Основные механические свойства металлов. Технологические свойства металлов

В наше время для изготовления машин и приборов применяют преимущественно материалы, к которым относятся металлы, сплавы металлов с другими металлами и неметаллами. Поэтому очень важное значение приобретает определение механических свойств металлов. Не менее важно знание таких общих закономерностей, как периодичность изменения возможностей их элементов и их соединений, зависимость свойств от типов и особенностей химической связи в сплавах на их основе.

Основные механические свойства металлов

Металлы - это вещества, которые характеризуются теплопроводимостью, электропроводностью, пластичностью. Все они, за исключением ртути, при комнатной температуре - твердые вещества. Температура плавления находится в пределах от -38,78 до +3380^оС. Механические и технологические свойства металлов обладают высокой способностью поглощать свет, и поэтому даже в очень тонких слоях они непрозрачные. Однако гладкий и чистый слой поверхности хорошо отражает свет и придает характерный блеск. Большинство поверхностей имеет белый и серый цвет. Только медь и золото имеют желтый оттенок. Некоторые металлы имеют серый цвет со слабым синеватым, желтоватым или красноватым отливом. В твердом состоянии все они имеют кристаллическую форму. В парообразном состоянии металлы одноатомные. По удельному весу их делят на легкие и тяжелые. Существует еще одно деление - на черные металлы и цветные.

Металлы в природе и способы их добычи

В природе металлы находятся как в свободном состоянии (Си, Au, Ag, Hg, Pt), так и в виде различных соединений - оксидов, сульфидов, карбонатов, сульфатов, фосфатов, хлоридов, нитратов и других соединений. При извлечении их из руд и минералов используют различные пути восстановления. На практике те соединения и минералы имеют ценность, из которых промышленность просто и без больших затрат может получить чистый металл. Для получения железа из железной руды используется углерод. Восстановителями могут быть водород, алюминий, кальций, натрий, которые имеют большую способность присоединять кислород. Из сульфидов получение железа проходит в два этапа: сначала получают сульфат, а потом выжигают и переводят в оксиды, затем полученный оксид восстанавливают по технологии получения из оксидов. Из карбонатов сначала раскладывают карбонат при нагревании. Аналогичными действиями могут быть получены различные виды железа из разных природных соединений. Методом электролиза добываются активные металлы, щелочные, щелочноземельные, алюминий, магний и др. Последние производят при электролизе расплавов (расплавленных солей). При пропускании постоянного электрического тока ионы выделяются на катоде. Трудноплавкие технологические свойства металлов используют для получения их в виде порошка или губчатом состоянии с последующим прессованием при высокой температуре.

Строение металлов и их физические свойства

На механические свойства металлов влияют особенности их внутренней структуры в твердом состоянии. Металлическая решетка имеет такую особенность, что в ее узлах имеются молекулярные частицы, то есть существует равновесие. Валентные электроны находятся в относительно свободном состоянии и не закреплены строго к каждому атому, образуя так называемый электронный газ. То есть, кристаллическая решетка состоит из положительных ионов, а промежутки между ионами заполняются электронами. При наличии разницы температур или под воздействием внешней разности потенциалов эти электроны легко перемещаются и проводят теплоту и электрический ток без смещения материальных частиц. В парообразном состоянии механические свойства металлов способствуют проведению электрического тока только в ионизированном виде. Характерно то, что при повышении температуры электропроводность снижается благодаря тому, что растет их объемное сопротивление. При нагревании или (даже при воздействии фотонов) энергия электронов возрастает, вследствие чего они могут даже легко излучаться (появление катодных лучей и фотоэлектронной эмиссии, используется в радиотехнике, в электронных трубках и измерении интенсивности света с помощью фотоэлементов). Таким образом, металлическая решетка - это фактически ионная решетка, в вершинах которой находятся одноименные положительные ионы, взаимное отталкивание которых компенсируется не противоположными заряженными анионами, а совместным усилиям свободных электронов.

Испытания механических свойств металлов

Растворение может осуществляться только при их преобразовании в водорастворимых соединениях, то есть химическим путем. Некоторые могут разжижаться в жидкой ртути (серебро, золото), образуя так называемые амальгамы. Железо способно образовывать между собой как смеси, так и интерметаллические соединения (интерметаллические фазы), которые имеют определенный состав. Для получения картины изменения свойств с температурой используют кривые охлаждения, получаемые при изучении скорости охлаждения. Предварительно нагретому веществу дают остывать и каждый час замеряют температуру. Результаты наносятся на диаграмму, на которой на оси абсцисс откладывают время, по оси ординат - температуру. Если в системе при охлаждении не изменяются технологические свойства металлов, сопровождающиеся выделением теплоты, то снижение температуры происходит постепенно. Если же в системе проходят какие-то изменения, то наблюдается временная задержка в остывании системы, вызванная фазовыми переходами. С помощью термического анализа по кривым охлаждения возможно исследовать состав соединений, которые могут образовываться между составными частями сплавов.

Изменение характеристик сплавов в зависимости от состава

Вообще при переходе вещества из жидкого состояния в твердое происходит выделение вещества в виде более или менее крупных частиц - кристаллов, или бесформенной аморфной массы (клеи, каучук и другие). Наименьший возможный объем кристаллической решетки, которая воспроизводит особенности ее структуры, характеризуется элементарной ячейкой. Форма твердого вещества зависит от природы вещества и от условий, в которых проходит переход в твердое состояние. Если в вершинах находятся одинаковые атомы, то расстояние между ними в кристалле равна сумме их радиусов, то есть радиус атома равен половине этого расстояния. Заполнение кристаллических решеток молекулами и ионами происходит при максимально плотной упаковке, то есть ионы и молекулы заполняют пространство с минимальным объемом. Элементами симметрии кристаллов твердого вещества является его центр, плоскости и оси. Наиболее характерной их особенностью является анизотропия, то есть неодинаковость их характеристик (прочности, теплопроводности, скорости растворения и др.) в различных направлениях. Отсутствие строго направленных связей между атомами, механические свойства металлов дают возможность размещения в металлической решетке двух или более элементов, которые располагаются в определенном порядке, образуя интерметаллические структуры.

Сплавы

При смешивании различных металлов в расплавленном состоянии частицы основного компонента могут быть замещены частицами другого или нескольких элементов без изменения кристаллической решетки, образуя твердые растворы. Материалы, содержащие два или более видов атомов и имеют характерные свойства (блеск, теплопроводность, электропроводность), называют сплавами. В расплавленном состоянии металлы хорошо растворяются друг в друге и, как правило, без ограничений. Часто в этих растворах может образовываться целый ряд гетерогенных зон, свидетельствующий об их ограниченной растворимости. Механические свойства металлов, на основе которого образуется сплав, отличаются от физических и механических свойств сплавов. При растворении в ртути образуются так называемые амальгамы. На практике различают три вида сплавов: твердые растворы, те, которые имеют характер химических соединений металлов, и смесь кристаллов.

Формирование элементарной кристаллической решетки сплавов

Разнообразие способов получения сплавов дает возможность их производства с заданными свойствами. На практике широко используются соединения на основе железа, меди, никеля и др. Физические и механические свойства металлов, на основе которых получают сплав, существенно отличаются от свойств сплавов. Добавленные атомы могут образовывать более "жесткие" локализованные связи, и скольжение слоев атомов уменьшается. Это приводит к уменьшению ковкости и увеличению жесткости сплавов. Так, прочность железа увеличивается в 10 раз при добавлении 1% углерода, никеля или марганца. В латуни, которая содержит 65-70% хрома и 30- 5% цинка, прочность в 2 раза больше, чем в чистой меди, и в 4 раза больше, чем у чистого цинка. Промышленность производит очень много разновидностей сплавов различных металлов с заданными свойствами.

Строение металлов

Изучая строение атомов, можно наблюдать, что все они имеют на внешнем энергетическом уровне небольшое количество электронов, и для них характерна способность только отдавать электроны при образовании соединений. В соединениях металлы всегда имеют положительную степень окисления. При образовании соединений частицы отдают электроны, проявляя свойства восстановителя. Способность отдавать электроны различна и зависит от строения атома. Чем легче он отдает электроны, тем он активнее. Количественная характеристика механических свойств металлов отдавать электрон есть потенциал ионизации. Под ним понимают то минимальное напряжение электрического поля (в вольтах), при котором электрон получает такое ускорение, что он способен вызвать ионизацию атома. Активность в водных растворах характеризуется стандартным электродным потенциалом и может быть определена количественно с использованием стандартного водородного электрода, потенциал которого принят за ± 0. Благородные металлы имеют положительный стандартный потенциал. По химическим свойствам они способны взаимодействовать с водой, кислотами, щелочами, солями, оксидами, органическими веществами.

Взаимодействие с неметаллами

Во всех случаях образования соединений с неметаллами происходит переход электронов от атомов металлов к атомам неметаллов. Гидриды - это соединения с водородом. Щелочные и щелочноземельные образуются при непосредственном взаимодействии с водородом. Галогениды - это соли галогеноводородных кислот, полярные молекулы, которые для металлов 1, 2 группы хорошо растворимы в воде. Они образуются при непосредственном взаимодействии железа с галогенами, галогеноводородных кислот с железом. В их среде металлы взаимодействуют с ним очень активно. Оксиды преимущественно имеют основополагающий характер, к ним относятся оксиды алюминия, цинка, свинца (II), хрома (III). Они могут быть получены из элементов при разложении солей гидроксидом, обжиге сульфидов. Основные механические свойства металлов на воздухе способствуют их покрытию пленкой оксида. Если она неплотно покрывает поверхность, то не защищает от разрушения, идет процесс химической коррозии. Некоторые металлы образуют очень плотную пленку оксида, которая не дает кислороду из воздуха и другим окислителям проникать через нее и защищает металл от коррозии.