Металлы и сплавы

Что такое химические элементы? Это элементы, которые в свободном состоянии образуют простые вещества, имеющие металлическую связь.

Людям известно 110 химических элементов. Из них 88 являются металлами и только 22 элемента – неметаллы.

Еще с доисторических времен человеку были известны такие металлы, как медь, серебро, золото. В течение древних и средних веков считалось, что в природе есть только семь металлов, это медь, серебро, золото, олово, железо, свинец и ртуть. Михаил Васильевич Ломоносов так определял металл: «Это светлое тело, которое ковать можно». Ученый относил к металлам все вышеперечисленные элементы, кроме ртути. На основе периодического закона Дмитрий Иванович Менделеев открыл металлы галлий, скандий и германий. В середине XX века проводились ядерные реакции, которые помогли открыть трансурановые элементы. Это радиоактивные металлы, которые не существуют в природе.

Сегодня современная металлургия способна получить более 60 металлов. На их основе получается свыше 5000 сплавов. Что представляет собой структура металла? В ее основе – кристаллическая решетка, состоящая из положительных ионов. Эта решетка погружена в плотный газ, который состоит из подвижных электронов. Данные электроны компенсируют силу электрического отталкивания, создающуюся между положительными ионами. Так электроны связывают ионы в твердые тела. Этот вид химической связи называется металлической связью. Она обуславливает самые важные физические свойства всех металлов: электропроводность, пластичность, металлический блеск, теплопроводность. Пластичность представляет собой способность металла менять форму при ударах, а также вытягиваться в проволоку и раскатываться в тонкие листы. В этих случаях смещаются атомы и ионы кристаллической решетки. Но связи между ними не прерываются, потому что в соответствии с ними перемещаются электроны, которые образуют эту связь. Пластичность металлов изменяется от большей к меньшей в ряду Au, Ag, Cu, Sn, Pb, Zn. Fe.

Например, золото прокатывают в лист, который толщиной не более 0,003 мм. Такие листы используются для золочения. Почему металлы имеют высокую электропроводность? В их составе присутствуют свободные электроны, которые при малейшей разнице потенциалов переходят к положительному полюсу от отрицательного. Если температура повышается, колебания атомов металлов и ионов увеличиваются. Это затрудняет электронам движение, что приводит, в свою очередь, к уменьшению электропроводности. Низкие температуры, наоборот, провоцируют уменьшение колебательного движения атомов и ионов, таким образом, электропроводность увеличивается. При приближении к абсолютному нулю металлы почти полностью теряют электрическое сопротивление.

Лучшими проводниками электричества является серебро, потом медь, алюминий, золото, железо. По такому же принципу меняется теплопроводность металла. Она вызывается большой подвижностью свободных электронов, а также колебательными движениями ионов. С помощью этого процесса температура массы металла быстро выравнивается. Металлический блеск также привязан к наличию свободных электронов. Другие физические свойства металлов также представляют немалый интерес. Особенно это касается плотности, твердости и температуры плавления. Литий является наиболее легким из всех металлов, он имеет плотность 0,53 г/см³. Самым же тяжелым является осмий - 22,6 г/см³. Все металлы, имеющие плотность ниже 5 г/см ³, называют легкими, другие – тяжелыми. Температура плавления металлов может быть самой разной. Так, например, галлий или цезий расплавится у вас на ладони, а к вольфраму пришлось бы применить температуру +3410° С. В обычных условиях только один металл имеет жидкое состояние – это ртуть. В парообразном состоянии кристаллическая решетка металлов разрушается, и все они становятся одноатомными. Кроме прочего, металлы отличаются друг от друга по твердости. Хром – самый твердый металл, он способен резать стекло. Цезий и рубидий без труда разрежутся ножом. Твердость, температура плавления и прочность металла зависят от того, насколько прочна его металлическая связь. У тяжелых металлов такая связь особенно велика.

В технике и технических науках все сплавы, имеющие в основе железо (сталь, чугун), а также и само железо, именуют черными металлами. Все другие металлы называют цветными. Есть и иные классификации металлов. Чем определяются химические свойства металла? Он имеет слабую связь валентных электронов и ядра атома. Атомы превращаются в ионы, заряженные положительно, легко отдавая электроны. Именно поэтому металл является хорошим восстановителем. Это самое общее и главное химическое свойство всех металлов. Понятно, что металлы, являясь восстановителями, должны вступать в реакцию с разными окислителями. Это могут быть как простые вещества, являющиеся неметаллами, так и соли менее активных металлов, кислоты и иные вещества. Если металл соединяется с кислородом, то получается оксид, если с галогеном – то галогенид, если с серой – то сульфид, если с азотом – то нитрид, если с фосфором – то фосфид, если с углеродом – то борид, если с водородом – то гидрид и тому подобное. Многие эти соединения активно используются в технике.

Свойства металлов, которые мы рассмотрели, связаны с отдачей электронов при химических реакциях. Они носят названия металлических свойств. В той или иной степени эти свойства имеют все химические элементы. О металлических свойствах можно судить, если сопоставить электроотрицательность элементов. Такая величина выражается в условных единицах и определяет способность атома молекулы притягивать к себе электроны. Чем меньшую электроотрицательность имеют элементы, тем ярче выражены их металлические свойства.

Машиностроительные материалы

Технический уровень машин, аппаратов, приборов во многом определяется свойствами материалов, из которых изготовлены их отдельные элементы – детали. Спектр существующих материалов чрезвычайно широк и выбор оптимального материала для тех или иных условий применения может быть достаточно сложной задачей.

Например, мост можно построить из низкоуглеродистой стали обыкновенного качества, из высоколегированной сверхпрочной стали, из нержавеющей стали, из алюминиевого сплава и т.д. В различных вариантах, он будет иметь разный срок службы, стоимость изготовления, стоимость обслуживания. В настоящее время, применяют стали обыкновенного качества, что определяется именно экономическими преимуществами.

В то же время существуют технические объекты, создание которых было бы невозможно без разработки специальных материалов, альтернативы которым может и не существовать и, приходится мириться с их, иногда, даже чрезвычайно высокой стоимостью. Это материалы космической техники (например, керамика ракетных сопел и газовых рулей), атомной промышленности (например, циркониевые оболочки тепловыделяющих элементов атомных реакторов, гадолиниевые экраны нейтронной защиты и т.д.).

И даже в этих областях техники ведется поиск новых альтернативных материалов, повышающих как технические характеристики объекта, так и его экономическую эффективность.

1. Литейные технологии.

Литьё - получение изделий путем заливки жидкого металла в формы и его последующего затвердевания.

Теоретически, литьем можно получить сколь угодно сложное по форме изделие. На практике, литьё, как и все методы формообразования, имеет существенные ограничения.

Они связаны:

- с трудностями изготовления формы для заливки жидкого металла;

- с невозможностью заполнения жидким металлом сколь угодно тонкого рельефа; это технологическое свойство металла, называемое "жидкотекучестью", связано с вязкостью жидкого металла, его поверхностным натяжением, смачиваемостью материала формы жидким металлом и рядом других факторов;

- с усадкой металла при застывании, которая определяется разностью объемов, занимаемых жидким и затвердевшим металлом и изменением его объема (размеров) при охлаждении до комнатной температуры. Усадка, а особенно неравномерное охлаждение отливки в форме, приводит к ее короблению, возникновению внутренних напряжений, а, иногда, даже к разрушению.

Однако литьё позволяет получать самые сложные по форме изделия, в том числе и произведения искусства…

Литьё - древнейший технологический процесс. Одно из чудес света в античные времена -статуя Зевса была изготовлена литьем по выплавляемой модели. В средние века литьем изготавливали колокола для церквей, пушки, монументы и т.д.

Обобщенная структура процессов литейного производства.

Изготовление моделей Изготовление стержней

Изготовление формы

Плавка металла Заливка формы

Извлечение отливки

Отрезка прибыли и литников

Теоретически, литьем можно получить сколь угодно сложное по форме изделие. На практике, литьё, как и все методы формообразования, имеет существенные ограничения.

Они связаны:

- с трудностями изготовления формы для заливки жидкого металла;

- с невозможностью заполнения жидким металлом сколь угодно тонкого рельефа; это технологическое свойство металла, называемое

"жидкотекучестью", связано с вязкостью жидкого металла, его поверхностным натяжением, смачиваемостью материала формы жидким металлом и рядом других факторов;

- с усадкой металла при застывании, которая определяется разностью объемов, занимаемых жидким и затвердевшим металлом и изменением его объема (размеров) при охлаждении до комнатной температуры. Усадка, а особенно неравномерное охлаждение отливки в форме, приводит к ее короблению, возникновению внутренних напряжений, а, иногда, даже к разрушению.