3. Металлы и сплавы

Человечество с древних времен знакомо с металлами. Орудия труда, хозяйственная утварь и украшения в основном изготовлялись из металла. Освоение материалов шло в последовательности: камень, золото, серебро, медь (бронза) и железо, поэтому по материалу орудий труда и оружия исторические периоды развития человечества делятся на каменный, бронзовый и железный века. Следовательно, в настоящее время мы живем в веке железа.

Огромны природные ресурсы металлов, так доля железа (по весу) составляет 1/3 части всего земного шара, а в поверхностном слое его (до 1 км) находятся 5 % железа , 8 % алюминия , 28 % кремния, 47 % кислорода и только 0,0000005 % золота и 0,00001 % серебра. Запасов только разведанных месторождений железа хватит для человечества более чем на два последующих столетия.

Н а человека в мире приходится в среднем около 4 тонн железа, из которого изготовлены строительные конструкции, трубопроводы, машины, трактора, грузовые и легковые автомобили, бытовые приборы, инструмент и пр. В машинах и строительных конструкциях преобладают детали, изготовленные из стали и чугуна. Более редкие и чаще всего дорогие металлы и сплавы (золото, серебро, платина) в основном используются в радиоэлектронике и для украшений. При изготовлении строительных конструкций, в машиностроении и электротехнике широко используются алюминиевые и медные сплавы.

3.1. Кристаллическая структура металлов

Большая часть (3/4) всех химических элементов периодической системы Д. И. Менделеева – металлы. По своим свойствам они отличаются от неметаллов: сочетают высокую прочность и твердость с хорошей пластичностью, обладают литейными свойствами и возможностью механической обработки, хорошо проводят тепло и электричество, но плохо пропускают рентгеновские лучи и отражают световые волны. Эти свойства обуславливаются особенностями внутриатомного кристаллического строения металлов. Кристаллическая решетка - это мысленно проведенные в пространстве прямые линии, соединяющие б лижайшие атомы и проходящие через их центры, относительно которых они совершают колебательные движения. В итоге образуются фигуры правильной геометрической формы – кристаллическая решетка (рис.3.1).

Имеются следующие несовершенства (рис.3.2.) в кристаллических решетках:

1. Точечные:

а) Наличие вакансий, т. е. мест в решетке, не занятых атомами. Это происходит из-за смещения атомов от равновесного состояния. Число вакансий увеличивается с ростом температуры.

б) Дислоцированные атомы, т. е. атомы, вышедшие из узла решетки и занявшие место в междоузлии.

в) Примесные атомы, т.е. в основном металле имеются чужеродные примеси. Например, в чугуне основными атомами являются атомы железа, а примесными – атомы углерода, которые или занимают место основного атома, или внедряются внутрь ячейки.

1. Линейные несовершенства (цепочки вакансий, дислокаций и других дефектов). Линейные дефекты малы в двух направлениях и значительно большего размера в третьем.

2. Поверхностные несовершенства, имеющие небольшую толщину при значительных размерах в двух других направлениях.

Количество дефектов в металле оказывает существенное влияние на его прочность. На первом участке кривой (рис. 3.3) при минимуме дислокаций меньше возможностей для сдвига атомов по кристаллической решетке, поэтому будет максимум прочности металла (теоретическая, т.е. недостижимая прочность). Путем восстановления из хлористого или бромистого железа в лабораторных условиях выращивают «усы» кристаллов железа длиной до 100 мм и диаметром 0,5 … 1 мкм, имеющие относительно высокую прочность на растяжение 1200 …1300 кгс / мм²; для сравнения высокопрочная сталь имеет всего бb = 150 …200 кгс / мм² , т.е. на порядок ниже. Прочность железных «усов» примерно в 100 раз выше, чем у обычного железа (минимум на кривой).

П овышение прочности с увеличением плотности дислокаций выше их критического значения объясняется тем, что имеются не только параллельные (плоские), но и взаимопересекающиеся (объемные) дислокации. Они препятствуют взаимному перемещению металла и, как результат, приводят к увеличению прочности металла.

Все современные способы упрочнения металлов (легирование, закалка, прокатка, ковка, штамповка, волочение и т.д.) – это увеличение количества дефектов в металле. Наивысшая прочность, которую можно получить путем увеличения количества дефектов в металле, составляет около трети от теоретически возможной (идеальной) прочности.

Металлы и сплавы по химическому составу делятся на цветные (медь, алюминий, свинец, бронза, латунь и др.) и черные (железо, сталь, чугун). В чистом виде металлы используются редко, а в основном - в виде сплавов.