уложены как стопка плоских слоев, что позволяет плоскостям скользить друг относительно друга под нагрузкой. В объемно-центрированных структурах слои تشبه гофрированные листы — они не скользят.

Однако температура, примеси и другие факторы изменяют поведение металлов. Поэтому ковкость конкретного элемента или сплава определяется его средой (температурой, структурой).

Обладают ли неметаллы ковкостью?

Неметаллические элементы, как правило, не ковки. Существуют редкие исключения: некоторые аллотропные модификации можно деформировать. Пример — пластичный аллотроп серы. Некоторые неметаллические полимеры ковки (например, определенные пластики), тогда как неметаллические элементы — нет.

Разница между ковкостью (malleability) и вязкостью (ductility)

Ковкость — способность деформироваться под сжатием (в листы).
Вязкость (ductility) — способность вытягиваться в проволоку без разрыва (под растяжением).

Медь — пример металла, обладающего обоими свойствами: ее можно вытянуть в провод и прокатка в лист. Большинство ковких металлов также вязки, но свойства не всегда связаны. Свинец и олово на холоде ковки и вязки, но при нагреве до температур плавления становятся ломкими. При этом нагрев обычно повышает ковкость металлов за счет влияния на кристаллические зерна.

Вязкость и ковкость не синонимы: золото — и вязкое, и ковкое; свинец — только ковкое. Физическую меру ковкости обычно определяют по пределу компрессионного напряжения без разрушения. Различия в кристаллических структурах обуславливают различия в физических свойствах металлов.

Ковкость и твердость

Более твердые металлы (сурьма, висмут) имеют сложную кристаллическую структуру, что затрудняет смещение атомов без разрыва связей. Атомные ряды не выстраиваются в линию, образуя множество границ зерен — зон со слабее связанными атомами. Металлы склонны к разрыву именно на границах зерен. Чем больше границ зерен — тем тверже, ломче и менее ковок металл.

При нагреве у большинства металлов число границ зерен уменьшается, что повышает ковкость.

Влияние температуры на ковкость

При повышении температуры число границ зерен в большинстве металлов снижается, что увеличивает ковкость. Тепловая обработка может сделать ковкими металлы, ломкие в нормальных условиях. Пример: цинк ломок до ~150 °C (300 °F), но выше этой температуры его можно прокатывать в листы.

Влияние легирования на ковкость

Легирование — еще один способ управления ковкостью. Латунь (сплав меди и цинка) менее ковка, чем чистая медь или цинк по отдельности. 14-каратное золото и стерлинговое серебро (сплавы) увеличивают твердость и снижают ковкость по сравнению с чистыми благородными металлами.

Методы измерения ковкости

Два основных подхода:

1. Определение предельного компрессионного напряжения (давления), которое материал выдерживает до разрушения.
2. Определение минимальной толщины листа, до которой можно прокатить металл до разрыва.

Заключение

Ковкие металлы — это металлы, которые можно ковать и прокаткивать в тонкие листы. Неметаллы при попытке деформации могут расколоться. Золотая фольга — тоже ковкий материал. Большинство ковких металлов также вязки, но эти свойства не всегда совпадают. В статье рассмотрены ответы на все ключевые вопросы. Надеемся, материал был полезен — делитесь им с коллегами. Спасибо за чтение!