ООО "ТД "СК"

Производство расположено
в г.Воронеже и г. Липецке
Электронная почта
89515596978@bk.ru
Тел. 8-951-559-69-78
8 (473) 244-30-10
8 (473) 244-31-01

Купить алюминиевые и чугунные отливки. Собственное производство. ООО "ТД "СК", г. Воронеж.

Что такое металл, классификация металлов и сплавов

Металлы и сплавы

Металловедение — наука, изучающая строение и свойства металлов и устанавливающая связь между их составом, строением и свойствами.

В химии под металлами понимается определенная группа элементов, расположенная в левой части периодической таблицы химических элементов Д. И. Менделеева. Эти элементы, вступая в химическую реакцию с элементами, являющимися неметаллами, отдают им свои внешние, так называемые валентные электроны. Это является следствием того, что у химических элементов, являющихся металлами, внешние электроны непрочно связаны с ядром; кроме того, у металлов на наружных электронных оболочках немного электронов — один-два, тогда как у неметаллов много электронов — пять-восемь.

Металлами являются все элементы, расположенные левее галлия, индия и таллия, а неметаллами — правее мышьяка, сурьмы и висмута. Элементы, расположенные IIIВ, IVB и VB группах, могут относиться и к металлам (In, Tl, Sn, Pb, Sb,Bi), и к неметаллам (С, N, Р, As, О, S) и занимать промежуточное положение (Ga, Si, Ge, Se, Те).

В технике под металлом понимают вещества, обладающие «металлическим блеском», в той или иной мере присущим всем металлам, и пластичностью. По этому признаку металлы можно легко отличить от неметаллов, например, дерева, камня, стекла или фарфора. «Металлы суть светлые тела, которые ковать можно». Это определение металлов, данное М. В. Ломоносовым, не потеряло своего научного значения и теперь, через 200 лет. Этими свойствами обладают не только чистые элементы, например алюминий, медь, железо и др., но и более сложные вещества, в состав которых могут входить несколько элементов-металлов часто с примесью заметных количеств элементов-неметаллов. Такие вещества называются металлическими сплавами. Следовательно, в более широком толковании металлические сплавы также могут быть названы металлами.

Кроме металлического блеска и пластичности, все металлы обладают высокой электропроводностью и теплопроводностью.

Из сказанного мы можем заключить, что имеется некоторое различие в понятиях металл как химический элемент и металл как вещество, но то и другое определение обусловлено особенностями внутреннего строения металлических веществ, которое одинаково как у чистых металлов, так и их сплавов.

Особенность строения металлических веществ заключается в том, что все металлы построены из атомов, у которых внешние электроны слабо связаны с ядром. Это обусловливает и особый характер химического взаимодействия атомов металла и металлические свойства.

Электроны заряжены отрицательно и достаточно создать ничтожную разность потенциалов, как электроны потекут по направлению к положительно заряженному полюсу, создавая электрический ток. Вот почему металлы являются хорошими проводниками электрического тока, а неметаллы ими не являются. Характерным электрическим свойством металлов является также и то, что с повышением температуры у всех без исключения металлов электропроводность уменьшается.

При химическом взаимодействии между металлами и неметаллами внешние электроны от атомов металла переходят к атомам неметалла. Атом металла превращается при этом в положительный ион, а атом неметалла — в отрицательный ион.

Итак, мы видим, что слабая связь наружных электронов с ядром обусловливает химические и физические свойства металлов.

В силу указанных выше особенностей металлы и сплавы имеют следующее атомно-кристаллическое строение. В определенных местах кристаллической решетки располагаются положительно заряженные ионы, а наружные свободные электроны создают внутри металла как бы легкотекучую жидкость, или электронный газ, который беспорядочно движется во всех направлениях. Но при определенных условиях, например при создании разности потенциалов, движение электронов получает определенное направление и возникает электрический ток.

Теория металлического состояния рассматривает металл как вещество, состоящее из положительно заряженных ионов, окруженных отрицательно заряженными частицами — электронами, слабо связанными с ядром. Эти электроны непрерывно перемещаются внутри металла и принадлежат не одному какому-то ядру, а всему куску металла.

Таким образом, характерной особенностью атомно-кристаллического строения металлов является наличие электронного газа внутри металла, слабо связанного с положительно заряженными ионами. Легкое перемещение этих электронов внутри металла и малая их связь с атомами обусловливают наличие у металлов определенных металлических свойств (высокая электро- и теплопроводность, металлический блеск, пластичность и прочее).

Классификация металлов

Хотя каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее по некоторым признакам их можно объединить в отдельные группы.

Прежде всего, все металлы можно разделить на две большие группы — черные металлы и цветные металлы.

Черные металлы (во главе с железом) темно-серые, имеют большой удельный вес (кроме щелочноземельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость и во многих случаях обладают полиморфизмом.

На нашем предприятии мы производим отливки из чугуна - сплава железа (черного металла) с углеродом.

Цветные металлы (например, алюминий и медь) чаще всего окрашены — красные, желтые, белые, обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления для многих из них и отсутствием полиморфизма для большинства.

Алюминиевые отливки, заливаемые в кокиль или литьем под давлением - основной продукт нашего литейного цеха.

Существует и другая классификация, согласно которой под черными металлами подразумевается железо и его сплавы, а под цветными – все остальные сплавы.

Черные металлы, в свою очередь, подразделяются на:

«Железные» металлы — железо, кобальт, никель (так называемые ферромагнетики) и близкий к ним по свойствам марганец. Кобальт, никель и марганец чаще применяются как добавки к сплавам железа, образуя легированные стали. Никель и кобальт имеют также применение в качестве основы для соответствующих сплавов, похожих по своим свойствам на высоколегированные стали.

Тугоплавкие металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа (т. е. выше 1535°). Применяются как добавки к легированным сталям, а также в качестве основы для соответствующих сплавов.

Урановые элементы — актиниды, имеющие преимущественное применение в сплавах для атомной энергетики.

Редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим и другие, объединяемые под общим названием лантанидов, и близкий к ним по свойствам итрий. Эти металлы обладают весьма близкими химическими свойствами и применяются как присадки к сплавам других элементов. В природных условиях встречаются вместе и вследствие трудностей разделения на отдельные элементы для целей присадки обычно применяется смешанный сплав, так называемый мишметалл, содержащий 40—45% церия и 45—50% всех других редкоземельных элементов.

Щелочноземельные металлы в свободном металлическом состоянии применения не имеют, за исключением специальных случаев (например, в качестве теплоносителей в атомных реакторах).

Цветные металлы подразделяются на:

  • Легкие металлы — бериллий, магний, алюминий, обладающие малым удельным весом (его плотность около 2,7 г/см. куб., поэтому отливки из алюминия весят почти в три раза меньше, чем такие же стальные или чугунные).
  • Благородные металлы — серебро, золото, металлы платиновой группы — платина, палладий, иридий, родий, осмий, рутений. Сюда может быть отнесена и «полублагородная» медь. Обладают высокой устойчивостью против коррозии.
  • Легкоплавкие металлы — цинк, кадмий, ртуть, индий, / олово, свинец, висмут, таллий, сурьма и элементы с ослабленными металлическими свойствами — галлий, германий.

Кристаллическое строение металлов

Всякое вещество может находиться в трех агрегатных состояниях — твердом, жидком и газообразном.

При высоких температурах (тысячи, десятки тысяч градусов и выше) газообразное вещество переходит в состояние плазмы, характеризующейся развитием в ней процессов ионизации, вплоть до полного разрушения электронной оболочки атомов. Однако было бы неправильным рассматривать плазму как 4-е агрегатное состояние вещества. Если бы это было так, то переход вещества в плазменное состояние протекал бы до конца при постоянных (равновесных) температуре и давлении согласно правилу фаз для однокомпонентных систем, чего не наблюдается в действительности.

Твердое вещество под воздействием сил тяжести сохраняет форму, а жидкое растекается и принимает форму сосуда. Однако это определение является недостаточным для характеристики состояния вещества.

Так, например, твердое стекло при нагревании размягчается и постепенно переходит в жидкое состояние. Обратный переход будет также совершаться совершенно плавно — жидкое стекло по мере снижения температуры будет все больше и больше густеть и, наконец, загустеет до «твердого» состояния. У стекла нет определенной температуры перехода из жидкого в «твердое» состояние, нет и температуры (точки) резкого изменения свойств. Поэтому вполне закономерно рассматривать «твердое» стекло как сильно загустевшую жидкость.

Следовательно, переход из твердого в жидкое и из жидкого в твердое состояние (так же как и из газового в жидкое) происходит при определенной температуре и сопровождается резким изменением в свойствах.

Области твердого, жидкого и газообразного состояния в зависимости от температуры и давления.

Области твердого, жидкого и газообразного состояния в зависимости от температуры и давления.

В чем же основное различие между газообразным, жидким и твердым состоянием?

В газах нет никакой закономерности в расположении частиц (атомов, молекул); частицы в газах хаотически двигаются, друг от друга отталкиваются и газ стремится занять возможно больший объем.

В твердых телах атомы располагаются определенным, закономерным порядком, силы взаимного притяжения и отталкивания уравновешены и твердое тело сохраняет свою форму.

В жидкости частицы (атомы, молекулы) сохраняют лишь так называемый ближний порядок, т. е. небольшое число атомов, а не атомы всего объема, как в твердом теле, закономерно расположены в пространстве; кроме того, ближний порядок неустойчив: он то возникает, то пропадает под действием энергичных тепловых колебаний.

Из этого описания мы видим, что жидкое состояние есть как бы промежуточное состояние между твердым и газообразным; при соответствующих условиях (при низких давлениях) возможен переход из твердого состояния в газообразное непосредственно без промежуточного расплавления.

Если взять большое число атомов и пренебречь наличием ближнего порядка у жидкости, то мы можем сказать, что твердое состояние в отличие от жидкого и газообразного характеризуется определенным, закономерным расположением атомов в пространстве.

Правильное, закономерное расположение частиц (атомов, молекул) в пространстве характеризует кристаллическое состояние. Поэтому в физике кристаллическое или твердое состояния — это синонимы.

Гипотеза о том, что в кристаллах частицы (атомы) располагаются закономерным образом, была выдвинута очень давно (Е. С. Федоров, 1860 г.), но только после открытия рентгеновских лучей (К. Рентген, 1895 г.) и применения их к изучению строения кристаллов (М. Лауэ, 1912 г.) закономерное расположение атомов в кристаллах было установлено экспериментально. Многочисленные работы, проведенные с того времени физиками многих стран, выявили расположение атомов в кристаллах различных веществ, в том числе металлов и сплавов.

Атомы располагаются в кристалле в определенных местах. Кристаллическое строение можно представить себе в виде решетки, в узлах которой расположены атомы.

Кристаллические решетки металлов

Как указывалось, кристаллическое состояние, прежде всего, характеризуется определенным, закономерным, расположением атомов в пространстве.

Это обусловливает то, что в кристалле каждый атом имеет одно и то же количество ближайших атомов — соседей, расположенных на одинаковом расстоянии. Имеется лишь ограниченное число возможных вариантов расположения атомов в пространстве - 14.

Стремление атомов (ионов) металла расположиться возможно ближе друг к другу, плотнее (почему металлы и обладают более высоким удельным весом, чем неметаллы), приводит к тому, что число встречающихся комбинаций взаимного расположения атомов металла в кристаллах еще уменьшается.

Имеется ряд схем и способов описания вариантов взаимного расположения атомов в кристалле. Взаимное расположение атомов в одной из плоскостей показано на схеме размещения атомов (см. фиг. 2). Воображаемые линии, проведенные через центры атомов, образуют решетку, в узлах которой располагаются атомы (положительно заряженные ионы); это так называемая кристаллографическая плоскость. Многократное повторение кристаллографических плоскостей, расположенных параллельно, воспроизводит пространственную кристаллическую решетку, узлы которой являются местом расположения атомов (ионов). Расстояния между центрами соседних атомов измеряются ангстремами.

Взаимное расположение атомов в пространстве и определение междуатомных расстояний устанавливается рентгеноструктурным анализом.

Весьма удобно расположение атомов в кристалле изображать в виде пространственных схем, в виде так называемых элементарных кристаллических ячеек. Под элементарной кристаллической ячейкой подразумевается наименьший комплекс атомов, который при своем многократном повторении в пространстве позволяет воспроизвести пространственную кристаллическую решетку.

Простейшим типом кристаллической ячейки является кубическая решетка, изображенная.

В такой простой кубической решетке атомы уложены (упакованы) недостаточно плотно. Стремление атомов металла занять места, наиболее близкие друг к другу, приводит к образованию других типов решеток, в том числе: объемноцентрированного куба, гранецентрированного куба и гексагональной плотноупакованной решетки.

Атомы, располагаются в центре куба и по его вершинам (куб объемноцентрированный) или в центре грани и по вершинам куба (куб гранецентрированный) или в виде шестигранника, внутрь которого наполовину вставлен также шестигранник, три атома верхней плоскости которого находятся внутри шестигранной призмы (гексагональная решетка).

Метод изображения кристаллической решетки, приведенный на фиг. 3 и 4, является условным (как, впрочем, и любой другой). Может быть, более правильным было бы изображение атомов в кристаллической решетке в виде соприкасающихся шаров, как это показано для объемноцентрированной решетки. Однако такое изображение кристаллической решетки далеко не всегда более удобно.

Элементарная кристаллическая ячейка (простая кубическая)

Элементарная кристаллическая ячейка (простая кубическая)

Размеры кристаллической решетки характеризуются параметрами или периодами решетки. Кубическую решетку определяет один параметр -длина ребра куба. Параметры имеют величины порядка атомных размеров и измеряются в ангстремах.

Так, например, параметр решетки хрома, имеющего структуру объемноцентрированного куба, равен 2,878 А, а параметр решетки алюминия, имеющего структуру гранецентрированного куба, равен 4,041 А.

Параметр решетки — чрезвычайно важная характеристика. Современные методы рентгеновского исследования позволяют измерить параметр с точностью до 4-го или даже до 5-го знака после запятой, т. е. до одной десятитысячной, одной стотысячной доли ангстрема.

Элементарная кристаллическая ячейка объемно - центрированного куба.

Элементарная кристаллическая ячейка объемно - центрированного куба.

Помимо кубических решеток, среди металлов весьма распространена гексагональная решетка.

Если слои атомов касаются друг друга, т. е. три атома, изображенные внутри решетки, касаются атомов, расположенных на верхней и нижней плоскостях, то мы имеем так называемую гексагональную плотноупакованную решетку.

Существенное значение для свойств металла или сплава имеет число атомов, находящихся во взаимном контакте. Последнее определяется числом атомов, равноотстоящих на ближайшем расстоянии от любого выбранного атома.

Число атомов, находящихся на наиболее близком равном расстоянии от данного атома, называется координационным числом. Так, например, атом в простой кубической решетке имеет шесть ближайших равноотстоящих соседей, т. е. координационное число этой решетки равно 6.

Центральный атом в объемноцентрированной решетке имеет восемь ближайших равноотстоящих соседей, т. е. координационное число этой решетки равно 8. Координационное число для гранецентрированной решетки равно 12. В случае гексагональной плотноупакованной решетки координационное число также равно 12.

Реальное строение металлических кристаллов

Кристаллы металлов обычно имеют небольшие размеры. Поэтому металлическое изделие состоит из большого числа кристаллов.

Подобное строение называется поликристаллическим. В силу ряда причин, в поликристаллическом агрегате отдельные кристаллы не имеют возможности принять правильную форму.

Кристаллы неправильной формы в поликристаллическом агрегате носят название зерен или кристаллитов.

Различие отдельных зерен между собой заключается в пространственной ориентации кристаллической решетки. В общем случае ориентация кристаллической решетки в зерне случайна, с равной степенью вероятности может встретиться любая ориентация ее в пространстве.

Однако это состояние совсем не является единственным. Пластическая деформация по- средством механической обработки в холодном состоянии (прокатка, волочение и др.) приводит к преимущественной ориентировке зерен (текстура). Степень преимущественной ориентировки может быть различна и изменяться от случайного распределения до такого состояния, когда все кристаллы ориентированы одинаково.

Кроме того, путем очень медленного отнятия тепла при кристаллизации, а также посредством других специальных способов может быть получен кусок металла, представляющий собой один кристалл, так называемый монокристалл. Монокристаллы больших размеров, весом в несколько сот граммов, изготовляются для научных исследований, а также для некоторых специальных отраслей техники (полупроводники).

Исследования показали, что внутренняя кристаллическая структура зерна не является правильной.

Характер и степень нарушения правильности или совершенства кристаллического строения определяют в значительной мере свойства металлов.

Одним из видов несовершенств кристаллического строения является наличие незанятых мест в узлах кристаллической решетки, или иначе — вакансий или атомных дырок. Такой «точечный» дефект решетки играет важную роль в протекании диффузионных процессов.

Другим важнейшим видом несовершенства кристаллического строенияявляются так называемые дислокации. Представим себе, что в кристалличекой решетке по каким-либо причинам появилась лишняя полуплоскость атомов, так называемая экстраплоскость. Край такой плоскости образует линейный дефект (несовершенство) решетки, который называется линейной дислокацией. Линейная дислокация может простираться в длину на многие тысячи параметров решетки, может быть прямой, но может и выгибаться в ту или другую сторону. Вокруг дислокации возникает зона упругого искажения решетки. Ширина дислокации, т. е. расстояние от центра дефекта до места решетки без искажения, невелика и равна нескольким атомным расстояниям.

Вследствие искажения решетки в районе дислокации последняя легко может смещаться, например, вправо (влево) от нейтрального, а соседняя полуплоскость будет при этом переходить в промежуточное положение, превращаясь тем самым в экстраплоскость и образуя дислокацию вдоль краевых атомов.

Микрофотографии следов дислокаций, х 400.

Микрофотографии следов дислокаций, х 400.

Получается, что дислокация может перемещаться (вернее — передаваться как эстафета) вдоль некоторой плоскости (плоскости скольжения), расположенной перпендикулярно к экстраплоскости.

Согласно современным представлениям в обычных чистых металлах плотность дислокаций, т. е. содержание дислокаций в одном кубическом сантиметре, превышает один миллион. Механические свойства металлов зависят от количества дислокаций и от способности их к перемещению, о чем будет сказано ниже.

Дислокации в металле распределены неравномерно. Исследования показывают, что границы зерен имеют повышенную концентрацию дислокаций и поэтому изобилующий дефектами (дислокациями) приграничный слой, имеющий толщину в несколько десятков атомных рядов, по свойствам может существенно отличаться от внутренних частей зерна. Само зерно при этом не является монолитным кристаллом, построенным из строго параллельных атомных слоев.

Купить алюминиевые и чугунные отливки. Собственное производство. ООО "ТД "СК", г. Воронеж.