Раздел 1. Металловедение.

1.1. Общая характеристика металлов.

1.1.1. История познания металлов человеком

Применение металлов вместе с развитием человеческого общества проходит в своей истории несколько этапов.

В каменную эпоху – 7 - 6 тысячелетие до нашей эры (н. э.), когда человек еще не знал способов получения металлов из руд (химическим восстановлением углеродом и др.), орудия труда изготавливались лишь из камня, а известные металлы, такие как серебро, золото и медь, применялись только для производства украшений. Далее в эволюционном развитии общества следует век меди – 5 - 4 тысячелетие до н. э. В этот период совместно с медью используются уже олово и свинец. Последние получаются выплавкой из своих руд. Первобытные люди обнаружили, что некоторые камни, называемые впоследствии рудой, при нагреве превращаются в блестящее вещество – металл, при высокой температуре являющийся жидкостью, а при комнатной – твердым телом.

В связи с этим человек начинает изготовление орудий труда из этих металлов, и они полностью заменяют каменные. Благородные (самородные) серебро и золото применяют лишь для производства украшений. В 3 - 1 тысячелетии до н. э. люди научились использовать уже не только чистые металлы, но и их сплавы: первым из них была бронза – сплав меди с оловом. Оказалось, что мягкие медь и олово, перемешиваясь в жидком состоянии, при понижении температуры превращаются в твердую бронзу. Поэтому третий период в развитии областей применения металлов называется веком бронзы, так как изделия из нее по прочности оказались выше медных, и она вытесняет медь как основной металл для изготовления орудий труда. И четвертый этап, который продолжается и до настоящего времени – эпоха железа. В конце 2-го – начале первого тысячелетия до н. э. этот металл был обнаружен в природе намного в больших количествах, чем ранее известные.Для получения железа из руды пришлось сконструировать печи, дающие температуру нагрева в несколько раз выше температуры пламени костра. Также начали применяться его сплавы с углеродом – чугуны и стали. Это время было названо «героической эпохой – эпохой железного меча, и в то же время плуга и топора». Железу было дано определение – фундамента цивилизации.

Что же такое металлы? По Ломоносову «металлы, суть, ковкие, блестящие тела».

В 1897 году практически через 30 лет после открытия Менделеевым периодического закона П. Майер дает полное определение металлов. «Металлы - это элементы, которые являются хорошими проводниками тепла, электричества, ковкие, обладают характерным блеском, непрозрачны и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа». В силу времени формулировки этих определений в них делается упор на специфику свойств металлов без опоры на их строение.

Современное определение (по Сироткину О. С. – 2002 г): металлы - это химические гомо- или гетероядерные вещества, а также композиционные одно- и многофазные системы (твердые растворы, сплавы и т. д.) со степенью металличности связи между ядрами или атомными остовами в кристаллической решетке порядка 50 % и более, характеризуемые комплексом специфических свойств (высокая тепло- и электропроводность, металлический блеск, непрозрачность, пластичность, ковкость, положительный температурный коэффициент электросопротивления и т. д.).

До н. э. было известно всего лишь семь металлов. Стройная алхимическая теория гласила, что золото представлено на небесах Солнцем, серебро - это типичная Луна, медь, несомненно, связана родственными узами с Венерой, железо олицетворяется Марсом, ртуть соответствует Меркурию, олово - Юпитеру, свинец - Сатурну. До XVII века металлы и обозначались в литературе соответствующими астрономическими символами (рис. 1.5).

Алхимики также изображали семь металлов в виде семи богов. Аполлон, бог Солнца и золота; Диана, богиня Луны и серебра; Венера, символизирующая планету Венера и медь; Юпитер – олово, Марс - железо, Сатурн - свинец и Меркурий – ртуть.

Рис. 1.5 - Алхимические знаки металлов и планет

И уже до 18 века были открыты такие как цинк, висмут, платина, мышьяк, сурьма и ртуть. Два последних под определения Ломоносова не подходили. Первый из них хрупкий, ковать его нельзя, второй жидкий. К моменту создания Д. И. Менделеевым периодической системы в мире было известно 63 элемента, из них 50 образовывали гомоядерные металлические вещества.

Сейчас уже известно намного больше металлов. Проанализируем природу гомосоединений в Периодической системе Д. И. Менделеева (табл.т 1.2). Если мысленно провести диагональ от бора к астату, то в правой верхней части от нее будут располагаться 36 элементов, 22 из которых образуют неметаллические вещества, и небольшое количество d-элементов побочных подгрупп, способные к формированию металлических соединений. Левую нижнюю часть составляют оставшиеся элементы, которые также образуют металлы. Вместе с упомянутыми вышеd-элементами их число составляет 85. Элементы, находящиеся на границе данной диагонали, такие как германий, сурьма, мышьяк и др., обладают двойственной природой. Некоторые металлы, находясь в наивысших для них степенях окисления, проявляют свойства неметаллов, образовывая кислоты и др. Точно также отдельные неметаллы иногда обладают некоторыми металлическими признаками. Поэтому деление на металлы и неметаллы относительно условно.

Каждый металл, как гомосоединение любого элемента, обладает своими индивидуальными свойствами, отличными друг от друга, но всегда можно найти признаки, по которым возможно объединить металлы в общие группы.

Одним из таких черт является окраска или цвет. По ней металлы подразделяются на две большие группы: черные и цветные. Для составляющих первой группы характерен темно-серый цвет, большая плотность (тяжелые), высокие температура плавления и твердость. Цветные же металлы имеют различную окраску: красную, желтую и белую. Они высокопластичные, но менее твердые, низкоплавкие и легкие.

Группа черных металлов объединяет в себя: техническое железо, сталь, чугун и ферросплавы. Все они используются в энергомашино- и турбостроении.

Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие:

- тяжелые (плотность d≥ 5 г/см³) - медь, никель, цинк, свинец и олово;

- легкие (плотность d5 г/см³) - алюминий, титан, щелочные и щелочноземельные элементы. Последние металлы в свободном виде практически не используются, не считая теплоносителей в атомных реакторах;

- благородные - золото, серебро, платина, иридий, осмий, рутений, родий, палладий. Сюда также можно отнести полудрагоценную медь. Их объединяет высокая стойкость к коррозии, определяя их применение в качестве легирующих добавок к сталям;

- малые - кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

- тугоплавкие (температуры плавления выше, чем у железа – 1539 С) - титан, хром, цирконий, ниобий, молибден, ванадий, рений и самый тугоплавкий вольфрам (3410С). Они используются как добавки к легированным сталям, применяемым в атомном энергомашиностроении;

- легкоплавкие - цинк, кадмий, олово, свинец, висмут, таллий, сурьма, германий, галлий и ртуть. Их употребляют как модификаторы в сталях;

- редкоземельные – все лантаноиды. Также сюда следует отнести иттрий и скандий. Это присадки к сплавам различных металлов;

- рассеянные - индий, германий, галлий, таллий, рений, гафний, селен и теллур;

- радиоактивные (урановые) - все актиноиды. Это добавки к сплавам, применяемым для реакторов в атомной энергетике.

Наибольшее практическое использование нашли черные металлы, например, на основе железа и его сплавов изготавливается не менее 90 % всех конструкционных и инструментальных материалов.

Конструкционные металлы по степени их утилитарного применения можно расположить в следующем порядке: железо, медь, алюминий, магний, титан, цирконий, ванадий, ниобий, вольфрам, молибден, таллий и рений.

25 % массы земной коры как природные ископаемые (ресурсы) составляют соединения металлов (оксиды, сульфиды, хлориды, карбонаты и прочее). Они все практически являются компонентами различных минералов. Так как они применяются в качестве основного сырья для получения металлов их называют металлическими рудами. И лишь благородные, а именно: серебро, золото и медь встречаются в самородном виде. Наиболее распространенными металлическими компонентами руд являются кремний, алюминий, железо, кальций, натрий, калий, марганец и титан. Их содержание в земной коре (в пересчете на свободный элемент) составляет от 26 до 1 %. Такие металлы как хром, никель, медь, цинк, олово, молибден, вольфрам, серебро и золото относятся к малораспространенным элементам. В земной коре их концентрация колеблется от 2·10^-2до 5·10^-7%.