Основните механични свойства на металите. Технологични свойства на металите

В наше време, за производството на машини и устройства са използвани предимно материали, които включват метали, сплави на метали с други метали и неметали. Ето защо е много важно да се определят механичните свойства на металите. Не по-малко важно е познаването на такива общи закони, като честотата на промените в способностите на техните елементи и техните съединения, зависимостта на свойствата от видовете и характеристиките на химичните връзки в сплавите на базата на тях.

Основни механични свойства на металите

Металите са вещества, които се характеризират с топлопроводимост, електропроводимост, пластичност. Всички те, с изключение на живака, са твърди вещества при стайна температура. Точката на топене е в границите от -38.78 до + 3380 ^o C. Механичните и технологичните свойства на металите имат висока способност да абсорбират светлината, поради което са непрозрачни дори в много тънки слоеве. Но гладък и чист повърхностен слой отразява светлината добре и му придава характерен блясък. Повечето повърхности са бели и сиви. Само мед и злато имат жълт оттенък. Някои метали имат сив цвят със слаб синкав, жълтеникав или червеникав оттенък. В твърдо състояние всички те имат кристална форма. В парното състояние, моноатомните метали. Според специфичното им тегло те са разделени на леки и тежки. Има и друго подразделение - за черни и цветни метали.

Метали в природата и методи за тяхното извличане

В природата металите се срещат както в свободно състояние (Cu, Au, Ag, Hg, Pt), така и под формата на различни съединения - оксиди, сулфиди, карбонати, сулфати, фосфати, хлориди, нитрати и други съединения. При извличането им от руди и минерали се използват различни начини за намаляване. На практика тези съединения и минерали имат стойност, от която промишлеността може да получи чист метал просто и без големи разходи. Въглеродът се използва за производство на желязо от желязна руда. Редуциращите средства могат да бъдат водород, алуминий, калций, натрий, които имат по-голяма способност за добавяне на кислород. Производството на желязо от сулфиди се осъществява на два етапа: първо се получава сулфат, след което се изгаря и превръща в оксиди, след което полученият оксид се намалява според технологията на производство от оксиди. От карбонатите, карбонатът се поставя първо при нагряване. Подобни действия могат да бъдат получени от различни видове желязо от различни природни съединения. Методът за електролиза произвежда активно метали, алкални, алкалоземни, алуминиеви, магнезиеви и др. Последните се получават чрез електролиза на стопилки (разтопени соли). Чрез преминаване на пряк електрически ток се освобождават йони на катода. Трудните за топене технологични свойства на металите се използват за получаването им под формата на прахообразно или поресто състояние, последвано от пресоване при висока температура.

Структурата на металите и техните физични свойства

Механичните свойства на металите се влияят от характеристиките на вътрешната им структура в твърдо състояние. Металната решетка има такава характеристика, че в нейните възли има молекулярни частици, т.е. има равновесие. Валентните електрони са в относително свободно състояние и не са фиксирани строго към всеки атом, образувайки така наречения електронен газ. Това означава, че кристалната решетка се състои от положителни йони, а празнините между йони са пълни с електрони. Ако има разлика в температурата или под влияние на външна потенциална разлика, тези електрони се движат лесно и провеждат топлина и електрически ток, без да изместват частиците на материала. В парното състояние механичните свойства на металите допринасят за провеждането на електрически ток само в йонизирана форма. Характерно е, че с повишаването на температурата електрическата проводимост намалява поради факта, че тяхното обемно съпротивление нараства. При нагряване или (дори при излагане на фотони) енергията на електроните се увеличава, в резултат на това те дори могат да бъдат лесно излъчвани (появата на катодни лъчи и фотоелектронна емисия, се използват в радиотехниката, в електронните тръби и при измерването на интензитета на светлината с помощта на фотоклетки). Така металната решетка всъщност е йонна решетка, във върховете на която има положителни йони със същото име, взаимното отблъскване на което се компенсира не от противоположните заредени аниони, а от съвместните усилия на свободните електрони.

Изпитвания на механични свойства на метали

Разтварянето може да се извърши само когато те се превръщат във водоразтворими съединения, т.е. с химични средства. Някои могат да се втечняват в течен живак (сребро, злато), образувайки така наречената амалгама. Желязото може да образува както смеси, така и интерметални съединения (интерметални фази), които имат определен състав. За да се получи картина на промяната в свойствата с температурата, се използват кривите на охлаждане, получени чрез изследване на скоростта на охлаждане. Предварително нагрятото вещество се оставя да се охлади и температурата се измерва на всеки час. Резултатите се нанасят на диаграма, където времето се изобразява по оста на абсцисата, а температурата се начертава по ордината. Ако технологичните свойства на металите, придружени с отделяне на топлина, не се променят по време на охлаждането, температурата постепенно намалява. Ако има някакви промени в системата, тогава има забавяне във времето на охлаждане на системата, причинено от фазови преходи. Чрез термичен анализ на кривите на охлаждане е възможно да се изследва съставът на съединенията, които могат да се образуват между съставните части на сплавите.

Промени в характеристиките на сплавите в зависимост от състава

Като цяло, когато веществото преминава от течност в твърдо състояние, веществото се освобождава под формата на повече или по-малко големи частици - кристали или безформена аморфна маса (лепила, гума и т.н.). Най-малкият възможен обем на кристалната решетка, който възпроизвежда характеристиките на неговата структура, се характеризира с единичната клетка. Формата на твърдо вещество зависи от естеството на веществото и от условията, при които се осъществява преходът към твърдо състояние. Ако във върховете има идентични атоми, то разстоянието между тях в кристала е равно на сумата от техните радиуси, т.е. радиусът на атома е равен на половината от това разстояние. Запълването на кристалните решетки с молекули и йони се осъществява при максимално плътна опаковка, т.е. ионите и молекулите запълват пространството с минимален обем. Елементите на симетрията на твърдия кристал са негови център, равнини и оси. Тяхната най-характерна черта е анизотропията, т.е. разликата в характеристиките им (сила, топлопроводимост, скорост на разтваряне и др.) В различни посоки. Липсата на строго насочени връзки между атомите, механичните свойства на металите позволяват да се поставят два или повече елемента в метална решетка, които са подредени в определен ред, образувайки интерметални структури.

сплави

При смесване на различни метали в стопено състояние, частиците на основния компонент могат да бъдат заменени с частици от друг или няколко елемента без промяна на кристалната решетка, образувайки твърди разтвори. Материали, съдържащи два или повече вида атоми и притежаващи характерни свойства (блясък, топлинна проводимост, електрическа проводимост), се наричат ​​сплави. В стопеното състояние, металите се разтварят добре една в друга и, като правило, без ограничения. Често в тези разтвори могат да се образуват редица хетерогенни зони, което показва тяхната ограничена разтворимост. Механичните свойства на металите, на базата на които се образува сплав, се различават от физико-механичните свойства на сплавите. При разтваряне в живак се образуват така наречените амалгами. На практика има три вида сплави: твърди решения, които имат характер на химични съединения на метали, и смес от кристали.

Образуване на елементарна кристална решетка от сплави

Разнообразие от методи за получаване на сплави дава възможност да се произвеждат с желани свойства. На практика, широко се използват съединения на базата на желязо, мед, никел и др. Физико-механичните свойства на металите, на базата на които се произвежда сплав, се различават значително от свойствата на сплавите. Добавените атоми могат да образуват повече "твърди" локализирани връзки и приплъзването на слоевете от атоми намалява. Това води до намаляване на еластичността и увеличаване на твърдостта на сплавите. Така, съдържанието на желязо се увеличава 10 пъти с добавянето на 1% въглерод, никел или манган. В месинг, който съдържа 65-70% хром и 30-5% цинк, силата е 2 пъти повече, отколкото в чистата мед, и 4 пъти повече, отколкото в чист цинк. Промишлеността произвежда много разновидности на сплави от различни метали с желани свойства.

Метална конструкция

Изследвайки структурата на атомите, може да се види, че всички те имат малък брой електрони на външното енергийно ниво и се характеризират със способността само да раздават електрони, когато се образуват съединения. При съединенията металите винаги имат положителен ефект степен на окисление. При образуването на съединения, частиците даряват електрони, проявявайки свойствата на редуциращ агент. Способността да се даряват електрони е различна и зависи от структурата на атома. Колкото по-лесно дава електрони, толкова по-активен е той. Количествената характеристика на механичните свойства на металите за отдаване на електрони е йонизационен потенциал. С това се има предвид минималното напрежение на електрическото поле (в волтове), при което електронът получава такова ускорение, че може да предизвика йонизация на атома. Активността във водни разтвори се характеризира със стандартен електроден потенциал и може да се определи количествено, като се използва стандартен водороден електрод, потенциалът на който се приема като ± 0. Благородните метали имат положителен стандартен потенциал. По химични свойства, те могат да взаимодействат с вода, киселини, основи, соли, оксиди, органична материя.

Взаимодействие с неметали

Във всички случаи на образуване на съединения с неметали настъпва преходът на електрони от метални атоми към неметални атоми. Хидридите са съединения с водород. Алкалните и алкалоземните се образуват чрез директно взаимодействие с водород. Халогенидите са соли на халогенни киселини, полярни молекули, които за метали 1, 2 са добре разтворими във вода. Те се образуват при пряко взаимодействие на желязото с халогени, халогеноводородни киселини с желязо. В тяхната среда металите взаимодействат с него много активно. Оксидите са предимно фундаментални по природа, като те включват оксиди на алуминий, цинк, олово (II), хром (III). Те могат да бъдат получени от елементите чрез разлагане на соли с хидроксид, печене на сулфиди. Основните механични свойства на металите във въздуха допринасят за покриването им с оксиден филм. Ако не покрива повърхността свободно, тя не предпазва от разрушаване, протича химическа корозия. Някои метали образуват много плътен оксиден филм, който не позволява на кислород от въздуха и други окислители да проникне през него и предпазва метала от корозия.