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.