Свойства и классификация металлов

В технике под металлами понимают вещества, обладающие комплексом металлических свойств: характерным металлическим блеском, высокой электропроводностью, хорошей теплопроводностью, высокой пластичностью.

По объему и частоте использования металлов в технике их можно разделить на металлы технические и редкие. Технические металлы – это наиболее часто применяемые; к ним относятся железо Fe, медь Cu, алюминий Al, магний Mg, никель Ni, титан Ti, свинец Pb, цинк Zn, олово Sn. Все остальные металлы – редкие (ртуть Hg, натрий Na, серебро Ag, золото Au, кобальт Co, хром Cr, молибден Mo, тантал Ta, вольфрамW и др.)

Магнитные – Fe, Ni, Co обладают ферромагнитными свойствами. Сплавы на основе Fe являются основными конструкционными материалами; сплавы на основе Fe, Ni, Co являются основными магнитными материалами.

Тугоплавкие – металлы, у которых температура плавления выше, чем у железа (1539ºС). Это W (3380ºС), Ta (2970ºС), Mo (2620ºС), Cr(1900ºС) и др. Применяются как самостоятельно, так и в виде легирующих добавок в сплавы, работающие при высокой температуре.

Легкоплавкие – имеют температуру плавления ниже 500ºС. К ним относятся индий In (156ºС), таллий Tl (303ºС), висмут Bi (271ºС), кадмий Cd(312ºС) и др. Применяются как проводниковые материалы, антикоррозийные покрытия.

Тяжелые металлы имеют плотность больше 5 Мг/ м³. Это Sn, Cu, Zn, Au и др.

Легкие металлы имеют плотность не более 2,75 Мг/м³ . К ним относятся Al, Na, бериллий Be, литий Li, рубидий Rb и др.

Металлы – один из классов конструкционных материалов, характеризующийся определенным набором свойств:

«металлический блеск» (хорошая отражательная способность);

пластичность;

высокая теплопроводность;

высокая электропроводность.

Данные свойства обусловлены особенностями строения металлов. Согласно теории металлического состояния, металл представляет собой вещество, состоящее из положительных ядер, вокруг которых по орбиталям вращаются электроны. На последнем уровне число электронов невелико и они слабо связаны с ядром. Эти электроны имеют возможность перемещаться по всему объему металла, т.е. принадлежать целой совокупности атомов.

Таким образом, пластичность, теплопроводность и электропроводность обеспечиваются наличием «электронного газа».

Все металлы, затвердевающие в нормальных условиях, представляют собой кристаллические вещества, то есть укладка атомов в них характеризуется определенным порядком – периодичностью, как по различным направлениям, так и по различным плоскостям.

Из общего курса физики известно, что все кристаллические тела характеризуются определенной симметрией в расположении атомов. Кристаллограф Е.С.Федоров (1853-1919 г.) еще в 1890 г. доказал, что существует всего 230 пространственных групп симметрии, отражающих взаимное расположение атомов в любом кристалле. Устройство кристаллической решетки можно изобразить и в менее детализованных представлениях. Для графического построения и в классификационных целях принято использовать кристаллографические оси и осевые системы. В зависимости от длины отрезков, отсекаемых на кристаллографических осях, и взаимного расположения осей различают семь осевых систем или сингоний. Сингония - классификационное подразделение кристаллов по признаку симметрии элементарной ячейки кристалла, характеризуется соотношениями между ее ребрами и углами. Существует 7 сингоний:

кубическая– три равновеликие оси пересекаются под прямым углом;

тетрагональная – два отрезка оси одинаковой длины пересекаются под прямым углом, третья ось перпендикулярна им, и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину;

ромбическая – три оси разной длины пересекаются под прямым углом;

моноклинная – две оси разной длины пересекаются под косым углом, третья ось составляет с ними прямой угол;

триклинная – три оси разной длины пересекаются под косым углом;

тригональная – три отрезка осей равной длины пересекаются в одной плоскости под углом 60⁰, третья ось перпендикулярна этой плоскости и отсекаемый на ней отрезок имеет иную длину;

гексагональная - положение осей аналогично их положению в тригональной сингонии.

Понятий о сингониях не всегда достаточно для того, чтобы характеризовать симметричный принцип строения кристаллических твердых тел. Часто используют более детализованные представления о так называемых трансляционных решетках Браве, которые получаются путем центрировки

элементарных ячеек. Показано, что всего можно ввести в рассмотрение 14 различных решеток Браве: 7 из них называют "примитивными". Они тождественны только что описанным элементарным ячейкам. Еще 7 получаются следующим образом:

центрированием всех граней кубической решетки, т.е. расположением дополнительных "точек" симметрии в центрах всех граней, как показано на Такую решетку принято называть гранецентрированной кубической, или ГЦК – решеткой;

центрированием объема куба, как показано (объемно-центрированная кубическая, или ОЦК - решетка);

центрированием объема тетрагональной решетки (объемно-центрированная тетрагональная решетка, или ОЦТ - решетка);

центрированием объема ромбической решетки (объемно-центрированная ромбическая решетка);

центрированием всех граней ромбической решетки (всесторонне-центрированная ромбическая решетка);

центрированием только гранейa и b ромбической решетки, (частично или односторонне гранецентрированная ромбическая решетка);

Процесс образования в металлах кристаллической решетки называется кристаллизацией. Кристаллизация металла происходит постепенно. Она объединяет два процесса, происходящих одновременно: возникновение центров кристаллизации и рост кристаллов. В процессе кристаллизации, когда растущий кристалл окружен жидкостью, он имеет правильную геометрическую форму. При столкновении растущих кристаллов их правильная форма нарушается.

После окончания кристаллизации образуются кристаллы неправильной формы, которые называются зернамиили кристаллитами. Внутри каждого зерна имеется определенная ориентация кристаллической решетки, отличающаяся от ориентации решеток соседних зерен.

Рис.1.3.

Кристаллическая решетка

Некоторые металлы, в зависимости от температуры, могут существовать в различных кристаллических формах. Это явление называется полиморфизмом или аллотропией, а различные кристаллические формы одного вещества называются полиморфными модификациями. Процесс перехода от одной кристаллической формы к другой называется полиморфный превращением. Полиморфные превращения протекают при определенной температуре. Полиморфные модификации обозначают строчными греческими буквами α,β,γ,δ и т.д., причём α соответствует модификации, существующей при наиболее низкой температуре. Полиморфизм характерен для железа, олова, кобальта, марганца, титана и некоторых других металлов.