§ 2. Строение металлов, сплавов и жидких расплавов
Металлы — простые вещества, обладающие свободными, не связанными с определенными атомами электронами, которые способны перемещаться по всему объему тела. Эта особенность состояния металлического вещества определяет собой свойства металлов.
Атомы металлов легко отдают внешние (валентные) Электроны, превращаясь при этом в положительно заряженные ионы. Отданные атомами свободные электроны Непрерывно хаотически, т. е. беспорядочно, перемещаются по всему объему металла. Такие свободные электроны часто называют электронным газом. Положительно заряженные ионы при столкновении со свободными электронами на некоторое время могут превращаться в ней тральные атомы.
Таким образом, металлы состоят из упорядоченно положенных и пространстве положительно заряженных попон, перемещающихся среди них электронов и небольшого количества нейтральных атомов. Металлами являются алюминий, железо, медь, никель, хром и т. д.
Сплавы представляют собой системы, состоящие из 2 или нескольких металлов или металлов и неметаллов. Сплавы обладают всеми характерными свойствами металлов. Например, сталь и чугун — сплавы железа, с углеродом, кремнием, марганцем, фосфором и серой; бронза—сплав меди с оловом или другими элементами; латунь — сплав меди с цинком и другими элементами.
В промышленности широко применяют сплавы, получаемые сплавлением составляющих с последующей кристаллизацией из жидкого состояния, значительно меньше сплавы, получаемые спеканием.
Рис. 1. Схемы кристаллических решеток:
а-объёмно-центрированная кубическая (ОЦК);
б-гранецентрированная кубическая (ГЦК);
в-гексагональная плотноупакованная (ГПУ).
В процессе кристаллизации из расплавленного (жидкого) состояния металла или сплава положительно заряженныеионы и нейтральные атомы группируются в строго определенной последовательности, образуя кристаллические решетки — правильное упорядоченное расположение атомов в элементарной ячейке. Кристаллические решетки у металлов и сплавов могут быть различных типов: объемно-центрированные кубические
(OLIK), гранецентрированные кубические (Г1ДК), гексагональные плотноупакованные (ГПУ). Объемно-центрированную кубическую решетку (рис. 1, а) образуют железо Fe, хром Сг, молибден Мо и др.; гранецентрированную кубическую решетку (рис. 1, б)—железо Fe, медь Си, алюминия А1, свинец РЬ и др.; гексагональную плотноупакованную (рис. 1, в)—цинк Zn, магний Mg, кобальт Со и др. Для характеристики кристаллической решетки необходимо знать периоды решетки— ра стояние между центрами атомов или ионов, находящихся в узлах решетки. Период решетки измеряется в ангстремах (1А=10-8 см).
3. СВОЙСТВА МЕТАЛОВ
Физические свойства
Свойства называются физическими потому, что они подчиняются общим физическим законам. Физические свойства зависят от внутреннего строения металлов и сплавов. К таким свойствам металлов и сплавов относятся: плотность, температура плавления, теплопроводность, электропроводность.
Плотность металла характеризуется количеством массы вещества в единице объема. Плотность обозначается греческой буквой р и измеряется в кг/м3, г/см3, т/м3. Плотность (в кг/м3) железа равна 7800, меди — 8900, чугуна — 7000, латуни — 8500.
По плотности металлы и сплавы делятся на две группы: легкие, плотность которых меньше 5000 кг/м3, тяжелые, плотность которых больше 5000 кг/м3. К легким металлам относятся алюминий, магний, титан и сплавы на их основе, к тяжелым — медь, никель, цинк и сплавы на их основе.
При производстве машин и механизмов, чтобы уменьшить их массу, используют металлы и сплавы меньшей плотности.
Температура плавления — постоянная температура, при которой твердый металл или сплав переходит в жидкий расплав при нормальном давлении. Для отсчета температуры применяют две шкалы: термодинамическую," где единицей измерения температуры служит кельвин (обозначается К), и международную практическую, где единицей измерения служит градус Цельсия (обозначается °С).
Зависимость термодинамической и практической шкал выражается формулой
t= T — 273,15 К,
где t — температура, °С; Т — температура, .
Температура плавления зависит от прочности связи между ионами в металлах и сплавах и изменяется в очень широких пределах: от — 39 (ртуть) до 3410° С (вольфрам). В тех случаях, когда требуется жаростойкий металл, используют металлы и сплавы с высокой температурой плавления. Металлы плавятся при определенных температурах, а большинство сплавов — в интервале температур.
Теплопроводность — способность металлов н сплавов передавать тепло от одних частей металла к другим, обусловленная разностью температур. Металлы и сплавы характеризуются большой теплопроводностью (серебро, алюминий, медь и сплавы на их основе).
Тепловую энергию переносят свободные электроны, Находящиеся в постоянном движении. Свободные электроны все время сталкиваются с колеблющимися ионами п обмениваются с ними энергией. Колебания ионов, усиливающиеся при нагревании, передаются электронами соседним ионам, при этом происходит быстрое выравнивание температуры по всей массе металла.
Чем больше теплопроводность металла, тем быстрее тепло при нагревании распространяется по всему объему. Это свойство учитывают при изготовлении нагревательных приборов, двигателей, которые нагреваются во Время работы, при газовой резке металлов и сплавов, При обработке металлов режущим инструментом.
Электропроводность — способность металлов и сплавов проводить электрический ток под действием внешнего электрического поля. Переносят электрический ток свободные электроны, поэтому тепло- и электропроводность у чистых металлов пропорциональны друг Другу, Электропроводность металлов с повышением температуры уменьшается. Это объясняется тем, что при нагревании колебательные движения ионов в металле усиливаются, а это мешает движению электронов. При каких температурах, когда колебательные движения попов уменьшаются, электропроводность резко увеличивается.
Высокой электропроводностью обладают серебро, алюминий, медь и сплавы на их основе, низкой — вольфрам, хром. Из металлов, хорошо проводящих электрический ток, делают электрические провода, токопроводящие детали электрических машин, а из металлов и сплавов, плохо проводящих электрический ток (обладающих большим электросопротивлением), изготовляют 1Л1 I-1 нагревательные приборы, реостаты.
'I'силовое (термическое) расширение — способность металлов и сплавов изменять свои размеры и процессе нагревания при постоянном давлении. Это свойство металлов учитывают при прокладке трубопроводы, рельсов железнодорожных путей. Длинные трубопроводы и паропроводы в нагретом состоянии значительно увеличивают свои размеры. Поэтому, чтобы трубопроводы могли свободно удлиняться, оставаясь невредимыми, делают специальные устройства — компенсаторы, которые воспринимают удлинение трубопроводов При тепловом расширении. На мостах устанавливают подвижные опоры. У зданий и сооружений большой протяженности предусматривают термические швы. Рельсы на крановых и- железнодорожных путях укладывают с небольшими промежутками для свободного термического расширения.