Классификация металлов

Размещено на http://www.Allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ:

1. Общая характеристика металлов и сплавов

2. Классификация металлов

2.1 Черные металлы

2.2 Урановые металлы

2.3 Редкоземельные металлы

2.4 Щелочноземельные металлы

2.5 Цветные металлы

2.6 Легкоплавкие металлы

3. Атомно-кристаллическое строение металлов

Используемая литература

1. Общая характеристика металлов и сплавов

Металлы и их сплавы повсеместно используются для изготовления конструкций машин, оборудования, инструмента и т.д. Несмотря на широкий круг искусственно созданных материалов (керамики, клеев), металлы служат основным конструкционным материалом и в обозримом будущем по-прежнему будут доминировать.

В природе металлы встречаются как в чистом виде, так и в рудах, оксидах и солях. В чистом виде встречаются химически устойчивые элементы (Pt, Au, Ag, Cu). Масса наибольшего самородка меди составляет 420 т, серебра -- 13,5 т, золота -- 112 кг. Из 111 открытых элементов, представленных в Периодической системе элементов Д. И. Менделеева, 76 являются металлами, Si, Ge, As, Se, Te -- промежуточными между металлами и неметаллами, иногда их называют полуметаллами. Все элементы, расположенные левее мысленной линии, проведенной от бора до астата (от №5 до №85) относятся к металлам, а правее -- в основном, к неметаллам. Эта граница недостаточно четко выражена, так как среди элементов, расположенных вблизи границы, находятся и полуметаллы.

2. Классификация металлов

Каждый металл отличается строением и свойствами от другого, тем не менее, по некоторым признакам их можно объединить в группы.

Данная классификация разработана русским ученым Гуляевым А.П. и может не совпадать с общепринятой.

Все металлы можно разделить на две большие группы - черные и цветные металлы.

Черные металлы чаще всего имеют темно-серый цвет, большую плотность (кроме щелочно-земельных), высокую температуру плавления, относительно высокую твердость. Наиболее типичным металлом этой группы является железо.

Цветные металлы чаще всего имеют характерную окраску: красную, желтую и белую. Обладают большой пластичностью, малой твердостью, относительно низкой температурой плавления. Наиболее типичным элементом этой группы является медь.

2.1 Черные металлы

Черные металлы в свою очередь можно разделить следующим образом:

а) Железные металлы - Железные металлы состоят из железа, объединенного с углеродом, кремнием и другими элементами. Но углерод - самый важный элемент в железных сплавах. Железные металлы используются в промышленности в двух формах: сталь и чугун, которые отличаются по количеству углеродистого содержания. Сплавы состоят из простого металла, объединенного с некоторым другим элементом.

б) Тугоплавкие металлы - по технической классификации - металлы, плавящиеся при температуре выше 1650-1700°С; в число Т. м. входят Титан Ti, Цирконий Zr, Гафний Hf (IV группа периодической системы), Ванадий V, Ниобий Nb, Тантал Ta (V группа), Хром Cr, Молибден Mo, Вольфрам W (VI группа), Рений Re (VII группа). Все эти элементы (кроме Cr) относятся к редким металлам a Re - к рассеянным редким металлам. (Высокой температурой плавления характеризуются также металлы платиновой группы и торий, но они по технической классификации не относятся к тугоплавким)

Таблица 1

Тугоплавкие металлы

Огромное значение тугоплавких металлов, сплавов и соединений связано с их исключительно благоприятными свойствами и сочетаниями свойств, характерными для отдельных тугоплавких металлов. Важнейшая область применения большинства таких металлов - использование их в виде сплавов в качестве жаропрочных материалов, прежде всего в самолётостроении, ракетной и космической технике, атомной энергетике, высокотемпературной технике. Детали из сплавов при этом обычно предохраняют жаростойкими покрытиями.

Тугоплавкие металлы и их сплавы используются в качестве конструкционных материалов также в машиностроении, морском судостроении, электронной, электротехнической, химической, атомной промышленности и в др. отраслях техники.

2.2 Урановые металлы

Уран очень тяжелый, серебристо-белый глянцевитый металл. В чистом виде он немного мягче стали, ковкий, гибкий, обладает небольшими парамагнитными свойствами. Уран имеет три аллотропные формы: альфа (призматическая, стабильна до 667.7°C), бета (четырехугольная, стабильна от 667.7 до 774.8°C), гамма (с объемно центрированной кубической структурой, существующей от 774.8°C до точки плавления), в которых уран наиболее податлив и удобен для обработки. Альфа-фаза - очень примечательный тип призматической структуры, состоящей из волнистых слоев атомов в чрезвычайно асимметричной призматической решетке. Такая анизотропная структура затрудняет сплав урана с другими металлами. Только молибден и ниобий могут создавать с ураном твердофазные сплавы. Правда, металлический уран может вступать во взаимодействие со многими сплавами, образуя интерметаллические соединения.

Основные физические свойства урана:

температура плавления 1132.2°C (+/- 0.8);

температура кипения 3818°C;

плотность 18.95 (в альфа-фазе);

удельная теплоемкость 6.65 кал/моль/°C (25 C);

прочность на разрыв 450 МПа.

Химически уран очень активный металл. Быстро окисляясь на воздухе, он покрывается радужной пленкой оксида. Мелкий порошок урана самовоспламеняется на воздухе, он зажигается при температуре 150-175°C, образуя U3O8. При 1000°C уран соединяется с азотом, образуя желтый нитрид урана. Вода способна разъедать металл, медленно при низкой температуре, и быстро при высокой. Уран растворяется в соляной, азотной и других кислотах, образуя четырехвалентные соли, зато не взаимодействует с щелочами. Уран вытесняет водород из неорганических кислот и солевых растворов таких металлов как ртуть, серебро, медь, олово, платина и золото. При сильном встряхивании металлические частицы урана начинают светиться.

Уран имеет четыре степени окисления - III-VI. Шестивалентные соединения включают в себя триокись уранила UO3 и уранилхлорид урана UO2Cl2. Тетрахлорид урана UCl4 и диоксид урана UO2 - примеры четырехвалентного урана. Вещества, содержащие четырехвалентный уран обычно нестабильны и обращаются в шестивалентные при длительном пребывании на воздухе. Ураниловые соли, такие как уранилхлорид распадаются в присутствии яркого света или органики.

2.3 Редкоземельные металлы

Редкоземельные элементы проявляют между собой большое сходство химических и некоторых физических свойств. Редкоземельные элементы - металлы, их получают восстановлением соответствующих оксидов, фторидов, электролизом безводных солей и другими методами. Скандий, иттрий и лантаноиды имеют высокую реакционную способность. Химическая активность этих элементов особенно заметна при повышенных температурах. При нагревании до 300-400°C металлы реагируют даже с водородом, образуя RH₃ и RH₂ (символ R выражает атом редкоземельного элемента). Эти соединения достаточно прочные и имеют солевой характер. При нагревании в кислороде металлы легко реагируют с ним, образуя оксиды: R₂O₃, CeO₂, Pr₆O₁₁, Tb₄O₇ (лишь только Sc при помощи образования защитной оксидной плёнки являются стойкими на воздухе, даже при нагревании до 1000°C). Во время горения данных металлов в атмосфере кислорода выделяется большое количество тепла. При сгорании 1 г лантана выделяется 224,2 ккал тепла. Для церия характерной особенностью является свойство пирофорности - способность искриться при разрезании металла на воздухе. Лантан, церий и другие металлы уже при обычной температуре реагируют с водой и кислотами-неокислителями, выделяя водород. Из-за высокой активности к атмосферному кислороду и воде куски лантана, церия, иттрия и др. следует хранить в парафине. Редкоземельные элементы используют в различных отраслях техники: в радиоэлектронике, приборостроении, атомной технике, машиностроении, химической промышленности, в металлургии и др. Широко применяют La, Ce, Nd, Pr в стекольной промышленности в виде оксидов и других соединений. Эти элементы повышают светопрозрачность стекла. Редкоземельные элементы входят в состав стекол специального назначения, пропускающих инфракрасные лучи и поглощающих ультрафиолетовые лучи, кислотно- и жаростойких стекол. Большое значение получили редкоземельные элементы и их соединения в химической промышленности, например, в производстве пигментов, лаков и красок, в нефтяной промышленности как катализаторы. Редкоземельные элементы применяют в производстве некоторых взрывчатых веществ, специальных сталей и сплавов, как газопоглотители. Монокристаллические соединения редкоземельных элементов (а также стёкла) применяют для создания лазерных и других оптически активных и нелинейных элементов в оптоэлектронике.

2.4 Щелочноземельные металлы

Щелочноземельные металлы - химические элементы 2-й группы периодической таблицы элементов: бериллий, магний, кальций, стронций, барий и радий Названы так потому, что их оксиды - «земли» (по терминологии алхимиков) - сообщают воде щелочную реакцию. Соли щёлочноземельных металлов, кроме радия, широко распространены в природе в виде минералов Все щёлочноземельные металлы - серые, твёрдые при комнатной температуре вещества. В отличие от щелочных металлов, они существенно более твёрдые, и ножом преимущественно не режутся (исключение - стронций). Плотность щёлочноземельных металлов с порядковым номером растёт, хотя явно рост наблюдается только начиная с кальция, который имеет минимальную среди них плотность (с = 1,55 г/смі), самый тяжёлый - радий, плотность которого примерно равна плотности железа. Все щёлочноземельные металлы имеются (в разных количествах) в природе.

Единственным элементом главной подгруппы II группы, применяемым в сравнительно больших количествах в металлическом состоянии, является магний. Вследствие интенсивного выделения света при горении ни часто пользуются в пиротехнике, а также в фотографии.

2.5 Цветные металлы

Цветные металлы разделяются на:

а) Легкие металлы - металлы, обладающие малой плотностью ,широко распространены в природе (более 20% по массе). Вследствие высокой химической активности они встречаются только в виде весьма прочных соединений. Начало развития металлургии Л. м. относится к середине 19 в. Основные способы получения - электролиз расплавленных солей, металлотермия и электротермия. Легкие металлы применяются главным образом для производства лёгких сплавов, это алюминий, магний, титан, бериллий, литий.

б) Благородные металлы - Ag(серебро), Pt(платина), Au(золото), Pd(палладий), Os(осмий), Ir(иридий), и др. Сu - полублагородный металл. Обладают высокой устойчивостью против коррозии Ag, Pt и их сплавы. Эти металлы пластичны. Имеют высокую стоимость.

Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au - Ag - Cu. Применение металлов началось с меди, серебра и золота. Так как они встречаются в природе в чистом (самородном) виде. Применяют в ювелирном и зубоврачебном деле. Чистое золото из-за его мягкости не применяют. Для повышения твердости золото легируют (добавляют другие элементы). Обычно используются тройные сплавы: Au - Ag - Cu.

Наиболее распространенными являются сплавы 375, 583, 750 и 916-й проб - это значит, что в этих сплавах на 1000 г. сплава приходится 375, 583, 750 и 916 г. золота, а остальное - медь, серебро, соотношение которых может быть различным.

Сплавы 916-й пробы наиболее мягкие, но и наиболее коррозионностойкие. С уменьшением индекса пробы коррозионная стойкость уменьшается.

Наибольшей твердостью (следовательно износостойкостью) обладают сплавы 583-й пробы, при соотношении Cu и Ag около 1:1.Сплавы указанных проб имеют цвет золота.

2.6 Легкоплавкие металлы

Легкоплавкие металлы имеют температуру плавления Т_пл ниже 500°С. Наиболее широкое применение среди легкоплавких металлов получили цинк Zn (Т_пл419^оС), свинец Pb (Т_пл 327^оС), кадмий Cd (Т_пл 321^оС), таллий Tl (Т_пл 303^оС), висмут Bi (Т_пл 271^оС), олово Sn (Т_пл 232^оС), индий In (Т_пл 157^оС), галлий Ga (Т_пл 30^оС), ртуть Hg (Т_пл - 39^оС) и другие.

Эти металлы широко применяются в элекро- и радиотехнике. Их используют в качестве антикоррозионных покрытий, в составе антифрикционных сплавов, в качестве проводниковых материалов.

Свинец применяют для изготовления подшипниковых сплавов, в плавких предохранителях, мягких припоях, свинцовых аккумуляторах и в кабельных оболочках. Так как свинец хорошо поглощает g-лучи, его используют для защиты от радиоактивного излучения.

Олово применяют в качестве защитного покрытия стали (лужение), оно входит в состав мягких припоев.

Цинк применяют в качестве антикоррозионного покрытия стальных изделий, входит в состав латуней. На поверхности стального изделия цинк является эффективным анодным покрытием, так как обладает значительным отрицательным электродным потенциалом.

Галлий и легкоплавкие сплавы на его основе хорошо смачивают твердые материалы, поэтому их применяют вместо ртути для создания жидких затворов в вакуумной аппаратуре. Галлиевые затворы надежнее сохраняют вакуум, чем ртутные.

Кадмий используется в производстве фотоэлементов, щелочных аккумуляторов, в качестве защитного антикоррозионного электролитического покрытия. Ртуть применяется в газоразрядных лампах, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях.

Олово применяют в качестве защитного покрытия стали (лужение), оно входит в состав мягких припоев.

Цинк применяют в качестве антикоррозионного покрытия стальных изделий, входит в состав латуней. На поверхности стального изделия цинк является эффективным анодным покрытием, так как обладает значительным отрицательным электродным потенциалом.

Галлий и легкоплавкие сплавы на его основе хорошо смачивают твердые материалы, поэтому их применяют вместо ртути для создания жидких затворов в вакуумной аппаратуре. Галлиевые затворы надежнее сохраняют вакуум, чем ртутные.

Кадмий используется в производстве фотоэлементов, щелочных аккумуляторов, в качестве защитного антикоррозионного электролитического покрытия. Ртуть применяется в газоразрядных лампах, для ртутных контактов в реле, в качестве жидкого катода в ртутных выпрямителях.

физический химический металл сплав

3. Атомно-кристаллическое строение металлов

Общее свойство металлов и сплавов -- их кристаллическое строение, характеризующееся определенным закономерным расположением атомов в пространстве. Для описания атомно-кристаллической структуры используют понятие кристаллической решетки, являющейся воображаемой пространственной сеткой с ионами (атомами) в узлах.

Атомно-кристаллическая структура может быть представлена не рядом периодически повторяющихся объемов, а одной элементарной ячейкой. Так называется ячейка, повторяющаяся во всех трех измерениях. Трансляцией этого наименьшего объема можно полностью воспроизвести структуру кристалла (рис. 1.1).

Рис. 1.1 Кристаллическая решетка

В кристалле элементарные частицы (атомы, ионы) сближены до соприкосновения. Для упрощения пространственное изображение принято заменять схемами, где центры тяжести частиц представлены точками. В точках пересечения прямых линий располагаются атомы; они называются узлами решетки. Расстояния a, b и c между центрами атомов, находящихся в соседних узлах решетки, называют параметрами, или периодами решетки. Величина их в металлах порядка 0,1-0,7 нм, размеры элементарных ячеек -- 0,2-0,3 нм.

Для однозначного описания элементарной ячейки кристаллической решетки необходимо знание величин параметров a, b, c и углов между ними.

В 1848 г. французский ученый Бравэ показал, что изученные трансляционные структуры и элементы симметрии позволяют выделить 14 типов кристаллических решеток.

На рис. 1.2 показаны три типа элементарных ячеек кристаллических решеток, наиболее характерные для металлов: объёмно-центрированная кубическая (ОЦК); гранецентрированная кубическая (ГЦК) и гексагональная плотноупакованная (ГП), а также схемы упаковки в них атомов.

Рис. 1.2 Типы элементарных ячеек кристаллических решеток металлов и схемы упаковки в них атомов:

а) гранецентрированная кубическая (ГЦК);

б) объёмно-центрированная кубическая (ОЦК);

в) гексагональная плотноупакованная (ГП) решетка

В кубической гранецентрированной решетке (ГЦК; А1) атомы расположены в вершинах куба и в центре каждой грани (рис. 1.2, б).

В кубической объемно-центрированной решетке (ОЦК; А2) атомы расположены в вершинах куба, а один атом -- в центре его объема (рис. 1.2, а).

В гексагональной плотноупакованной решетке (ГП; А3) атомы расположены в вершинах и центре шестигранных оснований призмы, а три атома -- в средней плоскости призмы (рис. 1.2, в).

Для характеристики кристаллических решеток вводят понятия координационного числа и коэффициента компактности. Координационным числом называется число атомов, находящихся на наиболее близком и равном расстоянии от данного атома. Для ОЦК решетки координационное число равно 8, для решеток ГЦК и ГП оно составляет 12. Из этого следует, что решетка ОЦК менее компактна, чем решетки ГЦК и ГП. В решетке ОЦК каждый атом имеет всего 8 ближайших соседей, а в решетках ГЦК и ГП их 12.

Если принять, что атомы в решетке представляют собой упругие соприкасающиеся шары, то нетрудно видеть, что в решетке, помимо атомов, имеется значительное свободное пространство. Плотность кристаллической решетки, т. е. объем, занятый атомами, характеризуется коэффициентом компактности.

Коэффициент компактности Q равен отношению суммарного объема атомов, входящих в решетку, к объему решетки:

где R -- радиус атома (иона);

n -- базис, или число атомов, приходящихся на одну элементарную ячейку;

V -- объем элементарной ячейки.

Для простой кубической решетки

n = (1/8) ? 8 = 1;

V = a3 = (2R)3,

коэффициент компактности Q = 52%.

Схема определения базиса ОЦК решетки приведена на рис. 1.3. На решетку ОЦК приходится два атома: один центральный и один как сумма от вершин куба, так как ячейке принадлежит 1/8 атома от каждого угла.

Для ОЦК решетки

n = (1/8) ? 8 + 1 = 2

Учитывая, что атомы соприкасаются по диагонали куба, длина которой равна 4 атомным радиусам, параметр решетки, а коэффициент компактности

QОЦК = 68%.

Проведя аналогичные вычисления, найдем

QГЦК = 74%, QГП = 74%.

Таким образом, решетки ГЦК и ГП более компактны, чем ОЦК.

Некоторые металлы при разных температурах могут иметь различную кристаллическую решетку. Способность металла существовать в различных кристаллических формах носит название полиморфизма или аллотропии. Принято обозначать полиморфную модификацию, устойчивую при более низкой температуре, индексом б (б-Fe), при более высокой индексом в, затем г и т.д.

Известны полиморфные превращения железа:

Fea «Feg (a-Fe «g-Fe), титана Tia «Tig (a-Ti «g-Ti) и других элементов.

Рис. 1.3. Схема определения базиса ОЦК решетки

Температура превращения одной кристаллической модификации в другую называется температурой полиморфного превращения.

При полиморфном превращении меняются форма и тип кристаллической решетки. Это явление называется перекристаллизацией. Так, при температуре ниже 911°С устойчиво Fea, в интервале 911-1392°С устойчиво Feg. При нагреве выше 911°С атомы решетки ОЦК перестраиваются, образуя решетку ГЦК. На явлении полиморфизма основана термическая обработка.

При переходе из одной полиморфной формы в другую меняются свойства, в частности плотность и соответственно объем вещества. Например, плотность Feg на 3% больше плотности Fea, а удельный объем соответственно меньше. Эти изменения объема необходимо учитывать при термообработке.

Полиморфизм олова явился одной из причин гибели полярной экспедиции английского исследователя Р. Скотта. Оловом были запаяны канистры с керосином. При низкой температуре произошло полиморфное превращение пластичного белого олова с образованием хрупкого порошка серого олова. Горючее вылилось и испарилось, и на обратном пути экспедиция осталась без топлива. Превращение белого олова в серое называют «оловянной чумой».

Свойства материалов зависят от природы атомов, из которых они состоят, и силы взаимодействия между ними. Аморфные материалы характеризуются хаотическим расположением атомов. Поэтому свойства их в различных направлениях одинаковы, или, другими словами, аморфные материалы изотропны. В кристаллических материалах расстояния между атомами в разных кристаллографических направлениях различны. Например, в ОЦК решетке в кристаллографической плоскости, проходящей через грань куба, находится всего один атом, так как четыре атома в вершинах одновременно принадлежат четырем соседним элементарным ячейкам: (1/4) 4 = 1 атом. В то же время в плоскости, проходящей через диагональ куба, будут находиться два атома: 1 + (1/4) 4 = 2.

Из-за неодинаковой плотности атомов в различных направлениях кристалла наблюдаются разные свойства. Различие свойств в кристалле в зависимости от направления испытания называется анизотропией.

Разница в физико-химических и механических свойствах в разных направлениях может быть весьма существенной. При измерении в двух взаимно перпендикулярных направлениях кристалла цинка значения температурного коэффициента линейного расширения различаются в 3-4 раза, а прочности кристалла железа -- более чем в два раза.

Анизотропия свойств характерна для одиночных кристаллов или для так называемых монокристаллов. Большинство же технических литых металлов, затвердевших в обычных условиях, имеют поликристаллическое строение. Они состоят из большого числа кристаллов или зерен (рис. 1.4, а). При этом каждое отдельное зерно анизотропно. Различная ориентировка отдельных зерен приводит к тому, что в целом свойства поликристаллического металла являются усредненными.

Поликристаллическое тело характеризуется квазиизотропностью -- кажущейся независимостью свойств от направления испытания. Квазиизотропность сохраняется в литом состоянии, а при обработке давлением (прокатке, ковке), особенно, если она ведется без нагрева, большинство зерен металла приобретает примерно одинаковую ориентировку -- так называемую текстуру (pиc. 1.4, б), после чего металл становится анизотропным.

Свойства деформированного металла вдоль и поперек направления главной деформации могут существенно различаться. Анизотропия может приводить к дефектам металла (расслою, волнистости листа). Анизотропию необходимо учитывать при конструировании и разработке технологии получения деталей.

Рис. 1.4. Ориентировка кристаллических решеток: а) в зернах литого металла; б) после обработки давлением

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - УДК669.0(075.8)

2. Солнцев Ю.П., Пряхин Е.И., Войткун Ф. Материаловедение: Учебник для вузов. - М.: МИСИС, 1999. - 600 с. - УДК 669.017

3. Тугоплавкие материалы в машиностроении. Справочник, М., 1967;

4. Основы металлургии, т. 4, М., 1967; Савицкий Е.М., Бурханов Г.С.

5. Металловедение сплавов тугоплавких и редких металлов, 2 изд., М., 1971; Крупин А.В., Соловьев В.Я.,

6. Пластическая деформация тугоплавких металлов, М., 1971; 3еликман А.Н., Меерсон Г.А.,

7. Металлургия редких металлов, М., 1973; Савицкий Е.М., Клячко В.С.,

8. Химия и технология редких и рассеянных элементов, т. 1-2, М 1972;

9. Справочник «Металлы и сплавы», издательство «Мир и Семья» 2003, Солнцев Ю.П.

Размещено на Allbest.ru