Строение и свойства металлов

 

РЕФЕРАТ

по «Технологии конструкционных  материалов»

Тема: «Строение и свойства металлов.»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Содержание.

      

1.Строение металлов. Основные свойства металлов………………1

 
    

  2. Физические и химические свойства металлов....................................3

 
     

3. Механические свойства.........................................................6

 
    

  4.Понятие о сплавах..........................................................8

     

  5. Способы получения металлов........................................9

 

     6.      Свойства и применение цветных металлов. 
 
  

     7. Список использованной литературы...........................11

 
 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I. Строение  металлов. Группы металлов. 
 
 
В настоящее время известно 105 химических элементов, большинство из них - металлы. Последние весьма распространены в природе и встречаются в виде различных соединений в недрах земли, водах рек, озер, морей, океанов, составе тел животных, растений и даже в атмосфере. 
 
По своим свойствам металлы резко отличаются от неметаллов. Впервые это различие металлов и неметаллов определил М. В. Ломоносов. «Металлы, - писал он, - тела твердые, ковкие блестящие». 
 
Причисляя тот или иной элемент к разряду металлов, мы имеем в виду наличие у него определенного комплекса свойств:

1.  
   Плотная кристаллическая структура.
2.  
   Характерный металлический блеск.
3.  
   Высокая теплопроводность и электрическая проводимость.
4.  
   Уменьшение электрической проводимости с ростом температуры.
5.  
   Низкие значения потенциала ионизации, т.е. способность легко отдавать электроны.
6.  
   Ковкость и тягучесть.
7.  
   Способность к образованию сплавов.

 
Все металлы и сплавы, применяемые  в настоящее время в технике, можно разделить на две основные группы. К первой из них относят  черные металлы - железо и все его  сплавы, в которых оно составляет основную часть. Этими сплавами являются чугуны и стали. В технике часто  используют так называемые легированные стали. К ним относятся стали, содержащие хром, никель, вольфрам, молибден, ванадий, кобальт, титан и другие металлы. Иногда в легированные стали входят 5-6 различных металлов. Методом легирования получают различные ценные стали, обладающие в одних случаях повышенной прочностью, в других - высокой сопротивляемостью к истиранию, в третьих - коррозионной устойчивостью, т.е. способностью не разрушаться под действием внешней среды. 
 
Ко второй группе относят цветные металлы и их сплавы. Они получили такое название потому, что имеют различную окраску. Например, медь светло-красная, никель, олово, серебро - белые, свинец - голубовато-белый, золото -желтое. Из сплавов в практике нашли большое применение: бронза - сплав меди с оловом и другими металлами, латунь - сплав меди с цинком, баббит - сплав олова с сурьмой и медью и др. 
 
Это деление на черные и цветные металлы условно. 
 
Наряду с черными и цветными металлами выделяют еще группу благородных металлов: серебро, золото, платину, рутений и некоторые другие. Они названы так потому, что практически не окисляются на воздухе даже при повышенной температуре и не разрушаются при действии на них растворов кислот и щелочей.

2.  
   ^ Физические и химические свойства металлов.

1. Физические  и химические свойства. 
 
Цвет. Металлы непрозрачны, т.е. не пропускают сквозь себя свет, и в этом отраженном свете каждый металл имеет свой особенный оттенок – цвет. 
 
Из технических металлов окрашенными являются только медь (красная) и ее сплавы. Цвет остальных металлов колеблется от серо- стального до серебристо – белого. Тончайшие пленки окислов на поверхности металлических изделий придают им дополнительные окраски. 
 
Удельный вес. Вес одного кубического сантиметра вещества, выраженный в граммах, называется удельным весом. 
 
По величине удельного веса различают легкие металлы и тяжелые металлы. Из технических металлов легчайшим является магний ( удельный вес 1,74), наиболее тяжёлым – вольфрам (удельный вес 19,3). Удельный вес металлов в некоторой степени зависит от способа их производства и обработки. 
 
Плавкость. Способность при нагревании переходить из твердого состояния в жидкое является важнейшим свойством металлов. При нагревании все металлы переходят из твердого состояния в жидкое, а при охлаждении расплавленного металла – из жидкого состояния в твердого. Температура плавления технических сплавов имеет не одну определённую температуру плавления, а интервал температур, иногда весьма значительный. 
 
Электропроводность. Электропроводность заключается в переносе электричества свободными электронами. Электропроводность металлов в тысячи раз выше электропроводности неметаллических тел. При повышении температуры электропроводность металлов падет, и при понижении – возрастает. При приближении к абсолютному нулю (- 273⁰С) электропроводность беспредельно металлов колеблется от +232⁰ (олово) до 3370⁰ (вольфрам). Большинство увеличивается (сопротивление, падает почти до нуля). 
 
Электропроводность сплавов всегда ниже электропроводности одного из компонентов, составляющих сплавов. 
 
Магнитные свойства. Явно магнитными (ферромагнитьными) являются только три металла: железо, никель, и кобальт, а также некоторые их сплавы. При нагревании до определённых температур эти металлы также теряют магнитные свойства. Некоторые сплавы железа и при комнатной температуре не являются ферромагнитными. Все прочие металлы разделяются на парамагнитные (притягивают магнитами) и диамагнитные (отталкиваются магнитами). 
 
Теплопроводность. Теплопроводность называется переход тепла в теле от более нагретого места к менее нагретому без видимого перемещения частиц этого тела. Высокая теплопроводность металлов позволяет быстро и равномерно нагревать их и охлаждать. 
 
Из технических металлов наибольшей теплопроводностью облает медь. Теплопроводность железа значительно ниже, а теплопроводность стали меняется в зависимости от содержания в ней компонентов. При повышении температуры теплопроводность уменьшается, при понижении – увеличивается. 
 
Теплоёмкость. Теплоёмкость называется количество тепла, необходимое для повышения температуры тела на 1⁰. 
 
Удельной теплоемкостью вещества называется то количество тепла в килограмм – калориях, которое нужно сообщить 1кг вещества, чтобы повысить его температуру на 1⁰. 
 
Удельная теплоёмкость металлов в сравнении с другими веществами невелика, что позволяет относительно легко нагревать их до высоких температур. 
 
Расширяемость при нагревании. Отношение приращения длины тела при его нагревании на 1⁰ к первоначальной его длине называется коэффициентом линейного расширения. Для различных металлов коэффициентом линейного расширения колеблется в широких пределах. Так, например, вольфрам имеет коэффициент линейного расширения 4,0·10^-6 , а свинец 29,5 ·10^-6. 
 
Коррозионная стойкость. Коррозия есть разрушение металла вследствие химического или электрохимического взаимодействия его с внешней средой. Примером коррозии является ржавление железа. 
 
Высокая сопротивляемость коррозии (коррозионная стойкость) является важным природным свойством некоторых металлов: платины, золота и серебра, которые именно поэтому и получили название благородных. Хорошо сопротивляются коррозии также никель и другие цветные металлы. Черные металлы коррозируют сильнее и быстрее, чем цветные.  
 
 
С внешней стороны металлы, как известно, характеризуются прежде всего особым «металлическим» блеском, который обусловливается их способностью сильно отражать лучи света. Однако этот блеск наблюдается обыкновенно только в том случае, когда металл образует сплошную компактную массу. Правда, магний и алюминий сохраняют свой блеск, даже будучи превращенными в порошок, но большинство металлов в мелкораздробленном виде имеет черный или темно-серый цвет. Затем типичные металлы обладают высокой тепло- и электропроводностью, причем по способности проводить тепло и ток располагаются в одном и том же порядке: лучшие проводники - серебро и медь, худшие - свинец и ртуть. С повышением температуры электропроводность падает, при понижении температуры, наоборот, увеличивается. 
 
Очень важным свойством металлов является их сравнительно легкая механическая деформируемость. Металлы пластичны, они хорошо куются, вытягиваются в проволоку, прокатываются в листы и т.п. 
 
Характерные физические свойства металлов находятся в связи с особенностями их внутренней структуры. Согласно современным воззрениям, кристаллы металлов состоят из положительно заряженных ионов и свободных электронов, отщепившихся от соответствующих атомов. Весь кристалл можно себе представить в виде пространственной решетки, узлы которой заняты ионами, а в промежутках между ионами находятся легкоподвижные электроны. Эти электроны постоянно переходят от одних атомов к другим и вращаются вокруг ядра то одного, то другого атома. Так как электроны не связаны с определенными ионами, то уже под влиянием небольшой разности потенциалов они начинают перемещаться в определенном направлении, т.е. возникает электрический ток. 
 
Наличием свободных электронов обусловливается и высокая теплопроводность металлов. Находясь в непрерывном движении, электроны постоянно сталкиваются с ионами и обмениваются с ними энергией. Поэтому колебания ионов, усилившиеся в данной части металла вследствие нагревания, сейчас же передаются соседним ионам, от них - следующим и т.д., и тепловое состояние металла быстро выравнивается; вся масса металла принимает одинаковую температуру. 
 
 
 
Частицы металлов, находящихся в твердом и жидком состоянии, связаны особым типом химической связи - так называемой металлической связью. Она определяется одновременным наличием обычных ковалентных связей между нейтральными атомами и кулоновским притяжением между ионами и свободными электронами. Таким образом, металлическая связь является свойством не отдельных частиц, а их агрегатов.

 
 
 
Основным химическим свойством металлов является способность их атомов легко  отдавать свои валентные электроны  и переходить в положительно заряженные ионы. Типичные металлы никогда не присоединяют электронов; их ионы всегда заряжены положительно.  
 
Легко отдавая при химических реакциях свои валентные электроны, типичные металлы являются энергичными восстановителями. 
 
Способность к отдаче электронов проявляется у отдельных металлов далеко не в одинаковой степени. Чем легче металл отдает свои электроны, тем он активнее, тем энергичнее вступает во взаимодействие с другими веществами. 
 
Опустим кусочек цинка в раствор какой-нибудь свинцовой соли. Цинк начинает растворяться, а из раствора выделяется свинец. Реакция выражается уравнением: 
 
Zn + Pb(NO₃)₂ = Pb + Zn(NO₃)₂  
 
Из уравнения следует, что эта реакция является типичной реакцией окисления-восстановления. Сущность ее сводится к тому, что атомы цинка отдают свои валентные электроны ионам двухвалентного свинца, тем самым превращаясь в ионы цинка, а ионы свинца восстанавливаются и выделяются в виде металлического свинца. Если поступить наоборот, то есть погрузить кусочек свинца в раствор цинковой соли, то никакой реакции не произойдет. Это показывает, что цинк более активен, чем свинец, что его атомы легче отдают, а ионы труднее присоединяют электроны, чем атомы и ионы свинца. 
 
Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено русским ученым Бекетовым, расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый «вытеснительный ряд». В настоящее время вытеснительный ряд Бекетова носит название ряда напряжений. 
 

 
Ряд напряжений характеризует химические свойства металлов:

1.  
   Чем меньше электродный потенциал металла, тем больше его восстановительная способность.
2.  
   Каждый металл способен вытеснять(восстанавливать) из растворов солей те металлы, которые стоят в ряду напряжений после него.
3.  
   Все металлы, имеющие отрицательный стандартный электродный потенциал, то есть находящиеся в ряду напряжений левее водорода, способны вытеснять его из растворов кислот.

 
Необходимо отметить, что представленный ряд характеризует поведение  металлов и их солей только в водных растворах и при комнатной  температуре. Кроме того, нужно иметь  ввиду, что высокая электрохимическая активность металлов не всегда означает его высокую химическую активность. Например, ряд напряжений начинается литием, тогда как более активные в химическом отношении рубидий и калий находятся правее лития. Это связано с исключительно высокой энергией процесса гидратации ионов лития по сравнению с ионами других щелочных металлов.

6. 2. Механические свойства. 
    
   Прочность. Прочностью металла называют его способность сопротивляться действию внешних сил, не разрушаясь. 
    
   Твердость. Твердостью называется способность тела противостоять проникновению в него другого, более твердого тела. 
    
   Упругость. Упругостью металла называется его свойство востонавливать свою форму после прекращения действия внешних сил, вызывавших изменение формы(деформацию.) 
    
   Вязкость. Вязкость называется способность металла оказывать сопротивление быстро возрастающим (ударным) внешним силам. Вязкость – свойство, обратное хрупкости. 
    
   Пластичность. Пластичностию называется свойство металла деформироваться без разрушения под действием внешних сил и сохранять новую форму после прекращения действия сил. Пластичность – свойство, обратное упругости. 
    
   В табл. 1 приведены свойства технических металлов. 
    
   Таблица 1. 
    
   Свойства технических металлов.

Название  металла	Удельный  вес(плотность) г\см3	Температура плавления 0С	Твердость по Бринеллю	Предел  прочности(временное сопротивление) кг\мм2	Относительное удлинение %	Относительное сужение поперечного сечения %
Алюминий    Вольфрам    Железо    Кобальт    Магний    Марганец    Медь    Никель    Олово    Свинец    Хром    Цинк	2,7    19,3    7,87    8,9    1,74    7,44    8,84    8,9    7,3    11,34    7,14    7,14	658    3370    1530    1490    651    1242    1083    1452    232    327    1550    419	20-37    160    50    125    25    20    35    60    5-10    4-6    108    30-42	8-11    110    25-33    70    17-20    Хрупкий    22    40-50    2-4    1,8    Хрупкий    11,3-15	40    —    21-55    3    15    Хрупкий    60    40    40    50    Хрупкий    5-20	85    —    68-55    —    20    Хрупкий    75    70    74    100    Хрупкий    —

4.  
    
    
   3. Значение свойств металлов. 
    
   Механические свойства. Первое требование, предъявляемое ко всякому изделию, - это достаточная прочность. 
    
   Металлы обладают более высокой прочностью по сравнению с другими материалами, поэтому нагруженные детали машин, механизмов и сооружений обычно изготовляются из металлов. 
    
   Многие изделия, кроме общей прочности, должны обладать ещё особыми свойствами, характерными для работы данного изделия. Так, например, режущие инструменты должны обладать высокой твердостью. Для изготовления режущих других инструментов применяются инструментальные стали и сплавы. 
    
   Для изготовления рессор и пружин применяются специальные стали и сплавы, обладающие высокой упругостью 
    
   Вязкие металлы применяются в тех случаях, когда детали при работе подвергается ударной нагрузке. 
    
   Пластичность металлов дает возможность производить их обработку давлением (ковать, прокатывать). 
    
   Физические свойства. В авиа-, авто- и вагоностроении вес деталей часто является важнейшей характеристикой, поэтому сплавы алюминия и особенно магния являются здесь незаменимыми. Удельная прочность( отношение предела прочности к удельному весу) для некоторых, например алюминиевых, сплавов выше, чем для мягкой стали. 
    
   Плавкость используется для получения отливок путём заливки расплавленного металла в формы. Легкоплавкие металлы(например, свинец) используются в качестве закалочной среды для стали. Некоторые сложные сплавы имеют столь низкую температуру плавления, что расплавляется в горячей воде. Такие сплавы применяются для отливки типографических матриц, в приборах, служащих для предохранения от пожаров. 
    
   Металлы с высокой электропроводностью (медь, алюминий) используются в электромашиностроении, для устройства линий электропередач, а сплавы с высоким электросопротивлением – для ламп накаливания, электронагревательных приборов. 
    
   Магнитные свойства металлов играют первостепенную роль в электромашиностроении (динамомашины, мотора, трансформаторы),для приборов связи ( телефонные и телеграфные аппараты) и используются во многих других видах машин и приборов. 
    
   Теплопроводность металлов дает возможность производить их физические свойства. Теплопроводность используется также при производстве пайки и сварки металлов. 
    
   Некоторые сплавы металлов имеют коэффициент линейного расширения, близкий к нулю; такие сплавы применяются для изготовления точных приборов, радиоламп. Расширение металлов должно применяться во внимание при постройке длинных сооружений, например, мостов. Нужно также учитывать, что две детали, изготовленные из металлов с различным коэффициентом расширения и скрепленные между собой, при нагревании могут дать изгиб и даже разрушение. 
    
   Химические свойства. Коррозионная стойкость особенно важна для изделий, работающих в сильно окислительных средах (колосниковые решётки, детали химических машин и приборов). Для достижения высокой коррозионной стойкости производят специальные нержавеющие, кислостойкие и жаропрочные стали, а также применяются защитные покрытия. 
    
   Технологические свойства. Имеют весьма важное значение при производстве тех или иных технологических операций. 
   Цветные металлы и их сплавы.