КЛАССИФИКАЦИЯ МАТЕРИАЛОВ.
Функциональные св-ва:
физические (износостойкость при эксплуатации)
механические (зависят от вида материала: тв, жид, газ, плазма)
химические (состояние в определенных средах и Т)
биологические (воздействие на органы дыхания и физиологию человека)
технологические (применяемые процессы обработки)
Эстетические св-ва - инженерно-психологические (оптимизация материалов и предметов к психофизиологическим характеристикам человека):
геометрия формы
пропорциональность
цветовой фон
светлотность
насыщенность
фактура
текстура
Экономические св-ва (анализируются при оптимизации с применением с др. материалами предметами):
статичное применение
динамичное
патентоспособность
Группы материалов по их признакам:
Происхождение:
- натуральные (природные)
- искусственные (создаются на основе натуральных)
Виды продукции (рулонные, штучные…)
Исходное сырье (минеральное, органическое)
Назначение (конструкционные, конструкционно-отделочные, декоративно-отделочные…)
Область применения (быт. техника, строительство, интерьер, экстерьер, шитье одежды…)
* При классификации материалов соседних групп между ними не просматривается четкая граница, и материал можно отнести в равной степени к обоим группам.
** Классификация материалов и изделий по назначению наиболее удобна, она позволяет сопоставить варианты возможных решений и выбрать наиболее рациональные. Но она не отменяет деление и по др. признакам.
СОСТАВ ГЛИН ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА.
Промышленная глина, состав глины. К глинам относятся осадочные горные породы, способные с водой образовывать пластичное тесто а при высыхании сохранять приданную ему форму. Глины образуются путем естественного разрушения глинистой породы (элювиальные), либо путем механического и биохимического воздействия в процессе эволюции (аллювиальные). Важная особенность глины - мелкая дисперсность составляющих ее частиц. К глинам относятся породы у которых частиц размером менее 0.01мм - более 50% а частиц размером менее 0.001мм - более 25%. Наиболее важное значение для промышленной технологии имеет наличие в глине частиц размером 1-5мкм и меньше. Основной объем глины промышленность использует для производства кирпича, цемента, керамзита, керамики.
Состав глины. Глинистые породы, по своему химическому составу, состоят из водных силикатов алюминия и магнезиальных силикатов со сложной кристаллической решеткой. Кроме этого в глинах присутствуют в разных количествах примеси кварца, карбонаты кальция, гидроокись железа, сульфиды железа. В таблице 1 приведены химические формулы основных глинистых минералов:
|
Каолинит |
Al2(Si2O5)(OH)4 |
|
Галлуазит |
Al2(Si2O5)(OH)4*2H2O |
|
Al-монтмориллонит |
Al2(Si4O10)(OH)*nH2O |
|
Fe-монтмориллонит |
Fe2(Si4O10)(OH)*nH2O |
|
Гидромусковит |
(KH2O)Al2(AlSi)4O10*(OH)nH2O |
|
Глауконит |
(KH2O)(Fe,Mg,Al)2(AlSi)3O10(OH)2 |
Химический состав глины в различных месторождениях колеблется в широком диапазоне (см. таблицу2):
|
|
% |
|
SiO2 |
42,18-75,34 |
|
Al2O3 |
9,45-22,9 |
|
Fe2O3 |
3,59-13,27 |
|
CaO |
1,57-15,9 |
|
MgO |
0,29-4 |
|
SO3 |
0,1-3,4 |
|
ппп |
3,66-19,08 |
В зависимости от назначения глинистого сырья, глины нормируются по содержанию оксидов железа (придает при обжиге красный цвет), кварцевого песка, крупномерных примесей, легкоплавких примесей. Глина в месторождениях залегает в виде пластов или линз, разделенных прослойками песка. Часто встречается 3 - 6 реже до 20 слоев глины. Прослойки песка имеют мощность 3-5м. Мощность пластов глины от 2-5м до 20-30м. Мощность вскрышных пород от 1-2м до 25-30м. Вскрышные породы это чаще всего пески, супеси, суглинки, некондиционные глины.
В производстве изделий строительной керамики (кирпич, камни и плитки керамические различных видов, черепица и др.) используются в основном легкоплавкие глины и суглинки, реже лесс, аргиллиты, глинистые сланцы (предварительно размолотые). Сложность технологического процесса заключается в трудности установления строгой зависимости между свойствами сырья и готовой продукции. В настоящее время единых регулируемых стандартами требований к качеству глинистого сырья для изделий строительной керамики не существует, пригодность сырья устанавливается по качеству готовых изделий и возможности получения стандартной продукции.
Легкоплавкие глинистые породы, используемые для производства кирпича и черепицы, должны обладать необходимой пластичностью и связующей способностью, причем при полусухом способе формования кирпича могут применяться и малопластичные глинистые породы. Качество сырья зависит также и от содержания в нем собственно глинистых частиц: недостаток их может вызвать зыбкость рабочей массы. Содержание песчаных фракций до 10 % вполне допустимо. Вредны каменистые включения, особенно известковые и гипсовые, и фракции крупнее 3 мм.
По химическому составу пригодными для этой цели являются глинистые породы, содержащие 53–81 % SiO2, 7–23 % А12О3, 2,5–8 % Fe2O3, до 15 % CaO. Нежелательным является содержание в большом количестве крупных включений карбонатов кальция и магния. Вредно также повышенное содержание SO3 (до 2 %), водорастворимых солей щелочных (до 4–5 %) и щелочноземельных (до 2 %) металлов.
Для производства изделий грубой керамики (кислотоупорные изделия, канализационные трубы, дренажные трубы, плитки для полов, клинкерный кирпич и другие изделия) используются в основном тугоплавкие глины, а также низкоспекающиеся разности огнеупорных глин (клинкерный кирпич). Единых требований к качеству сырья для грубой керамики нет. Пригодность его устанавливается по качеству готовых изделий, которое нормируется соответствующими стандартами.
На изготовление кислотоупорных изделий идут низкоспекающиеся среднепластичные тугоплавкие и огнеупорные глины. Они не должны иметь включений серного колчедана, гипса и железистых соединений, а содержание карбонатов Ca и Mg не должно превышать 3 %.
Для производства клинкерного кирпича могут быть использованы легкоплавкие глины и суглинки, не содержащие примесей крупного песка, включений карбонатов, гипса, угля. Основными показателями их пригодности является большой интервал спекания (не менее 100 °С), который обеспечивает однородную спекаемость черепка, и температура начала деформации (не ниже 1200 °С). Глины и суглинки, не обладающие требуемым интервалом спекания, или высокоспекающиеся (при t выше 1300 °С) могут быть использованы в производстве указанных изделий при условии введения добавок – плавней или материалов, понижающих температуру плавления.
Для производства канализационных труб и плиток для полов используются тугоплавкие и огнеупорные глины, обладающие пластичностью, однородным составом и имеющие низкую температуру спекания и интервал спекания не менее 200 °С. При обжиге глины должны давать плотный спекающийся черепок без деформации, пятен, выплавок и мушек. Кроме имеющихся стандартов на эти виды сырья, существует ряд стандартов на качество глин определенных месторождений, как, например, ОСТ 21-30–82 «Глина тугоплавкая Артемовского месторождения», регламентирующих в глинах содержание глинозема, оксидов титана, железа, кальция и других вредных примесей.
Для производства изделий тонкой керамики (фарфор, полуфарфор, фаянс) в качестве основного компонента используется каолин с весьма низким содержанием красящих оксидов, а в качестве связующего – беложгущиеся разности пластичных огнеупорных глин и бентонитовые глины.
Наиболее высокие требования предъявляются к глинам, применяемым для изготовления фарфора. Однако и для фаянсовых изделий сырье не всегда может быть использовано в естественном виде и нуждается в обогащении.
Единых требований к глинам, используемым в производстве изделий тонкой керамики, не существует. Имеются стандарты для отдельных разновидностей глин и некоторых разрабатываемых месторождений, как, например,РСТ РСФСР 303–82 «Глина гончарная», ГОСТ 7032–75 «Глина бентонитовая для тонкой и строительной керамики», ТУ 21-25-203–78 «Глина огнеупорная Веселовского месторождения». В глинистом сырье для тонкой керамики вредными примесями являются красящие – оксиды железа и титана, сернистые соединения, вызывающие вспучивание черепка, нежелательны включения пирита и марказита, дающие на черепке поверхностные и скрытые выплавки. Как фарфоровые, так и фаянсовые изделия относятся к группе белого черепка. Они могут иметь глазурованный и неглазурованный черепок. Отличие их заключается в том, что фарфоровые изделия в изломе имеют сильно спекшийся черепок, а фаянсовые – пористый. Пористость фаянса от 10 до 14 %, пористость фарфора не более 0,5 %.
Для производства огнеупорных изделий используются огнеупорные глины и маложелезистые бокситы, обладающие рядом преимуществ перед глинами.
Более половины всех производимых огнеупорных изделий потребляют черная металлургия, где огнеупоры применяются для футеровки вагранок, доменных печей, кауперов, производства сталеразливочного припаса, и машиностроение. На большую часть огнеупорных изделий, используемых в черной металлургии, машиностроении, химической, нефтеперерабатывающей и других отраслях промышленности, имеются стандарты и технические условия. На огнеупорные глины единых стандартов и технических условий нет. Они приняты для глин отдельных разрабатываемых месторождений, например, ТУ 14-8-152–75 для огнеупорных глин Латненского месторождения. Обычно в технических условиях устанавливаются пределы необходимого содержания А12О3, требуемая огнеупорность, допустимое содержание Fe2O3 и п.п.п. При подсчете запасов новых месторождений оценка качества огнеупорных глин для производства огнеупорных изделий производится в соответствии с кондициями, утвержденными в установленном порядке. Наличие отдельных оксидов в составе глин оказывает влияние на их качество. Так, с увеличением содержания Al2O3 при ограниченном содержании оксидов железа повышается огнеупорность. Свободный кремнезем, присутствующий в виде песка, уменьшает пластичность, усадку, усушку, связующую способность. Присутствие Fe2O3, FeO, CaO, MgO и щелочей понижает огнеупорность, кроме того, оксиды железа вызывают появление на черепке выплавок, мушек, пятен желто-бурого цвета. Вредное влияние на качество изделий оказывает также SO3. Окончательно судить о пригодности сырья для производства определенного вида изделий можно лишь после проведения технологических испытаний с исследованием качества готовой продукции.
В производстве цемента используются преимущественно легкоплавкие глины, аргиллиты и глинистые сланцы, которые составляют часть цементной шихты. Второй основной ее составляющей являются карбонатные породы. Единых требований к глинистым породам, применяемым в цементном производстве, не существует. Допустимые содержания полезных и вредных компонентов в глинистых породах зависят от содержания их в карбонатной составляющей. Оценка возможности использования глинистых пород в качестве цементного сырья регламентируется соответствующими техническими условиями.
ВИДЫ ЛИТЬЯ.
Литье в землю (литье в песчано-глинистые формы) – является сравнительно простым и экономичным технологическим процессом. Во многих отраслях машиностроения (автомобилестроение, станкостроение, вагоностроение и др.) при массовом производстве отливок чаще всего применяется этот метод. Восновном, в качестве материала отливок используется серый чугун, обладающий хорошей жидкотекучестью и малой усадкой (1%), малоуглеродистая сталь (< 0,35%С). Весьма ограничено производятся таким способом отливки из медных и алюминиевых сплавов. Качество металла отливок весьма низкое, что связано с возможностью попадания в металл неметаллических включений, газовой пористостью (из за бурного газообразования при заливки металла во влажную форму). Форма отливок может быть весьма сложной, но все же ограничена необходимостью извлечения модели из формы. Размеры отливки теоретически неограниченны. Таким способом получают самые крупные отливки (до сотни тонн). Это станины станков, корпуса турбин и т. д. Точность получаемых отливок обычно грубее 14 квалитета и определяется специальными нормами точности. Шероховатость поверхности отливок превышает 0,3мм, на поверхности часто наличествуют раковины и неметаллические включения. Поэтому сопрягаемые поверхности деталей, заготовки которых получают таким методом, всегда обрабатывают резанием.
Литье по выплавляемым моделям - это процесс, в котором для получения отливок применяются разовые точные неразъемные керамические оболочковые формы, получаемые по разовым моделям с использованием жидких формовочных смесей. Литье по выплавляемым моделям обеспечивает получение сложных по форме отливок массой от нескольких грамм до десятков килограмм, со стенками толщиной от 0,5 мм и более, с поверхностью, соответствующей 2—5-му классам точности (ГОСТ 26645-85), и с высокой точностью размеров по сравнению с другими способами литья. По выплавляемым моделям отливают лопатки турбин, режущий инструмент (фрезы, сверла), кронштейны, карабины, мелкие детали автомобилей, тракторов.
Литье в кокиль – это литье металла, осуществляемое свободной заливкой кокилей. Кокиль – металлическая форма с естественным или принудительным охлаждением, заполняемая расплавленным металлом под действием гравитационных сил. После застывания и охлаждения, кокиль раскрывается и из него извлекается изделие. Затем кокиль можно повторно использовать для отливки такой же детали. Данный метод широко применяется при серийном и крупносерийном производстве.
Литье под давлением - принцип процесса литья под давлением основан на принудительном заполнении рабочей полости металлической пресс-формы расплавом и формировании отливки под действием сил от пресс-поршня, перемещающегося в камере прессования, заполненной расплавом. Литье под давлением является наиболее прогрессивным способом изготовления отливок из цветных сплавов (цинковых, алюминиевых, магниевых, латуни), в последнее время широко применяется в точном приборостроении, автомобильной, тракторной, электротехнической и других отраслях промышленности. Весьма разнообразны конструктивные особенности отливок, получаемых в формах литья под давлением: от простых типа опорных плит, колосников, болванок и втулок, до сложных типа картеров двигателей, головок блоков цилиндров, ребристых корпусов электродвигателей и стоек плугов. Литьем под давлением получают детали с особыми свойствами: повышенной герметичности, износостойкости (например, чугунные с поверхностным и местным отбелом), окалиностойкости и др. Важно подчеркнуть, что под давлением производят детали различного, в том числе весьма ответственного назначения. Литье под давлением является рациональным только в серийном — массовом производстве из-за трудностей изготовления формы и её высокой стоимости.
Литье под регулируемым давлением - к литью под регулируемым давлением относят способы литья, сущность которых заключается в том, что заполнение полости формы расплавим и затвердевание отливки происходит под действием избыточного давления воздуха или газа. В практике наибольшее применение нашли следующие процессы литья под регулируемым давлением: литье под низким давлением, литье под низким давлением с противодавлением, литье вакуумным всасыванием, литье вакуумным всасыванием с кристаллизацией под давлением (вакуумно-компрессионное литье). Главными преимуществами являются возможность получения заготовок с минимальными припусками на механическую обработку или без неё и минимальной шероховатостью необработанных поверхностей, а также обеспечение высокой производительности и низкой трудоёмкости изготовления деталей. Применяется для литья поршней, головок блока цилиндров из алюминиевых сплавов и т. д., втулок, элементов подшипников.
Литье в оболочковые формы - появилось как попытка автоматизировать изготовление разрушаемых форм. На нагретую модель, выполненную из металла, насыпается смесь песка с частицами неполимеризованного термореактивного материала. Выдержав эту смесь на поверхности нагретой заготовки определенное время, получают слой смеси, в котором частицы пластмассы расплавились и полимеризовались, образовав твердую корку (оболочку) на поверхности модели. При переворачивании резервуара излишняя смесь ссыпается, а корка, с помощью специальных выталкивателей, снимается с модели. Далее, полученные таким образом оболочки , соединяют между собой склеиванием силикатным клеем, устанавливают в опоках и засыпают песком, для обеспечения прочности при заливке металла. Также получают керамические стержни для формирования внутренних полостей отливок. Литье в оболочковые формы по сравнению с литьем в песчано-глинистые формы имеет существенное преимущество — простоту автоматизации получения форм. Но надо отметить, что литьем в оболочковые формы невозможно получать крупногабаритные отливки и изделия особо сложной формы. Литье в оболочковые формы отливают: радиаторы парового и водяного отпления, детали автомобилей и ряда машин.
Центробежное литье - принцип центробежного литья заключается в том, что заполнение формы расплавом и формирование отливок происходят при вращение формы либо вокруг горизонтальной, вертикальной или наклонной оси, либо при её вращение по сложной траектории. Технология центробежного литья обеспечивает целый ряд преимуществ, зачастую недостижимых при других способах, к примеру: высокая износостойкость. высокая плотность металла. отсутствие раковин. в продукции центробежного литья отсутствуют неметаллические включения и шлак. По сравнению с литьем в неподвижные формы центробежное литье имеет ряд преимуществ: повышаются заполняемость форм, плотность и механические свойства отливок. Однако для его организации необходимо специальное оборудование; недостатки, присущие этому способу литья: неточность размеров свободных поверхностей отливок, повышенная склонность к ликвации компонентов сплава, повышенные требования к прочности литейных форм.
Литье по газифицируемым моделям - технология литья по газифицированным моделям является одной из самых перспективных и развивающихся в настоящее время технологий литья. Эту технологию можно отнести к способу литья по выплавляемым моделям, но отличие в отличии от данных сходных способов модель удаляется (газифицируется) не до заливки, а в процессе заливки формы металлом, который вытесняя (замещая) «испаряющуюся модель» из формы, занимает освободившиеся пространство полости формы. Области применения литья по газифицированным моделям – это отливки различной серийности, от единичного производства до промышленных серий.
Непрерывное литье - сущность способа состоит в том, что жидкий металл равномерно и непрерывно заливают в охлаждаемую форму-кристаллизатор с одного конца и в виде затвердевшего слитка (прутка, трубы, заготовки квадратного, прямоугольного или другого сечения). Затем его вытягивают специальным механизмом с другого конца. С помощью этого способа можно получать отливки из всех известных черных и цветных сплавов. При непрерывном литье возможно получат получение слитка, трубы, профиля неограниченной длины и требуемого поперечного сечения. Способ непрерывного литья используют также и для получения слитков из цветных и черных сплавов. Практически все алюминиевые сплавы для передела прокаткой в листы, профили и другие изделия разливают в слитки данным методом.
Литье металла в ХТС - формы из холодно-твердеющих смесей. COLD-BOX-AMIN -технология. Холодно-твердеющие смеси – это специальные смеси, которые после изготовления не требуют нагрева в сушильных печах. Благодаря связующим составляющим и отвердителям, они самозатвердевают на воздухе за 10-15 мин. Эта технология очень похожа на традиционную (литье металла в песчано-глинистые формы), только в виде связующего вещества для смесей песка применяют искусственные смолы. Для отверждения смол применяется продувка стержневых ящиков различными третичными аминами. Возможность получать отливки 7 класса точности по ГОСТ 26645-85. Холодно-твердеющие смеси крайне редко применяются в качестве общих формовочных материалов вследствие высокой стоимости связующих и затруднительной регенерации смесей. Применение ХТС для изготовления форм экономически оправдано в том случае, когда отношение массы формы к массе заливки металла не превышает 3:1. Поэтому эти смеси используются преимущественно для изготовления стержней, позволяющих формовать полости в отливке. Технология литья в ХТС позволяет обеспечить высокое качество поверхности литья, отсутствие газовых дефектов и засоров в отливке.
НАТУРАЛЬНЫЕ И ИСКУССТВЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ.
Естественные (природные) материалы – напр. каменные материалы, др. горные породы (глины, пески и др.). Природные материалы редко используются без подготовки. Они почти всегда подвергаются технологической переработке (напр. размол, просев, переплав, механическая обработка и т.д.)
Натуральные стройматериалы
Понятие «натуральный материал» означает, что это строительный материал, который может быть использован в более или менее необработанном виде, то есть он напрямую взят из естественной среды. Его обработка выполняется с учетом конечной цели, но не вносит существенных изменений в его характеристики. Основные природные материалы, которые являются старейшими из когда-либо использовавшихся в строительстве, это камень и дерево. Камень это не только каменные блоки, а также гравий и тому подобное. Дерево также является натуральным материалом, но только не в форме ствола, а и в виде доски, балки и других продуктов.
Если камень и дерево раньше были основными строительными материалами, сегодня их структурные или статическое характеристики в значительной степени отстают от других материалов. Тем не менее, стоит заметить, что при правильном использовании и уходе они имеют большую прочность, и, конечно же, не менее важна их эстетическая ценность.
Конечно, не каждый тип камня или дерева подходят для любого строительства. Как и у всех других материалов, необходимо знать их механические, химические и физические свойства. Неправильное сочетание различных видов камня на фасаде здания может привести к их выпадению из-за химических повреждений, а некоторые виды древесины могут быть непригодны для использования в качестве несущих элементов и тому подобное.
В один ряд с натуральными материалами можно также поставить и те, которые используются в сочетании с другими стройматериалами или в качестве основы для их изготовления. Хотя вода сама по себе не является строительным материалом, она является природной, но мы добавляем ее для приготовления растворов, бетона, а также при проведении многих других строительных процессов. Сюда также относятся различные материалы для теплоизоляции, в том числе на практике часто используются различные добавки для повышения безопасности, улучшения их свойств, устойчивости к вредителям и увеличения долговечности. Глина также является типичным природным материалом. Она используется для производства различных видов отделки в интерьере здания, а также в качестве основного материала для производства кирпича и блоков. В последнем случае есть небольшое отклонение от «жесткого» определения натуральных материалов, которые практически сразу можно применять для строительства.
Искусственные (не встречающиеся в природе) материалы – лишь незначительная часть иск. мат. получают простым смешиванием компонентов в обычных атмосферных условиях. Для их получ. часто необходимы повышенная Т и давление, заданный состав газовой среды и многие др. условия, а также использование различных технологий, требующих для их получения от простых до сложных машин и аппаратов. Группа иск. мат. более обширна по номенклатуре: керамика, стекло, синтетич. и полимерн. мат. и многое др.
Искусственные стройматериалы
А действительно ли так вредны «искусственные материалы» для пользователей и окружающей среды? Прежде всего, заметим, что большинство «классических» синтетических материалов применяемых для строительства на самом деле имеют природный источник. Речь идет о материалах, которые мы получаем из природного сырья или их комбинации с различными механическими и химическими процессами. Таким образом, термин «искусственный» относится к методу их производства и обработки, а не как показатель источника!
Искусственным материалом в соответствии с этим определением является, например, стекло. Без стекла или стеклянных поверхностей невозможно себе представить любое жилое или коммерческое здание хорошего качества. Стекло является одним из самых востребованных материалов в промышленности. Также и различные металлы, используемые в строительстве, являются искусственными материалами. Железо и сталь открыли совершенно новые горизонты в архитектуре и строительстве, а снижение веса и объемов стройматериалов помогло создавать большие пролеты, увеличить прочность и устойчивость зданий, а также способствовали целому ряду других преимуществ.
Бетон также представляет собой искусственный материал. Независимо от частых дискуссий о его вреде и мнимой нечистоплотности, он позволил быстрее и дешевле строить безопасные здания, и не только инженерные сооружения, но и жилые дома, а в условиях, когда во многих государствах необходимо быстро создавать тысячи квадратных метров нового жилья, это является несомненным преимуществом. Роль использования бетона следует рассматривать в более широком социально-экономического аспекте. Он также незаменим в тех районах, где требуется высокая степень защиты от землетрясений, наводнений и других стихийных бедствий.
Часто при оценке синтетических строительных материалов и их описаниях используются следующие толкования: что на самом деле, они производятся из натурального сырья, и для их изготовления и производства по-прежнему применяются природные материалы. Это утверждение иногда оправдано, а иногда нет. Сначала мы должны спросить, а действительно ли воздействие на окружающую среду производится исключительно в связи с характером производства, или может быть все это делается с точки зрения заботы об окружающей среде. Спорные выводы, произведенные заводом-изготовителем отказывающимся от вложений в повышение эффективности производства и постройки очистных сооружений.
Как уже было сказано выше, при рассматривании проблемы всегда необходимо учитывать более широкий аспект: что является использованием искусственного материала в отношении его производства, или что является экономическим, социальным, экологическим и энергетическим воздействием на окружающую среду всей системой.
МЕТАЛЛЫ, НЕМЕТАЛЛЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИХ СОСТАВ И ХАРАКТЕРИСТИКА.
МЕТАЛЛЫ - материалы, принадлежащие к этой группе, включают в себя один или несколько металлов (таких как железо, алюминий, медь, титан, золото, никель), а также часто те или иные неметаллические элементы (например, углерод, азот или кислород) в сравнительно небольших количествах. Атомы в металлах и сплавах располагаются в весьма совершенном порядке. Кроме того, по сравнению с керамикой и полимерными материалами плотность металлов сравнительно высока. Что касается механических свойств, то все эти материалы относительно жесткие и прочные. Кроме того, они обладают определенной пластичностью (т.е. способностью к большим деформациям без разрушения), и сопротивляемостью разрушению, что обеспечило им широкое применение в разнообразных конструкциях. В металлических материалах имеется множество делокализованных электронов, т. е. электронов, не связанных с определенными атомами. Именно присутствием таких электронов непосредственно объясняются многие свойства металлов. Например, металлы представляют собой исключительно хорошие проводники для электрического тока и тепла. Они непроницаемы для видимого света. Полированные поверхности металлов блестят. Кроме того, некоторые металлы (например, железо, кобальт и никель) обладают желательными для их применения магнитными свойствами.
Характерные свойства металлов:
металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иодиуглеродв виде графита)
хорошая электропроводность
возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, напримергерманийивисмут, непластичны)
высокая плотность(обычно металлы тяжелее неметаллов)
высокая температура плавления(исключения:ртуть,галлийищелочные металлы)
большая теплопроводность
в реакцияхчаще всего являютсявосстановителями
Физические свойства металлов: Все металлы (кроме ртути и, условно, франция) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью. Ниже приводится твёрдость некоторых металлов пошкале Мооса.
Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.
В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³). Самый тяжёлый металл в настоящее время назвать невозможно, так как плотности осмия и иридия — двух самых тяжёлых металлов — почти равны (около 22.6 г/см³ — ровно в два раза выше плотности свинца), а вычислить их точную плотность крайне сложно: для этого нужно полностью очистить металлы, ведь любые примеси снижают их плотность.
Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Из золота можно изготовить фольгу толщиной 0.003 мм, которую используют для золочения изделий. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании; марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла; так, очень чистый хром весьма пластичен, но, загрязнённый даже незначительными примесями, становится хрупким и более твёрдым. Некоторые металлы такие как золото, серебро, свинец, алюминий, осмий могут срастаться между собой, но на это может уйти десятки лет.
Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Очень высокую электропроводность имеет также натрий, в экспериментальной аппаратуре известны попытки применения натриевых токопроводов в форме тонкостенных труб из нержавеющей стали, заполненных натрием. Благодаря малому удельному весу натрия, при равном сопротивлении натриевые «провода» получаются значительно легче медных и даже несколько легче алюминиевых.
Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов. Поэтому ряд теплопроводностей похож на ряд электропроводностей и лучшим проводником тепла, как и электричества, является серебро. Натрий также находит применение как хороший проводник тепла; широко известно, например, применение натрия в клапанах автомобильных двигателей для улучшения их охлаждения.
Цвет у большинства металлов примерно одинаковый — светло-серый с голубоватым оттенком. Золото, медь и цезий соответственно жёлтого, красного и светло-жёлтого цвета.
Химические свойства металлов
На внешнем электронном уровне у большинства металлов небольшое количество электронов (1-3), поэтому они в большинстве реакций выступают как восстановители (то есть «отдают» свои электроны)
НЕМЕТА́ЛЛЫ — хим. элементыс типично неметаллическими свойствами, которые занимают правый верхний уголПериодической системы. Расположение их в главных подгруппах соответствующих периодов следующее:
Кроме того, к неметаллам относят также водородигелий.
Характерной особенностью неметаллов является большее (по сравнению с металлами) числоэлектроновна внешнем энергетическом уровне ихатомов. Это определяет их большую способность к присоединению дополнительных электронов, и проявлению более высокойокислительнойактивности, чем у металлов.
Неметаллы имеют высокие значения сродства к электрону, большую электроотрицательностьи высокий окислительно-восстановительный потенциал.
Благодаря высоким значениям энергии ионизациинеметаллов, ихатомымогут образовыватьковалентные химические связис атомами других неметаллов иамфотерных элементов. В отличие от преимущественно ионной природы строения соединений типичныхметаллов, простые неметаллические вещества, а также соединения неметаллов имеют ковалентную природу строения.
В свободном виде могут быть газообразные неметаллические простые вещества — фтор,хлор,кислород,азот,водород,инертные газы, твёрдые —иод,астат,сера,селен,теллур,фосфор,мышьяк,углерод,кремний,бор, при комнатной температуре в жидком состоянии существуетбром.
У некоторых неметаллов наблюдается проявление аллотропии. Так, для газообразногокислородахарактерны две аллотропных модификации — кислород (O2) и озон(O3), у твёрдогоуглеродамножество форм —алмаз,астралены,графен,графан,графит,карбин,лонсдейлит,фуллерены,стеклоуглерод,диуглерод, углеродные наноструктуры (нанопена,наноконусы,нанотрубки,нановолокна) иаморфный углеродуже открыты, а ещё возможны и другие модификации, например,чаоитиметаллический углерод.
В молекулярной форме в виде простых веществ в природе встречаются азот,кислородисера. Чаще неметаллы находятся в химически связанном виде: этовода,минералы,горные породы, различныесиликаты,фосфаты,бораты. По распространённости в земной коре неметаллы существенно различаются. Наиболее распространёнными являютсякислород,кремний,водород; наиболее редкими —мышьяк,селен,иод.
КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ (компози́т, КМ) — искусственно созданный неоднородный сплошной материал, состоящий из двух или более компонентов с четкой границей раздела между ними. В большинстве композитов (за исключением слоистых) компоненты можно разделить на матрицу и включенные в нее армирующие элементы. В композитах конструкционного назначения армирующие элементы обычно обеспечивают необходимые механические характеристики материала (прочность, жесткость и т.д.), а матрица (или связующее) обеспечивает совместную работу армирующих элементов и защиту их от механических повреждений и агрессивной химической среды. Механическое поведение композиции определяется соотношением свойств армирующих элементов и матрицы, а также прочностью связей между ними. Характеристики создаваемого изделия, как и его свойства, зависят от выбора исходных компонентов и технологии их совмещения.В результате совмещения армирующих элементов и матрицы образуется композиция обладающая набором свойств, отражающими не только исходные характеристики его компонентов, но и включающий новые свойства, которыми изолированные компоненты не обладают. В частности, наличие границ раздела между армирующими элементами и матрицей существенно повышает трещиностойкость материала, и в композициях, в отличие от однородных металлов, повышение статической прочности приводит не к снижению, а, как правило, к повышению характеристик вязкости разрушения. Для создания композиции используются самые разные армирующие наполнители и матрицы. Это — гетинакс и текстолит(слоистые пластики из бумаги или ткани, склеенной термореактивным клеем), стекло- и графитопласт (ткань или намотанное волокно из стекла или графита, пропитанные эпоксидными клеями), фанера… Есть материалы, в которых тонкое волокно из высокопрочных сплавов залито алюминиевой массой.Булат— один из древнейших композиционных материалов. В нем тончайшие слои (иногда нити) высокоуглеродистой стали «склеены» мягким низкоуглеродным железом. В последнее время материаловеды экспериментируют с целью создать более удобные в производстве, а значит — и более дешёвые материалы. Исследуются саморастущие кристаллические структуры, склеенные в единую массу полимерным клеем (цементы с добавками водорастворимых клеев), композиции из термопласта с короткими армирующими волоконцами и пр.