Лекция №2 Свойства металлов — Студопедия
Студопедия
МОТОСАФАРИ и МОТОТУРЫ АФРИКА !!!

Авиадвигателестроения Административное право Административное право Беларусии Алгебра Архитектура Безопасность жизнедеятельности Введение в профессию «психолог» Введение в экономику культуры Высшая математика Геология Геоморфология Гидрология и гидрометрии Гидросистемы и гидромашины История Украины Культурология Культурология Логика Маркетинг Машиностроение Медицинская психология Менеджмент Металлы и сварка Методы и средства измерений электрических величин Мировая экономика Начертательная геометрия Основы экономической теории Охрана труда Пожарная тактика Процессы и структуры мышления Профессиональная психология Психология Психология менеджмента Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении Социальная психология Социально-философская проблематика Социология Статистика Теоретические основы информатики Теория автоматического регулирования Теория вероятности Транспортное право Туроператор Уголовное право Уголовный процесс Управление современным производством Физика Физические явления Философия Холодильные установки Экология Экономика История экономики Основы экономики Экономика предприятия Экономическая история Экономическая теория Экономический анализ Развитие экономики ЕС Чрезвычайные ситуации ВКонтакте Одноклассники Мой Мир Фейсбук LiveJournal Instagram

Лекция №2 Свойства металлов




Какие обязательные характеристики имеют материалы называемые металлами?

• Хорошо проводят электрический ток

• Хорошо передают тепло

• Отражают свет (блестят)

• В определённом температурном диапазоне металлы пластичны

• Большинство металлов имеют высокую прочность и термостойки.
Все эти характеристики имеют общую природу: металлы представляют собой такое состояние
вещества, в котором атомные остовы погружены в электронную жидкость. Вот электронная
жидкость и отвечает за физические характеристики металлов.

Вопрос: горят ли металлы? Большинство металлов очень хорошо горят, но только в измельчённом состоянии, так как кусок металла быстро покрывается оксидной плёнкой (железо, в том числе тоже горит. Более того, очень мелкая железная крошка которая хранилась в среде инертного газа или в вакууме, после контакта с воздухом мажет самовозгореться). Vлюбых пылей есть так называемые взрывоопасные концентрации. Самые страшные горючие боеприпасы - это термитные смеси которые прожигают бетон (стандартное горючее плюс алюминиевая или магниевая крошка). Есть твердотопливные ракетные двигатели. Объяснить про процесс горения.

Применяемые в строительстве металлы делят на две группы: чёрные и цветные. К черным металлам относятся железо и сплавы на его основе (чугун и сталь). Сталь — сплав железа с углеродом (до 2,14 %) и другими элементами. По химическому составу различают, стали углеродистые и легированные, а по назначению - конструкционные, инструментальные и специальные.

Чугун — сплав железа с углеродом (более 2,14 %), некоторым количеством марганца (до 2 %), кремния (до 5 %), а иногда и других элементов. В зависимости от строения и состава чугун бывает белый, серый и ковкий. Чугун - твёрдый и дешёвый, но хрупкий и легко ржавеет. Почему к чугунным сковородкам не пригорает пища?

К цветным металлам относятся все металлы и сплавы на основе алюминия, меди, цинка, титана, олова, свинца.

Широкое использование металлов в строительстве и других отраслях экономики объясняется сочетанием у них высоких физико-механических свойств с технологичностью. Металлы обладают высокой прочностью, причем прочность на изгиб и растяжение у них практически такая же, как и на сжатие (у каменных материалов прочность на изгиб в 10... 15 раз меньше прочности на сжатие, а на растяжение меньше в 10... 15 раз прочности на изгиб). Так, прочность стали более чем в 10 раз превышает прочность бетона на сжатие; поэтому несмотря на то, что плотность стали (7850 кг/м3) в 3 раза выше плотности бетона (2500 кг/м3), металлические конструкции при той же несущей способности значительно легче и компактнее бетонных. Этому способствует также, высокий модуль упругости стали (в 10 раз выше, чем у бетона и других каменных материалов). Еще более эффективны конструкции из лёгких сплавов (табл. 1).




Таблица 1. Физико-механические свойства металлов и их сплавов

Металл Предел прочности при растяжении, МПа Плотность, кг/м3
Чугун 100...600
Углеродистая сталь 200...600
Легированная сталь 500...1600
Алюминиевые сплавы 100...300 2500...3000
Титановые сплавы до 1500 4500...5000

Рассмотрим зависимость свойств сплава от его состава и строения на примере железоуглеродистых сплавов (сталей и чугунов).

Чистое железо — серебристо-белый мягкий пластичный металл, почти не окисляющийся на воздухе. Прочность его значительно ниже прочности стали и чугуна. При производстве в черные металлы в виде примесей к железу попадают углерод, кремний и некоторые другие вещества. Наибольшее влияние на их свойства оказывает углерод, содержащийся в количестве 0,5.,.5 % Способность железа растворять углерод и другие элементы служит основой для получения разнообразных сплавов.

Углерод, растворяясь в железе, образует твердые растворы. В низкотемпературной модификации железа (a-железе) растворяется мало углерода (до 0,02 %), такой раствор называют ферритом. Феррит обладает низкой твердостью и высокой пластичностью. Чем больше в сплаве содержится феррита, тем он мягче и пластичнее. Высокотемпературная модификация железа (g-железо) лучше растворяет углерод (до 2 %), образуя твердый раствор аустенит, также характеризующийся высокой пластичностью.



Химическое соединение железа с углеродом - карбид железа, в котором содержится 6,67 % углерода, называют цементитом. Цементит хрупок и имеет высокую твердость. Чем больше цементита в сплаве, тем он более твердый и хрупкий. В некоторых случаях (например, в присутствии больших количеств кремния) цементит не образуется, а углерод выделяется в виде графита (например, в сером чугуне).

В сталях и чугунах феррит, аустенит и цементит существуют в виде механических смесей Иными словами, сталь и чугун — поликристаллические материалы, свойства которых зависят как от химического состава (количества железа, углерода и других примесей), так и от структуры (типа и размера кристаллов). Например, при нагревании до температуры выше 723 °С твердая и прочная углеродистая сталь, состоящая из смеси феррита и цементита, становится мягкой и прочность ее падает, так как смесь феррита и цементита переходит в аустенит - раствор

углерода в g-железе. На этом основана горячая обработка (прокат, ковка) углеродистых сталей.

Этим же объясняется резкое падение прочности и, как следствие, деформация и разрушения

стальных конструкций из-за нагрева во время пожара.

Помните Останкино горело? Бетон остался цел, а стальные канаты, которые обеспечивали

жёсткости телебашни ослабли и возникла угроза разрушения всей конструкции.

Бывают стали нержавеющие - это благодаря добавкам к железу таких металлов как хром и никель, это самые распространенные - другие более редкие и дорогостоящие. Нержавеющая сталь сейчас стоит раз в пять дороже обычной. Легированные конструкционные стали маркируют цифрами и буквами. Двузначные цифры, приводимые в начале марки указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Сильноуглеродистые стали имеют букву "У" вначале, цифры после буквы обозначают содержание углерода в десятых долях процента. Буква "Р" вначале обозначает режущую сталь.

Буквы справа от цифры обозначают легирующий элемент: Г-марганец, С-кремний, X-хром, Н-никель, В-вольфрам, Ф-ваннадий, М-молибден, Ю-алюминий, Т-титан, Р-бор, Д-медь, П-фосфор, К-кобальт. Цифры после букв указывают примерное содержание легирующего элемента в целых процентах, отсутствие цифры указывает, что содержание легирующего элемента 1.5% и менее. Высококачественные стали с маленьким содержанием серы и фосфора (S<0.035%, P<0.025%) обозначают буквой "А" в конце марки, буква "Л" в конце обозначает литую сталь. Например: 20Х2Н4А - высококачественная сталь, содержащая 0,20% углерода, 2%- хрома, 4%-никеля.

Рассказать про булатную сталь.

Цветные металлы и сплавы на их основе применяют в специальных случаях, так как производятся они в значительно меньших количествах, чем черные, а стоимость их существенно выше. Их ис­пользуют в основном, когда требуется высокая коррозионная стойкость, электро- и теплопроводность, повышенные декоративные качества, а для сплавов на основе алюминия — малый вес конструкций. В строительстве в основном применяют сплавы меди и алюминия; перспективны также сплавы на основе титана.

Медь и сплавы на ее основе.Чистая медь — мягкий пластичный металл красноватого цвета, плотностью 8960 кг/м3, отличающийся высокой теплопроводностью и элек­тропроводностью. Прочность меди невысока R = 180...240 МПа. температура плавления — 1080 °С. Медь коррозионно устойчивый металл: в сухом воздухе медь не окисляется, во влажном — покрывается коричневой оксидной пленкой, защищающей от дальнейшего окисления. При длительном (годы) нахождении меди во влажном воздухе на поверхности образуется устойчивый голубоватый слой основного карбоната меди, называемый «патиной».

Медь и ее сплавы относятся к числу металлов, известных с глубокой древности, так как встречалась в природе в виде самородков, а также достаточно просто выплавлялась из медных руд. Около 50 % меди применяется в электротехнике. В строительстве медные листы толщиной 0,4...0,6 мм используют для устройства красивых и долговечных кровель, водосточных систем и водопроводных труб. Большая часть меди применяется в виде сплавов — латуней и бронз.

Латуни — сплавы меди с цинком (10...40 %); хорошо поддаются прокату, штамповке и вытягиванию. Прочность и твердость более высокая, чем у меди R = 250...600 МПа; НВ (500...700). В строительстве латунь используют для декоративных элементов и для санитарно-технических устройств. В некоторых странах (например, Англии) латунные трубы, характеризую­щиеся высокой теплопроводностью и коррозионной стойкостью применяют в отопительных и водопроводных системах; такие системы отличаются очень высокой долговечностью.

Бронзы — сплавы меди с оловом (до 10 %), алюминием, свинцом Их прочность почти такая же, как у меди, твердость же существенно выше — НВ (600... 1600). Бронзы обладают хорошими лисиными свойствами и коррозионно устойчивы. Применяют для декоративных целей (арматура для дверей и окон и др.), в сантехнике и для специальных целей.

Алюминий и сплавы на его основе.Алюминий — легкий серебристый металл (плотность 2700 кг/м ) с низкой прочностью = 80... 100 МПа) и твердостью (НВ 200); характеризуется высокой электро- и теплопроводностью. Несмотря на химическую активность, алюминий стоек к атмосферной коррозии благодаря защитным свойствам оксидной пленки, образующейся на поверхности. Алюминий в промышленных масштабах начали производить лишь в XX в. из-за технологических трудностей производства. В чистом виде алюминий в строительстве практически не применяют, для повышения прочности, твердости и технологических свойств в него вводят легирующие добавки (Мп, Си, Mg, Si, Fe и др.). Основные виды алюминиевых сплавов — литейные и деформируемые.

Литейные алюминиевые сплавы (силумины) — сплавы алюминия кремнием (до 23 %) и другими элементами, обладают высокими : иными качествами; повышенной по сравнению с алюминием прочностью (R до 200 МПа) и твердостью [НВ = (500...700)] при достаточно высокой пластичности. Литейными эти сплавы называют потому, что изделия из них получают формованием из расплава, штамповать, ковать, протягивать их нельзя.

Деформируемые алюминиевые сплавы (дюралюмины)составляют до 80 % производства алюминиевых сплавов. Это большая группа разнообразных по составу сплавов (медь, магний, марганец) с высокими механическими свойствами (R = 200...500 МПа), но пониженной коррозионной стойкостью.

Титан - и сплавы на его основе, прочный (сравнима со сталью) и лёгкий (чуть тяжелее алюминия) металл, но температура его применения ограничена 550-600 С. Из-за дороговизны в

основном применяется в самолётостроении. В последние годы Советской власти и в начале перестройки, когда наша обрабатывающая промышленность исчезла, а добывающая ещё работала из титана делали лопаты (к ним почти не липнет мокрая земля) и туристические котелки. Коррозионно стоек.

Баббиты — сплавы олова и свинца применяют в качестве смазки в подшипниках скольжения. В самом деле, иногда металлы в мелкодисперсном состоянии используются в качестве антифрикционных, то есть уменьшающих трение материалов. В своё время инженеров удивила работоспособность двигателей холодильников они работают по 30-50 лет. Оказалось, что фреоны слегка растворяют медные трубки, и мелкие частички меди упрочняют детали двигателя. И если вы увлекаетесь автомобилями, то обратили внимание на моторные масла с добавками молибдена - это из той же оперы. Российская разработка, по моему Томских учёных, - алмазные микрочастицы, но их роль заключается в шлифовке поверхностей.

Вольфрам - самый тугоплавкий металл, температура плавления 3300 С, используется в качестве нитей накаливания в электрических лампах.

Золото, платина, иридий, палладий, серебро - благородные металлы самые стойкие к окислению (поэтому из них удобно изготавливать украшения и деньги), хорошо проводят электрический ток и тепло. Золото самый пластичный материал из него можно делать пластинки (методом ковки) толщиной несколько микрон и покрывать такой фольгой различные изделия, а то и крыши церквей, чтобы они долго блестели. Платина самый коррозионно стойкий металл, но не пластичный и поэтому из него трудно делать ювелирные изделия.

Все, наверное, знают, что были такие алхимики. У нас их представляют в виде чудаков, которые искали философский камень. На самом деле, помимо поиска этого камня (который превращал ртуть в золото) алхимики в средние века очень сильно развили всю химию и другие отрасли знаний. Так вот, в трудах этих алхимиков было высказана мысль, что ртуть, через семь стадий специальных обработок, можно всё таки превратить в золото. В то время учёные не знали про строение атома! Современные методы ядерной физики позволили установить, что природная ртуть имеет семь радиоактивных изотопов, а один из этих изотопов при распаде превращается в золото.





Дата добавления: 2014-01-25; просмотров: 2108; Опубликованный материал нарушает авторские права? | Защита персональных данных


Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Как то на паре, один преподаватель сказал, когда лекция заканчивалась - это был конец пары: "Что-то тут концом пахнет". 8848 - | 8370 - или читать все...

Читайте также:

 

18.207.130.162 © studopedia.ru Не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования. Есть нарушение авторского права? Напишите нам | Обратная связь.


Генерация страницы за: 0.004 сек.