Основні механічні властивості металів. Технологічні властивості металів

Основні механічні властивості металів. Технологічні властивості металів

У наш час для виготовлення машин і приладів застосовують переважно матеріали, до яких належать метали, сплави металів з іншими металами і неметаллами. Тому дуже важливе значення набуває визначення механічних властивостей металів. Не менш важливо знання таких загальних закономірностей, як періодичність зміни можливостей їх елементів та їх сполук, залежність властивостей від типів і особливостей хімічного зв 'язку в сплавах на їх основі.

Основні механічні властивості металів

Метали - це речовини, які характеризуються теплопровідністю, електропровідністю, пластичністю. Всі вони, за винятком ртуті, при кімнатній температурі - тверді речовини. Температура плавлення знаходиться в межах від -38,78 до + 3380оС. Механічні та технологічні властивості металів мають високу здатність поглинати світло, і тому навіть у дуже тонких шарах вони непрозорі. Однак гладкий і чистий шар поверхні добре відображає світло і надає характерного блиску. Більшість поверхонь має білий і сірий колір. Тільки мідь і золото мають жовтий відтінок. Деякі метали мають сірий колір зі слабким синюватим, жовтуватим або червонуватим відливом. У твердому стані всі вони мають кристалічну форму. У пароподібному стані метали одноатомні. За питомою вагою їх ділять на легені і важкі. Існує ще один поділ - на чорні метали і кольорові.

Метали в природі і способи їх видобутку

У природі метали знаходяться як у вільному стані (Сі, Au, Ag, Hg, Pt), так і у вигляді різних сполук - оксидів, сульфідів, карбонатів, сульфатів, фосфатів, хлоридів, нітратів та інших сполук. При вилученні їх з руд і мінералів використовують різні шляхи відновлення. На практиці ті сполуки і мінерали мають цінність, з яких промисловість просто і без великих витрат може отримати чистий метал. Для отримання заліза із залізної руди використовується вуглець. Відновителями можуть бути водень, алюміній, кальцій, натрій, які мають велику здатність приєднувати кисень. З сульфідів отримання заліза проходить у два етапи: спочатку отримують сульфат, а потім випалюють і переводять в оксиди, потім отриманий оксид відновлюють за технологією отримання з оксидів. З карбонатів спочатку розкладають карбонат при нагріванні. Аналогічними діями можуть бути отримані різні види заліза з різних природних сполук. Методом електролізу видобуваються активні метали, лужні, лужноземельні, алюміній, магній та ін. Останні виробляють при електролізі розплавів (розплавлених солей). При пропусканні постійного електричного струму іони виділяються на катоді. Важкопламанні технологічні властивості металів використовують для отримання їх у вигляді порошку або губчатому стані з подальшим пресуванням при високій температурі.

Будова металів та їх фізичні властивості

На механічні властивості металів впливають особливості їх внутрішньої структури в твердому стані. Металева решітка має таку особливість, що в її вузлах є молекулярні частинки, тобто існує рівновага. Валентні електрони знаходяться у відносно вільному стані і не закріплені строго до кожного атому, утворюючи так званий електронний газ. Тобто, кристалічна решітка складається з позитивних іонів, а проміжки між іонами заповнюються електронами. При наявності різниці температур або під впливом зовнішньої різності потенціалів ці електрони легко переміщуються і проводять теплоту і електричний струм без зміщення матеріальних частинок. У пароподібному стані механічні властивості металів сприяють проведенню електричного струму тільки в іонізованому вигляді. Характерно те, що при підвищенні температури електропровідність знижується завдяки тому, що зростає їх об 'ємний опір. При нагріванні або (навіть при впливі фотонів) енергія електронів зростає, внаслідок чого вони можуть навіть легко випромінюватися (поява катодних променів і фотоелектронної емісії, використовується в радіотехніці, в електронних трубках і вимірюванні інтенсивності світла за допомогою фотоелементів). Таким чином, металева решітка - це фактично іонна решітка, у вершинах якої знаходяться однойменні позитивні іони, взаємне відштовхування яких компенсується не протилежними зарядженими аніонами, а спільним зусиллям вільних електронів.

Випробування механічних властивостей металів

Розчинення може здійснюватися тільки при їх перетворенні у водорозчинних сполуках, тобто хімічним шляхом. Деякі можуть розріджуватися в рідкій ртуті (срібло, золото), утворюючи так звані амальгами. Залізо здатне утворювати між собою як суміші, так і інтерметалічні з 'єднання (інтерметалічні фази), які мають певний склад. Для отримання картини зміни властивостей з температурою використовують криві охолодження, які отримуються при вивченні швидкості охолодження. Попередньо нагрітій речовині дають остигати і щогодини заміряють температуру. Результати наносяться на діаграму, на якій на осі абсцис відкладають час, по осі ординат - температуру. Якщо в системі при охолодженні не змінюються технологічні властивості металів, що супроводжуються виділенням теплоти, то зниження температури відбувається поступово. Якщо ж у системі проходять якісь зміни, то спостерігається тимчасова затримка в остиганні системи, викликана фазовими переходами. За допомогою термічного аналізу кривих охолодження можливо дослідити склад з 'єднань, які можуть утворюватися між складовими частинами сплавів.

Зміна характеристик сплавів залежно від складу

Взагалі при переході речовини з рідкого стану в тверде відбувається виділення речовини у вигляді більш-менш великих частинок - кристалів, або безформної аморфної маси (клеї, каучук та інші). Найменший можливий обсяг кристалічної решітки, яка відтворює особливості її структури, характеризується елементарною коміркою. Форма твердої речовини залежить від природи речовини і від умов, в яких проходить перехід у твердий стан. Якщо в вершинах знаходяться однакові атоми, то відстань між ними в кристалі дорівнює сумі їх радіусів, тобто радіус атома дорівнює половині цієї відстані. Заповнення кристалічних решіток молекулами та іонами відбувається при максимально щільній упаковці, тобто іони і молекули заповнюють простір з мінімальним об 'ємом. Елементами симетрії кристалів твердої речовини є її центр, площини та осі. Найбільш характерною їх особливістю є анізотропія, тобто неоднаковість їх характеристик (міцності, теплопровідності, швидкості розчинення та ін.) в різних напрямках. Відсутність суворо спрямованих зв 'язків між атомами, механічні властивості металів дають можливість розміщення в металевій решітці двох або більше елементів, які розташовуються в певному порядку, утворюючи інтерметалічні структури.

Сплави

При змішуванні різних металів у розплавленому стані частинки основного компонента можуть бути заміщені частинками іншого або декількох елементів без зміни кристалічної решітки, утворюючи тверді розчини. Матеріали, що містять два або більше видів атомів і мають характерні властивості (блиск, теплопровідність, електропровідність), називають сплавами. У розплавленому стані метали добре розчиняються один в одному і, як правило, без обмежень. Часто в цих розчинах може утворюватися цілий ряд гетерогенних зон, який свідчить про їх обмежену розчинність. Механічні властивості металів, на основі якого утворюється сплав, відрізняються від фізичних і механічних властивостей сплавів. При розчиненні в ртуті утворюються так звані амальгами. На практиці розрізняють три види сплавів: тверді розчини, ті, які мають характер хімічних сполук металів, і суміш кристалів.

Формування елементарної кристалічної решітки сплавів

Різноманітність способів отримання сплавів дає можливість їх виробництва з заданими властивостями. На практиці широко використовуються сполуки на основі заліза, міді, нікелю та ін. Фізичні та механічні властивості металів, на основі яких отримують сплав, суттєво відрізняються від властивостей сплавів. Додані атоми можуть утворювати більш "жорсткі" "локалізовані зв 'язки, і ковзання шарів атомів зменшується. Це призводить до зменшення ковкості і збільшення жорсткості сплавів. Так, міцність заліза збільшується в 10 разів при додаванні 1% вуглецю, нікелю або марганцю. У латуні, яка містить 65-70% хрому і 30- 5% цинку, міцність в 2 рази більше, ніж в чистій міді, і в 4 рази більше, ніж у чистого цинку. Промисловість виробляє дуже багато різновидів сплавів різних металів із заданими властивостями.

Будова металів

Вивчаючи будову атомів, можна спостерігати, що всі вони мають на зовнішньому енергетичному рівні невелику кількість електронів, і для них характерна здатність тільки віддавати електрони при утворенні з 'єднань. У сполуках метали завжди мають позитивний ступінь окислення. При утворенні з 'єднань частинки віддають електрони, проявляючи властивості відновлювача. Здатність віддавати електрони різна і залежить від будови атома. Чим легше він віддає електрони, тим він активніший. Кількісна характеристика механічних властивостей металів віддавати електрон є потенціал іонізації. Під ним розуміють ту мінімальну напругу електричного поля (у вольтах), при якій електрон отримує таке прискорення, що він здатний викликати іонізацію атома. Активність у водних розчинах характеризується стандартним електродним потенціалом і може бути визначена кількісно з використанням стандартного водневого електрода, потенціал якого прийнятий за 0. Шляхетні метали мають позитивний стандартний потенціал. За хімічними властивостями вони здатні взаємодіяти з водою, кислотами, лужами, солями, оксидами, органічними речовинами.

Взаємодія з неметаллами

У всіх випадках утворення сполук з неметаллами відбувається перехід електронів від атомів металів до атом неметалів. Гідриди - це з 'єднання з воднем. Клацання та лужноземельне утворюються за безпосередньої взаємодії з воднем. Галогеніди - це солі галогеноводневих кислот, полярні молекули, які для металів 1, 2 групи добре розчинні у воді. Вони утворюються при безпосередній взаємодії заліза з галогенами, галогеноводневих кислот з залізом. У їхньому середовищі метали взаємодіють з ним дуже активно. Оксиди переважно мають основоположний характер, до них належать оксиди алюмінію, цинку, свинцю (II), хрому (III). Вони можуть бути отримані з елементів при розкладанні солей гідроксидом, випалі сульфідів. Основні механічні властивості металів на повітрі сприяють їх покриттю плівкою оксиду. Якщо вона нещільно покриває поверхню, то не захищає від руйнування, йде процес хімічної корозії. Деякі метали утворюють дуже щільну плівку оксиду, яка не дає кисню з повітря та іншим окислювачам проникати через неї і захищає метал від корозії.