Glavna mehanička svojstva metala. Tehnološka svojstva metala
U naše vrijeme, za proizvodnju strojeva i uređaja uglavnom se koriste materijali koji uključuju metali, legure metala s drugim metalima i nemetalima. Stoga je vrlo važno odrediti mehanička svojstva metala. Ne manje važno je poznavanje takvih općih zakona kao što su učestalost promjena sposobnosti njihovih elemenata i njihovih spojeva, ovisnost svojstava o vrstama i karakteristikama kemijskih veza u slitinama na njima.
Osnovna mehanička svojstva metala
Metali su tvari koje karakterizira provođenje topline, električna vodljivost, plastičnost. Svi oni, osim žive, su krute tvari na sobnoj temperaturi. Točka taljenja je u rasponu od -38,78 do + 3380 o C. Mehanička i tehnološka svojstva metala imaju visoku sposobnost apsorpcije svjetlosti, te su stoga neprozirna čak iu vrlo tankim slojevima. Međutim, glatki i čisti površinski sloj dobro reflektira svjetlost i daje joj karakterističan sjaj. Većina površina je bijela i siva. Samo bakar i zlato imaju žutu boju. Neki metali imaju sivu boju sa slabim plavkastim, žućkastim ili crvenkastim nijansama. U krutom stanju, svi oni imaju kristalni oblik. U parnom stanju, monoatomski metali. Prema njihovoj specifičnoj težini dijele se na lagane i teške. Postoji još jedna podjela - za željezne i obojene metale.
Metali u prirodi i metode njihove ekstrakcije
U prirodi, metali se nalaze iu slobodnom stanju (Cu, Au, Ag, Hg, Pt) iu obliku raznih spojeva - oksida, sulfida, karbonata, sulfata, fosfata, klorida, nitrata i drugih spojeva. Pri vađenju iz ruda i minerala koriste se različiti načini redukcije. U praksi, ti spojevi i minerali imaju vrijednost, od koje industrija može dobiti čisti metal jednostavno i bez velikih troškova. Ugljik se koristi za proizvodnju željeza iz željezne rude. Redukcijska sredstva mogu biti vodik, aluminij, kalcij, natrij, koji imaju veću sposobnost dodavanja kisika. Proizvodnja željeza iz sulfida odvija se u dvije faze: najprije se dobiva sulfat, a zatim izgara i pretvori u okside, a nastali oksid se reducira prema tehnologiji proizvodnje iz oksida. Karbonati se prvo zagrijavaju kada se ugljik ugljika. Slična djelovanja mogu se dobiti iz različitih vrsta željeza iz različitih prirodnih spojeva. Metoda elektrolize proizvodi aktivnu tvar metali, alkalni, alkalne, aluminijeve, magnezijeve, itd. Posljednje se proizvode elektrolizom talina (rastaljenih soli). Propuštajući izravnu električnu struju oslobađaju se ioni na katodi. Tehnološka svojstva metala koja se teško topi koriste se za dobivanje u obliku praška ili spužvastog stanja, nakon čega slijedi prešanje na visokoj temperaturi.
Struktura metala i njihova fizikalna svojstva
Na mehanička svojstva metala utječu karakteristike njihove unutarnje strukture u čvrstom stanju. Metalna rešetka ima takvu osobinu da u njenim čvorovima postoje molekularne čestice, to jest, postoji ravnoteža. Valentni elektroni su u relativno slobodnom stanju i nisu fiksirani striktno na svaki atom, tvoreći takozvani elektronski plin. To znači da se kristalna rešetka sastoji od pozitivnih iona, a praznine između iona su ispunjene elektronima. Ako postoji temperaturna razlika ili pod utjecajem vanjske potencijalne razlike, ti se elektroni lako kreću i provode toplinu i električnu struju bez pomicanja čestica materijala. U parnom stanju, mehanička svojstva metala pridonose provođenju električne struje samo u ioniziranom obliku. Karakteristično je da se s povećanjem temperature električna vodljivost smanjuje zbog činjenice da se njihov volumni otpor povećava. Pri zagrijavanju ili (čak i pri izlaganju fotonima) povećava se energija elektrona, pa se i mogu lako emitirati (pojavljivanje katodnih zraka i fotoelektronske emisije, koristi se u radijskom inženjerstvu, u elektronskim cijevima i mjerenju intenziteta svjetla pomoću foto stanica). Tako je metalna rešetka zapravo ionska rešetka, u čijim vrhovima postoje pozitivni ioni istog naziva, čije se međusobno odbijanje kompenzira ne suprotnim nabijenim anionima, nego zajedničkim naporima slobodnih elektrona.
Ispitivanja mehaničkih svojstava metala
Otapanje se može provesti samo kada se pretvore u vodotopive spojeve, to jest, kemijskim sredstvima. Neki se mogu likvidirati u tekuću živu (srebro, zlato), tvoreći takozvani amalgam. Željezo može tvoriti i smjese i intermetalne spojeve (intermetalne faze) koje imaju određeni sastav. Da bi se dobila slika promjene svojstava s temperaturom, koriste se krivulje hlađenja dobivene proučavanjem brzine hlađenja. Prethodno zagrijana tvar se ostavi da se ohladi i temperatura se mjeri svakih sat vremena. Rezultati su nacrtani na dijagramu, gdje je vrijeme prikazano na osi apscise, a temperatura je nacrtana na osi ordinate. Ako se tehnološka svojstva metala, uz ispuštanje topline, ne mijenjaju tijekom hlađenja, temperatura se postupno smanjuje. Ako dođe do bilo kakvih promjena u sustavu, tada dolazi do kašnjenja u hlađenju sustava uzrokovanog faznim prijelazima. Pomoću termičke analize krivulja hlađenja moguće je istražiti sastav spojeva koji se mogu formirati između sastavnih dijelova legura.
Promjene u svojstvima legura ovisno o sastavu
Općenito, kada tvar prelazi iz tekućine u kruto stanje, tvar se oslobađa u obliku više ili manje velikih čestica - kristala, ili bezoblične amorfne mase (ljepila, guma itd.). Najmanji mogući volumen kristalne rešetke, koji reproducira značajke njegove strukture, karakterizira jedinična ćelija. Oblik krute tvari ovisi o prirodi tvari i uvjetima u kojima se odvija prijelaz u čvrsto stanje. Ako su na vrhovima identični atomi, onda je udaljenost između njih u kristalu jednaka zbroju njihovih radijusa, to jest, polumjer atoma jednak je polovici ove udaljenosti. Ispunjavanje kristalnih rešetki molekulama i ionima odvija se pri maksimalnom gustom pakiranju, tj. Ioni i molekule ispunjavaju prostor minimalnim volumenom. Elementi simetrije čvrstog kristala su njegovo središte, ravnine i osi. Njihova najkarakterističnija osobina je anizotropija, odnosno različitost njihovih karakteristika (snaga, toplinska vodljivost, brzina otapanja, itd.) U različitim smjerovima. Odsutnost striktno usmjerenih veza između atoma, mehanička svojstva metala omogućuju postavljanje dva ili više elemenata u metalnu rešetku, koja su raspoređena u određenom redu, tvoreći intermetalne strukture.
legure
Prilikom miješanja različitih metala u rastaljenom stanju, čestice glavne komponente mogu se zamijeniti česticama drugog ili više elemenata bez mijenjanja kristalne rešetke, formirajući čvrste otopine. Materijali koji sadrže dva ili više vrsta atoma i imaju karakteristična svojstva (sjaj, toplinska vodljivost, električna vodljivost) nazivaju se legurama. U rastaljenom stanju metali se dobro rastapaju jedan u drugom i, u pravilu, bez ograničenja. Često u tim otopinama mogu nastati brojne heterogene zone, što ukazuje na njihovu ograničenu topljivost. Mehanička svojstva metala, na temelju kojih se formira legura, razlikuju se od fizičkih i mehaničkih svojstava legura. Kada se otopi u živu, formiraju se takozvani amalgami. U praksi postoje tri vrste legure: tvrde otopine, one koje imaju karakter kemijskih spojeva metala, i mješavinu kristala.
Formiranje elementarne kristalne rešetke legura
Različiti postupci za proizvodnju legura omogućuju njihovu proizvodnju željenih svojstava. U praksi se široko koriste spojevi na bazi željeza, bakra, nikla itd. Fizikalna i mehanička svojstva metala, na temelju kojih se proizvodi legura, značajno se razlikuju od svojstava legura. Dodani atomi mogu tvoriti više "krutih" lokaliziranih veza, a klizanje slojeva atoma se smanjuje. To dovodi do smanjenja duktilnosti i povećanja krutosti legura. Tako se jačina željeza povećava 10 puta dodatkom 1% ugljika, nikla ili mangana. U mjedi, koja sadrži 65-70% kroma i 30-5% cinka, čvrstoća je 2 puta veća nego u čistom bakru i 4 puta više nego kod čistog cinka. Industrija proizvodi vrlo mnogo vrsta legura različitih metala sa željenim svojstvima.
Metalna konstrukcija
Proučavajući strukturu atoma, može se uočiti da svi oni imaju mali broj elektrona na vanjskoj energetskoj razini, a karakterizira ih sposobnost da daju samo elektrone kada nastaju spojevi. U spojevima, metali uvijek imaju pozitivan učinak stupanj oksidacije. U stvaranju spojeva, čestice doniraju elektrone, pokazujući svojstva reducirajućeg agensa. Sposobnost darovanja elektrona je različita i ovisi o strukturi atoma. Što lakše daje elektrone, to je aktivnija. Kvantitativna karakteristika mehaničkih svojstava metala za odvajanje elektrona je ionizacijski potencijal. Pod time se podrazumijeva minimalni napon električnog polja (u voltima) pri kojem elektron prima takvo ubrzanje da može uzrokovati ionizaciju atoma. Aktivnost u vodenim otopinama karakterizirana je standardnim elektrodnim potencijalom i može se kvantificirati korištenjem standardne vodikove elektrode, čiji se potencijal uzima kao ± 0. Plemeniti metali imaju pozitivan standardni potencijal. Po kemijskim svojstvima, oni su u mogućnosti interakciju s vodom, kiselinama, lužinama, solima, oksidima, organska tvar.
Interakcija s nemetalima
U svim slučajevima nastajanja spojeva s ne-metalima dolazi do prijelaza elektrona iz atoma metala u atome ne-metala. Hidridi su spojevi s vodikom. Alkalna i zemnoalkalna zemlja nastaju izravnom interakcijom s vodikom. Halogenidi su soli halogenovodičnih kiselina, polarne molekule, koje su za metale 1 i 2 dobro topljive u vodi. Nastaju izravnom interakcijom željeza s halogenima, halogenovodičnom kiselinom s željezom. U njihovom okruženju, metali su vrlo aktivno u interakciji s njim. Oksidi su pretežno fundamentalne prirode, a uključuju okside aluminija, cinka, olova (II), kroma (III). Mogu se dobiti iz elemenata razgradnjom soli s hidroksidom, prženjem sulfida. Osnovna mehanička svojstva metala u zraku doprinose njihovom oblaganju oksidnim filmom. Ako ne pokriva površinu labavo, ne štiti od uništenja, u tijeku je kemijska korozija. Neki metali tvore vrlo gust oksidni film koji ne dopušta da kisik iz zraka i drugih oksidanata prodre kroz njega i štiti metal od korozije.