Сварка - Банников Евгений - Страница 18

Позже Мейер (1897) в своем энциклопедическом словаре дал уже расширенное определение металлам: «элементы, которые являются хорошими проводниками тепла и электричества, обладают характерным сильным блеском, непрозрачны (в не слишком тонком слое) и образуют с кислородом соединения преимущественно основного типа».

С развитием науки происходили открытия все новых элементов. Открытые элементы необходимо было классифицировать какими-то другими определениями.

К чему причислять новые элементы?

Выход из тупика нашел знаменитый русский ученый Д. И. Менделеев (1834–1907). Его таблица и периодическая система элементов получили всемирное признание. Одновременно с Д. И. Менделеевым и независимо от него подобную систему разработал немецкий химик Лотар Мейер (1830–1895). Права на открытия принадлежат обоим ученым. Однако Менделеев предсказал по своей таблице свойства еще не открытых элементов и определил их свойства теоретически. Это были элементы галлий и германий. В то время было известно 63 элемента, из них около 50 – металлы.

Дальнейшие исследования свойств металлов с помощью оптического микроскопа (увеличение до 1500 раз), а затем при помощи электронного микроскопа (увеличение 20–100 000 крат) позволили заглянуть внутрь металла.

Русский ученый П. П. Аносов в 1831 году впервые в мировой практике применил оптический микроскоп для исследования микроструктуры металлов, став основоположником изучения металлов методом микро– и макроанализа. Кроме того, он первым в мировой практике обратил внимание, что свойства стали зависят не только от ее химического состава, но и от структуры.

Исследование при помощи оптики показало строение металлов как кристаллических веществ. Электронная металлография позволила наблюдать дефекты в кристаллах в виде различных дислокаций-смещений, перестановок.

Итак, что нам сегодня известно о металлах?

Металлы обладают различными свойствами. Общими свойствами металлов является характер зависимости электропроводности от температуры. Свойства металлов объясняются их строением: распределением и характером движения электронов в атомах; расположением атомов, ионов и молекул в пространстве; размерами, формой и характером кристаллических образований.

Электронное строение металлов определяется периодической системой Д. И. Менделеева. В полном соответствии со сходством в электронном строении элементы одной группы имеют и сходные свойства.

К таким периодически изменяющимся свойствам металлов относятся: твердость, абсолютная температура плавления, средний коэффициент теплового расширения, атомный объем и др.

В природе металлы, за исключением золота, серебра, платины и меди, существуют в составе химических соединений – окислов, сульфатов и прочих, образующих руды. Из руды различными металлургическими способами извлекают металлы: дроблением руды, обогащением и сепарацией и далее выплавкой соответственно чугуна или слитков цветных металлов. Чугун используется собственно и как чугун, как материал для выплавки сталей.

Стальные слитки и слитки цветных металлов в дальнейшем перерабатываются для сортового проката в виде рельсов, балок, прутков, полос, листов, уголков, швеллеров, проволоки и т. п. Соответственно, выпуском чугуна и сталей занимается черная металлургия, а производством цветных металлов – цветная металлургия.

Технически чистые металлы характеризуются низкой прочностью и высокой пластичностью, поэтому в технике применяют различные металлические сплавы. Сплав – вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

Элементами сплавов могут быть металлы и неметаллы. Эти элементы называются компонентами сплава. В сплавах, кроме основных элементов, могут содержаться примеси. Примеси могут быть полезными, если они улучшают свойства сплава, или вредными, если они ухудшают свойства сплава. Примеси можно выделить как специальные, которые ввели в сплав для придания ему требуемых свойств, так и случайные, попавшие в сплав случайно при его приготовлении.

Сплавы делятся по следующим признакам:

• черные сплавы на основе железа – это стали и чугуны;

• легкие цветные сплавы с малой плотностью на основе алюминия, магния, титана, бериллия;

• тяжелые цветные сплавы с высокой плотностью на основе меди, свинца, олова и др.;

• легкоплавкие цветные сплавы на основе цинка, кадмия, олова, и др.;

• тугоплавкие цветные сплавы на основе молибдена, ниобия, циркония, вольфрама, ванадия и пр.

Кристаллическое строение металлов

Все металлы в твердом состоянии имеют кристаллическое строение. Атомы в твердом металле расположены упорядоченно и образуют кристаллические решетки. Расстояние между атомами называют параметрами кристаллической решетки и измеряют в нанометрах. Типы кристаллических решеток изображены на рисунке 37.

Свойства металлов таковы, что при повышении температуры или давления параметры решеток могут изменяться. Некоторые металлы в твердом состоянии при различных температурах изменяют строение своих кристаллических решеток, что всегда приводит к изменению физико-химических свойств металлов.

Существование одного и того же металла в нескольких кристаллических формах носит название аллотропии, или полиморфизма. Температура при этих фазовых превращениях называется критической, а перестройка кристаллических форм – полиморфными превращениями.

Основоположником изучения термических превращений в сталях (сплавах «железо-углерод») был русский ученый Д. К. Чернов. Им было открыто, что при нагреве твердой стали до определенных температур, зависящих от ее состава, в ней происходят внутренние превращения, приводящие к изменению свойств. Открытие Д. К. Чернова, получившее всемирное признание в 1868 году, показало связь между составом, строением и свойствами стали. Работы Чернова легли в основу учения о термообработке стали. Им были открыты дендритные кристаллы, критические точки термических превращений и теория литья стали и сплавов, изучены процессы кристаллизации слитков металла.

Рис. 37.

Кристаллические решетки металлов:

1 – объемно-центрированного куба (ОЦК); 2 – гранецентрированного куба (ГЦК);

3 – гексагональная плотно упакованная решетка (ГПР)

Кристаллическое строение и кристаллизация сплавов

Строение сплавов более сложное, чем строение чистого металла, и зависит от взаимодействия компонентов при кристаллизации.

Компоненты сплава при кристаллизации могут образовывать:

• твердые растворы, когда элементы сплава взаимно растворяются один в другом;

• механическую смесь – при полной взаимной нерастворимости, когда сплав состоит из смеси кристаллов составляющих ее компонентов;

• химическое соединение, при котором компоненты сплава вступают в химическое взаимодействие, образуя новую кристаллическую решетку.

Процесс перехода сплава из жидкого состояния в твердое с образованием кристаллических решеток (кристаллов) называется первичной кристаллизацией. Свойства металлических сплавов зависят от образующейся в процессе кристаллизации структуры. Под структурой понимают наблюдаемое кристаллическое строение сплава. Процесс кристаллизации начинается с образования кристаллических зародышей – центров кристаллизации.

Скорость кристаллизации зависит от скорости зарождения центров кристаллизации и скорости роста кристаллов в прямой зависимости, т. е. чем выше скорость роста кристаллов и больше число образующихся зародышей, тем быстрее протекает процесс кристаллизации сплава. Внутренняя структура сплава зависит от формы ориентировки кристаллических решеток в пространстве и скорости кристаллизации.