Металлы и их структура физико химические и механические свойства

Обновлено: 04.10.2024

♦ Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, обусловленными наличием в их кристаллической решетке большого количества не связанных с атомными ядрами подвижных электронов проводимости.

В технике металлы принято делить на черные (железо и сплавы на его основе) и цветные (все остальные).

Свойства металлов объясняются особенностями их строения:

─ расположением и характером движения электронов в атомах;

─ расположением атомов, ионов и молекул в пространстве;

─ размерами, формой и характером кристаллических образований.

Особенности атомного строения определяют характер взаимодействия металлов, способность их давать различного рода соединения, в которые входят несколько металлов, металлы с неметаллами и т.д.

При разных температурах некоторые химические элементы имеют два и более устойчивых типа кристаллических решеток. Существование одного металла в различных кристаллических формах (модификациях) при разных температурах называется полиморфизмом, или аллотропией, а переход из одного строения в другое — полиморфным (аллотропическим) превращением. Аллотропические формы, получающиеся в результате полиморфного превращения, обычно обозначают начальными буквами греческого алфавита.

К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Со), олово (Sn), марганец (Mn), железо (Fe). В свою очередь, изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств — механических, химических и магнитных, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др.

К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (Аl), медь (Cu), никель (Ni), хром (Сr), ванадий (W) и др.

Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов получают при использовании комплекса методов исследований:

─ структурных (основаны на макроскопическом, микроскопическом анализах строения металла или сплава и др.);

─ физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и др.).

Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями (Hani Н. et al., 1989).

♦ Металлические сплавы - это макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более металлов с характерными металлическими свойствами. В широком смысле сплавами называются любые однородные системы, получаемые сплавлением металлов, неметаллов, оксидов, органических веществ.

Структура и свойства чистых металлов (см. табл. 21) существенно отличаются от структуры и свойств сплавов (см. табл. 22), состоящих из двух и более металлов.

По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы (см. табл. 19, 28, 31, 35, 38—40).

Образование новых однородных веществ при взаимном проникновении атомов называют фазами сплава.

В расплавленном виде все компоненты обычно находятся в атомарном состоянии, образуя неограниченный жидкий однородный раствор, в любой точке которого химический состав статистически одинаков. При затвердевании расплава атомы компонентов укладываются в порядке кристаллической решетки, образуя твердое кристаллическое вещество — сплав.

Существуют три типа взаимоотношений компонентов сплава:

1. образование механической смеси, когда каждый элемент кристаллизуется самостоятельно, при этом свойства сплава будут усредненными свойствами элементов, которые его образуют;
2. образование твердого раствора, когда атомы компонентов образуют кристаллическую решетку одного из элементов, являющегося растворителем, при этом тип решетки основного металла сохраняется;
3. образование химических соединений, когда при кристаллизации разнородные атомы могут соединяться в определенной пропорции с образованием нового типа решетки, отличающейся от решеток металлов сплава. Образование химического соединения — сложный процесс, при котором создается новое вещество с новыми качествами, а решетка при этом имеет более сложное строение. Соединение теряет основное свойство металла — способность к пластической деформации, становится хрупким.

Соответственно этому, свойства сплавов будут зависеть от того, какие фазы в них образуются: твердые растворы, химические соединения или смеси чистых металлов. Если атомные объемы двух металлов и их температуры плавления резко отличаются, то в жидком состоянии такие элементы обладают, как правило, ограниченной растворимостью.

В то же время неограниченную растворимость, или способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от Друга в таблице Менделеева (Сu₂₉ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Ni₂₈; Fe₂₆ и Cr₂₄; Fe₂₆ и Co₂₇; Co₂₇ и Ni₂₈) или расположенные в одной группе (As₃₃ и Sb₅₁; Au79 и Ag₄₇; Au₇₉ и Cu₂₉; Bi₈₃ и Sb₅₁), имеют неограниченную растворимость.

Таким образом, взаимодействие элементов в сплавах и характер образующейся структуры определяются положением элементов в таблице Менделеева типом кристаллической решетки, размерами атомов, т.е. физической природой элементов.

Зависимость свойств от состава сплавов:

─ в сплавах, имеющих структуру механических смесей, свойства изменяются в основном прямолинейно. Некоторые свойства механических смесей, в первую очередь твердость и прочность, зависят от размеров частиц (от степени дисперсности) и значительно повышаются при измельчении;

─ в сплавах-твердых растворах — свойства изменяются по криволинейной зависимости;

─ при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.

Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие как литейные (способность обеспечить хорошее качество отливки) или свариваемость, зависят не столько от структуры, сколько от того, в каких температурных условиях проходило затвердевание сплавов.

Так, например, стоматологические сплавы золота, отлитые в форму и быстро охлажденные в воде, будут иметь вид твердого раствора, отличающегося характерной мягкостью, ковкостью и меньшей прочностью, чем сплавы с упорядоченным расположением атомов (Копейкин В.Н., 1995). Однако если ту же отливку охлаждать медленно до комнатной температуры, то твердый раствор, превалирующий при температуре более 424°С, полностью переходит в фазу AuCu путем перераспределения атомов в пространственной кристаллической решетке в более упорядоченную структуру. Это приводит к повышению прочности и твердости при потере ковкости сплава. Сплавы с высоким содержанием золота (выше 88%) не образуют упорядоченной фазы.

Поэтому о зависимости механических и физических свойств однофазных сплавов (α и β) говорят следующие положения, известные из курса металловедения:

─ твердость, прочность и электросопротивление твердых растворов выше, чем у чистых металлов;

─ электропроводность и температурный коэффициент электросопротивления у твердых растворов ниже, чем у чистых металлов;

─ электрохимический потенциал при этом изменяется по плавной кривой.

Помимо свойств металлической матрицы, имеющей определенную кристаллическую решетку и тем самым определяющую основные параметры механических свойств, на последние может оказывать влияние дополнительное легирование такими элементами, как молибден, вольфрам, ниобий, углерод, азот и др. Присутствие их в сплавах даже в небольших количествах значительно повышает прочность, износостойкость, жаропрочность и другие свойства, необходимые при эксплуатации конструкций.

Добавка небольших количеств (0,005%) иридия и рутения превращает грубую зернистую структуру сплавов золота в мелкозернистую, что дает возможность улучшить на 30% прочность на растяжение и предел прочности при удлинении, не влияя при этом на твердость и предел текучести. Особенно эффективно увеличивается прочность при легировании кобальтохромовых сплавов 6% молибденом и дополнительно 1—2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения между двумя или несколькими металлами (их называют интерметаллидами) так и между металлом и неметаллом (карбиды, оксиды и т.д.).

Наличие неметаллических включений в структуре сплава ведет к образованию усталости, трещин, внутренних пор и полостей, коррозионному растрескиванию отливок, что приводит в конечном счете к разрушению. Неметаллические включения играют существенную роль в процессе вязкого и усталостного разрушения.

Основу неметаллических включений в сплаве Виталлиум составляют марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты. Приведенные в таблице 27 данные свидетельствуют, что у образца, испытавшего циклическую нагрузку, произошли изменения почти по всем параметрам: значительно уменьшены пределы упругости и текучести прочности, напряжения, разрушения, относительного удлинения и сужения. Это свидетельствует о тенденции к усталости металла.

В результате циклических напряжений металл «устает», прочность его снижается (см. табл. 27) и наступает разрушение образца (протеза). Такое явление называют усталостью, а сопротивление усталости — выносливостью. Разрушение от усталости происходит всегда внезапно вследствие накопления металлом необратимых изменений, которые приводят к возникновению микроскопических трещин — трещин усталости, возникающих в поверхностных зонах образца. При этом чем больше на поверхности царапин, выбоин и других дефектов, вызывающих концентрацию напряжения, тем быстрее образуются трещины усталости.

В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в процессе циклической нагрузки увеличиваются, образуя магистральную трещину, приводящую к разрушению металла.

♦ Основной характеристикой, определяемой при испытании на усталость материала, является предел выносливости - наибольшее напряжение, которое может выдержать материал без разрушения при произвольно большом числе перемен (циклов) нагрузки. Максимальное напряжение, не вызывающее разрушения, соответствует пределу выносливости.

Кроме механических испытаний, металлические материалы подвергаются технологическим испытаниям (изгиб, перегиб и др.) с целью определения их пригодности к различным технологическим операциям в процессе использования. Приложение к образцу нагрузки при механическом испытании приводит к деформации (см. с. 11).

Общие сведения о металлах и сплавах

Металлы — кристаллические вещества, характеризующиеся высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, способностью хорошо отражать электромагнитные волны и другими специфическими свойствами. Свойства металлов обусловлены их строением: в их кристаллической решетке есть не связанные с атомами электроны, которые могут свободно перемещаться.

В технике обычно применяют не чистые металлы, а сплавы, что связано с трудностью получения чистых веществ, а также с необходимостью придания металлам требуемых свойств.

Сплавы — это системы, состоящие из нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. В строительстве применяют сплавы железа с углеродом (сталь, чугун), меди и олова (бронза) и меди и цинка (латунь) и др. На практике термин «металлы» распространяют и на сплавы, поэтому далее он относится и к металлическим сплавам.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: черные и цветные.

К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь).

Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14%) и другими элементами. По химическому составу различают стали углеродистые и легированные, а по назначению — конструкционные, инструментальные и специальные.

Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14%), некоторым количеством марганца (до 2%), кремния (до 5%), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий.

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана и др.

Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью.

Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб и растяжение в 10… 15 раз ниже прочности на сжатие). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие и в 100…200 раз прочность на изгиб и растяжение; поэтому, несмотря на то что плотность стали (7850 кг/м ) в 3 раза выше плотности конструкционного бетона (2400 + 50 кг/м ), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из легких сплавов.

Металлы очень технологичны: во-первых, изделия из них можно получать различными индустриальными методами (прокатом, волочением, штамповкой и т. п.), во-вторых, металлические изделия и конструкции легко соединяются друг с другом с помощью болтов, заклепок и сварки.

Однако с точки зрения строителя металлы имеют и недостатки. Высокая теплопроводность металлов требует устройства тепловой изоляции металлоконструкций зданий. Хотя металлы негорючи, но металлические конструкции зданий необходимо специально защищать от действия огня. Это объясняется тем, что при нагревании прочность металлов резко снижается и металлоконструкции теряют устойчивость и деформируются. Большой ущерб экономике наносит коррозия металлов. Металлы широко применяют в других отраслях промышленности, поэтому их использование в строительстве должно быть обосновано экономически.

Наука, изучающая состав, строение и свойства металлов и сплавов, а также зависимость между внутренним строением (структурой) и свойствами металлических сплавов называется металловедением.

Отличительными особенностями металлов являются: блеск, ковкость, непрозрачность, теплопроводность и электропроводность.

Таким образом, под термином «металлы» понимают всю группу металлических материалов — чистые металлы и сплавы. Чистые металлы используют только в тех случаях, когда от материала требуются высокие показатели теплопроводности, электропроводности и высокая температура плавления. Эти свойства у них всегда выше, чем у сплавов.

Основными материалами при монтаже металлоконструкций, трубопроводов и оборудования являются сплавы, имеющие по сравнению с чистыми металлами следующие преимущества: – более высокую прочность; – способность изменять свойства при изменении химического состава; » – способность улучшать свойства под влиянием термической обработки; – более низкую температуру плавлеиия; – большую текучесть в расплавленном состоянии; – меньшую усадку.

Указанные свойства сплавов имеют большое практическое значение, так как позволяют получать всевозможные металлоконструкции с показателями, отвечающими требуемым эксплуатационным условиям.

Применяемые в строительстве сплавы делят на две группы:
I группа — сплавы на основе железа (сталь, чугун);
II группа—сплавы на основе металлов (сплавы на медной, алюминиевой, магниевой и другой основе — бронза, латунь, силумины и др.).

К физическим свойствам металлов относятся: удельный вес, теплопроводность, электропроводность и температура плавления.

Удельный вес — это вес 1 см3 металла, сплава или любого другого вещества, выраженный в граммах. Например, удельный вес железа равен 7,88 г/см3. Удельные веса наиболее распространенных металлов приведены в табл. 1.

Теплопроводность — способность металлов и сплавов проводить тепло. Теплопроводность измеряется количеством тепла, которое проходит по металлическому стержню сечением 1 см2 за 1 мин.

Электропроводность — способность металлов и, сплавов проводить электричество. Это свойство наиболее характерно для чистых металлов. Для сплавов более характерным является свойство, обратное электропроводности — электросопротивление.

Удельным электрическим сопротивлением называется сопротивление проводника сечением 1 мм2 и длиной 1 м, выраженное в омах.

Температура плавления — степень нагрева, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое (табл. 1).

К механическим свойствам металлов и сплавов относят: твердость, прочность, упругость, пластичность.

Эти свойства обычно являются решающими показателями, определяющими способность металлов сопротивляться прилагаемым к детали, узлам и металлоконструкциям внешним нагрузкам, характеризующим пригодность сплава” или изделия к различным условиям эксплуатации.

Твердость — способность металла сопротивляться внедрению в его поверхность другого, более твердого тела. ,

Прочность — способность металла сопротивляться разрушению при действии на него нагрузки.

Упругость—способность металла принимать первоначальную форму и размеры после прекращения действия нагрузки.

Пластичность (вязкость) — способность металла изменять первоначальные формы и размеры под действием нагрузки и сохранять приданные формы и размеры после прекращения ее действия.

К технологическим свойствам относят обрабатываемость резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадку, свариваемость и другие свойства, определяющие пригодность материала к обработке тем или иным способом.

Обрабатываемость резанием — способность металла более или менее легко обрабатываться острым режущим инструментом.

Ковкость — способность металла поддаваться обработке давлением, принимать новую форму и размеры под влиянием прилагаемой нагрузки без нарушения целостности.

Жидкотекучесть — способность расплавленного металла или сплава заполнять литейную форму.

Усадка—уменьшение объема отливки при охлаждении сплава.

Свариваемость — способность металлов образовывать прочные соединения отдельных металлических заготовок путем их местного нагрева до расплавленного или пластического состояния.

Химические свойства металлов — это способность металлов вступать в соединения с различными веществами, и в первую очередь с кислородом. Чем легче металл вступает в соединение с другими элементами, тем легче он разрушается. Разрушение металлов и сплавов под действием окружающей среды называется коррозией.

Кристаллическая структура металлов. Общая характеристика и классификация металлов

В технике под металлами понимают материалы, обладающие целым комплексом специфических физических, химических, технологических, эксплуатационных и механических свойств.

Физические свойства отражают поведение материалов в различных тепловых, электромагнитных и гравитационных полях. К наиболее характерным физическим свойствам металлов следует отнести металлический блеск, высокую электро- и теплопроводность, способность испускать электроны при нагреве, а также сравнительно высокую плотность большинства металлов.

Химические свойства отражают способность материалов взаимодействовать с другими веществами. С точки зрения химических свойств металлы это химические элементы, расположенные в левой части таблицы Менделеева. Атомы этих элементов содержат на внешней электронной оболочке небольшое число электронов, слабо связанных с ядром. Вступая в химические взаимодействия с неметаллами, атомы металлов легко отдают им свои внешние валентные электроны и становятся положительно заряженными ионами.

Технологические свойства отражают способность материалов подвергаться тому или иному виду обработки. К наиболее характерным технологическим свойствам металлов следует отнести их относительно хорошую деформируемость (в частности, штампуемость и ковкость), а также хорошую свариваемость и возможность получать изделия методом литья.

Эксплуатационные свойства характеризуют поведение материалов в реальных условиях эксплуатации. Среди эксплуатационных свойств металлов можно выделить их неплохую износостойкость.

Механические свойства отражают способность материалов сопротивляться деформации и разрушению под воздействием различного рода нагрузок. К наиболее характерным механическим свойствам металлов относят их достаточно высокую пластичность и вязкость, а также твёрдость и прочность.

Физические и химические свойства металлов наиболее подробно изучаются в рамках дисциплин «Физика» и «Химия». Материаловедение большее внимание уделяет механическим и технологическим свойствам материалов.

Все металлы делят на две большие группы: на чёрные металлы и цветные металлы.

Чёрные металлы отличаются специфическим темно-серым цветом, высокой температурой плавления и относительно высокой твёрдостью. Цветные металлы имеют характерную белую, желтую или красную окраску, и отличаются от чёрных металлов большей пластичностью, меньшей твёрдостью и невысокой температурой плавления.

Чёрные металлы, в свою очередь, подразделяют на 5 групп:

1. Металлы группы железа – Fe, Cо, Ni и Mn.

Fe составляет основу самых распространённых в промышленности сплавов – сталей и чугунов. Остальные металлы этой группы применяются либо в качестве добавок к железоуглеродистым сплавам, либо в качестве основы для соответствующих сплавов (кобальтовых, никелевых и т.п.).

2. Тугоплавкие металлы – Ti, V, Cr, Mo, W и др.

Металлы этой группы имеют температуру плавления выше, чем у железа, т.е. более 1539°С. Их обычно используют в качестве добавок к легированным сталям, либо в качестве основы для специальных сплавов (например, титановых или хромовых). Вольфрам в чистом виде используют для изготовления нитей накала электроламп.

3. Урановые металлы или актиноиды – Ac, Th и т.д. Применяются, как правило, для изготовления сплавов, используемых в атомной энергетике.

4. Редкоземельные металлы или лантаноиды – La, Ce и т.д. Эти металлы обычно встречаются в смешанном виде и имеют близкие свойства. Их используют для изготовления специальных сплавов, обладающих особыми физическими и иными свойствами.

5. Щелочные металлы – Li, Na, K и т.д. Отличаются высокой химической активностью и поэтому в свободном виде не используются.

Цветные металлы подразделяют на 3 группы:

1. Легкие металлы – Al, Mg, Be. Обладают сравнительно низкой плотностью. Al из-за своей высокой электропроводности широко применяется для изготовления электропроводов. Кроме того, Al используют для получения алюминиевых сплавов, широко применяемых в машиностроении.

2. Благородные металлы – Ag, Au, Pt и т.д. в том числе Cu. Данные металлы отличаются высокой пластичностью, электропроводностью и коррозионной стойкостью. Благодаря этим свойствам они широко применяются в микроэлектронике и ювелирном деле. Медь используют также для получения бронз и латуней. Слитки благородных металлов, размещённые в банках, играют роль фактических денег.

3. Легкоплавкие металлы – Sn, Pb, Zn, Hg и т.д. Имеют сравнительно низкую температуру плавления. Температура плавления ртути (Hg) ниже комнатной и поэтому данный металл в обычных условиях является жидким. Sn и Pb используют для изготовления припоев, те сплавов, служащих для соединения деталей методом пайки.

Наиболее распространенным металлом на земном шаре является алюминий (8,8%). На втором месте находится железо (4,65%), которое к тому же является одним из наиболее дешёвых металлов.

2.2 Металлическая межатомная связь и модель «электронного газа»

Вышеназванные характерные свойства металлов, в большинстве своём, могут быть объяснены спецификой межатомного взаимодействия и особенностями структуры металлов. Атомы металлов, находящихся в твёрдом стоянии, связаны между собой особым типом химической связи, которую называют металлической связью. Такая связь устанавливается посредством обобществления всех валентных электронов атомами материала. Валентные электроны, потерявшие связь со своими атомами, оказываются принадлежащими всему металлу в целом и, будучи относительно свободными, образуют в объёме металла так называемый «электронный газ» или точнее «электронную жидкость». Сами же атомы при этом становятся положительно заряженными ионами. Таким образом, на атомарном уровне металлы выглядят как совокупность расположенных в узлах кристаллической решётки положительно заряженных ионов, которые омываются газом относительно свободных электронов или иначе «электронной жидкостью» (рис. 7).

Рис. 7. Модель «электронного газа (жидкости)»

Наличием в объёме металла электронного газа или жидкости объясняются многие свойства металлов. Так, если к металлу приложить разность потенциалов, то под воздействием электрического поля относительно свободные электроны наряду с хаотическим движением приобретут направленное движение в сторону от минуса к плюсу. Другими словами в металле возникнет электрический ток. Поскольку в металлах свободных носителей заряда, т.е. электронов, достаточно много, их электропроводность оказывается очень высокой. Эти же электроны проводимости весьма эффективно могут переносить тепловую энергию от разогретого участка металла к более холодным областям, и этим объясняется высокая теплопроводность металлов. Кроме того, электронная жидкость хорошо отражает фотоны, т.е. частицы света, и тем самым обеспечивает металлам характерный блеск.

При пластическом деформировании металлов наблюдается сдвиг атомных слоёв относительно друг друга и металлическая связь способствует этому процессу. В данном случае электронная жидкость играет роль своеобразного клея, соединяющего атомные слои, и одновременно роль своеобразной смазки, облегчающей процесс скольжения этих слоёв. В результате металлы оказываются достаточно пластичными материалами.

Металлическая связь, в отличие от ковалентной связи, не является строго направленной в пространстве и допускает произвольное число взаимодействующих частиц. В результате атомы металлов, стремясь к более выгодной и устойчивой конфигурации, обладающей меньшей свободной энергией, располагаются в пространстве наиболее компактным образом. Этим, в частности, объясняется относительно высокая плотность большинства металлов. Плотным атомным упаковкам металлов соответствуют следующие типы кристаллических структур:

1. Объёмоцентрированная кубическая структура или ОЦК-структура. Такую структуру описывает ОЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:

Рис. 8. Элементарная ячейка ОЦК-структуры.

В узлах этой кристаллической решётки располагаются атомы, а точнее ионы, соответствующего металла. Координационное число в данном случае равно 8 (на ближайшем равном расстоянии от любого атома находится 8 аналогичных атомов). Коэффициент компактности равен 0,68. Это означает, что 68% объёма металла занято атомами, а остальную его часть составляют пустоты. Это достаточно плотное расположение атомов. Базис образуют два атома соответствующего металла (один атом, расположенный в центре ОЦК-ячейки, полностью ей принадлежит, и ещё один атом (8 по ⅛) дают узлы, расположенные в вершинах ячейки). ОЦК-структура наблюдается у таких металлов как Cr, Mo, W, V и др.

2. Гранецентрированная кубическая структура или ГЦК-структура. Эту структуру описывает ГЦК-решётка, элементарная ячейка которой выглядит следующим образом:

Рис. 9. Элементарная ячейка ГЦК-структуры.

В узлах решётки также располагаются атомы соответствующих металлов. Координационное число здесь равно 12, а коэффициент компактности имеет значение 0,74. Базис образуют четыре атома металла (каждый атом, расположенный в центре грани принадлежит ячейке только наполовину, а поскольку таких атомов 6, то получается ровно 3; плюс один атом дают вершины ячейки). ГЦК-структура характерна для Al, Cu, Ni, Ag, Au и Pt.

3. Гексагональная плотноупакованная структура или ГПУ-структура. Эту структуру описывает соответствующая ГПУ-решётка. Хотя ГПУ-решётку можно построить и с помощью меньшей по объёму ячейки, в данном случае в качестве элементарной ячейки лучше подойдёт шестигранная призма, которая нагляднее отражает гексагональную симметрию структуры (рис. 10).

Рис. 10. Элементарная ячейка ГПУ-структуры.

Координационное число для такой структуры равно 12 (если за начало отсчёта принять атом, расположенный в центре грани, то на равном ближайшем расстоянии от него находится 6 атомов, плюс по 3 атома сверху и снизу). Коэффициент компактности, как и у ГЦК-структуры, имеет значение 0,74. Это наивысшая степень упаковки атомов. Базис образуют 6 атомов соответствующего металла (3 атома внутри призмы полностью ей принадлежат; атомы в центре верхней и нижней грани принадлежат ячейке только наполовину, а каждый из 12 атомов в вершинах призмы принадлежит рассматриваемой ячейке лишь на 1/6 часть, поскольку находится на пересечении 6 аналогичных ячеек). ГПУ-структура наблюдается у таких металлов как Mg, Zn, Be и др.

Иногда у металлов наблюдается тетрагональная или простая гексагональная структура, но гораздо реже, чем три вышеназванные структуры.

Механические, физические, химические и технологические свойства металлов

Механические свойства характеризуют способность материа­лов сопротивляться действию внешних сил. К основным механичес­ким свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — это способность материала сопротивляться раз­рушающему воздействию внешних сил.

Твердость — это способность материала сопротивляться вне­дрению в него другого, более твердого тела под действием нагрузки.

Вязкостью называется свойство материала сопротивляться раз­рушению под действием динамических нагрузок.

Упругость — это свойство материалов восстанавливать свои раз­меры и форму после прекращения действия нагрузки.

Пластичностью называется способность материалов изменять свои размеры и форму под действием внешних сил, не разрушаясь при этом.

Хрупкость — это свойство материалов разрушаться под дей­ствием внешних сил без остаточных деформаций.

При статических испытаниях на растяжение определяют вели­чины, характеризующие прочность, пластичность и упругость мате­риала. Испытания производятся на цилиндрических (или плоских) образцах с определенным соотношением между длиной l₀ и диа­метром d₀. Образец растягивается под действием приложенной силы Р (рис. 1, а) до разрушения. Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию. Напряжение σ — это отношение силы Р к площади поперечного сечения F₀, МПа:

Деформация характеризует изменение размеров образца под дей­ствием нагрузки, %:

где l₁ — длина растянутого образца.

Деформация может быть упру­гой (исчезающей после снятия нагрузки) и пластической (остаю­щейся после снятия нагрузки).

При испытаниях стоится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис. 1 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали. После проведения ис­пытаний определяются следующие характеристики механических свойств.

Предел упругости σ_у — это максимальное напряжение при кото­ром в образце не возникают пластические деформации.

Предел текучести σ_т — это напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения (рис. 1). Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести σ_0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %. Предел прочности (или временное сопротивление) σ_в — это на­пряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдержи­вает образец при испытании.

Относительное удлинение после разрыва δ — отношение при­ращения длины образца при растяжении к начальной длине l₀, %:

где l_к — длина образца после разрыва.

Рис. 1. Статические испытания на растяжение: а – схема испытания;

б – диаграмма растяжения

Относительным сужением после разрыва ψ называется умень­шение площади поперечного сечения образца, отнесенное к началь­ному сечению образца, %:

где F_к — площадь поперечного сечения образца в месте разрыва. Относительное удлинение и относительное сужение характеризуют пластичность материала.

Твердость металлов измеряется путем вдавливания в испытуе­мый образец твердого наконечника различной формы.

Метод Бринелля основан на вдавливании в поверхность металла стального закаленного шарика под действием определенной нагрузки. После снятия нагрузки в образце остается отпечаток. Число твердо­сти по Бринеллю НВ определяется отношением нагрузки, действую­щей на шарик, к площади поверхности полученного отпечатка.

Метод Роквелла основан на вдавливании в испытуемый образец закаленного стального шарика диаметром 1,588 мм (шкала В) или алмазного конуса с углом при вершине 120° (шкалы А и С). Вдавли­вание производится под действием двух нагрузок — предваритель­ной равной 100 Н и окончательной равной 600, 1000. 1500 Н для шкал А, В и С соответственно. Число твердости по Роквеллу HRA, HRB и HRC определяется по разности глубин вдавливания.

В методе Виккерса применяют вдавливание алмазной четырех­гранной пирамиды с углом при вершине 136°. Число твердости по Виккерсу HV определяется отношением приложенной нагрузки к площади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой A, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечною сече­ния F; Дж/м 2 :

Испытания проводятся ударом специального маятникового коп­ра. Для испытания применяется стандартный надрезанный образец, устанавливаемый на опорах копра. Маятник определенной массы наносит удар по стороне противоположной надрезу.

К физическим свойствам материалов относится плотность, тем­пература плавления, электропроводность, теплопроводность, магнит­ные свойства, коэффициент температурного расширения и др.

Плотностью называется отношение массы однородного матери­ала к единице его объема.

Это свойство важно при использовании материалов в авиационной и ракетной технике, где создаваемые кон­струкции должны быть легкими и прочными.

Температура плавления — это такая температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Чем ниже температура плавления металла, тем легче протекают процессы его плав­ления, сварки и тем они дешевле.

Электропроводностью называется способность материала хоро­шо и без потерь на выделение тепла проводить электрический ток. Хорошей электропроводностью обладают металлы и их сплавы, осо­бенно медь и алюминий. Большинство неметаллических материалов не способны проводить электрический ток, что также является важ­ным свойством, используемом в электроизоляционных материалах.

Теплопроводность — это способность материала переносить теплоту от более нагретых частей тел к менее нагретым. Хорошей теплопроводностью характеризуются металлические материалы.

Магнитными свойствами т.е. способностью хорошо намагничи­ваться обладают только железо, никель, кобальт и их сплавы.

Коэффициенты линейного и объемного расширения характеризу­ют способность материала расширяться при нагревании. Это свой­ство важно учитывать при строительстве мостов, прокладке желез­нодорожных и трамвайных путей и т.д.

Химические свойства характеризуют склонность материалов к взаимодействию с различными веществами и связаны со способнос­тью материалов противостоять вредному действию этих веществ. Способность металлов и сплавов сопротивляться действию различ­ных агрессивных сред называется коррозионной стойкостью, а аналогичная способность неметаллических материалов — химической стойкостью.

К эксплуатационным (служебным) свойствам относятся жаро­стойкость, жаропрочность, износостойкость, радиационная стойкость, коррозионная и химическая стойкость и др.

Жаростойкость характеризует способность металлического ма­териала сопротивляться окислению в газовой среде при высокой температуре.

Жаропрочность характеризует способность материала сохранять механические свойства при высокой температуре.

Износостойкость — это способность материала сопротивлять­ся разрушению его поверхностных слоев при трении.

Радиационная стойкость характеризует способность материала сопротивляться действию ядерного облучения.

Технологические свойства определяют способность материалов подвергаться различным видом обработки. Литейные свойства харак­теризуются способностью металлов и сплавов в расплавленном состоя­нии хорошо заполнять полость литейной формы и точно воспроизво­дить ее очертания (жидкотекучестъю), величиной уменьшения объема при затвердевании (усадкой), склонностью к образованию трещин и пор, склонностью к поглощению газов в расплавленном состоянии. Ковкость — это способность металлов и сплавов подвергаться различ­ным видам обработки давлением без разрушения. Свариваемость опре­деляется способностью материалов образовывать прочные сварные сое­динения. Обрабатываемость резанием определяется способностью материалов поддаваться обработке режущим инструментом.

Теория сплавов

Металлическим сплавом называется материал, полученный сплавлением двух или более металлов или металлов с неметаллами, обла­дающий металлическими свойствами. Вещества, которые образуют сплав называются компонентами.

Фазой называют однородную часть сплава, характеризующуюся определенными составом и строением и отделенную от других частей сплава поверхностью раздела. Под структурой понимают форму размер и характер взаимного распо­ложения фаз в металлах и сплавах. Структурными составляющими называют обособленные части сплава, имеющие одинаковое строе­ние с присущими им характерными особенностями.

Виды сплавов по структуре. По характеру взаимодействия ком­понентов все сплавы подразделяются на три основных типа: механи­ческие смеси, химические соединения и твердые растворы.

Механическая смесь двух компонентов А и В образуется, если они не способны к взаимодействию или взаимному растворению. Каждый компонент при этом кристаллизуется в свою кристалличес­кую решетку. Структура механических смесей неоднородная, состо­ящая из отдельных зерен компонента А и компонента В. Свойства механических смесей зависят от количественного соотношения ком­понентов: чем больше в сплаве данного компонента, тем ближе к его свойствам свойства смеси.

Химическое соединение образуется когда компоненты сплава А и В вступают в химическое взаимодействие. При этом при этом соотношение чисел атомов в соединении соответствует его химичес­кой формуле А_mВ_n . Химическое соединение имеет свою кристалли­ческую решетку, которая отличается от кристаллических решеток компонентов. Химические соединения имеют однородную структу­ру, состоящую из одинаковых по составу и свойствам зерен.

При образовании твердого раствора атомы одного компонента входят в кристаллическую решетку другого. Твердые растворы заме­щения образуются в результате частичного замещения атомов крис­таллической решетки одного компонента атомами второго (рис. 6, б).

Твердые растворы внедрения образуются когда атомы растворенного компонента внедряются в кристаллическую решетку компонента -растворителя (рис. 6, в). Твердый раствор имеет однородную струк­туру, одну кристаллическую решетку. В отличие от химического соединения твердый раствор существует не при строго определен­ном соотношении компонентов, а в интервале концентраций. Обо­значают твердые растворы строчными буквами греческого алфавита: α, β, γ, δ и т. д.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния показывает строе­ние сплава в зависимости от соотношения компонентов и от темпера­туры. Она строится экспериментально по кривым охлаждения спла­вов (рис. 8). В отличие от чистых металлов сплавы кристаллизуются не при постоянной температуре, а в интервале температур. Поэтому на кривых охлаждения сплавов имеется две критические точки. В верхней критической точке, называемой точкой ликвидус (t_л), начина­ется кристаллизация. В нижней критической точке, которая называ­ется точкой солидус (t_c), кристаллизация завершается. Кривая охлаж­дения механической смеси (рис. 8, а) отличается от кривой охлаждения твердого раствора (рис. 8, б) наличием горизонтального участка. На этом участке происходит кристаллизация эвтектики.

Эвтектикой на­зывают механическую смесь двух фаз, одновременно кристаллизовав­шихся из жидкого сплава. Эвтектика имеет определенный химичес­кий состав и образуется при постоянной температуре.

Диаграмму состояния строят в координатах температура-концен­трация. Линии диаграммы разграничивают области одинаковых фазо­вых состояний. Вид диаграммы зависит от того, как взаимодейству­ют между собой компоненты. Для построения диаграммы состояния используют большое количество кривых охлаждения для сплавов раз­личных концентраций. При построении диаграммы критические точ­ки переносятся с кривых охлаждения на диаграмму и соединяются линией. В получившихся на диаграмме областях записывают фазы или структурные составляющие. Линия диаграммы состояния на ко­торой при охлаждении начинается кристаллизация сплава называется линией ликвидус, а линия на которой кристаллизация завершается — линией солидус.

Виды диаграмм состояния

Диаграмма состояния сплавов, обра­зующих механические смеси (рис. 9), характеризуется отсутствием растворения компонентов в твердом состоянии. Поэтому в этом спла­ве возможно образование трех фаз: жидкого сплава Ж, кристаллов А и кристаллов В. Линия АСВ диаграммы является линией ликвидус: на участке АС при охлаждении начинается кристаллизация компонента А, а на участке СD — компонента В. Линия DСВ является линией солидус, на ней завершается кристаллизация А или В и при постоян­ной температуре происходит кристаллизация эвтектики Э. Сплавы концентрация которых соответствует точке С диаграммы называются эвтектическими, их структура представляет собой чистую эвтектику.

Сплавы, расположенные на диаграмме левее эвтектического, называ­ются доэвтектическими, их структура состоит из зерен А и эвтекти­ки. Те сплавы которые на диаграмме расположены правее эвтектичес­кого, называются заэвтектическими, их структура представляет собой зерна В, окруженные эвтектикой.

Диаграмма состояния сплавов с неограниченной растворимос­тью компонентов в твердом состоянии изображена на рис. 10. Для этого сплава возможно образование двух фаз: жидкого сплава и твер­дого раствора а. На диаграмме имеется всего две линии, верхняя является линией ликвидус, а нижняя — линией солидус.

Диаграмма состояния сплавов с ограниченной растворимостью компонентов в твердом состоянии показана на рис 11. В этом сплаве могут существовать три фазы — жидкий сплав, твердый раствор α компонента В в компоненте А и твердый раствор β компонента А в компоненте В. Данная диаграмма содержит в себе элементы двух пре­дыдущих. Линия АСВ является линией ликвидус, линия АDСЕВ — линией солидус. Здесь также образуется эвтектика, имеются эвтек­тический, доэвтектический и заэвтектический сплавы. По линиям FD и EG происходит выделение вторичных кристаллов α_IIи β_II(вслед­ствие уменьшения растворимости с понижением температуры). Про­цесс выделения вторичных кристаллов из твердой фазы называется вторичной кристаллизацией.

Диаграмма состояния сплавов, образующих химическое соеди­нение (рис. 12) характеризуется наличием вертикальной линии, соот­ветствующей соотношением компонентов в химическом соединении А_mВ_n. Эта линия делит диаграмму на две части, которые можно рас­сматривать как самостоятельные диаграммы сплавов, образуемых одним из компонентов с химическим соединением. На рис. 12 изоб­ражена диаграмма для случая, когда каждый из компонентов образу­ет с химическим соединением механическую смесь.

Свойства металлов: химические, физические, технологические

Не секрет, что все вещества в природе делятся на три состояния: твердые, жидкие и газообразные. А твердые вещества в свою очередь делятся на металлы и неметаллы, разделение это нашло свое отображение и в таблице химических элементов великого химика Д. И. Менделеева. Наша сегодняшняя статья о металлах, занимающих важное место, как в химии, так и во многих других сферах нашей жизни.

Химические свойства

Все мы, так или иначе, но сталкиваемся с химией в нашей повседневной жизни. Например, во время приготовления еды, растворение поваренной соли в воде является простейшей химической реакцией. Вступают в разнообразные химические реакции и металлы, а их способность реагировать с другими веществами это и есть их химические свойства.

Среди основных химических свойств или качеств металлов можно выделить их окисляемость и коррозийную стойкость. Реагируя с кислородом, металлы образуют пленку, то есть проявляют окисляемость.

Аналогичным образом происходит и коррозия металлов – их медленное разрушение по причине химического или электрохимического взаимодействия. Способность металлов противостоять коррозии называется их коррозийной стойкостью.

Физические свойства

Среди основных общих физических свойств металлов можно выделить:

• Плавление.
• Плотность.
• Теплопроводность.
• Тепловое расширение.
• Электропроводность.

Важным физическим параметром металла является его плотность или удельный вес. Что это такое? Плотность металла – это количество вещества, которое содержится в единице объема материала. Чем меньше плотность, тем металл более легкий. Легкими металлами являются: алюминий, магний, титан, олово. К тяжелым относятся такие металлы как хром, марганец, железо, кобальт, олово, вольфрам и т. д. (в целом их имеется более 40 видов).

Способность металла переходить из твердого состояния в жидкое, именуется плавлением. Разные металлы имеют разные температуры плавления.

Скорость, с которой в металле проводится тепло при нагревании, называется теплопроводностью металла. И по сравнению с другими материалами все металлы отличаются высокой теплопроводностью, говоря по-простому, они быстро нагреваются.

Помимо теплопроводности все металлы проводят электрический ток, правда, некоторые делают это лучше, а некоторые хуже (это зависит от строения кристаллической решетки того или иного металла). Способность металла проводить электрический ток называется электропроводностью. Металлы, обладающие отличной электропроводностью, это золото, алюминий и железо, именно поэтому их часто используют в электротехнической промышленности и приборостроении.

Механические свойства

Основными механическими свойствами металлов является их твердость, упругость, прочность, вязкость и пластичность.

При соприкосновении двух металлов могут образоваться микро вмятины, но более твердый металл способен сильнее противостоять ударам. Такая сопротивляемость поверхности металла ударам извне и есть его твердость.

Чем же твердость металла отличается от его прочности. Прочность, это способность металла противостоять разрушению под действием каких-либо других внешних сил.

Под упругостью металла понимается его способность возвращать первоначальную форму и размер, после того как нагрузка, вызвавшая деформацию металла устранена.

Способность металла менять форму под внешним воздействием называется пластичностью.

Технологические свойства

Технологические свойства металлов и сплавов важны в первую очередь при их производстве, так как от них зависит способность подвергаться различным видам обработки с целью создания разнообразных изделий.

Среди основных технологических свойств можно выделить:

• Ковкость.
• Текучесть.
• Свариваемость.
• Прокаливаемость.
• Обработку резанием.

Под ковкостью понимается способность металла менять форму в нагретом и холодном состояниях. Ковкость метала, была открыта еще в глубокой древности, так кузнецы, занимающиеся обработкой металлических изделий, превращением их в мечи или орала (в зависимости от потребности) на протяжении многих веков и исторических эпох были одной из самых уважаемых и востребованных профессий.

Способность двух металлических сплавов при нагревании соединяться друг с другом называют свариваемостью.

Текучесть металла тоже очень важна, она определяет способность расплавленного метала растекаться по заготовленной форме.

Свойство металла закаливаться называется прокаливаемостью.

Интересные факты

• Самым твердым металлом на Земле является хром. Этот голубовато-белый метал был открыт в 1766 году под Екатеринбургом.
• И наоборот, самыми мягкими металлами являются алюминий, серебро и медь. Благодаря своей мягкости они нашли широкое применение в разных областях, например, в электроаппаратостроении.
• Золото – которое на протяжении веков было самим драгоценным металлом имеет и еще одно любопытное свойство – это самый пластичный металл на Земле, обладающий к тому же отличной тягучестью и ковкостью. Также золото не окисляется при нормальной температуре (для этого его нужно нагреть до 100С), обладает высокой теплопроводностью и влагоустойчивостью. Наверняка все эти физические характеристики делают настоящее золото таким ценным.
• Ртуть – уникальный металл, прежде всего тем, что он единственный из металлов, имеющий жидкую форму. Причем в природных условиях ртути в твердом виде не существует, так как ее температура плавления -38С, то есть в твердом состоянии она может существовать в местах, где просто таки очень холодно. А при комнатной температуре 18С ртуть начинает испаряться.
• Вольфрам интересен тем, что это самый тугоплавкий металл в мире, чтобы он начал плавиться нужна температура 3420С. Именно по этой причине в электрических лампочках нити накаливания, принимающие основной тепловой удар, изготовлены из вольфрама.

Видео

И в завершение образовательное видео по теме нашей статьи.

Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Познавайка

Читайте также:

  
• Что можно сделать из металла в гараже
  
• Как ускорить процесс коррозии металла
  
• Взаимодействие азотной кислоты с металлами и неметаллами
  
• Почему платина дорогой металл
  
• Устройство сверлильного станка по металлу