Признаки различия металлов и неметаллов.

Металлы в отличие от неметаллов имеют следующие характерные признаки:

1. Внешний блеск
2. Хорошую проводимость тепла и электрического тока
3. Достаточно высокую прочность
4. Хорошо куются и свариваются
5. Кристаллическое строение тела
6. Определенную температуру плавления и кристаллизации

Неметаллы (металлоиды) не имеют внешнего блеска, плохо проводят тепло и электрический ток, имеют сравнительно низкую прочность, не куются и не поддаются сварке. Они также не имеют кристаллического строения тел и определенной температуры плавления и кристаллизации.

Классификация металлов и сплавов.

Металлы и сплавы по ГОСТ 5200—50 классифицируют по:

1. Числу компонентов
2. Содержанию легирующих компонентов
3. Степени чистоты
4. Характеру компонентов

По числу компонентов металлы разделяют на простые металлы и металлические сплавы. Простым металлом называют металл, не содержащий в себе легирующих компонентов. Металлическим сплавом называют кристаллическое вещество, в составе которого имеется несколько металлов и металлоидов. Сплавы бывают двух-, трех- и более компонентными.

Компонентом называют химический элемент, входящий в состав металла или сплава. Компоненты подразделяют на основные и легирующие.

Основным называют такой компонент, который преобладает в металле или сплаве. Легирующим компонентом называют компонент, вводимый в состав сплава для получения необходимых требуемых технических свойств.

По содержанию легирующих компонентов сплавы делят на низколегированные, среднелегированные и высоколегированные. Низколегированным называют сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов менее 2,5%, среднелегированным — содержащий в своем составе легирующих компонентов 2,5— 10%. Сплав, содержащий в своем составе легирующих компонентов более 10%, называют высоколегированным.

По степени чистоты металлы и сплавы делят на пониженную, среднюю, повышенную, высокую и особую чистоту. Металлы и сплавы пониженной чистоты имеют степень чистоты 95—99%, средней чистоты — 99—99,9%, повышенной чистоты — 99,9—99,99%, высокой чистоты— 99,99—99,999%, а особой чистоты — 99,999—99,9999 %.

Области применения металлов и сплавов.

В зависимости от климатических условий, параметров работы той или иной конструкции (характера и величины нагрузки, давления, среды, рабочей температуры) применяют черные или цветные металлы. Углеродистые стали применяют для изготовления листовых и решетчатых конструкций, котлов, трубопроводов и корпусов различного рода машин.

Легированные стали применяют для изготовления ответственных конструкций, емкостей и трубопроводов, транспортирующих агрессивные и токсичные продукты. Чугун в основном применяют для изготовления больших тяжеловесных станин и трубопроводов (канализация, водопровод и т.д.); цветные металлы, например -сплавы алюминия и магния, — в тех отраслях промышленности, где наряду с высокой прочностью к конструкциям предъявляют требования высокой коррозионной стойкости и небольшого удельного веса.

Никель, медь, свинец и их сплавы применяют при сооружении металлургических, нефтеперерабатывающих и химических заводов.

Строение и кристаллизация металлов и сплавов.

Все вещества состоят из молекул, а молекулы из атомов. Атомы в свою очередь состоят из ядра и электронов, вращающихся вокруг него. Самым простым является атом водорода, состоящий из ядра и одного электрона. Атом железа состоит из ядра и 26 электронов.

Соединения атомов образуют различные вещества. Вещества по количеству находящихся в них химических элементов бывают простыми и сложными.

Простые вещества состоят из атомов одного химического элемента, а сложные — из нескольких химических элементов. К простым веществам относятся: чистое железо, чистая медь, чистый никель и т.д. К сложным веществам относятся сплавы (сталь, чугун, бронза, латунь и т.д.). Некоторые простые вещества имеют различное расположение атомов и в связи с этим различные свойства. Например: алмаз —очень твердое вещество, а графит— мягкое, однако и то и другое состоит из углерода.

Явление существования химического элемента в виде различных простых веществ называют аллотропией.

По внутреннему строению все твердые тела делят на две группы: аморфные и кристаллические.

Аморфные —это такие тела, в которых атомы расположены беспорядочно (рис. 1 ,а). К ним относятся стекло, воск, смола, пластмасса и т.д. Аморфные тела имеют следующие особенности:

1. при нагревании постепенно размягчаются и переходят в жидкое состояние, а при охлаждении постепенно затвердевают, т. е. они не имеют определенной точки плавления и кристаллизации
2. свойства аморфных тел одинаковы, независимо от того, в каком направлении они подвергаются нагрузке.

Кристаллические — это такие тела, атомы в которых расположены в правильном геометрическое порядке (рис. 1,6). Металлы, как правило, являются кристаллическими телами. При правильном геометрическом расположении атомов в кристаллическом теле можно выделить правильную объемную фигуру, называемую кристаллической решеткой. Примеры кристаллических решеток металлов показаны на рис. 2. На рис. 2,а показано расположение атомов в объемно-центрированном кубе, состоящем из 9 атомов, из которых 8 расположены в вершинах куба и 1 в центре на равном расстоянии от шести его граней.

Решетка, называемая кубом с центрированными гранями (рис. 2,6), состоит из 14 атомов, из которых 8 находятся в вершинах куба, а 6 расположены в центрах граней. Гексагональная решетка (рис. 2,б) состоит из 17 атомов, 12 из которых расположены в вершинах узлов верхнего и нижнего оснований шестигранной призмы, 2 — в центрах верхнего и нижнего оснований и 3—внутри призмы. Кристаллическая решетка объемно-центрированного куба характерна для железа (при температуре ниже 910°С), хрома, молибдена, вольфрама и других металлов; гранецентрированного куба— для железа (при темлературе выше 910°С), алюминия, меди и свинца. Гексагональную решетку имеют цинк, магний, титан и другие металлы.

Атомы элементов имеют весьма малые размеры. Для измерения размеров и расстояний между их центрами принята единица измерения ангстрем — Å. Один Å равен 0,00000001 см. Размеры атомов различных элементов находятся в пределах 1—5 Å, т. е. в 1 см размещаются десятки миллионов кристаллических решеток.

Тела, имеющие кристаллическое строение, обладают следующими характерными свойствами:

1. они могут приобретать правильную внешнюю форму, соответствующую той или иной геометрической фигуре, которая получается благодаря определенному взаимному расположению атомов
2. при разрушении тела кристаллического строения разделяются на части по определенным плоскостям, называемым плоскостями спайности или скольжения
3. процесс перехода из твердого состояния в жидкое и обратно происходит при определенной температуре — точке плавления или затвердевания. Переход жидкого тела (металла) в твердое с образованием кристаллов называют кристаллизацией.

В процессе кристаллизации кристаллы часто принимают форму, напоминающую ветви дерева, откуда и возникло их название «дендриты» (греческое слово «дендрос» — дерево), рис. 3. При достаточном количестве частиц расплавленного металла промежутки между ветвями дендрита оказываются заполненными— в этом случае образуется зерно. Установлено, что на величину зерен оказывает значительное влияние число центров кристаллизации, а также скорость, с которой растут кристаллы вокруг образовавшихся центров. С увеличением количества центров кристаллизации увеличивается число зерен, а их размер уменьшается. Кристаллизация металла может быть первичной и вторичной.

Процесс перехода жидкого металла в твердое—кристаллическое состояние называют первичной кристаллизацией. Изменение в твердом состоянии внутреннего строения (структуры) металла после первичной кристаллизации называют вторичной кристаллизацией.

Для того чтобы увидеть зерна, их расположение и величину, из металла делают шлифы, которые подвергают травлению, т. е. смачивают их реактивом — жидкостью особого состава. Различные металлы травят разными реактивами. Внутреннее строение металла (шлифа), определенное простым глазом без увеличения или с небольшим увеличением с применением лупы, называют макроструктурой. Внутреннее строение металла, определенное при помощи микроскопа, называют микроструктурой.