Глава 2.Легкие сплавы

2.1 Краткие сведения о производстве металлов и сплавов

Исходным материалом для получения металлов их сплавов является руда. В самородном виде в природе встречаются только химически стойкие металлы (золото, платина, серебро, медь). Остальные металлы в результат высокой химической активности встречаются в виде соединений (оксидов, сульфидов, карбидов и др.) которые входят в состав сложных минералов. Эти минералы образуют горные породы. Горные породы, из которых получают тот или иной металл, называют рудами. Название руды соответствует названию основного металла в ней (алюминиевая, железная, никелевая и т.д.).

Руды в зависимости от содержания основного металла бывают богатые и бедные. Богатые руды передают на переработку, а бедные подвергают обогащению, т. е. разделению рудных минералов и пустой породы путем флотации, магнитным, гравитационным, электрическим и иными способами. Обогащенная часть - концентрат идет в производство, а отходы не используются.

Производство черных и цветных металлов из руд состоит двух этапов: 1) отделение минерала, содержащего металл, от породы; 2) извлечение металла из рудных минералов.

Процессы извлечения металлов из рудных минералов раздeляютcя на термометаллургические, гидрометаллургические, электрометаллургические, химико-металлургические.

Термометаллургический процесс основан на использовании тепловой энергии, получаемой при сжигании топлива и необходимой для протекания химической реакции в жидком расплаве. Используются восстановительная (доменный процесс) и окислительная (производство стали) плавки. Дистилляция (перегонка) используется при производстве цветных металлов: цинка, магния, ртути и др.

Гидрометаллургический процесс базируется на выделении шов из водных растворов. Он состоит из осаждения и выщелачивания. Осаждение - это процесс перевода металла из растворов в водорастворимые соединения. Широко используется в производстве алюминия, вольфрама и других металлов. Выщелачивание - это процесс избирательного растворения металлосодержащего компонента обрабатываемого материала. Используется при производстве цинка и меди.

Химико-металлургический процесс основан на использовании химических и металлургических процессов. Этот процесс используют для производства титана и никеля.

Металлургические процессы классифицируют на первичные и вторичные. К первичным процессам относят выплавку металлов из руд, а ко вторичным - процесс позволяющие получать чистый металл путем окисления примесей, которые находятся в передельных первичных плавках металла и удаления этих примесей в виде отходов (шлаков).

2.2 Строение металлических кристаллов

Металлы в твердом состоянии являются кристаллами. Кристаллом называется твердое тело, имеющее особое внутреннее строение, характеризующееся правильным (упорядоченным и симметричным) расположением материальных частиц (атомов, ионов) в пространстве. В природе и технике существуют отдельные целостные кристаллы (монокристаллы), а также поликристаллы, представляют собой агрегаты хаотично ориентированных, но прочно соединенных между собой кристалликов (зерен) разного размера и неправильной формы.

Каждый металл имеет свою кристаллическую структуру. Под структурой понимают конкретное расположение материальных частиц в пространстве. Такие структуры изучают специальными методами, в частности, рентгеновским анализом. Структуру кристаллов можно представить графически как бесконечную пространственную решетку из периодически повторяющихся частиц или построенную из элементарных параллелепипедов, которые называются элементарные ячейками. Кристаллическая решетка является математической абстракцией в виде геометрических построений, помогающей изучить строение вещества, а кристаллическая структура вещества - это физическая реальность. Элементарные ячейки касаются друг друга целыми гранями и заполняют пространства без промежутков.

Элементарная ячейка сохраняет в себе все свойства кристаллической решетки в целом. Большинство металлов кристаллизуется (затвердевает), образуя объёмоцентрированную кубическую решетку (ОЦК), гранецентрированную кубическую решетку (ГЦК) и гексагональную плотноупакованную решетку (ГП), элементарные ячейки которых приведены на рис. 2.1

Рис. 2.1 Элементарные ячейки кристаллических решеток: а, г -ГП; б, д - ГЦК; в, е - ОЦК

Кристаллы характеризуются тремя критериальными свойствами: однородностью, анизотропностью и способностью самоограняться.

Однородность - свойство физического тела быть одинаковым во всем объеме.

Анизотропность (неравносвойственность) – особенность однородного тела, заключающаяся том, что свойства тела одинаковы в по параллельным направлениям и неодинаковы по непараллельным направлениям.

Способность самоограняться – свойство кристалла принимать правильную многогранную форму при определённых условиях роста.