Общие сведения о металлах и сплавах
Обновлено: 17.05.2024
Материаловедение (от рус. материал и ведать) — междисциплинарный раздел науки, изучающий изменения свойств материалов как в твёрдом, так и в жидком состоянии в зависимости от некоторых факторов. К изучаемым свойствам относятся: структура веществ, электронные, термические, химические, магнитные, оптические свойства этих веществ. Материаловедение можно отнести к тем разделам физики и химии, которые занимаются изучением свойств материалов. Кроме того, эта наука использует целый ряд методов, позволяющих исследовать структуру материалов.
Направления исследований материаловедения
· Космическое материаловедение — создание и изучение материалов, которые пригодны для использования в космическом пространстве.
· Нанотехнология — создание и изучение материалов и конструкций размерами порядка нескольких нанометров .
дефекты кристаллов — изучение нарушений структуры кристаллов, включения посторонних частиц и их влияние на свойства основного материала кристалла;
технологии дифракции , такие как рентгеноструктурный анализ , используемые для изучения фазового состояния вещества.
создание и изучение материалов для электроники , например, полупроводники ;
структурная керамика , занимающаяся композитными материалами , напряжёнными веществами и их трансформациями.
· Биоматериалы — исследование материалов, которые можно использовать в качестве имплантатов в человеческое тело.
Разделы физики, на которых базируется материаловедение
· Термодинамика — для изучения стабильности, изменений фаз, для построения фазовых диаграмм .
· Термический анализ , термогравиметрия — для изучения изменения свойств материалов при воздействии температуры и при взаимодействии с различными газами .
· Кинетика — при изучении изменений фазового состояния вещества, термического разложения структуры и диффузии .
· Химия твёрдого тела — для изучения химических процессов, проходящих в твёрдой фазе.
Металловедение — прикладная наука, которая изучает строение, свойства металлов, устанавливает связь между химическим составом, структурой и свойствами металлов, а также закономерности изменения структуры и свойств под воздействием внешних факторов
Основана на теоретическом и экспериментальном изучении физики металлов, химически-структурных методах анализа твёрдого тела, а также на термодинамических и кинетических концепциях.
Как наука металловедение насчитывает около 200 лет, несмотря на то, что человек начал использовать металлы и сплавы ещё за несколько тысячелетий до нашей эры. В XVIII веке появились отдельные научные результаты, позволяющие говорить о начале осмысленного изучения всего того, что накопило человечество за все время использования металлов.
Первые опыты по травлению стали предпринял Реомюр (1683—1757). Ринман в 1774 году путём травления сталей нашел связь между их структурой и свойствами. В России дальнейшие работы по установлению связи между строением стали и её свойствами были проведены П. П. Аносовым. Основы научного металловедения были заложены металлургом Д. К. Черновым, который за свои работы был назван «отцом металлографии». В развитие металловедения большой вклад внесли работы Ф. Осмонда, У. Юм-Розери, Н. Ф. Мотта, Ф. Зейтца, Э. Бейна и других.
Мета́ллы (от лат. metallum — шахта, рудник) — группа элементов в виде простых веществ, обладающих характерными металлическими свойствами, такими, как высокие тепло- и электропроводность, положительный температурный коэффициент сопротивления, высокая пластичность, ковкость и металлический блеск.
Из 118 химических элементов, открытых на 2019 год, к металлам часто относят (единого общепринятого определения нет, например, полуметаллы и полупроводники не всегда относят к металлам):
· 6 элементов в группе щелочных металлов: Li, Na, K, Rb, Cs, Fr;
· 4 в группе щёлочноземельных металлов: Ca, Sr, Ba, Ra; к щёлочноземельным также иногда относят Mg, и Be;
· 38 в группе переходных металлов:
— Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn;
— Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd;
— Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg;
— Rf, Db, Sg, Bh, Hs, Mt, Ds, Rg, Cn;
· 7 в группе лёгких металлов: Al, Ga, In, Sn, Tl, Pb, Bi;
· 7 в группе полуметаллов: B, Si, Ge, As, Sb, Te, Po;
· 14 в группе лантаноиды + лантан (La):
Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu;
· 14 в группе актиноиды (физические свойства изучены не у всех элементов) + актиний (Ac):
Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr.
· Также металлическими свойствами может обладать водород
Таким образом, к металлам могут относится более 90 элементов из всех открытых
В астрофизике термин «металл» может иметь другое значение и обозначать все химические элементы тяжелее гелия (см. Металличность).
Кроме того, в физике металлам, как проводникам, противопоставляется полупроводники и диэлектрики (см. также Полуметалл (спинтроника))
Нахождение в природе
Бо́льшая часть металлов присутствует в природе в виде руд и соединений. Они образуют оксиды, сульфиды, карбонаты и другие химические соединения. Для получения чистых металлов и дальнейшего их применения необходимо выделить их из руд и провести очистку. При необходимости проводят легирование и другую обработку металлов. Изучением этого занимается наука металлургия. Металлургия различает руды чёрных металлов (на основе железа) и цветных (в их состав не входит железо, всего около 70 химических элементов). Золото, серебро и платина относятся также к драгоценным (благородным) металлам. Кроме того, в малых количествах они присутствуют в морской воде и в живых организмах (играя при этом важную роль).
Известно, что организм человека на 3 % состоит из металлов. Больше всего в организме кальция (в костях) и натрия, выступающего в роли электролита в межклеточной жидкости и цитоплазме. Магний накапливается в мышцах и нервной системе, медь — в печени, железо — в крови.
Физические свойства металлов
Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже в таблице приводится твёрдость некоторых металлов по шкале Мооса.
2. Температура плавления
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые металлы, например, олово и свинец, могут расплавиться на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0,53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22,6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0,003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы, такие, как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий, могут срастаться между собой, но на это могут уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей, и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
2.Кристаллические решетки
Кристаллическая решётка — вспомогательный геометрический образ, вводимый для анализа строения кристалла . Решётка имеет сходство с канвой или сеткой, что даёт основание называть точки решётки узлами. Решёткой является совокупность точек, которые возникают из отдельной произвольно выбранной точки кристалла под действием группы трансляции . Это расположение замечательно тем, что относительно каждой точки все остальные расположены совершенно одинаково. Применение к решётке в целом любой из присущих ей трансляций приводит к её параллельному переносу и совмещению. Для удобства анализа обычно точки решётки совмещают с центрами каких-либо атомов из числа входящих в кристалл, либо с элементами симметрии.
В зависимости от пространственной симметрии, все кристаллические решётки подразделяются на семь кристаллических систем . По форме элементарной ячейки они могут быть разбиты на шесть сингоний . Все возможные сочетания имеющихся в кристаллической решётке поворотных осей симметрии и зеркальных плоскостей симметрии приводят к делению кристаллов на 32 класса симметрии , а с учётом винтовых осей симметрии и скользящих плоскостей симметрии на 230 пространственных групп .
Помимо основных трансляций, на которых строится элементарная ячейка, в кристаллической решётке могут присутствовать дополнительные трансляции, называемые решётками Браве . В трёхмерных решётках бывают гранецентрированная (F), объёмноцентрированная (I), базоцентрированная (A, B или C), примитивная (P) и ромбоэдрическая (R) решётки Браве. Примитивная система трансляций состоит из множества векторов (a, b, c), во все остальные входят одна или несколько дополнительных трансляций.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ, СПЛАВАХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СВОЙСТВАХ
Металлами являются вещества, характеризующиеся в обычных условиях высокими электро- и теплопроводностью, ковкостью, «металлическим» блеском, непрозрачностью и другими свойствами, об-условленными 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 2 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 α, β, γ, δ.
К таким полиморфным металлам относятся, например, кобальт (Со), олово (Sn), марганец (Мп), железо (Fe). В свою очередь изменение строения кристаллической решетки вызывает изменение свойств — механических, химических и магнитных свойств, электропроводности, теплопроводности, теплоемкости и др.
К металлам, которые имеют только один тип кристаллической решетки и называются изоморфными, относятся алюминий (А1), медь (Си), никель (Ni), хром (Сг), ванадий (W) и др.
Наиболее полную информацию о строении и свойствах металлов получают при использовании комплекса методов исследований:
— структурных (основаны на непосредственном наблюдении строения металла или сплава: макроскопический анализ, микроскопический анализ и пр.);
— физических (основаны на измерении различных физических свойств: тепловых, магнитных и пр.).
Так, например, метод элементного микроанализа изменения поверхности стоматологических сплавов в условиях ротовой полости применяется многими исследователями [Hani H. 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 существенно отличаются от структуры и свойств сплавов , состоящих из двух и более металлов.
По количеству элементов (компонентов сплава) различают двух-, трех- или многокомпонентные сплавы.
Образование новых однородных веществ при взаимном проникновении атомов называют фазами сплава.
В расплавленном состоянии 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, т.е. способность образовывать твердые растворы в любых пропорциях, имеют только металлы с кристаллической решеткой одного типа. Металлы, расположенные недалеко друг от друга в таблице Менделеева (Си29 и Ni2S; Fe26 и Ni2s; Fe26 и Cr24; Fe26 и Со27; Со27 и Ni2s) или расположенные в одной группе (As33 и Sb5I; 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:
1) 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 (т. е. от степени дисперсности) — значительно, повышаются при измельчении;
2) в сплавах — твердых растворах свойства изменяются по криволинейной зависимости;
3) при образовании химических соединений свойства изменяются скачкообразно.
Многие физические и механические свойства сплавов четко зависят от структуры, однако некоторые технологические свойства, такие, как литейные (т. е. способность обеспечить хорошее качество i 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 больше 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 (а и b) 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 могут 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 4-6% молибденом и дополнительно 1-2% ниобия в присутствии 0,3% углерода. В металлических сплавах образуются различные химические соединения как 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 составляет марганец и кремний. В кобальтохромовом сплаве (КХС) содержатся включения нитридов титана и силикаты.
В связи с усталостью металла появляются микротрещины на границе неметаллических включений, зерен металла, которые в провесе циклического нагружения увеличивают свои размеры, 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.
Основные сведения о металах
В настоящее время известно 107 химических элементов, которые делятся на две основные группы: металлы и неметаллы (металлоиды). Большинство элементов (83) — металлы, отличительными признаками которых являются непрозрачность, специфический блеск, высокая теплопроводность и электропроводность, ковкость и др. При обычной температуре все металлы, кроме ртути, находятся в твердом состоянии. Металлоиды не имеют таких свойств.
В настоящее время выплавляют около 75 металлов и огромное количество сплавов.
Внутреннее строение металлов и их сплавов
Все вещества состоят из атомов, а атом — из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательно заряженных электронов (рис. 1). В ядре находятся положительно заряженные частицы — протоны. Количество протонов при обычном состоянии атома равно количеству электронов, т. е. атом электрически нейтрален. Число электронов, обозначенное порядковым номером в периодической системе элементов Д. И. Менделеева, для каждого элемента различно. Атом при определенных условиях может терять и приобретать электроны. Если электронов станет больше, чем протонов, то он будет заряжен отрицательно, а если меньше, то положительно. Такой электрически заряженный атом называется попом.
Электроны вращаются вокруг ядра по орбитам, число которых определяется номером периода элемента в периодической, системе.
У металлов на внешней орбите находятся один, два или три электрона, слабо связанных с ядром, поэтому под воздействием положительно заряженных атомов они могут отрываться от своего атома, превращая его в положительно заряженный ион. Электроны, свободно переходящие от одного атома к другому, называются свободными.
Атомы металлоидов при определенных условиях стремятся заполнить внешнюю оболочку, т. е. присоединить электроны и превратиться в отрицательно заряженные ноны.
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ
Используемые в технике металлические материалы разделяют на простые и сложные металлы (сплавы).
Простые металлы состоят из одного основного элемента и незначительного количества примесей других элементов. Например, технически чистая медь содержит от 0,1 до 1 % примесей свинца, висмута, сурьмы и других элементов.
Сплавы — это сложные металлы, представляющие сочетание какого-либо простого металла (основы сплава) с другими металлами или неметаллами. Например, латунь — сплав меди с цинком. Здесь основу сплава составляет медь.
Химический элемент, входящий в состав металла или сплава, называется компонентом. По числу компонентов сплавы делятся на двухкомпонентные (двойные), трех-компонентные (тройные) и т. д.
Большинство сплавов получают сплавлением компонентов в жидком состоянии.
Сплавы превосходят простые металлы по прочности, твердости, обрабатываемости и т. д. Вот почему они применяются в технике значительно шире простых металлов. Например, железо — мягкий металл, почти не применяющийся в чистом виде. Зато самое широкое применение в технике имеют сплавы железа с углеродом — стали и чугуны.
Все применяемые в технике металлы и сплавы делят ся на черные и цветные.
К черным металлам относятся железо и его сплавь (сталь и чугун). Все остальные металлы и сплавы состав представляют группу цветных металлов.
Наибольшее распространение в технике получили черные металлы. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительной простотой технологии выплавки черных металлов, их высокой прочностью.
Цветные металлы применяются в технике реже, чем черные. Это объясняется незначительным содержанием многих цветных металлов в земной коре, сложностью процесса их выплавки из руд, недостаточной прочностью. Цветные металлы дороже черных. Во всех случаях, когда это возможно, их заменяют черными металлами, пластмассами и другими материалами.
Из большого числа цветных металлов и сплавов в сельскохозяйственной технике наибольшее распространение получили сплавы алюминия, меди, а также подшипниковые сплавы.
Все металлы и сплавы в твердом состоянии имеют
кристаллическое строение, т. е. их атомы (ионы) расположены в строго определенном порядке. Этим кристаллические тела отличаются от аморфных тел, у которых атомы расположены хаотично. Аморфными телами являются стекло, клей, воск и др.
Если атомы металла мысленно соединить прямыми линиями, то получится правильная геометрическая система, называемая пространственной кристаллической решеткой. Из кристаллической решетки можно выделить элементарную кристаллическую ячейку, представляющую комплекс атомов, повторением которого в трех измерениях можно построить всю решетку. Наиболее распространены три типа элементарных кристаллических ячеек металлов (рис. 1): кубическая объемно-центрированная (такую решетку имеют хром, вольфрам, молибден и др.), кубическая гранецентрированная (алюминий, медь, свинец и др.) и гексагональная (цинк, магний и др.).
В узлах кристаллических решеток металлов расположены положительно заряженные ионы, удерживаемые на определенном расстоянии друг от друга свободными электронами. Такое внутреннее строение обусловливает характерные признаки металлов, такие, как высокая электро- и теплопроводность, пластичность (ковкость) и др.
Свойства металлов и сплавов зависят от природы их атомов, типа кристаллической решетки и от расстояния между атомами в решетке.
Все свойства металлов делятся на физические, химические, механические и технологические.
Физические свойства металлов и сплавов определяются цветом, плотностью, температурой плавления, тепловым расширением, тепло- и электропроводностью, а также магнитными свойствами (табл. 1). Плотность металла — величина, определяемая отношением массы металла к занимаемому им объему. Она измеряется в кг/м 3 . Для снижения массы изделия необходимо использовать материалы с небольшой плотностью (сплавы магния, алюминия и титана).
Температура плавления — температура, при которой металл переходит из твердого состояния в жидкое. Знание температуры плавления металлов и сплавов необходимо в металлургии, в литейном производстве, при горячей обработке металлов давлением, при сварке, пайке и других процессах, сопровождающихся нагреванием металлических материалов.
Тепловое расширение - изменение линейных размеров и объема металлического материала при нагревани. Неодинаковость величины теплового линейного расширения материалов характеризуется коэффициентом линейного расширения а, который показывает, на какую долю первоначальной длины при 0 °С удлинилось тело вследствие нагревания его на 1 °С. Тепловое расширение металлов необходимо учитывать при изготовлении и эксплуатации точных, сложностью приборов и инструментов, изготовлении литейных форм, Прокладке железнодорожных рельс и т. д.
Теплопроводность — способность металлов передавать' Теплоту от более нагретых частей тела к менее нагретым. Среди металлических материалов лучшей теплопроводностью обладают серебро, медь, алюминий.
Электропроводность — способность металлов провопить электрический ток. Она оценивается на практике Величиной удельного электросопротивления р. Чем меньше электросопротивление, тем более электропроводен металлический материал. Высокой электропроводностью Обладают те металлы, которые хорошо проводят электрический ток (серебро, медь, алюминий).
Способность металлов намагничиваться под действием магнитного поля/называют магнитной проницаемостью. Сильно выраженными магнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт и их сплавы. Эти металлы называют ферромагнитными
Механическими свойствами металлов называется совокупность свойств, характеризующих способность металлических материалов сопротивляться воздействию внешних усилий (нагрузок).
К механическим свойствам металлов. относятся:
прочность — способность материала сопротивляться действий внешних сил без разрушения; упругость — способность материала восстанавливать свою первоначальную форму и размеры после прекращения действия внешних сил, вызвавших деформацию;
пластичность — способность материала изменять свою форму и размеры под действием внешних сил, не разрушаясь, и сохранять полученные деформации после прекращения действия внешних сил;
твердость — способность материала оказывать сопротивление проникновению в него другого, более твердого тела;
вязкость — способность, металлических материалов оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) нагрузкам; хрупкость — свойство, обратное вязкости;
1 ползучесть — свойство металлических материалов медленно и непрерывно пластически деформироваться при длительной нагрузке и высоких температурах; усталость — процесс постепенного накопления повреждений материала под действием повторно-переменных напряжений, приводящих к уменьшению долговечности, образованию трещин и разрушению. Способность металлических материалов противостоять усталости называется выносливостью.
Механические свойства являются основной характеристикой металлов и сплавов, поэтому на заводах созданы специальные лаборатории, где производятся различные испытания с целью определения этих свойств.
Механические испытания можно разделить на:
статические, при которых нагрузка, действующая на металлический образец или деталь, остается постоянной или возрастает крайне медленно;
динамические (ударные), при которых нагрузка возрастает быстро и действует в течение незначительного времени;
испытание при повторных или знакопеременных нагрузках — нагрузках, изменяющихся многократно по величине или по величине и направлению.
Рассмотрим основные виды испытаний металлов с целью определения их механических свойств.
Технологические свойства характеризуют способность металлов поддаваться различным видам технологической обработки для получения определенной формы, размеров и свойств: Они имеют большое значение при выборе металлических материалов для изготовления деталей машин и конструкций. Из технологических свойств наибольшее значение имеют обрабатываемость резанием, свариваемость, ковкость, прокаливаемость, литейные свойства.
Обрабатываемостью резанием называется способность металлов подвергаться обработке режущими инструментами для придания деталям определенной формы, размеров (с необходимой точностью) и чистоты поверхности. Обрабатываемость резанием определяется по скорости резания, усилию резания и по шероховатости обрабатываемой поверхности. При разных методах обработки (точении, сверлении, фрезеровании и т. д.) обрабатываемость одного и того же металла может быть различной.
Свариваемостью называется свойство металла или сплава образовывать при установленной технологии сварки соединения, отвечающие требованиям, обусловленным конструкцией и эксплуатацией изделия. Свариваемость углеродистых сталей ухудшается с по-вышением содержания в них углерода. Ковкостью называется способность металла без разрушения поддаваться обработке давлением (ковке, штамповке, прокатке и т. д.). Ковкость металла зависит от его пластичности. Чем металл более пластичен, тем лучше он поддается обработке давлением.
Металлы обладают ковкостью как в холодном, так и в нагретом состоянии. В холодном состоянии хорошо куются латуни и сплавы алюминия, сталь — в нагретом • состоянии. Чугун из-за повышенной хрупкости обработке давлением не подвергается.
Прокаливаемость — способность стали воспринимать закалку на определенную глубину от поверхности. Прокаливаемость стали определяется по виду излома, по измерению твердости в различных точках сечения образца, а также методом торцовой закалки.
Литейные свойства металлов определяются жидкоте-кучестью, усадкой и склонностью к ликвации. Жидкоте кучесть — это способность расплавленного металла заполнять форму и давать плотные отливки с точной конфигурацией. Усадка — сокращение объема расплавленного металла при затвердении и последующем охлаждении. Ликвация — неоднородность химического состава твердого металла в разных частях отливки. .
При выборе литейных материалов учитывают, что чугун обладает высокими литейными свойствами: хорошей жидкотекучестью, небольшой усадкой и незначительной склонностью к ликвации. Литейные свойства стали хуже, чем чугуна.
Презентация по Основам материаловедения на тему "Общие сведения о металлах и сплавах"
Металловедение — наука, изучающая зависимость между составом, строением и свойствами металлов и сплавов и закономерности их изменения под воздействием внешних факторов: тепловых, химических, механических, электромагнит-ных, радиоактивных.
Основным материалами, применяемым для изготовления сварных конструкций являются металлы и их сплавы.
Изучением металлов занимается наука металловедение
Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т. д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.
В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра — 13,5 т, золота — 112 кг. Из 118 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 82 являются металлами.
Металлы – непрозрачные вещества, обладающие специфическим металлическим блеском, пластичностью, высокой теплопроводностью и электропроводностью.
классификация металлов
цветные – остальные металлы и их сплавы
Металлы делятся на две большие группы:
черные металлы – железо и сплавы на его основе
Цветные металлы по разным признакам делятся на подгруппы:
тяжелые, имеющие плотность больше 5 г/см3 (цинк, медь, олово, свинец, серебро, золото и др.);
легкие, имеющие плотность до 5 г/см3 (литий, натрий, магний, калий, алюминий и др.);
тугоплавкие, температура плавления которых выше, чем у железа (ниобий, молибден, вольфрам др.);
благородные (золото, серебро, платина, палладий и др.);
и другие.
легкоплавкие (цезий, галлий, калий, натрий, олово, свинец и др.);
редкие (молибден, вольфрам, ванадий и др.);
Понятие «чистый металл» весьма условно. Любой чистый металл содержит примеси, а поэтому его следует рассматривать как сплав. Под термином «чистый металл» понимается металл, содержащий 0,010 – 0,001% примесей. Современная металлургия позволяет получать металлы высокой чистоты (99,99%). Однако примеси даже в малых количествах могут оказывать существенное влияние на свойства металла.
Свойства металлов разнообразны. Ртуть замерзает при температуре минус 38,8 °С, вольфрам выдерживает рабочую температуру до 2000 °С (Тпл = 3420 °С), литий, натрий, калий легче воды, а иридий и осмий — в 42 раза тяжелее лития. Электропроводность серебра в 130 раз выше, чем у марганца.
Вместе с тем металлы имеют характерные общие свойства
общие свойства металлов
высокая пластичность;
высокие тепло- и электропроводность;
положительный температурный коэффициент электрического сопротив-ления, означающий рост сопротивления с повышением температуры и сверхпроводимость многих металлов (около 30) при температурах, близких к абсолютному нулю;
кристаллическое строение в твердом состоянии.
хорошая отражательная способность (металлы непрозрачны и имеют характерный металлический блеск);
термоэлектронная эмиссия, т.е. способность к испусканию электронов при нагреве;
Наличие этих свойств и характеризует так называемое металлическое состояние вещества.
Все металлы и металлические сплавы – тела кристаллические.
Каждый металл (вещество) может находиться в трех агрегатных состояниях:
- газообразном;
- жидком;
- твердом.
Атомно-кристаллическое строение металлов
Под атомно - кристаллической структурой понимают взаимное расположение атомов, существующее в кристалле.
Кристалл состоит из атомов (ионов), расположенных в определенном порядке, который периодически повторяется в трех измерениях.
Для описания атомно-кристаллической структуры пользуются понятием пространственной или кристаллической решетки
Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, в узлах которой располагаются атомы (ионы), образующие металл (твердое кристаллическое тело).
Наименьший объем кристалла, дающий представление об атомной структуре металла во всем объеме, получил название элементарной кристаллической ячейки.
типы кристаллических решеток металлов
Подавляющее число технически важных металлов образуют одну из следующих решеток:
Большинство твердых веществ имеют кристаллическую структуру, в которой частицы, из которых она «построена» находятся в определенном порядке, создавая тем самым кристаллическую решетку. Она строится из повторяющихся одинаковых структурных единиц - элементарных ячеек, которая связывается с соседними ячейками, образуя дополнительные узлы. В результате существует 14 различных кристаллических решеток.
Атомы (9) расположены в узлах ячейки и один атом — в центре объема куба . Решетку ОЦК имеют металлы: a-железо, хром, ниобий, вольфрам, ванадий и др.
Объемно - центрированная кубическая решетка (оцк)
гранецентрированная кубическая решетка (гцк)
Атомы (14) расположены в углах куба и в центре каждой грани . Этот тип решетки имеют металлы: у-железо, никель, медь, золото и др
Гексагональная плотноупакованная решетка (гпу)
Атомы (17) расположены в углах и центре шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Эту упаковку атомов имеют металлы: магний, цинк и др.
Рабочие листы и материалы для учителей и воспитателей
Более 3 000 дидактических материалов для школьного и домашнего обучения
Читайте также: