Металлы, их характеристика

Классификация металлов. Черные и цветные металлы. Особенности металлов. Атомно-кристаллическое строение металлов

метал плавление черный цветной

Металлы классифицируют следующим образом:

· по основному компоненту — на железные, алюминиевые, медные, магниевые, титановые и другие;

· по числу компонентов — на двухкомпонентные (двойные), трёхкомпонентные (тройные) и многокомпонентные;

· по технологии изготовления полуфабрикатов и изделий металлы делят на литейные, деформируемые, порошковые (спеченные) и другие;

· классификация металлов по плотности: лёгкие (магниевые, бериллиевые, алюминиевые, титановые сплавы) с малой плотностью (до 5000 кг/м³) и тяжелые (стареющие сплавы, главным образом на основе вольфрама) с высокой плотностью (не менее 15 000 кг/м³);

· по температуре плавления металлы классифицируют на легкоплавкие, имеющие низкую температуру плавления (припои, баббиты и др.), и тугоплавкие (сплавы на основе ниобия, молибдена, тантала, вольфрама и др.), температура плавления которых выше 1800 °C;

· классификация металлов и сплавов по применению такова:

o антифрикционные (сплавы с низким коэффициентом трения и высоким уровнем износостойкости);

o коррозионно-стойкие (сплавы на основе железа, никеля, меди, алюминия, титана и других элементов, отличающиеся повышенной коррозионной стойкостью в различных агрессивных средах);

o криогенные (прецизионные сплавы на основе железа, никеля, алюминия, характеризующиеся комплексом тепловых, электрических, магнитных, механических свойств и предназначенные для работы при низких температурах (от -269 до +20°С);

o магнитные (сплавы, обладающие ферромагнетизмом);

o немагнитные (сплавы на основе меди, алюминия, железа, магнитная проницаемость которых близка к единице);

o пружинные (сплавы на железной, медной, никелевой, кобальтовой и других основах с высоким пределом упругости и релаксационной стойкостью) и т. д.

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки: внешний блеск; хорошую проводимость тепла и электрического тока; достаточно высокую прочность; хорошо куются и свариваются; кристаллическое строение тела; определенную температуру плавления и кристаллизации.

Неметаллы (металлоиды) не имеют внешнего блеска, плохо проводят тепло и электрический ток, имеют сравнительно низкую прочность, не куются и не поддаются сварке. Они также не имеют кристаллического строения тел и определенной температуры плавления и кристаллизации.

Металлы и сплавы классифицируют по числу компонентов, содержанию легирующих компонентов, степени чистоты, характеру компонентов.

Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие. Основным называют такой компонент, который преобладает в металле или сплаве. Легирующим компонентом называют компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых требуемых свойств.

По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов. Металлическим сплавом называют сложное, кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трехи более компонентными.

По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным — 2,5 — 10%, высоколегированным — более 10%.

По степени чистоты металлы и сплавы делят на металлы пониженной, средней, повышенной, высокой чистоты и особо чистые.

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 15 390С

· - 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.

Наибольшее распространение в технике получили чёрные металлы. На их долю приходится свыше 90% производимой металлопродукции. Это обусловлено большими запасами железных руд в земной коре, сравнительно простой технологией выплавки чугунов и сталей, их высокой конструктивной прочностью (прежде всего сталей) и относительно небольшой стоимостью.

Характерной особенностью металлов является их металлический блеск и большая электропроводность и теплопроводность. На скалярные свойства чистых металлов структура и примеси до 0 01% не оказывают существенного влияния. При определении же термоэлектродвижущей силы, магнитного гистерезиса и электросопротивления при низких температурах структура и примеси в количестве даже менее 0 01% могут изменить числовые значения более, чем на 100%, поэтому для векториальных свойств чистота металла играет важнейшую роль и, следовательно, в металлах некубической системы характерные векториальные свойства могут быть получены лишь на чисчых монокристаллах. Особенностью металлов является их способность образовывать катионы. Вытеснение одних металлов из их соединений другими металлами впервые было подробно изучено Н. Н. Бекетовым в 1865 г., расположившим металлы по их убывающей химической активности в так называемый вытеснительный ряд. Характерной особенностью металлов является также способность их атомов легко отдавать свои валентные электроны; при этом проявляется активная восстановительная способность. Это имеет место в реакциях соединения металлов с кислородом и неметаллами, а также в реакциях замещения с растворами кислот и солей. Особенностью металлов является их положительный температурный коэффициент сопротивления. Объясняется это тем, что с увеличением температуры усиливается тепловое движение ионов. Это приводит к более частым столкновениям электронов с ионами металла. Последнее, в свою очередь, значительно затрудняет просачивание электронов сквозь металл, и следовательно, увеличивает удельное сопротивление. Характерной особенностью металлов, отличающей их от других веществ, также обладающих электронной проводимостью, является повышение электропроводности с понижением температуры. Теплопроводность металлов объясняется не только перемещением электронов, но и колебательным движением ионов. Характерной особенностью металлов в химическом отношении является проявление ими типичных восстановительных свойств. Особенностью металлов является так же особый металлический блеск, объясняемый их способностью хорошо отражать свет. Между отражательной способностью металла, его электропроводностью и теплопроводностью существует определенный параллелизм: чем сильнее металл отражает свет, тем лучшим проводником тепла и электричества он является. Так, медь, серебро и золото отличаются наибольшей отражательной способностью, и они же являются лучшими проводниками тепла и электричества.

Характерной особенностью металлов является их способность смешиваться друг с другом в расплавленном состоянии и образовывать гомогенные смеси. Они остаются гомогенными и после охлаждения. Системы, образующиеся при затвердении расплавленной смеси металлов, называются сплавами. Строение сплавов может быть различным. Образование того или иного типа сплава зависит от активности металлов. Системы в виде твердых растворов образуются между металлами одной и той же группы или же металлами, у которых близки радиусы атомов. Атомно-кристаллическое строение металлов.

Твердые тела в зависимости от скорости охлаждения при кристаллизации делят на аморфные и кристаллические.

Аморфный металл получается при скоростях охлаждения 106−107 °С/с и более в виде тонких лент или мелких частиц. Атомы при этом не располагаются в правильном порядке, не образуют кристаллов. Аморфное твердое тело является изотропным, т. е. обладает одинаковыми свойствами во всех направлениях. Кроме того, ему присущи высокая твердость, хорошая коррозионная стойкость и другие свойства. Если такое тело нагреть до определенной температуры, которая приведет к значительному повышению тепловой активности атомов, то аморфное состояние его перейдет в кристаллическое. Можно получить и смешанную структуру: аморфная основа и образовавшиеся в ней кристаллы.

В кристаллических твердых телах (при меньших скоростях охлаждения) атомы расположены в геометрически правильном порядке, образуя кристаллы и создавая кристаллическую решетку или воображаемую пространственную сетку. Кристаллическим веществам свойственна анизотропия свойств, они имеют различные свойства в разных направлениях. Это объясняется тем, что число атомов, приходящееся на то или иное плоское сечение кристаллической решетки, неодинаково.

Металлы имеют кристаллические решетки различных типов. Чаще всего встречаются три типа: кубическая объемно-центрированная (ОЦК), кубическая гранецентрированная (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГПУ) кристаллические решетки. Показанные на рис. 1, а — в наименьшие объемы кристаллов называются элементарными кристаллическими ячейками, с помощью которых представляют атомное строение металлов.

Рис. 1. Элементарные кристаллические ячейки:

а — кубическая объемно-центрированная; б — кубическая гранецентрированная;

в — гексагональная плотноупакованная.

В элементарной ячейке кубической объемно-центрированной решетки (рис. 1, а) содержится девять атомов: восемь располагаются по узлам ячейки и один атом — в центре. Такой тип решетки имеют литий, натрий, калий, рубидий, ванадий, молибден, вольфрам, ниобий, тантал, железо и другие металлы.

В элементарной ячейке кубической гранецентрированной решетки (рис. 1, б) находится четырнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и в центре каждой грани. Этот тип решетки имеют свинец, никель, серебро, золото, медь, алюминий, платина, кальций.

В элементарной ячейке гексагональной плотноупакованной решетки (рис. 1, в) содержится семнадцать атомов, которые расположены в углах ячейки и центрах шестигранных оснований призмы и три атома в средней плоскости призмы. Такую решетку имеют магний, цинк, кадмий, рений, бериллий, гафний, титан и др.

Размеры кристаллической решетки характеризуются расстоянием между центрами соседних атомов, находящихся в вершинах элементарных ячеек, называемым параметром или периодом решетки. Кубическую решетку характеризует один параметр — длина ребра куба а, а гексагональную — два параметра, а и с или их отношение с/а.

В кристаллах всегда имеются дефекты (несовершенства) строения, вызванные нарушением расположения атомов в кристаллической решетке. Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения определенным образом сказываются на свойствах металлов. Дефекты кристаллического строения по геометрическим признакам подразделяют на точечные, линейные и поверхностные.

К точечным дефектам относят вакансии и межузельные атомы. Известно, что атомы находятся в колебательном движении около узлов решетки. Нагревание увеличивает амплитуду этих колебаний. Большинство атомов металла в данной решетке обладает одинаковой энергией (средней), однако отдельные атомы имеют энергию, превосходящую среднюю и могут перемещаться из одного места в другое. Такие атомы, особенно расположенные ближе к поверхности, выходят на поверхность, а их место могут занять атомы, находящиеся дальше от поверхности. Освободившееся место, где находился переместившийся атом, называется вакансией (рис. 2, а). Число вакансий увеличивается с повышением температуры, при обработке давлением, облучении и других видах обработки. Вакансии играют важную роль в диффузионных процессах, происходящих в металлах и сплавах.

Рис. 2 — Дефекты кристаллической решетки:

а — вакансия; б — межузельный атом.

Межузельные дефекты образуются в результате перехода атома из узла решетка в межузлие кристаллической решетки. Точечные дефекты приводят к искажению кристаллической решетки (рис. 2, б).

Линейные дефекты называются дислокациями. Различают два вида дислокаций — краевые и винтовые. Краевые дислокация представляет собой местное искажение кристаллической решетки; винтовая дислокация образуется при неполном сдвиге кристалла по плоскости. Дислокации образуются в процессе кристаллизации, при термической и химико-термической обработках, пластической деформации и других видах воздействий на структуру сплавов. На свойства металлов влияет не только плотность дислокаций, но и их расположение в объеме.

Поверхностные дефекты представляют собой поверхности-раздела между отдельными кристаллитами или их блоками. На границах зерен расположение атомов менее правильное, чем в зерне.

Вакансии, дислокации и другие дефекты атомно-кристаллического строения оказывают существенное влияние на свойства металлов и сплавов.

Как известно, металлы и сплавы находятся в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном. Переход металла из жидкого состояния в твердое (кристаллическое) называется кристаллизацией. Этот вид кристаллизации называется первичной в отличие от вторичной кристаллизации (перекристаллизации), которая имеет место в твердом металле. В чистых металлах твердое состояние переходит в жидкое при температуре плавления, жидкое в газообразное — при температуре кипения. Температура плавления металлов колеблется от -39°С (для ртути, самого легкоплавкого металла) до +3390°С (для самого тугоплавкого металла вольфрама). До тех пор, пока формирующийся вокруг центра кристаллизации кристалл окружен жидким расплавом металла, он имеет правильную геометрическую форму, но при столкновении и срастании кристаллов их правильная форма нарушается и образуются так называемые кристаллиты — зерна. Величина зерна зависит от числа центров кристаллизации и скорости роста. На образование центров кристаллизации влияет скорость охлаждения. Чем больше степень охлаждения, тем больше центров кристаллизации и меньше размер зерна. Чем мельче зерно, тем выше механические свойства металла (сплава); особенно это сказывается на пластичности. На процесс кристаллизации оказывает влияние ультразвук; модифицирование; введение порошков, частицы которых служат центрами кристаллизации; поверхностно-активные вещества, облегчающие образование зародышей и др.

Полиморфизмом или аллотропией называют способность металла в твердом состоянии при изменении температуры перестраивать свою кристаллическую решетку. Полиморфные превращения сопровождаются выделением или поглощением теплоты, а также изменением свойств металла. Различные аллотропические состояния называют модификациями. Каждой модификации свойственно оставаться устойчивой лишь в пределах определенного для данного металла интервала температур.

Сплавы цветных металлов. Области применения. Функциональное назначение. Примеры. Маркировка. Особенности строения

К цветным металлам и их сплавам можно отнести практически любые виды металлов, кроме тех, которые используются в черной металлургии, а именно, чугуна, стали, железа и т. п. К цветным металлам и сплавам относятся медь, бронза, алюминий, молибден и другие.

Цветные металлы по стоимости значительно отличаются, так как встречаются они значительно реже, а их добыча и обработка требует больших затрат средств. Все цветные металла подразделяются на несколько групп. Во-первых, это легкие металлы: алюминий, титан, калий, магний, рубидий, стронций, бериллий. Тяжелые металлы: медь, свинец, олово, цинк и никель. Благородные металлы: золото, серебро, платина, палладий, родий. Малые металлы: сурьма, ртуть, мышьяк. Тугоплавкие металлы: хром, марганец, вольфрам. Редкоземельные металлы: лантан, церий, самарий, европий, иттербий, гольмий, эрбий, диспрозий. Рассеянные металлы: рений, таллий, таллий. Радиоактивные металлы: радий, плутоний, уран.

Применение цветных металлов очень широко. Однако, чаще всего они применяются в машиностроении, авиаи судостроении, в приборостроении, в электроэнергетике.

Цветные металлы обладают множеством полезных свойств, которыми можно управлять, обрабатывая их различными способами, например, термической обработкой или химическим воздействием. Благодаря этому из цветных металлов можно изготавливать множество самых различных продуктов: деталей, узлов, а также, полуфабрикатов, например, проволоку, профильный металл, фольгу и др. Цветные металлы поддаются всем известным сегодня способам обработки: ковке, штамповке, прокатке, прессованию, резке, сварке и т. д. Многие цветные металлы в настоящее время используют в виде порошков, а также для приготовления краски.

В целом, можно отметить, что цветные металлы — это важнейший элемент металлургической промышленности, который вполне востребован в других отраслях производства. Добыча цветных металлов ведется практически постоянно, так как потребности в них ничуть не уменьшаются, а наоборот, возрастают. Современное производство невозможно представить без использования цветных металлов.

Медь и её сплавы

Технически чистая медь обладает высокими пластичностью и коррозийной стойкостью, малым удельным электросопротивлением и высокой теплопроводностью. По чистоте медь подразделяют на марки (ГОСТ 859−78):

Таблица

После обозначения марки указывают способ изготовления меди: к — катодная, б — бес кислородная, р — раскисленная. Медь огневого рафинирования не обозначается.

МООк — технически чистая катодная медь, содержащая не менее 99,99% меди и серебра.

МЗ — технически чистая медь огневого рафинирования, содержит не менее 99,5%меди и серебра.

Медные сплавы разделяют на бронзы и латуни. Бронзыэто сплавы меди с оловом (4 — 33% Sn хотя бывают без оловянные бронзы), свинцом (до 30% Pb), алюминием (5−11% AL), кремнием (4−5% Si), сурьмой и фосфором (ГОСТ 493−79, ГОСТ 613–79, ГОСТ 5017–74, ГОСТ 18 175–78).

Латуни — сплавы меди с цинком (до 50% Zn) и небольшими добавками алюминия, кремния, свинца, никеля, марганца (ГОСТ 15 527−70, ГОСТ 17 711–80). Медные сплавы предназначены для изготовления деталей методами литья, называют литейными, а сплавы, предназначенные для изготовления деталей пластическим деформированием — сплавами, обрабатываемыми давлением.

Медные сплавы обозначают начальными буквами их названия (Бр или Л), после чего следуют первые буквы названий основных элементов, образующих сплав, и цифры, указывающие кол-во элемента в процентах. Приняты следующие обозначения компонентов сплавов:

А — алюминий Мц — марганец С — свинец Б — бериллий Мг — магний Ср — серебро Ж — железо Мш — мышьяк Су — сурьма К — кремний Н — никель Т — титан Кд — кадмий О — олово Ф — фосфор Х — хром Ц — цинк

Примеры:

БрА9Мц2Л — бронза, содержащая 9% алюминия, 2% Mn, остальное Cu («Л» ' указывает, что сплав литейный);

ЛЦ40Мц3Ж — латунь, содержащая 40% Zn, 3% Mn, ~l% Fe, остальное Cu;

Бр0Ф8,0−0,3 — бронза на ряду с медью содержащая 8% олова и 0,3% фосфора;

ЛАМш77−2-0,05 — латунь содержащая 77% Cu, 2% Al, 0,055 мышьяка, остальное Zn (в обозначении латуни, предназначенной для обработки давлением, первое число указывает на содержание меди).

В несложных по составу латунях указывают только содержание в сплаве меди:

Л96 — латунь содержащая 96% Cu и ~4% Zn (томпак);

Лб3 — латунь содержащая 63% Cu и -37% Zn.

Алюминий и его сплавы Алюминий — легкий металл, обладающий высокими теплои электропроводностью, стойкий к коррозии. В зависимости от степени чистоты первичный алюминий согласно ГОСТ 11 069–74 бывает особой (А999), высокой (А995, А95) и технической чистоты (А85, А7Е, АО и др.). Алюминий маркируют буквой, А и цифрами, обозначающими доли процента свыше 99,0% Al; буква «Е» обозначает повышенное содержание железа и пониженное кремния.

А999 — алюминий особой чистоты, в котором содержится не менее 99,999% Al;

А5 — алюминий технической чистоты в котором 99,5% алюминия. Алюминиевые сплавы разделяют на деформируемые и литейные. Те и другие могут быть не упрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы хорошо обрабатываются прокаткой, ковкой, штамповкой. Их марки приведены в ГОСТ 4784–74. К деформируемым алюминиевым сплавам не упрочняемым термообработкой, относятся сплавы системы Al-Mn и AL-Mg:Aмц; АмцС; Амг1; АМг4,5; Амг6. Аббревиатура включает в себя начальные буквы, входящие в состав сплава компонентов и цифры, указывающие содержание легирующего элемента в процентах. К деформируемым алюминиевым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками некоторых элементов (дуралюмины, ковочные сплавы), а также высокопрочные и жаропрочные сплавы сложного хим.состава. Дуралюмины маркируются буквой «Д» и порядковым номером, например: Д1, Д12, Д18, АК4, АК8.

Чистый деформируемый алюминий обозначается буквами «АД» и условным обозначением степени его чистоты: АДоч (>=99,98% Al), АД000(>=99,80% Аl), АД0(99,5% Аl), АД1 (99,30% Al), АД (>=98,80% Аl).

Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685−75) обладает хорошей жидко-текучестью, имеет сравнительно не большую усадку и предназначены в основном для фасонного литья. Эти сплавы маркируются буквами «АЛ» с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛЗО.

Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2,5; АК4МЦ6. В этом случае «М» обозначает медь. «К» — кремний, «Ц» — цинк, «Н» — никель; цифра — среднее % содержание элемента.

Из алюминиевых антифрикционных сплавов (ГОСТ 14 113−78) изготовляют подшипники и вкладыши как литьем так и обработкой давлением. Такие сплавы маркируют буквой «А» и начальными буквами входящих в них элементов: А09−2, А06−1, АН-2,5, АСМТ. В первые два сплава входят в указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий 2,7−3,3% Ni и в четвертый медь сурьма и теллур.

Титан и его сплавы Титан — тугоплавкий металл с невысокой плотностью. Удельная прочность титана выше, чем у многих легированных конструкционных сталей, поэтому при замене сталей титановыми сплавами можно при равной прочности уменьшить массу детали на 40%. Титан хорошо обрабатывается давлением, сваривается, из него можно изготовить сложные отливки, но обработка резанием затруднительна. Для получения сплавов с улучшенными свойствами его легируют алюминием, хромом, молибденом. Титан и его сплавы маркируют буквами «ВТ» и порядковым номером:

ВТ1−00, ВТЗ-1, ВТ4, ВТ8, ВТ14.

Пять титановых сплавов обозначены иначе:

0Т4−0, 0Т4, 0Т4−1, ПТ-7М, ПТ-3 В.

Магний и его сплавы Среди промышленных металлов магний обладает наименьшей плотностью (1700 кг/м³). Магний и его сплавы неустойчивы против коррозии, при повышении температуры магний интенсивно окисляется и даже самовоспламеняется. Он обладает малой прочностью и пластичностью, поэтому как конструкционный материал чистый магний не используется. Для повышения химико-механических свойств в магниевые сплавы вводят алюминий, цинк, марганец и другие легирующие добавки.

Магниевые сплавы подразделяют на деформируемые (ГОСТ 14 957−76) и литейные (ГОСТ 2856−79). Первые маркируются буквами «МА», вторые «МЛ». После букв указывается порядковый номер сплава в соответствующем ГОСТе.

Например:

МА1-деформируемый магниевый сплав № 1;

МЛ19-литейный магниевый сплав № 19