Металлы — наиболее распространенные и широко используемые материалы в производстве и в быту человека. Особенно велико значение металлов в наше время, когда большое их количество используют в машиностроительной промышленности, на транспорте, в промышленном, жилищном и дорожном строительстве, а также в других отраслях народного хозяйства.
Термин «металл» произошёл от греческого слова metallon (от metallйuф — выкапываю, добываю из земли), которое означало первоначально копи, рудники (в этом смысле оно встречается у Геродота, 5 в. до н. э.).
То, что добывалось в рудниках, Платон называл metalleia. В древности и в средние века считалось, что существует только 7 металлов: золото, серебро, медь, олово, свинец, железо, ртуть. По алхимическим представлениям, металлы зарождались в земных недрах под влиянием лучей планет и постепенно крайне медленно совершенствовались, превращаясь в серебро и золото. Алхимики полагали, что металлы — вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы).
В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» — флогистона. М.В. Ломоносов насчитывал 6 Металлов: (Au, Ag, Cu, Sn, Fe, Pb) и определял металл как «светлое тело, которое ковать можно». В кон. 18 в. А.Л. Лавуазье опроверг гипотезу флогистона и показал, что металлы — простые вещества. В 1789 году Лавуазье в руководстве по химии дал список простых веществ, в который включил все известные тогда 17 металлов (Sb, Ag, As, Bi, Co, Cu, Sn, Fe, Mn, Hg, Mo, Ni, Au, Pt, Pb, W, Zn).
По мере развития методов химического исследования число известных металлов возрастало. В 1-й пол. 19 в. были открыты спутники Pt, получены путём электролиза некоторые щелочные и щёлочноземельные металлы, положено начало разделению редкоземельных металлов, открыты неизвестные металлы при химическом анализе минералов. В 1860-63 методом спектрального анализа были открыты Cs, Rb, Tl, In. Блестяще подтвердилось существование металлов, предсказанных Д. И. Менделеевым на основе его периодического закона. Открытие радиоактивности в кон. 19 в. повлекло за собой поиски природных радиоактивных металлов, увенчавшиеся полным успехом. Наконец, методом ядерных превращений начиная с сер. 20 в. были искусственно получены радиоактивные металлы, в частности трансурановые элементы. В конце 19 — начале 20 вв. получила физико-химическую основу металлургия — наука о производстве металлов из природного сырья. Тогда же началось исследование свойств металлов и их сплавов в зависимости от состава и строения.
Металлы, применяемые в строительстве
... металлы - вещества сложные, состоящие из «начала металличности» (ртути) и «начала горючести» (серы). В начале 18 в. получила распространение гипотеза, согласно которой металлы состоят из земли и «начала горючести» - флогистона. ... металлические материалы /1, стр. 58/. 2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе ...
Основы современного металловедения были заложены выдающимися русскими металлургами П.П. Аносовым (1799-1851) и Д.К. Черновым (1839-1921), впервые установившими связь между строением и свойствами металлов и сплавов. П.П. Аносов заложил основы учения о стали, разработал научные принципы получения высококачественной стали, впервые в мире в 1831 г. применил микроскоп для исследования строения металлов. Д.К. Чернов продолжил труды П.П. Аносова. Он по праву считается основоположником металлографии — науки о строении металлов и сплавов. Его научные открытия легли в основу процессов ковки, прокатки, термической обработки стали. Наука о металлах развивается широким фронтом во вновь созданных научных центрах с применением электронных микроскопов и другой современной аппаратуры, с использованием достижений рентгенографии и физики твердого тела. Все это позволяет более глубоко изучить строение металлов и сплавов и находить новые пути повышения механических и физико-химических свойств. Создаются сверхтвердые сплавы, сплавы с заранее заданными свойствами, многослойные композиции с широким спектром свойств и многие другие металлические, алмазные и керамико-металлические материалы.
1. Классификация
В строительстве обычно применяют не чистые металлы, а сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы на основе черных металлов (~94%) и незначительное — сплавы цветных металлов (рис. 1).
Рис. 1. Классификация металлов и сплавов.
2. Строение металлов
Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры — рентгенографическим анализом. Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.
Рис. 2. Элементарный кубический кристалл: а — объемно-центрированный; б — гранецентрированный.
Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10 -9 м).
Для железа эти расстояния 28,4 нм (б=Fe) и 36,3 нм (г = Fe).
Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы — зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства. Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1…2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.
Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов:
- а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %;
- б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.
Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической.
Строение и свойства металлов и сплавов
... Fea (О.Ц.К.) металл кристаллизация сплав железоуглеродистый 2. Строение реальных металлов Металлы, как и любое кристаллическое тело, имеют дальний порядок расположения атомов, т.е. закономерность расположения атомов сохраняется в ... элементарных ячеек характеризуются расстояниями между центрами соседних атомов, которые называют параметрами или периодами решеток: для О.Ц.К. и Г.Ц.К. решёток это ...
Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. В начале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами.
В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.
Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен — 0,001…0,1 мм).
Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.
3. Структура
Сплавы обладают металлическими свойствами и состоят из двух элементов и более. Элементы, входящие в состав сплавов, называют компонентами.
Компоненты сплавов в процессе затвердевания и последующего охлаждения могут образовывать химические соединения, твердые растворы на базе одного из компонентов или нового химического соединения и механические смеси. Химические соединения, образующиеся на основании общих химических законов (валентности, ионной связи), могут быть выражены химическими индексами. Обычно химические соединения повышают твердость и хрупкость металлов и, как правило, имеют кристаллическую решетку другого типа, чем у каждого из элементов в отдельности.
Твердые растворы — сплавы, у которых атомы растворимого элемента рассеяны в кристаллической решетке растворителя; растворимый элемент может замещать часть атомов основного металла или внедряться между ними, но без образования молекул определенного состава. В железоуглеродистых сплавах Fe-С атомы углерода внедряются в поры решетки Fe. В отличие от химических соединений состав твердых растворов непостоянен и зависит от температуры и концентрации (проникания одного элемента кристаллической решетки в другой).
Кристаллическая решетка твердого раствора сохраняет тип решетки одного из компонентов, который по этому признаку считается растворителем.
Механические смеси (эвтектики, эвтектоиды) — микроскопически малые, тесно перемешанные и связанные между собой компоненты сплава, состоящие из чистых металлов, твердых растворов и химических соединений. Эвтектики образуются из жидкого сплава при охлаждении и характеризуются самой низкой температурой затвердевания смеси, хорошими литейными качествами и высокими механическими свойствами. Эвтектоиды образуются при распаде твердого раствора. Эвтектические и эвтектоидные смеси возникают при определенной концентрации отдельных составляющих и определенной температуре. В сплавах, отличных по составу от эвтектических, при затвердевании в первую очередь выпадает компонент, избыточный по отношению к эвтектическому. Изменения структуры и свойств сплавов с изменением концентрации и температуры в наглядной форме представлены на диаграммах состояния сплавов. Эти диаграммы не содержат фактора времени и соответствуют условию очень медленного нагрева и охлаждения.
Производство металлов и их сплавов
... около 8 млн. м3 воздуха и 500000м3 кислорода в сутки. ПРОИЗВОДСТВО СТАЛИ Конверторные способы получения стали Конвертором принято называть большую стальную реторту, футерованную огнеупором. Вместимость ... них металлов. К железным рудам Эти руды содержат значительное количество рудного вещества или соединений железа, из которого оно извлекается, и относительно небольшое количество пустой породы, легко ...
4. Способы получения
Огромное большинство металлов находится в природе в виде соединений с другими элементами. Только немногие металлы встречаются в свободном состоянии, и тогда они называются самородными. Золото и платина встречаются почти исключительно в самородном виде, серебро и медь — отчасти в самородном виде; иногда попадаются также самородные ртуть, олово и некоторые другие металлы. Добывание золота и платины производится или посредством механического отделения их от той породы, в которой они заключены, например промывкой воды, или путем извлечения их из породы различными реагентами с последующим выделением металла из раствора. Все остальные металлы добываются химической переработкой их природных соединений. Минералы и горные породы, содержащие соединения металлов и пригодные для получения этих металлов заводским путем, носят название руд. Главными рудами являются оксиды, сульфиды и карбонаты металлов. Важнейший способ получения металлов из руд основан на восстановлении их оксидов с углем. Если, например, смешать красную медную руду (куприт) Cu2O с углем и подвергнуть сильному накаливанию, то уголь, восстанавливая медь, превратится в оксид углерода(II), а медь выделится в расплавленном состоянии:
Cu2O+C=2Cu+CO.
Подобным же образом производится выплавка чугуна их железных руд, получение олова из оловянного камня SnO2 и восстановление других металлов из оксидов.При переработке сернистых руд сначала переводят сернистые соединения в кислородные путем обжигания в особых печах, а затем уже восстанавливают полученные оксиды углем.
Например:
2ZnS+3O2 = 2ZnO+2SO2ZnO + C = Zn +CO.
В тех случаях, когда руда представляет собой соль угольной кислоты, ее можно непосредственно восстанавливать углем, как и оксиды, так как при нагревании карбонаты распадаются на оксид металла и двуокись углерода.
Например:
ZnCO3=ZnO+CO2
Обычно руды, кроме химического соединения данного металла, содержат еще много примесей в виде песка, глины, известняка, которые очень трудно плавятся. Чтобы облегчить выплавку металла, к руде примешивают различные вещества, образующие с примесями легкоплавкие соединения — шлаки. Такие вещества называются флюсами. Если примесь состоит из известняка, то в качестве флюса употребляют песок, образующий с известняком силикат кальция. Наоборот, в случае большого количества песка флюсом служит известняк. Во многих рудах количество примесей (пустой породы) так велико, что непосредственная выплавка металлов из этих руд является экономически невыгодной. Такие руды предварительно “обогащают”, то есть удаляют из них часть примесей. Особенно широким распространением пользуется флотационный способ обогащения руд (флотация), основанный на различной смачиваемости чистой руды и пустой породы.Техника флотационного способа очень проста и в основном сводится к следующему. Руду, состоящую, например, из сернистого металла и силикатной пустой породы, тонко измельчают и заливают в больших чанах водой. К воде прибавляют какое-нибудь малополярное органическое вещество, способствующее образованию устойчивой пены при взбалтывании воды, и небольшое количество специального реагента, так называемого “коллектора”, который хорошо адсорбируется поверхностью флотируемого минерала и делает ее неспособной смачиваться водой. После этого через смесь снизу пропускают сильную струю воздуха, перемешивающую руду с водой и прибавленными веществами, причем пузырьки воздуха окружаются тонкими масляными пленками и образуют пену. В процессе перемешивания частицы флотируемого минерала покрываются слоем адсорбированных молекул коллектора, прилипают к пузырькам продуваемого воздуха, поднимаются вместе с ними кверху и остаются в пене; частицы же пустой породы, смачивающиеся водой, оседают на дно. Пену собирают и отжимают, получая руду с значительно большим содержанием металла.Для восстановления некоторых металлов из их оксидов применяют вместо угля водород, кремний, алюминий, магний и другие элементы.Процесс восстановления металла из его оксида с помощью другого металла называется металлотермией. Если, в частности, в качестве восстановителя применяется алюминий, то процесс носит название алюминотермии.Очень важным способом получения металлов является также электролиз. Некоторые наиболее активные металлы получаются исключительно путем электролиза, так как все другие средства оказываются недостаточно энергичными для восстановления их ионов. Литейное производство — одно из древнейших ремёсел, освоенных человечеством. Первым литейным материалом была бронза. В древности бронзы представляли собой сложные сплавы на основе меди с добавками олова (5-7 %), цинка (3-5 %), сурьмы и свинца(1-3%) с примесями мышьяка, серы, серебра (десятые доли процента).
Металлы и сплавы в химии и технике
... металлов. В технике сплавы на основе железа, т.е чугун, сталь, а также само железо, называют черными металлами, все остальные металлы называются цветными. Существуют и другие классификации металлов. Химические свойства металлов определяются слабой связью валентных электронов ...
Зарождение выплавки бронзы и получения из нее литых изделий (оружия, украшения, посуды и др.) в разных регионах относится к 3—7 тысячелетию до н. э. По-видимому, почти одновременно была освоена плавка самородных серебра, золота и их сплавов. На территории, где жили восточные славяне, развитое литейное ремесло появилось в первых веках н. э. Основными способами получения отливок из бронзы и сплавов серебра и золота были литье в каменные формы и литье по воску. Каменные формы делали из мягких пород известняка, в которых вырезали рабочую полость. Обычно каменные формы заливали в открытую, так что одна сторона изделия, образуемая открытой поверхностью расплава, оказывалась плоской. При литье по воску сначала изготовляли восковые модели как точные копии будущих изделий. Эти модели погружали в жидкий глиняный раствор, который затем высушивали и обжигали. Воск выгорал, в образовавшуюся полость заливали расплав.
Основная задача, стоящая перед литейным производством в нашей стране, заключается в существенном общем повышении качества отливок, которое должно найти выражение в уменьшении толщины стенок, снижении припусков на механическую обработку и на литниково-питающие системы при сохранении должных эксплуатационных свойств изделий. Конечным итогом этой работы должно быть обеспечение возросших потребностей машиностроения необходимым количеством литых заготовок без существенного роста общего выпуска отливок, на массе.
Проблема повышения качества отливок тесно связана с проблемой экономного расходования металла. Применительно к цветным металлам обе эти проблемы приобретают особую остроту. В связи с истощением богатых месторождений цветных металлов стоимость их производства непрерывно и существенно возрастает. Сейчас цветные металлы в пять—десять и более раз дороже чугуна и углеродистой стали. Поэтому экономное расходование цветных металлов, сокращение потерь, разумное использование отходов является непременным условием развития литейного производства.
Металлы и сплавы как основа современных конструкционных материалов
... свойства металлов: пластичность, электропроводность, теплопроводность, металлический блеск. Актуальность темы обусловлена быстрым развитием и применением в различных областях промышленности на основе металлов и сплавов конструкционных изделий. Объектом курсовой работы являются металлы и сплавы. ...
В промышленности постоянно увеличивается доля сплавов цветных металлов, получаемых путем переработки отходов — обрези, стружки, различного лома и шлаков. Эти сплавы содержат повышенное количество разнообразных примесей, способных снизить их технологические свойства и эксплуатационные характеристики изделий. Поэтому в настоящее время ведутся широких исследования для выработки способов рафинирования подобных расплавов и отработки технологии получения качественных литых заготовок.
5. Свойства металлов
5.1 Химические свойства
В соответствии с местом, занимаемым в периодической системе элементов, различают металлы главных и побочных подгрупп. Металлы главных подгрупп (подгруппы а) называются также непереходными. Эти металлы характеризуются тем, что в их атомах происходит последовательное заполнение s-и p-электронных оболочек. В атомах металлов побочных подгрупп (подгруппы б), называемых переходными, происходит достраивание d- и f-оболочек, в соответствии, с чем их делят на d-группу и две f-группы — лантаноиды и актиноиды. В подгруппы, а входят 22 металла: Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (I a); Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra (II a); Al, Ga, In, Tl (III a); Ge, Sn, Pb(IV a); Sb, Bi (V a); Po (VI a).
В подгруппы б входят: 1) 33 переходных металла d-группы Сu, Ag, Аи (I б); Zn, Cd, Hg(II б); Sc, Y, La, Ac (III 6); Ti, Zr, Hf, Ku (IV б);V, Nb, Та, элемент с Z = 105 (V б); Сr, Mo, W (VI б); Mn, Тс, Re (VII б); Fe, Co, Ni, Ru, Rh, Pd, Os, Ir, Pt (VIII б)]; 2) 28 металлов f-группы (14 лантаноидов и 14 актиноидов).
Электронная структура атомов некоторых d-элементов имеет ту особенность, что один из электронов внешнего уровня переходит на d-подуровень. Это происходит при достройке этого подуровня до 5 или 10 электронов. Поэтому электронная структура валентных подуровней атомов d-элементов, находящихся в одной подгруппе, не всегда одинакова. Например, Cr и Мо (подгруппа VI б) имеют внешнюю электронную структуру соответственно 3d 5 4s1 и 4d5 5s1 , тогда как у W она 5d4 6s2 . В атоме Pd (подгруппа VIII 6) два внешних электрона «перешли» на соседний валентный подуровень, и для атома Pd наблюдается d10 вместо ожидаемого d8 s2 .
Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов (катионов), проявление положительной валентности (окислительного числа), образование основных окислов и гидроокисей, замещение водорода в кислотах и т.д. Металлические свойства элементов можно сравнить, сопоставляя их электроотрицательность [способность атомов в молекулах (в ковалентной связи) притягивать электроны, выражена в условных единицах]; элементу присущи свойства металла тем больше, чем ниже его электроотрицательность (чем сильнее выражен электроположительный характер).
Деформация и разрушенние металла
... 5. Деформация и разрушение кристаллов 5.2. Упругая и пластическая деформация металлов Упругая деформация. Упругой деформацией называют деформацию, влияние которой на форму, структуру и свойства тела ... дислокаций, вакансий, межузельных атомов). Повышение плотности дефектов кристаллического строения затрудняет движение новых дислокаций, а следовательно, повышает сопротивление деформации и ...
Если расположить металлы в последовательности увеличения их нормальных потенциалов, получим так называемый ряд напряжений или ряд активностей. Рассмотрение этого ряда показывает, что по мере приближения к его концу — от щелочных и щёлочноземельных металлам к Pt и Аи — электроположительный характер членов ряда уменьшается. Металлы от Li по Na вытесняют Н 2 из Н2 О на холоду, а от Mg по Тl — при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду выше Н2 , вытесняют его из разбавленных кислот (на холоду или при нагревании).
Металлы, стоящие ниже Н 2 , растворяются только в кислородных кислотах (таких, как концентрирированная H2 SO4 при нагревании или HNO3 ), a Pt, Аи — только в царской водке (Ir нерастворим и в ней).
Металлы от Li no Na легко реагируют с О2 на холоду; последующие члены ряда соединяются с О2 только при нагревании, a Ir, Pt, Аи в прямое взаимодействие с О2 не вступают. Окислы металлов от Li no Al и от La no Zn трудно восстановимы; по мере продвижения к концу ряда восстановимость окислов увеличивается, а окислы последних его членов разлагаются на металлы и О2 уже при слабом нагревании. О прочности соединений металлов с кислородом (и др. неметаллами) можно судить и по разности их электроотрицательностей: чем она больше, тем прочнее соединение.
5.2 Физические свойства
Большинство металлов кристаллизуется в относительно простых структурах — кубических и гексагональных ЛГУ, соответствующих наиболее плотной упаковке атомов. Лишь небольшое число металлов имеет более сложные типы кристаллических решёток. Многие металлы в зависимости от внешних условий (температуры, давления) могут существовать в виде двух или более кристаллических модификаций. Электрические свойства. Удельная электропроводность металлов при комнатной температуре у~10 -6 -10-4 ом-1 , тогда как у диэлектриков, например, у серы, у~10-17 ом-1 см-1 . Промежуточные значения у соответствуют полупроводникам. Характерным свойством металлов как проводников электрического тока является линейная зависимость между плотностью тока и напряжённостью приложенного электрического поля. Носителями тока в металлах являются электроны проводимости, обладающие высокой подвижностью. Согласно квантово-механическим представлениям, в идеальном кристалле электроны проводимости (при полном отсутствии тепловых колебаний кристаллической решётки) вообще не встречают сопротивления на своём пути. Существование у реальных металлов электросопротивления является результатом нарушения периодичности кристаллической решётки. Эти нарушения могут быть связаны как с тепловым движением атомов, так и с наличием примесных атомов, вакансий, дислокаций и др. дефектов в кристаллах. На тепловых колебаниях и дефектах (а также друг на друге) происходит рассеяние электронов. При нагревании металлов до высоких температур наблюдается «испарение» электронов с поверхности металлов (термоэлектронная эмиссия).
Эмиссия электронов с поверхности металлов происходит также под действием сильных электрических полей ~ 107 в/см в результате туннельного просачивания электронов через сниженный полем потенциальный барьер. В металлах наблюдаются явления фотоэлектронной эмиссии, вторичной электронной эмиссии и ионно-электронной эмиссии. Перепад температуры вызывает в металлах появление электрического тока или разности потенциалов.
Строение металлов (кристаллическое)
... эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве; кристаллическое строение в твердом состоянии. КРИСТАЛЛИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ МЕТАЛЛОВ Общее свойство металлов и сплавов — их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для ...
Тепловые свойства
Теплоёмкость металлов обусловлена как ионным остовом (решёточная теплоёмкость С р ), так и электронным газом (электронная теплоёмкость Сэ ).
Хотя концентрация электронов проводимости в металлах очень велика и не зависит от температуры, электронная теплоёмкость мала и у большинства металлов наблюдается только при температурах в несколько градусов кельвина. Теплопроводность металлов осуществляется главным образом электронами проводимости.
Магнитные свойства
Переходные металлы с недостроенными f-и d-электронными оболочками являются парамагнетиками. Некоторые из них при определённых температурах переходят в магнитоупорядоченное состояние.
Магнитное упорядочение существенно влияет на все свойства металлов, в частности на электрические свойства: в электросопротивление вносит вклад рассеяние электронов на колебаниях магнитных моментов. Гальваномагнитные явления при этом также приобретают специфические черты. Магнитные свойства остальных металлов определяются электронами проводимости, которые вносят вклад в диамагнитную и парамагнитную восприимчивости металлов, идиамагнитной восприимчивостью ионного состава. Магнитная восприимчивость X большинства металлов относительно мала (X ~ 10 -6 ) и слабо зависит от температуры.
Механические свойства
Многие металлы обладают комплексом механических свойств, обеспечивающим их широкое применение в технике, в частности в качестве
конструкционных материалов. Это, в первую очередь, сочетание высокой пластичности со значит, прочностью и сопротивлением деформации, причём соотношение этих свойств может регулироваться в большом диапазоне с помощью механических и термических обработки металлов, а также получением сплавов различного состава. Исходной характеристикой механических свойств металлов является модуль упругости G, определяющий сопротивление кристаллической решётки упругому деформированию и непосредственно отражающий величину, сил связи в кристалле. В монокристаллах эта величина, как и остальные механические характеристики, анизотропная и коррелирует с температурой плавления металла (например, средний модуль сдвига G изменяется от 0,18-10 11 эрг/см3 для легко плавкого Na до 27*1011 эрг/см3 для тугоплавкого Re).
Сопротивление разрушению или пластической деформации идеального кристалла примерно 10-1 G. Но в реальных кристаллах эти характеристики, как и все механические свойства, определяются наличием дефектов, в первую очередь дислокация. Перемещение дислокаций по плотноупакованным плоскостям приводит к элементарному акту скольжения — основному механизму пластической деформации металла. Важнейшая особенность металлов — малое сопротивление скольжению дислокации в бездефектном кристалле. Это сопротивление особенно мало в кристаллах с чисто металлической связью, которые обычно имеют плотноупакованные структуры. В металла с ковалентной компонентой межатомной связью, имеющих объемно-центрированную решётку, сопротивление скольжению несколько больше, однако всё же мало по сравнению с чисто ковалентными
кристаллами. Сопротивление пластической деформации, по крайней мере, в металлах с гранецентрированной кубической и гексагональной решётками, связано с взаимодействием движущихся дислокаций с др. дефектами в кристаллах, с др. дислокациями, примесными атомами, внутренними поверхностями раздела.
Автоматизация процесса нагрева металла в печах сопротивления
... металла в печах 1. Время нагрева стальных заготовок в нагревательных печах до заданной температуры (или скорости нагрева) зависит, от способа легированности стали, способа укладки заготовок; физических свойств металла ... Анализ объекта автоматизации 1.1 Существующая технология нагрева металла в печах сопротивления В ... нагрев, нагрев металла под пластическую деформацию на промышленной ...
Взаимодействие дефектов определяется искажениями решётки вблизи них и пропорционально G. Для отожжённых монокристаллов начальное сопротивление пластической деформации (предел текучести) обычно ~ 10 -3 10-4 G. Для монокристаллов металлов характерно наличие трёх стадий деформационного упрочнения. На 1-й стадии значительная часть дислокаций выходит на поверхность и коэффициент упрочнения мал; на 2-й стадии дислокации накапливаются в кристалле, их распределение становится существенно неоднородным. На 3-й стадии плотность дислокации, G и коэффициент упрочнения уменьшаются вследствие аннигиляции дислокаций, выдавливаемых из их плоскостей скольжения. Значение этой стадии больше для металлов с объемно-центрированной решёткой. При Т > 0,5 Тпл в пластической деформации начинают играть существенную роль точечные дефекты, в первую очередь вакансии, которые, оседая на дислокациях, приводят к их выходу из плоскостей скольжения. Если этот процесс достаточно интенсивен, то деформация не сопровождается упрочнением: металл течёт с постоянной скоростью при неизменной нагрузке (ползучесть).
Протекание процессов релаксации напряжений и постоянная разрядка дислокационной структуры обеспечивают высокую пластичность металлов при их горячей обработке, что позволяет придавать изделиям из металлов разнообразную форму. Отжиг сильно деформированных монокристаллов металлов нередко приводит к образованию поликристаллов с малой плотностью дислокаций внутри зёрен (рекристаллизация).
Достижимые степени деформации металлов ограничены процессом разрушения. По мере роста плотности дислокаций при холодной деформации растёт неравномерность их распределения, приводящая к концентрации напряжений в местах сгущения дислокаций и зарождению здесь очагов разрушения — трещин. В реальных кристаллах такие концентрации напряжений имеются и в исходном недеформированном состоянии (скопление примесей, частицы др. фаз и т.п.).
Но вследствие пластичности металла деформация вблизи опасных мест снимает напряжения и предотвращает разрушение. Однако если сопротивление движению дислокаций растёт, то релаксационная способность материала падает, что под нагрузкой приводит к развитию трещин (хрупкое разрушение).
Это особенно проявляется в металлах с объёмно-центрированной решёткой, в которых подвижность дислокаций резко уменьшается при понижении температуры (из-за взаимодействия с примесями и уменьшения числа кристаллографических возможных плоскостей скольжения).
Предотвращение хладноломкости — одна из важнейших технических проблем разработки конструкционных металлических материалов. Другая актуальная проблема — увеличение прочности и сопротивления деформации при высоких температурах. Зародышами разрушения в этих условиях служат микропоры, образующиеся в результате скопления вакансий. Эффективный способ повышения высокотемпературной прочности — уменьшение диффузионной подвижности точечных дефектов, в частности легированием.
Применяемые в технике конструкционные металлические материалы являются поликристаллическими. Их механические свойства практически изотропны и могут существенно отличаться от свойств монокристаллов металлов. Межфазные границы вносят дополнительный вклад в упрочнение. С другой стороны, они могут быть местами предпочтительного разрушения (межзёренное разрушение) или деформации. Изменяя число и строение межфазных границ, форму и пространственное расположение отдельных структурных составляющих многофазных систем (поликристаллов, гетерофазных агрегатов, возникающих вследствие фазовых превращений, или искусственно полученных композиций), а также регулируя состав и дефектную структуру отдельных кристаллов, можно получить огромное разнообразие механических свойств, необходимых для практического использования металлических материалов.
6. Цветные металлы и сплавы
Сплавы цветных металлов применяют для изготовления деталей, работающих в условиях агрессивной среды, подвергающихся трению, требующих большой теплопроводности, электропроводности и уменьшенной массы.
Медь — металл красноватого цвета, отличающийся высокой теплопроводностью и стойкостью против атмосферной коррозии. Прочность невысокая: у в = 180…240 МПа при высокой пластичности д>50%.
Латунь — сплав меди с цинком (10…40 %), хорошо поддается холодной прокатке, штамповке, вытягиванию у в =250…400 МПа, д=35…15%. При маркировке латуней (Л96, Л90, …, Л62) цифры указывают на содержание меди в процентах. Кроме того, выпускают латуни многокомпонентные, т.е. с другими элементами (Мn, Sn.Pb.Al).
Бронза — сплав меди с оловом (до 10%), алюминием, марганцем, свинцом и другими элементами. Обладает хорошими литейными свойствами (вентили, краны, люстры).
При маркировке бронзы Бр. ОЦСЗ-12-5 отдельные индексы обозначают: Бр — бронза, О — олово, Ц — цинк, С — свинец, цифры 3, 12, 5 — содержание в процентах олова цинка, свинца. Свойства бронзы зависят от состава: у в =150…2Ю МПа, д=4…8%, НВ60 (в среднем).
Алюминий — легкий серебристый металл, обладающий низкой прочностью при растяжении — у в =80…100 МПа, твердостью — НВ20, малой плотностью — 2700 кг/м3 , стоек к атмосферной коррозии. В чистом виде в строительстве применяют редко (краски, газообразователи, фольга).
Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки (Мn, Сn, Mg, Si, Fe) и используют некоторые технологические приемы. Алюминиевые сплавы делят на литейные, применяемые для отливки изделий (силумины), и деформируемые (дюралюмины), идущие для прокатки профилей, листов и т.п.
Силумины — сплавы алюминия с кремнием (до 14%), они обладают высокими литейными качествами, малой усадкой, прочностью у в = 200 МПа, твердостью НВ50…70 при достаточно высокой пластичности д=5…10%. Механические свойства силуминов можно существенно улучшить путем модифицирования. При этом увеличивается степень дисперсности кристаллов, что повышает прочность и пластичность силуминов.
Дюралюмины — сложные сплавы алюминия с медью (до 5,5 %), кремнием (менее 0,8 %), марганцем (до 0,8 %), магнием (до 0,8 %) и др. Их свойства улучшают термической обработкой (закалкой при температуре 500…520°С с последующим старением).
Старение осуществляют на воздухе в течение 4…5 суток при нагреве на 170 С С в течение 4…5 ч. Термообработка алюминиевых сплавов основана на дисперсном твердении с выделением твердых дисперсных частиц сложного химического состава. Чем мельче частицы новообразований, тем выше эффект упрочнения сплавов. Предел прочности дюралюминов после закалки и старения составляет 400…480 МПа и может быть повышен до 550…600 МПа в результате наклепа при обработке давлением. В последнее время алюминий и его сплавы все шире применяют в строительстве для несущих и ограждающих конструкций. Особенно эффективно применение дюралюминов для конструкций в большепролетных сооружениях, в сборно-разборных конструкциях, при сейсмическом строительстве, в конструкциях, предназначенных для работы в агрессивной среде. Начато изготовление трехслойных навесных панелей из листов алюминиевых сплавов с заполнением пенопластовыми материалами. Путем введения газообразователей можно создать высокоэффективный материал пеноалюминий со средней плотностью 100…300 кг/м3 .
Все алюминиевые сплавы поддаются сварке, но она осуществляется более трудно, чем сварка стали, из-за образования тугоплавких оксидов Аl 2 О3 . Особенностями дюралюмина как конструкционного сплава являются: низкое значение модуля упругости, примерно в 3 раза меньше, чем у стали, влияние температуры (уменьшение прочности при повышении температуры более 400°С и увеличение прочности и пластичности при отрицательных температурах); повышенный примерно в 2 раза по сравнению со сталью коэффициент линейного расширения; пониженная свариваемость. Титан за последнее время начал применяться в разных отраслях техники благодаря ценным свойствам: высокой коррозионной стойкости, меньшей плотности (4500 кг/м3 ) по сравнению со сталью, высоким прочностным свойствам, повышенной теплостойкости. На основе титана создаются легкие и прочные конструкции с уменьшенными габаритами, способные работать при повышенных температурах.
7.Область применения и основные характеристики изделий
Цветной металл используется при производстве техники различного назначения. Поэтому производство этого сырья имеется в подавляющем большинстве российских регионов. Данной цели служит цветная металлургия. Она занимается добычей и последующей обработкой металлов: от обогащения руд до выплавки сплавов.
Самыми распространенными металлами данной группы являются алюминий, медь, цинк. Рассмотрим их более подробно. Так, цинк — цветной металл, поддающийся ковке и прокатке лишь при нагреве до ста-ста пятидесяти градусов. При меньшей температуре он очень хрупок. Цинк не боится воздействия коррозии, но не имеет стойкости против действия щелочных растворов и кислот. Плавление наступает при температуре четыреста девятнадцать градусов Цельсия. Алюминий отличается тем, что его механические свойства достаточно низки (но сохраняются даже при низких температурах), пластичность и способность проводить тепло находятся на высоком уровне. Этот цветной металл необходим в пищевой, строительной сфере, ракето- и самолетостроении. Связано это с тем, что алюминий имеет малую плотность, но отличается прочностью. Медь, в свою очередь, более всего распространена (по сравнению с предыдущими цветными металлами) в природе. Благодаря высоким показателям тепло- и электропроводности, пластичности и способности сплавляться с обширным перечнем металлов, она активно применяется в сфере машиностроения (в том числе, химического), при производстве сосудов и емкостей, трубопроводом разной спецификации.
В авиастроении и химической промышленности, а также при производстве атомной техники в роли конструкционных материалов используют цирконий, гафний, молибден, титан и ниобий. Таким образом, области применения цветных металлов многообразны.
Каждый цветной металл обладает целым рядом особенностей, которые позволяют ему принадлежать к данной группе металлов. Так, большинство из них благодаря высоким показателям теплоемкости и теплопроводности имеют способность быстро охлаждаться после сварки. Но этот плюс имеет обратную сторону. Так, при работе, например, с магнием и медью детали нужно разогревать перед сваркой, а в процессе сварочных работ использовать мощные источники тепла. Следующая черта цветных металлов — при нагревании их механические свойства снижаются, поэтому следует избегать ударов по изделиям на этом этапе. По сравнению с черными металлами, цветные в больших объемах при нагревании растворяют газы, находящиеся в окружающей среде. То есть вступают со всеми газами в реакцию (за исключением инертных).
Ярче всего это свойство демонстрирует такой цветной металл, как титан, молибден или тантал, часто именуемый активным благодаря этой способности.
Все цветные металлы и изделия из них имеют долгий эксплуатационный срок. Однако при условии, что будут надежно защищены от кислорода, под влиянием которого разрушаются.
Чтобы защитить цветной металл от коррозии, на него наносят лакокрасочные материалы, обладающие защитными свойствами. Не менее полезны грунтовка и краски. Так, грунтование в два слоя производят перед окраской. Эта мера помогает избежать окисления, а также позволяет покрытию в большей степени «прикипеть» к основанию. При этом стоит помнить о том, что разные виды металлов нуждаются в грунтовках различного состава. Так, алюминиевому основанию подходит цинковая грунтовка. Бронза и латунь, как правило, обрабатываются на заводах специальными составами, которые в случае повреждения (в ходе эксплуатации) целесообразнее удалить растворителем. После такой манипуляции основание должно быть отполировано и покрыто лаком на базе полиуретана.
Таким образом, цветной металл — это важный элемент, используемый в различных сферах производства (от пищевой до космической промышленности), отличающийся набором специфических свойств.
Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/stroenie-metallov-i-splavov/
металл сплав строение свойство
1. Технология металлов и сварка. Под ред. П.И. Полухина. М. Высшая школа. 1977.
2. Строительные материалы. А.Г. Домокеев. М. Высшая школа. 1989
3. Большая советская энциклопедия. Под ред. А.М. Прохорова. М. изд. «Советская энциклопедия». 1974.
4. «Химия и научно-технический прогресс», И.Н.Семенов, А.С.Максимов, А.А. Макареня, Москва “Просвящение” 1988г.
5. «Энциклопедический словарь юного химика», Москва 1990г.
6. Книга для чтения по неогранической химии. — А. Крицман
7. Химия для любознательных — Эю Гроссе.
8. Промышленные алюминиевые сплавы. Под редакцией Ф.И. Квасова и И.Н. Фридляндера, М., Металлургия, 1984, 528с.
