Шпаргалка по "Материаловедение"

1 Общая характеристика металлов: свойства, классификация, кристаллическое строение.

Металлы – это химические элементы, атомы которых легко отдают электроны внешнего (а некоторые и предвнешнего) электронного слоя, превращаясьвположительныеионы. 
Типичными металлами являются щелочные и щелочноземельные металлы, которые характеризуются небольшим (1-2) числом электронов на внешнем уровне их атомов и легкостью потери электронов, что отражает низкие значения электроотрицательности. 
Алюминий, галлий, бериллий, германий, олово, свинец и сурьма проявляют уже амфотерные (то есть металлические и неметаллические – металлоидные) свойства. Подобное поведение характерно и для большинства элементов побочных подгрупп. 
Для атомов металлов характерны небольшие значения электроотрицательности (от 0,7-1,9) и исключительно восстановительные свойства, то есть способность отдавать электроны. 
В главных подгруппах периодической системы металлы находятся ниже диагонали бор-астат, а также в побочных подгруппах. В периодах и главных подгруппах действуют закономерности в изменении металлических, а значит, восстановительных свойств элементов.

Свойство металлов

Свойство (property, quality) - это совокупность характеристик металлов и сплавов от которых зависит пригодность изготовления деталей и конструкций. Одни из них легкие (магний, алюминий, титан), другие тяжелые (свинец). Олово, свинец - металлы, которые легко плавятся, а для расплава железа или платины необходимо потратить много энергии. Прочность является одним из главных факторов при произведенные металла для изготовления деталей, но не все одинаково прочны. Различают физические, химические, механические и технологические свойства металлов:

Физические свойства металлов проявляются при действии физических явлений, действуя на металл, не изменяют его состава. Например, при нагревании металл расплавляется, но его состав остается прежним.

Плотность (solidity, strength) - величина, равная отношению массы металла к занимаемому им объему. Например, плотность железа равна 7800 кг/м3, алюминия 2700 кг/м3, свинца 11300 кг/м3.

Цветом называется способность металлов отражать световые лучи, на них попадают. Лучи света, отраженные от различных металлов, действующие на органы зрения по-разному, что создает ощущение того или иного цвета. Например, медь имеет розово-красный цвет, алюминий - белый.

Теплопроводностью (heat / thermalconductivity) называют способность металлов проводить тепло. Чем больше теплопроводность, тем быстрее тепло распространяется по металлу при его нагревании и отдается им при охлаждении. Высокую теплопроводность имеют медь алюминий. Железо, сталь, чугун проводят тепло в 4-6 раз хуже, чем медь.

Теплоемкость (thermal / heatcapacity) определяет количество тепла, необходимого для нагрева металла на 10. Низкую теплоемкость имеют платина и свинец. Теплоемкость стали и чугуна почти в 4 раза выше теплоемкости свинца.

Плавление (melting) - это процесс перехода металла из твердого состояния в жидкое. Металлы с высокой температурой плавления считают тугоплавкими (вольфрам, хром, платина), а металлы с низкой температурой плавления относятся к легкоплавких (олово, свинец). Например, температура плавления железа-15390, меди-1083, олова-2319, углеродистой стали - 1420-1520 0С.

Тепловое (термическое) расширение означает способность нагреваемого, увеличивать свои размеры.

Электропроводностью называют способность металла проводить электрический ток. Хорошими проводниками тока являются серебро, медь, алюминий. Некоторые металлы и сплавы (нихром) оказывают электрическому току большое сопротивление.

Механические свойства связаны с понятием о нагрузке, деформацию и напряжение. От механических свойств металла зависит его поведение при деформации и разрушении под действием внешних сил конструкций или деталей. Этим свойствам будет подробно рассмотрено далее, потому что именно им уделено основное внимание в этом разделе.

Прочность (durability) - это свойство металлов, не разрушаясь, сопротивляться действию приложенных внешних сил. Прочность металлов характеризуется условной величиной - пределом прочности. Пределом прочности является нагрузка, приложенная к образцу в момент разрыва, отнесенное к площади поперечного сечения образца.

Упругость (resilience) - способность металлов изменять свою форму под действием внешних сил и восстанавливать ее после прекращения действия этих сил; Отношение нагрузки, при котором образец начинает иметь остаточные удлинения, в плоскости его поперечного сечения называется пределом упругости. Например, предел упругости стали до 300; меди 25; свинца 2,5 МПа.

Пластичность (plasticity) - способность металлов, не разрушаясь, изменять под действием внешних сил свою форму, после прекращения действия сил. Сталь в значительной степени пластична, а при нагревании ее пластичность возрастает. Это свойство используют при получении изделий путем проката и ковки.

Утомляемость (tiredness) - изменение механических и физических свойств материалов под действием сил, циклически меняются при напряжений и деформаций. В условиях действия таких нагрузок в работающих деталях образуются и развиваются трещины, приводящие к полному разрушению деталей. Подобные разрушения опасны тем, что могут проходить под действием напряжений значительно меньших пределов прочности и текучести.

Хрупкость (fragile) - свойство металла разрушаться сразу после действия приложенных к нему сил, не показывая никаких признаков деформации (чугун).

Твердость (hardness) - способность металла сопротивляться вдавливанию в него другого, более твердого материала. Чугун и сталь имеют высокую твердость, свинец - низкую. Для проверки твердости металлов существует три метода испытания, названных по именам их изобретателей - Бринелля, Роквелла, Виккерса:

Ударная вязкость - способность металлов или не разрушаться при воздействии на них ударных нагрузок. Ударная вязкость определяется с помощью маятникового копра. Образец стандартной формы устанавливают в опорах и разрушают падающим с высоты грузом.

Технологические свойства определяют способность металлов получать ту или иную обработку. К технологическим свойствам металлов относятся: обработка резанием, ковкость, жидкотекучесть, усадка, свариваемость.

Ковкость (malleable) называется способность металлов, не разрушаясь, принимать нужную форму под действием внешних сил. Сталь в нагретом состоянии имеет хорошую ковкость.

Редко текучестью (seldom-fluidity) называется способность расплавленных металлов заполнять литейные формы. Высокую жидкотекучесть имеет серый чугун, низкую - медь.

Усадкой (shrinkage) называется способность расплавленных металлов уменьшать свой объем при охлаждении. Это свойство имеет значение в литейном деле. Модели отливок изготавливают с учетом усадки, т.е. больших размеров чем размеры отливки. Кроме того, усадка приводит к образованию трещин в отливках. Наименьшую усадку имеют серый чугун, цинковые и алюминиевые сплавы.

 

 Обработка резанием - это способность металлов подвергаться воздействию режущих инструментов. Учитывая меньшую твердость, некоторые цветные металлы легче обрабатывать резанием, чем черные

Свариваемостью называется способность металлов прочно соединяться путем расплавления места соединения. Хорошо свариваются стали с низким содержанием углерода. Чугун и сплавы цветных металлов свариваются значительно сложнее.

Классификация металлов

Все металлы условно поделены на черные и цветные. Черные металл обычно имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Некоторые из них (железо, титан, кобальт, марганец, цирконий, уран и др.), обладают полиморфизмом (аллотропией). Наиболее типичным черным металлом является железо.

Цветные металлы имеют красную, желтую, белую окраску. Они обладаю большой пластичностью, малой твердостью, низкой температурой плавления. Известно, что олово имеет полиморфизм. Типичный представитель – медь.

К черным металлам относятся:

• − железные металлы – железо, кобальт, никель, марганец;

• − тугоплавкие металлы; имеют температуру плавления выше чем у железа, т.е. более 15390С

• - титан, ванадий, хром, цирконий, ниобий, молибден, вольфрам, технеций, гафний, рений;

• − урановые металлы (актиноиды) – торий, актиний, уран, нептуний, плутоний и др. (с 89 до 103 элемента);

• − редкоземельные металлы (с 57 -71 элементы), лантан, церий, ниодим и д.р.;

• − щелочноземельные металлы

• - литий, натрий, кальций, калий, рубидий, стронций, цезий, барий, франций, родий, скандий.

К цветным металлам относятся:

• − легкие – бериллий, магний, алюминий;

• − благородные металлы

• - рутений, радий, палладий, осмий, иридий, платина, золото, серебро и полублогородная медь;

• − легкоплавкие металлы – цинк, кадмий, ртуть, галлий, индий, талий, германий, олово, свинец, мышьяк, сурьма, висмут.

К металлам и сплавам относятся вещества получаемые порошковой металлургией.

Классификация неметаллических материалов:

• − органические и неорганические полимеры;

• − пластмассы;

• − композиционные материалы;

• − каучуки и резины;

• − клеящие материалы и герметики;

• − лакокрасочные покрытия;

• − графит;

• − стекло;

• − керамика.

 

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям. Этот порядок определяется понятием кристаллическая решетка. Другими словами, кристаллическая решетка это воображаемая пространственная решетка, в узлах которой располагаются частицы, образующие твердое тело.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов, многократным переносом которого в пространстве можно построить весь кристалл. Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла. Основными параметрами кристалла являются:

• размеры ребер элементарной ячейки. a, b, c – периоды решетки – расстояния между центрами ближайших атомов  (в одном направлении выдерживаются строго определенными);

• углы между осями (α, β, χ);

• координационное число (К) указывает на число атомов, расположенных на ближайшем одинаковом расстоянии от любого атома в решетке;

• базис решетки количество атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку решетки;

• плотность упаковки атомов в кристаллической решетке – объем, занятый атомами, которые условно рассматриваются как жесткие шары. Ее определяют как отношение объема, занятого атомами к объему ячейки (для объемно-центрированной кубической решетки – 0,68, для гранецентрированной кубической решетки – 0,74).

Схема кристаллической решетки

Рис. 1

Классификация возможных видов кристаллических решеток была проведена французским ученым О. Браве, соответственно они получили название «решетки Браве». Всего для кристаллических тел существует четырнадцать видов решеток, разбитых на четыре типа:

• примитивный – узлы решетки совпадают с вершинами элементарных ячеек;

• базоцентрированный – атомы занимают вершины ячеек и два места в противоположных гранях;

• объемно-центрированный – атомы занимают вершины ячеек и ее центр;

• гранецентрированный – атомы занимают вершины ячейки и центры всех шести граней.

Типы кристаллических решеток

Рис. 2: а – объемно-центрированная кубическая; б– гранецентрированная кубическая; в – гексагональная плотноупакованная

Аллотропия. Полиморфные превращения. Магнитные превращения. 
Анизотропия. Анизотропия кристаллов. Анизотропия свойств. Изотропия.