Основні механічні властивості металів. Технологічні властивості металів

У наш час для виготовлення машин і приладів застосовують переважно матеріали, до яких відносяться метали, сплави металів з іншими металами і неметалами. Тому дуже важливого значення набуває визначення механічних властивостей металів. Не менш важливо знання таких загальних закономірностей, як періодичність зміни можливостей їх елементів та їх сполук, залежність властивостей від типів і особливостей хімічного зв'язку в сплавах на їх основі.

Основні механічні властивості металів

Метали - це речовини, які характеризуються теплопровідністю, електропровідністю, пластичністю. Всі вони, за винятком ртуті, при кімнатній температурі - тверді речовини. Температура плавлення знаходиться в межах від -3878 до +3380 про С. Механічні і технологічні властивості металів володіють високою здатністю поглинати світло, і тому навіть у дуже тонких шарах вони непрозорі. Однак гладкий і чистий шар поверхні добре відбиває світло і надає характерний блиск. Більшість поверхонь має білий і сірий колір. Тільки мідь і золото мають жовтий відтінок. Деякі метали мають сірий колір зі слабким синюватим, жовтуватим або червонуватим відливом. У твердому стані вони мають кристалічну форму. В пароподібному стані метали одноатомні. За питомою вагою їх ділять на легкі і важкі. Існує ще один поділ - на чорні метали і кольорові.

Метали в природі та способи їх видобутку

У природі метали знаходяться як у вільному стані (Сі, Au, Ag, Hg, Pt), так і у вигляді різних сполук - оксидів, сульфідів, карбонатів, сульфатів, фосфатів, хлоридів, нітратів та інших сполук. При витягу їх з руд і мінералів використовують різні шляхи відновлення. На практиці ті сполуки і мінерали мають цінність, з яких промисловість просто і без великих витрат може отримати чистий метал. Для одержання заліза з залізної руди використовується вуглець. Відновниками можуть бути водень, алюміній, кальцій, натрій, які мають велику здатність приєднувати кисень. З сульфідів отримання заліза проходить у два етапи: спочатку одержують сульфат, а потім випалюють та переводять в оксиди, потім отриманий оксид відновлюють з технології одержання з оксидів. З карбонатів спочатку розкладають карбонат при нагріванні. Аналогічними діями можуть бути отримані різні види заліза з різних природних сполук. Методом електролізу видобуваються активні метали лужні, лужноземельні, алюміній, магній та ін Останні роблять при електролізі розплавів (розплавлених солей). При пропущенні постійного електричного струму іони виділяються на катоді. Трудноплавкие технологічні властивості металів використовують для одержання їх у вигляді порошку або губчатому стані з наступним пресуванням при високій температурі.

Будова металів та їх фізичні властивості

На механічні властивості металів впливають особливості їх внутрішньої структури в твердому стані. Металева решітка має таку особливість, що в її вузлах є молекулярні частки, тобто існує рівновага. Валентні електрони перебувають у відносно вільному стані і не закріплені строго до кожного атому, утворюючи так званий електронний газ. Тобто, кристалічна решітка складається з позитивних іонів, а проміжки між іонами заповнюються електронами. При наявності різниці температур або під впливом зовнішньої різниці потенціалів ці електрони легко переміщаються і проводять теплоту і електричний струм без зміщення матеріальних частинок. В пароподібному стані механічні властивості металів сприяють проведенню електричного струму тільки в іонізованому вигляді. Характерно те, що при підвищенні температури електропровідність знижується завдяки тому, що росте їх об'ємне опір. При нагріванні або (навіть при впливі фотонів) енергія електронів зростає, внаслідок чого вони можуть навіть легко випромінюватися (поява катодних променів та фотоелектронної емісії, використовується в радіотехніці, в електронних трубках і вимірюванні інтенсивності світла з допомогою фотоелементів). Таким чином, металева решітка - це фактично іонна решітка, у вершинах якого знаходяться однойменні позитивні іони, взаємне відштовхування яких не компенсується протилежними зарядженими аніонами, а спільним зусиллям вільних електронів.

Випробування механічних властивостей металів

Розчинення може здійснюватися тільки при їх перетворенні у водорозчинних сполуках, тобто хімічним шляхом. Деякі можуть разжижаться в рідкої ртуті (срібло, золото), утворюючи так звані амальгами. Залізо здатне утворювати між собою як суміші, так і интерметаллические з'єднання (интерметаллические фази), які мають певний склад. Для отримання картини зміни властивостей з температурою використовують криві охолодження, одержувані при вивченні швидкості охолодження. Попередньо нагрітої речовини дають охолонути і щогодини заміряють температуру. Результати наносяться на діаграму, на якій на осі абсцис відкладають час, по осі ординат - температуру. Якщо в системі при охолодженні не змінюються технологічні властивості металів, які супроводжуються виділенням теплоти, то зниження температури відбувається поступово. Якщо ж у системі відбуваються якісь зміни, то спостерігається тимчасова затримка в охолодженні системи, викликана фазовими переходами. За допомогою термічного аналізу за кривими охолодження можливо дослідити склад сполук, які можуть утворюватися між складовими частинами сплавів.

Зміна характеристик сплавів в залежності від складу

Взагалі при переході речовини з рідкого стану в твердий відбувається виділення речовини у вигляді більш або менш великих частинок - кристалів, або безформною аморфної маси (клеї, каучук і інші). Найменший можливий обсяг кристалічної решітки, яка відтворює особливості її структури, характеризується елементарною коміркою. Форма твердої речовини залежить від природи речовини і від умов, в яких проходить перехід в твердий стан. Якщо у вершинах знаходяться однакові атоми, то відстань між ними в кристалі дорівнює сумі їх радіусів, тобто радіус атома дорівнює половині відстані. Заповнення кристалічних решіток молекулами та іонами відбувається при максимально щільною упаковці, тобто іони і молекули заповнюють простір з мінімальним об'ємом. Елементами симетрії кристалів твердого речовини є його центр, площини і осі. Найбільш характерною їх особливістю є анізотропія, тобто неоднаковість їх характеристик (міцності, теплопровідності, швидкості розчинення та ін) в різних напрямках. Відсутність строго спрямованих зв'язків між атомами, механічні властивості металів дають можливість розміщення в металевій решітці двох або більше елементів, які розташовуються у певному порядку, утворюючи интерметаллические структури.

Сплави

При змішуванні різних металів в розплавленому стані частки основного компоненту можуть бути заміщені частинками іншої або кількох елементів без зміни кристалічної решітки, утворюючи тверді розчини. Матеріали, що містять два або більше видів атомів і мають характерні властивості (блиск, теплопровідність, електропровідність), називають сплавами. У розплавленому стані метали добре розчиняються один в одному і, як правило, без обмежень. Часто в цих розчинах може утворюватися цілий ряд гетерогенних зон, що свідчить про їх обмеженої розчинності. Механічні властивості металів, на основі якого утворюється сплав, відрізняються від фізичних і механічних властивостей сплавів. При розчиненні у ртуті утворюються так звані амальгами. На практиці розрізняють три види сплавів: тверді розчини, ті, які мають характер хімічних сполук металів, і суміш кристалів.

Формування елементарної кристалічної решітки сплавів

Різноманітність способів отримання сплавів дає можливість їх виробництва із заданими властивостями. На практиці широко використовуються сполуки на основі заліза, міді, нікелю та ін Фізичні і механічні властивості металів, на основі яких отримують сплав, істотно відрізняються від властивостей сплавів. Додані атоми можуть утворювати більш "жорсткі" локалізовані зв'язку, і ковзання шарів атомів зменшується. Це призводить до зменшення ковкості і збільшення твердості сплавів. Так, міцність залоза збільшується в 10 разів при додаванні 1% вуглецю, нікелю або марганцю. В латуні, яка містить 65-70% хрому і 30 - 5% цинку, міцність в 2 рази більше, ніж у чистої міді, і в 4 рази більше, ніж у чистого цинку. Промисловість виробляє дуже багато різновидів сплавів різних металів з заданими властивостями.

Будова металів

Вивчаючи будову атомів, можна спостерігати, що всі вони мають на зовнішньому енергетичному рівні невелику кількість електронів, і для них характерна здатність лише віддавати електрони при утворенні сполук. У з'єднаннях метали завжди мають позитивну ступінь окиснення. При утворенні сполук частинки віддають електрони, виявляючи властивості відновника. Здатність віддавати електрони різна і залежить від будови атома. Чим легше він віддає електрони, тим він активніше. Кількісна характеристика механічних властивостей металів віддавати електрон є потенціал іонізації. Під ним розуміють мінімальне напруга електричного поля (у вольтах), при якому електрон отримує таке прискорення, що він здатний викликати іонізацію атома. Активність у водних розчинах характеризується стандартним електродним потенціалом і може бути визначена кількісно з використанням стандартного водневого електрода, потенціал якого прийнято за ± 0. Благородні метали мають позитивний стандартний потенціал. За хімічними властивостями вони здатні взаємодіяти з водою, кислотами, лугами, солями, оксидами, органічними речовинами.

Взаємодія з неметалами

У всіх випадках утворення сполук з неметалами відбувається перехід електронів від атомів металів до атомів неметалів. Гідриди - це сполуки з воднем. Лужні і лужноземельні утворюються при безпосередній взаємодії з воднем. Галогеніди - це солі галогеноводородних кислот, полярні молекули, які для металів 1 2 групи добре розчинні у воді. Вони утворюються при безпосередній взаємодії заліза з галогенами, галогеноводородних кислот з залізом. В їх середовищі метали взаємодіють з ним дуже активно. Оксиди переважно мають основоположний характер, до них відносяться оксиди алюмінію, цинку, свинцю (II), хрому (III). Вони можуть бути отримані з елементів при розкладанні солей гідроксидом, випалюванні сульфідів. Основні механічні властивості металів на повітрі сприяють їх покриття плівкою оксиду. Якщо вона щільно покриває поверхню, то не захищає від руйнування, йде процес хімічної корозії. Деякі метали утворюють дуже щільну плівку оксиду, яка не дає кисню з повітря і іншим окислювача проникати через неї і захищає метал від корозії.