Системы Mg-Pb

Рис. 3.19. Диаграмма состояния

Системы Cu-Zn

Диаграммы состояния трехкомпонентных сплавов (в отличие от двойных - плоских) являются объемными. Они имеют вид трехгранных призм, верти­кальные ребра которых обозначают температуру, а в основании находится равносторонний треугольник, на котором обозначается количественное соотношение между тремя компонентами.

Необходимо отметить, что анализ диаграмм состояния дает важную информацию, позволяющую специалистам прогнозировать физико-химические и технологические свойства сплавов и выбирать для той или иной технологии обработки наиболее подходящий сплав.

Так, для литейного производства весьма благоприятны эвтектические сплавы; лучше всего поддаются пластической обработке сплавы, образующие однородные твердые растворы.

6. Свойства и деформация металлов и сплавов

1. Физико-химические и физико-механические свойства металлов и сплавов

Все основные физико-химические свойства металлов определяются их атомно-кристаллическим строением - местом металла в периодической системе элементов. Металлы одной группы обладают сходством в электронном строении - у них на внешних орбитах одинаковое число электронов. В полном соот­ветствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства. К таким периодически повторяющимся свойствам металлов относятся твердость, температура плавления (рис. 3.20), коэффициент теплового расширения, атомный объем и др. Некоторые физические свойства основной группы металлов приведены в табл. 3.5.

Плотность металлов закономерно увеличивается от левых верхних к нижним правым местам в таблице элементов 3.1- от Li; Be; Na; Mg к Os; Jr; Pt. В обратном порядке изменяется удельная теплоемкость металлов.

Наилучшей теплопроводностью обладает серебро. Если ее принять за 1, то теплопроводность меди будет 0,9; алюминия 0,3; железа 0,16; ртути 0,02.

Металлы сильно различаются по температурам плавления. Самым легкоплавким металлом является ртуть, затвердевающая при -38,9°С; цезий плавится при 28,5°С. Из широко применяемых металлов наиболее легко­плавкими являются олово (232°С), свинец (327°С); далее идет алюминий (660°С). Самые тугоплавкие металлы - это вольфрам, рений, осмий (3400; 3180 и 3030°С соответственно).

Легколетучими металлами с температурами кипения менее 1000°С являются Na; К; Cd; Zn; Rb; Sr; Cs; Hg.

Рис. 3.20. Температуры плавления металлов; п - порядковый номер элемента

В таблице Менделеева

Таблица 3.5

Физические и механические свойства важнейших металлов

Таблица составлена по данным справочников:

- по физическим константам – Смайлз К. Дж. Металлы. М: Металлургия, 1980. С. 447;

- по механическим свойствам – Тихонов Л.В., Кононенко В.А. и др. Механические свойства металлов и сплавов, Киев: Наукова думка, 1986. С. 568.

Все металлы обладают достаточно высокой электропроводностью, на много порядков превышающей электропроводность полупроводников (германия, кремния). Высокая электропроводность, так же как и высокая теплопроводность, объясняется большой свободой перемещения в металлах «электронного газа». По мере уменьшения электропроводности металлы располагаются в том же порядке, что и по теплопроводности: Ag →Cu →А1 →Be.

Считают, что именно электрические свойства позволяют точно отличить металл от неметалла: у металлов электрическое сопротивление растет с температурой.

У двадцати трех металлов (Al; Zn; Sn; Pb и др.) наблюдается явление сверх­проводимости: будучи охлажденными до температур, близких к абсолютному нулю, они перестают оказывать какое-либо сопротивление электрическому току. Для ртути это происходит при 2,4 К; для олова - 3,7 К; для свинца - 7,2 К.

В отношении магнитных свойств наибольший интерес представляют не чистые металлы, а их сплавы с другими элементами.

Металлам присущи многие общие химические свойства, обусловленные слабой связью валентных электронов с ядром атома: образование положительно заряженных ионов, проявление положительной валентности, образование основных оксидов и гидроксидов, замещение водорода в кислотах и др.

Очевидно, что с увеличением порядкового номера элемента в пределах каж­дого периода, т. е. с увеличением количества электронов на последней орбите, когда атом проявляет все большее стремление не отдавать свои, а присоединять «чужие» электроны, уменьшаются его «металлические» свойства - элемент становится неметаллом. По мере приближения к концу ряда - от щелочных и щелочноземельных металлов к платине и золоту - электроположительный характер членов ряда возрастает. Металлы от лития до натрия вытесняют водород из воды на холоде, а от магния по таллий - при нагревании. Все металлы, стоящие в ряду электрохимических потенциалов (табл. 3.6) выше водорода, вы­тесняют его из разбавленных кислот; стоящие ниже водорода растворяются только в кислородных кислотах (концентрированной H₂SО₄ при нагревании или HNО₃), платина, золото - только в «царской водке», иридий нерастворим и в ней.

Таблица 3.6

Ряд стандартных электродных потенциалов при Т = 298 К

Металлы от лития по натрий легко реагируют с кислородом на холоде; последующие члены ряда соединяются с кислородом только при нагревании, а иридий, платина, золото в прямое взаимодействие с кислородом не вступают.

Оксиды металлов от лития по алюминий, титан, цирконий трудно вос­становимы. По мере продвижения к концу ряда восстановимость оксидов улучшается, а оксиды последних его членов - серебра, ртути - разлагаются на металл и кислород при небольшом нагревании.

Металлы, имеющие переменную валентность, образуют оксиды неодина­кового характера: низшие оксиды обладают основными свойствами, высшие с валентностью Fe³⁺; Мп⁷⁺; Сг⁶⁺ являются ангидридами кислот.

Как показывает анализ табл. 3.5, различные металлы обладают разно­образными механическими свойствами. Однако в наиболее полной мере удовлетворяют требованиям конструкторов различные металлические сплавы, свойства которых можно дополнительно улучшать в результате термообработки.

При выборе материала для изготовления требуемой детали или конструкции учитывают также технологические свойства металлов и сплавов: ковкость, сва­риваемость, обрабатываемость (в том числе - резанием), коррозионную стой­кость, износоустойчивость и др. Эти свойства позволяют судить о поведении металла в ходе его обработки и эксплуатации.

Эффективным средством улучшения свойств металлов является леги­рование - введение в них (в расплавленном состоянии) нескольких процентов других элементов. Легирование стали Мn повышает ее износоустойчивость; легирование Сг и Ni улучшает антикоррозионные свойства; легирование V значительно повышает прочность и вязкость (высококачественная инстру­ментальная сталь, легированная 2% V, сохраняет свои режущие свойства при достаточно высоких температурах); железнодорожные рельсы, изготовленные из стали, легированной Ti, имеют стойкость в 3-5 раз выше обычных. При легировании алюминия 3-5% Сu прочность повышается в 5-8 раз. Широко используются в качестве легирующих элементов W; Mo; Zr; Со; А1.