- •1Воронеж 2014
- •Введение
- •Глава 1. Металлы Общие сведения о металлах
- •1.1. Классификация металлов
- •1.2. Физико-механические свойства металлов
- •1.3. Общие химические свойства металлов
- •1.4. Черные металлы
- •1.4.1. Железо, кобальт, никель
- •1.4.2. Хром, молибден, вольфрам
- •1.4.3. Марганец, технеций, рений
- •1.4.4. Ванадий, ниобий, тантал
- •1.5. Легкие металлы
- •1.5.1. Бериллий и магний
- •1.5.2. Алюминий
- •1.5.3. Титан
- •1.6. Цветные металлы
- •1.6.1. Медь, серебро, золото
- •1.6.2. Цинк и кадмий
- •1.6.3. Олово и свинец
- •1.7. Особенности эксплуатации металлов и сплавов в нефтегазовом комплексе
- •Глава 2. Полимерные материалы и пластмассы Общие сведения о полимерах и пластмассах
- •2.1. Классификация полимеров
- •2.2. Способы получения полимеров
- •2.3. Свойства полимеров
- •2.4. Применение полимеров
- •2.5. Полимеры и пластмассы в нефтегазовом комплексе и промышленной теплоэнергетике
- •2.5.1. Трубы из высокопрочных пластмасс
- •2.5.2. Металлические и пластмассовые покрытия для труб
- •2.6. Трубопроводы из резиновых технических материалов
- •2.7. Неметаллические трубы в нефтегазовом комп-лексе и промышленной теплоэнергетике
- •Глава 3. Композиционные материалы Определение композиционных материалов
- •3.1. Классификация композиционных материалов
- •3.2. Матричные материалы
- •3.3. Армирующие элементы
- •3.3.1. Металлические волокна
- •3.3.2. Стеклянные, кварцевые волокна
- •3.3.3. Углеродные волокна
- •3.3.4. Органические волокна
- •3.3.5. Керамические волокна
- •3.3.6. Нитевидные кристаллы (усы)
- •3.4. Углерод-углеродные, керамические и гибридные композиционные материалы
- •Углерод-углеродные композиционные материалы
- •3.4.2. Керамические композиционные материалы
- •3.4.3. Гибридные композиционные материалы
- •3.5. Применение композиционных материалов
- •3.5.1. Применение композитов в авиа- и ракетостроении
- •3.5.2. Применение композитов при изготовлении товаров массового потребления
- •3.5.3. Перспективы применения композиционных материалов
- •Заключение
- •Библиографический список
- •Оглавление
- •Глава 1. Металлы
- •Глава 2. Полимерные материалы
- •Глава 3. Композиционные материалы……………129
- •Конструкционные материалы в авторской редакции
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
1.2. Физико-механические свойства металлов
Агрегатные состояния. Металлы в обычных условиях — твердые тела (кроме ртути). При нагревании до определенной температуры они плавятся. При высоких температурах металлы могут переходить в пар.
Обратимся к периодической системе. Каждый период начинается металлом с очень низкой температурой плавления, но по мере увеличения порядкового номера металлов в периоде температура их плавления растет и достигает максимума в группе хрома (VI В) (W - 3390 °С). Далее температура плавления снижается и достигает минимума в группе цинка (где находится ртуть) и гелия.
В А - группах и подгруппе цинка температура плавления металлов с увеличением порядкового номера снижается, а в III
VI1LB группах растет. Примерно так же изменяется температура кипения металлов. Температуры плавления и кипения связаны с прочностью кристаллических решеток и некоторыми другими характерными свойствами металлов.
Механические свойства металлов. Плотность металлов изменяется очень в широких пределах (от 0,53 у Li до 22,5 г/см3 у Os). К легким металлам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, Be, Mg, Al, Sc, Ti; к тяжелым - все остальные. Техническую ценность имеют лишь Mg, Be, Al, Ti.
Характерным механическим свойством металлов является пластичность, которая связана с особенностями внутреннего строения кристаллов. Под пластичностью понимают способность тел при воздействии внешних сил подвергаться деформации, которая остается и после прекращения этого воздействия. Металлам можно придать ту или иную форму при ковке, прокатке, штамповке. Пластичность металлов обусловлена тем, что при внешнем воздействии слои ионов, образующих кристаллическую решетку, сдвигаются относительно друг друга без разрыва связи между ионными слоями. Золото, например, можно прокатать в листы толщиной не более 0,003 мм, которые используются для позолоты различных предметов.
Твердость является ценным качеством металлов, используемых как конструкционные и инструментальные материалы. Наиболее твердыми являются металлы группы хрома, наименее - К, Rb, Cs. Твердость связана с тугоплавкостью, а следовательно, с прочность кристаллической решетки.
Тепловые свойства металлов. Согласно правилу Дюлонга и Пти удельная теплоемкость элементарных веществ обратно пропорциональна их атомной массе. Например, удельная теплоемкость Li - 3,76 Дж/г. град, U - 0,115 Дж/г. град. Так как у большинства металлов атомная масса больше 30, то подавляющее большинство металлов характеризуются малыми значениями удельной теплоемкости (менее 0,84 Дж/г. град ).
Важной характеристикой металлов является теплота сублимации, выражаемая величиной энергии, необходимой для перехода в парообразное состояние определенной массы металла. Эта величина является мерой прочности связи в кристаллической решетке твердого металла. В каждом периоде теплота сублимации растет с увеличением порядкового номера и достигает максимума в группе хрома, далее снижается в подгруппе цинка. В А - группах и в подгруппе цинка значение теплоты сублимации с увеличением порядкового номера снижается, а в В - группах растут аналогично изменению температуры плавления металлов.
Для металлов характерна большая теплопроводность. Свободные электроны, находящиеся в постоянном движении, все время сталкиваются с колеблющимися ионами и обмениваются с ними энергией. Усилившиеся при нагревании колебания ионов незамедлительно передаются с помощью электронов соседним ионам, при этом происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла. Наибольшая теплопроводность у Ag и Си, наименьшая - у Bi и Hg.
Электрические и оптические свойства металлов. Металлы относятся к проводникам I рода. Способность металлов проводить электрический ток обусловлена наличием в их кристаллической решетке свободных электронов, которые при наложении электрического поля получают направленное движение. С повышением температуры теплопроводность металлов уменьшается, т.к. при этом колебательные движения ионов в узлах кристаллической решетки металлов усиливаются, что препятствует направленному движению электронов. Наоборот, с понижением температуры электропроводность увеличивается и в области, близкой к абсолютному нулю, у многих металлов наблюдается сверхпроводимость.
Сильно уменьшается электропроводность при плавлении металлов. Поэтому сравнивать электропроводность различных металлов нужно при температурах, одинаково удаленных от температуры плавления. Наибольшей электропроводностью обладают не более активные металлы, у которых валентные шектроны связаны очень слабо, а менее активные металлы, такие как серебро, медь.
Способность металла испускать электроны под воздействием электромагнитных волн — фотоэлектрический эффект - объясняется слабостью валентных электронов в атомах. Чем слабее связаны электроны в атомах, тем меньшая энергия кванта требуется для их отрыва. В соответствии с этим фотоэффект легче всего осуществляется у щелочных металлов, которые испускают электроны под воздействием не только УФ, но даже длинноволновых лучей видимого света.
Металлы непрозрачны: их гладкая поверхность отражает световые лучи, поэтому они обладают характерным металлическим блеском, интенсивность которого зависит от доли поглощаемого металлом света: чем она меньше, тем ярче блеск. Наиболее ярко блестят серебро Ag и палладий Pd.
Окраска металлов обусловлена тем, что они поглощают лучи различных длин волн неодинаково. Если коротковолновые лучи поглощаются в большей степени, то отраженный свет обогащается длинноволновыми лучами, и таким образом металл имеет желтую или красную окраску (Сu, Аu).
Все металлы полностью отражают радиоволны. На этом основана радиолокация, т.е. обнаружение металлических объектов с помощью радиоволн.