Строение металлов и их свойства. Строение металлов свойства металлов

Строение и свойства металлов

Характерными свойствами металлов являются наличие металлического блеска и пластичности, высокая электро- и теплопроводность. Характерные свойства металлов обусловлены их строением.

Атомы металлов не однородны. Атом состоит из положительно заряженного тяжелого ядра, и окружающих ядро отрицательно заряженных электронов. Число электронов равно порядковому номеру элемента в таблице Д.И. Менделеева. В ядре атома находятся положительно заряженные элементарные частицы, называемые протонами. Количество протонов равно количеству окружающих ядро электронов. Кроме протонов, в ядре находятся тяжелые электрически нейтральные частицы – нейтроны. Масса электрона в 1840 раз меньше массы протона или нейтрона. Таким образом, вся масса атома сосредоточена в его ядре.

Электроны быстро вращаются вокруг ядра. Внешние, так называемые валентные, электроны у всех металлов относительно слабо связаны с ядром. Слабой связью внешних валентных электронов с ядром и объясняются характерные металлические свойства.

ЗамечаниеМежду понятием «металл» как химический элемент и как вещество есть некоторая разница. Химия делит все элементы на металлы и неметаллы по их поведению в химических реакциях. Теория металлического состояния рассматривает крупные скопления атомов металлов, в котором они обладают характерными металлическими свойствами: пластичностью, высокой тепло- и электропроводностью, металлическим блеском. Эти свойства характерны для больших групп атомов. У отдельных атомов таких свойств нет.

Атомы в металле находятся в ионизированном состоянии. Атомы металлов, отдавая часть внешних валентных электронов, превращаются в положительно заряженные ионы. Свободные электроны непрерывно перемещаются между ними, образуя подвижный электронный газ.

При комнатной температуре все металлы, кроме ртути, представляют собой твердые тела, имеющие кристаллическое строение. Для кристаллов характерно строго определенное расположение в пространстве ионов, образующих кристаллическую решетку.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Каждая кристаллическая решетка может быть охарактеризована элементарной кристаллической ячейкой.

Элементарная кристаллическая ячейка – наименьший комплекс атомов, повторяя который многократно, можно построить весь кристалл.

У металлов чаще всего встречаются три типа элементарных кристаллических ячеек:В кубической объемноцентрированной (ОЦК) решетке восемь ионов располагаются по вершинам и один в центре куба, на пересечении диагоналей. Объемноцентрированную кубическую решетку имеют кристаллы железа при комнатной температуре, хрома, вольфрама, молибдена, ванадия и др. Эта решетка характеризуется всего одним параметром решетки – расстоянием между центрами двух ионов, расположенных по одному ребру, обозначенным на рисунке а.

Многие металлы, используемые в технике, имеют гранецентрированную кубическую решетку. В элементарной решетке гранецентрированного куба ионы расположены по вершинам куба и в центре каждой грани (на пересечении ее диагоналей). Центр куба остается свободным. Такую кристаллическую решетку имеют кристаллы меди, никеля, алюминия, свинца, серебра и др. гранецентрированная решетка также характеризуется одним параметром – длиной ребра куба а. Элементарная ячейка гексагональной плотноупакованной решетки представляет собой шестигранную призму. По основаниям призмы расположены правильные шестиугольники по вершинам которых и в их центрах находятся ионы. Посередине между основаниями вклинивается правильный треугольник с ионами по вершинам. Гексагональная решетка характеризуется двумя параметрами: а и с. Наибольшая плотность упаковки достигается при соотношении параметров с/а = 1.633. Гранецентрированная решетка с таким соотношением параметров называется гранецентрированной плотноупакованной. Такую решетку имеют титан, цирконий, кобальт, цинк, магний и др.

Строение металлических сплавов

Под металлическим сплавом понимают вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов, обладающее характерными металлическими свойствами.

Металлические сплавы получают сплавлением элементов – металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов.

При кристаллизации жидкого сплава могут получаться твердые металлические сплавы с различным строением.

Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку. В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы. Кристаллы каждого их металлов, находящиеся в этом сплаве, обладают теми же строением и свойствами, которыми они обладают в куске чистого металла.

Твердый раствор – сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы после травления выглядят одинаково. В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях. По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической решетке твердые растворы делят на две группы: замещения и внедрения.

Твердые растворы внедрения образуют металлы с неметаллами. Атомы неметаллов меньше атомов металлов. Поэтому атомы неметаллов могут располагаться в междоузлиях кристаллической решетки металлов. Внедрившийся атом вызывает искажение решетки металла-растворителя. Все твердые растворы внедрения – растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения металлы образуют как с металлами так и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Химические соединения обладают повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Кристаллическая решетка химического соединения имеет сложное строение.

Диаграмма состояния

Диаграмма состояния представляет собой графическое изображение состояния сплава. Если изменится состав сплава, его температура, давление, то состояние сплава изменится, и это находит отражение в диаграмме состояния.

Диаграмма состояния показывает устойчивые состояния, которые при данных условиях обладают минимальным уровнем свободной энергии. Поэтому диаграмма состояния может также называться диаграммой равновесия, поскольку показывает, какие при данных условиях существуют равновесные фазы. Следовательно, и изменения в состоянии, которые отображены на диаграмме, относятся к равновесным условиям, т.е. при отсутствии перенагрева или переохлаждения. Так как превращения в отсутствии перенагрева или переохлаждения в действительности не могут совершаться, поэтому диаграмма состояния представляет собой теоретический случай.

Общие закономерности сосуществования устойчивых фаз, отвечающих теоретическим условиям равновесия, описываются правилом фаз или законом Гиббса.

Закон Гиббса дает количественную зависимость между степенью свободы системы и количеством фаз и компонентов.Фазой называется однородная часть системы, отделенная от других частей системы (фаз) поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяется скачком.

Однородная жидкость – однофазная система.Смесь двух видов кристаллов – двухфазная система.Компонентами называются вещества, образующие систему.Чистый металл – однокомпонентная система.Сплав двух металлов – двухкомпонентная система.

Среди диаграмм состояния металлических сплавов самое большое значение имеет диаграмма состояния системы железо-углерод. Это объясняется наиболее широким применением в технике железоуглеродистых сплавов.

Диаграмма железо-углерод относится к диаграммам состояния для сплавов с ограниченной растворимостью. Диаграмма железо-углерод, как ясно из названия, должна распространяться от железа до углерода. Железо образует с углеродом ряд химических соединений, но надежно установлено лишь одно Fe3C – карбид железа или цементит. Каждое устойчивое химическое соединение можно рассматривать как компонент, а диаграмму изучать по частям.

Следовательно, рассматривая диаграмму железо-углерод на участке от железа до цементита, мы можем компонентами системы считать железо и цементит.

Рассмотрим свойства отдельных компонентов.Железо. Температура плавления 1539 °С. Железо аллотропическое вещество. Атомы элемента могут образовывать, если исходить только из геометрических соображений, любую кристаллическую решетку. Однако устойчивым, а, следовательно, реально существующим типом является решетка, обладающая наиболее низким запасом свободной энергии.

В ряде случаев (и для железа в том числе) при изменении температуры или давления может оказаться, что для одного и того же металла более устойчивой будет другая решетка, чем та, которая была при другой температуре или давлении.

Так для железа характерны две кристаллические решетки:• объемноцентрированный куб;• гранецентрированный куб.

Существование одного металла в нескольких кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Различные кристаллические формы одного и того же вещества называются полиморфными или аллотропическими модификациями. Аллотропические формы обозначаются греческими буквами α, β, γ и т.д., которые в виде индексов добавляются к символу, обозначающему элемент. Аллотропическая форма, существующая при самой низкой температуре, обозначается через α, следующая через β и т.д. Превращение одной аллотропической формы в другую при нагреве чистого металла сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре. На термической кривой превращение отмечается горизонтальным участком. При охлаждении происходит выделение тепла теоретически при той же температуре, что и при нагреве, но практически при более низкой вследствие переохлаждения.

Явление полиморфизма основано на едином законе об устойчивости состояния с наименьшим запасом энергии. Запас свободной энергии зависит от температуры. Поэтому в одном интервале температур более устойчивой является модификация α, а в другом модификация γ. Железо имеет две температуры полиморфного превращения: 911 и 1392 °С.

Особо следует рассмотреть образование растворов углерода в железе. Растворимость С в Fe существенно зависит от того, в какой кристаллической форме существует железо.

Диаметр атома углерода (в свободном состоянии) равен 1.54 A. В объемноцентрированной решетке имеется 12 свободных мест в середине ребер. Диаметр такого свободного места 0.62 A. Такой объем явно недостаточен для помещения в нем атома углерода.

В гранецентрированной кристаллической решетке в центре имеется пора диаметром 1.02 A. В этой поре атом углерода может поместиться, вызывая естественно некоторое увеличение размера решетки γ-железа.

Таким образом, геометрические соображения подсказывают, что α-железо не растворяет, а γ-железо растворяет углерод. В действительности α-железо растворяет углерод, но в очень небольшом количестве ≈ 0.02%.

Твердый раствор углерода в α-железе называется ферритом, а в γ-железе аустенитом.

Цементит. Цементит – это химическое соединение углерода с железом (карбид железа Fe3C).

Так как растворимость углерода в α-железе мала, то при нормальных температурах в подавляющем большинстве случаев в структуру стали входят высокоуглеродистые фазы в виде цементита.

Кристаллическая структура цементита очень сложна.

Температура плавления цементита 1600 °С. Аллотропических превращений не испытывает. Цементит имеет высокую прочность ~ 800 НВ и практически нулевую пластичность.

Цементит — соединение неустойчивое и при определенных условиях распадается с образованием свободного углерода в виде графита. Процесс имеет огромное практическое значение.

Историческая справка. Начало изучению диаграммы железо-углерод (а также железоуглеродистых сплавов и процессов термической обработки) было положено работой Чернова Д.К. «Критический обзор статей Лаврова и Калакуцкого о стали и стальных орудиях и собственные исследования Д.К.Чернова по этому же предмету», опубликованной в 1868 году. Этот год можно считать годом возникновения науки металловедения.

В этой работе Чернов впервые указал на существование в стали критических точек, и на зависимость их положения от содержания углерода. Таким образом, Чернов дал первое представление о диаграмме железо-углерод.

Диаграмма железо-цементит имеет двойную концентрационную ось абсцисс. Содержание углерода и содержание цементита.Линия ABCD является ликвидусом. Это линия – геометрическое место точек начала кристаллизации. Линия AHJECF – солидус. Геометрическое место точек конца кристаллизации.

Так как железо с углеродом образует химическое соединение Fe3C, и еще имеет две аллотропические формы α и γ следовательно в системе существуют следующие фазы:• жидкость (жидкий раствор углерода в железе) располагается выше линии ликвидус и обозначается Ж;• цементит Fe3C – вертикаль DFKL, обозначается Ц;• феррит – структурная составляющая, которая представляет собой α-железо, растворяющая в незначительном количестве углерод, область феррита левее линий GPQ и AHN, обозначается Feα;• аустенит – структура, представляющая собой твердый раствор углерода в γ-железе, область аустенита на диаграмме NJESG, обозначается Feγ.

Три горизонтальные линии на диаграмме HJB, ECF, PSK указывают на протекание трех нонвариантных реакций. Вариантность – это число степеней свободы системы. Если число степеней свободы равно нулю (нонвариантная система), то нельзя изменить внешние и внутренние факторы системы (температуру, давление, концентрацию) без того, чтобы это не вызвало изменение числа фаз.

При 1499 °С (линия HJB) протекает перитектическая реакция:Ж + Feα → Feγ

Перитектическая реакция представляет собой реакцию, когда жидкость реагирует с ранее выпавшими кристаллами и образует новый вид кристаллов.

В результате перитектической реакции образуется аустенит. Реакция имеет место только у сплавов, содержащих углерода от 0.1 до 0.5%.

При температуре 1147 °С (горизонталь ECF) протекает эвтектическая реакция:Ж → Feγ + Ц

Эвтектическая реакция – реакция кристаллизации одновременно двух (или более) видов кристаллов из жидкости. Механическая смесь двух (или более) видов кристаллов называется эвтектикой. В результате этой реакции образуется эвтектическая смесь. Эвтектическая смесь аустенита и цементита называется ледебуритом. Эта реакция протекает у всех сплавов, содержащих углерода > 2.14%.

При температуре 727 °С (горизонталь PSK) протекает эвтектоидная реакция:Feγ → Feα + ЦIIПревращение протекает аналогично кристаллизации эвтектики, но исходным раствором является не жидкость, а твердый раствор.

Такое превращение называется эвтектоидным, а смесь полученных кристаллов эвтектоидом. Эвтектоидная смесь феррита и цементита называется перлитом и имеет вид перламутра. У всех сплавов, содержащих свыше 0.02% углерода, т.е. практически у всех промышленных железоуглеродистых сплавов имеет место перлитное (эвтектоидное) превращение.

Кристаллы выделившиеся из твердого раствора называются вторичными кристаллами и обозначаются символом II (например Цп) в отличие от первичных кристаллов, выделяющихся из жидкости.

У всех сплавов, содержащих менее 2.14% углерода, в результате первичной кристаллизации получается структура аустенита; у всех сплавов содержащих более 2.14% углерода, структура состоит из ледебурита с избыточным аустенитом или цементитом.

Это различие в структуре при высоких температурах и создает существенное отличие в технологических и механических свойствах сплавов.

Наличие эвтектики делает сплав нековким, вместе с тем более низкая температура плавления высокоуглеродистых сплавов облегчает применение их как литейных материалов.

Железоуглеродистые сплавы, содержащие менее 2.14% углерода называются сталями, а более 2.14% — чугунами.

Различают три группы сталей:• эвтектоидные, содержащие около 0.8% углерода, их структура перлит;• доэвтектоидные, содержащие II + П (цементит вторичный + перлит).

all4study.ru

Строение металлов и их свойства

Все металлы имеют кристаллическую структуру. В расплавленном состоянии атомы металлов находятся в беспорядочном движении, а при переходе в твердое состояние они ориентируются определенным образом в пространстве, образуя кристаллическую решетку. Строение решетки и расположение в ней атомов зависит от вида металла. Наиболее распространенными типами кристаллической решетки являются кубическая – у железа и гексагональная – у алюминия.

Рассмотренные виды кристаллических решеток характерны для идеальных кристаллов. Для реальных металлов и сплавов характерно наличие различных дефектов. Дефекты бывают точечные, линейные, и поверхностные. К самым простым точечным дефектам относятся вакансии и межузельные атомы.

Вакансией называется пустой узел кристаллической решетки. Межузельным атомом называется атом, перемещенный из узла в позицию между атомами. Вакансии и межузельные атомы имеются в кристаллах при любой температуре выше абсолютного нуля из-за тепловых колебаний атомов.

К линейным дефектам относятся дислокации. Дислокации образуются за счет нарушения правильного чередования атомных плоскостей при кристаллизация, а также в результате большого числа вакансий.

Поверхностные дефекты образуются в более крупных структурах металла, например, на границе зерен, т.е. групп кристаллов, которые могут быть сориентированы в пространстве различным образом.

Все физико-механические свойства металлов и их особенности являются следствием кристаллической решетки. Высокая прочность металлов объясняется наличием сил, удерживающих атомы в определенных местах кристаллической решетки. В основе упругих деформаций лежит обратимое смещение атомов кристаллической решетки от положения равновесия. В основе пластического деформирования металлов лежит перемещение дислокаций практически при любых температурах и нагрузках.

Основные свойства металлов:

1. Наличие плоскостей скольжения.

Плоскость скольжения обычно возникает в кристалле в месте наибольшей концентрации атомов.

2. Наклеп.

Наклеп – это упрочнение металла в процессе его пластической деформации.

Сущность наклепа состоит в том, что при перемещении одних частей кристаллов относительно других по плоскостям скольжения, искажается их форма, они поворачиваются, часть кристаллов может претерпеть излом, что приводит к образованию структуры типа мозаичной. Это приводит к увеличению сопротивления металла деформациям, а следовательно, к повышению его прочности.

3. Полиморфность.

Свойство металла иметь несколько модификаций. Многие металлы, например железо, могут переходить из одной модификации в другую, т.е. могут иметь различные типы кристаллической решетки.

Применение металлов в строительстве

По применению, стали подразделяются на конструкционные и инструментальные. Конструкционные стали используются для изготовления различных строительных конструкций и деталей машин, а инструментальные – для изготовления инструмента (применяются высокоуглеродистые стали).

Строительные стали, являются малоуглеродистыми. Среднеуглеродистые стали, в основном применяют в машиностроении.

Строительные и машиностроительные стали относят к группе конструкционных сталей.

По механическим характеристикам конструкционные стали делят на семь марок: СтО, Ст1, Ст2, СТЗ, Ст4, Ст5, Ст6. Основными строительными сталями являются СтЗ и Ст5, из которых изготавливают несущие металлические конструкции и арматуру для железобетона. Из сталей Ст4 и Ст5 изготавливают также болты, шурупы и т.д.

Углеродистые стали обыкновенного качества в зависимости от гарантируемых свойств объединяют в группы А, Б и В. В маркировке эту букву добавляют спереди, а в конце маркировки - способ раскисления: спокойный - сп, полуспокойный - пс, кипящий - кп, например: АСтЗпс, ВСт4пс. По группе А стали поставляют с гарантированными механическими свойствами, по группе Б - химическому составу, по группе В - по механическим свойствам и химическому составу.

По требованиям ударной вязкости в зависимости от температурных условий эксплуатации и назначения конструкций углеродистые стали разделяют на 6 категорий (номер категории указывают в конце маркировки после обозначения способа раскисления), например, ВСтЗкп2.

Легированные конструкционные, в том числе и строительные стали маркируют следующим образом. Первые две цифры показывают содержание углерода в сотых долях процента. Затем следуют условные обозначения легирующих элементов. Цифра, стоящая за условным обозначением, показывает приблизительное содержание элемента в процентах. Например, сталь 18Гсп в среднем содержит 0,18% углерода и приблизительно 1% марганца. Буквы «сп» обозначают, что сталь спокойная (по способу раскисления). Сталь 20ХГ2С в среднем содержит 0,2% углерода, приблизительно 1% хрома, приблизительно 2% марганца и приблизительно 1% кремния. Если количество легирующих добавок менее 0,3%, то обозначение легирующего элемента не проставляется. Буква А в конце марки означает, что сталь высококачественная. В строительстве применяют низколегированные стали (по экономическим соображениям): 18Г, 09Г2; 10Г2С1;20ХГ2С и др.

Большое влияние на механические характеристики сталей оказывает содержание углерода. С повышением содержания углерода твердость стали увеличивается, а пластичность уменьшается. Упругость сталей изменяется мало. Модуль упругости изменяется в пределах 2*105 - 2,06-105 Мпа. Предел прочности увеличивается до содержания углерода 0,8-1,0%, а затем снижается.

В строительстве сталь применяют в виде прокатных изделий, имеющих различную форму поперечного сечения – профиль. Используют сталь в строительстве для изготовления несущих конструкций: колонн, балок, ферм. Из низколегированных сталей изготавливают различные виды арматуры периодического профиля (для железобетона). Также сталь используется для изготовления оконных и дверных переплетов.

Основным способом получения стальных изделий являются горячая прокатка. Этим способом получают различные профили, листы, стержни, трубы. Изделия в этом случае называют горячекатанными.

Важной особенностью сталей является способность улучшать свои физико-механические свойства и, в частности, прочность в результате термической и механической обработки.

К термическим видам обработки, применяемым для строительной стали, относят закалку и отпуск. Закалка стали заключается в нагреве ее до высоких температур с последующим охлаждением в воде, масле, расплавленном свинце. Структура и свойства закаленных сталей зависят от скорости охлаждения. Стали, прошедшие закалку, имеют повышенную прочность и твердость, однако при этом имеют склонность к хрупкому разрушению.

Отпуск стали производят с целью уменьшения внутренних напряжений, возникающих при закалке, а также для снижения хрупкости и твердости закаленной стали. Стали при этом нагревают до температуры не выше 600°С и после изотермической выдержки постепенно охлаждают.

Проволоку изготовляют путем вытяжки (волочения). Некоторые виды арматуры периодического профиля изготовляют путем холодного сплющивания. И в том и в другом случае сталь упрочняется за счет наклепа. Арматуру при этом называют холоднотянутой.

Арматуру классифицируют по четырем признакам:

• в зависимости от технологии изготовления различают стержневую и проволочную арматуру. Под стержневой в данной классификации подразумевают арматуру любого диаметра в пределах d=6...40 мм;

• в зависимости от способа последующего упрочнения горячекатаная арматура может быть термически упрочненной, т.е. подвергнутой термической обработке, или упрочненной в холодном состоянии — вытяжкой, волочением

• по форме поверхности арматура бывает периодического профиля и гладкой. Выступы в виде ребер на поверхности стержневой арматуры периодического профиля, рифы или вмятины на поверхности проволочной арматуры значительно улучшают сцепление с бетоном;

• по способу применения при армировании железобетонных элементов различают напрягаемую арматуру, т.е. подвергаемую предварительному натяжению, и ненапрягаемую.

Стержневая горячекатаная арматура в зависимости от ее основных механических характеристик подразделяется на шесть классов с условным обозначением: А-I, А-II, А-III, А-IV, А-V, А-VI. Термическому упрочнению подвергают стержневую арматуру четырех классов; упрочнение в ее обозначении отмечается дополнительным индексом «т»: Ат-III, Ат-IV, Ат-V, Ат-VI. Дополнительной буквой С указывается на возможность стыкования сваркой, буквой К — на повышенную коррозионную стойкость. Подвергнутая вытяжке в холодном состоянии стержневая арматура класса А-III, отмечается дополнительным индексом В.

Каждому классу арматуры соответствуют определенные марки арматурной стали с одинаковыми механическими характеристиками, но различным химическим составом. В обозначении марки стали отражается содержание углерода и легирующих добавок.

Стержневая арматура всех классов имеет периодический профиль за исключением круглой (гладкой) арматуры класса А-I.

Арматурную проволоку диаметром 3...8 мм подразделяют на два класса: Вр-I — обыкновенная арматурная проволока (холоднотянутая, низкоуглеродистая), предназначенная главным образом для изготовления сварных сеток; В-II, Вр-II—высокопрочная арматурная проволока (многократно волоченная, углеродистая), применяемая в качестве напрягаемой арматуры предварительно напряженных элементов. Периодический профиль обозначается дополнительным индексом «р»: Вр-I, Вр-II.

Применение в строительстве алюминиевых сплавов:

1. Чистый алюминий применяют для устройства кровли здания.

2. Из лент алюминия, переплетенных друг с другом, делают бесчердачные покрытия большого пролета. Остается лишь положить теплую кровлю.

3. Из прокатных профилей изготавливают оконные и дверные переплеты.

4. Из проката изготовляют фермы и арки для перекрытия больших пролетов. Выигрыш малый вес.

5. Сборно-разборочные сооружения различного типа.

6. Несущие конструкции верхних этажей зданий в сейсмических районах, а также в зданиях с агрессивными средами.

7. Листы из алюминиевых сплавов применяют для облицовки внутренних и наружных стен.

studfiles.net

Строение и свойства металлов. | Kursak.NET

Металлы – это твердые при комнатной температуре вещества (за исключением ртути), с металлическим блеском, высокой тепло- и электропроводностью.

Твердые вещества по взаимному расположению атомов делятся на аморфные и кристаллические (Рис.1.).

Аморфными называют твердые вещества, атомы которых располагаются в пространстве хаотично. К таким веществам относят стекло, смолу, канифоль и др.

Кристаллическими называют твердые вещества, в которых атомы расположены в пространстве в строго определенном порядке.

Рис. 1. Строение кристаллического (1) и аморфного (2) вещества.

Типы связей в металлах и неметаллах.

Внутренняя связность вещества – это результат сил взаимодействия между составляющими его частицами, которые могут взаимно притягиваться или отталкиваться.

Возникновение и величина сил взаимодействия между частицами, образующими вещество, зависят от типа их связей.

Различают четыре основных типа связи: 1) ионная, 2) ковалентная, 3) металлическая, 4) межмолекулярная.

Ионная связь возникает между такими атомами, у одного из которых на внешней оболочке содержится мало электронов, а у другого она почти заполнена.

Ковалентная связь возникает, когда соседние атомы, стремясь заполнить свои внешние оболочки, объединяют требуемые для этого электроны.

Если на внешней оболочке меньше четырех электронов – что типично для металлов,- то все внешние электроны атомов внутри структурной единицы вещества образуют так называемый электронный газ, при этом каждый электрон свободно движется между атомными остовами и не принадлежит ни отдельному атому, ни какой либо малой группе их. Такая связь, называемая металлической, обусловлена взаимодействием между отрицательно заряженным электронным газом и положительно заряженными ионами – остовами атомов. Наличие металлической связи объясняет характерные свойства металлов. Благодаря свободным электронам при пластической деформации связь между ионами не нарушается и разрушения не происходит, что объясняет высокую пластичность металлов. Наличие свободных электронов обуславливает высокую электро- и теплопроводность металлов. С понижением температуры ослабляются тепловые колебания ионов, что повышает электропроводность и в ряде случаев приводит к явлению сверхпроводимости при температурах, близких к абсолютному нулю. Характерный металлический блеск объясняется взаимодействием световых волн со свободными электронами.

Межмолекулярная связь обусловлена силами, которые называют силами Ван-дер-Ваальса. Их природа пока недостаточно ясна.

Основные типы кристаллических решеток.

Атомы различных металлов различны, поэтому каждый металл имеет свои определенные свойства. Эти свойства зависят от расположения атомов между собой, характера их связей, от величины расстояния между ними. Металлы различаются не только порядком расположения атомов, но и кристаллической решеткой (Рис. 2.). Кристаллическая решетка представляет собой воображаемую пространственную сетку, состоящую из элементарных ячеек, в узлах которой находятся атомы. Различают следующие кристаллические решетки металлов с плотной упаковкой атомов: кубическую объемно-центрированную, кубическую гранецентрированную и гексагональную (Рис. 3.).

Атомы в кристаллической решетке находятся на определенных расстояниях друг от друга. Расстояние между центрами атомов, находящихся в двух в двух соседних узлах решетки называются параметрами или периодами решетки. Параметры решетки очень малы и измеряются в нанометрах

(1 нм = 10-9м).

Рис. 2. Типы кристаллических решеток металлов в виде шаровых упаковок: 1 – медь, 2 – магний, 3 – железо.

Рис. 3.

а) схематическое изображение простейшей кристаллической решетки кристалла и ее элементарной ячейки.

б) кубическая объемно-центрированная элементарная ячейка

( -железо, хром, вольфрам, молибден, натрий и др.)

9 атомов.

в) кубическая гранецентрированная элементарная ячейка (медь, свинец, золото, алюминий и др.) 14 атомов.

г) гексагональная элементарная ячейка (цинк, кадмий) 17 атомов.

Дефекты кристаллической решетки

Реальный металлический кристалл всегда имеет большое количество дефектов кристаллического строения, которые нарушают периодичность расположения атомов в кристаллической решетке. Дефекты оказывают значительное влияние на свойства металла. По геометрическим признакам они подразделяются на точечные, линейные, поверхностные.

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях. К точечным дефектам относятся вакансии, представляющие собой узлы кристаллической решетки в которых отсутствуют атомы, а также замещенные атомы примеси и внедренные атомы (Рис.4.).

а) б) в)

Рис.4. Схемы точечных дефектов в кристаллах

а) вакансия

б) замещенный атом

в) внедренный атом

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Эти дефекты называют дислокациями.

Краевая дислокация (Рис.5.) представляет собой искажение кристаллической решетки, вызванное наличием «лишней» атомной полуплоскости (экстраплоскости).

Рис.5.Схема краевой дислокации

Винтовая дислокация (Рис.6.) является разновидностью линейных дефектов кристаллической решетки. Она формируется и перемещается при сдвиге одной части кристалла относительно другой по какой-нибудь плоскости под действием внешних сдвиговых (касательных) сил Р (перемещение дислокации АВ…А/В/).

Рис.6. Схема винтовой дислокации

Свойства тел кристаллического строения.

1. Благодаря правильному расположению атомов, кристаллические тела могут приобретать правильную форму, соответствующую той или иной геометрической фигуре.

Правильная внешняя форма, получаемая при определенном взаимном расположении атомов, называется полным кристаллом, или монокристаллом. Обычно кристаллы имеют неправильную внешнюю форму, и тогда их называют кристаллитами, или зернами.

2. Упорядоченное расположение атомов в кристаллической решетки позволяет четко выделить отдельные кристаллографические направления и плоскости.

Кристаллографическими направлениями являются прямые или лучи, выходящие из какой либо точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы. Точками отсчета могут служить вершины куба, при этом кристаллографическими направлениями, являются его ребра и диагонали граней.

Кристаллографическими плоскостями являются плоскости, на которых лежат атомы, например, грани куба или его диагональные плоскости (Рис.7.).

Рис.7. Основные кристаллографические плоскости: а – плоскость додэкаэдра, б – плоскость октаэдра, в – плоскость куба.

Если рассмотреть расположение атомов в различных плоскостях кристаллической решетки, то обнаружится, что насыщенность атомов в различных плоскостях кристаллической решетки неодинакова; неодинаковы также междуатомные расстояния. Этим объясняется различие свойств металлов в разных плоскостях кристаллической решетки, называемое анизотропией (анизотропностью) кристаллов. Аморфные тела имеют беспорядочную насыщенность атомов в различных плоскостях решетки. Поэтому их свойства одинаковы во всех направлениях плоскостей кристалла – они изотропны.

Кристаллы в металле могут ориентироваться правильно, либо неправильно. При правильной ориентировки одинаковые кристаллографические плоскости совпадают, при неправильной – не совпадают. Чаще всего ориентировка кристаллов бывает неправильная. Поэтому свойства металлов получаются в среднем одинаковые во всех направлениях плоскостей тела. Такие тела называются квазизотропными.

3. Некоторые металлы, например железо, титан, олово и другие, способны по достижению определенных температур изменять свое кристаллическое строение, перестраивая тип элементарной ячейки (Рис.8.). Данное явление получило название аллотропии или полиморфизма, а сами переходы от одного кристаллического строения к другому называются аллотропическими или полиморфными. Сущность аллотропии состоит в том, что при определенных температурах в твердом металле возникают новые центры кристаллизации, в процессе роста которых образуется новая решетка. Формирование новой решетки происходит с поглощением тепла при нагревании и с выделением тепла при охлаждении. Поэтому в период перестройки решетки температура остается неизменной. Различные формы кристаллической решетки для данного металла называются модификациями. Эти модификации обозначают буквами α, β, γ, δ.

Рис.8. Кривая охлаждения чистого железа и его аллотропические изменения.

kursak.net

Строение и свойства металлов — МегаЛекции

Красноярский институт железнодорожного транспорта

 

МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

 

Составитель В.С.Чекушин

Красноярск 2010

Содержание

1 Общие вопросы материаловедения 3

1.1. Материалы производственного назначения, используемые в изделиях. 3

1.2. Качество материалов и его оценка. 5

1.3. Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов. 9

2 Строение и свойства металлов 11

2.1. Дефекты в кристаллах. 14

2.2. Кристаллизация. 16

2.3. Строение металлического слитка. 19

2.4. Аллотропия металлов. 20

2.5. Металлические сплавы.. 21

2.6. Диаграммы состояния сплавов. 27

3 Железо и сплавы на его основе 38

3.1. Система железо — цементит. 39

3.2. Практическое применение диаграммы Fe – Fe3C.. 44

4 Стали 46

5 Чугуны 57

6 Основы теории термической обработки 64

6.1. Четыре основные превращения в сталях. 64

6.2. Закалка и отпуск. 73

6.3. Отжиг и нормализация. 76

6.4. Термическая обработка колес подвижного состава, рельсов, пружин, рессор, подшипников. 81

7 Термомеханическая обработка стали 90

8 Химико-термическая обработка и поверхностное упрочнение стали 91

9 Материал, термообработка, поверхностное упрочнениие, шлифовка и допускаемые напряжения тяговых зубчатых передач 97

Способы поверхностного упрочнения зубьев и шлифовка зубьев. 101

10 Алюминий и сплавы на его основе 106

11 Антифрикционные (подшипниковые) сплавы на оловянной, свинцовой и цинковой основах 110

12 Медь и ее сплавы 113

11.1. Общая характеристика и классификация медных сплавов. 114

11.2. Медно-никелевые сплавы.. 120

13 Порошковые металлические материалы 121

14 Защита металлов от коррозии 131

15 Металлические стекла 133

16 Титан и сплавы на его основе 136

17 Материалы из органических веществ 141

1 Общие вопросы материаловедения

Материаловедение – древнейшая область знаний, обусловленная жизнедеятельностью людей в сферах производства и быта с использованием элементов материального мира неорганической и органической природы с дальнейшими их превращениями и формированием материалов с требуемыми свойствами.

Особенностью цивилизации, в которой мы оказались, являются постоянно растущие потребности в новых типах материалов при постоянно увеличивающихся объемах использования последних.

Материаловед обеспечивает создание технологии получения материалов с заданными свойствами. При этом в современной жизнедеятельности людей, номенклатура необходимых материалов огромна и она постоянно расширяется.

Существенное различие в природе материалов не позволяет обеспечить единообразие в изучении свойств материалов и способах создания материалов с заданными свойствами.

1.1. Материалы производственного назначения, используемые в изделиях

Машиностроительные материалы предназначены для изготовления деталей машин, механизмов и приборов, инструмента, инженерных сооружений и изделий, которые при работе испытывают механические нагрузки, а в некоторых случаях, могут работать под воздействием агрессивной окружающей среды, температуры, трения и других негативных факторов.

Рис. 1.1. Классификация металлических материалов

 

Рис. 1.2. Классификация неметаллических материалов

 

Рис. 1.3. Классификация композиционных материалов

1.2. Качество материалов и его оценка

Качеством материала называется совокупность его свойств, удовлетворяющих определенные потребности в соответствии с назначением.

Уровень качества определяется показателями, представляющими собой количественную характеристику одного или нескольких свойств материалов, которые определяют их качество применительно к конкретным условиям использования. Показатели качества: единичные и комплексные

Единичный показатель качества характеризуется только одним свойством (например, твердость стали).

Комплексный показатель характеризуется несколькими свойствами материалов (например, стали – химический состав, механические свойства, микро- и макроструктуры). Комплексные показатели качества устанавливаются государственными стандартами.

Качество материала определяется свойствами, химическим составом, структурой. Химический состав может определяться химическим или спектральным анализом. Структура материала определяется макроанализом, микроанализом, рентгеновским анализом, магнитной, ультразвуковой и капиллярной дефектоскопией

Механические свойства материалов

Механические свойства характеризуют способность материалов сопротивляться действию внешних сил.

К основным механическим свойствам относятся прочность, твердость, ударная вязкость, упругость, пластичность, хрупкость и др.

Прочность — способность материала сопротивляться разрушающему воздействию внешних сил.

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

Вязкость – свойство материала сопротивляться разрушению под действием динамических нагрузок.

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

Рис. 1.4. К определению прочности, пластичности и хрупкости материала

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

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

Величины, характеризующие прочность, пластичность и упругость материала, определяют при статических испытаниях на растяжение. Образец длиной l0 и диаметром d0 растягивают под действием приложенной силы Р, до разрушения (рис. 1.4). Внешняя нагрузка вызывает в образце напряжение и деформацию.

Напряжение Ϭ это отношение силы Р к площади поперечного сечения F, МПа:

(1.1)

Деформация характеризует изменение размеров образца под действием нагрузки, %:

, (1.2)

где: l – длина растянутого образца.

При испытаниях строится диаграмма растяжения, представляющая собой зависимость напряжения от деформации. На рис.1.5 приведена такая диаграмма для низкоуглеродистой стали.

Рис. 1.5. Диаграмма растяжения

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

Предел текучести ϬТ — напряжение, соответствующее площадке текучести на диаграмме растяжения. Если на диаграмме нет площадки текучести (что наблюдается для хрупких материалов), то определяют условный предел текучести Ϭ0,2 — напряжение, вызывающее пластическую деформацию, равную 0,2 %.

Предел прочности (или временное сопротивление) Ϭв — напряжение, отвечающее максимальной нагрузке, которую выдерживает образец при испытании.

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

(1.3)

где lk — длина образца после разрыва.

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

, (1.4)

где Fk — 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 плошади поверхности отпечатка.

Ударная вязкость определяется работой А, затраченной на разрушение образца, отнесенной к площади его поперечного сечения F; Дж/м2:

(1.5)

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.

1.3. Физические, химические и эксплуатационные свойства материалов

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.

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.

Вопросы для самоконтроля

1. Материаловедение – это наука или искусство?

2. Как условно подразделяются материалы?

3. Классификация металлических материалов.

4. Классификация неметаллических материалов.

5. Классификация композиционных материалов.

6. Показатели качества материалов.

7. Основные механические свойства материалов и их определение.

8. Сущность статических испытаний материалов на растяжение.

9. Что такое напряжение?

10. Что такое деформация?

11. Что такое предел упругости, предел текучести и предел прочности?

12. Что характеризует относительное удлинение и относительное сужение образца?

13. Методика определения твердости материалов (методы Бринеля, Роквелла, Виккерса). Единицы измерения твердости.

14. Определение ударной вязкости материалов.

Строение и свойства металлов

Металлические материалы делятся на две большие группы: железо и сплавы железа (сталь и чугун) называют черными металлами, а остальные металлы и их сплавы — цветными.

Свойства металлов разнообразны:

· кристаллическое строение в твердом состоянии;

· пластичность и твердость;

· тепло- и электропроводность;

· термоэлектронная эмиссия, т. е. способность к испусканию электронов при нагреве;

· хорошая отражательная способность (металлы практически непрозрачны и имеют характерный металлический блеск).

В элементарном состоянии атомы металлов обладают совокупностью общих и специфических физико-химических свойств, в том числе способностью к взаимодействию с себе подобными атомами металлической природы, а также атомами металлоидной природы.

Металлы, присутствующие в виде расплавленной конденсированной фазы способны выступать в качестве растворителей других металлов и неметаллов (углерода, кислорода, серы и проч.).

Общим свойством металлов в твердом состоянии является формирование совершенных кристаллических структур – кристаллических решеток, в узлах которых расположены атомы, характеризующиеся дефицитом валентных электронов, формирующих электронный газ. В общем виде суммарный положительный заряд ионного остова кристаллического образца нейтрализуется суммарным зарядом электронного газа, концентрация которого зависит от природы атома металла.

Кристаллические тела при нагреве остаются твердыми до определенной температуры (температуры плавления), при которой они переходят в жидкое состояние. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале; сначала они становятся вязкими и лишь, затем переходят в жидкое состояние. Все металлы и их сплавы – тела кристаллические.

Для описания кристаллической структуры металлов пользуются понятием кристаллической решетки. Наиболее часто встречаются решетки (рис. 2.1): объемно-центрированная кубическая (OЦK) ‑ α-Fe, Сr, W, гранецентрированная кубическая (ГЦК) ‑ γ-Fe, Al, Сu, гексагональная плотноупакованная (ГПУ)‑ Mg, Zn

Рис. 2.1. Кристаллические решетки железа: а – ОЦК, б – ГЦК, в – ГП; а, b, с – периоды

В ОЦК решетке центральный атом находится на равноудаленном расстоянии от восьми атомов в вершинах куба. То есть координационное число (К) равно восьми. В ГЦК решетке атом, находящийся в центре грани равноудален от 4 атомов в вершинах куба, от 4 атомов, расположенных на гранях куба и от 4 атомов, принадлежащих контактирующей кристаллической решетке. Таким образом, координационное число равно 12

Степень заполненности объема кристаллической решетки атомами является важной характеристикой структуры. Она определяется такими показателями, как параметр решетки, число атомов в каждой элементарной ячейке, координационное число и плотность упаковки.

Параметр решетки – это расстояние между атомами по ребру элементарной ячейки (рис. 2.2). Измеряется в нанометрах – нм. 1нм = 10-9 = 10 А. Параметры кубических решеток характеризуются длиной ребра куба и обозначаются буквой а. Для характеристики гексогональной решетки принимаю два параметра – сторону шестигранника – а и высоту призмы – с.

Рис. 2.2. Параметры кристаллической решетки металлов: а, b, с – периоды; α, β, γ – углы

Параметры а кубических решеток металлов находятся в пределах от 0,286 до 0,607 нм. Для металлов с гексогональной решеткой а находится в пределах 0,228–0,398 нм, а с в пределах 0,357–0,652 нм. Параметры решеток определяются рентгеноструктурным анализом.

2.1. Дефекты в кристаллах

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, обусловленные нарушением правильного расположения атомов кристаллической решетки. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на точечные, линейные и поверхностные

Большинство атомов данной кристаллической решетки имеют одинаковую (среднюю) энергию и колеблются при данной температуре с одинаковой амплитудой. Однако отдельные атомы обладают энергией значительно большей средней энергии и перемешаются из одного места в другое. Наиболее легко перемешаются атомы поверхностного слоя. Место, где находился такой атом, называется вакансией. На это место через некоторое время перемешается один из атомов соседнего слоя и т. д. Таким образом вакансия перемешается в глубь кристалла. К точечным дефектам (рис. 2.3.) относят атом, внедренный в междоузлие кристаллической решетки, и замешенный атом, когда место атома одного металла замешается в кристаллической решетке другим. Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решетки.

Рис. 2.3. Схемы точечных дефектов: а – вакансия; б – атом внедрения; в – примесный атом внедрения

Линейные дефекты (рис. 2.4.) возникают, когда в результате сдвига на одно межатомное расстояние одной части решетки относительно другой, число рядов атомов в верхней части решетки на один больше, чем в нижней, то есть, появляется как бы лишняя атомная плоскость (экстраплоскость).

Край экстраплоскости, перпендикулярный направлению сдвига, называется краевой или линейной дислокацией. Длина дислокации может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Ширина дислокации мала и составляет несколько атомных расстояний. Линейные дефекты, краевые и винтовые дислокации – сильно искажают кристаллическую решетку, создавая напряжения. Перемещаясь под влиянием внешних сил, дислокации скапливаются, достигая критической плотности (1012 на см2). При этом пластичность становится близкой к нулю, происходит трещинообразование и хрупкое разрушение. Дислокации возникают при кристаллизации и могут размножаться под нагрузкой.

Рис. 2.4. Схемы краевой (а) и винтовой (б) дислокаций: АВ – краевая дислокация; ABCD – плоскость скольжения; ВС – винтовая дислокация

Поверхностные дефекты (рис. 2.5.) представляют собой границы раздела между отдельными кристаллами. На границе раздела атомы расположены менее правильно, чем в его объеме. Кроме того, по границам раздела скапливаются дислокации и вакансии, а также концентрируются примеси, что еще больше нарушает порядок расположения атомов.

Рис. 2.5. Схема поверхностного дефекта – граница зерен (пунктир): А – атом принадлежит обеим решеткам; В – атом не принадлежит ни одной из них; С – атом принадлежит одной из двух решеток

Прочность металла может либо увеличиваться вследствие искажений кристаллической решетки вблизи границ, либо уменьшаться из-за наличия примесей и концентрации дефектов. Дефекты в кристаллах существенно влияют на свойства металлов.

Неодинаковость физических свойств среды в разных направлениях называют анизотропией. Анизотропия кристаллов обусловлена различием плотности упаковки атомов в решетке в различных направлениях. Все кристаллы анизотропны.

2.2. Кристаллизация

Переход из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называют кристаллизацией. Процессы кристаллизации зависят от температуры и протекают во времени Кривые охлаждения строятся в координатах температура ‑ время.

Теоретический процесс кристаллизации металла без переохлаждения протекает при температуре TS (рис. 2.6.). При достижении идеальной температуры затвердевания TS падение температуры прекращается. Это объясняется тем, что перегруппировка атомов при формировании кристаллической решетки идет с выделением тепла (выделяется скрытая теплота кристаллизации).

Рис. 2.6. Расположение кривых охлаждения в зависимости от скорости охлаждения V < V1 < V2

Каждый чистый металл (не сплав) кристаллизуется при строго индивидуальной постоянной температуре. По окончании затвердевания металла температура его снова понижается. Практически кристаллизация протекает при более низкой температуре, т.е. при переохлаждении металла до температур ТП, ТП1, ТП2, (например, кривые 1, 2).

Степень переохлаждения ΔT = TS – ТП зависит от природы и чистоты металла и скорости охлаждения. Чем чище жидкий металл, тем он более склонен к переохлаждению. При увеличении скорости охлаждения степень переохлаждения возрастает, а зерна металла становятся мельче, что улучшает его качество. Для большинства металлов степень переохлаждения при кристаллизации в производственных условиях составляет от 10 до 30 °С. При больших скоростях охлаждения она может достигать сотен градусов.

Процесс кристаллизации состоит из двух стадий: зарождения кристаллов (зародышей или центров кристаллизации) и роста кристаллов из этих центров. При переохлаждении сплава ниже ТП на многих участках жидкого металла образуются способные к росту кристаллические зародыши.

Сначала образовавшиеся кристаллы растут свободно и имеют более или менее правильную геометрическую форму.

Затем при соприкосновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается, так как в этих участках рост граней прекращается.

Рост кристалла продолжается только в тех направлениях, где есть свободный доступ жидкого металла. В результате кристаллы, имевшие сначала геометрически правильную форму, после затвердевания получают неправильную форму, их называют кристаллитами или зернами.

Величина зерен зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста кристаллов. Чем больше центров кристаллизации, тем мельче зерно металла. На образование центров кристаллизации влияет и скорость охлаждения. Чем выше скорость охлаждения, тем больше возникает центров кристаллизации и, следовательно, мельче зерно металла.

Чтобы получить мелкое зерно, создают искусственные центры кристаллизации. Для этого в расплавленный металл (расплав) вводят специальные вещества, называемые модификаторами.

2.3. Строение металлического слитка

Форма растущих кристаллов определяется не только условиями их касания друг с другом, но и составом сплава, наличием примесей и режимом охлаждения. Обычно механизм образования кристаллов носит дендритный (древовидный) характер, когда рост зародышей происходит с неравномерной скоростью (рис. 2.7.).

Рис. 2.7. Направления осей роста кристалла

После образования зародышей их развитие идет в тех плоскостях и направлениях решетки, которые имеют наибольшую плотность упаковки атомов и минимальное расстояние между ними. В этих направлениях образуются длинные ветви будущего кристалла ‑ так называемые оси (1) первого порядка. В дальнейшем от осей первого порядка начинают расти новые оси (2) - оси второго порядка, от осей второго порядка - оси (3) - третьего порядка и т. д.

Например, стальные слитки получают охлаждением в металлических формах (изложницах) или на установках непрерывной разливки. В изложнице сталь не может затвердеть одновременно во всем объеме из-за невозможности создания равномерной скорости отвода тепла. Поэтому процесс кристаллизации стали начинается у холодных стенок и дна изложницы, а затем распространяется внутрь жидкого металла (рис. 2.8.).

Рис. 2.8. Схема строения стального слитка: а) расположение дендритов в наружных частях слитка; б) строение слитка 1 – стенки изложницы; 2 – мелкие равноосные кристаллы; 3 – древовидные кристаллы; 4 – равноосные неориентированные кристаллы больших размеров; 5 – усадочная рыхлость; 6 – усадочная раковина

В верхней части слитка, которая затвердевает в последнюю очередь, образуется усадочная раковина 6 вследствие уменьшения объема металла при охлаждении. Под усадочной раковиной металл в зоне 5 получается рыхлым из-за большого количества усадочных пор. Для получения изделий используют только часть слитка, удаляя усадочную раковину и рыхлый металл слитка для последующего переплава.

2.4. Аллотропия металлов

Аллотропией, или полиморфизмом, называют способность металла в твердом состоянии иметь различные кристаллические формы. Процесс перехода из одной кристаллической формы в другую называют аллотропическим превращением. При нагреве чистого металла такое превращение сопровождается поглощением тепла и происходит при постоянной температуре, что связано с необходимостью затраты определенной энергии на перестройку кристаллической решетки.

Например, железо в интервале температур 911 – 1392 °С имеет гранецентрированную кубическую решетку (ГКЦ) γ-Fe. В интервалах до 911 ºС и от 1392 до 1539°С железо имеет объемно-центрированную кубическую решетку (ОЦК) ‑ α-Fe.

2.5. Металлические сплавы

Металлические сплавы— макроскопически однородные системы, состоящие из двух или более сортов атомов металлов (или неметаллов), в которых доминирующими являются атомы металла и которые обладают металлическими свойствами. Свойства металлических сплавов могут быть изменены легированием, механической, термической, термомеханической, радиационной и другими видами обработки.

Легирование— введение в состав металлических сплавов так называемых легирующих элементов (например, в сталь — Cr, Ni, Mo, W, V и др.) для придания сплавам определенных физических, химических или механических свойств.

Классификация сплавов

· по химическому составу

· по числу компонентов

· по числу фаз

· по способу получения

Для изучения процессов, происходящих в сплавах при их превращениях, а также для описания строения сплавов в металловедении используют понятия: компонент, фаза, система.

Компонентами называют вещества, образующие систему. Чистый металл представляет собой однокомпонентную систему, сплав двух металлов - двухкомпонентную систему и т.д. Компонентами могут быть металлы и неметаллы, а также устойчивые, т.е. не диссоциирующие на составные части в рассматриваемых интервалах температур вещества – химические соединения.

Фазой называют однородную часть системы, имеющую одинаковый состав, одно и то же агрегатное состояние и отделенную от остальных частей системы поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав или структура вещества изменяются скачкообразно.

Совокупность фаз, находящихся в равновесии при определенных внешних условиях (давлении, температуре), называют системой. Сплав называют однородным (гомогенным), если его структура однофазна, и разнородным (гетерогенным), если его структура состоит из нескольких фаз. Под структурой сплав понимают видимое в микроскоп взаимное расположение фаз, их форму и размеры. Компоненты, входящие в состав сплава, могут образовывать следующие фазы:

· жидкие растворы;

· твердые растворы;

· химические соединения

· механические смеси.

Металлические жидкие растворы (расплавы)представляют собой жидкое негомогенное состояние металлов и их сплавов, которое по большинству характеристик (например, по электропроводности и теплопроводности) ближе к твердому состоянию.

Однородные жидкие растворы характерны почти для всех металлов, растворяющихся друг в друге в жидком состоянии в любых соотношениях.

В однородном жидком растворе атомы растворимого металла (компонента) равномерно распределены среди атомов металла–растворителя.

Лишь немногие металлы растворяются в жидком состоянии ограниченно. И только очень немногие металлы из-за большой разницы в размерах своих атомов не растворяются друг в друге в жидком состоянии. В процессе кристаллизации и затвердевания сплавов взаимодействие компонентов может быть различным. Твердые растворы образуются в результате перехода в твердое состояние однородных жидких растворов.

В твердом растворе одно из веществ, входящих в состав сплава, сохраняет присущую ему кристаллическую решетку, а другое в виде отдельных атомов распределяется в кристаллической решетке первого вещества.

Металлические твердые растворы образуются в результате проникновения в кристаллическую решетку основного металла атомов другого металла или неметалла. Различают твердые растворы замещения (а)и твердые растворы внедрения (б) (рис. 2.9).

Рис. 2.9. Схемы строения решеток твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

Так как электронное строение и размеры атомов основного металла (растворителя) и растворенного компонента различны, то при образовании металлического твердого раствора кристаллическая решетка всегда искажается, и периоды ее изменяются. При образовании раствора внедрения период решетки растворителя всегда возрастает, а при образовании твердого раствора замещения — может увеличиться или уменьшиться в зависимости от соотношения атомных радиусов растворителя и растворенного компонента.

Большинство металлов в той или иной степени взаимно растворяются друг в друге в твердом состоянии. Например, без изменения типа кристаллической решетки в алюминии может растворяться до 5,5 % Сu, а в меди — 39 % Zn.

Если компоненты могут замещать друг друга в любых количественных соотношениях, то они образуют непрерывный ряд твердых растворов, имеющих одну и ту же кристаллическую решетку. Образование твердых растворов всегда сопровождается увеличением электрического сопротивления и уменьшением его температурного коэффициента. Твердые растворы обычно менее пластичны (исключение составляют твердые растворы на основе меди) и всегда более тверды и прочны, чем чистые металлы.

При этом в значительной мере свойства изменяются в твердых растворах внедрения, так как искажения решетки при их образовании больше.

Полностью упорядоченные твердые растворы (сверхструктуры) образуются, когда отношение компонентов в сплаве равно целому числу: 1:1; 1:2; 1:3 и др. (рис. 3.10.). В этом случае сплаву с упорядоченным строением можно приписать формулу химического соединения, например, CuAu или Сu3Аu. Таким образом, упорядоченные твердые растворы можно рассматривать как промежуточные фазы между твердыми растворами и химическими соединениями.

Рис. 2.10. Кристаллические решетки упорядоченных твердых растворов: а) CuZn; б) CuAu; в) Cu3Au

В металловедении принято обозначать: чистые компоненты большими буквами латинского алфавита — А, В, С и др.; твердые растворы — малыми буквами греческого алфавита — α, β, γ и др., a упорядоченные твердые растворы теми же буквами со штрихом — α’, β’, γ’ и др.

Понятие «химическое соединение» определяет химически индивидуальное вещество, в котором атомы одного (например, N2 и O2) или различных (CuZn, Mо2C) элементов соединены между собой тем или иным видом химической связи. Известно свыше 3 млн. химических соединений. В металлических сплавах это понятие охватывает только химические соединения, образованные из различных компонентов сплава.

Химические соединения, образующиеся в металлических сплавах из различных компонентов, отличаются от типичных химических соединений тем, что не подчиняются законам валентности и не имеют постоянного состава, а от упорядоченных твердых растворов — тем, что сохраняют свою кристаллическую решетку до температуры плавления.

Химические соединения по электронному строению и свойствам разделяют на классы: электронные соединения, интерметаллиды, фазы внедренияи др.

Электронные соединения(электронные фазы) чаще всего образуются между одновалентными (Сu, Ag, Li, Na и др.) металлами или переходными металлами (Fe, Mn, Со и др.) и металлами с валентностью от 2 до 5 (Be, Mg, Zn, Al и др.).

Интерметаллиды (интерметаллические соединения) — химические соединения металлов с металлами и неметаллами (нитриды, карбиды, гидриды и др.), обладающие металлической связью. Интерметаллические соединения образуют переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Mo и др.) с углеродом, азотом, бором и водородом, то есть с элементами, имеющими малый атомный радиус. Кристаллическое строение фаз внедрения определяется соотношением атомных радиусов неметалла (Rx) и металла (Rm).

Атомы металла расположены по типу одной из простых решеток (кубической или гексагональной), в определенные пустоты (поры) которой внедрены атомы неметалла. Механическая смесь двух компонентов А и В образуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава не способны к взаимному растворению в твердом состоянии и не вступают в химическую реакцию с образованием соединения. Механическая смесь может состоять из зерен двух насыщенных твердых растворов или зерен твердого раствора и химического соединения. В этом случае сплав состоит из кристаллов А и В, которые, если они достаточно крупны, отчетливо выявляются на микроструктуре. Рентгенограмма сплава отчетливо показывает наличие двух решеток компонентов А и В.

2.6. Диаграммы состояния сплавов

Сплавы в подавляющем числе случаев находятся в состоянии, когда они обладают ограниченной устойчивостью. Истинное равновесие в практических условиях достигается редко. Состояние сплава зависит от внешних условий (например, температуры, давления) и характеризуется числом и концентрацией образовавшихся фаз. Для описания фазового состава сплавов в условиях, достаточно близких к равновесному состоянию, применяют диаграмму состояния.

Диаграмма состояния (фазового равновесия) сплава— графическое изображение соотношения между параметрами состояния (температурой, давлением, составом) термодинамически равновесной системы, в зависимости от концентрации компонентов (в процентах по массе или, реже, в атомных процентах) и температуры.

Диаграмма состояния показывает строение сплава в зависимости от соотношения компонентов и от температуры. Обычно применяют проекции диаграммы состояния на одну из координатных плоскостей при постоянном значении остальных параметров, например, на плоскость температура — состав при постоянном давлении.

Диаграммы состояния спл

megalektsii.ru

2 .Физические свойства металлов.

1. Строение металлов

 

           Исследование структуры металла проводят путем изучения макроструктуры с увеличением до 10 раз и без увеличения; микроструктуры с увеличением от 10 до 2000 раз на оптических микроскопах и до 100 000 раз на электронных микроскопах, атомной структуры – рентгенографическим анализом.             Металлы представляют собой кристаллические тела с закономерным расположением атомов в узлах пространственной решетки.            Решетки состоят из ряда кристаллических плоскостей, расположенных друг от друга на расстоянии нескольких нанометров (1 нм = 10-9 м). Для железа эти расстояния 28,4 нм (α=Fe) и 36,3 нм (γ = Fe). Большинство металлов имеет пространственные решетки в виде простых геометрических фигур. Отдельные участки кристаллической решетки прочно связаны между собой в комплексы – зерна. Взаимное расположение зерен отдельных элементов и сплавов определяет структуру металлов и их свойства.           Атомы металлов характеризуются малым количеством электронов (1...2) на наружной оболочке, легко отдают их, что подтверждается высокой электропроводностью.           Черные металлы имеют простые кубические ячейки решеток двух видов: а) центрированный или объемно-центрированный куб (9 атомов в ячейке), объем шаров занимает 68 %; б) гранецентрированный или куб с центрированными гранями (14 атомов), объем шаров занимает 74 %. Некоторые цветные металлы и их сплавы имеют гексагональную (шестигранную) решетку.            Железо, олово, титан и другие металлы обладают свойствами аллотропии, т.е. способностью одного и того же химического элемента при различной температуре иметь разную кристаллическую структуру. Аллотропические превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты. Железо имеет четыре аллотропические формы: α-Fe; β-Fe, γ-Fe, δ-Fe. Практическое значение имеют α -Fe и γ -Fe, так как p-Fe и б-Fe отличаются от a-Fe только величиной межатомного расстояния, а для β-Fe характерно отсутствие магнитных свойств.           Температура, при которой происходит переход металла из одного аллотропического вида в другой, называется критической. Величины этих температур видны на диаграмме охлаждения и нагревания чистого железа в виде участков, свидетельствующих о том, что фазовые превращения происходят с выделением теплоты при нагревании.

          Все металлы находятся в твердом состоянии до определенной температуры. При нагреве металла амплитуда колебания атомов достигает некоторой критической величины, при которой происходят разрушение кристаллической решетки и переход металлов из твердого в жидкое состояние. Процесс кристаллизации заключается в росте кристаллов путем отложения новых кристаллических групп вокруг возникших зародышей. Рост кристаллических образований происходит в определенных направлениях. Вначале образуются главные оси кристалла путем роста в трех взаимно перпендикулярных направлениях, а затем от каждой из этих осей образуются новые и возникает не полностью завершенный кристалл, называемый дендритом. В дальнейшем все промежутки между осями дендрита заполняются упорядоченно расположенными атомами.           В условиях несвободной кристаллизации образующиеся кристаллы получают неправильные очертания и форму и называются кристаллитами или зернами. Величина зерен оказывает существенное влияние на механические свойства металлов: чем мельче зерна, тем прочнее металл.           Технические металлы и сплавы представляют собой поликристаллические тела, состоящие из большого числа различно ориентированных кристаллических зерен (поперечные размеры зерен – 0,001...0,1 мм). Поэтому в целом металлы и сплавы можно считать условно изотропными телами.

Группы металлов.

В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из

них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в

виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов,

составе тел животных, растений и даже в атмосфере.

По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые

это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, -

писал он, - тела твердые, ковкие блестящие».

Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду

наличие у него определенного комплекса свойств:

1. Плотная кристаллическая структура.

2. Характерный металлический блеск.

3. Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.

4. Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.

5. Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко

отдавать электроны.

6. Ковкость и тягучесть.

7. Способность к образованию сплавов.

Все металлы и сплавы, применяемые в настоящее время в технике, можно

разделить на две основные группы. К первой из них относят черные металлы -

железо и все его сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими

сплавами являются чугуны и стали. В технике часто используют так называемые

легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель,

вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в

легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования

получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной

прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих -

коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием

внешней среды.

Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили

такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-

красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото

-желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав

меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит -

сплав олова с сурьмой и медью и др.

Это деление на черные

С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего

особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью

сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно

только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу.

Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в

порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный

или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и

электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток

располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь,

худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность

падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается.

Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая

механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются,

вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п.

Характерные физические свойства металлов находятся в связи с

особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям,

кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных

электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно

себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты

ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны.

Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются

вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с

определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов

они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает

электрический ток.

Наличием свободных электронов обусловливается и высокая

теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны

постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому

колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания,

сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое

состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает

одинаковую температуру.

По плотности металлы условно подразделяются на две большие группы:

легкие металлы, плотность которых не больше 5 г/см3, и тяжелые металлы -

все остальные. Плотность, а также температуры плавления некоторых металлов

приведены в таблице №1.

Таблица №1

Плотность и температура плавления некоторых металлов.

|Название |Атомный вес |Плотность, |Температура |

| | |г/см3 |плавления, C | и8.

|Легкие металлы.| | | |

|Литий |6,939 |0,534 |179 |

|Калий |39,102 |0,86 |63,6 |

|Натрий |22,9898 |0,97 |97,8 |

|Кальций |40,08 |1,55 |850 |

|Магний |24,305 |1,74 |651 |

|Цезий |132,905 |1,90 |28,5 |

|Алюминий |26,9815 |2,702 |660,1 |

|Барий |137,34 |3,5 |710 |

|Тяжелые металлы| | | |

|Цинк |65,37 |7,14 |419 |

|Хром |51,996 |7,16 |1875 |

|Марганец |54,9380 |7,44 |1244 |

|Олово |118,69 |7,28 |231,9 |

|Железо |55,847 |7,86 |1539 |

|Кадмий |112,40 |8,65 |321 |

|Никель |58,71 |8,90 |1453 |

|Медь |63,546 |8,92 |1083 |

|Висмут |208,980 |9,80 |271,3 |

|Серебро |107,868 |10,5 |960,8 |

|Свинец |207,19 |11,344 |327,3 |

|Ртуть |200,59 |13,546 |-38,87 |

|Вольфрам |183,85 |19,3 |3380 |

|Золото |196,967 |19,3 |1063 |

|Платина |195,09 |21,45 |1769 |

|Осмий |190,2 |22,5 |2700 |

Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны

особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она

определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между

нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными

электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не

отдельных частиц, а их агрегатов.

Химические свойства металлов.

Основным химическим свойством металлов является способность их атомов

легко отдавать свои валентные электроны и переходить в положительно

заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их

ионы всегда заряжены положительно.

Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны,

типичные металлы являются энергичными восстановителями.

Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов

далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем

он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими

веществами.

Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк

начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается

уравнением:

Zn + Pb(NO3)2 = Pb + Zn(NO3)2

Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией

окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка

отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым

превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в

виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить

кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет.

Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче

отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца.

Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые

было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их

убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В

настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений.

В таблице №2 представлены значения стандартных электродных

потенциалов некоторых металлов. Символом Me+/Me обозначен металл Me,

погруженный в раствор его соли. Стандартные потенциалы электродов,

выступающих как восстановители по отношению к водороду, имеют знак «-», а

знаком «+» отмечены стандартные потенциалы электродов, являющихся

окислителями.

Таблица №2

Стандартные электродные потенциалы металлов.

|Электрод |Е0,В |Электрод |Е0,В |

|Li+/Li |-3,02 |Co2+/Co |-0,28 |

|Rb+/Rb |-2,99 |Ni2+/Ni |-0,25 |

|K+/K |-2,92 |Sn2+/Sn |-0,14 |

|Ba2+/Ba |-2,90 |Pb2+/Pb |-0,13 |

|Sr2+ /Sr |-2,89 |H+/1/2h3 |0,00 |

|Ca2+/Ca |-2,87 |Sb3+/Sb |+0,20 |

|Na+/Na |-2,71 |Bi3+/Bi |+0,23 |

|La3+/La |-2,37 |Cu2+/Cu |+0,34 |

|Mg2+/Mg |-2,34 |Cu+/Cu |+0,52 |

|Al3+/Al |-1,67 |Ag+/Ag |+0,80 |

|Mn2+/Mn |-1,05 |Pd2+/Pd |+0,83 |

|Zn2+/Zn |-0,76 |Hg2+/Hg |+0,86 |

|Cr3+/Cr |-0,71 |Pt2+/Pt |+1,20 |

|Fe2+/Fe |-0,44 |Au3+/Au |+1,42 |

|Cd2+/Cd |-0,40 | | |

Металлы, расположенные в порядке возрастания их стандартных

электродных потенциалов, и образуют электрохимический ряд напряжений

металлов: Li, Rb, K, Ba, Sr, Ca, Na, Mg, Al, Mn, Zn, Cr, Fe, Cd, Co, Ni,

Sn, Pb, H, Sb, Bi, Cu, Hg, Ag, Pd, Pt, Au.

Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1. Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его

восстановительная способность.

2. Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей

те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.

3. Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный

потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода,

способны вытеснять его из растворов кислот.

Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение

металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной температуре.

Кроме того, нужно иметь ввиду, что высокая электрохимическая активность

металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например,

ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом

отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с

исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению

с ионами других щелочных металлов.

studfiles.net

Структура и свойства металлов | Техническая литература онлайн

Металлы широко распространены в природе; из 102 известных в настоящее время химических элементов периодической системы Менделеева 79 являются металлами. По химическому составу ме­таллы (и их сплавы) классифицируют на железные (черные) и неже­лезные (цветные). К черным относится железо (и сплавы на его основе), а из цветных в технике наиболее распространены алюми­ний, медь, цинк, олово, хром, марганец, вольфрам, ванадий, магний, титан и др. В последнее время все чаще применяют бериллий, ниобий, цирконий, цезий, германий, кремний, тантал.

Металлы отличаются от других твердых тел — неметаллов (ме­таллоидов) определенным сочетанием химических, физико-механи­ческих, технологических и эксплуатационных свойств. Необходимо отметить, что металлы высокой чистоты по свойствам отличаются от металлов, содержащих даже незначительное количество приме­сей; так, технический хром, является хрупким металлом, но при содержании примесей от 0,01 до 0,0001 % обладает такой же пластич­ностью, как и железо. Потребность новой техники в металлах высо­кой и особой чистоты непрерывно возрастает. Например, в германии, используемом в технике в качестве полупроводникового материала, содержание примесей не должно превышать одного атома на 100 миллионов атомов германия.

Из химических свойств металлов наиболее специфичным являет­ся способность, соединяясь с кислородом и водой, как правило, образовывать основания (щелочи) в отличие от металлоидов, образу­ющих кислоты. Ионизируясь, атомы металлов теряют внешние валентные электроны и приобретают положительный заряд, а атомы металлоидов, наоборот, присоединяют электроны до заполнения внешней орбиты и становятся отрицательно-заряженными. Химиче­ское взаимодействие может осуществляться как между разными по заряду (электроотрицательности) атомами (металл — металлоид), так и между одинаковыми (металлоид — металлоид и металл — металл).

Этим трем типам химического взаимодействия соответствуют три основных типа междуатомных связей: ионная, ковалентная и металлическая. Ионная связь характеризуется взаимодействием различно заряженных ионов, между которыми возникают силы элект­ростатического притяжения (например, в молекуле NaCl). При ковалентной связи между спаренными электронами, принадлежащими нескольким атомам, возникают силы электромагнитного взаимодей­ствия (например, в молекулах Cl2, O2). Металлическая связь обу­словливается особым атомным строением металлов.

По современной теории металлического состояния, начало кото­рой положили работы ученых А. Г. Столетова, Л. И. Мандельштама и Н. Д. Папалекси, металлическое вещество состоит из положительно заряженных ионов или нейтральных ато­мов, расположенных в узлах решетки, и перемещающихся между ними свободных электронов. К таким электронам относятся наиме­нее связанные с ядром внешние валентные электроны. Особенностью атомного строения металлов является наличие у них особого типа междуатомной связи — металлической, характеризующейся тем, что перемещающиеся между ионами свободные электроны принадле­жат не одному какому-либо атому, а «коллективизированы» — связаны со многими атомами. Таким образом, металлическая связь выражается во взаимодействии электростатических сил притяжения между положительно заряженными ионами и коллективизирован­ными электронами и во взаимном отталкивании одноименных частиц (ионов или электронов).

Металлический тип связи определяет отличительные физические свойства металлов, впервые описанные М. В. Ломоносовым: метал­лический блеск, пластичность (способность, не разрушаясь, изме­нять форму и размеры под действием внешней силы), а также откры­тые позже высокие электро- и теплопроводность.

Высокая электропроводность металлов объясняется тем, что электроны в металлах слабо связаны с атомным ядром и легко отде­лимы от него; поэтому даже небольшая разность потенциалов может вызвать в металле перемещение электронов — создать электриче­ский ток.

Характерной особенностью металлов, отличающей их от других веществ, также обладающих электронной проводимостью, является повышение электропроводности с понижением температуры. Тепло­проводность металлов объясняется не только перемещением элект­ронов, но и колебательным движением ионов.

С атомным строением металлов тесно связаны их прочностные свойства. Теоретически мерой прочности кристаллической решетки при разрушении является величина между атомной связи. Измене­ние величины между атомной связи может характеризоваться изменением теплоты сублимации (испарения), между атомного расстоя­ния (атомного диаметра или радиуса), амплитуды колебания ионов, температуры плавления и другими физическими величинами. Однако реальная прочность металлов намного ниже их теоретической проч­ности.

Численные значения физико-механических свойств технических металлов и их марки приводятся в ГОСТах и справочниках.

Обладая высокими физико-механическими и технологическими свойствами, металлы и их сплавы являются основными материалами, применяемыми в технике для изготовления конструкций, деталей машин и инструментов.

imetal.in.ua

Строение и свойства металлов | Инструмент, проверенный временем

Металловедение — наука, изучающая строение и свойства металлов и их сплавов, ус­танавливающая связь между их составом, строением и свойствами и разрабатывающая пу­ти воздействия на их свойства. Что же такое металл? Еще М. В. Ломоносов определял ме­таллы, как «светлые тела, которые ковать можно». Это простейшее определение не потеря­ло своего значения и сейчас. Однако более типичными, характерными свойствами металлов и их сплавов являются высокие тепло — и электропроводность, увеличивающаяся с пониже­нием температуры. Теория твердого тела выбирает в качестве главного физического крите­рия металлического состояния температурный ход электросопротивления р(Т): у металлов при Т —* ОК р -» 0, в то время как у неметаллов, т. е. полупроводников и диэлектриков (изо­ляторов), при Т —> ОК р —¥ ■*>. Отмеченные свойства металлов обусловлены их электронным строением. В металлах электроны, находящиеся на внешних оболочках (валентные элек­троны). не связаны с определенными атомами, а оторваны от них и принадлежат всему кус­ку металла в целом Такие электроны называют обычно электронами проводимости. Таким образом, металл можно представить в виде положительного ионного остова, состоящего из атомных ядер с внутренними электронами, и коллективизированных электронов проводимо­сти. образующих электронный газ. Атомы в кристаллическом твердом теле располагаются в пространстве закономерно, периодически повторяясь в трех измерениях через строго опре­деленные расстояния, т. е. образуют кристаллическую решетку. Силы связи в металлах определяются силами отталкивания и силами притяжения между ионами и электронами. Атомы (ионы) располагаются на таком расстоянии один от другого, при котором энергия взаимодействия минимальна. Закономерное, повторяющееся распо­ложение атомов, образующее пространственную гео­метрическую фигуру называется кристаллической решеткой. Большинство металлов образует одну из следующих решеток с плотной упаковкой атомов:

— кубическую объемно-центрированную.

— кубическую гранецентрированную и

— гексагональную.

Как видно в кубической объемно центрированной решетке (ОЦК) атомы расположены в вершинах куба и один атом в центре объема куба.

Кубическую объемно-центрированную решетку имеютметаллы: РЬ, К, Na, Li, Та. W. Сг и др. В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК), рис. 2.03.1 б, атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани. Решетку такого типа имеют металлы: Ад, Аи, Pt. Си и др.

В гексагональной решетке (рис. 2.03.1 в) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома — в средней плоскости призмы. Такую упаковку атомов имеют металлы: Mg, Zn, Be. и др. Расстояния а. Ь, с между центрами ближайших атомов в элементарной ячейке называют параметром решетки. Параметр решетки выража­ется в нанометрах (1 нм = 10’9 см) или ангстремах А0.(1А°= 0,1нм.). Параметры решетки для большинства металлов находятся в предепах 0,1 — 0,7 нм. Обычно кусок металла состоит из скопления большого числа маленьких кристаллов непра — випьной формы, называемых зернами.

Кристаллические решетки в зернах ориентированы от­носительно друг друга случайным образом в некоторых слу­чаях, например, при холодной прокатке, наблюдается пре­имущественная ориентировка зерен — текстура (рис. 2.03.2).

Поверхности раздела зерен называются границами зерен.

Такой кусок металла является поликристаллом. При опреде­ленных условиях, обычно при очень медленном контроли­руемом отводе теппа при кристаллизации (затвердевании металла), может быть получен кусок металла, представляю­щий собой один кристалл, его называют монокристаллом. В настоящее время в лабораториях выращивают монокристаллы массой в несколько сот грамм и более Встречающиеся в природе кристаллы, как монокристаллы, так и зерна в по — ликристаллах, никогда не обладают такой строгой периодичностью в расположении атомов, о которой говорилось выше, т. е. не являются «идеальными» кристаллами. В действитель­ности «реальные» кристаллы содержат те или иные несовершенства (дефекты) кристалли­ческого строения.

Дефекты в кристаллах принято классифицировать по характеру их измерения в про­странстве на точечные, линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные), объемные (трехмерные). Точечными дефектами называются такие нарушения периодичности кристал­лической решетки, размеры которых во всех измерениях сопоставимы с размерами атома. К точечным дефектам относят вакансии (узлы в кристаллической решетке, свободные от ато­мов), межузельные атомы (атомы, находящиеся вне узлов кристаллической решетки), а также примесные атомы, которые могут или замещать атомы основного металла (примеси замещения), или внедряться в наиболее свободные места решетки (поры ипи междоузлия) аналогично межузельным атомам (примеси, внедрения).

Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяжен ность в третьем измерении. Эти несовершенства называются дислокациями. Кристалличе­ская решетка с краевыми дислокациями показана на рис. 2.03. 3.

Краевая дислокация представляет со бой локализованное искажение кристалли­ческой решетки, вызванное наличием в ней «лишней» атомной полуплоскости или экст — раплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа. Как видно из рис. 2.03.3 линия краевой дислокации, перпендикулярна век­тору сдвига. Край экстраплоскости АВ пред­ставляет собой линию краевой дислокации, длина которой может достигать многих тысяч межатомных расстояний. Дислокация может

быть прямой или выгнутой в ту или другую сторону. Кроме краевых различают еще винто­вые дислокации. На рис. 2.03.4 показана пространственная модепь винтовой дислокации. В отличие от краевой дислокации винтовая дислокация и вектор сдвига (т) параллельны. Энергия искажения кристаллической решетки является одной из важнейших характеристик дислокации любого типа. Критерием этого искажения служит вектор Бюргерса. Для опреде- ления вектора Бюргерса краевой дислокации проведем вокруг дислокации контур ABCDE.

Разность контуров имеет величину порядка межатомных расстояний (Ю*8 см) Опреде­ление вектора Бюргерса для кристалла, содержащего винтовую дислокацию, производят аналогично. В краевой дислокации вектор Бюргерса перпендикулярен к ее линии, а у винто­вой — параллелен ей. Если вектор Бюргерса охватывает несколько дислокации, то величина его соответствует геометрической сумме векторов отдельных дислокации. Вектор Бюргерса позволяет найти силы, требуемые для продвижения дислокации, силы взаимодействия и энергию дислокации и т. д. Дислокации образуются в процессе кристаллизации металлов (при срастании зерен и блоков) из группы вакансий, а также в процессе пластической де­формации и фазовых превращений.

Под поверхностными (двумерными) дефектами понимают такие нарушения в кристал­лической решетке, которые обладают большой протяженностью в двух измерениях и протя­женностью лишь в нескольких межатомных расстояниях в третьем измерении. К ним отно­сятся дефекты упаковки, двойниковые границы, границы зерен и внешние поверхности кри­сталла.

К объемным (трехмерным) дефектам относятся такие, которые имеют размеры в трех измерениях: макроскопические трещины, поры и т д.

Рассматривая различные плоскости, например в о. ц. к. решетке, можно легко заклю­чить. что они заполнены атомами с различной плотностью Свойства отдельно взятого кри­сталла (монокристалла) по данному направлению отличаются от свойств в другом направ­лении и, естественно, зависят от того, сколько атомов встречается в этом направлении. Различие свойств в зависимости от направпения испытания носит название анизотропии. Все кристаллы анизотропные. Реальный металл состоит из многих кристаллов; размер каж­дого кристалла измеряется долями миллиметра, и поэтому в 1 см3 металла содержатся де­сятки тысяч кристаллов, Произвольность ориентировки каждого кристалла приводит к тому, что в любом направлении располагается примерно одинаковое количество различно ориен­тированных кристаллов. В результате получается, что свойства такого поликристаллическо — го тела одинаковы во всех направлениях, хотя свойства каждого кристалла, составляющего это тело, зависят от направпения. Это явпение называется квазиизотропией (ложная изо­тропия).

Каждый металл имеет свой тип кристаллической решетки, однако в ряде случаев при изменении температуры или давления может оказаться, что для того же металла более ус­тойчивой будет другая решетка, чем та. которая была при другой температуре или давле­нии. Существование одного металла (вещества) в нескольких кристаллических формах но­сит название полиморфизма, или аллотропии. Различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными, или аллотропическими модификациями.

Из свойств, которыми: могут обладать материалы, механические свойства в большин­стве случаев являются важнейшими. Наличие металлической связи придает материалу (металлу) способность к пластической деформации и к самоупрочнению в результате пласти­ческой деформации. Поэтому, если внутри материала есть дефект или форма детали тако­ва, что имеются концентраторы напряжений, то в этих местах напряжения достигают боль­шой величины и может возникнуть даже трещина. Но так как пластичность металла высока, то в этом месте, в том числе в устье трещины, металл ппастически продеформируется. уп­рочнится и процесс разрушения приостановится. Приложение к материалу напряжения вы­зывает деформацию. Деформация может быть упругой, исчезающей поспе снятия нагрузки, и пластической, остающейся после снятия нагрузки. При упругом деформировании под действием внешней силы изменяется расстояние между атомами в кристаллической решет­ке. Снятие нагрузки устраняет причину, вызвавшую изменение межатомного расстояния, атомы становятся на прежние места, и деформация исчезает. Пластическое деформирова­ние представляет собой совершенно другой, значительно более сложный процесс. При пла­стическом деформировании одна часть кристалла перемещается по отношению к другой, Если нагрузку снять, то перемещенная часть кристалла не возвратится на старое место и деформация сохранится. Процесс пластической деформации существенно облегчается при наличии дислокации. Процесс деформации представляет собой как бы перемещение дисло­кации на край кристалла. Для полученных искусственно кристаллов без дисло­кации прочность очень большая, с появлением дислокации она резко снижается, а затем с увеличением их количества (и тем самым созданию трудностей для их перемещений) вновь начинает возрастать. Процесс увеличения прочности металла под действием пластической деформации называют наклепом. Кристаллическая структура пластически деформированного металла характеризуется не только искажением кристаллической ре­шетки. но и определенной ориентировкой зерен — текстурой. Беспорядочно ориентиро­ванны кристаллы под действием деформации поворачиваются осями наибольшей проч­ности вдоль направления деформации.

увеличением деформации степень тексту — рованности возрастает и при больших степенях деформации достигает 100 %. т. е. все зерна ока­зываются одинаково ориентированы. Не следует думать, что в результате деформации зерно из­мельчается. В действительности оно только де­формируется. сплющивается и QB из равноосного превращается в неравноосное (в виде лепешки, блина), сохраняя ту же площадь поперечного сече­ния.

Наклеп — структурно неустойчивое состояние металла. Возврат к устойчивому состоя­нию облегчается с увеличением температуры. При нагреве наклепанного металла не вос­станавливается старое зерно, появляется совершенно новое зерно, размеры которого могут существенно отличаться от исходного. Образование новых, равноосных зерен вместо ори­ентированной волокнистой структуры деформированного металла называется рекристал­лизацией.

Температура рекристаллизации для технических металлов составляет 0,4 Тпл. После образования новых зерен начинается процесс собирательной рекристаллизации, и размер зерен увеличивается Окончательный размер зерна зависит от степени пластической де­формации. Небольшие деформации (3 — 5%) называют критическими, так как они приводят к максимальному росту зерна при рекристаллизации. В результате рекристаллизации образу­ется равноосная структура, снижается прочность металла, вызванная наклёпом, и увеличи­вается пластичность. В зависимости от соотношения температуры деформации и темпера­туры рекристаллизации различают холодную и горячую деформации. Холодной деформа­цией называют такую, которую проводят при температурах ниже температуры рекристалли­зации Поэтому холодная деформация сопровождается упрочнением (наклепом) металла.

Деформацию называют горячей, если ее проводят при температуре выше температу­ры рекристаллизации для получения полностью рекристаллизованной структуры. При этих температурах деформация также вызывает упрочнение («горячий наклеп»), которое полно­стью или частично снимается рекристаллизацией, протекающими при температурах обра­ботки и при последующем охлаждении. При горячей обработке давлением (прокатке, прес­совании, ковке, штамповке и т. д.) упрочнение в результате наклепа (повышение плотности дислокации) непосредственно в процессе деформации непрерывно чередуется с процессом разупрочнения (уменьшением плотности дислокации) при рекристаллизации во время де­формации и охлаждении.

hssco.ru

---

• 
  Характеристики электродвигателей
• 
  Линия по которой проходит край обочины сканворд 6 букв
• 
  Пд 10 двигатель
• 
  Пд 10 двигатель
• 
  Рено кангу грузоподъемность
• 
  Уаз буханка раздатка
• 
  Дорожные условия
• 
  Рр 362 б1
• 
  Фотон 1069 технические характеристики
• 
  На основании какого документа должны производиться работы по складированию грузов
• 
  Автогрейдер это