Лнекция2.3 Металлы и сплавы, применяемые для изготовления металлохозяйственных товаров
Несмотря на огромные успехи химии и увеличивающийся выпуск полимеров, основными материалами для изготовления машин, механизмов и многих товаров народного потребления продолжают оставаться металлы и металлические сплавы.
Для изготовления металлоизделий используют черные и цветные металлы, а также их сплавы, из которых в результате изменения их химического состава и внутреннего строения можно получать металлы с самыми различными свойствами. Номенклатура товаров хозяйственного назначения представлена широким ассортиментом изделий, используемых в домашнем хозяйстве, строительстве, ремонте жилищ и на садово-огородных участках.
Изучение курса товароведения металлохозяйственных товаров требует знания основ металловедения и способов изготовления изделий из металлов.
Металлы и сплавы, их строение и кристаллизация
Сведения о металлах и их сплавах накапливались веками, но настоящее развитие науки о металлах (металловедение) началось в XIX в. Основу современного металловедения положили русские инженеры П. П. Аносов (1799–1851) и Д. К. Чернов (1839–1921). Правильное понятие о металлах дал М. В. Ломоносов: «Металлы — тела твердые, ковкие, блестящие».
В настоящее время металловедение тесно связано с физикой и химией. Применение точной аппаратуры и внедрение различных методов испытания металлов (механических, оптических, электрических, рентгеновских) дало возможность исследовать и изучить природу и свойства многих металлов и их сплавов.
В анализе и обобщении результатов многочисленных исследований в области металловедения большая заслуга принадлежит русским академикам Н. С. Курнакову, А. А. Байкову, А. А. Бочвару, С. С. Штейнбергу, английскому ученому Робертс-Аустену, немецкому ученому Тамману, французским ученым Осмонду и Ле-Шателье.
В результате многочисленных исследований выявлена способность металлов к взаимному растворению, образованию сплавов, отличающихся различной структурой и самыми разнообразными полезными свойствами. Благодаря этому значение металлических сплавов в технике непрерывно возрастает.
Строение металлов
Для металлов характерны особое внутреннее строение атомов и специфическая металлическая связь. Известно, что атомы металлов на внешней орбите имеют небольшое количество электронов. При близком расположении атомов электроны внешней орбиты легко отрываются и перемещаются между оставшимися ионами. Передвигаясь, электроны могут соединяться с ионами и образовывать нейтральные атомы.
Свободные электроны в металле обусловливают связь между ионами, т. е. создают силы сцепления, которые способствуют образованию кристаллов из ионов.
При передвижении электронов с внешней орбиты одного атома на внешнюю орбиту соседнего атома осуществляется гомополярная связь между одинаково заряженными ионами металла. Такая связь носит название металлической. При химическом соединении металлов с неметаллами имеет место гетерополярная связь между разноименно заряженными ионами.
Наличием в металлах свободных электронов объясняется их повышенная тепло- и электропроводность, а также другие свойства.
Металлы - кристаллические тела. Атомы металлов занимают строго определенное положение, образуя кристаллическую решетку. Для выяснения типа кристаллической решетки достаточно выделить из нее элементарную ячейку, последовательным повторением такой ячейки создается вся решетка.
Все типы кристаллических решеток принято группировать в системы в зависимости от вида образуемых атомами геометрических фигур. Так, различают кубическую, ромбическую, тетрагональную, гексагональную и другие системы кристаллических решеток. Для металлов наиболее характерными являются кубическая и гексагональные системы (рис. 1).
Элементарная ячейка кубической кристаллической решетки состоит из атомов, расположенных в углах куба. Такую решетку называют простой, но она не характерна для металлов. При кристаллизации образуются уплотненные решетки, которыми являются кубическая объемно-центрированная и кубическая гранецентрированная. В объемно-центрированной решетке атомы располагаются по углам и один в центре объема куба. Таким образом, в элементарной ячейке такой решетки девять атомов. По типу кубической объемно-центрированной решетки кристаллизуются железо, хром, ванадий, вольфрам.
Гранецентрированная решетка характерна тем, что кроме атомов, расположенных в углах куба, имеются атомы в центре каждой грани. Элементарная ячейка гранецентрированной решетки имеет 14 атомов. По типу кубической гранецентрированной решетки кристаллизуются железо, кобальт, никель, медь, алюминий, серебро, золото, платина и др.
По гексагональной системе кристаллизуются кобальт, кадмий, цинк и др. Элементарная ячейка гексагональной системы представляет собой 6-гранную призму. Атомы располагаются по углам, по одному в центре оснований и три в центре призмы. Такая элементарная ячейка насчитывает 17 атомов.
Кристаллические решетки характеризуются параметрами, т. е. расстояниями между атомами. Параметры измеряются в ангстремах (Е), при этом 1 Е = 10–8 см.
Атомы в кристаллических решетках металлов находятся на расстоянии 2–5 Е.
Для кристаллов характерны такие свойства, как анизотропия и наличие плоскостей скольжения.
Под анизотропией подразумевают неодинаковую величину показателей свойств в разных направлениях, что обусловлено разной плотностью атомов в различных плоскостях кристаллической решетки.
Аморфные тела обладают одинаковыми свойствами в разных направлениях, поэтому они изотропны.
Свойство анизотропности проявляется только для одного кристалла или монокристалла и не проявляется в поликристаллическом металле, т. е. металле, состоящем из большого количества кристаллов, ориентированных в разных направлениях. Таким образом, поликристаллические металлы обладают свойством квазиизотропности.
Кристаллические тела имеют плоскости скольжения или спайности. При действии механических сил по этим плоскостям происходит или сдвиг частиц, если металл пластичен, или отрыв, если он хрупок.
Характерным свойством некоторых металлов является также аллотропия, под которой понимают способность металлов изменять тип кристаллической решетки при определенной температуре. При этой температуре выделяется или поглощается тепло. Каждый тип кристаллической решетки при этом называется модификацией. Металлы, для которых характерны аллотропические превращения, т. е. те, которые могут иметь несколько модификаций, называют полиморфными.
При аллотропических превращениях имеет место образование новых кристаллов, это явление носит название вторичной кристаллизации в отличие от первичной кристаллизации, где кристаллы образуются при охлаждении жидкого сплава. Каждая модификация обозначается соответственно греческими буквами a, b, g, d, при этом каждая последующая буква от a до d обозначает модификацию, устойчивую в области более высоких температур. Металлы каждой модификации обладают различными свойствами. Аллотропические превращения характерны для таких металлов, как олово, железо и др.
Олово кристаллизуется в двух модификациях — a и b. Кристаллизация a-олова (серого цвета) происходит в кубической системе, а b-олова (белого цвета) — в тетрагональной при температуре 18°С. Однако при комнатной температуре такого превращения не происходит вследствие очень малой скорости образования зародышей кристаллов a-олова и малой скорости их роста. Только при температурах значительно ниже нуля (около –15°С) это явление происходит довольно быстро.
При переходе b-олова в a-олово оно рассыпается в серый порошок, что объясняется резким изменением плотности, так как удельный вес b-олова 7,3 г/см3, а a-олова — только 5,8 г/см3. Если в b-олове появляются кристаллы a-олова, то это приводит к «заражению» остальных участков a-оловом, что получило название «оловянная чума».
Наиболее важными модификациями железа являются a и g.
При нормальной температуре железо имеет кубическую объемноцентрированную решетку с параметром a = 2,86 Е (рис. 2). Железо этой модификации называют a-железом; a-железопластичный металл с сильно выраженными магнитными свойствами.
В процессе нагревания железа наблюдается температурная остановка, не связанная с аллотропическим превращением, — при температуре 768°С железо теряет магнитные свойства. Немагнитное железо с решеткой объемно-центрированного куба принято называть b-железом.
При температуре 910°С происходит первое аллотропическое превращение железа. Кубическая объемно-центрированная решетка b-железа переходит в кубическую гранецентрированную решетку g-железа с параметром при 1100°С а = 3,63 Е. Свойства железа при этом заметно меняются: оно приобретает повышенную пластичность и высокую вязкость, g-железо немагнитно.
Второе аллотропическое превращение происходит при температуре 1400°С, при которой гранецентрированная решетка g-железа переходит в объемно-центрированную решетку с параметром при температуре 1425 С а = 2,93 Е. Высокотемпературная модификация a-железа называется d-железом (оно немагнитно).
При температуре нагрева 1539°С чистое железо плавится. При охлаждении железа типы решеток изменяются в обратной последовательности.
Способность железа, титана, никеля, кобальта и некоторых других металлов при нагревании и охлаждении изменять тип кристаллической решетки имеет важное практическое значение, особенно при термической обработке.