Główne właściwości mechaniczne metali. Technologiczne właściwości metali

W naszych czasach do produkcji maszyn i urządzeń wykorzystywane są głównie materiały, w tym metale, stopy metali z innymi metalami i niemetalami. Dlatego bardzo ważne jest określenie właściwości mechanicznych metali. Nie mniej ważna jest znajomość takich ogólnych praw, jak częstotliwość zmian w zdolnościach pierwiastków i ich związków, zależność właściwości od rodzaju i charakterystyki wiązań chemicznych w stopach na ich podstawie.

Podstawowe właściwości mechaniczne metali

Metale to substancje charakteryzujące się przewodzeniem ciepła, przewodnością elektryczną, plastycznością. Wszystkie z nich, z wyjątkiem rtęci, są stałe w temperaturze pokojowej. Temperatura topnienia mieści się w zakresie od -38,78 do +3380 ^o C. Mechaniczne i technologiczne właściwości metali mają wysoką zdolność absorbowania światła, a zatem są nieprzezroczyste nawet w bardzo cienkich warstwach. Jednak gładka i czysta warstwa powierzchni odbija światło i nadaje mu charakterystyczny połysk. Większość powierzchni jest biała i szara. Tylko miedź i złoto mają żółty odcień. Niektóre metale mają szary kolor z słabym niebieskawym, żółtawym lub czerwonawym odcieniem. W stanie stałym wszystkie mają postać krystaliczną. W stanie pary, monoatomowe metale. Zgodnie z ich konkretną wagą są podzielone na lekkie i ciężkie. Jest inny podział - dla metali żelaznych i nieżelaznych.

Metale w naturze i metody ich ekstrakcji

W naturze metale występują zarówno w stanie wolnym (Cu, Au, Ag, Hg, Pt), jak iw postaci różnych związków - tlenków, siarczków, węglanów, siarczanów, fosforanów, chlorków, azotanów i innych związków. Podczas wydobywania ich z rud i minerałów stosuje się różne sposoby redukcji. W praktyce te związki i minerały mają wartość, z której przemysł może uzyskać czysty metal w prosty i bez wielkich kosztów. Węgiel wykorzystywany jest do produkcji żelaza z rudy żelaza. Czynnikami redukującymi mogą być wodór, glin, wapń, sód, które mają większą zdolność do dodawania tlenu. Wytwarzanie żelaza z siarczków odbywa się w dwóch etapach: najpierw otrzymuje się siarczan, a następnie wypala się i przekształca w tlenki, po czym powstały tlenek jest redukowany zgodnie z technologią produkcji z tlenków. Węglany, po ogrzaniu, najpierw układa się węglan. Podobne działania można uzyskać z różnych rodzajów żelaza z różnych naturalnych związków. Metoda elektrolizy produkuje aktywny metale alkaliczne, ziem alkalicznych, aluminium, magnezu itp. Te ostatnie są wytwarzane przez elektrolizę stopów (stopione sole). Przepuszczając bezpośredni prąd elektryczny, jony są uwalniane na katodzie. Trudne do stopienia właściwości technologiczne metali stosuje się w celu uzyskania ich w postaci proszku lub stanu gąbczastego, a następnie prasowania w wysokiej temperaturze.

Struktura metali i ich właściwości fizyczne

Na własności mechaniczne metali wpływają cechy ich wewnętrznej struktury w stanie stałym. Krata metalowa ma taką cechę, że w jej węzłach znajdują się cząsteczki molekularne, to jest istnieje równowaga. Elektrony walencyjne znajdują się we względnie swobodnym stanie i nie są ściśle związane z każdym atomem, tworząc tak zwany gaz elektronowy. Oznacza to, że sieć krystaliczna składa się z dodatnich jonów, a szczeliny między jonami są wypełnione elektronami. Jeśli istnieje różnica temperatur lub pod wpływem zewnętrznej różnicy potencjałów, te elektrony poruszają się swobodnie i przewodzą ciepło i prąd elektryczny bez przemieszczania cząstek materiału. W stanie pary własności mechaniczne metali przyczyniają się do przewodzenia prądu elektrycznego tylko w postaci zjonizowanej. Charakterystyczne jest, że wraz ze wzrostem temperatury zmniejsza się przewodność elektryczna, ponieważ zwiększa się ich rezystancja objętościowa. Po podgrzaniu lub (nawet pod wpływem fotonów) energia elektronów wzrasta, w wyniku czego mogą być łatwo emitowane (pojawienie się promieni katodowych i emisji fotoelektronów jest wykorzystywane w radiotechnice, w lampach elektronicznych i przy pomiarach natężenia światła za pomocą fotokomórek). Tak więc, siatka metalowa jest w rzeczywistości siecią jonową, której wierzchołki są dodatnimi jonami o tej samej nazwie, których wzajemne odpychanie jest kompensowane nie przez przeciwne aniony naładowane, ale przez wspólne wysiłki swobodnych elektronów.

Badania właściwości mechanicznych metali

Rozpuszczanie można prowadzić tylko wtedy, gdy są one przekształcane w związki rozpuszczalne w wodzie, to znaczy za pomocą środków chemicznych. Niektóre mogą upłynnić w płynnej rtęci (srebro, złoto), tworząc tak zwany amalgamat. Żelazo może tworzyć zarówno mieszaniny, jak i związki międzymetaliczne (fazy międzymetaliczne), które mają określony skład. Aby uzyskać obraz zmiany właściwości wraz z temperaturą, wykorzystuje się krzywe chłodzenia uzyskane przez badanie szybkości chłodzenia. Nagrzaną substancję pozostawia się do ostygnięcia i temperaturę mierzy się co godzinę. Wyniki wykreślono na wykresie, gdzie czas jest nanoszony na osi odciętych, a temperatura jest naniesiona na oś rzędnych. Jeżeli właściwości technologiczne metali, wraz z wydzielaniem ciepła, nie zmieniają się podczas chłodzenia, temperatura stopniowo spada. Jeśli są jakieś zmiany w systemie, występuje opóźnienie w chłodzeniu systemu spowodowane przejściami fazowymi. Za pomocą analizy termicznej krzywych chłodzenia można zbadać skład związków, które mogą powstawać między częściami składowymi stopów.

Zmiany właściwości stopów w zależności od składu

Zasadniczo, gdy substancja przechodzi ze stanu ciekłego w stały, substancja jest uwalniana w postaci większej lub mniejszej wielkości cząstek - kryształów lub bezkształtnej bezpostaciowej masy (kleje, guma itp.). Najmniejsza możliwa objętość sieci krystalicznej, która odtwarza cechy jej struktury, charakteryzuje się komórką elementarną. Postać substancji stałej zależy od rodzaju substancji i od warunków, w których zachodzi przemiana w stan stały. Jeśli w wierzchołkach są identyczne atomy, odległość między nimi w krysztale jest równa sumie ich promieni, to znaczy, że promień atomu jest równy połowie tego dystansu. Wypełnianie sieci krystalicznych molekułami i jonami odbywa się przy maksymalnym gęstym upakowaniu, tzn. Jony i cząsteczki wypełniają przestrzeń minimalną objętością. Elementy symetryczne stałego kryształu są jego centrum, płaszczyznami i osiami. Ich najbardziej charakterystyczną cechą jest anizotropia, czyli odmienność ich cech (wytrzymałość, przewodność cieplna, szybkość rozpuszczania itp.) W różnych kierunkach. Brak ściśle ukierunkowanych wiązań między atomami, mechaniczne właściwości metali umożliwiają umieszczenie dwóch lub więcej elementów w metalowej sieci, które są rozmieszczone w określonej kolejności, tworząc struktury międzymetaliczne.

Stopy

Podczas mieszania różnych metali w stanie stopionym, cząstki głównego składnika można zastąpić cząstkami innego lub kilku elementów bez zmiany sieci krystalicznej, tworząc stałe roztwory. Materiały zawierające dwa lub więcej rodzajów atomów i mające charakterystyczne właściwości (połysk, przewodność cieplna, przewodnictwo elektryczne) nazywane są stopami. W stanie stopionym metale dobrze się rozpuszczają i z reguły bez ograniczeń. Często w tych roztworach może tworzyć się kilka heterogenicznych stref, co wskazuje na ich ograniczoną rozpuszczalność. Mechaniczne właściwości metali, na podstawie których powstaje stop, różnią się od fizycznych i mechanicznych właściwości stopów. Po rozpuszczeniu w rtęci tworzą się tak zwane amalgamaty. W praktyce istnieją trzy rodzaje stopy: twarde roztwory, które mają charakter związków chemicznych metali i mieszaninę kryształów.

Tworzenie elementarnej sieci krystalicznej stopów

Różnorodne metody wytwarzania stopów umożliwiają wytwarzanie ich o pożądanych właściwościach. W praktyce szeroko stosuje się związki oparte na żelazie, miedzi, niklu itp. Fizyczne i mechaniczne właściwości metali, na podstawie których wytwarza się stop, różnią się znacznie od właściwości stopów. Dodane atomy mogą tworzyć bardziej "sztywne" zlokalizowane wiązania, a poślizg warstw atomów maleje. Prowadzi to do zmniejszenia ciągliwości i zwiększenia sztywności stopów. Tak więc wytrzymałość żelaza zwiększa się 10-krotnie z dodatkiem 1% węgla, niklu lub manganu. W mosiądzu, który zawiera 65-70% chromu i 30-5% cynku, wytrzymałość jest 2 razy większa niż w czystej miedzi i 4 razy więcej niż w czystym cynku. Przemysł wytwarza bardzo wiele odmian stopów różnych metali o pożądanych właściwościach.

Struktura metalu

Studiując strukturę atomów, można zauważyć, że wszystkie z nich mają niewielką liczbę elektronów na poziomie energii zewnętrznej i charakteryzują się zdolnością do oddawania elektronów tylko wtedy, gdy tworzą się związki. W związkach metale zawsze mają dodatnie stopień utlenienia. Podczas tworzenia związków cząstki przekazują elektrony, wykazując właściwości środka redukującego. Zdolność oddawania elektronów jest różna i zależy od struktury atomu. Im łatwiej daje elektrony, tym jest bardziej aktywny. Charakterystyka ilościowa właściwości mechanicznych metali w celu oddania elektronu jest potencjałem jonizacji. Przez to rozumie się minimalne napięcie pola elektrycznego (w woltach), przy którym elektron otrzymuje takie przyspieszenie, że może powodować jonizację atomu. Aktywność w roztworach wodnych charakteryzuje się standardowym potencjałem elektrody i można ją oznaczyć ilościowo za pomocą standardowej elektrody wodorowej, której potencjał przyjmuje się jako ± 0. Metale szlachetne mają pozytywny potencjał standardowy. Dzięki właściwościom chemicznym są w stanie oddziaływać z wodą, kwasami, zasadami, solami, tlenkami, materia organiczna.

Interakcja z niemetalami

We wszystkich przypadkach powstawania związków z niemetalami zachodzi przemiana elektronów z atomów metali w atomy niemetali. Wodorki są związkami z wodorem. Alkaliczne i alkaliczne-ziemię powstają w wyniku bezpośredniej interakcji z wodorem. Halogenki są solami kwasów chlorowcowodorowych, polarnych cząsteczek, które dla metali 1, 2 grupy dobrze rozpuszczają się w wodzie. Powstają w wyniku bezpośredniego oddziaływania żelaza z halogenami, kwasów halogenowodorowych z żelazem. W ich otoczeniu metale wchodzą w interakcje z nim bardzo aktywnie. Tlenki mają głównie charakter zasadniczy, w tym tlenki glinu, cynku, ołowiu (II), chromu (III). Można je uzyskać z pierwiastków przez rozkład soli z wodorotlenkiem, prażenie siarczków. Podstawowe właściwości mechaniczne metali w powietrzu przyczyniają się do ich powlekania warstwą tlenkową. Jeśli nie pokrywa luźno powierzchni, nie chroni przed zniszczeniem, trwa korozja chemiczna. Niektóre metale tworzą bardzo gęstą warstewkę tlenku, która nie pozwala na przenikanie tlenu z powietrza i innych utleniaczy i chroni metal przed korozją.