27. Характерные свойства металлов

-Металлический блеск (характерен не только для металлов: его имеют и неметаллы иод и углерод в виде графита)

-Хорошая электропроводность (из неметаллов электропроводностью обладает, например, графит)

-Возможность лёгкой механической обработки (см.: пластичность; однако некоторые металлы, например,германий и висмут, непластичны)

-Высокая плотность (обычно металлы тяжелее неметаллов)

-Высокая температура плавления (исключения: ртуть, галлий и щелочные металлы)

-Большая теплопроводность

-В реакциях чаще всего являются восстановителями

Физические свойства металлов

Все металлы (кроме ртути ) при нормальных условиях находятся в твёрдом состоянии, однако обладают различной твёрдостью.

Температуры плавления чистых металлов лежат в диапазоне от −39 °C (ртуть) до 3410 °C (вольфрам). Температура плавления большинства металлов (за исключением щелочных) высока, однако некоторые «нормальные» металлы, например, олово и свинец, можно расплавить на обычной электрической или газовой плите.

В зависимости от плотности, металлы делят на лёгкие (плотность 0,53 ÷ 5 г/см³) и тяжёлые (5 ÷ 22,5 г/см³). Самым лёгким металлом является литий (плотность 0.53 г/см³).

Большинство металлов пластичны, то есть металлическую проволоку можно согнуть, и она не сломается. Это происходит из-за смещения слоёв атомов металлов без разрыва связи между ними. Самыми пластичными являются золото, серебро и медь. Однако не все металлы пластичны. Проволока из цинка или олова хрустит при сгибании;марганец и висмут при деформации вообще почти не сгибаются, а сразу ломаются. Пластичность зависит и от чистоты металла.

Все металлы хорошо проводят электрический ток; это обусловлено наличием в их кристаллических решётках подвижных электронов, перемещающихся под действием электрического поля. Серебро, медь и алюминий имеют наибольшую электропроводность; по этой причине последние два металла чаще всего используют в качестве материала для проводов. Высокая теплопроводность металлов также зависит от подвижности свободных электронов.Наименьшая теплопроводность — у висмута и ртути.

Строение металлов

Под металлическим сплавом понимают вещество, получаемое сплавлением двух или более элементов, обладающее характерными металлическими свойствами.

Металлические сплавы получают сплавлением элементов – металлов или металлов с неметаллами при преимущественном содержании металлов. Строение сплавов сложнее, чем чистых металлов.

При кристаллизации жидкого сплава могут получаться твердые металлические сплавы с различным строением.

Механическая смесь двух чистых металлов А и В получается в том случае, когда в процессе кристаллизации сплава из жидкого состояния разнородные атомы не входят в общую кристаллическую решетку. В механической смеси каждый металл образует самостоятельные кристаллы. Кристаллы каждого их металлов, находящиеся в этом сплаве, обладают теми же строением и свойствами, которыми они обладают в куске чистого металла.

Твердый раствор – сплав, у которого атомы растворимого элемента размещены в кристаллической решетке растворителя. На микрошлифе твердого раствора кристаллы после травления выглядят одинаково. В кристаллах твердого раствора существует только один тип кристаллической решетки. Растворителем является тот элемент, кристаллическую решетку которого имеет твердый раствор. Растворимый элемент может либо замещать элемент-растворитель в узлах кристаллической решетки, либо располагаться в междоузлиях. По типу расположения атомов растворимого элемента в кристаллической решетке твердые растворы делят на две группы: замещения и внедрения.

Твердые растворы внедрения образуют металлы с неметаллами. Атомы неметаллов меньше атомов металлов. Поэтому атомы неметаллов могут располагаться в междоузлиях кристаллической решетки металлов. Внедрившийся атом вызывает искажение решетки металла-растворителя. Все твердые растворы внедрения – растворы с ограниченной растворимостью.

Химические соединения металлы образуют как с металлами так и с неметаллами. Химическое соединение характеризуется определенной температурой плавления, скачкообразным изменением свойств при изменении состава. Химические соединения металлов с неметаллами образуются при строго определенных соотношениях входящих в них элементов, соответствующих нормальным валентностям. Химические соединения обладают повышенной твердостью и пониженной пластичностью. Кристаллическая решетка химического соединения имеет сложное строение.

Состав металла

Хотя коррозия медных сплавов определяется главным образом коррозионными свойствами их основы — меди и хотя в конечном итоге патина образуется на всех традиционных художественных сплавах, различия в их составах все же сказываются как на скорости образования, так и на качествах патины, в том числе на ее толщине, цвете, равномерности.

Стойкость чистой электролитической меди и медных сплавов разного состава в одинаковых атмосферных условиях в значительной степени различна, хотя все эти материалы являются коррозионно-стойкими. Известно, что химически чистый металл более стоек, чем металл, загрязненный примесями. Однако введение некоторых специаленных компонентов в определенных количествах, наоборот, повышает стойкость металла. Например, стойкость меди в атмосферных условиях увеличивается при легировании ее мышьяком. Это объясняется тем, что продукты коррозии мышьяковистой меди менее гигроскопичны, чем продукты коррозии чистой меди, и поэтому мышьяковистая медь сравнительно меньше увлажняется. Вследствие накопления мышьяка в продуктах коррозии со временем улучшаются их свойства и коррозия быстрее затухает, чем на чистой меди. Другой пример повышения стойкости в атмосферных условиях — легирование меди алюминием и цинком. Высокая стойкость легированной меди против воздействия атмосферы проявляется не только при кратковременных испытаниях, но и в течение очень длительного времени. Это подтверждается наблюдениями за старинными памятниками.

28. Железоуглеродистые сплавы, сплавы железа с углеродом на основе железа. Варьируя состав и структуру, получают железоуглеродистые сплавы с разнообразными свойствами, что делает их универсальными материалами.

Различают: чистые железоуглеродистые сплавы (со следами примесей), получаемые в небольших количествах для исследовательских целей и технические железоуглеродистые сплавы — стали (до 2%С) и чугуны (св. 2% С), мировое производство которых измеряется сотнями млн. т.

Технические железоуглеродистые сплавы содержат примеси. Их делят на обычные (фосфор Р, сера S, марганец Mn, кремний Si, водород Н, азот N, кислород О), легирующие (хром Cr, никель Ni, молибден Mo, вольфрам W, ванадий V, титан Ti, кобальт Со, медь Cu и др.) и модифицирующие (магний Mg, церий Ce, кальций Ca и др.).

В большинстве случаев основой, определяющей строение и свойства сталей и чугунов, является система Fe — С. Строение железоуглеродистых сплавов определяется составом, условиями затвердевания и структурными изменениями в твёрдом состоянии.

В зависимости от содержания углерода железоуглеродистые сплавы делят на стали и чугуны. Стали с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектоидная S' и S, называют доэвтектоидными, а более высокоуглеродистые — заэвтектоидными. Чугуны с концентрацией углерода, меньшей чем эвтектическая C1 и С, называют доэвтектическими, а более высокоуглеродистые — заэвтектическими.

Затвердевание сталей, содержащих до 0,5% С, начинается с выпадения кристаллов 8-раствора обычно в виде дендритов. При концентрациях углерода до 0,1% кристаллизация заканчивается образованием однофазной структуры d-раствора. Стали с 0,1—0,5% С после выделения некоторого количества 8-раствора испытывают перитектическое превращение Ж + d —> g. В интервале концентраций 0,10—0,16% С оно приводит к полному затвердеванию, а в интервале 0,16—0,50% С кристаллизация завершается при охлаждении до температуры линии IE. В железоуглеродистых сплавах с 0,5—4,26% С кристаллизация начинается с выделения g-раствора также в виде дендритов. Стали полностью затвердевают в интервале температур, ограниченном линиями ВС и IE, приобретая однофазную аустенитную структуру. Затвердевание же чугунов, начинаясь с выделения избыточного (первичного) gраствора, заканчивается эвтектическим распадом остатка жидкости по одному из трёх возможных вариантов: Ж ®g+ Г, Ж ® g+ Ц или Ж ® (+ Г + Ц. Основной причиной появления в железоуглеродистых сплавах высокоуглеродистой метастабильной фазы в виде цементита являются трудности формирования графита.

Образование графита в жидком растворе Ж и твёрдых растворах a и g связано с практически полным удалением атомов железа из участков сплава, где зарождается и растет графит. Оно требует значительных атомных передвижений. Если железоуглеродистые сплавы охлаждаются медленно или длительно выдерживаются при повышенных температурах, атомы железа успевают удалиться из мест, где формируется графит, и тогда возникают стабильные состояния.

При ускоренном охлаждении и недостаточных выдержках удаление малоподвижных атомов железа задерживается, почти все они остаются на месте, и тогда в жидких и твёрдых растворах зарождается и растет цементит. Необходимая для этого диффузия легкоподвижных при повышенных температурах атомов углерода, не требующая больших выдержек, успевает происходить и при ускоренном охлаждении.

29. Современная защита металлов от коррозии базируется на следующих методах: 

1.Повышение химического сопротивления конструкционных материалов, 

2.Изоляция поверхности металла от агрессивной среды, 

3.Понижение агрессивности производственной среды, 

4.Снижение коррозии наложением внешнего тока (электрохимическая защита).

С целью повышения долговечности строительных конструкций, зданий, сооружений проводятся работы в области улучшения противокоррозионной защиты.

Широко применяются следующие основные решения защиты металлических конструкций от коррозии:

1.Защитные покрытия;

2.Обработка коррозионной среды с целью снижения коррозионной активности. Примерами такой обработки могут служить: нейтрализация или обескислороживание коррозионных сред, а также применение различного рода ингибиторов коррозии;

3.Электрохимическая защита металлов;

4.Разработа и производство новых металлических конструкционных материалов повышенной коррозионной устойчивости путем устранения из металла или сплава примесей, ускоряющих коррозионный процесс (устранение железа из магниевых или алюминиевых сплавов, серы из железных сплавов и т.д.), или введения в сплав новых компонентов, сильно повышающих коррозионную устойчивость (например хрома в железо, марганца в магниевые сплавы, никеля в железные сплавы, меди в никелевые сплавы и т.д.);

5.Переход в ряде конструкций от металлических к химически стойким материалам (пластические высокополимерныме материалы, стекло, керамика и др.);

6.Рациональное конструирование и эксплуатация металлических сооружений и деталей (исключение неблагоприятных металлических контактов или их изоляция, устранение щелей и зазоров в конструкции, устранение зон застоя влаги, ударного действия струй и резких изменений скоростей потока в конструкции и др.).

30. Производство чугуна в доменной печи.

Выплавка чугуна производится в огромных доменных печах, выложенных из огнеупорных кирпичей достигающих 30 м высоты при внутреннем диаметре около12 м.

Верхняя ее половина носит название шахты и заканчивается наверху отверстием – калашником, которая закрывается подвижной колонкой – колашниковым затвором. Самая широкая часть печи называется распаром, а нижняя часть – горном. Через специальные отверстия в горне(фурмы) в печать вдувается горячий воздух или кислород.

Доменную печь загружают сначала коксом, а затем послойно агломератом и коксом. Агломерат – это определенным образом подготовленная руда, спеченная с флюсом. Горение и необходимая для выплавки чугуна температура поддерживаются вдуванием в горн подогретого воздуха или кислорода. Последний поступает в кольцевую трубу, расположенную вокруг нижней части печи, а из нее по изогнутым трубкам через фурмы в горн. В горне кокс сгорает, образуя СО2, который, поднимаясь вверх и проходя сквозь слои наколенного кокса, взаимодействует с ним и образует СО. Образовавшийся оксид углерода и восстонавливает большую часть руды, переходя снова в СО2.

Пустую породу в руде образуют, главным образом диоксид кремния SiO2. Это – тугоплавкое вещество. Для превращения тугоплавких примесей в более легкоплавкие соединения к руде добавляются флюс . Обычно в качестве флюса используют CaCo3. При взаимодействии его с SiO2 образуется CaSiO2, легко отделяющийся в виде шлака.

При восстановлении руды железо получается в твердом состоянии. Постепенно оно опускается в более горячую часть печи – распар – и растворяет в себе углерод; образуется чугун. Последний плавится и стекает в нижнюю часть горна, а жидкие шлаки собираются на поверхности чугуна, предохраняя его от окисления. Чугун и шлаки выпускают по мере накопления через особые отверстия, забитые в остальное время глиной.

Выходящие из отверстия печи газы содержат до 25% СО. Их сжигают в особых аппаратах-кауперах, предназначенных для предварительного нагревания вдуваемого в печь воздуха. Доменная печь работает непрерывно. По мере того как верхние слои руды и кокса опускаются, в печь добавляют новые их порции. Смесь руды и кокса доставляется подъемниками на верхнюю площадку печи и загружается в чугунную воронку, закрытую снизу колошниковым затвором. При опускании затвора смесь попадает в печь. Работа печи продолжается в течение нескольких лет, пока печь не потребует капитального ремонта.

Процесс выплавки может быть ускорен путем применения в доменных печах кислорода. При вдувании в доменную печь обогащенного кислородом воздуха предварительный подогрев его становится излишним, а значит, отпадает необходимость в громоздких и сложных кауперах и весь процесс упрощается. Вместе с тем производительность печи повышается и уменьшается расход топлива. Такая доменная печь дает в 1,5 раза больше железа и требует кокса на ј меньше чем обычная.

Производство стали.

В стали по сравнению с чугуном содержится меньше углерода, кремния,серы и фосфора. Для получения стали из чугуна необходимо снизитьконцентрацию веществ путем окислительной плавки.

В современной металлургической промышленности сталь выплавляют восновном в трех агрегатах: конвекторах, мартеновских и электрическихпечах.

31. В зависимости от концентрации углерода железоуглеродистые сплавы подразделяют на технически чистое железо, стали и чугуна.

1. К технически чистому железу относят сплавы, содержащие не более 0,02% С. Под микроскопом структура технически чистого железа (рис. 4.2, а) состоит из однородных зерен феррита и возможно с отдельными частицами третичного цементита по их границам.

2. К сталям относят сплавы, содержащие углерод в пределах от 0,02 до 2,14%. По своему положению на диаграмме они подразделяются на доэвтектоидные, заэвтектоидные, а при содержании углерода 0,8% сталь называют эвтектоидной.

Поскольку сравнительно малые изменения содержания углерода весьма ощутимо изменяют структуру, прочностные характеристики и технологичность стали, то по содержанию углерода различают:

а) низкоуглеродистые, содержащие углерода 0,25% и менее;

б) среднеуглеродистые, содержащие углерода 0,30-0,65%;

в) высокоуглеродистые, содержащие углерода 0,7% и более.

3. К чугунам относят сплавы, содержащие более 2,14% С. Они могут быть доэвтектическими и заэвтектическими, а разделяет их эвтектический чугун (4,31% С). Структура доэвтектического чугуна – перлит, вторичный цементит и ледебурит, заэвтектического – первичный цементит с ледебуритом. Чугуны с такой структурой называют белыми. Они тверды, хрупки и очень трудно обрабатываются резанием. Поэтому производятся для последующей переделки.

32. К цветным металлам и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.

Выражение «цветной металл» объясняется цветом некоторых тяжёлых металлов: так, например, медь имеет красный цвет.

Если металлы соответствующим образом смешать, то получаются сплавы. Сплавы обладают лучшими свойствами, чем металлы, из которых они состоят. Сплавы, в свою очередь, подразделяются на сплавы тяжёлых металлов, сплавы лёгких металлов и т.д.

Цветные металлы по ряду признаков разделяют на следующие группы:

- тяжёлые металлы — медь, никель, цинк, свинец, олово;

- лёгкие металлы — алюминий, магний, титан, бериллий, кальций,стронций, барий, литий, натрий, калий, рубидий, цезий;

- благородные металлы — золото, серебро, платина, осмий, рутений,родий, палладий;

- малые металлы — кобальт, кадмий, сурьма, висмут, ртуть, мышьяк;

- тугоплавкие металлы — вольфрам, молибден, ванадий, тантал, ниобий,хром, марганец, цирконий;

- редкоземельные металлы — лантан, церий, празеодим, неодим, самарий, европий, гадолиний, тербий, иттербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий, лютеций, прометий, скандий, иттрий;

- рассеянные металлы — индий, германий, таллий, таллий, рений, гафний, селен, теллур;

- радиоактивные металлы — уран, торий, протактиний, радий, актиний, нептуний, плутоний, америций, калифорний, эйнштейний, фермий, менделевий, нобелий, лоуренсий.

Чаще всего цветные металлы применяют в технике и промышленности в виде различных сплавов, что позволяет изменять их физические, механические   и химические свойства в очень широких пределах. Кроме того, свойства цветных металлов изменяют путём термической обработки, нагартовки, эа счёт искусственного и естественного старения и т. д.

Цветные металлы подвергают всем видам механической обработки и обработки давлением — ковке, штамповке, прокатке, прессованию, а также резанию, сварке, пайке.

Из цветных металлов изготовляют литые детали, а также различные полуфабрикаты в виде проволоки, профильного металла, круглых, квадратных и шестигранных прутков, полосы, ленты, листов и фольги. Значительную часть цветных металлов используют в виде порошков для изготовления изделий методом порошковой металлургии, а также для изготовления различных красок и в качестве антикоррозионных покрытий.